Каріотипування використовують не лише в генетиці людини. Так, його часто застосовують для ідентифікації так званих видів-двійників. Наприклад, багато видів малярійних комарів практично не відрізняються один від одного зовнішньо, але значно різняться будовою хромосом. Визначення таких видів має практичний інтерес, оскільки не всі види є переносниками малярійного плазмодія1.
Полімеразна ланцюгова реакція — спосіб «розмножити» ДНК
1983 року американський біохімік Кері Мулліс запропонував метод здійснення реплікації специфічної ділянки ДНК у пробірці — полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР). Перед реплікацією дволанцюгові молекули ДНК «розплітаються» під час нагрівання на одноланцюгові, а далі на них за допомогою термостабільної ДНК-полі- мерази синтезуються нові комплементарні ланцюги ДНК. У результаті 20–30 таких циклів розплітання-синтезу можна за короткий період (близько години) синтезувати мільйони копій з одного-єдиного фрагмента ДНК просто в пробірці (рис. 39.2).
ПЛР відкриває безліч можливостей. З одного боку, дослідник може отримати велику кількість копій ділянки ДНК, яка його цікавить, що полегшить йому роботу із цим фрагментом, наприклад, його секвенування (дивися далі). З другого боку,
можна визначити, чи є шукана ділянка ДНК у пробі, |
|
що нас цікавить. Так, наприклад, можна здійснити |
|
ПЛР у такий спосіб, що відбуватиметься синтез лише |
1 |
ділянки ДНК, специфічної для збудника холери. Тоді |
|
синтез нових копій ДНК відбуватиметься, лише якщо |
|
в досліджуваній пробі є ДНК хвороботворної бактерії. |
2 |
Отож можна просто та швидко визначати наявність |
|
інфекцій у воді, крові чи клітинах. |
3 |
|
|
Для виявлення точкових мутацій потрібне |
|
|
|
|
секвенування нуклеїнових кислот |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Визначення генних мутацій, що викликають спад- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кові захворювання, складніше. Найочевидніший ме- |
5 |
|
|
|
тод пошуку точкової мутації — це «прочитати» по- |
|
|
|
|
слідовність нуклеотидів у певному фрагменті, що, |
Рис. 39.2. Копіювання ДНК |
|
можливо, містить мутацію. Таке визначення послідов- |
під час ПЛР |
|
ності нуклеотидів має назву секвенування нуклеїно- |
1. Новий ланцюг. 2. Після |
|
вих кислот. Перший метод секвенування запропону- |
|
першого циклу (2 копії). |
|
вав англійський біохімік Фредерік Сенгер у 1977 році. |
|
3. Після другого циклу |
|
Початково завданням секвенування було визначення |
(4 копії). 4. Після третього |
|
послідовності генів, але досить швидко цей процес |
циклу (8 копій). 5. Після |
|
було автоматизовано та використано для визначен- |
четвертого циклу (16 копій). |
|
ня послідовностей повних геномів. У 2003 році було |
|
|
|
|
опубліковано повністю секвенований людський геном. |
|
|
|
1Річ у тім, що рід Малярійні комарі налічує понад 400 видів, але тільки деякі з них є переносниками малярії. Однак усіх комарів цього роду називають малярійними. А для епідеміологів важливо визначати саме небезпечні види комарів.
ДНК 
А 
Б
Гібридизація |
|
Мічення ДНК |
|
флуоресцентним |
|
барвником |
|
|
Флуоресцентне |
Рис. 39.3. Флуоресцентна гібридизація |
світіння |
|
А. Методика. Б. Хромосоми з фрагментами, що світяться, у інтерфазі (ліворуч) та метафазі (праворуч) клітинного циклу.
Нині розшифровано геноми кількох десятків тисяч організмів (докладніше у доповненні VIII). Знання повних послідовностей генів і геномів дає змогу пролити світло на особливості їхньої будови та функціонування. Крім того, порівнюючи геноми різних організмів між собою, можна краще зрозуміти історичні зв’язки між ними та механізми еволюційних перетворень у живій природі (про це йтиметься в § 44).
Для пошуку порушень хромосом використовують флуоресцентну гібридизацію
Сучаснішим і точнішим методом пошуку хромосомних порушень є
флуоресцентна гібридизація. У цьо-
му методі використовують одноланцюгові фрагменти ДНК, мічені флуоресцентним барвником1. Мічена ДНК має послідовність, що відповідає порушенню в структурі хромосоми (делеції, інверсії чи транслокації). Якщо послідовність міченої ДНК відповідає певному фрагменту ДНК клітини, то вони зв’язуються — гібридизуються. Далі під флуоресцентним мікроскопом за наявністю світіння фрагмента під певним освітленням можна визначити, чи відбулася гібридизація та чи є шуканий фрагмент у геномі клітини (рис. 39.3).
