Реферат: Генетика, особенности индивидуального развития

Министерство общего и специального образования . Иркутская средняя школа № 65 .

Реферат

По биологии на тему :

« Генетика. Генетические

особенности индивидуального развития» .

Выполнил:

ученик 11 «В» класса

Рыбаков Д . А .

Проверила:

Якунина Г.Ф.

1999.

Содержание:

Введение.

Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысяче­летий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделывае­мых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. Судя по разно­образным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из при­родных популяций и скрещивая их между со­бой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами.

Однако лишь в начале XX в. ученые стали осозна­вать в полной мере важность законов наследствен­ности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии позволили установить, что наследственные призна­ки передаются из поколения в поколение через сперматозоиды и яйцеклетки, оставалось неясным, каким образом мельчайшие частицы протоплазмы могут нести в себе «задатки» того огромного мно­жества признаков, из которых слагается каждый отдельный организм.

Первый действительно научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы совре­менной генетики. Мендель показал, что наследст­венные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособлен­ных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами, остаются дискретными и передаются по­следующим поколениям в мужских и женских га­метах, каждая из которых содержит по одной едини­це из каждой пары. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы “ гедам”, а в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах. С тех пор генетика достиг­ла больших успехов в объяснении природы наслед­ственности и на уровне организма, и на уровне гена.

1. Природа генов.

Изучение наследственности уже давно было связано с преставлением о ее корпускулярной природе. В 1866 г. Мендель высказал предположение, что признаки организмов определяются наследуемыми единицами, которые он назвал “элементами”. Позднее их стали называть “факторами” и, наконец, генами; было показано, что гены находятся в хромосомах, с которыми они и передаются от одного поколения к другому.

Несмотря на то, что уже многое известно о хромосомах и структуре ДНК, дать определение гена очень трудно, пока удалось сформулировать только три возможных определения гена:

а) ген как единица рекомбинации.

На основании своих работ по построению хромосомных карт дрозофилы Морган постулировал, что ген - это наименьший участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера. Согласно этому определению, ген представляет собой крупную единицу, специфическую область хромосомы, определяющую тот или иной признак организма;

б) ген как единица мутирования.

В результате изучения природы мутаций было установлено, что изменения признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном основании. В этом смысле можно было сказать, что ген - это одна пара комплиментарных оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т.е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию.

в) ген как единица функции.

Поскольку было известно, что от генов зависят структурные, физиологические и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген как наименьший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта.

2. Исследования Менделя.

Грегор Мендель родился в Моравии в 1822 г. В 1843 г. он поступил в монастырь августинцев в Брюние (ныне Брно, Чехословакия), где принял духовный сан. Позже он отправился в Вену, где провел два года, изучая в университете естествен­ную историю и математику, после чего в 1853 г. вернулся в монастырь. Такой выбор предметов, несомненно, оказал существенное влияние на его последующие работы по наследованию признаков у гороха. Будучи в Вене, Мендель заинтересовался процессом гибридизации растений и, в частности, разными типами гибридных потомков и их ста­тистическими соотношениями. Эти проблемы и яви­лись предметом научных исследований Менделя, которые он начал летом 1856 г.

Успехи, достигнутые Менделем, частично обу­словлены удачным выбором объекта для экспери­ментов-гороха огородного (Р isum sativum ). Мен­дель удостоверился, что по сравнению с другими этот вид обладает следующими преимуществами:

1) имеется много сортов, четко различающихся по ряду признаков;

2) растения легко выращивать;

3) репродуктивные органы полностью прикрыты лепестками, так что растение обычно самоопыляется; поэтому его сорта размножаются в чистоте, т.е. их признаки из поколения в поколение оста­ются неизменными;

4) возможно искусственное скрещивание сортов, и оно дает вполне плодовитых гибридов. Из 34 сортов гороха Мендель отобрал 22 сорта, обладающие четко выраженными различиями по ряду признаков, и использовал их в своих опытах со скрещиванием. Менделя интересовали семь главных признаков: высота стебля, форма семян, окраска семян, форма и окраска плодов, расположение и окраска цветков.

И до Менделя многие ученые проводили подоб­ные эксперименты на растениях, но ни один из них не получил таких точных и подробных данных; кроме того, они не смогли объяснить свои результа­ты с точки зрения механизма наследственности. Моменты, обеспечившие Менделю успех, следует признать необходимыми условиями проведения вся­кого научного исследования и принять их в качестве образца. Условия эти можно сформулировать сле­дующим образом:

1) проведение предварительных исследований для ознакомления с экспериментальным объектом;

2) тщательное планирование всех экспериментов, с тем чтобы всякий раз внимание было сосредото­чено на одной переменной, что упрощает на­блюдения;

3) строжайшее соблюдение всех методик, с тем чтобы исключить возможность введения пере­менных, искажающих результаты (подробности см. ниже);

4) точная регистрация всех экспериментов и запись всех полученных результатов;

5) получение достаточного количества данных, что­бы их можно было считать статистически досто­верными.

Как писал Мендель, «достоверность и полезность всякого эксперимента определяются пригодностью данного материала для тех целей, в которых он используется».

Следует, однако, отметить, что в выборе экспери­ментального объекта Менделю кое в чем и просто повезло: в наследовании отобранных им призна­ков не было ряда более сложных особенностей, открытых позднее, таких как неполное доминирова­ние, зависимость более чем от одной пары генов, сцепление генов.

2.1. Наследование при моногибридном скрещивании и закон расщепления.

