Примеры модификационной изменчивости. §46

Изменчивость – это возникновение индивидуальных различий. На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора преобразуются в новые подвиды и виды. Различают изменчивость модификационную, или фенотипическую, и мутационную, или генотипическую.

ТАБЛИЦА Сравнительная характеристика форм изменчивости (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)

Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость не вызывает изменений генотипа, она связана с реакцией данного, одного и того же генотипа на изменение внешней среды: в оптимальных условиях выявляется максимум возможностей, присущих данному генотипу. Так, продуктивность беспородных животных в условиях улучшенного содержания и ухода повышается (надои молока, нагул мяса). В этом случае все особи с одинаковым генотипом отвечают на внешние условия одинаково (Ч. Дарвин этот тип изменчивости назвал определенной изменчивостью). Однако другой признак – жирность молока – слабо подвержен изменениям условий среды, а масть животного – еще более устойчивый признак. Модификационная изменчивость обычно колеблется в определенных пределах. Степень варьирования признака у организма, т. е. пределы модификационной изменчивости, называется нормой реакции.

Широкая норма реакции свойственна таким признакам, как удои молока, размеры листьев, окраска у некоторых бабочек; узкая норма реакции – жирности молока, яйценоскости у кур, интенсивности окраски венчиков у цветков и др.

Фенотип формируется в результате взаимодействий генотипа и факторов среды. Фенотипические признаки не передаются от родителей потомкам, наследуется лишь норма реакции, т. е. характер реагирования на изменение окружающих условий. У гетерозиготных организмов при изменении условий среды можно вызвать различные проявления данного признака.

Свойства модификаций: 1) ненаследуемость; 2) групповой характер изменений; 3) соотнесение изменений действию определенного фактора среды; 4) обусловленность пределов изменчивости генотипом.

Генотипическая изменчивость

Генотипическая изменчивость подразделяется на мутационную и комбинативную. Мутациями называются скачкообразные и устойчивые изменения единиц наследственности – генов, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Термин «мутация» был впервые введен де Фризом. Мутации обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и не связаны со скрещиванием и рекомбинацией генов.

Классификация мутаций. Мутации можно объединять, в группы – классифицировать по характеру проявления, по месту или, по уровню их возникновения.

Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными. Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью – летальными. Мутации подразделяют по месту их возникновения. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении, если организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся – мутировавший – ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими.

Мутации классифицируют по уровню их возникновения. Существуют хромосомные и генные мутации. К мутациям относится также изменение кариотипа (изменение числа хромосом).. Полиплоидия – увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (Зп), тетраплоиды (4п) и т. д. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Все они выделяются большой вегетативной массой и имеют большую хозяйственную ценность.

Большое многообразие полиплоидов наблюдается в цветоводстве: если одна исходная форма в гаплоидном наборе имела 9 хромосом, то культивируемые растения этого вида могут иметь 18, 36, 54 и до 198 хромосом. Полиплоиды пблучают в результате воздействия на растения температуры, ионизирующей радиации, химических веществ (колхицин), которые разрушают веретено деления клетки. У таких растений гаметы диплоидны, а при слиянии с гаплоидными половыми клетками партнера в зиготе возникает триплоидный набор хромосом (2п + п = Зп). Такие триплоиды не образуют семян, они бесплодны, но высокоурожайны. Четные полиплоиды образуют семена.

Гетероплоидия – изменение числа Хромосом, не кратное гаплоидному набору. При этом набор хромосом в клетке может быть увеличен на одну, две, три хромосомы (2п + 1; 2п + 2; 2п + 3) или уменьшен на одну хромосому (2л-1). Например, у человека с синдромом Дауна оказывается одна лишняя хромосома по 21-й паре и кариотип такого человека составляет 47 хромосом У людей с синдромом Шерешевского – Тернера (2п-1) отсутствует одна Х-хромосома и в кариотипе остается 45 хромосом. Эти и другие подобные отклонения числовых отношений в кариотипе человека сопровождаются расстройством здоровья, нарушением психики и телосложения, снижением жизнеспособности и др.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Существуют следующие виды перестроек хромосом: отрыв различных участков хромосомы, удвоение отдельных фрагментов, поворот участка хромосомы на 180° или присоединение отдельного участка хромосомы к другой хромосоме. Подобное изменение влечет за собой нарушение функции генов в хромосоме и наследственных свойств организма, а иногда и его гибель.

Генные мутации затрагивают структуру самого гена и влекут за собой изменение свойств организма (гемофилия, дальтонизм, альбинизм, окраска венчиков цветков и т. д.). Генные мутации возникают как в соматических, так и в половых клетках. Они могут быть доминантными и рецессивными. Первые проявляются как у гомозигот, так и. у гетерозигот, вторые – только у гомозигот. У растений возникшие соматические генные мутации сохраняются при вегетативном размножении. Мутации в половых клетках наследуются при семенном размножении растений и при половом размножении животных. Одни мутации оказывают на организм положительное действие, другие безразличны, а третьи вредны, вызывая либо гибель организма, либо ослабление его жизнеспособности (например, серповидноклеточная анемия, гемофилия у человека).

При выведении новых сортов растений и штаммов микроорганизмов используют индуцированные мутации, искусственно вызываемые теми или иными мутагенными факторами (рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, химические вещества). Затем проводят отбор полученных мутантов, сохраняя наиболее продуктивные. В нашей стране этими методами получено много хозяйственно перспективных сортов растений: неполегающие пшеницы с крупным колосом, устойчивые к заболеваниям; высокоурожайные томаты; хлопчатник с крупными коробочками и др.

Свойства мутаций:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.
2. Мутации наследственны, т. е. стойко передаются из поколения в поколение.
3. Мутации ненаправденны – мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.
4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
5. По своему проявлению мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Способность к мутированию – одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, но в большинстве случаев эти причины неизвестны. Мутации связаны с изменениями во внешней среде. Это убедительно доказывается тем, что путем воздействия внешними факторами удается резко повысить их число.

Комбинативная изменчивость

Комбинативная наследственная изменчивость возникает в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, а также как следствие независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при скрещивании. Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, новая комбинация которых при размножении приводит к изменению определенных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной наследственной изменчивостью. Новые комбинации генов возникают: 1) при кроссинговере, во время профазы первого мейотического деления; 2) во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого мейотического деления; 3) во время независимого расхождения дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления и 4) при слиянии разных половых клеток. Сочетание в зиготе рекомбинированных генов может привести к объединению признаков разных пород и сортов.

В селекции важное значение имеет закон гомблогических рядов наследственной изменчивости, сформулированный советским ученым Н. И. Вавиловым. Он гласит: внутри разных видов и родов, генетически близких (т. е. имеющих единое происхождение), наблюдаются сходные ряды наследственной изменчивости. Такой характер изменчивости выявлен у многих злаков (рис, пшеница, овес, просо и др.), у которых сходно варьируют окраска и консистенция зерна, холодостойкость и иные качества. Зная характер наследственных изменений у одних сортов, можно предвидеть сходные изменения у родственных видов и, воздействуя на них мутагенами, вызывать у них подобные полезные изменения, что значительно облегчает получение хозяйственно ценных форм. Известны многие примеры гомологической изменчивости и у человека; например, альбинизм (дефект синтеза клетками красящего вещества) обнаружен у европейцев, негров и индейцев; среди млекопитающих – у грызунов, хищных, приматов; малорослые темнокожие люди – пигмеи – встречаются в тропических лесах экваториальной Африки, на Филиппинских островах и в джунглях полуострова Малакки; некоторые наследственные дефекты и уродства, присущие человеку, отмечены и у животных. Таких животных используют в качестве модели для изучения аналогичных дефектов у человека. Например, катаракта глаза бывает у мыши, крысы, собаки, лошади; гемофилия – у мыши и кошки, диабет – у крысы; врожденная глухота – у морской свинки, мыши, собаки; заячья губа – у мыши, собаки, свиньи и т. д. Эти наследственные дефекты – убедительное подтверждение закона гомологических рядов наследственной изменчивости Н. И. Вавилова.

Таблица. Сравнительная характеристика форм изменчивости (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)

Реферат на тему:

Модификационная изменчивость

Реферат выполнил

ученик 11 класса а

Сагиев Александр

Модификационная (фенотипическая) изменчивость - изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер.

Генотип при этом не изменяется. В целом современное понятие «адаптивные модификации» соответствует понятию «определенной изменчивости», которое ввел в науку Чарльз Дарвин.

Условная классификация модификационной изменчивости

По изменяющимся признакам организма:

1) морфологические изменения

2) физиологические и биохимические адаптации - гомеостаз (повышение уровня эритроцитов в горах и т. д.)

По размаху нормы реакции:

1) узкая (более характерна для качественных признаков)

2) широкая (более характерна для количественных признаков)

По значению:

1) модификации (полезные для организма - проявляются как приспособительная реакция на условия окружающей среды)

2) морфозы (ненаследственные изменения фенотипа под влиянием экстремальных факторов окружающей среды или модификации, возникающие как выражение вновь возникших мутаций, не имеющие приспособительного характера)

3) фенокопии (различные ненаследственные изменения, копирующие проявление различных мутаций)- разновидность морфозов

По длительности:

1) есть лишь у особи или группы особей, которые подверглись влиянию окружающей среды (не наследуются)

2) длительные модификации - сохраняются на два-три поколения

Характеристика модификационной изменчивости

1) обратимость - изменения исчезают при смене специфических условий окружающей среды, спровоцировавших их

2) групповой характер

3) изменения в фенотипе не наследуются, наследуется норма реакции генотипа

4) статистическая закономерность вариационных рядов

5) затрагивает фенотип, при этом не затрагивая сам генотип

Механизм модификационной изменчивости

1) Окружающая среда как причина модификаций

Модификационная изменчивость - результат не изменений генотипа, а его реакции на условия окружающей среды. При модификационной изменчивости наследственный материал не изменяется, - изменяется проявление генов.