Генна терапія — спроба позмагатися з природою
Рис. 39.4. Використання |
модифікованих вірусів для |
генної терапії спадкових |
захворювань |
1. Цитоплазма. 2. Ядро. |
3. Функціональний ген. |
4. Вірус-носій. 5. Ендоцитоз |
вірусу-носія. 6. Вивільнення |
3 |
вірусу-носія |
4 |
з везикули. |
7. Потрапляння |
|
функціонального |
|
гена до ядра. |
|
5 |
|
6 |
1 |
2 |
|
|
7 |
Однією з гілок генетичних технологій є генетична модифікація людини з метою лікування генетичних захворювань — генна терапія. Значна частина генних захворювань пов’язана з тим, що в людини відсутній функціо нальний алель певного гена. Таку проблему можна розв’язати, штучно вводячи в людські клітини робочий ген (рис. 39.4). Зазвичай генну терапію проводять шляхом інфікування людини
1Флуоресценція — це здатність речовини випромінювати власне світло при освітленні. Так, флуоресцентні фарби чи тонік світяться при освітленні їх ультрафіолетом.
видозміненим вірусом: замість своєї нуклеїнової кислоти він несе ген людини. Цей ген потрапляє в ядро клітини, вбудовується в геном і починає там працювати замість дефектного гена. Таким чином, вдалося використати зброю,спрямовану проти нас — механізми вірусної атаки — для лікування нас самих. На сьогодні генну терапію вже використовують для лікування деяких генетичних і ракових захворювань. Детальніше про генну терапію ви дізнаєтеся з § 62.
Поміркуймо
Знайдіть одну правильну відповідь
1Для визначення синдрому Дауна найзручніше використовувати
А каріотипування |
Б флуоресцентну гібридизацію |
В секвенування |
Г ПЛР |
Д схрещування |
2Для пренатального каріотипування беруть клітини
А власне ембріона |
Б плаценти |
В матки |
Г оболонки навколоплідного міхура |
Д пуповини |
3Вірус, що містить людський ген замість своєї нуклеїнової кислоти,
А переносить ген людини до клітини Б проникає до клітини у вигляді білка В використовується для каріотипування
Г повністю руйнується в цитоплазмі одразу після проникнення в клітину Д постійно утворюється в ракових клітинах
4У результаті генної терапії в геномі перебувають щонайменше два різні
алелі одного гена. З них правильно функціонує А вихідний Б уведений В кожен Г жоден Д мутантний
Сформулюйте відповідь кількома реченнями
5 |
Навіщо для флуоресцентної гібридизації |
використовують мікроскоп? |
|
У чому особливість роботи цього мікроскопа |
порівняно зі світловим? |
6Чому для ПЛР використовують термостабільну полімеразу?
7Один зі способів визначення вірусу імунодефіциту людини — це ПЛР із пробою крові. Як за допомогою цього методу знаходять ВІЛ в аналізі крові?
8Чому саме вірус обрано як засіб доставки цільових генів до клітин?
Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи
9Як здійснити ПЛР із РНК?
10Чи обов’язково для генної терапії використовувати вірус як носій гена? Чи можна ввести потрібний ген іншими способами?
Дізнайся самостійно та розкажи іншим
11Як метод ПЛР застосовують у медицині, криміналістиці та судовій практиці?
12Як, порівнюючи нуклеотидні послідовності одного гена, можна дізнатися про еволюційну спорідненість організмів?
Biology is the science. Evolution is the concept that makes biology unique.
Jared Diamond
РОЗДІЛ 6
Еволюція органічного світу
§ 40. Популяція
Чисельність, щільність і розподіл особин — статичні характеристики популяції
Популяція — це сукупність особин одного біологічного виду, певною мірою ізольована від інших подібних сукупностей. Під словами «певною мірою» мається на увазі, що схрещування між особинами, що належать до однієї популяції, більш імовірне, ніж схрещування між особинами з різних популяцій.
|
|
Пояснимо сказане прикладом. При- |
Озеро 1 |
|
пустімо, що є два озера, у яких мешкає |
Озеро 2 |
певний вид риб (рис. 40.1). Ці озера не |
|
|
з’єднані одне з одним, тому риби, що на- |
|
|
селяють їх, не можуть схрещуватись між |
|
|
собою. Тоді ми можемо стверджувати, що |
|
|
в кожному озері існує своя популяція. Такі |
|
|
популяції, особини яких не можуть схре- |
Рис. 40.1. Репродуктивно ізольовані |
щуватися між собою, називають репро- |
популяції риб |
|
дуктивно ізольованими. |
|
|
У природі ситуація зазвичай складні- |
|
|
ша. Між популяціями є певний обмін осо- |
|
|
бинами, але його рівень не перевищує |
якогось критичного значення. При цьому ймовірність схрещування особин, що належать до різних популяцій, менша, ніж імовірність схрещування особин усередині однієї популяції.
