细胞周期
细胞周期是指细胞复制自己的遗传物质、制造其他结构，并分裂成两个子细胞的一系列过程。DNA只在一个时期复制，但细胞的生长一直在进行。培养中的人体细胞大约24小时分裂一次；酵母菌大约只要90分钟。
两个主要阶段
- 间期（约占95%的时间）——细胞在做准备。它并不是“休息”的阶段。
- G1期（第一间隙期）：细胞很活跃，不断长大，但不复制DNA。
- S期（合成期）：DNA被复制。如果起始DNA是2C，复制后变成4C，但染色体数目不变（2n还是2n）。动物细胞的中心粒也在这时复制。
- G2期（第二间隙期）：合成有丝分裂需要的蛋白质，细胞继续生长。
- M期（有丝分裂，人体细胞中约1小时）——先是核分裂（细胞核一分为二），然后是胞质分裂（细胞质一分为二）。
G0期——静止期
有些细胞不再分裂（例如成年人的心肌细胞），它们离开G1期进入G0期。这些细胞仍然活着并正常工作，但除非需要，否则不再分裂。在动物中，有丝分裂只发生在二倍体的体细胞里，而植物的单倍体和二倍体细胞都可以进行有丝分裂。
有丝分裂：等数分裂
有丝分裂中，子细胞的染色体数目和母细胞相同，所以叫等数分裂。各个时期如下：
- 前期：染色质缩短变粗成为染色体，每条染色体有两条染色单体，连在着丝粒上。在间期复制好的中心体移向两极，并发出纺锤丝（星射线）。到前期末，高尔基体、内质网、核仁和核膜都看不见了。
- 中期：核膜已经消失；染色体最粗最短，是观察染色体形态的最佳时期。纺锤丝连在动粒（着丝粒上的小圆盘）上。所有染色体排列在赤道面上，形成赤道板（中期板）。
- 后期：着丝粒分裂，染色单体分开，向两极移动，着丝粒在前，臂在后面拖着。
- 末期：染色体到达两极，慢慢松开变回染色质。核膜、核仁、高尔基体和内质网重新出现。
胞质分裂
在动物细胞中，细胞膜出现一道凹沟，越凹越深，最后把细胞掐成两个。在植物细胞中，细胞壁没法向里缢缩，所以在中央形成细胞板，向外长到侧壁，最后变成胞间层。线粒体、质体等细胞器分配给两个子细胞。如果核分裂之后没有胞质分裂，就会形成有多个核的细胞，叫合胞体，例如椰子的液体胚乳。
减数分裂：减数（还原）分裂
减数分裂发生在将要形成配子（植物中是孢子）的二倍体细胞里。它有两次分裂（减数分裂I和II），但DNA只复制一次。结果：得到四个单倍体（n）细胞。
减数分裂I
- 前期I（时间长、过程复杂，分五个小阶段）：
- 细线期——染色体变成能看见的细线。
- 偶线期——同源染色体配对（联会），靠联会复合体帮忙。一对同源染色体叫二价体或四分体（4条染色单体）。
- 粗线期——交叉互换：同源染色体上的非姐妹染色单体在重组结处互换一小段。重组酶参与其中。这使基因发生重组。
- 双线期——联会复合体溶解，同源染色体开始分开，只在X形的点（叫交叉）处还连着。某些脊椎动物的卵母细胞中，双线期可以持续几个月甚至几年。
- 终变期——交叉点端化（移到染色体末端）；纺锤体形成；核仁和核膜消失。
- 中期I：二价体排列在赤道面上。
- 后期I：同源染色体分开，移向两极，而姐妹染色单体仍连在一起，靠着丝粒相连。
- 末期I：核可能重新形成；胞质分裂后得到二分体（两个细胞）。减数分裂II之前的短暂间隔叫减数分裂间期——不复制DNA。
减数分裂II
和有丝分裂很像：前期II、中期II（染色体排在赤道面上）、后期II（着丝粒分裂，姐妹染色单体分开）、末期II。结果：得到四个单倍体细胞（四分体细胞）。
有丝分裂和减数分裂对比
| 有丝分裂 | 减数分裂 |
|---|---|
| 分裂一次 | 分裂两次 |
| 2个子细胞 | 4个子细胞 |
| 2n → 2n（等数分裂） | 2n → n（减数分裂I中减半） |
| 没有配对，没有交叉互换 | 前期I有联会和交叉互换 |
| 子细胞和母细胞相同 | 子细胞各不相同（有变异） |
| 体细胞 | 形成配子/孢子的细胞 |
整个周期中染色体和DNA的数量
规则：染色体数 = 着丝粒数。“C”表示复制前一套单倍体染色体的DNA量。
| 时期 | 染色体 | DNA |
|---|---|---|
