Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать признаки и свойства, отличные от родительских, характерных для данного вида. Изменчивость является общим свойством всех живых систем и может выражаться в изменении как генотипа, так и фенотипа.

Традиционно различают ненаследственную и наследственную изменчивость.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Модификационная изменчивость

Модификационная (фенотипическая) изменчивость – изменения фенотипа организма, обусловленные влиянием факторов внешней среды. Данный вид изменчивости не приводит к изменениям генотипа особи – все изменения касаются только фенотипа.

Напомню, что генотипом называют генетическую конституцию – совокупность генов одного организма, полученных от родителей. Фенотип (греч. phаino – обнаруживаю) – совокупность наблюдаемых характеристик организма (любой морфологический, гистологический, биохимический, поведенческий признак).

Для модификационной изменчивости характерен групповой характер, она часто (но не всегда) служит приспособлением к условиям внешней среды. Известным примером модификационной изменчивости является изменение окраски шерсти у зайца-беляка в зависимости от сезона года.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Такое изменение окраски делает их более приспособленными, повышает выживаемость: заяц сливается с внешней средой и становится незаметен для хищников.

Однако не стоит забывать об относительности любой приспособленности: если среда резко изменится, то белый заяц на фоне темной земли станет легкой добычей для хищников.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Еще одним примером модификационной изменчивости служит изменение окраски шерсти у гималайских кроликов. Они рождаются полностью белыми, так как их эмбриональное развитие протекает в условиях повышенной температуры.

Однако в результате воздействия холода на разные участки их тела, шерсть начинает темнеть. В естественных условиях шерсть темная на ушах, носе, лапах и хвосте.

В эксперименте лед привязывают к спине, и через некоторое время шерсть на этом месте начинает темнеть. Это наглядно демонстрирует влияние внешней среды на проявление признака.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Вам известно, что человек, побывавший на солнце, получает его “отпечаток” – загар. Потемнение цвета кожи в данном случае связано с активной выработкой пигмента меланина, который защищает кожу и внутренние органы от УФ излучения.

Загар также является типичным примером модификационной изменчивости. Одни люди загорают быстро, у других этот процесс занимает гораздо больше времени – все дело в норме реакции.

Норма реакции

Нормой реакции называют генетически (наследственно) закрепленные пределы (границы) изменчивости признака. Принято говорить, что у каждого признака существует определенная норма реакции: она может быть узкой или широкой.

Узкая норма реакции характерна для признаков, которые относятся к качественным: форма глаза, желудка, сердца, размеры головного мозга, рост.

Количественные признаки имеют широкую норму реакцию и достаточно вариабельны в течение жизни: яйценоскость кур, удойность коров, вес, размер листьев.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Итак, подведем итоги. Для фенотипической (ненаследственной, групповой, определенной) изменчивости характерно:

  • Причина изменения – влияние факторов внешней среды
  • Изменения признаков организма не затрагивают генотип, происходят в соматических клетках и не передаются потомкам
  • Изменение признаков ограничено в пределах нормы реакции, которая определяется генотипом
  • Изменчивость носит групповой характер, характерна для многих особей (к примеру, сезонная изменчивость)

Наследственная изменчивость

Наследственная изменчивость (неопределенная, индивидуальная, генотипическая) – форма изменчивости, вызванная изменениями генотипа организма, которые могут быть связаны с мутационной или комбинативной изменчивостью.

В отличие от модификационной изменчивости, где затрагивается только фенотип (внешние проявления), генотипическая изменчивость затрагивает генотип, а это означает, что генетические изменения затрагивают и половые клетки, которые передаются потомству. Поэтому и называется она – наследственная.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Комбинативная изменчивость

Комбинативная изменчивость возникает в результате появления у потомков новых сочетаний генов (комбинаций). Эти комбинации возникают во время мейоза в результате хорошо вам знакомого (я надеюсь!) кроссинговера – обмена участками между гомологичными хромосомами.

Запомните, что в основе комбинативной изменчивости лежит три краеугольных момента:

  • Случайная комбинация генов в ходе кроссинговера
  • Независимое расхождение хромосом в мейозе
  • Случайная встреча гамет при оплодотворении

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Я всегда говорю ученикам, что комбинативная изменчивость – это полная неопределенность: мы не знаем, какие комбинации возникнут между генами при кроссинговере, не знаем, какие хромосомы образуются и в какие гаметы они разойдутся, и, наконец, не знаем какие половые клетки (гаметы) встретятся при оплодотворении.

То, что мы отличаемся от своих родителей, и есть результат этих неопределенностей.

