Биология. Тесты для школьников и абитуриентов. Пособие для учащихся учреждений общего среднего образования

Решение: расстояние между генами х вычисляем по формуле

= 8616301 100 % = 3,49 %.

Ответ: 3,49 морганид.

Задача 3.2. У дрозофилы рецессивный ген белоглазия w и ген уменьшенных крыльев m лежат в половой хромосоме. Сам-

ки с генотипом mw+ при скрещивании с белоглазым самцом, m+ w

имеющим уменьшенные крылья, дали в потомстве следующих сыновей: 168 – с уменьшенными крыльями и красными глазами; 170 – с нормальными крыльями и белыми глазами; 93 – с нормальными крыльями и красными глазами; 85 – с уменьшенными крыльями и белыми глазами.

Определить расстояние между генами w и m.

Решение: как и в предыдущей задаче, расстояние между генами определяем по формуле

Ответ: 34,49 морганид.

Задача 3.3. Гены D и F расположены в одной группе сцепления, расстояние между ними 6,4 морганиды.

Определить, какие типы гамет и в каком процентном соот-

ношении образуют особи генотипа DF.

df

Решение: у организма данного генотипа наблюдается неполное сцепление генов. Некроссоверные гаметы – DF и df, кроссоверные – Df и dF. Количество каждой из кроссоверных гамет будет 6,4 : 2 = 3,2 %, а каждой из некроссоверных – (100 − 6,4) : 2 = 46,8 %.

Ответ: гаметы DF и df – по 46,8 % , Df и dF – по 3,2 %. Задача 3.4. У кукурузы гладкие семена (А) доминируют над

морщинистыми (а), а окрашенные (В) – над бесцветными (b). Гены А и В локализованы в одной хромосоме на расстоянии

341

3,8 морганид. Скрещено растение с генотипом AB с гомозигот-

ab

ным растением, имеющим морщинистые бесцветные семена. Рассчитать (в %) количество растений с морщинистыми

окрашенными семенами.

Решение: из условия задачи ясно, что один родитель имеет генотип AB , второй – ab . Имея в виду, что гены формы и окрас-

ab ab

ки семян сцеплены, решаем, что первый родитель должен образовывать два типа гамет в равных количествах – АВ и аb; второй – только аb. Однако в условии задачи сказано, что расстояние между генами А и В равно 3,8 морганид. Это означает, что образуется 3,8 % кроссоверных гамет: 1,9 % Аb и аВ. Остальные 96,2 % гамет некроссоверные: 48,1 % АВ и 48,1 % аb. При слиянии этих гамет с гаметами второго родителя аb образуется потомство: 48,1% АаВb, 48,1 % ааbb, 1,9 % Ааbb и 1,9 % ааВb, т.е. 48,1 % растений с гладкими окрашенными семенами; 48,1 % – с морщинистыми неокрашенными; 1,9 % – с гладкими неокрашенными и 1,9 % – с морщинистыми окрашенными семенами.

Ответ: 1,9 %.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 3.5. Известно, что гены гемофилии и дальтонизма – рецессивные и локализованы в Х-хромосоме, расстояние между ними 9,8 морганид. Здоровая девушка, мать которой дальтоник, а отец – гемофилик, выходит замуж за здорового мужчину.

Определить, какова вероятность (в %) появления в этой семье сыновей, страдающих двумя заболеваниями одновременно.

Задача 3.6. У человека в аутосоме локус резус-фактора сцеплен с локусом, определяющим форму эритроцитов, и находится от него на расстоянии три морганиды. Мужчина (гетерозиготен по обоим признакам), имеющий положительный резус-фактор и эллиптоцитоз (эритроциты эллипсовидной формы), женился на женщине с отрицательным резус-факто- ром и нормальными эритроцитами. При этом резус-положи- тельность мужчина унаследовал от одного родителя, а эллиптоцитоз – от другого.

Определить процентное соотношение вероятных генотипов и фенотипов детей в этой семье.

342

Ответы к задачам

1.3.Рецессивный эпистаз; АаВb.

1.4.Доминантный эпистаз.

1.5.Комплементарность.

2.3.а) 25 % (все кошки); б) 50 % – «трехшерстные» (кошки)

и50 % – рыжие (коты).