Для своих первых экспериментов Мендель выбирал растения двух сортов, четко различавшихся по какому-либо признаку, например по расположению цветков: цветки могут быть распределены по всему стеблю (пазушные) или находиться на конце стебля (верхушечные). Растения, различающиеся по одной паре альтернативных признаков, Мендель выращи­вал на протяжении ряда поколений. Семена от пазушных цветков всегда давали растения с пазуш­ными цветками, а семена от верхушечных цветков- растения с верхушечными цветками. Таким обра­зом, Мендель убедился, что выбранные им растения размножаются в чистоте (т.е. без расщепления по­томства) и пригодны для проведения опытов по гибридизации (экспериментальных скрещиваний).

Его метод состоял в следующем: он удалял у ряда растений одного сорта пыльники до того, как могло произойти самоопыление (эти растения Мендель называл «женскими»); пользуясь кисточкой, он на­носил на рыльца этих «женских» цветков пыльцу из пыльников растения другого сорта; затем он надевал на искусственно опыленные цветки ма­ленькие колпачки, чтобы на их рыльца не могла попасть пыльца с других растений. Мендель про­водил реципрокные скрещивания - переносил пыльце­вые зерна как с пазушных цветков на верхушечные, так и с верхушечных на пазушные. Во всех слу­чаях из семян, собранных от полученных гибридов, вырастали растения с пазушными цветками. Этот признак-«пазушные цветки»,-наблюдаемый у рас­тений первого гибридного поколения, Мендель назвал доминантным; позднее, в 1902 г., Бэтсон и Сондерс стали обозначать первое поколение гибрид­ного потомства символом F₁ . Ни у одного из растений F₁ не было верхушечных цветков.

На цветки растений F ₁ Мендель надел колпачки (чтобы не допустить перекрестного опыления) и дал им возможность самоопылиться. Семена, собран­ные c растений F ₁ , были пересчитаны и вы­сажены следующей весной для получения второго гибридного поколения, F ₂ (поколение F ₂ - это всегда результат инбридинга в поколении F ₁ , в данном случае самоопыления). Во втором гибридном по­колении у одних растений образовались пазушные цветки, а у других - верхушечные. Иными словами, признак «верхушечные цветки», отсутствовавший в поколении F ₁ , вновь появился в поколении F₂ . Мендель рассудил, что этот признак присутствовал в поколении F ₁ в скрытом виде, но не смог про­явиться; поэтому он назвал его рецессивным. Из 858 растений, полученных Менделем в F₂ , у 651 были пазушные цветки, а у 207-верхушечные. Мендель провел ряд аналогичных опытов, используя всякий раз одну пару альтернативных признаков. Результа­ты экспериментальных скрещиваний по семи парам таких признаков приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты экспериментов Менделя по наследованию семи пар альтернативных признаков.

(Наблюдаемое соотношение доминантных и рецессивных признаков приближается к теоретически ожидаемому 3 : 1).

Во всех случаях анализ результатов показал, что отношение доминантных признаков к рецессивным в поколении F₂ составляло примерно 3 : 1.

Приведенный выше пример типичен для всех экспериментов Менделя, в которых изучалось насле­дование одного признака (моногибридные скрещивания ).

На основании этих и аналогичных результатов Мендель сделал следующие выводы:

1. Поскольку исходные родительские сорта размно­жались в чистоте (не расщеплялись), у сорта с пазушными цветками должно быть два «пазуш­ных» фактора, а у сорта с верхушечными цветка­ми - два «верхушечных» фактора.

2. Растения F₁ содержали по одному фактору, полу­ченному от каждого из родительских растений через гаметы.

3. Эти факторы в F₁ не сливаются, а сохраняют свою индивидуальность.

4. «Пазушный» фактор доминирует над «верхушеч­ным» фактором, который рецессивен. Разделение пары родительских факторов при об­разовании гамет (так что в каждую гамету попадает лишь один из них) известно под названием первого закона Менделя, или закона расщепления. Согласно этому закону, признаки данного организма детерми­нируются парами внутренних факторов. В одной гамете может быть представлен лишь один из каж­дой пары таких факторов.

Теперь мы знаем, что эти факторы, детермини­рующие такие признаки, как расположение цветка, соответствуют участкам хромосомы, называемым генами.

Описанные выше эксперименты, проводившиеся Менделем при изучении наследования одной пары альтернативных признаков, служат примером моногибридного скрещивания.

2.2. Возвратное, или анализирующее, скрещивание.

Организм из поколения F₁ , полученного от скрещи­вания между гомозиготной доминантной и гомозиготной рецессивной особями, гетерозиготен по своему генотипу, но обладает доминантным фе­нотипом. Для того чтобы проявился рецессивный фенотип, организм должен быть гомозиготным по рецессивному аллелю. В поколении F₂ особи с доминантным фенотипом могут быть как гомозиготами, таки гетерозиготами. Если селекционеру понадобилось выяснить генотип такой особи, то единственным способом, позволяющим сделать это, служит эксперимент с использованием метода, на­зываемого анализирующим ( возвратным ) скрещива­нием. Скрещивая организм неизвестного генотипа с организмом, гомозиготным по рецессивному аллелю изучаемого гена, можно определить этот гено­тип путем одного скрещивания. Например, у плодо­вой мушки Drosophila длинные крылья доминируют над зачаточными. Особь с длинными крыльями может быть гомозиготной (LL) или гетерозиготной ( Ll ). Для установления ее генотипа надо провести анализирующее скрещивание между этой мухой и мухой, гомозиготной по рецессивному аллелю ( ll ). Если у всех потомков от этого скрещивания будут длинные крылья, то особь с неизвестным геноти­пом - гомозигота по доминантному аллелю. Чис­ленное соотношение потомков с длинными и с зачаточными крыльями 1 : 1 указывает на гетерозиготность особи с неизвестным генотипом.