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость связана с возникновением мутаций. Мутации (лат. mutatio – изменение) – внезапные, возникающие спонтанно или вызванные мутагенами наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Для того, чтобы понять суть мутационной изменчивости, давайте дадим характеристику мутациям:

  • Мутации – резкие спонтанные изменения генотипа
  • Стойкие, передаются потомкам через половые клетки (гаметы)
  • Ненаправленные. Большинство мутаций – вредные (часть из них летальные), лишь очень небольшая часть носит полезный приспособительный характер, мутации также могут быть безразличными (нейтральными) для организма
  • Носят индивидуальный характер

Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

Среди мутаций различают следующие виды:

  • Генные (точечные)
  • Изменения при генных мутациях происходят в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК. Может случаться такое, что один или несколько нуклеотидов выпадают из ДНК (делеция), вставляются новые нуклеотиды, удваиваются имеющиеся нуклеотиды (дупликация). Изменения ДНК ведут к тому, что в результате на рибосомах синтезируется белок с иной аминокислотной последовательностью. К примеру: изначально триплет ДНК “ТАЦ” кодировал аминокислоту “Мет”, нуклеотид “Т” выпал из триплета произошла вставка нуклеотида “Г”. В результате вместо аминокислоты “Мет” теперь синтезируется аминокислота Вал. Новые аминокислоты могут поменять свойства белка, так что признак, за который он отвечает, будет меняться. Только что вы узнали об универсальной схеме – изменении фенотипа в результате изменений генотипа. Материальные основы наследственности и изменчивости, Биология

  • Хромосомные
  • В результате хромосомных мутаций происходят структурные изменения хромосом (не следует путать с кроссинговером, который происходит в норме и подразумевает обмен участками между гомологичными хромосомами). Последствия хромосомных мутаций часто оказываются летальны. В результате таких мутаций может происходить утрата (делеция) участка хромосомы, его удвоение (дупликация), поворот на 180° (инверсия), перенос участка одной хромосомы на другую (транслокация), перенос участка внутри одной хромосомы (транспозиция).

  • Геномные мутации
  • Данный тип мутаций проявляется в изменении числа хромосом. Выделяют:

    • Автополиплоидию – кратное увеличение числа наборов хромосом
    • В результате таких мутаций количество хромосом увеличивается в кратное количество раз (2,3,4 и т.д.). В результате получаются организмы триплоиды, тетраплоиды и т.д. Иногда такие мутации вызывают искусственно, к примеру, в селекции растений. Известно, что у полиплоидов более крупные и сочные плоды. В селекции полиплоидию у растений вызывают добавлением специального химического вещества – колхицина, который блокирует образование нитей веретена деления. Вследствие этого хромосомы не расходятся и остаются в одной клетке – набор хромосом увеличивается в 2 раза.

    • Аллополиплоидия (греч. állos — другой и polýploos — многократный) – объединение в организме хромосомных наборов от разных видов или родов
    • Имеет значение в процессе видообразования. Примером данной мутации может послужить отдаленная гибридизация (аутбридинг) пшеницы и ржи. Их генотип состоит из гаплоидного набора пшеницы (n) и гаплоидного набора ржи (m).В результате такого скрещивания в 1875 году в Шотландии был получен первый искусственный стерильный гибрид – тритикале. Тритикале дает отличный урожай, в дальнейшем путем полиплоидии стерильность данного гибрида была преодолена. Также примером отдаленной гибридизации, соответственно и аллополиплоидии, является гибрид осла (самца) и лошади (самки) – мул. Это животное отличается большой выносливостью, но опять-таки бесплодное вследствие геномной мутации.

    • Анеуплоидия (греч. ἀν- — отрицательная приставка + εὖ — полностью + πλόος — кратный + εἶδος — вид
    • Анеуплоидия – изменение кариотипа (совокупность признаков хромосом), при котором число хромосом в клетках не кратно гаплоидному набору (n). Таким образом, в результате анеуплоидии отсутствует одна (или несколько) хромосом, либо же хромосомы имеются в избытке (“лишние” хромосомы). В случае отсутствия в хромосомном наборе одной хромосомы говорят о моносомии, двух хромосом – нуллисомии. Если к паре хромосом добавляется одна лишняя, говорят о трисомии. Наследственные болезни, в том числе связанные с геномными мутациями: синдром Шерешевского-Тёрнера, Дауна – мы более детально обсудим в следующей статье, которая посвящена наследственным заболеваниям.

Раз уж мы затронули аутбридинг, то следует коснуться явления инбридинга и гетерозиса для их полного понимания.

Инбридинг (англ. in — в, внутри + breeding — разведение) – скрещивание близкородственных форм, в результате которого в ряду поколений увеличивается гомозиготность. С помощью инбридинга выводят чистые линии (AA, aa, BB, bb). Однако известно, что близкородственное скрещивание может приводить к проявлению рецессивных генов заболеваний и ослаблению потомства.

