四川 文新明
細胞周期是高中生物教材中一個非常重要的知識點,由它可衍生和輻射出許多??键c和必考點。本文中筆者將通過系統(tǒng)的歸納總結(jié)、圖文轉(zhuǎn)換,再結(jié)合一些典型例題的分析,為教師在教學(xué)時如何引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握和運用這部分知識提供參考。
準(zhǔn)確對細胞周期的定義進行分析是理解其含義的關(guān)鍵。分析內(nèi)容主要包括以下4點:(1)對象:連續(xù)進行有絲分裂的細胞,而非各種細胞;(2)起止點:從上一次分裂完成時開始,到下一次分裂完成時為止,說明都是以“完成時”這個時間點為標(biāo)準(zhǔn),即從子細胞→子細胞 ;(3)組成:包括了時間較長的分裂間期(大約占整個細胞周期的90 %~95 %)和時間較短的分裂期(大約占整個細胞周期的5 % ~10 %),即由長、短兩個階段組成 ;(4)特點:不同種類的細胞其細胞周期經(jīng)歷的時間長短不同,分裂間期和分裂期所占的比例也不同,如蠶豆根尖分生區(qū)細胞和人的肝細胞。一個完整的細胞周期實現(xiàn)了從一個細胞到兩個細胞的數(shù)量增殖。
【示例1】以下關(guān)于細胞周期的敘述,不正確的是( )
A.不同種類的細胞其細胞周期持續(xù)時間一般不同
B.在同一生物體內(nèi),各種細胞的分裂一般不同步
C.細胞周期持續(xù)時間長短受溫度等環(huán)境條件的影響
D.能夠增殖的細胞都有細胞周期
【解析】不同種類的細胞其細胞周期長短是不同的。如蠶豆根尖分生區(qū)細胞為17.3 t/h,而人的肝細胞為22 t/h,A項正確;同一生物體內(nèi)各種細胞的分裂有先有后,一般是不同步的,如人體的神經(jīng)細胞只在胚胎發(fā)育期進行分裂,而造血干細胞則終身具備分裂能力,B項正確;在一個細胞周期中細胞內(nèi)進行著各種復(fù)雜的生化反應(yīng),這些反應(yīng)幾乎都與酶的催化作用有關(guān),其細胞周期的長短必然會受到溫度等環(huán)境因素的影響,C項正確;只有連續(xù)分裂增殖的細胞才有細胞周期,進行減數(shù)分裂的細胞或已分化的細胞是無細胞周期的,如精(卵)原細胞、漿細胞、效應(yīng)T細胞等都沒有細胞周期,D項錯誤。
【答案】D
在細胞周期的兩個階段中,分裂間期為分裂期的進行提供活躍的物質(zhì)準(zhǔn)備、完成DNA分子的復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成,從而實現(xiàn)了染色體(質(zhì))的復(fù)制,為分裂期的順利進行奠定基礎(chǔ)。此時細胞代謝旺盛,一些細胞器相對于其他時期異常活躍,如線粒體、核糖體等。人為地將分裂期分為前、中、后、末四個時期,對于分裂間期和分裂期的各個時期的主要特征中染色體數(shù)量變化和核DNA含量變化是理解和掌握細胞周期的核心問題。由于細胞分裂是一個連續(xù)的分裂過程,各個時期之間并無嚴格的界限,只有主要的特征區(qū)別。如晚前期和早中期就是一個相對模糊的時間概念,學(xué)生往往容易機械地、孤立地、片面地理解,而不能有效地理解細胞分裂是一個連續(xù)的、動態(tài)的生命過程。
【示例2】下列關(guān)于細胞增殖的敘述,正確的是( )
A.分裂間期染色體復(fù)制,其數(shù)目加倍
B.細胞分裂間期開始時與結(jié)束時相比物質(zhì)運輸效率相同
C.細胞周期中染色質(zhì)與染色體形態(tài)的轉(zhuǎn)化有利于精準(zhǔn)地均分核DNA
D.植物分生區(qū)處于分裂期的細胞數(shù)目較少,是由于大多數(shù)細胞沒有進入細胞周期