2.3. Дигибридное скрещивание и закон независимого распределения.

Установив возможность предсказывать результаты скрещиваний по одной паре альтернативных при­знаков, Мендель перешел к изучению наследования двух пар таких признаков. Скрещивания между особями, различающимися по двум признакам, на­зывают дигибридными.

В одном из своих экспериментов Мендель исполь­зовал растения гороха, различающиеся по форме и окраске семян. Применяя метод, описанный в разд. 2.1, он скрещивал между собой чистосортные ( гомозиготные) растения с гладкими желтыми семенами и чистосортные растения с морщинисты­ми зелеными семенами. У всех растений F₁ (первого поколения гибридов) семена были гладкие и жел­тые. По результатам проведенных ранее моногибридных скрещиваний Мендель уже знал, что эти признаки доминантны; теперь, однако, его инте­ресовали характер и соотношение семян разных талов в поколении F₂ , полученном от растений F₁ путем самоопыления. Всего он собрал от растений F₂ 556 семян, среди которых было

гладких желтых 315

морщинистых желтых 101

гладких зеленых 108

морщинистых зеленых 32

Соотношение разных фенотипов составляло при­мерно 9: 3: 3: 1 (дигибридное расщепление). На основании этих результатов Мендель сделал два вывода:

1. В поколении F₂ появилось два новых сочетания признаков: морщинистые и желтые; гладкие и зеленые.

2. Для каждой пары аллеломорфных признаков (фенотипов, определяемых различными аллелями) получилось отношение 3 : 1, характерное для моногибридного скрещивания - среди семян было 423 гладких и 133 морщинистых, 416 желтых и 140 зеленых.

Эти результаты позволили Менделю утверждать, что две пары признаков (форма и окраска семян), наследственные задатки которых объединились в поколении F₁ , в последующих поколениях разделяются и ведут себя независимо одна от другой. На этом основан второй закон Менделя - принцип независимого распределения, согласно которому каж­дый признак из одной пары признаков может со­четаться с любым признаком из другой пары.

2.4. Краткое изложение сути гипотез Менделя .

1. Каждый признак данного организма контроли­руется парой аллелей.

2. Если организм содержит два различных аллеля для данного признака, то один из них (доминант­ный) может проявляться, полностью подавляя проявление другого (рецессивного).

3. При мейозе каждая пара аллелей разделяется (расщепляется) и каждая гамета получает по одному из каждой пары аллелей (принцип расщеп­ления ).

4. При образовании мужских и женских гамет в каждую из них может попасть любой аллель из одной пары вместе с любым другим из другой пары (принцип независимого распределения ).

5. Каждый аллель передается из поколения в по­коление как дискретная не изменяющаяся еди­ница.

6. Каждый организм наследует по одному аллелю (для каждого признака) от каждой из роди­тельских особей.

3. Хромосомная теория наследственности.

К концу XIX в. в результате повышения оптических качеств микроскопов и совершенствования цитологических методов возможно стало наблюдать поведение хромосом в гаметах и зиготах. Еще в 1875 г. Гертвиг обратил внимание на то, что при оплодотворении яиц морского ежа происходит слияние (двух ядер - ядра спермия и ядра яйцеклетки. В 1902 г. Бовери продемонстрировал важную роль ядра в (регуляции развития признаков организма, а в 1882 г. Флемминг описал поведение хромосом во время митоза.

В 1900 г. законы Менделя были вторично открыты и должным образом оценены почти одновременно и независимо друг от друга тремя учеными - де Фризом, Корренсом и Чермаком. Корренс сфор­мулировал выводы Менделя в привычной нам фор­ме двух законов и ввел термин «фактор», тогда как Мендель для описания единицы наследственности пользовался словом «элемент». Позднее американец Уильям Сэттон заметил удивительное сходство между поведением хромосом во время образования гамет и оплодотворения и передачей менделевских наследственных факторов.

На основании изложенных выше данных Сэттон и Бовери высказали мнение, что хромосомы являются носителями менделевских факторов, и сформулиро­вали так называемую хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, каждая пара фак­торов локализована в паре гомологичных хромо­сом, причем каждая хромосома несет по одному фактору. Поскольку число признаков у любого ор­ганизма во много раз больше числа его хромосом, видимых в микроскоп, каждая хромосома должна содержать множество факторов.

В 1909 г. Иогансен заменил термин фактор, озна­чавший основную единицу наследственности, тер­мином ген. Альтернативные формы гена, опреде­ляющие его проявление в фенотипе, назвали аллеля- ми. Аллели - это конкретные формы, которыми мо­жет быть представлен ген, и они занимают одно и то же место - локус - в гомологичных хромосомах .

4. Сцепление.

Все ситуации и примеры, обсуждавшиеся до сих пор, относились к наследованию генов, находящихся в разных хромосомах. Как выяснили цитологи, у человека все соматические клетки содер­жат по 46 хромосом. Поскольку человек обладает тысячами различных признаков - таких, например, как группа крови, цвет глаз, способность секретировать инсулин, - в каждой хромосоме должно на­ходиться большое число генов.