Гетерозис (греч. ἕτερος – другой + -ωσις – состояние) – явление увеличения жизнеспособности гибридов, вследствие унаследования ими различных вариантов аллельных генов от своих разнородных родителей. Увеличение жизнеспособности связывают с переходом генов в гетерозиготное состояние.

Материальная основа наследственности и типы изменчивости

Что же является материальной основой наследственности?

Какие структуры и процессы обеспечивают наследственную преемственность и определяют характер индивидуального развития? Исследованиями генетиков и цитологов было установлено, что передача наследственности обеспечивается механизмами воспроизведения клетки, способностью ее структурных элементов точно «копировать» себя.

Материальной основой наследственности являются все элементы клетки, обладающие свойством воспроизводить зря и распределяться по дочерним клеткам в процессе деления. При этом оказалось, что особенно важную роль играют процессы воспроизведения и распределения специфических структур ядра клетки — хромосом.

Хромосомы являются основными структурами, которые обеспечивают материальную основу наследственности и отвечают всем условиям, необходимым для обеспечения преемственности между поколениями.

Хромосомы воспроизводят свою точную копию, строго регистрируют происходящие в них изменения, кодируют с помощью генов систему определения признаков и закономерно расходятся в процессе клеточного деления, В результате изучения этих явлений была создана хромосомная теория наследственности, установившая, что в хромосомах находятся гены, которые распределяются в поколениях соответственно распределению хромосом при делении клеток. Хромосома является системой линейно сцепленных генов, обеспечивающих хранение и передачу информации.

Убедительно доказана роль и цитоплазматических компонентов клетки в определении наследования признаков и свойств. Слово наследование, а не наследственность употреблено здесь не случайно. Эти два понятия приходится строго различать, хотя часто их употребляют как синонимы.

В собственном смысле слова в понятие наследственности входит свойство генов детерминировать построение специфической белковой молекулы и развитие признака. Понятие же наследования отражает лишь наличие процесса передачи информации от одного клеточного или организменного поколения другому.

Переданная через цитоплазму информация первично также определена генами. Поэтому в более широком смысле под наследственностью можно понимать все механизмы передачи информации в ряду поколений.

В частности, у животных, обладающих нервной системой, мы встречаемся с особым типом чисто функциональной преемственности приспособительных реакций между поколениями, когда потомство в порядке подражания родителям вырабатывает те же условные рефлексы, которые приобрели родители в индивидуальной жизни.

В основе этой преемственности лежит механизм условного рефлекса, и поэтому она может быть названа сигнальной наследственностью. Сигнальная наследственность возникла в процессе эволюции как специальный механизм передачи индивидуального приспособления. Подробнее об этом будет сказано позднее.

Итак, наследственностью называется свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды.

Наряду с явлением наследственности в предмет исследования генетики входит изучение процесса изменчивости. Изменчивость является свойством, противоположным наследственности; она заключается в изменении наследственных задатков — генов и в изменении их проявления в процессе развития организмов.

Существуют различные типы изменчивости. Изменение свойств и признаков организма может быть обусловлено изменением одного или нескольких генов под влиянием тех или иных условий среды. Такие изменения называются мутациями.

Мутации возникают скачкообразно как новые качественные изменения. Например, кролика вместо окраски агути — белая, коричневая или черная, из остистой пшеницы — безостая, и т. д.

Эти изменения сохраняются в поколениях до следующей мутации.

Изменчивость может быть обусловлена не только мутацией генов, но и сочетанием различных генов, новая комбинация которых приводит к изменению определенных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной наследственной изменчивостью. Например, при скрещивании белых и черных кроликов в потомстве могут появляться «голубые» кролики.

В процессе индивидуального развития наблюдается закономерное изменение морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма, причем время и порядок появления этих изменений в онтогенезе определяются наследственностью организма. Такая изменчивость называется онтогенетической, или фенотипической.

Развитие организма всегда совершается в определенных условиях среды, причем в зависимости от различий конкретных условий развитая проявление действия гена может изменяться.

Такая изменчивость в проявлении генов в зависимости от варьирования условий среды называется модификационной изменчивостью.

Конкретная флуктуация признака не наследуется; однако пределы модификационной изменчивости (норма реакции) организма определяются его наследственностью.

В принципе в организме нет ненаследственных изменений, любые изменения признаков наследственно детерминированы.

Наследственность является процессом, обеспечивающим сохранение не только сходства, но и различий организмов в ряду поколений. Эти наследственные различия возникают в силу изменчивости наследственных свойств. Поэтому наследственность и изменчивость являются двумя сторонами, характеризующими эволюцию органических форм.

При половом размножении, когда при скрещивании происходит объединение разных наследственных начал двух организмов, наследственность как бы фиксирует процесс изменчивости не только этих двух отдельных особей, но и изменчивость всего вида. Отсюда вытекает очень важное генетическое представление о том, что индивидуальное развитие организма является отражением истории развития не отдельной особи, а истории становления вида.