Припустімо тепер, що між нашими озерами є невеличкий канал, яким риби можуть плавати (рис. 40.2). Тоді відбуватиметься схрещування особин, народжених у різних озерах. Але якщо ймовірність того, що риба знайде собі партнера зі свого озера, вища за ймовірність знайти партнера з іншого озера, то можна говорити про наявність двох популяцій. А от якщо
|
|
ці ймовірності однакові, тоді обидва озера |
|
З’єднувальний |
населені однією популяцією риб. |
|
канал |
Розглянемо, як можна схарактеризу- |
|
|
вати кожну з наявних популяцій. Перше, |
|
|
що спадає на думку, — це чисельність |
|
|
популяції. Популяції відрізняються одна |
Озеро 1 |
Озеро 2 |
від одної кількістю особин, що входять |
Рис. 40.2. Популяції риб в озерах, |
до їх складу. Так, популяція амурських |
з’єднаних каналом |
|
тигрів, які мешкають уздовж берегів річок |
|
|
Амур та Уссурі, складається щонайменше |
з 500 особин, а чисельність однієї зграї перелітної сарани може перевищувати 50 млрд особин. Багато чинників впливає на кількість особин у популяції. Як прави-
ло, популяції хижаків менші за популяції рослиноїдних тварин, а популяції великих тварин — менші, ніж дрібних.
Ще однією характеристикою популяції є щільність. Вона залежить від того, скільки організмів цього виду мешкає на території, яку займає популяція. Щільність завжди має максимальне та мінімальне значення. Якщо організмів
у популяції стає забагато, то ресурсів (їжі, |
|
|
|
|
|
|
води, місця тощо) усім не вистачає, і по- |
|
|
|
|
|
|
чинається вимирання від голоду. Якщо ж |
|
|
|
|
|
|
щільність надто низька, то ймовірність зу- |
А |
|
Б |
|
|
В |
стрічі та плідного схрещування настільки |
Рис. 40.3. Типи розподілу особин |
|
мала, що в популяції смертність переви- |
у просторі |
|
|
|
|
|
щує народжуваність, і популяція вимирає. |
А. Випадковий. Б. Рівномірний. |
|
Тому в більшості популяцій чисельність |
В. Груповий. |
|
|
|
|
|
і щільність підтримуються на певному оптимальному рівні.
Усередині популяції особини можуть бути розподілені по-різному. Цей розподіл пояснюється особливостями фізіології
та поведінки організмів. Найпоширенішими є три типи розподілу особин у просторі:
випадковий, рівномірний і груповий (рис. 40.3).
Подібні розподіли особин зручно інтерпретувати в термінах «притягування» та «відштовхування»1. Якщо притягування та відштовхування врівноважують одне одного, то результатом є випадковий розподіл особин у просторі. Характерний приклад — розподіл кульбаб на лузі. Якщо відштовхування між особинами переважає притягування, то особини в просторі розподілені рівномірно. Це характерно, наприклад, для тигрів, коли кожна тварина має свою територію, яку вона охороняє від інших особин. Нарешті, якщо притягування переважає відштовхування, то це груповий розподіл, який ми можемо спостерігати в косяках оселедців і зграях сарани. Для цих організмів груповий розподіл забезпечує кращий захист від хижаків, захист молодняку, ефективніше використання ресурсів.
Ще однією важливою характеристикою є статева структура популяції, яка виявляється у співвідношенні в популяції особин різних статей (самців, самиць та гермафродитів) різного віку. У популяціях більшості роздільностатевих тварин співвідношення самців і самиць приблизно 1:1. У деяких ґрунтових круглих червів популяція представлена гермафродитами та самцями. В окремих випадках у популяціях явно переважають самиці (коралові риби, більшість ссавців), в інших — самці (птахи, змії)2.
При цьому співвідношення статей може з часом змінюватися: у багатьох опосумів і сумчастих мишей самці гинуть після бурхливого шлюбного періоду, і вся популяція складається з вагітних самиць. У планктонних ракоподібних більшу частину року популяція представлена самицями, що розмножуються партеногенезом, а в критичні періоди (осінь, засуха) в популяції з’являються самці.