Гены, лежащие в одной и той же хромосоме, называют сцепленными. Все гены какой-либо одной хромосомы образуют группу сцепления; они обычно попадают в одну гамету и наследуются вместе. Таким образом, гены, принадлежащие к одной груп­пе сцепления, обычно не подчиняются менделевскому принципу независимого распределения. Поэтому при дигибридном скрещивании они не дают ожидае­мого отношения 9:3:3:1. В таких случаях полу­чаются самые разнообразные соотношения. У дрозофилы гены, контролирующие окраску тела и длину крыла, представлены следующими парами аллелей (назо­вем соответствующие признаки): серое тело - чер­ное тело, длинные крылья - зачаточные (короткие) крылья . Серое тело и длинные крылья доминируют. Ожидаемое отношение фенотипов в F₂ от скрещива­ния между гомозиготой с серым телом и длинными крыльями и гомозиготой с черным телом и зача­точными крыльями должно составить 9: 3: 3: 1. Это указывало бы на обычное менделевское наследова­ние при дигибридном скрещивании, обусловленное случайным распределением генов, находящихся в разных, негомологичных хромосомах. Однако вмес­то этого в F₂ были получены в основном роди­тельские фенотипы в отношении примерно 3: 1. Это можно объяснить, предположив, что гены окраски тела и длины крыла локализованы в одной и той же хромосоме, т.е. сцеплены.

Практически, однако, соотношение 3:1 никогда не наблюдается, а возникают все четыре фенотипа. Это объясняется тем, что колкое сцепление встреча­ется редко. В большинстве экспериментов по скрещи­ванию при наличии сцепления помимо мух с ро­дительскими фенотипами обнаруживаются особи с новыми сочетаниями признаков. Эти новые феноти­пы называют рекомбинантными. Все это позволяет дать следующее определение сцепления: два или более генов называют сцепленными, если потомки с новыми генными комбинациями (рекомбинанты) встречаются реже, чем родительские фенотипы.

5. Группы сцепления и хромосомы.

Генетические исследования, прово­дившиеся в начале нашего века, в основном были направлены на выяснение роли генов в передаче признаков. Работы Моргана с плодовой мушкой Drosophila melanogaster показали, что большинство фенотипических признаков объединено у нее в четы­ре группы сцепления и признаки каждой группы наследуются совместно. Было замечено, что число групп сцепления соответствует числу пар хромосом.

Изучение других организмов привело к сходным результатам. При экспериментальном скрещивании разнообразных организмов обнаружилось, что не­которые группы сцепления больше других (т.е. в них больше генов). Изучение хромосом этих организмов показало, что они имеют разную длину. Морган доказал наличие четкой связи между этими наблюдениями. Они послужили дополнительными подтверждениями локализации генов в хромосомах.

5.1. Гигантские хромосомы и гены.

В 1913 г. Стертевант начал свою работу по картиро­ванию положения генов в хромосомах дрозофилы, во это было за 21 год до того, как появилась возможность связать различимые в хромосомах структуры с генами. В 1934 г. было замечено, что в клетках слюнных желез дрозофилы хромосомы при­мерно в 100 раз крупнее, чем в других соматических клетках. По каким-то причинам эти хромосомы многократно удваиваются, но не отделяются друг от друга, до тех пор пока их не наберется несколько тысяч, лежащих бок о бок. Окрасив хромосомы и изучая их с помощью светового микроскопа, можно увидеть, что они состоят из чередующихся светлых и темных поперечных полос. Для каж­дой хромосомы характерен свой особый рисунок полос. Первоначально предполагали, что эти полосы представляют собой гены, но оказалось, что дело обстоит не так просто. У дрозофилы можно искусственным путем вызы­вать различные фенотипические аномалии, которые сопровождаются определенными изменениями в ри­сунке поперечных полос, видимых под микроско­пом. Эти фенотипические и хромосомные аномалии коррелируют в свою очередь с генными локусами. Это позволяет сделать вывод, что полосы на хромосомах действи­тельно как-то связаны с генами, но взаимоотноше­ния между теми и другими остаются пока неясными.

6. Определение пола.

Рисунок 1. Хромосомные наборы самца и самки D. melanogaster. Они состоят из четырех пар хромосом (пара I - половые хромосомы).

Рисунок 2. Вид половых хромосом человека в метафазе митоза.

Особенно четким примером описанного выше ме­тода установления зависимости между фенотипи- ческими признаками организмов и строением их хромосом служит определение пола. У дрозофилы фенотипические различия между двумя полами явно связаны с различиями в хромосомах (рис. 1). При изучении хромосом у самцов и самок ряда животных между ними были обнаружены некоторые различия. Как у мужских, так и у женских особей во всех клетках имеются пары одинаковых (гомологичных) хромосом, но по одной паре хромосом они различаются. Это валовые хромосомы (гетеросомы). Все остальные хромосомы называют аутосомами. Как можно видеть на рис. 1, у дрозофилы четыре пары хромосом. Три пары (II, III и IV) идентичны у обоих полов, но пара I, состоящая из идентичных хромосом у самки, различается у самца. Эти хромосомы называют X - и Y - хромосомами; генотип самки XX, а самца - XY. Такие различия по половым хромосомам характерны для большинства животных, в том числе для человека (рис. 1), но у птиц (включая кур) и у бабочек наблюдается обратная картина: у самок имеются хромосомы XY, а у самцов - XX. У некоторых насекомых, например у прямокрылых, Y - хромосомы нет вовсе, так что самец имеет генотип ХО.