Последнее обстоятельство необходимо иметь в виду особенно при рассмотрении вопроса о так называемом наследовании благоприобретенных признаков. Признание наследования таких признаков основывается на ошибочном допущении возможности сохранения опыта отдельного индивидуума.

Между тем известно, что уровень приспособления организма определяется не только его индивидуальными особенностями, но и общими жизненными «интересами» вида, т. е. приспособлением к условиям существования вида в целом. Жизнеспособность индивидуума обеспечивается степенью жизнеспособности вида.

Именно этим можно объяснить, например, тот факт, что существует разделение на мужской и женский пол, а в пчелиной семье — даже на три типа организмов с различными функциями: матки, рабочие пчелы и трутни.

Каждый индивидуум «преследует» какие-то «личные интересы» в противовес всей совокупности приспособительных механизмов вида, и если бы это не контролировалось отбором, то вид перестал бы существовать как система и распался.

При этом возникла бы альтернатива: либо индивидуумы вымирали бы в силу отсутствия достаточных средств для воспроизведения, либо образовалось бы столько же видов, сколько особей имеется в данном поколении.

Однако ни того, ни другого не происходит, так как на сцену выступает контролирующий фактор эволюции, который ограничивает воспроизведение, распространение и численность организмов, а также оценивает приспособительные механизмы с позиций интересов вида. Именно поэтому явления наследственности и изменчивости, их место в процессе эволюции мы должны оценивать с точки зрения закономерностей существования вида как целого. Общие, т. е. видовые, приспособительные механизмы, которые наследственно закрепляются в процессе эволюции под контролем естественного отбора, выявляются лишь через индивидуальное развитие организма.

Итак, предметом изучения генетики являются наследственность и изменчивость — два противоположных и вместе с тем неразрывно связанных между собой процесса, свойственных всему живому на Земле.

Современное изучение наследственности ведется на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, хромосомном, клеточном, организменном и популяционном.

Многообразие объектов и методов исследования в генетике явилось причиной возникновения большого количества ее разделов, таких, как цитогенетика, молекулярная, биохимическая, радиационная, медицинская и физиологическая генетика, а также популяционная генетика, онтогенетика (филогенетика) и др.

Наследственность и изменчивость – свойства организмов

Наследственность — устойчивое свойство живых организмов, способность передавать свои признаки и особенности индивидуального развития следующему поколению.

Изменчивостью называют способность живых существ приобретать новые признаки. Они появляются уже в процессе индивидуального развития. Одна из причин — влияние условий окружающей среды. Изменчивость может носить: 

  • наследственный характер;
  • ненаследственный характер.

Наследственная изменчивость связана с преобразованиями в ДНК и РНК. Генотипическая изменчивость проявляется в двух видах — мутационной и комбинативной. В основе последней лежит половой процесс. Комбинативная изменчивость обеспечила появление в процессе эволюции огромного разнообразия генотипов.

Мутационная изменчивость носит спонтанный характер. Внезапно возникают изменения в отдельных генах, целых хромосомах. Эти процессы носят индивидуальный характер. Также мутации делят по месту происхождения на соматические (в клетках органов тела), генеративные (в половых клетках).

Как показывают исследования и наблюдения, с мутациями связаны определенные опасности. Только небольшое количество изменений оказывается в итоге полезным. Поэтому, такое большое внимание в генетике и медицине уделяется мутагенным факторам, их выявлению и предупреждению вредного воздействия.

Характер изменений генотипа позволил ученым выделить три вида — генные, хромосомные и геномные мутации.Генныесвязаны с изменением последовательности нуклеотидов в одном гене. Это сказывается на синтезе белков и обмене веществ.

При хромосомных мутациях изменения затрагивают несколько генов. Происходит удвоение (дупликация), выпадение (делеция), поворот (инверсия), обмен (транслокация) участков хромосом.

Геномная мутация приводит к изменению числа хромосом в генотипе отдельной особи. Кратное увеличение количества хромосом — полиплоидия. Добавление одной или другого числа хромосом — анеуплоидия.

Ненаследственная, фенотипическая или модификационная изменчивость возникает под влиянием факторов окружающей среды. Изменения не затрагивают материальные носители наследственных признаков. Далее перечислены основные признаки модификационной изменчивости.

Характеристки модификационной изменчивости:

  1. Не передаются потомкам, а передается норма реакции.
  2. Возникают у многих особей вида и зависят от воздействия окружающей среды.
  3. Возможны только в пределах нормы реакции, т.е. определяются генотипом.

Как показали исследования, изменения проявляются в определенных условиях.

Модификационная изменчивость позволяет лучше приспособиться к окружающей среде, мутационная — поставляет материал для эволюции видов.

