Nguyên phân là gì? Quá trình, ý nghĩa, công thức và bài tập nguyên phân

Nguyên phân là gì là một trong những kiến thức nền tảng quan trọng của môn Sinh học đặc biệt trong phần tế bào học và di truyền học. Thông qua nguyên phân, một tế bào mẹ có thể tạo ra hai tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống nhau và về cơ bản giống với tế bào ban đầu. Quá trình đóng vai trò quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển với tái tạo mô của cơ thể.

Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn tìm hiểu chi tiết quá trình nguyên phân, các kì của nguyên phân, ý nghĩa, công thức tính cũng như cách giải một số dạng bài tập nguyên phân thường gặp.

Nguyên phân là gì?

Nguyên phân là hình thức phân chia tế bào trong đó từ một tế bào mẹ tạo thành hai tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống nhau và giống với tế bào mẹ ban đầu về số lượng nhiễm sắc thể.

Ví dụ một tế bào có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội 2n sau khi trải qua nguyên phân sẽ tạo thành hai tế bào con, mỗi tế bào vẫn có bộ nhiễm sắc thể 2n.

Nguyên phân giúp duy trì sự ổn định của bộ nhiễm sắc thể qua các thế hệ tế bào là cơ chế quan trọng giúp cơ thể đa bào lớn lên thay thế những tế bào già, chết hoặc bị tổn thương.

Nguyên phân xảy ra ở tế bào nào?

Một câu hỏi thường gặp là nguyên phân xảy ra ở tế bào nào. Ở sinh vật nhân thực, nguyên phân chủ yếu diễn ra ở

• Tế bào sinh dưỡng.
• Tế bào sinh dục sơ khai.
• Các tế bào của mô phân sinh ở thực vật.
• Những tế bào có khả năng phân chia phục vụ quá trình sinh trưởng cả tái tạo cơ thể.

Ở động vật, nguyên phân diễn ra mạnh tại những mô cần liên tục tạo tế bào mới như da, niêm mạc và tủy xương.

Ở thực vật quá trình này thường diễn ra mạnh tại mô phân sinh ở đỉnh rễ, đỉnh chồi và các vị trí cây đang sinh trưởng.

Quá trình nguyên phân diễn ra như thế nào?

Quá trình nguyên phân có thể được xem xét gồm giai đoạn chuẩn bị ở kì trung gian và quá trình phân chia nhân gồm bốn kì chính là kì đầu, kì giữa, kì sau và kì cuối.

Trước khi nguyên phân chính thức diễn ra, tế bào trải qua kì trung gian. Trong giai đoạn này, ADN và nhiễm sắc thể được nhân đôi để chuẩn bị vật chất di truyền cho hai tế bào con.

Các kì của nguyên phân

Kì đầu nguyên phân

Ở kì đầu, các nhiễm sắc thể kép bắt đầu co xoắn trở nên rõ ràng hơn dưới kính hiển vi.

Mỗi nhiễm sắc thể kép gồm hai cromatit chị em gắn với nhau ở tâm động. Đồng thời thoi phân bào dần hình thành, màng nhân và nhân con bắt đầu tiêu biến.

Đây là bước chuẩn bị để các nhiễm sắc thể di chuyển và phân chia chính xác cho hai tế bào con.

Kì giữa nguyên phân

Kì giữa nguyên phân là thời điểm các nhiễm sắc thể co xoắn cực đại cả tập trung thành một hàng trên mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.

Sợi thoi phân bào gắn vào tâm động của từng nhiễm sắc thể.

Do nhiễm sắc thể co xoắn rõ nhất ở giai đoạn này nên kì giữa thường được lựa chọn để quan sát hình thái và đếm số lượng nhiễm sắc thể của tế bào.

Kì sau nguyên phân

Ở kì sau nguyên phân, tâm động của mỗi nhiễm sắc thể kép phân chia. Hai cromatit chị em tách nhau trở thành hai nhiễm sắc thể đơn độc lập.

Các nhiễm sắc thể đơn sau đó được thoi phân bào kéo về hai cực đối diện của tế bào.

Nhờ cơ chế này mà hai nhóm nhiễm sắc thể được phân chia tương đối đồng đều giúp mỗi tế bào con nhận được một bộ nhiễm sắc thể giống nhau.

Kì cuối nguyên phân

Ở kì cuối, các nhiễm sắc thể đã di chuyển tới hai cực của tế bào và bắt đầu dãn xoắn.

Màng nhân và nhân con được hình thành trở lại. Thoi phân bào dần tiêu biến.

Sau đó tế bào chất phân chia tạo thành hai tế bào con hoàn chỉnh.

Sơ đồ quá trình nguyên phân

Có thể tóm tắt sơ đồ quá trình nguyên phân như sau

Tế bào mẹ 2n → nhân đôi nhiễm sắc thể → kì đầu → kì giữa → kì sau → kì cuối → hai tế bào con 2n.

Nếu xây dựng mô hình nguyên phân có thể biểu diễn sự biến đổi của nhiễm sắc thể theo trình tự

Nhiễm sắc thể đơn → nhân đôi thành nhiễm sắc thể kép → xếp trên mặt phẳng xích đạo → hai cromatit tách nhau → phân bố về hai tế bào con.