При гаметогенезе наблюдается типичное менделевское расщепление по половым хромосомам. На­пример, у млекопитающих каждое яйцо содержит одну Х - хромосому, половина спермиев - одну X - хромосому, а другая половина - одну Y - хромосому. Пол потомка зависит от того, какой спермий оплодотворит яйцеклетку. Пол с генотипом XX называют гомогаметным, так как у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х - хромосомы, а пол с генотипом XY - гетерогаметным, так как половина гамет содержит X-, а половина - Y - хромосому. У человека генотипический пол данного индивидуума определяют, изучая неделящиеся клетки. Одна Х - хромосома всегда ока­зывается в активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии, в виде плотного темно - окрашенного тель­ца, называемого тельцем Барра. Число телец Барра всегда на единицу меньше числа наличных Х - хромосом, т.е. у самца (XY) их нет вовсе, а у самки (ХХ) - только одно. Функция Y - хромосомы, очевид­но, варьирует в зависимости от вида. У человека Y - хромосома контролирует дифференцировку се­менников, которая в дальнейшем влияет на разви­тие половых органов и мужских признаков. У большинства организмов, однако, Y - хромосома не содержит генов, имеющих отноше­ние к полу. Ее даже называют генетически инертной или генетически пустой, так как в ней очень мало генов. Как полагают, у дрозофилы гены, определяю­щие мужские признаки, находятся в аутосомах, и их фенотипические эффекты маскируются наличием па­ры Х - хромосом; в присутствии одной Х - хромосомы мужские признаки проявляются. Это пример наследования, ограниченного полом (в отличие от наследования, сцепленного с полом), при котором, например, у женщин подавляются гены, детермини­рующие рост бороды.

Морган и его сотрудники заметили, что наследо­вание окраски глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой. При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F₁ , получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов. Однако при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в F ₁ были получены в равном числе красно­глазые самцы и самки. При скрещива­нии этих мух F₁ , между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни одной белоглазой самки. Тот факт, что у самцов частота про­явления рецессивного признака была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х - хромосоме, а Y - хромосома лишена гена окраски глаз. Чтобы проверить эту гипотезу, Морган скрестил исходного белоглазого самца с красноглазой сам­кой из F₁ . В потомстве были по­лучены красноглазые и белоглазые самцы и самки. Из этого Морган справедливо заключил, что только Х - хромосома несет ген окраски глаз. В Y - хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это явле­ние известно под названием наследования, сцеплен­ного с полом.

6.1. Наследование, сцепленное с полом.

Гены, находящиеся в половых хромосомах, называ­ют сцепленными с полом. В Х - хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет гомолога. Поэтому у особей мужского пола при­знаки, определяемые генами этого участка, про­являются даже в том случае, если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет объяснить наследование признаков, сцепленных с полом, на­пример цветовой слепоты, раннего облысения и гемофилии у человека. Гемофилия - сцепленный с полом рецессивный признак, при котором наруша­ется образование фактора VIII, ускоряющего свер­тывание крови. Ген, детерминирующий синтез фак­тора VIII, находится в участке Х - хромосомы, не имеющем гомолога, и представлен двумя аллелями - доминантным нормальным и рецессивным мутантным.

Возможны следующие генотипы и фенотипы:

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген. Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерей - носителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией.

От брака женщины - носителя с нормальным мужчи­ной могут родиться дети с различными фенотипами. Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии мы находим в родословной потомков английской королевы Викто­рии. Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. На рис. 3 показано, как этот ген передавался ее потомкам.

7. Взаимодействие между генами.

До сих пор рассматривались относи­тельно простые аспекты генетики: доминирование, моногибридное и дигибридное скрещивание, сцепле­ние, определение пола и наследование, сцепленное с полом. Известны, однако, и другие взаимодействия между генами, и возможно, что именно они опреде­ляют большую часть фенотипических признаков организма.

7.1. Неполное доминирование.

Известны случаи, когда два или более аллелей не проявляют в полной мере доминантность или рецес­сивность, так что в гетерозиготном состоянии ни один из аллелей не доминирует над другим. Это явление неполового доминирования, или кодоминантность, представляет собой исключение из описанно­го Менделем правила наследования при моногибридных скрещиваниях. К счастью, Мендель выбрал для своих экспериментов признаки, которым не свойственно неполное доминирование; в противном случае оно могло бы сильно осложнить его первые исследования.

Неполное доминирование наблюдается как у рас­тений, так и у животных. В большинстве случаев гетерозиготы обладают фенотипом, промежуточным между фенотипами доминантной и рецессивной гомозигот. Примером служат андалузские куры, полученные в результате скрещивания чистопород­ных черных и «обрызганных белых» (splashed white) кур. Черное оперение обусловлено наличием аллеля, определяющего синтез черного пигмента меланина. У «обрызганных» кур этот аллель отсутствует. У гетерозигот меланин развивается не в полной мере, создавая лишь голубоватый отлив на оперении.

Поскольку общепринятых символов для обозна­чения аллелей с неполным доминированием не су­ществует, нам необходимо ввести для генотипов такие символы, чтобы сделать понятными при­веденные ниже схемы получения андалузских кур.

Возможны, например, такие обозначения: черные - В, «обрызганные» - b , W, B^W или B^BW . Результаты скрещивания между гомозиготными черными и «обрызганными» курами представлены в табл. 2.

При скрещивании между собой особей F1 от­ношение фенотипов в F2 отличается от менделевского отношения 3 : 1, типичного для моногибридного скрещивания. В этом случае получается отношение 1:2:1, где у половины особей F2 будет такой же генотип, как у F1 (табл. 3). Отношение 1 : 2 : 1 характерно для результатов скрещиваний при не­полном доминировании.

Таблица 2. Скрещивание кур андалузской породы: гибриды F₁ .

Таблица 3 . Скрещивание кур андалузской породы: гибриды F ₂ .

7.2. Летальные гены.

Известны случаи, когда один ген может оказывать влияние на несколько признаков, в том числе на жизнеспособность. У человека и других млекопи­тающих определенный рецессивный ген вызывает образование внутренних спаек легких, что приводит к смерти при рождении. Другим примером служит ген, который влияет на формирование хряща и вызывает врожденные уродства, ведущие к смерти плода или новорожденного.

У кур, гомозиготных по аллелю, вызывающему «курчавость» перьев, неполное развитие перьев влечет за собой несколько фенотипических эффек­тов. У таких кур теплоизоляция недостаточна, и они страдают от охлаждения. Для компенсации потери тепла у них появляется ряд структурных и физиоло-

гических адаптаций, но эти адаптации малоэффектны и среди таких кур высока смертность.