Смотри также:

3.1. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ — ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО

клеток, в ходе которых закономерно между дочерними клетками распределяются ядерные структуры —хромосомы (В. Вольдейер, 1888).

Данные о характере распределения хромосом в процессе клеточного деления позволили в начале XX в. Т. Бовери (1902—1907) и У. Сетгону (1902—1903) сделать вывод о том, что преемственность свойств в ряду поколений клеток и организмов определяется преемственностью их хромосом. Хромосомы стали рассматривать как материальные носители наследственной программы.

Дальнейшая разработка хромосомной теории наследственности,

объединяющей представления о наследственных задатках и хромосомах, была осуществлена в начале XX в. Т. Морганом и его сотрудниками. В опытах, выполненных на дрозофиле, было подтверждено ранее высказанное предположение о роли хромосом в обеспечении наследственности.

Установлено, что гены размещаются в хромосомах, располагаясь в них в линейном порядке. Гены каждой хромосомы образуют группу сцепления, число которых определяется количеством хромосом в половых клетках. Гены одной группы сцепления наследуются, как правило, совместно.

Однако в ряде случаев происходит их перекомбинация в связи с кроссинговером (см. разд. 5.3.2), частота которого зависит от расстояния между генами.

Таким образом, в хромосомной теории нашел отражение один из важнейших принципов генетики — единство дискретности и непрерывности наследственного материала.

Необходимо отметить, что также в начале XX в. были обнаружены факты, которые доказывали наличие в клетках внехромосомного наследственного материала, располагающегося в различных цитоплазматических структурах и определяющего особую цитоплазматическую наследственность (К. Корренс, 1908).

Примерно в это же время X.

де Фризом (1901) были заложены основы учения о мутационной изменчивости, связанной с внезапно возникающими изменениями в наследственных задатках или хромосомах, что приводит к изменениям тех или иных признаков организма. В последующие годы было обнаружено мутагенное действие на хромосомы и гены рентгеновских лучей, радиационного излучения, определенных химических веществ и биологических агентов.

Врезультате этих исследований стало очевидным, что наследственность и изменчивость обусловлены функционированием одного и того же материального субстрата.

Впервые десятилетия XX в. были получены данные, свидетельствующие в пользу зависимости состояния признаков от характера взаимодействия генов, что выходило за рамки отношений доминантности и рецессивности, описанных еще Менделем. Отсюда появилось представление о генетическом аппарате как о системе взаимодействующих генов — генотипе, который сосредоточен в хромосомном наборе — кариотипе.

Изучение химического состава хромосом выявило два основных вида соединений, образующих эти структуры,— белки и нуклеиновые кислоты. В первой половине XX в. исследователями решался вопрос о химической природе субстрата

3.4 Генетика, её задачи. Наследственность и изменчивость – свойства организмов

  • Видеоурок: Основы генетики. Наследственность и изменчивость
  • Лекция: Генетика, её задачи. Наследственность и изменчивость – свойства организмов   
  • Генетика, как наука
  • Основоположником генетики, как науки, считается чешский ученый Грегор Мендель, открывший явление и некоторые закономерности наследования признаков.
  • Генетика – так называется наука об изменчивости и наследственности живых организмов.
  • Эта отрасль научного знания оперирует терминами:

Ген – минимальная единица наследственной информации, которая практически является участком ДНК, кодирующим один белок.

Геном – все гены, находящиеся в одной клетке организма.

Генотип – означает то же самое , при узком понимании, рассматривается как комбинация генов одного аллеля.

Аллель – разные формы одного гена, расположенные в одних и тех же локусах (участках) хромосом и определяющие возможные альтернативные признаки организма – голубые или карие глаза, светлые или темные волосы, желтые или зеленые семена.

Фенотип – проявление возможных вариантов во внешности организма.

Гомозигота – организм, имеющий одни и те же гены в обоих аллелях.

Гетерозигота – организм, имеющий одновременно оба аллеля одного гена.

  1. Наследственность – характерное только для биологических объектов свойство сохранять и передавать в поколениях черты строения, метаболизма и развития.
  2.  Эта способность позволяет сохранить постоянство и многообразие жизненных форм.
  3. Изменчивость – особенность живых существ, выражающаяся в способности утрачивать прежние признаки и приобретать новые.

Практически она проявляется в отличиях особей следующего поколения как друг от друга, так и от родителей.

Причина этого феномена заключается во взаимном влиянии на организм внешних условий и наследственных признаков.

На каждый организм среда обитания оказывает свое влияние, так как ее условия для каждого из них немного отличаются, именно этим обусловлены фенотипические различия даже одинаковых по генотипу организмов.

