И. В. Утепбаева

Изготовление и применение на уроках биологии динамичной модели процесса деления клетки

В общей биологии тема «Деление клетки» является одной из самых трудных для учащихся. В ней вводится много новых понятий, дается 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 дает 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 нанизывают на капроновую леску и крепят на картонной основе, изображающей клетку. На полюсах «клетки» надо сделать отверстия, через которые протянуть нити (нити веретена деления). Нити крепятся к каждой хромосоме в области центромеры. Чтобы избежать разрыва картона при натягивании нитей, в отверстия, изображающие клеточный центр, необходимо вставить небольшие кусочки, вырезанные из стержня шариковой ручки.

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 ее можно изобразить так, как показано на рис. 1 и 2.

В исходном состоянии модели хроматиды расположены одна над другой, поэтому хромосомы выглядят однохроматидными. При смещении деталей по леске относительно друг друга получаются двухроматидные хромосомы. При этом необходимо пояснить, что увеличивается число нитей ДНК (c), а не хромосом (n), т.е. 2n2c → 2n4c. Именно такая клетка приступает к делению.

Первая фаза митоза – профаза – характеризуется спирализацией хромосом, расхождением центриолей из клеточного центра к полюсам клетки и разрушением ядерной оболочки. Охарактеризовать этот процесс несложно 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 можно наглядно продемонстрировать с помощью модели деления клетки.

Модель митоза состоит из трех частей (рис. 3–4, 5, 6). На рисунке 3 изображена вторая фаза митоза – метафаза. Хромосомы расположены в экваториальной плоскости клетки в один слой (метафазная пластинка), и нити веретена деления прикреплены к центромерам хромосом (по две нити к каждой хромосоме). Хромосомы оказываются подвешенными на двух нитях, отходящих от противоположных полюсов клетки. Эта структура называется веретеном деления. В состоянии метафазы клетка находится довольно долго, поэтому в этом состоянии легко подсчитывать число хромосом. 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 стадии в модели митоза (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), т.к. 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 конъюгация (рис. 7) и кроссинговер (рис. 8–9) приводят к образованию комбинированных хромосом, следовательно, проявлению у организмов комбинативной изменчивости. Процесс кроссинговера еще раз будет рассмотрен в темах «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 к хромосомам по одной от каждого полюса, 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 1n2c (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 1n2c, то в телофазе II образуются 4 гаплоидные клетки nc (рис.15).

Все части модели 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 Вb – при дигибридном. При этом расположение хромосом в метафазе II может быть разным (рис. 16 и 18). Если хромосомы расположены так, как показано на рисунке 16, то в одну клетку попадут гены А и В, а во вторую – а и b (рис. 17).

Если же в метафазе II хромосомы будут расположены так, как показано на рисунке 18, то в одну клетку попадут гены А и b, а во вторую – а и В
(рис. 19).

Такое расположение хромосом в мейозе равновероятно, поэтому у дигетерозигот с равной вероятностью могут образоваться четыре типа гамет: АВ, Аb, аВ и аb.

Таким же образом можно продемонстрировать закон сцепленного наследования, только в этом случае гены А и В (А и b) расположены в одной из гомологичных хромосом, а а и b (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 мультимедийных устройств. Но в условиях недостаточного обеспечения сельской школы компьютерами динамичная модель процесса деления клетки может помочь учителю более доступно объяснить сложные темы, а ученикам – лучше их понять.