Воздействие летального гена ясно видно на примере наследования окраски шерсти у мышей. У диких мышей шерсть обычно серая, типа агути; но у некоторых мышей шерсть желтая. При скрещи­ваниях между желтыми мышами в потомстве по­лучаются как желтые мыши, так и агути в отноше­нии 2 : 1. Единственное возможное объяснение таких результатов состоит в том, что желтая окраска шерсти доминирует над агути и что все желтые мыши гетерозиготны. Атипичное менделевское от­ношение объясняется гибелью гомозиготных жел­тых мышей до рождения. При вскрытии беременных желтых мышей, скрещенных с желтыми же мышами, в их матках были обнаружены мертвые желтые мышата. Если же скрещивались желтые мыши и агути, то в матках беременных самок не оказывалось мертвых желтых мышат, поскольку при таком скрещивании не может быть потомства, гомозиготного по гену желтой шерсти.

7.3. Эпистаз.

Ген называют эпистатическим (от греч. еpi - над), если его присутствие подавляет эффект какого-либо гена, находящегося в другом локусе. Эпистатические гены иногда называют ингибирующими ге­нами, а те гены, действие которых ими подавля­ется, - гипостатическими (от греч. hypo - под).

Окраска шерсти у мышей контролируется парой генов, находящихся в разных локусах. Эпистатический ген определяет наличие окраски и имеет два аллеля: доминантный, определяющий окрашенную шерсть, и рецессивный, обусловливающий альби­низм (белая окраска). Гипостатический ген опреде­ляет характер окраски и имеет два аллеля: агути (доминантный, определяющий серую окраску) и черный (рецессивный). Мыши могут иметь серую или черную окраску в зависимости от своих гено­типов, но наличие окраски возможно только в том случае, если у них одновременно имеется аллель окрашенной шерсти. Мыши, гомозиготные по ре­цессивному аллелю альбинизма, будут альбиносами даже при наличии у них аллелей агути и черной шерсти. Возможны три разных фенотипа: агути, черная шерсть и альбинизм. При скрещивании мож­но получить эти фенотипы в различных соотноше­ниях в зависимости от генотипов скрещиваемых особей.

7.4. Полигенное наследование.

Многие из самых заметных признаков организма представляют собой результат совместного действия многих различных генов; эти гены образуют особый генный комплекс, называемый полигенной системой. Хотя вклад каждого отдельного гена, входящего в такую систему, слишком мал, чтобы оказать сколько-нибудь значительное влияние на фенотип, почти бесконечное разнообразие, создавае­мое совместным действием этих генов (полигенов), составляет генетическую основу непрерывной изменчивости .

8. Изменчивость.

Изменчивостью называют всю совокупность разли­чий по тому или иному признаку между организма­ми, принадлежащими к одной и той же природной популяции или виду. Поразительное морфологичес­кое разнообразие особей в пределах любого вида привлекло внимание Дарвина и Уоллеса во время их путешествий. Закономерный, предсказуемый харак­тер передачи таких различий по наследству послу­жил основой для исследований Менделя. Дарвин установил, что определенные признаки могут разви­ваться в результате отбора, тогда как Мендель объяснил механизм, обеспечивающий передачу из поколения в поколение признаков, по которым ведется отбор.

Мендель описал, каким образом наследственные факторы определяют генотип организма, который в процессе развития проявляется в структурных, фи­зиологических и биохимических особенностях фено­типа. Если фенотипическое проявление любого при­знака обусловлено в конечном счете генами, контро­лирующими этот признак, то на степень развития определенных признаков может оказывать влияние среда.

Изучение фенотипических различий в любой боль­шой популяции показывает, что существуют две формы изменчивости - дискретная и непрерывная. Для изучения изменчивости какого-либо признака, например роста у человека, необходимо измерить этот признак у большого числа индивидуумов в изучаемой популяции. Результаты измерений пред­ставляют в виде гистограммы, отражающей рас­пределение частот различных вариантов этого при­знака в популяции. На рис. 4 представлены ти­пичные результаты, получаемые при таких исследо­ваниях, и они наглядно демонстрируют различие между дискретной и непрерывной изменчивостью.

8.1. Дискретная изменчивость.

Некоторые признаки в популяции представлены ограниченным числом вариантов. В этих случаях различия между особями четко выражены, а про­межуточные формы отсутствуют; к таким призна­кам относятся, например, группы крови у человека, длина крыльев у дрозофилы, меланистическая и светлая формы у березовой пяденицы (Biston betularia), длина столбика у первоцвета (Primula) и пол у животных и растений. Признаки, для которых характерна дискретная изменчивость, обычно кон­тролируются одним или двумя главными генами, у которых может быть два или несколько аллелей, и внешние условия относительно мало влияют на их фенотипическую экспрессию.

Поскольку дискретная изменчивость ограничена некоторыми четко выраженными признаками, ее называют также качественной изменчивостью в от­личие от количественной, или непрерывной, измен­чивости.

А. Б.

Рисунок 4. Гистограммы, отражающие распределение частот в случае прерывистой (А) и не прерывистой (Б) изменчивости.

8.2. Непрерывная изменчивость .

По многим признакам в популяции наблюдается полный ряд переходов от одной крайности к другой без всяких разрывов. Наиболее яркими примерзлая служат такие признаки, как масса (вес), линейные размеры, форма и окраска организма в целом или отдельных его частей. Частотное распределение по признаку, проявляющему непрерывную изменчивость, соответствует кривой нормального распределения . Большинство членов популяции попадает в среднюю часть кривой, а на ее концах, соответствующих двум крайним значениям данного признака, находится примерное одинаковое (очень малое) число особей. Признаки, для которых характерна непрерывная изменчивость, обусловлены совместным воздействием многих генов (полигенов) и факторов среды. Каждый из этих генов в отдельности оказывает очень небольшое влияние на фенотип, но совместно они создают значительный эффект.