2.4.1/8 или 12,5 %.

2.5.50 %.

3.5.4,9 %.

3.6.48,5 % резус-положительных с нормальными эритроцитами; 48,5 % резус-отрицательных с эллиптоцитозом; 1,5 % резус-положительных с эллиптоцитозом; 1,5 % резус-отрица- тельных с нормальными эритроцитами.

II. Примеры решения некоторых типов задач по экологии

1. Трофические уровни. Экологические пирамиды

Трофический уровень – это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания.

Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (продуценты), растительноядные животные – второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие растительноядных – третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов) и т.д.

В результате последовательности превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Она характеризуется количеством, размером и общей массой организмов – биомассой – на каждом уровне цепи питания.

Трофическую структуру обычно изображают в виде экологических пирамид. Различают три способа построения экологических пирамид.

1.Пирамида чисел (численностей) отражает численное соотношение особей разных трофических уровней.

2.Пирамида биомасс отражает соотношение масс организмов разных трофических уровней.

3.Пирамида энергии отражает величину потока энергии,

скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь.

343

Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может иногда составлять 30 % от предыдущего, но, чаще всего, – не более 10 %.

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал

правило пирамиды энергий (правило 10 %), согласно которому с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10 % энергии предыдущего уровня. Остальная энергия теряется в виде тепла, на движение и т.д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии, которая расходуется на поддержание их жизнедеятельности.

Например, если кролик съел 10 кг травы, то его собственная масса может увеличиться на 1 кг. Лисица или волк, поедая 1 кг крольчатины, увеличивают свою массу только на 100 г, а последующему хищнику остается только 10 г. Вот почему цепи питания не могут иметь более 4–6 звеньев, а экологические пирамиды не могут состоять из большого количества этажей.

Этому утверждению можно найти объяснение, проследив, куда тратится энергия потребленной пищи (С). Часть ее (Р) идет на построение новых клеток, т.е. на прирост. Часть энергии пищи (R) расходуется на дыхание, и, наконец, часть неусвоенной пищи (F) в виде экскрементов удаляется из организма. Балансовое равенство будет выглядеть следующим образом:

C = P + R + F.

Учитывая, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы, становится понятным, почему каждый последующий уровень всегда будет меньше предыдущего.

Задача 1.1. Установлено, что в 1 кг массы тела малого пестрого дятла (консумент второго порядка) содержится 4000 ккал энергии, а КПД фотосинтеза в лесу составляет 2 %. Какое максимальное количество этих птиц со средней массой 40 г сможет прокормиться в сообществе, на поверхность которого поступает 2 · 107 ккал солнечной энергии? (Процесс трансформации энергии с одного трофического уровня на другой протекает в соответствии с правилом Линдемана.)

Решение: 1. Составим схему пищевой цепи: листва → насекомые → дятлы.

2. Рассчитаем, сколько энергии солнечного света используют растения в лесу в процессе фотосинтеза:

344

2 · 107 ккал – 100 %

хккал – 2 %

х= 4 · 105 ккал.

3.Вычислим, сколько энергии получают консументы второго порядка, т.е. дятлы, вместе с пищей. Для этого необходимо учитывать правило Линдемана:

4 · 105 ккал · 0,01 = 4 · 103 ккал (4000 ккал).

4. Определим количество энергии, которая содержится в теле одного дятла массой 40 г:

4000 ккал – 1 кг (1000 г)

хккал – 40 г

х= 160 ккал.

5.Теперь можно вычислить, сколько дятлов может прокормиться в данном лесном сообществе:

1 дятел – 160 ккал

хдятлов – 4000 ккал

х= 25.

Ответ: 25 дятлов.

Задача 1.2. Определить, какое количество паразитов может прокормиться в организме хозяина, если масса одного паразита – 10 г, а в 1 г его тела заключено 400 ккал энергии. Хозяин – травоядное животное со средней массой тела 50 кг, в 1 кг которого содержится 4000 ккал энергии (процесс трансформации энергии с одного трофического уровня на другой протекает в соответствии с правилом Линдемана).

Решение: 1. Рассчитаем, сколько энергии заключено в теле одного хозяина:

1 кг содержит 4000 ккал

50 кг – х ккал

х= 200 000 ккал.