Под действием определенных условий окружающей среды на организм изменяется течение ферментативных реакций (активность ферментов) и может происходить синтез специализированных ферментов, некоторые из которых (MAP-киназа и др.) ответственны за регуляцию транскрипции генов, зависящую от изменений окружающей среды. Таким образом, факторы окружающей среды способны регулировать экспрессию генов, то есть интенсивность выработки ими специфических белков, функции которых отвечают специфическим факторам окружающей среды. Например, за выработку меланина ответственны четыре гена, которые находятся в разных хромосомах. Наибольшее количество доминантных аллелей этих генов - 8 - содержится у людей негроидной расы. При воздействии специфической окружающей среды, например, интенсивного воздействия ультрафиолетовых лучей, происходит разрушение клеток эпидермиса, что приводит к выделению эндотелина-1 и эйкозаноидов. Они вызывают активацию фермента тирозиназы и его биосинтез. Тирозиназа, в свою очередь, катализирует окисление аминокислоты тирозина. Дальнейшее образование меланина проходит без участия ферментов, однако большее количество фермента обуславливает более интенсивную пигментацию.

2) Норма реакции

Предел проявления модификационной изменчивости организма при неизменном генотипе - норма реакции. Норма реакции обусловлена генотипом и различается у разных особей данного вида. Фактически норма реакции - спектр возможных уровней экспрессии генов, из которого выбирается уровень экспрессии, наиболее подходящий для данных условий окружающей среды. Норма реакции имеет предел для каждого вида - например, усиленное кормление приведет к увеличению массы животного, однако она будет находиться в пределах нормы реакции, характерной для данного вида или породы. Норма реакции генетически детерминирована и наследуется.

Для разных изменений есть разные пределы нормы реакции. Например, сильно варьируют величина удоя, продуктивность злаков (количественные изменения), слабо - интенсивность окраски животных и т. д. (качественные изменения). В соответствии с этим норма реакции может быть широкой (количественные изменения - размеры листьев многих растений, размеры тела многих насекомых в зависимости от условий питания их личинок) и узкой (качественные изменения - окраска у куколок и имаго некоторых бабочек). Тем не менее, для некоторых количественных признаков характерна узкая норма реакции (жирность молока, число пальцев на ногах у морских свинок), а для некоторых качественных признаков - широкая (например, сезонные изменения окраски у многих видов животных северных широт).

Анализ и закономерности модификационной изменчивости

1) Вариационный ряд

Ранжированное отображение проявления модификационной изменчивости - вариационный ряд - ряд модификационной изменчивости свойства организма, который состоит из отдельных свойств видоизменений, размещенных в порядке увеличения или уменьшения количественного выражения свойства (размеры листка, изменение интенсивности окраски шерсти и т. д.). Единичный показатель соотношения двух факторов в вариационном ряде (например, длина шерсти и интенсивность ее пигментации) называется варианта. Например, пшеница, растущая на одном поле, может сильно отличаться количеством колосьев и колосков в силу различных показателей почвы, увлажненности на поле. Составив число колосков в одном колосе и количество колосьев, можно получить вариационный ряд в статистической форме:

Вариационный рядмодификационнойизменчивости пшеницы

2) Вариационная кривая

Графическое отображение проявления модификационной изменчивости - вариационная кривая - отображает как диапазон вариации свойства, так и частоту отдельных вариант. Из кривой видно, что наиболее распространены средние варианты проявления признака (закон Кетле). Причиной этого, по-видимому, является действие факторов окружающей среды на ход онтогенеза. Некоторые факторы подавляют экспрессию генов, другие же, наоборот, усиливают. Почти всегда эти факторы, одновременно действуя на онтогенез, нейтрализуют друг друга, то есть ни уменьшения, ни увеличения значения признака не наблюдается. Это и является причиной, по которой особи с крайними выражениями признака встречаются в значительно меньшем количестве, чем особи со средней величиной. Например, средний рост мужчины - 175 см - встречается в европейских популяциях наиболее часто. При построении вариационной кривой можно рассчитать величину среднеквадратичного отклонения и, на основе этого, построить график среднеквадратичного отклонения от медианы - наиболее часто встречающуюся величину признака.

График среднеквадратичного отклонения, исходящий из вариационной кривой «модификационная изменчивость пшеницы»

Модификационная изменчивость в теории эволюции

1) Дарвинизм

В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал свою работу на эволюционную тему под названием «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». В ней Дарвин показал постепенное развитие организмов как результат естественного отбора.

Естественный отбор состоит из такого механизма:

1) сначала появляется особь с новыми, совершенно случайными, свойствами (образованными вследствие мутаций)

2) потом она оказывается или не оказывается способной оставить потомство, в зависимости от этих свойств

3) наконец, если исход предыдущего этапа оказывается положительным, то она оставляет потомство и её потомки наследуют новоприобретённые свойства

Новые свойства особи формируются вследствие наследственной и модификационной изменчивости. И если наследственная изменчивость характеризуется изменением генотипа и эти изменения наследуются, то при модификационной изменчивости наследуется способность генотипа организмов изменять фенотип при воздействии окружающей среды. При постоянном воздействии одних и тех же условий окружающей среды на генотип могут отбираться мутации, чей эффект сходен с проявлением модификаций, и, таким образом, модификационная изменчивость переходит в наследственную изменчивость (генетическая ассимиляция модификаций). Примером может являться постоянный большой процент пигмента меланина в коже у негроидной и монголоидной расы по сравнению с европеоидной. Дарвин назвал модификационную изменчивость определенной (групповой). Определенная изменчивость проявляется у всех нормальных особей вида, подвергшихся определенному воздействию. Определенная изменчивость расширяет пределы существования и размножения организма.

2) Естественный отбор и модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость тесно связана с естественным отбором. Естественный отбор имеет четыре направления, три из которых непосредственно нацелены на выживание организмов с разными формами ненаследственной изменчивости. Это стабилизирующий, движущий и дизруптивный отбор. Стабилизирующий отбор характеризуется обезвреживанием мутаций и формирования резерва этих мутаций, что обуславливает развитие генотипа при постоянном фенотипе. Вследствие этого организмы со средней нормой реакции доминируют в неизменных условиях существования. Например, у генеративных растений сохраняется форма и размер цветка, которые отвечают форме и размеру насекомого, которое опыливает растение. Дизруптивный отбор характеризуется раскрытием резервов с обезвреженными мутациями и последующим отбором этих мутаций для формирования новых генотипа и фенотипа, которые подходят под окружающую среду. Вследствие этого выживают организмы с крайней нормой реакции. Например, насекомые с большими крыльями имеют большую устойчивость к порывам ветра, тогда как насекомых того же вида со слабыми крыльями сдувает. Движущий отбор характеризуется тем же механизмом, что и дизруптивный, однако он нацелен на формирование новой средней нормой реакции. Например, у насекомых появляется стойкость к химикатам.

Изменчивостью называют способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства.

Свойство изменчивости противоположно наследственности, но при этом неразрывно связано с ней. Различают наследственную, или генотипическую, и ненаследственную, или модификационную изменчивость.

Формирование организма определяется не только генами, но и разнообразными воздействиями окружающей среды, в которой развивается организм.

Исследователи давно заметили, что многие различия между организмами находятся в зависимости от условий окружающей среды. Даже обладая одинаковым набором генов, две особи могут оказаться очень несхожими по фенотипу, если они во время своего развития по-разному питались, находились при разной температуре или влажности, болели разными болезнями. Модификационную изменчивость можно наблюдать на генетически однородном материале. Многие виды растений размножаются в основном вегетативно. Так, все потомки одного клубня картофеля будут идентичны по генотипу. Но будут ли все растения, выросшие на поле из одного клубня одинаковы? Нет, многие растения будут различаться между собой по высоте, кустистости, количеству и форме клубней. Причина такой изменчивости – в различном влиянии среды, которое испытывает каждый саженец картофеля.

Разнообразие фенотипов, возникающих у организмов под влиянием условий окружающей среды, называют модификационной изменчивостью.

Модификационные изменения (модификации) не передаются по наследству. Последнее положение остро обсуждалось на протяжении истории. Важное обобщение о ненаследуемости модификаций сделал немецкий ученый Август Вейсман.

Наследственный характер модификационной изменчивости наиболее остро обсуждался на протяжении истории человечества.

В природе можно встретить множество примеров модификационной изменчивости. Известно, что подводные и надводные листья многих водных растений отличаются по форме. Строение листьев у стрелолиста зависит от среды, в которой они развиваются. Подводные листья этого растения обладают лентовидной формой, плавающие – почковидной, а надводные - стреловидной. Таким образом, у стрелолиста наследственно закреплена не определенная форма листа, а способность в некоторых пределах изменять эту форму в зависимости от условий существования. Все особи, имеющие одинаковый генотип, реагируют на внешние условия одинаково, то есть у всех стрелолистов в воде будут лентовидные листья, а над водой – стреловидные. Это обстоятельство позволило назвать модификационную изменчивость групповой, или определенной.

Основные свойства модификационной изменчивости:

• 
  Ненаследуемость.

1. 
   Групповой характер изменений.

Пропорциональность изменений действию определенного фактора среды.

Норма реакции. Вариационный ряд

Различные признаки организма в разной степени изменяются под влиянием внешних условий. Одни из них очень пластичны и изменчивы, другие почти не подвержены воздействию условий окружающей среды, а третьи носят промежуточный характер. Так, молочная продуктивность у крупного рогатого скота в значительной степени зависит от кормления и содержания, окраска (масть) практически не меняется при любых условиях, а такой признак, как процент жира в молоке занимает промежуточное положение. Модификационная изменчивость ограничена нормой реакции. Норма реакции – это пределы модификационной изменчивости признака. Понятие нормы реакции ввел В. Иоганнсен.

На примере с молочным скотом можно отметить, что норма реакции молочности местных пород скота колеблется от 1000 до 2500 кг, а у ценных пород она значительно выше – 5000-7000 кг молока. В таких случаях, говорят, что признак молочности у коров обладает широкой нормой реакции.