8.3. Влияние среды.

Главный фактор, детерминирующий любой фенотипический признак, - это генотип. Генотип организ­ма определяется в момент оплодотворения, но сте­пень последующей экспрессии этого генетического потенциала в значительной мере зависит от внеш­них факторов, воздействующих на организм во время его развития. Так, например, использованный Менделем сорт гороха с длинным стеблем обычно достигал высоты 180 см. Однако для этого ему необходимы были соответствующие условия - осве­щение, снабжение водой и хорошая почва. При отсутствии оптимальных условий (при наличии ли­митирующих факторов) ген высокого стебля не мог в полной мере проявить свое действие. Эффект взаи­модействия генотипа и факторов среды продемон­стрировал датский генетик Иогансен. В ряде эк­спериментов на карликовой фасоли он выбирал из каждого поколения самоопылявшихся растений са­мые тяжелые и самые легкие семена и высаживал их для получения следующего поколения. Повторяя эти эксперименты на протяжении нескольких лет, он обнаружил, что в пределах «тяжелой» или «легкой» селекционной линии семена мало различались по среднему весу, тогда как средний вес семян из разных линий сильно различался. Это позволяет считать, что на фенотипическое проявление при­знака оказывают влияние как наследственность, так и среда. На основании этих результатов можно определить непрерывную фенотипическую изменчи­вость как «кумулятивный эффект варьирующих фак­торов среды, воздействующих на вариабельный генотип». Кроме того, эти результаты показывают, что степень наследуемости данного признака опре­деляется в первую очередь генотипом. Что касается развития таких чисто человеческих качеств, как ин­дивидуальность, темперамент и интеллект, то, судя по имеющимся данным, они зависят как от наслед­ственных, так и от средовых факторов, которые, взаимодействуя в различной степени у разных ин­дивидуумов, влияют на окончательное выражение признака. Именно эти различия в тех и других факторах создают фенотипические различия между индивидуумами. Мы пока еще не располагаем дан­ными, которые твердо указывали бы на то, что влияние каких-то из этих факторов всегда преоб­ладает, однако среда никогда не может вывести фенотип за пределы, детерминированные геноти­пом.

8.4 Источники изменчивости.

Необходимо ясно представлять себе, что взаимо­действие между дискретной и непрерывной изменчи­востью и средой делает возможным существование двух организмов с идентичным фенотипом. Механизм репликации ДНК при митозе столь близок к совершенству, что возможности генетической изменчивости у организмов с бесполым размножением очень малы. Поэтому любая видимая измен­чивость у таких организмов почти наверное обуслов­лена воздействиями внешней среды. Что же касается организмов, размножающихся половым путем, то у них есть широкие возможности для возникновения генетических различий. Практически неограничен­ными источниками генетической изменчивости слу­жат два процесса, происходящие во время мейоза:

1. Реципрокный обмен генами между хромата-дамп гомологичных хромосом, который может про­исходить в профазе 1 мейоза. Он создает новые группы сцепления, т.е. служит важным источником генетической рекомбинации аллелей.

2. Ориентация пар гомологичных хромосом (бивалентов) в экваториальной плоскости веретена в метафазе I мейоза определяет направление, в ко­тором каждый член пары будет перемещаться в анафазе I. Эта ориентация носит случайный харак­тер. Во время метафазы II пары хроматид опять- таки ориентируется случайным образом, и этим определяется, к какому из двух противоположных полюсов направится та или иная хромосома во время анафазы II. Случайная ориентация и после­дующее независимое расхождение (сегрегация) хро­мосом делают возможным большое число различ­ных хромосомных комбинаций в гаметах; число это можно подсчитать.

Третий источник изменчивости при половом раз­множении - это то, что слияние мужских и женских гамет, приводящее к объединению двух гаплоидных наборов хромосом в диплоидном ядре зиготы, про­исходит совершенно случайным образом (во всяком случае, в теории); любая мужская гамета потен­циально способна слиться с любой женской га­метой.

Эти три источника генетической изменчивости и обеспечивают постоянную «перетасовку» генов, ле­жащую в основе происходящих все время генети­ческих изменений. Среда оказывает воздействие на весь ряд получающихся таким образом фенотипов, и те из них, которые лучше всего приспособлены к данной среде, преуспевают. Это ведет к изменениям частот аллелей и генотипов в популяции. Однако эти источники изменчивости не порождают крупных изменений в генотипе, которые необходи­мы, согласно эволюционной теории, для возник­новения новых видов. Такие изменения возникают в результате мутаций.

9. Мутации.

Мутацией называют изменение количества или структуры ДНК данного организма. Мутация при­водит к изменению генотипа, которое может быть унаследовано клетками, происходящими от мутант- ной клетки в результате митоза или мейоза. Мутирование может вызывать изменения каких-либо признаков в популяции. Мутации, возникшие в по­ловых клетках, передаются следующим поколениям организмов, тогда как мутации в соматических клетках наследуются только дочерними клетками, образовавшимися путем митоза, и такие мутации называют соматическими.

Мутации, возникающие в результате изменения числа или макроструктуры хромосом, известны под названием хромосомных мутаций или хромосомных аберраций (перестроек). Иногда хромосомы так сильно изменяются, что это можно увидеть под микроскопом. Но термин «мутация» используют главным образом для обозначения изменения струк­туры ДНК в одном докую, когда происходит так называемая генная, или точечная, мутация.

