Наследственной изменчивостью называют. §47. Генотипическая изменчивость. Каковы причины комбинативной изменчивости

Тема. Изменчивость

Вопросы

1. Классификация изменчивости. Ненаследственная изменчивость и ее типы.

2. Наследственная изменчивость и ее типы.

3. Мутагены и метагенез.

4. Классификация мутаций на хромосомном уровне.

Наличие общих видовых признаков позволяет объединять всех людей на земле в единый вид Homo sapiens. Тем не менее, мы без труда, одним взглядом выделяем лицо знакомого человека в толпе незнакомых людей. Чрезвычайное разнообразие людей – как внутригрупповое (например, разнообразие в пределах этноса), так и межгрупповое – обусловлено генетическим их отличием.

Любая популяция обнаруживает внешнюю или фенотипическую изменчивость по большинству качественных и количественных признаков. Популяции человека гетерогенны по росту, пигментации кожи, чертам лица, группам крови и многим другим признакам.

Более того, расчеты комбинаций генетического материала человека свидетельствуют, что за всю историю человечества на земном шаре не было, нет и в обозримом будущем не встретится генетического повторения, т.е. каждый рожденный человек является уникальным явлением во Вселенной. Неповторимость генетической конституции во много определяет особенности развития заболевания у каждого конкретного человека.

Какими же способами достигается бесконечное разнообразие человеческой популяции?

В основе всех способов лежит способность организмов приобретать новые свойства в процессе онтогенеза (индивидуального развития от момента оплодотворения до смерти), т.е. изменяться.

Классификация изменчивости. Ненаследственная изменчивость и ее типы

Изменчивость бывает ненаследственная и наследственная.

К ненаследственной относятся онтогенетическая и модификационная изменчивости. Суть онтогенетической изменчивости заключается в том, что фенотип организма меняется на протяжении всей жизни, в то время как генотип не меняется, а происходит лишь переключение генов.

Модификационная изменчивость возникает под влиянием средовых факторов, однако ее размах определяется генотипом, т.е. генетически обусловленной нормой реакции.

Наследственна изменчивость подразделяется на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость связана с перекомбинацией родительских генов.

Наследственная изменчивость и ее типы.

Комбинативная изменчивость возникает в генотипах потомков вследствие случайной перекомбинации аллелей. Сами гены при этом не изменяются, но генотипы родителей и детей различны. Комбинативная изменчивость возникает в результате нескольких процессов:

· независимого расхождения хромосом в процессе мейоза;

· рекомбинации генов при кроссинговере;

· случайной встречи гамет при оплодотворении.

Комбинативная изменчивость является главным источником наблюдаемого генетического разнообразия. Известно, что в геноме человека содержится примерно 30-40 тыс. генов. Около трети всех генов имеют более чем один аллель, т. е. являются полиморфными. Однако даже при наличии лишь небольшого числа локусов, содержащих по нескольку аллелей, только при рекомбинации (вследствие перемешивания генных комплексов) возникает колоссальное; множество уникальных генотипов.

Так, только при 10 генах, содержащих по 4 аллеля каждый, теоретическое число уникальных диплоидных генотипов составляет 10 миллиардов!

Поскольку около одной трети генов в геноме человека являются полиморфными, то только за счет рекомбинации создается неисчерпаемое генетическое разнообразие человека. В свою очередь неповторимость генетической конституции во многом определяет уникальность и неповторимость каждого человека.

Мутационная изменчивость обусловлена мутациями – устойчивыми изменениями генетического материала и, соответственно, наследуемого признака.

Мутационная изменчивость возникает вследствие мутаций. Мутации – нарушение генетического материала, имеющие стойкий характер и возникающие внезапно, скачкообразно (де Фриз).

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.

1. Что такое наследственность?

Ответ. Наследственность свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Обеспечивается самовоспроизведением материальных единиц наследственности - генов, локализованных в специфических структурах ядра клетки (хромосомах) и цитоплазмы. Вместе с изменчивостью наследственность обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы.

2. Что такое изменчивость?

Ответ. Изменчивость - разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Изменчивость присуща всем живым организмам. Различают изменчивость: наследственную. и ненаследственную. ;индивидуальную и групповую. Наследственная изменчивость обусловлена возникновением мутаций, ненаследственная - воздействием факторов внешней среды. Явления наследственности и изменчивости лежат в основе эволюции.