Динамічні характеристики популяції описують її зміни
Параметри популяції, такі як чисельність, щільність, статева структура, з часом можуть змінюватися. Чисельність популяції може змінюватися в результаті
1Звісно, йдеться не про якісь фізичні сили взаємодії між особинами. Це просто зручні терміни, що їх ми використовуємо для опису взаємин.
2Для особин із хромосомним визначенням статі діє правило: гомогаметна стать зазвичай кількісно переважає гетерогаметну. Так, у ссавців гомогаметною є жіноча стать, а в птахів — чоловіча. Можливо, це пов’язано з підвищеною смертністю особин гетерогаметної статі: чоловіки набагато частіше схильні до таких захворювань, як гемофілія та дальтонізм. У людей, однак, кількісна перевага жінок над чоловіками невелика.
217
Час
Час
|
Г |
Час |
|
Чисельність |
|
|
|
|
Час |
|
|
Рис. 40.4. Типи популяційної |
|
|
динаміки |
дії різних чинників. По-перше, це співвідношення народжуваності та смертності. Причини смертності можуть бути як внутрішні (старіння), так і зовнішні (хижаки, хвороби, брак ресурсів). Зазвичай надмірне збільшення щільності популяції призводить до зменшення народжуваності (наприклад, пригнічується шлюбна поведінка) і зростання смертності через хвороби та активізацію хижаків. Іншим важливим чинником, що регулює кількість особин у популяції, є міграції. При цьому варто розрізняти еміграцію (відтік особин із популяції) та імміграцію (приплив нових особин до популяції). Багато організмів, коли їхня чисельність значно зростає, вдаються до міграцій у пошуках нових ресурсів. Такі, наприклад, лемінги (дрібні гризуни) та багато комах.
Співвідношення народжуваності, смертності, еміграції та імміграції визначає тривалі зміни чисельності популяції, їх називають популяційною дина-
мікою.
Важливою характеристикою популяційної ди-
наміки є природний приріст популяції, який вира-
жається формулою: природний приріст (за одиницю часу) = частка народжених – частка померлих + частка іммігрантів – частка емігрантів.
Якщо природний приріст популяції дорівнює нулю, то чисельність популяції не змінюється, більше нуля — зростає, менше — зменшується.
Є кілька типів популяційної динаміки, що спостерігається в природі (рис. 40.4).
|
А. Експоненціальне |
Експоненціальне зростання. Спостерігається, |
|
коли природний приріст не залежить від щільності |
|
зростання. Б. Логістичне |
|
популяції. Зазвичай він характерний для молодих |
|
зростання. В. Періодичні |
|
популяцій, що займають нові місця проживання, коли |
|
коливання чисельності. |
|
Г. Хаотичні коливання |
ресурси чи хижаки не обмежують збільшення попу- |
|
чисельності. |
ляції. Крива залежності чисельності популяції від |
|
|
часу є графіком показникової функції. |
|
|
Логістичне зростання. Спостерігається, якщо |
|
|
природний приріст популяції зменшується обернено |
пропорційно до чисельності: що більша популяція, то повільніше вона зростає. Таке зростання характерне для більшості хребетних тварин. Починаючи з деякої чисельності, приріст популяції починає зменшуватись і стає нульовим. Густина популяції досягає постійного значення, коли кількість народжуваних і кількість померлих за одиницю часу врівноважують одна одну.
Періодичні коливання чисельності популяції. Іноді популяція того чи того виду зазнає періодичних коливань чисельності. Зазвичай це зумовлено дією зовнішніх сил: сезонних змін клімату, хижацтва. Альфред Лотка та Віто Вольтерра довели, що в системі «хижак-жертва» неодмінно виникають періодичні коливання чисельності хижака та жертви.
Хаотична поведінка чисельності популяції. Іноді чисельність популяції піддається випадковим, неперіодичним коливанням. Таку динаміку виявляють по-
Рис. 40.5. У першому озері живуть риби з червоними й безбарвними плавцями, а в другому — тільки з безбарвними
пуляції багатьох комах, зокрема сарани. |
|
|
Протягом багатьох років чисельність може |
Озеро 1 |
Озеро 2 |
залишатися дуже низькою, а потім відбу- |
|
|
ваються раптові популяційні спалахи. Пе- |
|
|
редбачення таких спалахів допомогло б |
|
|
боротися зі шкідниками, однак це складне |
|
|
практичне та теоретичне завдання. |
|
|
Генофонд популяції
Повернемося до наших озер, але тепер звернімося до генетики. Припустимо, щоврибєген,відповідальний,наприклад, за забарвлення плавців. Алель А відпові-
дає за червоний колір плавців, а алель а — за безбарвні плавці. Нехай тепер у риб із першого озера наявні обидва алелі, а в риб із другого — лише алель а. Неважко дійти висновку, як виглядатимуть риби в цих озерах: у першому будуть риби і з червоними, і з безбарвними плавцями, а в другому — лише з безбарвними (рис. 40.5).