【解析】細胞分裂間期染色質(zhì)復(fù)制,DNA數(shù)目加倍,染色體數(shù)目不變,A項錯誤;細胞分裂間期結(jié)束時由于物質(zhì)的合成使細胞體積較細胞分裂間期開始時體積增大,物質(zhì)運輸效率降低,B項錯誤;細胞周期中染色質(zhì)與染色體形態(tài)的轉(zhuǎn)化有利于精準(zhǔn)地均分核DNA,C項正確;植物分生區(qū)處于分裂期的細胞數(shù)目較少,是由于分裂間期所占時間長于分裂期,大多數(shù)細胞處于分裂間期,D項錯誤。
【答案】C
歸納細胞周期的表示方法,主要包括以下5點:(1)扇形圖(或餅狀圖);(2)直線圖(或線段圖);(3)坐標(biāo)曲線圖;(4)坐標(biāo)柱狀圖;(5)數(shù)字表格等。各種方法歸納如下表所示,要求學(xué)生進行填空鞏固。
方法_名稱___________________________________表示方法 用字母表示細胞周______________期分裂間期扇形圖末期后期中期前期a b ______為一個細胞周期c直線圖分裂間期分裂期a b c d ______為一個細胞周期量含C__D___FE____A DN_坐標(biāo)圖A_____B G O_____________為一個完整的細胞周期分裂期 時間分裂間期數(shù)胞細A柱狀圖C___B____O B組細胞處于__期,正在進行DNA復(fù)制,C組細胞處于________ 期2n 4n____________________________________________________________________DNA相對含量
【答案】a→b→c→a a+b或c+d A→G 分裂間 分裂
其中扇形圖和直線圖相對簡單直觀,多出現(xiàn)在一些基礎(chǔ)訓(xùn)練中,而坐標(biāo)曲線圖和坐標(biāo)柱狀圖,以及數(shù)據(jù)表格均對細胞周期的理解和分析、判斷和推理等運用知識的能力提出了更高的要求。
【示例3】甲圖為細胞核及其周圍部分結(jié)構(gòu)示意圖,乙圖為有絲分裂過程中一個細胞核中DNA含量變化曲線。下列相關(guān)敘述正確的是 ( )
A.假設(shè)甲圖細胞處在細胞周期中,則甲圖細胞相當(dāng)于乙圖cd區(qū)間
B.甲圖中的結(jié)構(gòu)3的數(shù)目在乙圖的ab區(qū)間會加倍
C.在細胞周期中,既可消失又可重建的結(jié)構(gòu)是甲圖中的4、5,其消失時期是乙圖的de區(qū)間
D.甲圖所示結(jié)構(gòu)不可能代表細菌,但細菌分裂過程中也會出現(xiàn)DNA復(fù)制
【解析】甲圖細胞處于細胞周期中的分裂間期,而cd段相當(dāng)于細胞周期的分裂中期,A項錯誤;甲圖中的結(jié)構(gòu)3為染色質(zhì),在ab段DNA復(fù)制加倍,但染色質(zhì)(體)數(shù)目不加倍,B項錯誤;在細胞周期中,既可消失又可重建的結(jié)構(gòu)是甲圖中的4(核仁)、5(核膜),其消失時期是前期,對應(yīng)乙圖的bc或者gh區(qū)間,C項錯誤;細菌是原核生物,無核膜、核仁,而甲圖所示結(jié)構(gòu)含有核膜、核仁,所以甲圖所示結(jié)構(gòu)不可能代表細菌,但細菌分裂過程中也會出現(xiàn)DNA復(fù)制,D項正確。
【答案】D
在以往的各地高考試題中細胞周期的問題多出現(xiàn)在選擇題中,而在2017年全國卷Ⅲ中出現(xiàn)在非選擇題的第29題中,共三問,五個空,共計8分。這也正體現(xiàn)了2017年《考試大綱》對細胞周期考點的重視(2016年以前此考點為Ⅰ級要求,2017年提升為Ⅱ級要求)。鑒于此,在高三復(fù)習(xí)中應(yīng)力求以細胞周期為核心,多角度、全方位地輻射聯(lián)系各個板塊中的相關(guān)知識,以“點”帶“面”進行拓展提高。對此,可以試著從以下幾個方面進行突破。
