В общей биологии тема «Деление клетки» является одной из самых трудных для учащихся. В ней вводится много новых понятий, даётся описание поведения хромосом на разных этапах деления клетки. Многие учащиеся не могут представить весь этот сложный механизм, что вызывает затруднения в изучении данной темы. Для облегчения восприятия материала мною была разработана динамичная модель деления клетки, показывающая поведение хромосом во время митоза и мейоза. Модель легка в изготовлении и даёт хороший эффект в усвоении сложного материала.
Модель можно изготовить из плотного картона. Подвижность деталей обеспечена скольжением их по капроновой леске с помощью нитей, выполняющих функцию нитей веретена деления. Детали, изображающие гомологичные хромосомы, лучше изготовить из цветного картона. Цвет наглядно демонстрирует тот факт, что диплоидный набор хромосом клетки образован из гаплоидных наборов мужской и женской гамет. Каждая деталь символизирует одну нить ДНК (хроматиду). Детали нанизываются на капроновую леску и крепятся на картонной основе, изображающей клетку. На полюсах «клетки» надо сделать отверстия, через которые протянуть нити (нити веретена деления). Нити крепятся к хромосомам в области центромеры. Чтобы избежать разрыва картона при натягивании нитей, в отверстия, изображающие клеточный центр, необходимо вставить небольшие кусочки от стержня шариковой ручки. Модель готова, и её можно применять на уроках.
Приведу примеры применения динамичной модели процесса деления клетки при изучении тем «Деление клетки. Митоз», «Мейоз» и «Генетика. Моногибридное и дигибридное скрещивание. Закон чистоты гамет», “Сцепленное наследование”, “Наследственная изменчивость”.
Теме «Деление клетки. Митоз» предшествует тема о клеточном цикле и интерфазе. Важным процессом интерфазы является репликация – удвоение ДНК. С помощью модели её можно изобразить так (рис. 1 и 2):
В первом положении хроматиды расположены одна над другой, поэтому хромосомы выглядят однохроматидными. При смещении деталей по леске относительно друг друга получаются двухроматидные хромосомы. При этом необходимо уточнить, что увеличивается число ДНК, а не хромосом, т.е. 2n2c>2n4c. Именно такая клетка приступает к делению.
Первая фаза митоза – профаза – характеризуется спирализацией хромосом, расхождением клеточного центра к полюсам клетки и разрушением ядерной оболочки. Охарактеризовать этот процесс не сложно с помощью рисунков учебника и других наглядных пособий. Детям труднее представить, что такое метафазная пластинка, веретено деления, как сохраняется число хромосом при расхождении их к полюсам клетки. Это наглядно демонстрирует модель деления клетки. Модель митоза состоит из трёх частей (рис. 3, 5, 6). На рисунке 3 изображена вторая фаза митоза – метафаза. Она показывает расположение хромосом в экваториальной плоскости клетки в один слой (метафазная пластинка) и прикрепление нитей веретена деления к центромерам хромосом (по две нити к каждой хромосоме). Хромосомы оказываются подвешенными на двух нитях от противоположных полюсов клетки. Эта структура и называется веретено деления. Укорачивание нитей (протаскивание их через отверстия) приводит к разделению хромосом и расхождению хроматид (рис. 4). Так осуществляется анафаза.
Кариокинез завершается формированием ядерной оболочки и деспирализацией хромосом, т.е. наступает ранняя телофаза (рис. 5). После формирования клеточной пластинки и разделения цитоплазмы (цитокинез) деление завершается образованием дочерних клеток. Это последняя фаза митоза – телофаза (рис.6).
Сравнивая первую и третью детали модели (рис. 1 и 5), дети сами могут сделать вывод о биологической роли митоза как процесса деления клетки, в результате которого сохраняется наследственный материал.
При изучении темы “Мейоз” ученикам необходимо напомнить, как происходит интерфазное удвоение ДНК (рис.1 и 2), так как в мейоз вступает клетка 2n4c. Модель мейоза состоит из 10 частей (рис. 7, 8, 10, 12, 13, 15). В первом делении мейоза особое внимание уделяется профазе. Происходящие в этой фазе коньюгация (рис. 7) и кроссинговер (рис. 8 и 9) приводят к образованию комбинированных хромосом, следовательно, проявлению у организмов комбинативной изменчивости. Процесс кроссинговера ещё раз будет рассмотрен в теме “Сцепленное наследование” (генетика) и “Наследственная изменчивость”.
В метафазе первого деления (I) мейоза гомологичные хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, но, в отличие от митоза, в два ряда (рис. 10).
Нити веретена деления прикрепляются по одной от каждого полюса к хромосомам, поэтому в анафазе первого деления (I) к полюсам расходятся двухроматидные хромосомы, а число хромосом уменьшается вдвое (рис. 11). В результате в телофазе первого деления (I) образуются две клетки n2c (рис. 12).
Второе деление мейоза очень похоже на митотическое деление. Профаза II происходит быстро, наступает метафаза II (рис.13) и анафаза II (рис.14). И так как ко второму делению приступают две клетки n2c, то в телофазе II образуется 4 гаплоидные клетки nc (рис.15).
Все части комплекта демонстрируются последовательно, по мере изучения материала и вывешиваются на доску. При изучении мейоза необходимо демонстрировать и модель митоза, чтобы учащиеся могли сравнить оба процесса.
Модель деления клетки помогает учащимся лучше понять закон чистоты гамет и цитологические основы моногибридного и дигибридного скрещивания в теме “Генетика”. Для этого на хромосомы схемы метафазы второго деления (рис. 10) крепятся буквенные символы генов: доминантный аллель А и рецессивный аллель а – при моногибридном скрещивании или Аа и Вв – при дигибридном. При этом расположение хромосом в метафазе II может быть разным (рис. 16 и 18). Если хромосомы расположены как на рисунке 16, то в одну клетку попадут гены А и В, а во вторую – а и в (рис. 17).
Если в метафазе II хромосомы будут расположены как на рисунке 18, то в одну клетку попадут гены А и в, а во вторую – а и В (рис. 19).
Такое расположение хромосом в меойзе равновероятно, поэтому у дигетерозигот с равной вероятностью могут образоваться четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ и ав.
Таким же образом можно демонстрировать закон сцепленного наследования, только гены А и В (А и в) расположены в одной из гомологичных хромосом, а а и в (а и В) – в другой. Ученики видят, как гены, образующие группу сцепления, попадают в одну гамету (рис. 20 и 21).
Может быть, кто-то скажет, что в наш век компьютерных технологий процесс деления клетки можно смоделировать с помощью компьютера и мультимедиа. Но в условиях недостаточного обеспечения сельской школы компьютерами динамичная модель процесса деления клетки помогает мне более доступно объяснять сложные темы, а ученикам – лучше их понимать.