Организм наследует не признак, а способность развития признака, степень выраженности которого зависит от взаимодействия генотипа и условий окружающей среды. Иными словами, наследуется норма реакции.

У человека можно назвать признаки, которые имеют узкую норму реакции (группа крови, цвет волос), и признаки, которые характеризуются широкой нормой реакции (рост, масса) Знание нормы реакции имеет большое значение в практике сельского хозяйства. Повышение продуктивности растений и животных возможно не только путем внедрения новых пород и сортов, но и за счет максимального использования возможностей каждой породы или сорта. Знание закономерностей модификационной изменчивости необходимо и в медицине, где основные усилия в данное время направлены не на изменение генетических потенций человека, а на поддержание и развитие организма человека в пределах нормы реакции.

Для эволюции модификационная изменчивость не имеет существенного значения, потому что она не наследуется

Все признаки организма можно разделить на две группы: качественные и количественные .

Вариационный ряд окраски божьих коровок.

Масть животных, окраска цветов и плодов, цвет глаз, половые различия – качественные признаки. Качественными называют признаки, устанавливаемые описательным путем. При классификации качественных признаков не возникает затруднений, фенотипические классы, появившиеся при скрещивании, легко различимы: красный или черный окрас у лис, морщинистые или гладкие семена гороха. Примерами количественных признаков могут послужить: яйценоскость у кур, молочность коров, рост и масса человека. Многие признаки, важные для сельского хозяйства являются количественными. Количественные признаки определяют путем измерения и подсчета. Среда оказывает влияние на формирование как качественных, так и количественных признаков.

Наиболее ярко влияние среды выражается на проявлении количественных признаков. У крупного рогатого скота количество и качество молока во многом зависит от кормления и ухода. Но это не означает, что удой зависит только от кормления. Известно, что некоторые породы скота дают в естественных условиях в год 800-1200 кг молока. Улучшение кормления и содержания этих животных может резко повысить их продуктивность до 2500 кг молока. Ухудшение условий может привести к тому, что ценная порода, дающая 3500-4000 кг в год, снизит продуктивность до 2500 кг и даже ниже. Однако поднять продуктивность скота до 4000-5000 кг, улучшая только условия содержания, невозможно.

Длина и ширина листьев, взятых с одного дерева, варьируют в широких пределах. Это происходит из-за разницы в условиях развития листьев на ветвях дерева. Если некоторое количество листьев расположить в порядке нарастания или убывания признака, как это показано на рисунке,то образуется ряд изменчивости данного признака – вариационный ряд, состоящий из вариант. Варианта – это единичное выражение развития признака.

При подсчете числа отдельных вариант в вариационном ряду, оказывается, что частота встречаемости их неодинакова. Среднее значение признака встречается чаще всего, а значения, значительно отличающиеся от среднего, встречаются очень редко.

Вариационный ряд Вариационная кривая выражения признака

Графическое выражение изменчивости признака называют вариационной кривой. Вариационные кривые самых разнообразных признаков у растений, животных и человека имеют сходную форму.

Для примера рассмотрим изменчивость числа колосков в колосе пшеницы. Возьмем генетически однородный материал. Подсчитав число колосков в разных колосьях, выясним, что это число варьирует от 14 до 20. Взяв случайно, не выбирая, подряд 100 колосьев, определим частоту встречаемости разных вариант. Мы увидим, что чаще всего встречаются колосья со средним числом колосков (16-18). Вот результат одного из таких подсчетов:

Наследственная изменчивость, в отличие от модификационной, затрагивает генотип и передается по наследству. Наследственная, или генотипическая, изменчивость - основа разнообразия живых организмов и главное условие их способности к эволюционному развитию.

Наследственная, или генотипическая, изменчивость - это изменчивость, связанная с изменением самого генетического материала.

Основной вклад в наследственную изменчивость вносят изменения ядерного генома. Существует также изменчивость цитоплазматических органелл - митохондрий и хлоропластов. Генотипическая изменчивость слагается из мутационной и комбинативной изменчивости.

Ч. Дарвин называл наследственную изменчивость неопределенной, индивидуальной изменчивостью, подчеркивая тем самым её случайный, ненаправленный характер и относительную редкость.

Мутация коротконогости ног Мутация отсутствия оперения

Мутация «ленивая» кукуруза

Брахидактилия у человека

Комбинативная изменчивость

Комбинативная изменчивость - важнейший источник бесконечно большого наследственного разнообразия, которое наблюдается у живых организмов. В основе комбинативной изменчивости лежит половое размножение живых организмов, из-за которого возникает огромное разнообразие генотипов.

Комбинативная изменчивость - это проявление новых сочетаний признаков вследствие перекомбинации генов.

Генотип потомков, как известно, представляет собой сочетание генов, полученных от родителей. Число генов у каждого организма исчисляется тысячами, поэтому комбинирование генов при половом размножении приводит к формированию нового уникального генотипа и фенотипа. У любого ребенка можно обнаружить признаки, типичные для его матери и отца. Тем не менее даже среди близких родственников не найти двух абсолютно одинаковых людей. Исключение составляют однояйцевые близнецы, степень идентичности которых очень велика. Причины этого огромного разнообразия лежат в явлении комбинативной изменчивости.

Источники комбинативной изменчивости

1. Независимое расхождение хромосом - основа третьего закона Менделя. Чему же равно число гамет различных типов, образуемых гибридом F 1 ? У моногибрида образуются два сорта гамет, или 2 1 , у дигибрида AaBb - четыре, или 2 2 , у тригибрида - 2 3 , а у полигибрида - 2 n . Цифра 2 указывает на наличие двух аллелей в данном локусе, а n - число локусов, по которым осуществляется расщепление.

2. Большой вклад в комбинативную изменчивость вносит кроссинговер , в результате которого появляются хромосомы, несущие отличные от родительских наборы аллелей. Процесс формирования кроссинговерных хромосом называют рекомбинацией. Она резко расширяет разнообразие гамет. Рекомбинантные, или кроссоверные, хромосомы, попав в зиготу, приводят к появлению комбинаций признаков, нетипичных для родителей.

3. Случайное сочетание гамет при оплодотворении. В моногибридном скрещивании возможны четыре комбинации: АА, Аа, Аа и аа , т.е. 4 1 . При дигибридном скрещивании число комбинаций возрастает до 4 2 =16, при тригибридном 4 3 =64, а в полигибридном скрещивании 4 n .
Мутационная изменчивость

Мутации - это редкие, случайно возникшие, стойкие изменения генотипа, затрагивающие весь геном, целые хромосомы, их части или отдельные гены.

Мутации возникают вследствие изменения структуры гена или хромосом и служат единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Благодаря постоянному мутационному процессу возникают различные варианты генов, составляющие резерв наследственной изменчивости. Понятие «мутация» было введено в биологию голландским ученым Г. Де Фризом.

Хотя механизмы возникновения генеративных и соматических мутаций могут быть подобны, их вклад в изменение признаков и, следовательно, эволюционное значение совершенно различны.

Соматические мутации проявляются мозаично, т.е. часть клеток данной ткани или органа отличается от остальных по каким-либо свойствам. Чем раньше в ходе индивидуального развития возникает соматическая мутация, тем большим оказывается участок тела, несущий мутантный признак (измененную окраску, форму или другое свойство). У растений вегетативный орган с вновь возникшей соматической мутацией можно отделить и размножить. В ряде случаев новые сорта плодовых и ягодных растений были получены на основе вегетативного размножения мутантных органов.

Геномные мутации

Геномными называют мутации, приводящие к изменению числа хромосом.
Наиболее распространенным типом геномных мутаций является полиплоидия - кратное изменение числа хромосом. У полиплоидных организмов гаплоидный (п) набор хромосом в клетках повторяется не 2 раза, как у диплоидов, а значительно больше - в 3 - 4 и более.

Возникновение полиплоидов связано с нарушением митоза или мейоза. В частности, нерасхождение гомологичных хромосом в мейозе приводит к формированию гамет с увеличенным числом хромосом. У диплоидных организмов в результате такого процесса могут образоваться диплоидные (2п) гаметы.

Полиплоидные виды растений довольно часто обнаруживаются в природе, у животных полиплоидия редка. Некоторые полиплоидные растения характеризуются более мощным ростом, крупными размерами и другими свойствами, что делает их ценными для генетико-селекционных работ. Растения, имеющие нечетный набор геномов - три (триплоиды), пять (пентаплоиды), характеризуются резким снижением плодовитости. Главная причина этого явления связана с нарушениями в нормальном протекании мейоза: при конъюгации гомологичных хромосом в профазе мейоза постоянно возникают «лишние» хромосомы, а, в конечном счете - гаметы с недостаточным или избыточным числом хромосом.

Среди полиплоидов различают формы, у которых несколько раз повторен один и тот же набор хромосом - автополиплоиды , а также полиплоиды, возникшие при межвидовой гибридизации и содержащие несколько разных наборов хромосом - аллополиплоиды . Примером аллополиплоида может служить мягкая пшеница (42 хромосомы) - основная продовольственная зерновая культура, которая является естественно возникшим гексаплоидом, т.е. содержит три пары геномов, каждый по семь хромосом.

Явление анеуплоидии связаны с нерасхождением одной или нескольких пар хромосом в мейозе. В результате могут возникнуть гаметы с аномальным числом хромосом, которые после оплодотворения дадут моносомию (2n-1), трисомию (2n+1), тетрасомию (2n+2) и т.д. У животных и человека такие мутации приводят к аномалиям развития, иногда к гибели организма. Трисомия у человека описана по большинству хромосом, однако только при трисомии по 21, 22 и 23 паре организмы жизнеспособны. Пример трисомии по 21 хромосоме - синдром Дауна.
Хромосомные мутации

Хромосомные мутации, или хромосомные аберрации, - это изменение структуры и размеров хромосом. Они затрагивают несколько генов. Многие из хромосомных мутаций доступны изучению под микроскопом. Пути изменения структуры хромосом разнообразны. Участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть, он может переместиться на другое место и т.д.