Вопросы после § 46

1. Какие виды изменчивости вам известны?

Ответ. Различают два вида изменчивости: модификационную (фенотипическую) и наследственную (генотипическую).

Изменения признаков организма, которые не затрагивают его гены и не могут передаваться следующим поколениям, называются модификационными, а этот вид изменчивости – модификационной.

Можно перечислить следующие основные характеристики модификационной изменчивости:

– модификационные изменения не передаются потомкам;

– модификационные изменения возникают у многих особей вида и зависят от воздействия окружающей среды;

– модификационные изменения возможны только в пределах нормы реакции, т. е. в конечном счёте они определяются генотипом

Наследственная изменчивость обусловлена изменениями в генетическом материале и является основой разнообразия живых организмов, а также главной причиной эволюционного процесса, так как она поставляет материал для естественного отбора.

Возникновение изменений в наследственном материале, т. е. в молекулах ДНК, называют мутационной изменчивостью. Причём изменения могут происходить как в отдельных молекулах (хромосомах), так и в числе этих молекул. Мутации происходят под влиянием разнообразных факторов внешней и внутренней среды.

2. Каковы основные признаки модификационной изменчивости?

Ответ. Чаще всего модификациям подвержены количественные признаки – рост, вес, плодовитость и т. п. Классическим примером модификационной изменчивости может служить изменчивость формы листьев у растения стрелолиста, укореняющегося под водой. У одной особи стрелолиста бывают три вида листьев, в зависимости от того, где лист развивается: под водой, на поверхности или на воздухе. Эти различия в форме листьев определяются степенью их освещенности, а набор генов в клетках каждого листа одинаков.

Для различных признаков и свойств организма характерна большая или меньшая зависимость от условий окружающей среды. Например, у человека цвет радужки и группа крови определяются только соответствующими генами, и условия жизни на эти признаки влиять не могут. А вот рост, вес, физическая выносливость сильно зависят от внешних условий, например от качества питания, физической нагрузки и др.

3. Что такое норма реакции?

Ответ. Пределы модификационной изменчивости какого-либо признака называют нормой реакции. Норма реакции обусловлена генетически и наследуется.

Изменчивость признака иногда бывает очень большой, но она не может выходить за пределы нормы реакции. У одних признаков норма реакции очень широка (например, настриг шерсти с овец, молочность коров), а другие признаки характеризуются узкой нормой реакции (окрас шерсти у кроликов).

Из сказанного выше следует очень важный вывод. Наследуется не сам признак, а способность проявлять этот признак в определённых условиях, иными словами, наследуется норма реакции организма на внешние условия

4. Какие формы наследственной изменчивости вы знаете?

Ответ. Наследственная изменчивость проявляется в двух формах – комбинативной и мутационной.

Мутационная изменчивость – это изменения ДНК клетки (изменение строения и количества хромосом). Возникают под действием ультрафиолета, радиации (рентгеновских лучей) и т.п. Передаются по наследству, служат материалом для естественного отбора (мутационный процесс – одна из движущих сил эволюции).

Комбинативная изменчивость возникает при перекомбинации (перемешивании) генов отца и матери. Источники:

1) Кроссинговер при мейозе (гомологичные хромосомы тесно сближаются и меняются участками).

2) Независимое расхождение хромосом при мейозе.

3) Случайное слияние гамет при оплодотворении.

5. Каковы причины комбинативной изменчивости?

Ответ. В основе комбинативной изменчивости лежит половой процесс, в результате которого возникает огромный набор разнообразных генотипов.

Рассмотрим на примере человека. В клетках каждого человека содержится 23 материнских и 23 отцовских хромосомы. При образовании гамет в каждую из них попадут лишь 23 хромосомы, и сколько из них будет от отца и сколько от матери – дело случая. В этом и кроется первый источник комбинативной изменчивости.

Вторая её причина – кроссинговер. Мало того что каждая наша клетка несёт хромосомы дедушек и бабушек, определённая часть этих хромосом получила в результате кроссинговера часть своих генов от гомологичных хромосом, принадлежавших ранее другой линии предков. Такие хромосомы называют рекомбинантными. Участвуя в формировании организма нового поколения, они приводят к неожиданным комбинациям признаков, которых не было ни у отцовского, ни у материнского организма.

Наконец, третья причина комбинативной изменчивости – случайный характер встреч тех или иных гамет в процессе оплодотворения.

