積木的生命

顯示/隱藏 詞語新知

二倍體細胞 (Diploid cell): 具有兩組染色體的細胞(共46個染色體)。

單倍體細胞 (Haploid cell): 只有一組染色體的細胞。

染色體 (Chromosome): 一種由DNA(脫氧核糖核酸)組成的長線狀分子,與特殊蛋白質結合在一起,在細胞分裂過程中(使用高能顯微鏡)可見。

獨特 (Unique): 僅此一種。

細胞 (Cell): 就像生命微小的積木,包含了所有植物或動物生存所需的所有信息。它也是生命最小的單位。

細胞器 (Organelle): 「小器官」。細胞的內部器官。

脱氧核糖核酸 (DNA): 脫氧核糖核酸是細胞的「信息藍圖」。它是一種核酸,由核苷酸構成。這種遺傳信息由父母傳給孩子。

細胞從何而來?

cell division

在細胞分裂的最後階段(末期)的小鼠細胞的3D圖像。(圖片來自Lothar Schermelleh

有時候你會不小心咬傷你的嘴唇或者擦損你的膝蓋,但是在幾天之內傷口就會癒合。難道傷口有魔力嗎?或者還有其他解釋?

每一天,每一小時,每一秒鐘,你的身體中發生著生命其中最重要的一件事——細胞分裂。當細胞分裂時,新的細胞會被製造出來。單個細胞分成兩個細胞,然後這兩個細胞分裂成四個細胞,如此類推。我們稱這一過程為「細胞分裂」和「細胞繁殖」,因為新細胞是從老細胞分裂而來的。細胞分裂是生物體獨特的能力。

為甚麼細胞要分裂?

細胞分裂的原因很多。例如,當你擦損膝蓋時,細胞可以透過分裂來代替老舊、死亡或受損的細胞。細胞分裂,所以生物可以成長。當生物體生長時,並不是因為細胞變大。生物體生長是因為越來越多的細胞透過細胞分裂產生。在人體中,細胞每天分裂近兩萬億次。


觀察動物細胞(上)和大腸桿菌細胞(下)細胞分裂的縮時影片。影片將30小時的有絲細胞分裂壓縮成幾秒鐘。

你身體裡有多少個細胞?

你和我最初都只是一個單細胞,或稱之為卵细胞。但到你成年的時候,你將會有數萬億個細胞。這個數字取決於不同人的大小,但生物學家估略給出了這個數字:37萬億個細胞。是的,你沒看錯,是「萬億」。

細胞如何知道甚麼時候分裂?

在細胞分裂中,分裂的細胞被稱為「母」細胞。母細胞分成兩個「子」細胞。細胞週期中不斷重複著這樣的細胞分裂。 

Cell division (NIH image)

癌細胞的細胞分裂(來自NIH的圖像)

細胞通過一種稱為週期素 (cyclin) 的特殊蛋白質作為化學訊號,來相互溝通並調節細胞分裂。這些訊號就像開關一樣告訴細胞甚麼時候開始分裂,然後何時停止分裂。細胞分裂是非常重要的,這樣你才可以生長,才可以讓傷口癒合。但細胞在對的時間停止分裂也很重要。如果一個細胞在應停止時不能停止分裂,可能會導致一種叫做癌症的疾病。

一些細胞不斷地分裂,例如皮膚細胞。因為我們需要不斷製造新的皮膚細胞來替代我們失去的皮膚細胞。你知道我們每分鐘會失去 3 萬到 4 萬個死皮細胞嗎?這意味著我們每天損失約 5,000 萬個細胞。正因有這麼多皮膚細胞需要被取代,使得細胞分裂在皮膚細胞中如此重要。其他細胞,例如神經和腦細胞,分裂的頻率則要少得多。

細胞如何分裂

取決於細胞類型,細胞分裂有兩種方式:有絲分裂和減數分裂。每個細胞分裂的方法都有它的特徵。有絲分裂的關鍵在於單細胞分裂為兩個互為複製品,並具有相同染色體數量的細胞。這種類型的細胞分裂有助基本的生長、修復和保養。在減數分裂中,一個細胞分裂成兩個具有一半染色體數量的細胞。將染色體數量減少一半對於有性繁殖和遺傳多樣性非常重要。