| G1 | 2n | 2C |
| S期之后、G2、前期、中期 | 2n（每条有2条染色单体） | 4C |
| 有丝分裂后期（整个细胞） | 4n（染色单体已分开） | 4C |
| 有丝分裂后每个子细胞 | 2n | 2C |
| 减数分裂I后每个细胞 | n（每条有2条染色单体） | 2C |
| 减数分裂II后每个细胞 | n | C |
有丝分裂和减数分裂的意义
有丝分裂
- 保持染色体数目不变，所以所有体细胞的基因都相同。
- 多细胞生物的生长。
- 伤口的修复和细胞的更新，例如表皮、肠道内壁和血细胞。
- 细胞长得太大时，恢复核与细胞质的比例。
- 在植物中，分生组织（顶端分生组织和侧生分生组织即形成层）的有丝分裂使植物不断生长。
- 许多生物靠它进行无性生殖。
减数分裂
- 使染色体数目代代保持不变：n（卵细胞）+ n（精子）= 2n（受精卵）。
- 通过交叉互换和染色体对的随机组合产生遗传变异——这是进化的原材料。
动手试试：像生物学家一样数染色体
准备4根长的和4根短的毛线或扭扭棒，分两种颜色，一种代表“妈妈”，一种代表“爸爸”。每一对（一根长红加一根长蓝）是一对同源染色体，所以2n = 4。先模拟有丝分裂：在每根线旁边粘一根复制品（S期），把它们排成一排，再把复制品拉开，数一数每个新“细胞”里有4条。再模拟减数分裂：长的和长的配对，短的和短的配对，互换一小段毛线（交叉互换），把整对拉开，然后再分开一次——4个细胞里每个都有2条。用3D第6步的滑块检查你的答案。
重点公式和概念
- 细胞周期：G1 → S → G2 → M（间期 = G1 + S + G2）
- S期：DNA 2C → 4C；染色体数仍为2n
- 有丝分裂：前期、中期、后期、末期；1个细胞 → 2个细胞，2n → 2n
- 减数分裂：1个细胞 → 4个细胞，2n → n；DNA复制一次，分裂两次
- 前期I：细线期 → 偶线期 → 粗线期 → 双线期 → 终变期
- 染色体数 = 着丝粒数；S期后（到后期之前）染色单体数 = 2 × 染色体数
- 二价体（四分体）= 1对同源染色体 = 2条染色体 = 4条染色单体
- 1个细胞通过有丝分裂得到N个细胞：k轮之后 N = 2^k
例题讲解
1. 一个植物细胞在G1期2n = 16。请写出（a）G2期、（b）有丝分裂后每个子细胞中的染色体数和DNA量（设G1期DNA = 2C）。
（a）G2期：DNA已复制，所以是4C；染色体仍是16条（每条有2条染色单体）。（b）每个子细胞：16条染色体，2C。
2. 一个2n = 24的细胞进行减数分裂。减数分裂I之后和减数分裂II之后，每个细胞各有多少条染色体？
减数分裂I使数目减半：12条（每条有2条染色单体）。减数分裂II把染色单体分开，但数目不变：4个细胞中每个都是12条。
3. 人的细胞（2n = 46）在前期I会形成多少个二价体？一共有多少条染色单体？
二价体数 = n = 23。每个有4条染色单体，所以 23 × 4 = 92条染色单体。
4. 一个细胞连续进行5轮有丝分裂（每轮所有子细胞都分裂）。最后有多少个细胞？
每一轮数目加倍：2⁵ = 32个细胞。
5. 要形成100个花粉粒，需要多少次减数分裂？（每次减数分裂得到4个。）
100 ÷ 4 = 25次减数分裂（25个减数分裂细胞）。
6. 一个细胞周期是24小时。在一张有100个分裂细胞的装片中，有4个处于M期。估算M期持续多长时间。
处于某个时期的细胞占的比例 ≈ 这个时期所占的时间比例：4/100 × 24 h = 0.96 h ≈ 1小时。
常见错误
- 把间期叫作“休息期”。细胞其实很忙，在长大、复制DNA；只是在显微镜下看起来很安静。
- 以为S期染色体数加倍。其实加倍的是DNA（2C → 4C）；染色体数仍是2n，因为着丝粒数没有变。
- 说姐妹染色单体在后期I分开。后期I分开的是同源染色体；姐妹染色单体在后期II（以及有丝分裂后期）分开。
- 把交叉互换放在偶线期或双线期。配对在偶线期，交叉互换在粗线期，交叉点在双线期才看得到。