Все три процесса, лежащие в основе комбинативной изменчивости, действуют независимо друг от друга, создавая огромное разнообразие всевозможнейших генотипов.

Удивительно, но каждую минуту на Земле рождаются особи с неповторимым, уникальным генетическим устройством. Это обусловлено определенной наследственной изменчивостью, значение которой достаточно велико для эволюционного развития не только отдельной классификационной единицы, но и всего мира в целом. Давайте разберемся, что представляет собой наследственная изменчивость, каким законам она подчиняется и как влияет на филогенез.

Определение

Примерами наследственной изменчивости могут служить определенные комбинации генетического материала родителей или различного рода мутационные процессы в период формирования зиготы. В большинстве своем уникальность генотипа различных организмов обуславливается расхождением генов в случайном порядке в процессе мейоза.

Ненаследственная изменчивость

Стоит отметить, что помимо наследственной изменчивости ненаследственная тоже играет большую роль в онтогенезе организма. Она формируется под воздействием окружающей среды, образа жизни и иных факторов не связанных с изменением генотипа. Именно в этом и заключается основное отличие наследственной и ненаследственной изменчивости.

Формы мутаций

Примером наследственной изменчивости, помимо независимого движения хромосом в процессе развития зародыша, также могут являться и определенного рода мутации, возникающие в результате тех или иных факторов. Давайте рассмотрим каждую из форм в отдельности.

Комбинативная

Комбинативная изменчивость - это один из основных рычагов эволюции определенного вида. Она носит постоянный характер и встречается повсеместно. Именно благодаря данному виду изменчивости, существует такое явление, как уникальность каждой особи внутри вида.

Комбинативная изменчивость возможна благодаря таким явлениям, как:

• независимое расхождение элементарных генетических структур - хромосом, в процессе мейотического деления клетки;
• слияние гамет случайным образом в процессе непосредственного оплодотворения;
• обмен генетическим материалом в процессе такого явления, как кроссинговер.

Таким образом, комбинативная изменчивость является главной функциональной единицей, обеспечивающей уникальность генетического аппарата каждой особи в отдельности.

Мутационная

Мутационная изменчивость также является неотъемлемой частью процессов наследственной. Изменения могут принимать вид полезной уникальной особенности развивающейся особи, а могут быть настолько незначительными, что не выявляются вовсе и являются нейтральными по отношению к организму.

Но зачастую мутации носят негативный характер и проявляются в виде каких-либо отклонений, нарушений нормального функционирования организма, болезней. Опасность негативных изменений заключается в том, что закрепившись в генотипе, они могут предаваться по наследству.

Также мутации бывают разной локализации. По этому признаку их подразделяют на соматические и генеративные. Они затрагивают разные уровни что классифицирует их как хромосомные, генные или геномные.

Примеры

Примеры наследственной изменчивости очень разнообразны и часто встречаются в повседневной жизни. Одним из самых элементарных проявлений данного типа изменчивости является то, что ребенок некоторыми признаками может быть сильно похож на родителей. Например, унаследовать темные волосы матери и черты лица отца. Это пример комбинативной изменчивости. Но стоит учитывать то, что даже при сильной схожести потомство не будет точной копией родителей, как в фенотипическом так и, тем более, в генотипическом плане.

Еще одним примером наследственной изменчивости может служить такое явление, как шестипалость, что является следствием непредвиденной мутации. Или такое неприятное заболевание, как фенилкетонурия, которое проявляется в виде нарушения аминокислотного обмена.

Гомологические ряды

Одним из ученых, который активно занимался изучением такого явления, как наследственная изменчивость, был Н. И. Вавилов.

Он рассматривал так называемые гомологические ряды наследственной изменчивости, которые представляли собой некоторые аналоги в биологии гомологических рядов органических соединений.

Зная определенные закономерности, можно вычислить особенности наследования у видов, которые обладают этими рядами. На этой основе был сформирован один из основных законов, трактующих закономерности наследования, который называется - закон гомологических рядов наследственной изменчивости. В настоящий момент данный закон активно используется в генетике.

Закон наследственной изменчивости

Данный закон, сформулированный на теории о гомологичных рядах, звучит так: роды и виды, которые имеют схожий генетический аппарат, отличаются рядами изменчивости по определенным параметрам. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что зная некоторые формы в пределах одного определенного вида, можно предугадывать нахождение таких же форм у похожих видов.

