有丝分裂与减数分裂
一个细胞变成两个，或者四个。
你身体里几十万亿个细胞，每一个都来自同一个受精卵，是细胞一次又一次分裂的结果。在动物细胞页面，整个细胞的指令保存在细胞核里，也就是染色体中的 DNA。所以细胞在分裂之前，面对一个真实的难题：每个新细胞都需要一整套指令，而现在只有一套。细胞怎样复制自己的染色体，再把它们分出去，既不丢失，也不重复？产生精子和卵细胞的细胞，为什么又用另一种方式分配，最后只剩下一半？
模型细胞有四条染色体，便于我们逐一辨认。在有丝分裂与减数分裂的每个阶段，都可以停下来检查三件事：有几个细胞，每个细胞有几条染色体，又有几个 DNA 分子。把这些记录并排放好，两种分裂的差别就有了具体依据。细菌细胞没有细胞核，它的分裂方式也可用来比较。
观察之前：要分配的是什么？
染色体由 DNA 和相关蛋白质组成。细胞在分裂之前，会照着原来的序列把每个 DNA 分子复制一份。在复制之前，每条染色体含一个长 DNA 分子；复制之后，它含两条相连的姐妹染色单体，每条各含一个 DNA 分子。两条姐妹还没有分开，仍然在着丝粒连在一起，所以只算一条染色体；分开后各自成为一条。接下来同时数染色体和 DNA 分子，看看哪些时刻两种计数会不同。同源染色体带有相同基因，并按相同顺序排列，其中一条来自母亲，一条来自父亲。下面的图把染色体、姐妹染色单体和同源染色体区分开。
有丝分裂 · 01
间期 G1：细胞生长
发生了什么变化
- 细胞生长，制造更多蛋白质、膜结构和细胞器。
- 每条染色体都是一个很长的 DNA 分子，以细细的染色质丝的形式散布在细胞核里。
- 细胞核外侧只有一个中心体。
细胞一生中的大部分时间都处在间期，而不是在分裂。间期的第一段叫 G1 期，细胞在这时生长，并完成它平常的工作。看一看细胞核里面。现在还看不到一条条分开的染色体。每条染色体都是一个很长的 DNA 分子，松散地铺开，这就是染色质。
我们的模型细胞有 4 条染色体，两条长、两条短。每条长染色体都有一条长度相同、基因种类和顺序也相同的“搭档”，叫作它的同源染色体。一对同源染色体中，一条来自母亲，画成红色；另一条来自父亲，画成蓝色。短的那一对也是这样。人体读数采用典型的有核二倍体体细胞：46 条染色体，组成 23 对。二倍体表示有两套染色体，分别来自双亲；只有一套的细胞叫单倍体。成熟红细胞没有细胞核，性细胞则只含一套；X 与 Y 性染色体在大部分长度上也不同。这里相配的长、短两对，示意普通的同源染色体对。
点击模型中的结构，或在这里选择它的名称，阅读它在细胞分裂中的作用。
为什么有的细胞进行有丝分裂，有的进行减数分裂？
先看每种分裂是为了什么。生长与修复需要新细胞获得完整的一套遗传指令。在无复制错误的模型里，有丝分裂分配已经复制的染色体，使每个子细胞得到与亲代相同的一套染色体。这不表示每个细胞都要使用相同的基因、执行相同的任务；细胞以后可以形成不同的专门功能。身体中凡是会分裂的细胞，几乎都通过有丝分裂来分裂。
性细胞面对的是另一个问题。假设卵细胞和精子都保留全部 46 条染色体。受精卵就会有 条，下一代的细胞会有 184 条。这样每过一代，数目就翻一倍。要让数目保持在 46，每个性细胞必须恰好带有 23 条，每对一条。把数目减半是减数分裂的第一项任务，它发生在后期 ：每一对中的两条染色体被分到不同的细胞中。
减数分裂的第二个结果是多样性。在中期 ，每一对都以 2 种方式中的一种排列，而且各对之间互不影响。两对时我们把可能性相乘，，因为第一对的每一种排列，都可以和第二对的任意一种排列搭配。照这样继续下去，23 对就有 种整条染色体的组合，出现在一个人的精子或卵细胞中。这和二项式展开页面中“从每个括号里选一项”的计数方法相同。交叉互换还会在染色体内部交换片段，使可能的组合大大增加，但不能据此保证任意两个配子都不同。这些机制帮助解释同胞为什么通常继承不同的遗传组合。同卵双胞胎从同一个受精卵开始，其早期后代细胞分成两个胚胎；即使如此，后续也仍可能出现遗传和发育差异。