Получается, что консервативность наследственности, сохраняющей неизменными признаки в поколениях и прогрессивность изменчивости оказывают взаимное влияние на строение, метаболитические и фенотипические свойства организма.

Задачи и методы генетики

К задачам генетики относятся теоретические и практические исследования:

  • связей и взаимного влияния между наследственностью, отбором и изменчивостью и их роли в эволюционном развитии;
  • закономерностей и способов фенотипического проявления генетической информации, как на уровне вида, так и в отдельном организме;
  • путей приобретения, хранения и передачи этой информации от родителей к следующим поколениям.

На основе знаний, накопленных генетикой решаются такие практические задачи, как:

  • определение эффективных методов гибридизации;
  • управление наследуемыми признаками и определение путей и методов получения желательных результатов;
  • разработка методов защиты от мутагенных факторов и природоохранных мероприятий;
  • разработка новых технологий.

Генетика использует различные методы научного познания:

  • генеалогический;
  • цитогенетический;
  • мутационный;
  • гибридологический.

Основными из них на сегодняшний день являются гибридологический, цитогенетический и биохимический.

Развитие технологий, создание мощной исследовательской аппаратуры позволяет все более уверенно и точно проводить исследования на клеточном и молекулярном уровне.

Гибридологический же позволяет на практике изучить результаты скрещивания на примерах различных видов, выявить закономерности наследований признаков и обретения новых признаков, а также проследить за их сохранением в потомстве.

Хромосомная теория наследования

В начале ХХ в Т. Морган и его коллеги смогли опытным путем доказать, что гены локализуются в хромосомах и вывести некоторые закономерности наследования. В течение всего ХХ века затем эти идеи изучались, подтверждались и дополнялись, результатом исследований стали формулировки хромосомной теории наследования:

  • Гены находятся в хромосомах;
  • Гены располагаются в хромосомах линейно;
  • Разные хромосомы содержат разное число генов. В каждой хромосоме (кроме гомологичных) находятся свои уникальные гены, не повторяющиеся в других;
  • В гомологичных хромосомах располагаются гены, отвечающие за одни и те же признаки. Они могут быть аллельными (варианты одного и того же признака – длинная или короткая шея, желтые или белые цветки) и тогда занимают одни и те же локусы (участки хромосом);
  • Гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются вместе ( потомок получает целый пакет генов, находящихся в хромосоме, называемый группой сцепления);
  • Группа сцепления может распадаться при кроссинговере. Чем дальше друг от друга в хромосоме находятся гены, тем меньше вероятность сцепленного их наследования;
  • У каждого вида живых существ есть свой набор хромосом, называемый кариотипом.

Научная ценность этой теории заключается в доказательстве и объяснении механизмов, по которым работают законы Менделя, определении внутриклеточных механизмов наследования и генетического базиса теории естественного отбора.

Предыдущий урок Следующий урок

Наследственность и изменчивость

Наследственность и изменчивость являются одними из определяющих факторов эволюции органического мира.

Наследственность — это свойство живых организмов сохранять и передавать потомству особенности своего строения и развития. Благодаря наследственности из поколения в поколение сохраняются признаки вида, сорта, породы, штамма. Связь между поколениями осуществляется при размножении через гаплоидные или диплоидные клетки (см. разделы «Ботаника» и «Зоология»).

Из органоидов клетки ведущая роль в наследственности принадлежит хромосомам, способным к самоудвоению и формированию с помощью генов всего комплекса характерных для вида признаков (см. главу «Клетка»). В клетках каждого организма содержатся десятки тысяч генов. Вся их совокупность, характерная для особи вида, называется генотипом.

Изменчивость противоположна наследственности, но неразрывно с ней связана. Она выражается в способности организмов изменяться. Благодаря изменчивости отдельных особей популяция оказывается разнородной. Дарвин различал два основных типа изменчивости.

Ненаследственная изменчивость (см. о модификациях в главе «Основы генетики и селекции») возникает в процессе индивидуального развития организмов под влиянием конкретных условий среды, вызывающих у всех особей одного вида сходные изменения, поэтому Дарвин эту изменчивость назвал определенной.

Однако степень таких изменений у отдельных индивидуумов может быть различной. Например, у травяных лягушек низкие температуры вызывают темную окраску, но интенсивность ее у разных особей различна. Дарвин считал модификации не существенными для эволюции, так как они, как правило, не наследуются.

Наследственная изменчивость (см. о мутациях в главе «Основы генетики и селекции») связана с изменением генотипа особи, поэтому возникшие изменения наследуются. В природе мутации появляются у единичных особей под влиянием случайных внешних и внутренних факторов.

Характер их предсказать трудно, поэтому Дарвин эту изменчивость назвал неопределенной. Мутации бывают незначительными и существенными и затрагивают различные признаки и свойства. Например, у дрозофилы под влиянием рентгеновских лучей изменяются крылья, щетинки, окраска глаз и тела, плодовитость и т. д.