Представление о мутации как о причине внезапно­го появления нового признака было впервые выдви­нуто в 1901 г. голландским ботаником Гуго де Фризом, изучавшим наследственность у энотеры Oenothera l amarckiana. Спустя 9 лет Т. Морган начал изучать мутации у дрозофилы, и вскоре при участии генетиков всего мира у нее было идентифицировано более 500 мутаций.

9.1. Генные мутации.

Внезапные спонтанные изменения фенотипа, кото­рые нельзя связать с обычными генетическими яв­лениями или микроскопическими данными о нали­чии хромосомных аберраций, можно объяснить только изменениями в структуре отдельных генов. Генная, или точечная (поскольку она относится к определенному генному локусу), мутация - резуль­тат изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосо­мы. Такое изменение последовательности основа­ний в данном гене воспроизводится при транскрип­ции в структуре мРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах.

Существуют различные типы генных мутаций, связанных с добавлением, выпадением или переста­новкой оснований в гене. Это дупликации, вставки, делении, инверсии или замены оснований. Во всех случаях они приводят к изменению нуклеотидной последовательности, а часто - и к образованию из­мененного полипептида. Например, делеция вызы­вает сдвиг рамки.

Генные мутации, возникающие в гаметах или в будущих половых клетках, передаются всем клет­кам потомков и могут влиять на дальнейшую судь­бу популяции. Соматические генные мутации, про­исходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза. Они могут оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда популяции. Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях при этом образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления. Эти клетки могут дать начало опухолям - либо доброкачественным, кото­рые не оказывают особого влияния на весь орга­низм, либо злокачественным, что приводит к рако­вым заболеваниям.

Эффекты генных мутаций чрезвычайно разнооб­разны. Большая часть мелких генных мутаций фенотипически не проявляется, поскольку они рецес­сивны, однако известен ряд случаев, когда измене­ние всего лишь одного основания в определенном гене оказывает глубокое влияние на фенотип. Од­ним из примеров служит серповидноклеточная ане­мия - заболевание, вызываемое у человека заменой основания в одном из генов, ответственных за син­тез гемоглобина. Молекула дыхательного пигмента гемоглобина у взрослого человека состоит из четы­рех полипептидных цепей (двух α- и двух ß- цепей), к которым присоединены четыре простетические группы гема. От структуры полипептидных цепей зависит способность молекулы гемоглобина перено­сить кислород. Изменение последовательности оснований в триплете, кодирующем одну определен­ную аминокислоту из 146, входящих в состав ß-цепей, приводит к синтезу аномального гемоглобина серповидных клеток (HbS). Последовательности аминокислот в нормальных и аномальных ß-цепях различаются тем, что в одной точке аномальных цепей гемоглобина S глутамидовая кислота замеще­на валином. В результате такого, казалось бы, не­значительного изменения гемоглобин S кристалли­зуется при низких концентрациях кислорода, а это в свою очередь приводит к тому, что в венозной крови эритроциты с таким гемоглобином деформи­руются (из округлых становятся серповидными) и быстро разрушаются. Физиологический эффект му­тации состоит в развитии острой анемии и снижении количества кислорода, переносимого кровью. Ане­мия не только вызывает физическую слабость, но и может привести к нарушениям деятельности сердца и почек и к ранней смерти людей, гомозиготных по мутантному аллелю. В гетерозиготном состоянии этот аллель вызывает значительно меньший эффект: эритроциты выглядят нормальными, а аномальный гемоглобин составляет только около 40%. У гетерозигот развивается анемия лишь в слабой форме, а зато в тех областях, где широко распространена малярия, особенно в Африке и Азии, носители аллеля серповидноклеточности не­восприимчивы к этой болезни. Это объясняется тем, что ее возбудитель -малярийный плазмодий - не может жить в эритроцитах, содержащих аномаль­ный гемоглобин.

9.2. Значение мутаций.

Хромосомные и генные мутации оказывают разно­образные воздействия на организм. Во многих слу­чаях эти мутации летальны, так как нарушают развитие; у человека, например, около 20% беремен­ностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии. В результате некоторых хромосомных мутаций опреде­ленные гены могут оказаться вместе, и их общий эффект может привести к появлению какого-либо «благоприятного» признака. Кроме того, сближение некоторых генов друг с другом делает менее вероят­ным их разделение в результате кроссинговера, а в случае благоприятных генов это создает преимущество.

Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной попу­ляции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости. Перетасовка генов как результат кроссинговера, независимого распределения, случайного оплодотворения и мута­ций может повысить непрерывную изменчивость, но ее эволюционная роль часто оказывается преходя­щей, так как возникающие при этом изменения могут быстро сгладиться вследствие «усреднения». Что же касается генных мутаций, то некоторые из них увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влия­ние. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» аллелю, который, ус­пешно выдержав отбор на протяжении многих по­колений, достиг генетического равновесия с осталь­ным генотипом. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся встретиться, т. е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявить­ся в фенотипе. Время от времени могут возникать и доминантные мутантные оплели, которые немед­ленно дают фенотипический эффект.

10. Роль генов в развитии.

Роль генов в развитии организма огромна. Гены характеризуют все признаки будущего организма, такие, как цвет глаз и кожи, размеры, вес и многое другое. Гены являются носителями наследственной информации, на основе которой развивается организм.

Список использованной литературы.

Н. Грин, Биология, Москва, “МИР”, 1993.

Г. Григорьев, Как стать умным, Москва, “Детская литература”, 1973.

Ф. Кибернштерн, Гены и генетика, Москва, “Параграф”, 1995.

А. Артёмов, Что такое ген, Таганрог , “Красная страница”, 1989.