2.Вычислим, сколько энергии заключено в теле одного паразита:

1 г содержит 400 ккал

10 г – х ккал х = 4000 ккал.

345

3. Определим (с учетом правила Линдемана), сколько энергии достанется паразитам от травоядного животного:

200 000 ккал : 10 = 20 000 ккал.

4. Вычислим, сколько паразитов может прокормиться в организме одного травоядного животного:

20 000 ккал : 4000 ккал = 5.

Ответ: 5 паразитов.

Задача 1.3. Травоядное животное за 1 мес. образовало 15 кг вторичной продукции. Какое количество валовой первичной продукции (кг) было образовано продуцентами, если их траты на дыхание составляли 75 % , 20 % первичной продукции осталось неиспользованной, а переход биомассы с первого трофического уровня на второй подчиняется правилу 10 %?

Решение: 1. Рассчитаем количество травы (Р), съеденной животными-консументами первого порядка. Согласно правилу Линдемана, эта величина будет составлять:

Р= 15 кг · 10 % = 150 кг.

2.Вычислим, какое количество первичной продукции (R) истрачено на дыхание:

150 кг – 100 %, R – 75 %,

R = 112,5 кг.

3. Определим, какое количество первичной продукции (F) осталось неиспользованной:

150 кг – 100 %, F – 20 %,

F = 30 кг.

4. Вычислим количество валовой первичной продукции, образованной продуцентами, по формуле

C = P + R + F = 150 кг + 112,5 кг + 30 кг = 292,5 кг.

Ответ: 292,5 кг.

Задача 1.4. Общее количество энергии Солнца, поступающей в экосистему, составляет 5 · 106 кДж. При этом 2 % этой энергии переходит в чистую первичную продукцию. На прирост биомассы консументы первого и второго порядков тратят по 10 % своего пищевого рациона. Какое количество

346

энергии (кДж) тратят на дыхание консументы третьего порядка, если на прирост биомассы они расходуют 20 % и с экскрементами выделяется 10 % энергии рациона?

Решение: 1. Рассчитаем, сколько энергии Солнца переходит в чистую первичную продукцию:

5 · 106 кДж – 100 %,

х– 2%,

х= 1 · 105 кДж.

2.Вычислим, сколько энергии (С) достается консументам третьего порядка:

С= 1 · 105 кДж · 0,1 · 0,1 = 1 · 103 = 1000 кДж.

3.Определим, сколько энергии (P) консументы третьего порядка тратят на прирост биомассы:

1000 кДж – 100 %,

РкДж – 20 %,

Р= 200 кДж.

4.Рассчитаем, какое количество энергии (F) выделяется консументами третьего порядка вместе с экскрементами:

1000 кДж – 100 %, F – 10 %,

F = 100 кДж.

5. Вычислим, какое количество энергии консументы третьего порядка тратят на дыхание по формуле

С = P + R + F,

где С = 1000 кДж; P = 200 кДж; F = 100 кДж.

R = C – P – F = 1000 – 200 – 100 = 700 кДж. Ответ: 700 кДж энергии.

2. Генетическая структура популяции. Закон Харди — Вайнберга

Популяция – это совокупность особей одного вида, в течение длительного времени населяющих определенную часть ареала, свободно скрещивающихся и относительно обособ-

347

ленных от других совокупностей особей того же вида. Любая популяция представляет собой непрерывный поток поколений благодаря обмену генами в процессе скрещивания особей друг с другом. Признаки, появившиеся в ходе независимого комбинирования генов, определяют формирование фенотипа организмов и обусловливают изменчивость в популяции. В ходе естественного отбора адаптивные фенотипы сохраняются, а неадаптивные исчезают. Так формируется генетическая реакция всей популяции, которая определяет выживание данного вида.

Популяция включает огромное количество разнообразных генов, которые образуют ее генофонд. Каждый ген может существовать в нескольких формах, называемых аллелями. Число особей в конкретной популяции, несущих конкретный аллель, определяет частоту данного аллеля. Например, частота рецессивного аллеля отсутствия пигментации кожи (альбинизма) человека составляет 1 % (или 0,01), а доминантного аллеля, определяющего нормальную пигментацию кожи, – 99 % (или 0,99). Если обозначить через р частоту доминантного аллеля, а через q – рецессивного аллеля, то

р + q = 1, т.е. 0,99 + 0,01 = 1.