Н. И. Вавилов подкреплял наследственной изменчивости определенной формулой для расчета.

Следствия закона

Данный закон, сформулированный Н. И. Вавиловым, во многом способствует трактованию особенностей эволюции организмов.

Так, например, на его основе, можно сделать вывод, что у видов, схожих своим генетическим аппаратом, и имеющих общее происхождение, могут возникать примерно одинаковые мутационные процессы. Кроме того, ученые, в результате многолетних исследований, установили, что даже у таких больших классификационных единиц, как классы, может наблюдаться так называемый параллелизм, основанный на наличии гомологических рядов.

Также стоит отметить, что подобного рода явления характерны не только для высших классов живых организмов, но для простейших.

Наследственные заболевания

Однако, как уже говорилось выше, не всегда наследственная изменчивость несет положительный эффект для конкретной особи и ее потомков. Например, различного рода мутации или нестандартное поведение генов в процессе зачатия и развития зародыша могут повлечь за собой отклонения в развитии особи различной степени сложности. Рассмотрим некоторые виды генетических заболеваний.

Итак, наследственные заболевания можно подразделить на:

• Хромосомные. Данные отклонения возникают в результате тех или иных изменений хромосом. Это может быть как изменение количества, так и самой структуры. Синдром Дауна считается самым распространенным заболеванием данной группы. Дети, страдающие этим синдромом, отличаются по степени его тяжести, но при правильной коррекционной и медицинской помощи, в дальнейшем могут быть вполне социализированы и самостоятельны.
• Геномные. Мутации данного типа, затрагивающие весь геном полностью, случаются реже и почти всегда приводят к летальному исходу у животных и человека в частности. Примером такого заболевания может служить синдром Шерешевского-Тернера. Люди с данным синдромом, помимо многих других признаков отличаются плохим психическим здоровьем и слабовыраженными или стертыми половыми признаками.
• Моногенные. В основе данных заболеваний лежит мутация в одном определенном гене. Она может быть как доминантной, так и рецессивной. Некоторые мутации сцеплены с полом, некоторые - с аутосомой.

Наследственная изменчивость в эволюции

Изменчивость - это основное и очень важное свойство живых организмов претерпевать изменения в процессе филогенеза. Без такой особенности, которая позволяет сохранять уникальность генетического материала и подстраиваться под особенности той или иной окружающей среды, организмы любой организации были бы обречены на гибель.

Благодаря наследственной изменчивости, существует такой немаловажный фактор эволюции, как естественный отбор. Именно из-за того, что каждая особь уникальна по своим генотипическим и фенотипическим свойствам, в природе регулируется численность, но в тоже время сохраняется возможность избежать полного исчезновения той или иной классификационной единицы.

Значение наследственной изменчивости неоценимо для эволюционного процесса. Ведь именно эта важнейшая особенность организмов любой сложности и классификации позволяет существовать такому явлению, как видовое разнообразие. Также огромное значение наследственная изменчивость имеет и для выживаемости вида. Постоянно варьирующиеся особенности окружающей среды вынуждают организмы приспосабливаться к имеющимся условиям. Без того или иного отражения в генотипе, это было бы невозможно и привело к вымиранию вида.

Изменчивость в биологии - это возникновение индивидуальных различий между особями одного вида. Благодаря изменчивости популяция становится разнородной, а у вида появляется больше шансов приспособиться к меняющимся условиям окружающей среды.

В такой науке, как биология, наследственность и изменчивость идут рука об руку. Существуют два вида изменчивости:

• Ненаследственная (модификационная, фенотипическая).
• Наследственная (мутационная, генотипическая).

Ненаследственная изменчивость

Модификационная изменчивость в биологии - это способность единичного живого организма (фенотипа) подстраиваться под факторы внешней среды в пределах своего генотипа. Благодаря такому свойству особи приспосабливаются к изменениям климата и других условий существования. лежит в основе адаптационных процессов, протекающих в любом организме. Так, у беспородных животных при улучшении условий содержания увеличивается продуктивность: надои молока, яйценоскость и прочее. А животные, завезенные в горные районы, вырастают низкорослыми и с хорошо развитым подшерстком. Изменение факторов внешней среды и обуславливают изменчивость. Примеры этого процесса можно легко найти в повседневной жизни: кожа человека под воздействием ультрафиолетовых лучей становится темной, в результате физических нагрузок развиваются мышцы, растения, выросшие в затененных местах и на свету, имеют разную форму листьев, а зайцы меняют окрас шерсти зимой и летом.