Рассмотрим основные типы хромосомных мутаций:

1. 
   делеции - потеря участка хромомосомы в результате отрыва её части, при этом сохраняется центромера, но теряется часть генов.
2. 
   инверсии - поворот участка хромосомы на 180, при этом не меняется последовательность сцепления генов.
3. 
   транслокации - межхромосомные перестройки, связанные с переносом части хромосомы на другую негомологичную хромосому, результатом является изменение группы сцепления генов.
4. 
   дупликации - удвоение генов в определенном участке хромосомы, при этом один участок хромосомы может повторяться несколько раз.

Хромосомные мутации приводят к изменению функционирования генов. Так же как полиплоидия, они играют важную роль в эволюционных преобразованиях видов.

Генные, или точковые, мутации - наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Они приводят к тому, что мутантный ген перестает работать, и тогда либо не образуются соответствующие РНК и белок, либо синтезируется белок с измененными свойствами, что проявляется в изменении каких-либо признаков организма. Вследствие генных мутаций образуются новые аллели. Это имеет важное эволюционное значение.

Поскольку мутации - редкие события, обычно на 10 - 100 тыс. экземпляров какого-либо гена, например гена гемоглобина, возникает одна новая мутация. Хотя мутационные события происходят редко, благодаря постоянству естественного мутационного процесса и накапливанию мутаций в генотипах различных организмов содержится значительное количество генных мутаций.

Генные мутации следует рассматривать как результат «ошибок», возникающих в процессе удвоения молекул ДНК. У всех без исключения организмов генные мутации приводят к самым разнообразным изменениям морфологических, физиологических и биохимических признаков.

Результатом генной мутации у человека являются такие заболевания, как серповидно-клеточная анемия, фенилкетонурия, дальтонизм, гемофилия, альбинизм.

Вследствие генных мутаций возникают новые аллели генов, что имеет значение для возникновения нового признака и эволюционного процесса.

Свойства мутаций

• 
  Мутации возникают случайным образом. В природных условиях каждый отдельно взятый ген мутирует очень редко, и, на первый взгляд, может показаться, что изменения в генах несущественны для особи. Но в действительности у организма имеется несколько тысяч генов. Если учесть, что мутации могут происходить в любом из них, общее число возможных мутаций резко повышается.
• 
  Способность к мутированию - одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация, связанная с изменением структуры ДНК имеет свою причину. Однако в большинстве случаев эти причины выяснить трудно. Известно, что некоторые факторы могут существенно повысить частоту мутаций. Впервые такие свойства были обнаружены у рентгеновских лучей. У облученных в процессе эксперимента растений и животных в 150 раз чаще наблюдались мутации.

Свойства мутаций:

1. 
   мутации возникают внезапно, скачкообразно;
2. 
   мутации - редкие события;
3. 
   мутации могут устойчиво передаваться из поколения в поколение;
4. 
   мутации возникают ненаправленно (спонтанно), и в отличие от модификаций не образуют непрерывных рядов изменчивости;
5. 
   мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.

Цитоплазматическая наследственность

Со времени переоткрытия законов Менделя, генетика не раз сталкивалась с «нарушениями». Тем не менее, анализ всех исключений, служил развитию основной тенденции - ядерной, а затем, хромосомной теории наследственности. Представления о генах вне хромосом также получили фактическое подтверждение и развились в отдельную область генетики - нехромосомное, или цитоплазматическое, наследование.

Отдельно выделяют изменчивость цитоплазматических органелл. Митохондрии и хлоропласты содержат ДНК, гены которой кодируют синтез многих белков, необходимых для построения и функционирования данного типа органелл. Например, пестролистность, то есть мозаичное окрашивание листьев у ряда растений (ночной красавицы, львиного зева), наследуется только по материнской линии и не укладывается в рамки менделеевских закономерностей. В том случае, когда материнское растение сплошь окрашено, независимо от окраски листьев у отцовского растения, в F1 появляются только сплошь окрашенные растения. И наоборот, от неокрашенных материнских растений в F1 появляются только неокрашенные потомки, независимо от характеристик отцовского растения. В тех случаях, когда материнское растение пестролистно, независимо от свойств отцовского растения в F1, появляются растения с неокрашенными, пестрыми и зелеными листьями. Объясняется это тем, что пластиды бывают двух типов - окрашенные и неокрашенные. Пластиды воспроизводятся в клетке автономно и случайно распределяются между дочерними клетками. Поскольку единственный способ проникновения пластид в зиготу - через яйцеклетку, а не через спермий, наблюдается материнское наследование.

Экспериментальное получение мутаций

Частота мутаций сильно возрастает под воздействием ряда факторов окружающей среды, оказывающих мутагенное влияние - мутагенов. Выделяют три группы таких факторов: физические, химические и биологические. Самым эффективным физическим мутагеном являются ионизирующие излучения (рентгеновские лучи, гамма-лучи, ядерные частицы и другие ионизирующие излучения). Ионизирующее излучение может оказать как прямое воздействие на ДНК, так и косвенное, через ионизированные молекулы и атомы других веществ. Частота возникающих мутаций в сильной степени зависит от дозы радиации и прямо пропорциональна ей.

Впервые в 1925 году возможность экспериментального получения мутаций была показана в работах отечественных микробиологов Г.А. Надсона и Г.С. Филиппова, которые отметили, что после воздействия «лучей радия» на низшие грибы повышаются частота и спектр наследственной изменчивости. Американские генетики в 1927 г. Г. Мёллер и Л. Стадлер независимо друг от друга показали эффективность воздействия рентгеновских лучей для получения мутаций у дрозофилы и ячменя.

К физическим мутагенам относят также ультрафиолетовое излучение (УФ), что было установлено советскими генетиками в начале 20-х годов. Однако его мутагенный эффект существенно меньше, чем у ионизирующих излучений.

Еще более слабым эффектом обладает повышенная температура, которая для теплокровных животных и человека почти не имеет существенного значения вследствие постоянства температуры их тела.

Вторую группу факторов представляют химические мутагены. Известно несколько типов химических мутагенов, отличающихся по строению и механизму действия. Химические мутагены вызывают, главным образом, точковые или генные, мутации, в отличие от физических мутагенов, которые сильно повышают вероятность хромосомных мутаций. В начале 30-х годов советские генетики В.В. Сахаров, М.Е. Лобашев, С.М. Гершензон, И.А. Рапопорт открыли химический мутагенез. В 40-х годах появились такие мощные химические мутагены, как этиленимин, открытый И.А. Рапопортом в нашей стране, и азотистый иприт, открытый Ш. Ауэрбах и Дж. Робсоном в Англии.

В последние годы немало стало известно о существовании биологических мутагенов: молекул ДНК и вирусов. Установлено, что целый ряд хорошо изученных мутаций у животных, растений и человека - результат действия вирусов.

Мутагены усиливают интенсивность естественного мутационного процесса в 10 - 100 раз, а наиболее мощные химические супермутагены в тысячи раз.

Для мутагенов характерны следующие свойства:

• 
  универсальность, т.е. способность вызывать мутации во всех живых организмах
• 
  отсутствие нижнего порога мутационного действия, т.е. способность вызывать мутации при действии в любых малых дозах

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости

Изучение наследственной изменчивости у культурных растений и их предков позволило Н.И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости». Н.И. Вавилов писал: «Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды, составляющие семейство».

На примере семейства злаковых, Н.И. Вавилов показал, что сходные мутации обнаруживаются у целого ряда видов этого семейства. Так, черная окраска семян встречается у ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы и ряда других за исключением овса, проса и пырея, а удлиненная форма зерна - у всех изученных видов.

Закон гомологических рядов отражает общебиологическое явление, характерное для всех представителей живого мира. Карликовость, альбинизм и гигантизм встречаются среди разных отрядов и классов животных. Руководствуясь этим законом, можно предсказать, какие мутантные формы должны возникнуть у близкородственных видов.

Закон гомологических рядов важен для селекционной практики потому, что прогнозирует нахождение неизвестных форм у данного вида, если они уже известны у другого вида. Некоторые наследственные заболевания и уродства, встречающиеся у человека, отмечены и у некоторых животных. Животных с такими заболеваниями используют в качестве моделей для изучения дефектов человека.

Как стало известно после изучения последовательностей ДНК близкородственных видов, степень сходства, или гомологии достигает 90 - 99%. Высокий уровень гомологии соответствующих генов - основа для реализации закономерностей, выявленных
Хромосомы и генетические карты человека

Основные генетические закономерности имеют универсальное значение и характерны для человека как биологического вида. Однако человек как объект генетических исследований имеет большую специфику, которая создает значительные трудности в изучении его наследственности и изменчивости. Можно указать на некоторые из них: невозможность направленных скрещиваний, позднее половое созревание, малочисленность потомства, невозможность обеспечения одинаковых и строго контролируемых условий для развития потомков от разных браков, сравнительно большое число хромосом, невозможность проведения прямых экспериментов. Несмотря на указанные обстоятельства, за последние годы генетика человека достигла значительных успехов.

Стандартный набор хромосом человека

Хромосомы при окрашивании Хромосомы мужчины

В 1956 г. было точно определено, что диплоидное число хромосом в клетках человека равно 46. С тех пор достигнуты большие успехи в изучении кариотипа человека, т. е. стандартного набора хромосом. Исследование строения хромосом, а также развитие в конце 60-х годов метода дифференциального окрашивания хромосом позволило осуществить точную идентификацию каждой пары хромосом. Это означает, что для каждой пары хромосом установлены соотношения размеров плеч хромосом и особенности расположения темно- и светлоокрашенных полос, которые позволяют безошибочно определить кариотип. Каждая хромосома имеет порядковый номер в кариотипе. Согласно классификации все хромосомы располагаются попарно в порядке убывания их величины. Исключение составляют лишь половые хромосомы. Хромосомные пары пронумерованы от 1 до 22 в соответствии с их длиной. Половые хромосомы не имеют номеров и обозначаются как Х и У.