Mô hình giúp học sinh dễ hình dung sự vận động và thay đổi trạng thái của nhiễm sắc thể trong từng giai đoạn.

Ý nghĩa của nguyên phân

Ý nghĩa của nguyên phân thể hiện ở nhiều khía cạnh quan trọng đối với sinh vật.

Trước hết, nguyên phân giúp tăng số lượng tế bào từ đó giúp cơ thể đa bào sinh trưởng cả phát triển.

Nguyên phân cũng giúp thay thế các tế bào già, chết hoặc bị tổn thương. Ví dụ các tế bào da liên tục được hình thành thay thế lớp tế bào cũ.

Đối với sinh vật sinh sản vô tính, nguyên phân còn là cơ sở tế bào học của quá trình sinh sản giúp tạo ra các cá thể mới mang thông tin di truyền tương đối giống cơ thể mẹ.

Đặc biệt nguyên phân giúp duy trì ổn định bộ nhiễm sắc thể đặc trưng của loài qua các thế hệ tế bào.

Công thức nguyên phân thường gặp

Trong các bài tập nguyên phân, một số công thức cơ bản thường được sử dụng.

Nếu một tế bào nguyên phân liên tiếp k lần thì số tế bào con được tạo ra là

Số tế bào con = 2^k

Nếu ban đầu có a tế bào cùng nguyên phân k lần thì

Số tế bào con = a × 2^k

Số tế bào mới được tạo thêm so với ban đầu là

a × (2^k − 1)

Nếu tế bào có bộ nhiễm sắc thể 2n, tổng số nhiễm sắc thể có trong các tế bào con sau k lần nguyên phân là

a × 2^k × 2n

Các công thức nguyên phân này thường xuất hiện trong bài tập yêu cầu tính số tế bào, số nhiễm sắc thể hoặc số lần phân chia.

Ví dụ nguyên phân 2n = 8

Xét một tế bào có 2n = 8.

Trước khi nhân đôi tế bào có 8 nhiễm sắc thể đơn.

Sau khi ADN nhân đôi, tế bào vẫn có 8 nhiễm sắc thể nhưng mỗi nhiễm sắc thể đã trở thành nhiễm sắc thể kép gồm hai cromatit.

Ở kì giữa, tế bào có

• 8 nhiễm sắc thể kép.
• 16 cromatit.
• 16 phân tử ADN.

Ở kì sau các cromatit tách nhau. Trong toàn bộ tế bào lúc này có 16 nhiễm sắc thể đơn và chúng được chia thành hai nhóm, mỗi nhóm 8 nhiễm sắc thể.

Kết thúc nguyên phân tạo ra hai tế bào con, mỗi tế bào có

2n = 8 nhiễm sắc thể.

Ví dụ nguyên phân 2n 8 là dạng bài rất phổ biến để kiểm tra khả năng phân biệt số lượng nhiễm sắc thể, cromatit và ADN qua từng giai đoạn.

Bài tập nguyên phân minh họa

Bài tập Một tế bào nguyên phân liên tiếp 5 lần. Hỏi có bao nhiêu tế bào con được tạo ra?

Áp dụng công thức

Số tế bào con = 2^5 = 32.

Vậy sau 5 lần nguyên phân từ một tế bào ban đầu sẽ tạo thành 32 tế bào con.

Nếu có 3 tế bào ban đầu cùng nguyên phân 5 lần thì

3 × 2^5 = 96 tế bào.

Khi làm bài tập nguyên phân, học sinh cần chú ý xác định rõ số tế bào ban đầu, số lần nguyên phân và bộ nhiễm sắc thể 2n của loài trước khi áp dụng công thức.

Cách ghi nhớ các kì của nguyên phân

Để ghi nhớ nhanh các kì của nguyên phân có thể tập trung vào đặc điểm nổi bật của từng giai đoạn

• Kì đầu nhiễm sắc thể bắt đầu co xoắn.
• Kì giữa nhiễm sắc thể xếp thành một hàng ở mặt phẳng xích đạo.
• Kì sau hai cromatit tách nhau và đi về hai cực.
• Kì cuối hai nhân mới hình thành và tế bào chuẩn bị hoàn tất phân chia.

Trong đó, kì giữa nguyên phân là thời điểm nhiễm sắc thể co xoắn cực đại còn kì sau nguyên phân là giai đoạn hai cromatit chị em tách nhau thành các nhiễm sắc thể đơn.

Hiểu rõ nguyên phân là gì giúp học sinh nắm được cơ chế cơ bản tạo nên sự sinh trưởng cả phát triển của sinh vật. Quá trình nguyên phân gồm các giai đoạn có sự phối hợp chặt chẽ nhằm phân chia chính xác vật chất di truyền cho hai tế bào con.

Bên cạnh việc ghi nhớ các kì của nguyên phân học sinh nên hiểu sự thay đổi của nhiễm sắc thể, biết đọc sơ đồ quá trình nguyên phân, sử dụng mô hình nguyên phân và thành thạo các công thức nguyên phân cơ bản là nền tảng quan trọng để giải tốt các dạng bài tập nguyên phân cũng như tiếp tục học những nội dung liên quan đến giảm phân và di truyền học.