Мутации могут быть полезными, вредными и безразличными для организма.

К наследственной изменчивости относится комбинативная изменчивость. Она возникает при свободных скрещиваниях в популяциях или при искусственной гибридизации. В результате рождаются особи с новыми сочетаниями признаков и свойств, отсутствовавшими у родителей (см.

о дигибридном скрещивании, новообразованиях при скрещиваниях, перекресте хромосом в главе «Основы генетики и селекции»). Соотносительная изменчивость также наследственна; она выражается в том, что изменение одного органа вызывает зависимые изменения других (см. в главе «Основы генетики и селекции» множественное действие гена).

Например, у гороха с пурпурными цветками всегда с таким же оттенком черешки и жилки листьев. У болотных птиц длинные конечности и шея всегда сопровождаются длинными клювом и языком.

Наследственную изменчивость Дарвин считал особенно важной для эволюции, так как она служит материалом для естественного и искусственного отборов при образовании новых популяций, видов, сортов, пород и штаммов.

Признаки организмов. Наследственность и изменчивость

Представления о том, что для живых существ характерны наследственность и изменчивость, сложились еще в древности.

Было замечено, что при размножении организмов из поколения в поколение передается комплекс признаков и свойств, присущих конкретному виду (проявление наследственности).

Однако столь же очевидно и то, что между особями одного вида существуют некоторые различия (проявление изменчивости).

Знание о наличие этих свойств использовалось при выведении новых сортов культурных растений и пород домашних животных. Исстари в сельском хозяйстве применялась гибридизация, т. е.

скрещивание организмов, отличающихся друг от друга по каким-либо признакам. Однако до конца XIX в.

такая работа осуществлялась методом проб и ошибок, поскольку не были известны механизмы, лежащие в основе проявления подобных свойств организмов, а существовавшие на этот счет гипотезы имели чисто умозрительный характер.

В 1866 г. вышел в свет труд Грегора Менделя, чешского исследователя, «Опыты над растительными гибридами». В нем были описаны закономерности наследования признаков в поколениях растений нескольких видов, которые Г.

Мендель выявил в результате многочисленных и тщательно выполненных экспериментов. Но его исследование не привлекло внимания современников, не сумевших оценить новизну и глубину идей, опередивших общий уровень биологических наук того времени. Лишь в 1900 г., после открытия законов Г.

Менделя заново и независимо друг от друга тремя исследователями (Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии), начинается развитие новой биологической науки — генетики, изучающей закономерности наследственности и изменчивости.

Грегора Менделя справедливо считают основоположником этой молодой, но очень бурно развивающейся науки.

Наследственность организмов

Наследственностью организмов называют общее свойство всех организмов сохранять и передавать особенности строения и функций от предков к потомству.

Связь родителей с потомками у организмов осуществляется в основном через размножение. Потомство всегда подобно родителям и предкам, но не бывает их точной копией.

Каждый знает, что из желудя вырастает дуб, из яиц кукушки выводятся ее птенцы. Из семян культурных растений определенного сорта вырастают растения того же сорта. У домашних животных сохраняют свойства потомки той же породы.

Почему же потомство похоже на своих родителей? Во времена Дарвина причины наследственности были мало изучены.

В настоящее время известно, что материальную основу наследственности составляют гены, расположенные в хромосомах.

Ген представляет собой участок молекулы органического вещества ДНК, под действием которого формируются признаки. В клетках организмов разных видов содержатся единицы и десятки хромосом и сотни тысяч генов.

Хромосомы с расположенными в них генами имеются как в половых клетках, так и в клетках тела. При половом размножении происходит слияние мужской и женской половых клеток. В клетках зародыша объединяются мужские и женские хромосомы, поэтому формирование его происходит под влиянием генов как материнского, так и отцовского организма.

На развитие одних признаков большее влияние оказывают гены материнского организма, других — отцовского, на третьи признаки материнские и отцовские гены оказывают равное влияние. Поэтому потомство по одним признакам оказывается похожим на материнский организм, по другим — на отцовский, по третьим — совмещает признаки отца и матери, т. е.

имеет промежуточный характер.

Изменчивость организмов

Изменчивостью организмов называют общее свойство организмов приобретать новые признаки — различия между особями в пределах вида.

Изменчивы все признаки организмов: особенности внешнего и внутреннего строения, физиологии, поведения и др. В потомстве одной пары животных или среди растений, выросших из семян одного плода, невозможно встретить совершенно одинаковых особей.

В стаде овец одной породы каждое животное отличается еле уловимыми особенностями: размерами тела, длиной ног, головы, окраской, длиной и плотностью завитка шерсти, голосом, повадками.