Нормальный кариотип человека состоит из 22 пар аутосом и одной пары половых хромосом - ХУ у мужчин и ХХ у женщин. На стадии метафазы митоза любая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, которые в анафазе расходятся, причем каждая хроматида становится одной из 46 хромосом дочерней клетки. Сестринские хроматиды соединены друг с другом в районе центромеры. После детального изучения строения хромосом была составлена идиограмма (от греч. idios - своеобразный, gramma - запись) кариотипа человека, представляющая собой схемы хромосом, основанные на их длине.

Детальные сведения о строении хромосом необходимы для ученых-генетиков, изучающих человека, а также для выяснения природы заболеваний, связанных с мутациями хромосомного аппарата. Все наследственные болезни человека делят на 3 группы: генные болезни, болезни с наследственной предрасположенностью и хромосомные.
Генные болезни

Генные болезни связаны с мутациями отдельных генов. (Подробнее этот вопрос рассматривается в уроке 25 на стр. 6.) При этом изменяется структура ДНК, что в свою очередь изменяет образующуюся на ДНК молекулу РНК, в результате синтезируется новый нетипичный белок, что приводит к появлению аномальных признаков. В результате генной мутации повреждается один ген, поэтому такие наследственные заболевания называют моногенными. К ним относится большинство наследственных аномалий обмена веществ, таких как фенилкетонурия (нарушение обмена аминокислоты фенилаланина, приводящее впоследствии к развитию слабоумия), галактоземия (нарушение обмена молочного сахара лактозы, что приводит к отставанию в физическом и психическом развитии) и т.д. К генным мутациям относятся также гемофилия, дальтонизм, серповидно-клеточная анемия, полидактилия и др.

Все моногенные болезни наследуются в соответствии с законами Менделя и по типу наследования делятся на аутосомно-доминантные, аутосомно-рецессивные и сцепленные с Х-хромосомой.

Болезни с наследственной предрасположенностью

Болезни с наследственной предрасположенностью относятся к полигенным, так как чаще всего вызываются изменением нескольких генов и для проявления требуется воздействие определенных факторов внешней среды. Эти заболевания составляют 92% от общего числа наследственных заболеваний. К ним относятся такие заболевания, как ревматизм, ишемическая болезнь сердца, сахарный диабет, бронхиальная астма, язвенная болезнь, эпилепсия и др. В этом случае по наследству передаются лишь предрасположенность к заболеванию, а само оно может и не проявиться у потомков. Такие заболевания наследуются не по законам Менделя, имеют возрастные и половые отличия, могут клинически отличаться у разных людей. Кроме того, для них характерна высокая частота встречаемости в популяции человека. Например, сахарным диабетом больны 5% населения промышленно развитых стран, аллергическими заболеваниями - более 10%, а гипертонией - около 30 %.

Наследование и степень проявления таких заболеваний зависят от степени выраженности болезни у родителей. Например, если бронхиальной астмой страдают оба родителя, то возрастает риск заболевания в более тяжелой степени у детей, а также вероятность передачи по наследству патологических генов. Большое значение имеет и степень родства. У детей больше вероятность проявления таких заболеваний, чем у родственников 2-й и 3-ей степени.

Хромосомные болезни связаны с изменениями или структуры хромосом, или их количества.

Структурные перестройки хромосом (хромосомные мутации) у человека могут привести к болезни синдром «кошачьего крика». Он обусловлен разрывом короткого плеча 5-й хромосомы. Это вызывает аномальное развитие гортани, поэтому больные дети до определенного возраста издают характерный «кошачий» крик. Для этого заболевания также характерны умственная отсталость, задержка роста, мышечная гипотония, слабая выраженность вторичных половых признаков, сращение пальцев, нарушение деятельности центральной нервной системы. Большинство детей умирают в раннем возрасте. Изменение строения 21-й пары хромосом (одна хромосома имеет нормальный размер, а у второй потеряна значительная часть вещества) приводит к возникновению злокачественной (миэлоидной) лейкемии.

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом в геноме человека. Они сводятся к появлению лишних хромосом (трисомия) или утрате хромосом (моносомия). Впервые связь между аномальным набором хромосом и резкими отклонениями от нормального развития была обнаружена в случае синдрома Дауна. Люди, страдающие этим заболеванием, имеют характерный разрез глаз, низкий рост, короткие и короткопалые руки и ноги, аномалии многих внутренних органов, специфическое выражение лица, для них характерна умственная отсталость. Изучение кариотипа таких больных показало наличие дополнительной, т. е. третьей, хромосомы в 21 паре (так называемая трисомия). Причина трисомии связана с не расхождением хромосом в ходе мейоза у женщин. Важнее отметить, что существует сильная зависимость между частотой рождения детей с синдромом Дауна и возрастом матери. После 35-40 лет частота появления больных детей резко возрастает. Дети с синдромом Дауна появляются довольно часто - один на 500 - 600 новорожденных. Трисомии по другим аутосомам встречаются очень редко, так как приводят к гибели эмбрионов на ранних этапах развития.

Синдром Дауна

Изменение числа половых хромосом вызывает серьезные отклонения в развитии. Среди них синдром Клейнфельтера, который встречается у одного из 400 - 600 новорожденных мальчиков и проявляется в недоразвитии первичных и вторичных половых признаков, искажении пропорции тела. У таких больных в соматических клетках обнаружены тельца Барра, которые никогда не обнаруживаются у здоровых мужчин. Изучение кариотипа мужчин, страдающих синдромом Клейнфельтера, позволило установить, что их половые хромосомы представлены набором ХХУ.

Другая аномалия, встречающаяся у новорожденных девочек с частотой один на 5000, так называемый синдром Тернера развивается при моносомии по половым хромосомам. У больных обнаружено 45 хромосом, поскольку в кариотипе имеется только одна Х-хромосома (Х0), в соматических клетках нет телец Бара. Больные отличаются многочисленными аномалиями в строении организма: задержка роста и полового развития, недоразвитие внутренних органов. Существуют и другие болезни, причинами которых являются различные хромосомные нарушения.

Причины хромосомных мутаций установить практически невозможно: это могут быть физические, химические и биологические факторы.
Генетические карты человека

Построение генетических карт - неотъемлемая часть детального генетического изучения любого вида. Успехи в построении генетических карт человека до середины 70-х годов были весьма скромными в связи с ограниченной возможностью применения классического метода. Ситуация резко изменилась в последующие годы, когда для создания генетических карт человека стали применять новые методы. В настоящее время установлена локализация многих сотен генов на соответствующих хромосомах. Чрезвычайно интенсивно изучается молекулярная структура хромосом. По оценкам специалистов, за ближайшие 25 - 30 лет следует ожидать прочтения полной последовательности ДНК. Эта гигантская по масштабам и чрезвычайно сложная задача решается одновременно в десятках стран. В нашей стране тоже создана государственная научная программа «Геном человека» Знания, полученные в ходе этой работы, не только будут иметь важное познавательное значение, но и окажутся очень полезными для медицины.

Генеалогический метод

Изучение родословных - важный метод изучения закономерностей наследования признаков у человека. Благодаря генеалогическому методу удается проследить менделевское расщепление и независимое комбинирование признаков в потомстве, получить сведения по аллелизму, выяснить другие важные вопросы.

Исследование включает два этапа: сбор сведений о семье за возможно большее число поколений и генеалогический анализ. Родословная составляется по одному или нескольким признакам. Генеалогическое изучение какой-либо семьи, как правило, начинается с обнаружения носителя необычного признака - пробанда. Данный метод применим, если известны прямые родственники - предки обладателя наследственного признака (пробанда) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. В случае патологического проявления признака пробанд является исходным пациентом. При составлении родословных принято пользоваться обозначениями. Потомки одного поколения располагаются в одном ряду в порядке рождения. Второй этап - анализ родословной с целью установления характера наследования признака. В первую очередь устанавливают, как проявляется признак у представителей разного пола, т.е. сцепленность признака с полом. Далее определяют, является ли признак доминантным или рецессивным, сцеплен ли он с другими признаками и т.д. При рецессивном характере наследования признак проявляется у небольшого числа особей, не во всех поколениях и может отсутствовать у родителей. При доминантном наследовании признак встречается часто, практически во всех поколениях. Известно наследование по аутосомно-доминантному типу и аутосомно-рецессивному. Как доминантные аутосомные признаки наследуются короткопалость (отсутствие двух конечных фаланг в пальцах), катаракта глаз, хрупкость костей и т.д. К числу признаков, наследующихся по аутосомно-рецессивному типу, относятся рыжие волосы, альбинизм, подверженность полиомиелиту и др.

Признаки, определяемые генами Х-хромосомы, так же как гены, расположенные в аутосомах, могут быть доминантными либо рецессивными. Разница состоит в том, что женщина может быть гомо- или гетерозиготной по данному мутантному гену, а мужчина, у которого только одна Х-хромосома, может быть только гемизиготен, т.е. иметь только один изучаемый ген, и независимо от доминантности и рецессивности у мужчин ген всегда проявится.

Наиболее характерная черта наследования, сцепленного с Х-хромосомой, - отсутствие передачи гена по мужской линии. Х-хромосома от отца никогда не передается никому из его сыновей, однако она передается каждой дочери.

Построив родословную, восходящую к английской королеве Виктории, удалось установить, что ген гемофилии рецессивен и наследуется сцепленно с Х-хромосомой. Гемофилия (нарушение свертываемости крови) - тяжелое заболевание, встречающееся почти исключительно у мужского пола. Королева Виктория и ее муж были здоровы. Никто из предков королевы Виктории не страдал гемофилией. Вероятно, мутация возникла у одного из ее родителей и была передана через гамету. Вследствие этого она стала носительницей Х-хромосомы с геном гемофилии и передала ее нескольким детям. У всех потомков мужского пола, которые получили Х-хромосому с геном гемофилии, наблюдалось нарушение свертываемости крови. Проявление гена гемофилии у женщины возможно в случае ее гомозиготности по данному рецессивному гену, т.е. при получении гена гемофилии от обоих родителей. Такие случаи действительно наблюдались, когда больной гемофилией мужчина женился на носительнице гена гемофилии. Вероятность такого сочетания повышается при родственных браках. У человека найдено более 100 сцепленных с полом рецессивных признаков. Интересно, что около половины из них связано с заболеванием глаз.

