有絲分裂動態(tài)模擬

蘭志霞，趙聯(lián)文，劉赪

摘 要：有絲分裂，是每個個體成長發(fā)育都離不開的，是細(xì)胞從間期開始，經(jīng)過前、中、后、末等時期分裂成兩個細(xì)胞的動態(tài)過程，但在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，往往只能看到細(xì)胞分裂某一時期的定態(tài)特征。如何讓人們更好的理解有絲分裂，本文通過Mathematica繪圖命令，將它的分裂過程以動畫效果演示出來，生動形象、易于理解。

關(guān)鍵字：Mathematica 有絲；分裂；細(xì)胞；繪圖命令

1 有絲分裂各時期的特征和變化

細(xì)胞分裂間期的特點(diǎn)是：有絲分裂間期分為G1、S、G2 三個階段，在間期，染色質(zhì)沒有高度螺旋化形成染色體，而是以染色質(zhì)的形式進(jìn)行DNA單鏈復(fù)制[1]。有絲分裂間期是有絲分裂全部過程重要準(zhǔn)備過程，是一個重要的基礎(chǔ)工作。（2）細(xì)胞分裂的前期最明顯的變化是，細(xì)胞核中出現(xiàn)染色體，在分裂間期復(fù)制的染色體，由于螺旋纏繞在一起，逐漸縮短變粗，形態(tài)越來越清楚；核膜解體逐漸消失，核仁逐漸消失，中心粒逐漸出現(xiàn)且向細(xì)胞兩極慢慢移動；紡錘絲逐漸出現(xiàn)，隨中心粒逐步向兩極移，最終形成紡錘體。（3）細(xì)胞分裂的中期，紡錘體清晰可見，每條染色體的著絲點(diǎn)兩側(cè)都由紡錘絲附著在上面，紡錘絲牽引著染色體運(yùn)動，在紡錘絲牽引下，染色體的著絲點(diǎn)排列在細(xì)胞的“赤道板”上，所以在細(xì)胞分裂中期是觀察染色體的最好時期。（4）在后期，著絲點(diǎn)分裂、分離，姐妹染色單體在紡錘絲的牽引下分裂成兩個單染色體，在細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目增加了一倍，在同一個細(xì)胞內(nèi)具有兩套相同的染色體，兩套染色體分別在紡錘絲的牽引下向細(xì)胞的兩端移動，最終兩組染色單體到兩極.（5）末期，染色體分散并消失，紡錘體核，仁及核膜重新形成。（6）在分裂末期結(jié)束后，進(jìn)行的是質(zhì)分裂，產(chǎn)生分裂溝或細(xì)胞板，最后分成兩個子細(xì)胞。

2 用Mathematica動畫效果呈現(xiàn)有絲分裂

要將Mathematica軟件[2]與有絲分裂相結(jié)合，需要解決的問題主要有：1、作圖，包括細(xì)胞、細(xì)胞核、核仁、及不同時期出現(xiàn)的染色體、紡錘絲等的作圖問題；2、圖形組合，即把一個分裂期的單個作圖組合起來，形成一個完整的細(xì)胞圖；3、加以動畫效果，也就是在不同時期有不同的動態(tài)特征，通過命令將其形象生動的表現(xiàn)出來；4、將動態(tài)圖與動態(tài)圖結(jié)合起來，即不同的動畫效果如何在一個時期同時呈現(xiàn)。

2.1 繪制間期細(xì)胞 根據(jù)第一部分對間期作的的介紹，在Mathematica中用不同半徑的圓來繪制出細(xì)胞和細(xì)胞核，用實(shí)心圓繪制出核仁，同時細(xì)胞核內(nèi)有一些蛋白質(zhì)的合成，這個可以通過隨機(jī)點(diǎn)來反映，染色體已經(jīng)過復(fù)制，可以用正弦函數(shù)在自變量取不同取值范圍獲得它的圖形。然后將以上所做的圖形進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕M合，為了更形象一些，通過繪圖命令PlotStyle->{RGBColor[1，0，1]}給核仁加上顏色[3]。最后將所有圖像都做成點(diǎn)態(tài)圖，就可以用同一個作圖命令將隨機(jī)點(diǎn)與圖形組合到一起，實(shí)現(xiàn)間期細(xì)胞的完整圖形，但是，間期細(xì)胞在外表上看不出有關(guān)細(xì)胞核的形態(tài)或結(jié)構(gòu)上的任何變化，所以不需要加動態(tài)。