Количество краевых язычковых цветков в соцветиях золотой розги (семейство сложноцветных) колеблется от 5 до 8. Число лепестков ветреницы дубравной (семейство лютиковых) — 6, а иногда 7 и 8.

Растения одного вида или сорта несколько отличаются друг от друга в сроках цветения, созревания плодов, степени засухоустойчивости и др. Благодаря изменчивости особей популяция оказывается разнородной.

Дарвин различал две основные формы изменчивости — ненаследственную и наследственную.

Ненаследственная или модификационная изменчивость

Давно было замечено, что все особи данной породы, сорта или вида под влиянием определенной причины изменяются в одном направлении. Сорта культурных растений при отсутствии условий, в которых они были выведены человеком, теряют свои качества.

Например, белокочанная капуста при возделывании в жарких странах не образует кочана. Известно, что при хорошем удобрении, поливе, освещении растения обильно кустятся и плодоносят.

Породы лошадей, завезенные в горы или на острова, где пища недостаточно питательна, со временем становятся низкорослыми. Продуктивность беспородных животных в условиях улучшенного содержания и ухода повышается.

Все эти изменения ненаследственны, и если растения или животных перенести в исходные условия существования, то признаки вновь возвращаются к первоначальным.

Причины ненаследственной, или модификационной, изменчивости организмов во времена Дарвина были слабо изучены. К настоящему времени выяснено, что формирование организма идет как под влиянием генов, так и под воздействием условий среды обитания.

Эти условия и служат причиной ненаследственной, модификационной, изменчивости. Они могут ускорить или замедлить рост и развитие, изменить окраску цветков у растений, но гены при этом не изменяются.

Благодаря ненаследственной изменчивости особи популяций оказываются приспособленными к меняющимся условиям среды.

Наследственная изменчивость

Кроме модификационной существует другая форма изменчивости — наследственная изменчивость организмов, которая затрагивает хромосомы или гены, т. е. материальные основы наследственности. Наследственные изменения были хорошо известны Дарвину, им он отводил большую роль в эволюции.

Причины наследственной изменчивости во времена Дарвина также были мало исследованы. В настоящее время известно, что наследственные изменения обусловлены изменением генов или образованием новых комбинаций их в потомстве.

Так, один вид наследственной изменчивости — мутации — обусловлен изменением генов; другой вид — комбинативная изменчивость — вызван новой комбинацией генов в потомстве; третий — соотносительная изменчивость — связан с тем, что один и тот же ген оказывает влияние на формирование не одного, а двух и более признаков.

Таким образом, в основе всех видов наследственной изменчивости лежит изменение гена или совокупности генов.

Мутации могут быть незначительными и затрагивать самые различные морфологические и физиологические особенности организма, например у животных — размеры, окраску, плодовитость, молочность и т. п. Иногда мутации проявляются в более значительных изменениях.

Такого рода изменения были использованы при создании курдючных, мериносовых и каракулевых пород овец, махровых сортов многих декоративных растений, деревьев с плакучими и пирамидальными кронами.

Известны наследственные изменения земляники с простыми яйцевидными листьями, чистотела с рассеченными листьями.

Мутации могут происходить в силу самых различных воздействий. Источником комбинативной изменчивости в популяциях служит скрещивание. Отдельные особи одной и той же популяции несколько отличаются друг от друга по генотипу. В результате свободного скрещивания получаются новые комбинации генов.

Появившиеся в популяции в силу случайных причин наследственные изменения постепенно распространяются среди особей благодаря свободному скрещиванию, и популяция оказывается насыщенной ими.

Эти наследственные изменения сами по себе не могут привести ни к появлению новой популяции, ни тем более нового вида, но они являются необходимым материалом для отбора, предпосылкой для эволюционных изменений.

Еще Дарвин отметил соотносительный характер наследственной изменчивости. Например, длинные конечности животных почти всегда сопровождаются удлиненной шеей; у бесшерстных собак наблюдаются недоразвитые зубы; голуби с оперением на ногах имеют перепонки между пальцами.

У столовых сортов свеклы согласованно изменяется окраска корнеплода, черешков и нижней стороны листьев. У львиного зева со светлыми венчиками цветков стебель и листья зеленые; с темными венчиками — стебель и листья темные.

Поэтому, проводя отбор по одному, нужному признаку, следует учитывать возможность появления в потомстве других, иногда нежелательных признаков, относительно с ним связанных.

Наследственность и изменчивость — разные свойства организмов, обусловливающие сходство и несходство потомства с родителями и с более отдаленными предками. Наследственность выражает устойчивость органических форм в ряду поколений, а изменчивость — их способность к преобразованию.

Дарвин неоднократно подчеркивал необходимость глубокой разработки законов изменчивости и наследственности. Позднее они стали предметом изучения генетики.

Ссылка на основную публикацию