Наследование гемофилии потомков королевы Виктории
При помощи генеалогического метода установлено, что развитие некоторых способностей человека (например, музыкальности, склонности к математическому мышлению и т.п.) определяется наследственными факторами. Примером может служить семья Бахов, где в течение ряда поколений было много музыкантов, в их числе знаменитый композитор начала XYIII века Иоганн Себастьян Бах. Разумеется, проявление тех или иных генотипически обусловленных психических особенностей человека, в том числе и одаренности, определяется социальной средой, под влиянием которой и формируется личность в обществе.

С помощью генеалогического метода доказано наследование у человека сахарного диабета, глухоты, шизофрении, слепоты. Этот метод используется для диагностики наследственных заболеваний и медико-генетического консультирования: по характеру проявления признака у родственников определяется вероятность рождения ребенка с генетическими аномалиями.

Близнецы и близнецовый метод исследования в генетике человека

У человека рождение близнецов - довольно распространённое явление. Так, одна двойня приходится на 80 - 85 одноплодных родов, одна тройня - на 6 - 8 тыс., четверни и пятерни встречаются очень редко. Частота рождений близнецов в странах с умеренным климатом выше, чем в жарких. Однояйцевые близнецы составляют 15% от всех многоплодных родов. Женщина, однажды родившая близнецов, может иметь тенденцию к повторным многоплодным родам. Многоплодная беременность чаще, чем одноплодная, осложняется поздними токсикозами беременности (отеки, нефропатия) и нередко кончается преждевременными родами.

Дизиготные, или разнояйцевые, близнецы развиваются из двух различных яйцеклеток, одновременно оплодотворенных различными сперматозоидами. Таким образом, главная причина появления дизиготных близнецов одновременная овуляция у их матери двух яйцеклеток. Дизиготные близнецы могут быть как одного, так и разного пола, а их соотношение выглядит так: 1(♀+♀) : 2(♀+♂) : 1(♂+♂). Разнояйцевые близнецы генетически сходны не больше, чем обычные братья и сестры. Частота рождения разнояйцевых близнецов зависит от возраста матери, ее генотипа и факторов внешней среды.

Иногда одна оплодотворенная яйцеклетка дает начало не одному, а двум (или нескольким) эмбрионам. Из них и развиваются монозиготные, или однояйцевые, близнецы. Они всегда одного пола, либо мальчики, либо девочки. Сходство монозиготных близнецов очень велико, так как они имеют один и тот же генотип. Идентичные близнецы представляют интерес для изучения взаимодействия генотипа и факторов среды, поскольку различия между ними главным образом связаны с влиянием условий развития, т.е. внешней среды. Доля однояйцевых близнецов у человека составляет около 35 - 38% от общего числа близнецов. Установить тип близнецов не всегда просто. Исключить монозиготность можно точно, но доказать ее гораздо сложнее и не всегда возможно. Для этого используются такие признаки, как группы крови, различные белки сыворотки крови и ферменты. Надежным, хотя трудно применимым, приемом в решении этого вопроса является трансплантация кожи. У монозиготных близнецов взаимные пересадки кожи завершаются успешно, а у дизиготных - пересаженные участки кожи отторгаются. Иногда при развитии зародышей однояйцевых близнецов происходит неполное разделение на два организма: некоторые части тела остаются «общими». Таких уникальных близнецов называют сиамскими.

В 1876 г. английский исследователь Ф. Гальтон предложил использовать метод анализа близнецов с целью разграничения влияния наследственности и среды на развитие различных признаков у человека. Сущность этого метода состоит в двух вариантах сравнений: сопоставление пар однояйцевых близнецов с однополыми двуяйцевыми близнецами, а также сравнение пар однояйцевых близнецов, воспитанных вместе и раздельно. Если изучаемый признак проявляется у обоих близнецов, это называется конкордантностью, если только у одного из них, то дискордантностью. Степень конкордантности определяется как отношение числа конкордантных пар к общему числу всех изученных пар близнецов - как конкордантных, так и дискордантных. Для получения точной оценки степени конкордантности необходимо изучить большие выборки пар близнецов, состоящие из многих сотен пар.

Степень конкордантности для качественных признаков у монозиготных близнецов обычно высока и стремится к 100%. Это означает, что на формирование признаков групп крови, формы бровей, цвета глаз и волос среда почти не оказывает влияния, а решающее воздействие имеет генотип. Значительна роль наследственных факторов в развитии у детей рахита и туберкулеза. Напротив, доля наследственности в возникновении косолапости очень невелика.

Таким образом, признаки, отличающиеся высоким уровнем конкордантности, в значительной или преобладающей степени детерминируются генетическими факторами и мало подвержены влиянию условий среды. Признаки, характеризующиеся высокой дискордантностью, напротив, в основном определяются влиянием среды.

Не следует думать, что монозиготные близнецы всегда должны быть абсолютно подобны друг другу по качественным признакам. Причиной отличий могут быть мутации соматических клеток и вариации в экспрессии генов на всех этапах развития, включая самые ранние.

Использование близнецового метода подтверждает важный вывод, что любой признак человеческого организма есть результат действия генов и условий среды.

Цитогенетический метод

Цитогенетический метод основывается на микроскопическом исследовании структуры хромосом у здоровых и больных людей. Исследования показали, что многие врожденные уродства и ненормальности связаны с изменением числа хромосом или изменением морфологии отдельных хромосом. У человека известно очень много различных аномалий, связанных с изменением числа или формы хромосом. При помощи цитогенетического метода были установлены причины возникновения таких заболеваний, как болезни Клайнфельтера, синдрома Дауна и других. Чаще всего этот метод применяют на культуре ткани. Он позволяет учитывать крупные аномалии хромосом, возникающие как в половых, так и в соматических клетках. С помощью цитогенетического метода определяют мутагенное действие факторов внешней среды на возникновение различных хромосомных аномалий, изучают процессы, происходящие при старении клеток.

Биохимический метод

Биохимический метод основан на изучении характера биохимических реакций и обмена веществ в организме. Это позволяет установить наличие аномального гена и уточнить диагноз. Наследственно обусловленных отклонений от нормального хода обмена известно несколько десятков. К их числу относятся сахарный диабет, фенилкетонурия (нарушение обмена фенилаланина), галактоземия (нарушение усвоения молочного сахара) и др.

В таких случаях знание биохимических механизмов развития заболевания позволяет облегчить страдания больного. Обычно больному вводят несинтезирующиеся в организме ферменты или исключают из пищевых рационов продукты, которые не могут перевариваться из-за отсутствия в организме необходимых для этого ферментов.

Например, сахарный диабет. Это заболевание характеризуется повышением концентрации сахара в крови вследствие нарушения синтеза инсулина - гормона поджелудочной железы. Развитие этого заболевания обусловливается рецессивным геном. Для его лечения в организм вводится инсулин, который получают синтетическим путем, используя генно-инженерные методы. Однако следует помнить, что при этом исчезает только фенотипическое проявление «вредного» гена, и вылеченный человек продолжает оставаться носителем гена, определяющего развитие болезни, и может передавать этот ген своим потомкам.

Биохимический метод позволяет установить болезнь на ранней стадии и лечить ее.

Онтогенетический метод

Известно, что некоторые наследственные болезни проявляются не только у гомозигот, но и в стертой форме у гетерозигот. Определение гетерозиготных носителей наследственных аномалий крайне важно, и методы выявления таких гетерозигот в настоящее время усиленно разрабатываются. Так, гетерозиготный носитель гена фенилкетонурии (ФКУ) может быть определен введением в кровь фенилаланина и последующем определением его уровня в плазме крови. В норме, т.е. у гомозигот по доминантной аллели, уровень фенилаланина при этом не изменяется. У гетерозигот по данной аллели, внешне здоровых людей, обнаруживается повышенное содержание в крови фенилаланина.

Очень часто гетерозиготы занимают промежуточное положение по активности ферментов. Сейчас разработаны тесты для определения гетерозиготного носительства более, чем для 40 наследственных болезней, определяемых рецессивными аллелями. Диагностика гетерозиготного носительства в онтогенезе важна для своевременного проведения медикаментозного лечения, а также для определения вероятного риска иметь больного ребенка при наследственном неблагополучии семей.

Онтогенетический метод

Используется также для выяснения механизма развития наследственных заболеваний в онтогенезе, что очень важно для их лечения и профилактики.

Популяционный метод

Популяционный метод позволяет изучать распространение отдельных генов или хромосомных аномалий в человеческих популяциях. Он дает возможность рассчитать в популяции частоту встречаемости нормальных и патологических генов, определить соотношение гетерозигот - носителей аномальных генов. Популяционный метод основывается главным образом на данных демографической статистики, которая занимается исследованием наследственной структуры населения.

Исследование частоты распространения генов имеет большое значение для анализа распространения наследственных болезней человека, для оценки последствий родственных браков, которые особенно часты в изолированных группах людей. Частота распространения в популяциях разных аномалий оказывается различной, при этом подавляющее число рецессивных аллелей представлено в гетерозиготном состоянии. Так, примерно каждый сотый житель Европы гетерозиготен по гену амавротического слабоумия, тогда как заболевают этой болезнью из 1 млн. только 25 человек, у которых этот ген проявляется в гомозиготном состоянии. Альбиносы в европейских странах встречаются с частотой 1 на 20 000, хотя гетерозиготное состояние этой аллели присуще каждому семидесятому жителю. Популяционный анализ интересен тем, что он помогает понять динамику генетической структуры различных популяций и способствует выявлению связей между ними. Разные популяции могут существенно различаться по своей генетической структуре, например по генам группы крови.

Генетика и медицина

Интерес, проявляемый учеными всего мира к наследственности человека, не случаен. В последние десятилетия человечество тесно соприкасается с чуждыми для него химическими веществами. Число таких веществ, применяемых в быту, сельском хозяйстве, пищевой, фармакологической, косметической промышленности и в других областях деятельности людей, в настоящее время огромно. Среди этих веществ есть и такие, которые вызывают мутации.