Зная частоту одного аллеля, по этому уравнению легко определить частоту другого.

Если известны частоты отдельных аллелей в генофонде популяции, можно рассчитать и частоты контролируемых аллелями одного гена генотипов.

В 1908 г. немецкий врач В. Вайнберг и английский математик Г. Харди независимо друг от друга нашли математическую зависимость между частотами аллелей и частотами генотипов. Сформулированная ими зависимость позже была названа равновесием (правилом) Харди − Вайнберга: частоты доми-

нантного и рецессивного аллелей в данной популяции остаются постоянными из поколения в поколение, или, другими слова-

ми, соотношение между гомо- и гетерозиготами в популяции равное. Докажем это.

Предположим, что в популяции происходит свободное скрещивание (панмиксия) доминантной и рецессивной форм, отличающихся по одной паре аллелей: АА и аа. В первом поколении F1 все особи будут гетерозиготными – Аа, а в последующих поколениях пойдет расщепление. Возникающие при этом генотипы и их соотношения можно представить так:

348

Генотип F1 : Аа × Аа Гаметы: Аа, Аа.

Обозначим А через р и а через q. Независимое комбинирование генов:

Следовательно, количество гомозигот равно количеству гетерозигот:

1р2 + 2q2 = 2рq.

Таким образом, уравнение (1) позволяет рассчитать частоты всех аллелей, а уравнение (2), предложенное Г. Харди и В. Вайнбергом, – частоты генотипов.

Зная частоту встречаемости в популяции хорошо различимого рецессивного фенотипа (например, 16 % белых цветков аа), по формуле (2) можно определить частоты аллелей – ре-

цессивного: а = 0,16 = 0,4 и доминантного: А = 1 – 0,4 = 0,6, а также частоты доминантной гомозиготы:

АА = 0,62 = 0,36

и гетерозиготы:

Аа = 2 · 0,4 · 0,6 = 0,48.

Равновесие Харди – Вайнберга соблюдается при следующих условиях: 1) достаточная численность особей; 2) скре-

349

щивание происходит случайным образом; 3) отсутствие мутационного процесса; 4) все генотипы одинаково плодовиты; 5) популяция изолирована, т.е. отсутствует обмен генами с другими популяциями. При соблюдении этих условий популяция будет находиться в состоянии генетического равновесия и никаких эволюционных изменений происходить не будет.

В природе таких популяций практически не существует, поскольку под воздействием факторов среды происходит нарушение равновесного состояния генов и генотипов.

Задача 2.1. Вычислить процент людей, являющихся носителями гена альбинизма, если известно, что частота встречаемости людей-альбиносов составляет 1/10 000. Сравнить частоты встречаемости рецессивного признака и носителей в

популяции.

Решение: поскольку аллель альбинизма – это рецессивный ген а, то аа – альбиносы. АА и Аа – люди с нормальной пигментацией кожи, причем Аа – носители гена альбинизма. Исходя из уравнения Харди – Вайнберга р2 + 2рq + q2 = 1 и частоты аа – q2, имеем:

q2 = 1/10 000 = 0,0001,

откуда q = 0,01, или 1 % альбиносов в популяции.

По уравнению р + q = 1 вычисляем р , т.е. частоту АА: р = 1 – q; р = 1 – 0,01 = 0,99, или 99 %.

Вычисляем число гетерозигот (носителей гена альбинизма): 2рq = 2 · 0,99 · 0,01 = 0,02, или 2 %.

Ответ: 2 %.

Задача 2.2. У мухи дрозофилы красный цвет глаз наследуется как доминантный признак. Определить долю (в %) мух с красными глазами в популяции, где частота доминантного аллеля составляет 80 % и сохраняется равновесие Харди – Вайн-

берга.

Решение: из условия задачи следует, что частота доминантного аллеля А = 80 % = 0,8. При этом необходимо определить частоту встречаемости дрозофил с красными глазами (генотипы АА + Аа).

Если частоту доминантного аллеля А обозначить через р, а рецессивного а – через q, то по уравнениям

р + q = 1 и р2 + 2рq + q2 = 1 можно рассчитать частоты генотипов.

350