2.2 繪制前期細(xì)胞 由于細(xì)胞分裂前期，細(xì)胞的變化特點(diǎn)比較多，為了能形象的反映這一時期的各種變化，把它分為兩個程序。

2.2.1 前期 結(jié)合文章第一部分介紹，第一個程序主要做在間期圖形的基礎(chǔ)上，隨機(jī)點(diǎn)要逐漸減少用For循環(huán)[4]來解決，每次做出的點(diǎn)隨K的值的變化越來越少代表蛋白質(zhì)的減少；對于中心粒的圖，首先做出兩個交叉直線段代表它，然后改變它的顏色使它逐漸清晰呈現(xiàn)；對于核仁的逐漸變小，直接使實(shí)心圓半徑逐漸減少即可.

2.2.2 前中期 第二個程序是通過做幾段圓弧，然后將圓弧修飾成虛線的，用來表示核膜的解體；代表核仁的實(shí)心圓半徑逐漸減小直至為零，體現(xiàn)核仁的消失；中心粒分開是通過改變直線的取值范圍和與y軸截距b的變化來實(shí)現(xiàn)[5]；紡錘體可以通過二次函數(shù)開口大小，與y軸交點(diǎn)的高低，以及x的取值范圍來決定，同時隨著y變化移動；染色體的形態(tài)逐漸清晰，讓兩條表示姐妹染色單體的正弦曲線隨K值逐漸拉開距離，而且X的取值范圍減小使其逐漸變短。最后，將隨機(jī)點(diǎn)的定義及各種作圖命令放到一個Table[]作圖命令[3]中，就可以實(shí)現(xiàn)需要的前期有絲分裂的動態(tài)圖，

2.3 繪制中期細(xì)胞 對于中期，由第一部分的描述，用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)做恰當(dāng)運(yùn)算組合起來即可得到；然后改變紡錘絲的開口，使其逐漸排在赤道板上，同時相應(yīng)改變正余弦函數(shù)的位置，讓染色體隨紡錘絲移動。依據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)組合圖形和加動態(tài)便完成所需的有絲分裂中期的動態(tài)圖.

2.4 繪制后期細(xì)胞 同樣依據(jù)第一部分的介紹，要實(shí)現(xiàn)染色體的分裂和向兩極移動，可以通過改變中期正余弦函數(shù)的周期[6]，可得單條染色體圖，其它圖形在中期已作出，后期的關(guān)鍵問題在于細(xì)胞的微凹，經(jīng)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可通過畫兩個圓心分別在x軸上方和下方的圓，在控制畫圓的取值范圍后，改變?nèi)≈捣秶顾鼈冎饾u外移，從而呈現(xiàn)一個逐漸內(nèi)凹的效果，后期圖形。

2.5 繪制末期細(xì)胞 末期情況剛好與前期相反：出現(xiàn)核膜、核仁，消失紡錘體、染色體，改變程序中圖形的取值范圍即可實(shí)現(xiàn)；不同的是在末期需要做兩個圓周和兩個實(shí)心圓，圓心分別上下平移便可得呈現(xiàn)細(xì)胞的逐漸分離；然后畫染色體的三角函數(shù)圖象逐漸變細(xì)成絲，說明染色體又變成了染色質(zhì).

2.6 質(zhì)分裂 在分裂末期結(jié)束后，進(jìn)行的是質(zhì)分裂：產(chǎn)生分裂溝或細(xì)胞板，最后分成兩個子細(xì)胞。對于質(zhì)分裂，在末期作圖基礎(chǔ)上，只需要在圓內(nèi)加入一些隨機(jī)點(diǎn)，表示一個新細(xì)胞內(nèi)的某些蛋白質(zhì)顆粒；改變表染色質(zhì)的函數(shù)的y軸使其逐步往圓內(nèi)移體現(xiàn)染色質(zhì)往核內(nèi)移的特點(diǎn)；表細(xì)胞的兩圓隨圓心逐漸上移或下移以及繪圖區(qū)間的增大，實(shí)現(xiàn)兩圓的逐漸分離，末期的分裂圖，見圖1。

圖1

3 結(jié)論

將Mathematica軟件與細(xì)胞有絲分裂相結(jié)合，通過Mathematica繪圖命令將有絲分裂的連續(xù)分裂過程生動形象的以動態(tài)形式呈現(xiàn)出來，方便大家對有絲分裂的理解和學(xué)習(xí)，同時也讓大家對Mathematica軟件有所了解和認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

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