Для ненаследственной изменчивости характерны следующие свойства:

• групповой характер изменений;
• не наследуется потомством;
• изменение признака в пределах генотипа;
• соотношение степени изменения с интенсивностью воздействия внешнего фактора.

Наследственная изменчивость

Наследственная или генотипическая изменчивость в биологии - это процесс, в результате которого изменяется геном организма. Благодаря ей особь приобретает признаки, ранее несвойственные ее виду. По Дарвину, генотипическая изменчивость является основным двигателем эволюции. Различают следующие виды наследственной изменчивости:

• мутационная;
• комбинативная.

Возникает в результате обмена генами при половом размножении. При этом признаки родителей по-разному комбинируются в ряду поколений, повышая разнообразие организмов в популяции. Комбинативная изменчивость подчиняется правилам наследования Менделя.

Пример такой изменчивости - инбридинг и аутбридинг (близкородственное и неродственное скрещивание). Когда черты отдельного производителя хотят закрепить в породе животных, то применяют близкородственное скрещивание. Таким образом, потомство становится более однообразным и закрепляет качества основателя линии. Инбридинг ведет к проявлению рецессивных генов и может приводить к вырождению линии. Для повышения жизнеспособности потомства применяют аутбридинг - неродственное скрещивание. При этом нарастает гетерозиготность потомства и увеличивается разнообразие внутри популяции, и, как следствие, возрастает устойчивость особей к неблагоприятным воздействиям факторов внешней среды.

Мутации, в свою очередь, разделяются на:

• геномные;
• хромосомные;
• генные;
• цитоплазматические.

Изменения, затрагивающие половые клетки, передаются по наследству. Мутации в могут передаваться потомству, если особь размножается вегетативным способом (растения, грибы). Мутации могут быть полезными, нейтральными или вредными.

Геномные мутации

Изменчивость в биологии посредством геномных мутаций может быть двух видов:

• Полиплоидия - мутация часто встречается у растений. Она вызвана кратным увеличением всего числа хромосом в ядре, образуется в процессе нарушения их расхождения к полюсам клетки при делении. Полиплоидные гибриды широко используются в сельском хозяйстве - в растениеводстве насчитывают более 500 полиплоидов (лук, гречка, сахарная свекла, редис, мята, виноград и другие).
• Анеуплоидия - увеличение или уменьшение числа хромосом по отдельным парам. Такой вид мутации характеризуется низкой жизнеспособностью особи. Широко распространенная мутация у человека - одна по 21-ой паре вызывает синдром Дауна.

Хромосомные мутации

Изменчивость в биологии путем появляется при изменении структуры самих хромосом: потери концевого участка, повторение набора генов, поворот отдельного фрагмента, перенос сегмента хромосомы в другое место или к другой хромосоме. Такие мутации часто возникают под воздействием радиации и химического загрязнения окружающей среды.

Генные мутации

Значительная часть таких мутаций не проявляется внешне, так как является рецессивным признаком. Обусловлены генные мутации изменением последовательности нуклеотидов - отдельных генов - и приводят к появлению молекул белка с новыми свойствами.

Генные мутации у человека обуславливают проявление некоторых наследственных заболеваний - серповидно-клеточная анемия, гемофилия.

Цитоплазматические мутации

Цитоплазматические мутации связаны с изменениями в структурах цитоплазмы клетки, содержащих ДНК-молекулы. Это митохондрии и пластиды. Передаются такие мутации по материнской линии, так как зигота получает всю цитоплазму от материнской яйцеклетки. Пример цитоплазматической мутации, вызвавшей изменчивость в биологии - это перистолистность растений, которая вызывается изменениями в хлоропластах.

Для всех мутаций характерны следующие свойства:

• Они возникают внезапно.
• Передаются по наследству.
• У них нет какой-либо направленности. Мутации может подвергнуться как незначительный участок, так и жизненно важный признак.
• Возникают у отдельных особей, то есть индивидуальны.
• По своему проявлению мутации могут быть рецессивными или доминантными.
• Одна и та же мутация может повторяться.

Каждая мутация вызывается определенными причинами. В большинстве случаев точно установить ее не удается. В экспериментальных условиях для получения мутаций используют направленный фактор воздействия внешней среды - радиационное облучение и тому подобное.