有丝分裂与减数分裂对照
| 比较项 | 有丝分裂 | 减数分裂 |
|---|---|---|
| 用途 | 生长、修复和更新细胞 | 产生性细胞（配子） |
| 在人体中的位置 | 几乎所有会分裂的体细胞 | 只在睾丸和卵巢中的细胞 |
| 分裂次数 | 一次 | 两次，中间不复制 DNA |
| 产生的细胞 | 2 个 | 模型中为 4 个等大产物；卵细胞形成时分配不均 |
| 每个新细胞的染色体数 | 与亲代相同：46 → 46 | 减半：46 → 23 |
| 同源染色体配对 | 否 | 是，在前期 I |
| 交叉互换 | 否 | 是，通常每对至少一次 |
| 后期分开的是什么 | 姐妹染色单体 | 后期 I：同源染色体；后期 II：姐妹染色单体 |
| 遗传结果 | 无复制错误时 DNA 序列相同；其他细胞内容物不必完全相同 | 单倍体产物，组合具有多样性，但不保证彼此全都不同 |
需要多长时间？多久发生一次？
在培养皿中生长的人体细胞，从一次分裂到下一次分裂，一个完整的周期大约 24 小时。其中间期约占 23 小时：G1 期约 11 小时，S 期约 8 小时，G2 期约 4 小时。有丝分裂本身，从前期到胞质分裂结束，大约一小时，后期只有几分钟。这些是典型的数值，而不是固定的；身体中的细胞往往分裂得更慢，有些细胞从 G1 退出活跃分裂周期，进入 G0，继续执行原有功能；其中一些后来还能重新进入周期。不分裂多年不等于在 G1 停留多年。
你的身体每天大约制造 3300 亿个新细胞，也就是每秒约 380 万个，几乎都是通过有丝分裂产生的。其中大部分是血细胞，由骨髓中不断分裂的干细胞制造；红细胞自身不能分裂，寿命大约四个月。小肠内壁每隔几天就更新一次，皮肤的表层每隔几周更新一次。还有一些细胞在成年人体内几乎不再分裂：大脑中的大多数神经细胞，以及心肌细胞——年轻成年人每年只有大约百分之一的心肌细胞得到更新。
减数分裂发生得少得多，所用的时间也长得多。从青春期开始，睾丸会持续产生精子，数量约为每天一亿个的量级。一个细胞的减数分裂大约需要三个半星期，其中大部分时间处在前期 I；从干细胞到精子的整个过程大约需要两个半月。
在卵巢中，减数分裂在女孩出生之前就开始了。每个未来的卵细胞都进入前期 I，然后在那里暂停。只有在这个卵细胞即将排出前不久，它才继续分裂；从青春期到绝经，通常每个月排出一个。所以一个卵细胞可能在前期 I 暂停大约十二年到五十年。只有当精子使卵细胞受精时，减数分裂 II 才会完成。
检查理解 · 一个处在 G2 期的人体皮肤细胞有 46 条染色体。它含有多少个 DNA 分子？它的每个子细胞会有多少条染色体？
它含有 92 个 DNA 分子，因为 S 期把 46 个都复制了，每条染色体现在有两条姐妹染色单体。每个子细胞会有 46 条染色体：后期姐妹染色单体分开，所以每个子细胞得到每条染色体的一份。
检查理解 · 为什么减数分裂不能只是做两次有丝分裂？
有丝分裂让染色体数目保持不变，因为它在 DNA 复制之后分开的是姐妹染色单体。做两次也仍然得到 46 条染色体的细胞。减数分裂能让数目减半，是因为在第一次分裂中同源染色体配对并被分到不同的细胞里，而且在第二次分裂之前 DNA 不再复制。
检查理解 · 关掉交叉互换后，模型中减数分裂产生的细胞可以得到多少种不同的整条染色体组合？
4 种。2 对染色体在中期 I 各以 2 种方式中的一种排列，一对的每种排列都可以和另一对的任意一种排列搭配，所以是 2 × 2 = 4：红长配红短、红长配蓝短、蓝长配红短、蓝长配蓝短。一次减数分裂产生其中两种组合；在中期 I 把短的那一对转过来，就得到另外两种。
