В ходе дискуссии были высказаны следую­щие точки зрения:

а) сначала возникло матричное копирование гене­тического материала и лишь затем — ферментатив­ные реакции обмена веществ;

б) сначала возник обмен веществ и лишь затем — копирование наследственного материала;

в) то и другое возникло одновременно. Приведите доводы в пользу каждой из трех точек

зрения. Какая из них, по-Вашему, наиболее вероятна? (Вопросы для районных олимпиад Москвы, 1984 г.)

18. Всякое ли изменение последовательности нуклеотидов в ДНК сказывается на структуре и функции белков? Если да, то почему? (ШБО, 10 кл., 1987 г.)

Ответ. Участками ДНК, изменение которых не вызвало бы изменения структуры и функций белка, мо­гут быть так называемые «некодирующие последова­тельности». Например, такие последовательности состав­ляют около 90% генома человека, и их функции пока остаются неизвестными — они не кодируют ни один бе­лок.

Другой пример таких участков — гены, кодирующие не белки, а рибосомные или транспортные РНК. Изме­нение в кодирующей последовательности таких генов не вызовет каких-либо изменений в структуре белка. При этом, если т-РНК утратит способность переноса соответствующей аминокислоты, это в конечном счете скажется на структуре и функциях белка.

Возможен еще один случай: изменение могло прои­зойти во внутренних, некодирующих последовательно­стях генов эукариот (так называемых интронах). При транскрипции интроны вырезаются из РНК — в этом состоит процесс сплайсинга. Матричная РНК, прошед­шая сплайсинг, содержит только кодирующие последо­вательности. Изменения в интронах, следовательно, мо­гут не повлиять на структуру и функции белка.

Учитывая особенности генетического кода, можно найти еще одну возможность осуществления данных условий: некоторые аминокислоты кодируются несколь­кими триплетами, и часто третий нуклеотид не имеет существенного значения при узнавании триплета тран­спортной РНК (например, замена А — Г в триплете АГА на АГГ не изменит кодируемую аминокислоту — аргинин).

В некоторых случаях аминокислотные замены могут и происходить, но не приводить к существенному изме­нению структуры и функций белка. Случай, когда такое изменение все же происходит, разобран для серповидно­клеточной анемии.

19. Какое биологическое значение имеет повторе­ние идентичных генов в одной хромосоме? Как такое повторение может возникнуть? (ШБО, 10 кл., 1982 г.)

Ответ. Продукты довольно многих генов нужны в клетке в большом количестве, но обычно при этом вполне достаточно одной копии такого гена. Ведь с нее можно «списать» много копий информационной РНК, а по каж­дой из этих РНК построить много молекул белка. Для тех генов, которые кодируют не белок, а РНК (рибосом- ную, транспортную), такой механизм «усиления» в пол­ной мере не работает, поэтому они представлены в клетке большим количеством копий. Иногда какого-то белка нужно не только много, но и к определенному сроку.

Так, белки, участвующие в укладке ДНК, срочно необ­ходимы к началу репликации ДНК, а до этого будут только «мешать». В этом случае такие способы «усиле­ния» оказываются слишком медленными, поскольку с одного гена одновременно можно «списать» лишь огра­ниченное количество информационных РНК, а по од­ной информационной PHK_t можно одновременно стро­ить лишь ограниченное количество молекул белка. В этом случае тоже потребуется иметь несколько ко­пий гена.

Часто указывают также, что целью повторения иден­тичных генов может быть большая надежность (если будет повреждена одна из копий, то другие продолжат функционировать). Это не вполне корректно с эволюци­онной точки зрения. Ведь пока сохраняется хотя бы одна работающая копия, в остальных беспрепятственно могут накапливаться мутации, нарушающие функции белка. Но если в этом случае образуется белок, способ­ный выполнять какие-то новые функции или обладаю­щий более ценными свойствами, то такое повторение генов может послужить эволюции.

Как же может возникнуть повторение идентичных генов в одной хромосоме? Самый простой путь — ошиб­ки в ходе кроссинговера. Обычно кроссинговер обмени­вает точно соответствующие друг другу участки гомо­логичных хромосом. При нарушении кроссинговера в одной из гомологичных хромосом после обмена может не хватать какого-то участка, а в другой он будет повто­рен два раза. У нового поколения может произойти еще один неравный кроссинговер и т. д.