有絲細胞分裂

體細胞或非生殖細胞的分裂方式就是有絲分裂。體細胞構成你身體的大部分組織和器官,包括皮膚、肌肉、肺、腸和毛細胞。生殖細胞(如卵細胞)不是體細胞。

你需要記住,在有絲分裂中每個子細胞都具有與母細胞相同的染色體和DNA。來自有絲分裂的子細胞被稱為二倍體細胞。二倍體細胞有兩套完整的染色體。由於子細胞具有其母細胞DNA的拷貝,所以在正常健康細胞中的有絲分裂不會導致遺傳多樣性。

Mitosis

有絲細胞分裂產生兩個基因相同的二倍體細胞。上圖顯示了有絲分裂的主要步驟。(圖片來自Science Primer和國家生物技術信息中心的Mysid)

有絲分裂的細胞週期

在細胞開始分裂之前,它處於「間期」。雖然細胞看起來必須不斷分裂(記住你的身體每天有2萬億次細胞分裂),但是每個細胞實際上大部分時間都花在間期。細胞在間期中準備分裂來開始細胞週期。在此期間,細胞收集營養和能量。母細胞也複製其 DNA,讓兩個子細胞平均分享DNA。

有絲分裂的過程可分為細胞週期的幾個步驟或階段——間期、前期、前中期、中期、後期、末期和胞質分裂——新的二倍體細胞就如此誕生了。

Mitosis cell cycle

有絲分裂細胞週期由幾個階段組成,最終導致兩個新的二倍體子細胞形式。每個階段都在這裡以熒光輔助並透過光學顯微鏡展示。點擊圖片了解更多關於每個階段的資訊。(來自OpenStax College的圖片,Mariana Ruiz Villareal、Roy van Heesheen和Wadsworth Center進行了修改。)

細胞在有絲分裂期間,一些細胞器也會分享給兩個子細胞。例如,線粒體在間期期間生長和分裂,因此子細胞各自具有足夠的線粒體。然而,高爾基體在有絲分裂之前會先分解,之後才在每個新的子細胞中重新組裝。目前正在研究細胞分裂之前,之中和之後細胞器發生情況的許多具體細節。(你可以點擊這裡閱讀更多關於不同的細胞部份和細胞器的信息。)

減數細胞分裂

減數分裂是細胞分裂的另一主要途徑。減數分裂產生性細胞,例如雌性卵細胞或雄性精子細胞。關於減數分裂我們有甚麼要特別記住的?那就是,在減數分裂中,每個新細胞都含有一組獨特的遺傳信息。減數分裂後,精子和卵細胞可以結合,創造一個全新的生物體。

所有有性繁殖的生物體中都具有遺傳多樣性,正正因為有減數分裂。在減數分裂期間,每條染色體的一小部分斷裂並重新連接到另一條染色體。這個過程被稱為「互換」或「基因重組」。因為遺傳重組,即使是來自同一父母的卵子和精子細胞結合誕生的兄弟姐妹也看起來非常不同。

Meiosis

減數分裂細胞週期分為兩個主要階段:減數分裂I和減數分裂II。減數分裂最後會形式四個單倍體子細胞,每個子細胞彼此之間和與母細胞都有著不同的遺傳信息。點擊查看更多細節。(圖片來自美國國家生物技術信息中心的 Science Primer)

減數分裂的細胞週期

減數分裂具有兩個細胞分裂週期,通常稱為減數分裂I和減數分裂II。 減數分裂I將染色體的數量分成兩半,並且染色體互換也在這時發生。減數分裂II再將每個細胞每個染色體中遺傳信息的數量分成兩半。最終形成了四個稱為單倍體細胞的子細胞。單倍體細胞只有一組染色體:是母細胞染色體數量的一半。

在減數分裂I開始之前,細胞進入間期。就像有絲分裂一樣,母細胞利用這段時間收集營養物質和能量,並複製自己的DNA來準備細胞分裂。在減數分裂的下一階段,DNA將在基因重組期間發生變化,然後再分給四個單倍體細胞。

簡單一句話記住,有絲分裂讓我們成長,減數分裂是我們獨一無二的原因!

 


参考:

Bianconi E, Piovesan A, Facchin F, Beraudi A, Casadei R, Frabetti F, Vitale L, Pelleri MC, Tassani S, Piva F, Perez-Amodio S, Strippoli P, Canaider S. Ann. An estimation of the number of cells in the human body.  Retrieved March 14, 2014 from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23829164.

Frog egg dividing

青蛙受精卵正在分裂成兩個細胞。

Be Part of
Ask A Biologist

By volunteering, or simply sending us feedback on the site. Scientists, teachers, writers, illustrators, and translators are all important to the program. If you are interested in helping with the website we have a Volunteers page to get the process started.

Donate icon  Contribute

 

Share to Google Classroom