Благодаря развитию медицины человек научился лечить очень многие заболевания. Он успешно защищает себя от большинства возбудителей очень опасных инфекционных заболеваний: оспы, чумы, холеры, малярии и др. Врачи-генетики считают, что в недалеком будущем при необходимости в организм будут вводить здоровые гены вместо больных. Уже сейчас ученые разработали методы такой генотерапии для некоторых тяжелых наследственных болезней.

Изучение генома человека важно не только для сохранения здоровья и разработки новых эффективных методов лечения, но для понимания генетической составляющей понимания поведения, характера и интеллектуальных способностей, для восстановления истории возникновения и расселения человека (Homo sapiens).

В генетике и медицине наряду с термином наследственные болезни существует термин врожденные заболевания. К наследственным относят заболевания, которые связаны с нарушением генетического (наследственного) аппарата половых клеток родителей.

Врожденные заболевания также проявляются сразу при рождении, но причины их могут быть различны. Они бывают наследственными (например, полидактилия) или возникают в процессе эмбрионального развития. В последнем случае эти болезни не передаются по наследству. Известно, что если женщина в раннем периоде беременности перенесла какое-либо вирусное заболевание, например краснуху, то у детей могут возникнуть пороки сердца, почек, легких, мозга и т.д. Однако не у всех беременных женщин, перенесших сходную вирусную инфекцию, рождаются дети с врожденными пороками.

Вредными факторами для беременной женщины являются вирусные и бактериальные инфекции, употребление некоторых лекарственных препаратов, алкоголь, наркотики, отравляющие вещества, а также различные виды облучения и др. К особенно тяжелым последствиям приводят эти повреждающие факторы на ранних стадиях беременности (от 2 до 20 недель), когда закладывается нервная система, все органы и ткани эмбриона.

Разграничение врожденных и наследственных заболеваний имеет большое значение при прогнозировании потомства в семье.

Характеристика мутационного процесса у человека

Частота хромосомных мутаций у человека велика и является причиной нарушений (до 40%) у новорожденных. Кроме упоминавшихся хромосомных болезней, существует множество других болезней, обычно приводящих к тяжелым последствиям, а чаще к гибели эмбриона. В большинстве случаев хромосомные мутации возникают в гаметах родителей заново, реже они существуют у одного из родителей и передаются потомкам.

Существенное повышение концентраций мутагенов и ионизирующего излучения приводят к возрастанию частоты хромосомных мутаций. Спонтанные генные мутации происходят гораздо реже. Вероятность мутации в конкретном гене может колебаться около 10 -5 . В среднем на диплоидный геном приходится около двух новых мутаций. Однако далеко не все вредные мутации в гетерозиготном состоянии проявляются, они могут накапливаться в популяциях человека. Позднее, переходя в гомозиготное состояние, многие мутантные гены приводят к возникновению тяжелых наследственных болезней.
Предупреждение и лечение некоторых наследственных болезней человека

Диагностика, лечение и предупреждение наследственных заболеваний

Наследственные заболевания определяются особенностями генотипа, но со многими из них медицина успешно борется. В случае ранней диагностики многих заболеваний их можно лечить и предотвратить последствия развития аномалий. В настоящее время в роддомах проводится массовая проверка детей для выявления фенилкетонурии и врожденного недостатка гормона щитовидной железы. Начатое на ранних стадиях лечение и специальная диета помогают избежать пороков умственного и физического развития у таких детей.

Сейчас известны сотни заболеваний, для которых механизмы биохимических нарушений изучены достаточно подробно. В некоторых случаях современные методы микроанализов позволяют обнаружить биохимические нарушения даже в отдельных клетках. В настоящее время широко применяется метод амниоцентеза, позволяющий анализировать клетки эмбриона из околоплодной жидкости. Благодаря этому методу женщина на раннем этапе беременности может получить важную информацию о возможных хромосомных или генных мутациях плода и избежать рождения больного ребенка.

Необходимо помнить, что немаловажным фактором для проявления некоторых наследственных заболеваний являются и условия среды. Так, при наличии у ближайших родственников язвенной болезни человеку необходимо следить за режимом питания, диетой, избегать нервных перегрузок, чтобы предотвратить возникновение у себя этого же заболевания.

К числу хорошо изученных признаков человека относится резус-фактор. Он может проявляться в двух состояниях: одно из них называют «резус+» (Rh+), а другое - «резус-» (Rh-). В браках резус-отрицательных женщин с резус-положительными мужчинами вследствие доминирования гена резус-положительности плод приобретает этот признак. Он выделяет в кровь антиген, против которого в организме матери начинают вырабатываться антитела, разрушающие кроветворную систему плода. Возникает так называемая гемолитическая болезнь новорожденных. В результате иммунологической реакции в ходе беременности развивается отравление, как материнского организма, так и плода. Это может стать причиной гибели эмбриона. Выяснение характера наследования резус фактора биохимической природы позволяет разрабатывать медицинские приемы, снижающие иммунологическую несовместимость матери и плода, а также вредные последствия проявления этого гена.

Нежелательность родственных браков

В современном обществе родственные браки (браки между двоюродными братьями и сестрами) сравнительно редки. Однако есть области, где вследствие географических, социальных, экономических или других причин небольшие контингенты населения в течение многих поколений живут изолированно. В таких изолированных популяциях (изолятах) частота родственных браков бывает значительно выше, чем в обычных «открытых» популяциях. Статистика свидетельствует, что у родителей, состоящих в родстве, вероятность рождения детей с наследственными недугами или частота ранней детской смертности в десятки, а иногда даже в сотни раз выше, чем в неродственных браках. Родственные браки особенно нежелательны, когда имеется вероятность гетерозиготности супругов по одному и тому же рецессивному вредному гену.

Знание генетики человека позволяет прогнозировать вероятность рождения детей, страдающих наследственными недугами, в случаях, когда один или оба супруга больны или оба родителя здоровы, но наследственное заболевание встречалось у предков супругов. В ряде случаев можно определить вероятность рождения второго здорового ребенка, если первый имел наследственное заболевание. Так, генеалогическим методом доказано наследование многих заболеваний. Существует врожденная (рецессивная) глухота. Некоторые формы тяжелого психического заболевания - шизофрения - тоже наследственны (рецессивны). Известны наследственные заболевания, определяемые не рецессивными, а доминантными генами, например, ведущая к слепоте наследственная дегенерация роговицы. Предрасположенность к заболеванию туберкулезом носит наследственный характер.

По мере повышения биологической образованности широких масс населения супружеские пары, еще не имеющие детей, все чаще обращаются к врачам-генетикам с вопросом о риске иметь ребенка, пораженного наследственной аномалией. Основная цель консультирования - предупреждение рождения детей с генетическими аномалиями.

Консультирование начинается с составления генеалогической карты и уточнения диагноза. Затем проводится дополнительное биохимическое и цитологическое исследование. Далее врач-генетик проводит анализ родословной и прогнозирует вероятность рождения больного ребенка. При составлении прогноза учитывается характер наследственного заболевания, его повторяемость среди родственников. В случае единичной патологии, когда заболевание не носит семейного характера, выясняются возможные причины возникновения аномалии. Это могут быть геномные или хромосомные мутации, возникшие в гаметах родителей или на ранних этапах развития плода. После этого врач оценивает генетический риск и дает рекомендации. Степень риска выражается в процентах. Считается, что 0 - 10% - низкая степень риска, 11 - 20% - средняя степень, более 20% - высокая степень. В этом случае деторождение в данной семье не рекомендуется.

Основными задачами таких консультаций являются:

• 
  перспективное консультирование семей с наследственной и врожденной патологией;
• 
  объяснение пациенту и его семье степени риска рождения больного ребенка;
• 
  предупреждение родственных браков, в результате которых вероятность рождения больного ребенка резко возрастает;
• 
  выявление носителя аномального гена;
• 
  дородовая диагностика, позволяющая выявить ряд заболеваний генной природы и хромосомные аномалии.

Широкое использование медико-генетических консультаций сыграет немаловажную роль в снижении частоты наследственных недугов и избавит многие семьи от несчастья иметь нездоровых детей. Следует отметить, что курение, употребление алкоголя и особенно наркотиков матерью или отцом будущего ребенка резко повышает вероятность рождения младенца, пораженного тяжелыми наследственными недугами.

Забота о чистоте среды обитания людей, непримиримая борьба с загрязнением воды, воздуха, пищевых продуктов веществами, обладающими мутагенным и канцерогенным действием (т.е. вызывающими возникновение мутаций или злокачественное перерождение клеток), тщательная проверка на «генетическую» безвредность всех косметических и лекарственных средств и препаратов бытовой химии - это важные условия для снижения частоты появления у людей наследственных недугов

Важный вывод

Забота о чистоте среды обитания людей, непримиримая борьба с загрязнением воды, воздуха, пищевых продуктов веществами, обладающими мутагенным и канцерогенным действием (т.е. вызывающими возникновение мутаций или злокачественное перерождение клеток). Тщательная проверка на «генетическую» безвредность всех косметических и лекарственных средств и препаратов бытовой химии - это важные условия для снижения частоты появления у людей наследственных недугов.

Различают два основных типа изменчивости живых организмов: наследственную и ненаследственную. Первая может быть мутационной и комбинативной. Вторую называют модификационной изменчивостью . К ней относят изменения признаков, которые не сохраняются при половом размножении, поскольку эти изменения не затрагивают генотипа. Ее также называют фенотипической изменчивостью .

Модификационная изменчивость возникает в результате взаимодействия организмов с окружающей средой, т.е. в процессе реализации генетической информации. Разные организмы по-разному реагируют на воздействия факторов внешней среды. Существует такое понятие как норма реакции. Это — пределы модификационной изменчивости, которые определяются возможностями данного генотипа.