在細胞周期的分裂間期細胞核活動增強,物質(zhì)進出細胞核速率加快,DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄都會加強,在整個細胞周期中細胞核的核仁、核膜會周期性地消失和重現(xiàn)。而線粒體、核糖體的代謝功能在分裂間期也會明顯強于其他時期,以滿足各種蛋白質(zhì)和酶的合成需要。
基因突變作為可遺傳的變異能夠產(chǎn)生新基因,通常情況下多發(fā)生在分裂間期的DNA復(fù)制過程中,對于細胞周期中分裂旺盛的細胞其突變率會更高。而癌癥治療中的放療、化療則是抑制分裂間期癌細胞DNA的復(fù)制,把癌細胞阻斷在分裂間期階段,使其不能完成分裂從而抑制其增殖。
當(dāng)外界因素中的溫度、氧氣等通過影響酶的活性和能量供應(yīng)來影響細胞周期。溫度適宜,氧氣充足時細胞周期會明顯縮短,細胞分裂旺盛,有利于觀察染色體的數(shù)目和形態(tài)。所以,對于有些受溫度影響較大的實驗材料,如在較低溫度的條件下做實驗就很難觀察到分裂期細胞。
在單倍體育種過程中,第一步通過親本雜交得到F1;第二步再利用F1的花藥(粉)進行花藥離體培養(yǎng)得到單倍體幼苗;第三步用一定濃度的秋水仙素處理單倍體幼苗使其染色體數(shù)目加倍;第四步進行篩選培養(yǎng)獲得所需優(yōu)良品種。其中第三步染色體數(shù)目加倍是由于秋水仙素在前期抑制紡錘體的形成,使后期著絲粒分裂后,姐妹染色單體不能被拉向兩極而形成兩個子細胞,從而導(dǎo)致染色體數(shù)目加倍。帕米爾高原的高山植物多數(shù)都是多倍體,這也是由于該地區(qū)氣候條件極端、劇烈多變,導(dǎo)致了細胞分裂時紡錘體不能正常形成,細胞周期不完整而形成大量的多倍體植物。
【示例4】科學(xué)家用含18O的硝酸鹽作為標(biāo)記物浸泡蠶豆幼苗,追蹤蠶豆根尖細胞的分裂情況,得到蠶豆根尖分生區(qū)細胞連續(xù)分裂的數(shù)據(jù)如下圖,則下列敘述正確的是( )
A.高爾基體、線粒體、葉綠體在蠶豆根尖細胞分裂過程中活動旺盛
B.蠶豆根尖細胞的DNA分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最低的時期有0~2 h、19.3~21.3 h、38.6~40.6 h
C.一個細胞周期可以用0~19.3 h、19.3~38.6 h來表示
D.蠶豆根尖細胞分裂的一個細胞周期為19.3 h
【解析】蠶豆根尖細胞中無葉綠體,在細胞分裂過程中,高爾基體與新細胞壁的形成有關(guān),線粒體為分裂過程提供能量,所以高爾基體和線粒體在根尖細胞分裂過程中活動旺盛,A項錯誤;在細胞分裂過程中,分裂間期進行DNA分子的復(fù)制,此時DNA分子雙鏈解旋,穩(wěn)定性最低,即2~19.3 h、21.3~38.6 h時,DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最低,B項錯誤;連續(xù)分裂的細胞,從上一次細胞分裂完成時開始,到下一次細胞分裂完成時為止為一個細胞周期,包括分裂間期和分裂期,分裂間期經(jīng)歷時間長,分裂期經(jīng)歷時間短。從圖中可以看出2~21.3 h、21.3~40.6 h各為一個細胞周期,蠶豆根尖細胞的一個細胞周期是19.3 h,故C項錯誤,D項正確。
【答案】D
細胞分裂完成后形成的子細胞通常有三個去向:第一個去向是繼續(xù)分裂,這部分細胞始終處于細胞周期中,保持著連續(xù)分裂狀態(tài),如哺乳動物紅骨髓中的造血干細胞,雙子葉植物莖的形成層細胞等;第二個去向是暫不分裂,但仍具備分裂能力,在一定條件下可隨時回到細胞周期中繼續(xù)分裂,如肝臟細胞等;第三個去向是細胞分化,該部分細胞脫離細胞周期后失去分裂能力,分化為其他組織器官細胞,如骨骼肌細胞、根尖伸長區(qū)細胞、成熟區(qū)細胞等。