Якщо врахувати те, що озера не з’єднані одне з одним і риби не можуть перетнути суходільний кордон між озерами, то носії алеля А не можуть потрапити з першого озера до другого, а отже, у другому озері не буде риб із червоними плавцями. Тут ми доходимо важливого висновку: набори та співвідношення алелів у різних популяціях різняться. Унікальний набір алелів кожної популяції нази-
вають генофондом.
Нехай обидва озера з’єднані невеличким водним каналом. Тепер риби можуть проплисти цим каналом і потрапити до другого озера, але вважатимемо, що цей потік особин незначний. Тоді алелі А можуть «перетікати» до другого озера разом із рибами, що мігрують. Таке явище називають потік генів. Потік генів дає підстави об’єднати популяції в одну сукупність — біологічний вид. Популяції, що тривалий час репродуктивно ізольовані, накопичуватимуть відмінності, а це в результаті може привести до виникнення нових видів.
Поміркуймо
Знайдіть одну правильну відповідь
1Серед наведених біологічних систем гірського озера Синевир популяцією є
А саме озеро |
Б |
фауна озера |
В усі риби озера |
Г струмкова форель озера |
Д |
прибережна рослинність озера |
2Групова структура популяції характерна для таких організмів, як
А сарана, тигр, антилопа |
Б |
антилопа, ластівка, сосна |
В оселедець, шпрот, сарана |
Г |
дельфін, ромашка, пліснявий гриб |
Д папороть, слон, пінгвін |
|
|
3Обмеження максимальної щільності популяції пов’язане з А низькою ймовірністю схрещування
Б обмеженістю обсягу генофонду |
|
В браком самців |
Г надлишком самиць |
Д браком ресурсів |
4Якщо на початку року в популяції було 100 особин, за рік народилося 15, померло 20, іммігрувало 3, а емігрувало 2 особини, то природний приріст
популяції становить
А –96 % Б –4 % В 4 % Г 96 % Д 104 %
51859 року в Австралії на волю було випущено 24 кролики. За 10 років кро-
лів стало так багато, що відлов навіть 2 мільйонів кролів на рік суттєво не впливав на популяцію. Тобто впродовж 10 років для кролів був характерний такий тип популяційної динаміки, як
А |
експоненціальне зростання |
Б логістичне зростання |
В |
періодичні коливання |
Г хаотичні коливання |
Д переважання імміграції над еміграцією
Сформулюйте відповідь кількома реченнями
6За яких умов популяції будуть репродуктивно ізольованими?
7Чому критерієм ізольованості популяції є ймовірність схрещування зі «своїми» або «чужими» особинами?
8Схарактеризуйте чинники, завдяки яким відбудеться вирівнювання народжуваності та смертності в разі логістичного зростання популяції.
9Чи може одна популяція мати різні типи популяційної динаміки на різних етапах свого існування?
10Чому чисельність популяції жертви залежить від чисельності популяції хижака та навпаки?
Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи
11Поміркуй, якими способами можна визначити кількість риб у великому озері, кількість квіток на галявині чи кількість бактерій у грудочці ґрунту?
12Як пояснити те, що популяції хижаків менші за чисельністю від популяцій рослиноїдних організмів?
Дізнайся самостійно та розкажи іншим
13Чи обов’язково популяціям для репродуктивної ізоляції бути розділеними територіально? Які ще механізми ізоляції можливі?
14Як залежить частота зустрічності алелів одного гена від часу в генофондах ізольованих популяцій?
Проект для дружної компанії
15Дослідження популяційної динаміки людей свого регіону (міста, району, області, країни).
1)Обчисліть природний приріст для населення вашого регіону, врахувавши народжуваність, смертність, імміграцію та еміграцію.
2)Зберіть дані про зміни чисельності населення свого регіону в попередні роки.
3)Побудуйте графік змін та визначте, якому виду популяційної динаміки він відповідає найбільше. Спробуйте пояснити отриману залежність чисельності від часу з огляду на соціально-економічні причини.