Характерной особенностью модификаций является то, что одно и то же воздействие вызывает одинаковое изменение у всех особей, которые ему подвергались. По этой причине Ч. Дарвин назвал модификационную изменчивость определенной. Модификации особенно хорошо наблюдать у особей, идентичных по генотипу, но помещенных в разные условия обитания. Так, значительные различия по многим признакам проявляются у растений одного и того же вида, растущих в горных и долинных условиях. В горах растения обычно приземистые, с короткими стеблями, прикорневыми листьями, глубокими корнями; в долине же растения выше, их корневая система расположена ближе к поверхности почвы. При перемещении растений в другое местообитание модификации исчезают. Хорошо известны модификации растений, возникающие под влиянием разного освещения, густоты посева, изменения питания.

Не менее разнообразны модификации у животных. Известны изменения телосложения рыб в зависимости от характера водоема. Так, например, в озерах и медленных реках (т.е. в крупных водоемах) караси более крупные и округлые. В прудах и малых болотистых озерках рыбы значительно мельче, и тело у них удлиненное.

У кур под влиянием длины светового дня изменяется яйценоскость; у крупного рогатого скота и лошадей при больших физических нагрузках увеличивается объем мышц, объем легких, усиливается кровообращение.

Особый интерес представляет модификационная изменчивость у человека. Для ее оценки используется очень эффективный близнецовый метод . Исследования, выполненные на двойнях, продемонстрировали огромную роль наследственности в развитии организма. Однояйцовые близнецы, воспитывавшиеся в разных условиях, обладают поразительным физическим и психологическим сходством, хотя различия в воспитании, конечно, накладывают отпечаток на их интеллектуальные способности и поведение.

В большинстве случаев модификация представляет собой полезную приспособительную реакцию организма, т.е. носит адаптивный характер. Растения, растущие в тени, имеют крупную листовую пластинку, чтобы максимально улавливать солнечную энергию. В засушливой местности у растений, наоборот, уменьшается листовая пластинка, снижается число устьиц, утолщается эпидермис, т.е. появляются признаки, которые предохраняют растения от потери влаги.

Изменение окраски у многих насекомых, рыб, земноводных в зависимости от места обитания или имеет защитную функцию или, наоборот, помогает подстерегать добычу. У человека загар — защитная реакция против инсоляции.

Адаптивный характер обычно присущ модификациям, которые вызываются воздействием обычных средовых факторов. Если же организм попадает под действие необычного фактора или же резко увеличивается интенсивность обычного, то могут возникать неадаптивные модификации, часто имеющие характер уродств. Такие изменения называют морфозами . Они часто возникают под действием химических веществ и облучения. Например, при облучении семян из них вырастают проростки со сморщенными листьями, с разными по форме семядолями, с неравномерной зеленой окраской. У дрозофилы при облучении иногда развиваются настоящие монстры.

У растений морфозы часто возникают в результате избытка или недостатка в почве какого-либо вещества, чаще всего микроэлемента. Так, недостаток меди вызывает сильное кущение зерновых. При этом соцветия не выходят из листовых оберток и засыхают. У мальков рыб, развивающихся в воде с примесью хлористого лития, образуется только один расположенный посредине глаз.

Некоторые модификации, возникающие под действием облучения, экстремальных температур и других сильнодействующих факторов, имитируют специфические мутации. Так, под влиянием температурного шока, которому подвергались куколки дрозофилы, появились мухи с загнутыми крыльями, вырезкой на крыльях, короткими крыльями, неотличимые от мух некоторых мутантных линий. Такие модификации носят название фенокопий .

Адаптивный характер модификаций обусловлен нормой реакции генотипа, которая позволяет изменяться признаку без нарушения структуры соответствующего гена (т.е. без мутирования). Чем шире норма реакции, тем выше адаптационный потенциал особи, популяции или вида.

В отличие от мутаций, модификации обладают разной степенью стойкости. Многие модификации исчезают вскоре после того, как перестает действовать вызвавший их фактор (например, загар). Другие могут сохраняться на протяжении всей жизни особи. Например, люди, переболевшие в детстве рахитом из-за недостатка витамина D, могут на всю жизнь остаться кривоногими.

Иногда имеет место последействие модификаций. Так, у млекопитающих потомки, выношенные истощенной матерью, мельче и слабее нормальных. Однако это влияние быстро исчезает, если устраняется фактор, вызвавший у матери модификацию.

Очень редко модификации сохраняются на протяжении нескольких поколений. Это наблюдается только при вегетативном или партеногенетическом размножении. Длительные модификации описаны у одноклеточных водорослей и простейших. Например, устойчивость к повышенной концентрации мышьяка у инфузории туфельки сохранялась в течение 10,5 месяцев, после чего снижалась до исходного уровня. Механизм длительных модификаций не совсем ясен.

Изменчивость, её виды. Характеристика модификационной изменчивости, примеры

Изменчивость организмов проявляется в разнообразии особей (одного вида, породы или сорта), отличающихся друг от друга по комплексу признаков, свойств и качеств. Причины тому могут быть разными. В одних случаях данные различия (при одинаковых генотипах у организмов) определяются условиями среды, в которых происходит развитие особей. В других - различия обусловлены неодинаковыми генотипами организмов. На основании этого выделяют два типа изменчивости: ненаследственную (модификационную, фенотипическую ) инаследственную (генотипическую ).

Модификационная (фенотипическая) изменчивость заключается в том, что под действием разных условий внешней среды у организмов одного вида, генотипически одинаковых, наблюдается изменение признаков (фенотипа). Изменения эти индивидуальны и не наследуются, т. е. не передаются особям следующих поколений. Рассмотрим проявление подобной закономерности на нескольких примерах.

В одном из опытов корневище одуванчика разрезали вдоль острой бритвой и высадили половинки в разных условиях - в низине и в горах. К концу сезона из этих проростков выросли совершенно не похожие друг на друга растения. Первое из них (в низине) было высоким, с большими листьями и крупным цветком. Второе, выросшее в горах, в суровых условиях, оказалось низкорослым, с мелкими листьями и цветком (рис. 1).

Генотип у этих двух растений абсолютно идентичен (ведь они выросли из половинок одного корневища), но их фенотипы существенно различались в результате разных условий произрастания. Потомки этих двух растений, выращенные в одинаковых условиях, ничем не отличались друг от друга. Следовательно, фенотипические изменения не наследуются.

Рис. 1. Изменение одуванчика под влиянием внешних условий среды (по Боннье): à - растение, выращенное в низине; á - в горах; оба растения - отводки одной особи

Биологическое значение модификационной изменчивости заключается в обеспечении индивидуальной приспособляемости организма к различным условиям внешней среды.

Рассмотрим другой пример. Представим себе, что два брата, однояйцовых близнеца (т. е. с идентичными генотипами) выбрали еще в детстве разные увлечения: один посвятил себя тяжелой атлетике, а другой - игре на скрипке. Очевидно, через десяток лет между ними будет наблюдаться существенное физическое различие. И также ясно, что у спортсмена его новорожденный сын не родится с «атлетическими» признаками.

Изменения фенотипа под воздействием условий внешней среды могут происходить не беспредельно, а только в ограниченном диапазоне (широком или узком), который обусловлен генотипом. Диапазон, в пределах которого признак может изменяться, носит название нормы реакции . Так, например, признаки у коров, учитываемые в животноводстве, - удойность (т. е. количество вырабатываемого молока) и жирность молока - могут изменяться, но в разных пределах. В зависимости от условий содержания и кормления животных удойность варьируется существенно (от стаканов до нескольких ведер в сутки). В данном случае говорят о широкой норме реакции. А вот жирность молока очень незначительно колеблется в зависимости от условий содержания (всего на сотые доли процента), т. е. этот признак характеризуется узкой нормой реакции.

Итак, условия внешней среды обусловливают изменения признака в пределах нормы реакции. Границы же последней продиктованы генотипом. Следовательно, изменения самой нормы реакции могут произойти только в результате изменения генотипа (т. е. в результате генотипической изменчивости).

2.49. Комбинативная изменчивость и её механизм

Комбинативная изменчивость имеет две основные составляющие; 1) случайное, равновероятное расхождение хромосом в мейозе (оно обеспечивает перекомбинацию родительских хромосом и служит цитологическим обоснованием закона свободного комбинирования, сформулированного Г. Менделем) и 2) рекомбинация сцепленных генов, локализованных в гомологичных хромосомах. В более узком смысле под рекомбинацией подразумевают перекомбинацию генов, и потому предпосылкой для нее, в частности, и для комбинативной изменчивости вообще, является гетерозиготность организма по одному или более генам. Эта гетерозиготность, а следовательно, и рекомбинация возникают у эу- и прокариот разными путями: для их реализации у прокариот существуют конъюгация, трансформация и транедукция, а также - совместная инфекция (у вирусов). У эукариот гетерозиготность обеспечивается диплоидностью генома, а сама рекомбинация может происходить как в половых, так и в соматических клетках. Результатом рекомбинации в конечном итоге является перенос участков ДНК с одной молекулы на другую. В случае реципрокной рекомбинации этот перенос - взаимный, а при нереципрокной - односторонний.

Существуют два подхода к изучению процесса рекомбинации . Первый из них, классический, анализирует наследование признаков и, если признаки имеют тенденцию наследоваться совместно, оценивает степень их сцепления, или частоту рекомбинации между соответствующими локусами. Этот подход возник в «домо-лекулярное» время и представляет собой статистический анализ наблюдаемого расхождения признаков при передаче их последующим поколениям. Второй подход к изучению генетической рекомбинации, молекулярный, направлен на анализ тонких механизмов этого процесса. Хотя для обоих подходов предметом исследования является один и тот же процесс, само понятие генетической рекомбинации неоднозначно.

Можно выделить три типа рекомбинации :
общую (происходит между гомологичными последовательностями ДНК; это - рекомбинация между гомологичными хроматидами в мейозе, реже - в митозе);
сайт-специфическую (затрагивает молекулы ДНК, характеризующиеся ограниченным структурным сходством, и наблюдается при интеграции фагового генома и бактериальную хромосому);
незаконную (происходит во время транспозиции, не основанной на гомологии последовательностей ДНК).