Возможно также и встраивание не связанной с хромо­сомой молекулы ДНК в участок со сходной последова­тельностью нуклеотидов. Такая молекула может быть результатом обратной транскрипции, то есть построения ДНК, комплементарной той информационной РНК, ко­торая ранее была считана с этого гена. Существуют и дру­гие пути появления в клетке подобных молекул.

20. На далекой Амазонке было открыто большое племя, полностью изолированное от внешнего мира. Исследователь определил группы крови системы MIN (М и N — два кодоминантных аллеля одного гена) у 100 членов племени. У него получилось:

генотип ММ MN NN

80 Человек 20 человек 0 человек

Исследователь решил, что на далекой Амазонке люди с генотипом NN не выживают. А что скажете Вы? (2 БМО МГУ и факультета физико-химической био­логии физтеха, далее — ФФХБ Физтеха.)

Ответ. Начнем решать эту задачу от противного. Пусть никакого отбора нет и гаметы каждого из роди­тельских аллелей беспрепятственно принимают участие в формировании следующего поколения. У 100 человек имеются 200 аллелей гена, определяющего эту группу крови. Поэтому частота аллеля М — 0,9; частота аллеля N — 0,1. Можно предположить, что образование роди­тельских пар не зависит от этой группы крови. Тогда, поскольку племя большое и случайные колебания не должны сильно влиять на частоты разных аллелей и типов скрещивания, частота встреч двух гамет с аллелем N и образования генотипа NN — 0,01. Это один человек из 100, в выборку из 100 человек такой генотип мог не попасть по случайным причинам.

Те, кто знаком с законом Харди — Вайнберга, могут доказать, что оговоренные выше условия совпадают с теми, при которых выполняется этот закон. Частоты аллелей и генотипов в следующем поколении при этом не меняются. Выразить частоты всех генотипов через частоты аллелей можно, исходя из сказанного ранее.

21. Князь Задунайский — последний в своем роде. Князья Задунайские обязательно женятся и имеют двоих детей. Их дочери, выйдя замуж, всегда меняют фамилию. Какова вероятность того, что фамилия Задунайских еще будет существовать в следующем поколении? Через одно поколение? Какое явление из области генетики популяций моделирует эта си­туация? В чем его отличие от этой ситуации? (1 БМО)

Ответ. Фамилия Задунайских пресечется уже в сле­дующем поколении, если в семье родятся две девочки, вероятность чего 1/2²=1/4 Сохранится она в следующем поколении с вероятностью . Если оба князя Задунай­ских мальчики (вероятность 1/4), то через поколение

фамилия пресечется только в том случае, если две де­вочки родятся у обоих (вероятность чего 1/16 ). Общая

вероятность такого хода событий - 1/64.

Если у князя будет всего один сын (вероятность 1/2), то фамилия Задунайского пресечется через поколение с вероятностью 1/4. Общая вероятность такого хода со­бытий - 1/8.

Во всех остальных случаях фамилия будет существо­вать и через поколение. Вероятность этого можно под­считать как 1 — [1/4 = (1/64 + 1/8) ] = 39/64.

Более сложный анализ показывает, что вероятность сохранения этой фамилии в ряду поколений стремится к нулю.

Как и любая другая, эта модель может описывать самые разные и непохожие на нее внешне явления, на­пример распространение и затухание эпидемии. Но, по­жалуй, самый важный случай — это судьба единичной мутации, которая появилась в популяции, состоящей из нормальных особей. При этом (молчаливо) предполага­ется, что популяция бесконечно велика. Предполагается также, что нет отбора ни «за», ни «против» этой мутации и случайных вариаций размера семей, так как князья Задунайские всегда оставляют двух потомков (среднее количество, необходимое для сохранения размера попу­ляции). Эти, как и некоторые другие, здесь не оговорен­ные условия совсем не обязательно выполняются в реаль­ной популяции, хотя в некоторых случаях отклонения от модели могут быть пренебрежимо малы.

22. Растение-самоопылитель гетерозиготно (гено­тип Сс) и имеет окрашенные цветы (признак «окра­шенные цветы» — доминантный). Каково будет соот­ношение генотипов и соотношение потомков с окра­шенными и белыми цветами в пятом поколении? В