第四章生命的延续 细胞分裂及遗传 - 微生物学系.doc

第四章 生命的延續─細胞分裂及遺傳 當我們介紹生物的特徵時，我們曾經介紹過生命與無生命之間最大又最明顯的不同之處在於—生命能用他們自己為藍本複製新生命。當生命這麼做的時候，生命必須完成兩件大事，其一是能確保生物結構單位的再現，即細胞的再生；其二為生命信息藍本能由舊細胞中完整的傳遞給新細胞，使其能正確無誤的繼續執行與舊細胞相同的生物功能。在生物體內能完成上述兩件大事的活動分別為細胞分裂和遺傳。本章就是要介紹在生命活動中與生命延續息息相關的這兩件大事。 第一節 細胞分裂 細胞依核的有無可分成兩種形式，一為真核細胞，一為原核細胞，就如我們前面所介紹的，生命中除了細菌及藍綠藻為原核生物外，其他的生物都是真核生物；但不論是原核或是真核生物，在其生活史的某一個階段都會以自己為藍本，複製新的生命個體。單細胞生物在這種生命的延續過程中，只要簡單地經過細胞分裂的過程就可以完成(圖一)；但在多細胞生物中，這種複製產生新生命的過程就不是單單靠細胞分裂就可以完成的了。下面我們將以真核細胞的細胞分裂的過程為例，說明單細胞如何分裂並複製新的細胞，而多細胞生物複製自己的過程及其他有關的問題則將在後面幾節中陸續加以說明。 圖一：細菌細胞分裂 一、有絲分裂 細胞分裂為一個細胞分裂成二的過程，真核細胞的分裂一共有兩種形式，一是有絲分裂﹝圖二﹞，一是減數分裂﹝圖四﹞；各種特性不同的真核細胞都會行有絲分裂以複製新的真核細胞，但減數分裂卻只在多細胞生物的生殖細胞﹝如：動物的生殖細胞，雌性為卵，雄性為精子，植物則雌性為卵，雄性為花粉，真菌的生殖細胞則為孢子 ，這些特化的細胞又可統稱為配子﹞的成熟特化過程中才會發生。 圖二：有絲分裂 其實，絕大多數的細胞在其死亡之前，都會重複的進行細胞的新生工作─細胞分裂。這種週而復始的分裂過程，是細胞生命史中一個重要的標的。如果以細胞的分裂為標準來觀察細胞的生命，我們會發現細胞一直重複著一種生長後分裂的生命週期 ，這種分裂生長交替出現的過程，我們稱之為細胞週期（圖三）；從一細胞分裂時開始一直到下一次分裂前為一個週期。不同種的細胞其週期的長短各不相同，比如在胚胎發育中的細胞，它的細胞週期就很短，相反的，在一成熟的生命個體中，其細胞的細胞週期就長的多了。在每一個週期中又可以再細分成為兩個部份，分裂期及介於分裂之間的細胞生長期，分裂期是細胞一分為二的時候，細胞生長期則為細胞生長與預備分裂的時候。 圖三：細胞週期 細胞核分裂與細胞質分裂 真核細胞是一具核的細胞，所以當細胞分裂時，不論是有絲或是減數分裂，分裂的過程實包括了兩個部分，一為核的分裂，另一為細胞質的分裂。在核的分裂中，真核細胞核內的遺傳物質被分成為內容完全相同的兩部份，分別進入兩個新生成的子細胞內﹝圖二﹞。質分裂則只是將母細胞的細胞質大略等分成二份分入兩個新的子細胞內。由此觀之，細胞的分裂，只是將成長至一定大小的細胞等分成二的過程，尤其是將遺傳物質等分為二是其主要的目的。 染色體 在真核細胞的核內擁有該生物的遺傳物質，即DNA，這種物質在細胞分裂的過程中與蛋白質作用折疊成一種可被鹼性染劑染色而能在顯微鏡下觀察的實體，故我們稱其為染色體﹝圖二﹞；染色體在細胞分裂的過程中可以用光學顯微鏡加以觀察及計數，科學家發現，在不同種的生物體中染色體的數目是不相同的，但在同一種生物中則完全一樣﹝表一﹞，如人有46個染色體，不管他是男人還是女人，是住在亞馬遜河流域的土著還是住在台北的我們都是一樣；除此之外，科學家還發現這些染色體有兩兩相似的情況發生，其大小、形狀及染色出來的形式都一樣。 表一：生物的染色體數目 物種 染色體數目 物種 染色體數目 人 46 小麥 42 老鼠 40 碗豆 14 雞 78 玉米 20 另外科學家也發現在這些染色體中有一個到兩個染色體則與生物的性別決定有關，這種染色體被稱為性染色體，其他的染色體則稱為體染色體。在細胞週期的細胞生長期中，組成每一個染色體的物質都會經複製而加倍，這些加倍的遺傳物質在細胞生長期都會聯在一起，直到核分裂時才會分開，我們稱這種加倍複製成的兩個相連的實體為這個染色體的染色分體（這種染色體或染色分體只有在細胞分裂時利用顯微鏡才能觀察得到的，在細胞生長期遺傳物質是無法直接染色由顯微鏡觀察的）。兩個染色分體分開的過程非常細膩，以確保遺傳物質的等分，首先，染色體以著絲粒與細胞分裂時才出現的紡錘絲相連，紡錘絲的絲狀結構則分別帶領染色體上的兩個染色分體往不同的方向﹝相反的極端﹞移動（圖二，d,e），將一個擁有兩個染色分體的染色體一分為二。其實，核分裂的過程就是等分遺傳物質的過程。在有絲分裂的過程中，經過核分裂的細胞，其染