Семінар № 4.

Тема: Універсальні властивості організмів. Спадковість і мінливість організмів.

Мета.Опанувавши цю тему студенти дізнаються про: закономірності спадковості та мінливості, засвоять основи генетики.

Методичні вказівки.

Генетика – наука, що вивчає закономірності спадковості та мінливості. Елементарною одиницею спадковості є ген. Сукупність спадкової інформації, закледеної в генах клітини або організму, називається генотипом. Унаслідок взаємодії генотипу й умов довкілля формується фенотип особини, тобто сукупність усіх ознак і властивостей організму.

Гени, які кодують певні ознаки, можуть перебувати в різних станах (алелях). Вони відповідають за формування різних станів ознаки. Алельні гени бувають домінантними або рецесивними. Домінантна алель завжди проявляється у фенотипі в присутності рецесивної, остання ж у присутності домінантної не проявляється.

Г.Мендель встановив основні закономірності спадковості. Якщо схрещувати особин, гомозиготних відповідно за домінантною та рецесивною алелями, у першому поколінні гібридів всі нащадки будуть домінантними за фенотипом (закон одноманітності гібридів першого покоління).

Серед гібридів другого покоління три чверті особин у фенотипі мають домінантний стан ознаки, а одна чверть – рецесивний (закон розщеплення).

Під час схрещування особин, які розрізняються за двома або більшою кількістю ознак, розщеплення за кожною з них відбувається незалежно від інших (закон незалежного розподілу або комбінування станів ознак).

Статистичний характер законів спадковості пояснюється за допомогою закону чистоти гамет, запропонованого Г.Менделем. Згідно із цим законом гамети гібридної особини несуть лише один алельний ген із кожної пари.

Ймовірність поєднань різних гамет між собою під час схрещування однакова, тому частота зустрічальності кожної з їхніх комбінацій у зиготі зумовлена кількісними співвідношеннями різних сортів гамет.

Явище неповного домінування полягає у наближенні генерозиготних особин за фенотипом до гомозиготних за домінантною алеллю, але з деякими відмінностями. У разі проміжного успадкування гетерозиготні особини за фенотипом займать проміжне положення між відповідними фенотипами гомозиготних особин, тобто жоден з алельних генів не домінує над іншим.

Для з’ясування генотипу особин з домінантним фенотипом використовують аналізуюче схрещування: її парують з особою, гомозиготною за відповідною рецесивною алеллю. На кількісні співвідношення фенотипів гібридів першого покоління можуть впливати летальні алелі, які призводять до загибелі сосбин ще до завершення їхнього розвитку.

Усі гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення, внаслідок чого ознаки, які визначаються ними, успадковуються зчеплено. Сила зчеплення між двома генами, розміщеними в одній хромосомі, обернено пропорційна відстані між ними. Кількість груп зчеплення в організмів певного виду дорівнює числу хромосом у його геномі.

Зчеплення між генами порушується у результаті кросинговеру (перехресту хромосом). Частота кросинговеру для кожної пари зчеплених генів відносно стала та пропорційна відстані між ними.

У роздільностатевих видів стать майбутньої особини визначається здебільшого в момент запліднення завдяки певній комбінації в зиготі статевих хромосом (так званих Х- та Y-хромосом).

Існує ряд ознак, успадкування яких зчеплене зі статтю (наприклад, черепахове забарвлення шерсті у кішок, гемофілія та дальтонізм у людини).

Ген – це ділянка молекули нуклеїнової кислоти, що займає певне місце в хромосомі. Гени – функціональні одиниці спадкової інформації, здатні змінюватись унаслідок мутацій і рекомбінацій. Існують структурні гени, які кодують будову поліпетидів і рибонуклеотидів, та регуляторні, що слугують місцями приєднання певних ферментів та інших біологічно активних сполук.

У клітинах еукаріот виявлено позаядерну (цитоплазматичну) мінливість, зумовлену позаядерними генами, розсташованими, у мітохондріях і пластидах, та впливом ядерних генів материнського організму на формування станів потомків через цитоплазму яйцеклітини.

Генотип організмів є цілісною системою, що склалася історично. Цілісність генотипу зумовлена явищами множинної дії генів та їхньої взаємодії.

Неспадкова мінливість організмів називається модифікаційною. Модифікаціями називають зміни ознак організму (фенотипу), зумовлені впливом чинників умов існування і не пов’язані зі змінами генотипу. Вони здебільшого мають адаптивний характер, тобто сприяють пристосуванню організмів до них чи інших змін умов довкілля. Кількісні показники модифікаційних змін кожної ознаки можуть варіювати лише у певних межах, які визначаються генотипом особин. Межі модифікаційної мінливості ознаки дістили назву норми реакції, яка специфічна для кожної ознаки.

Ряд послідовних кількісних значень мінливості ознаки називають варіаційним. Його довжина свідчить про межі модифікаційної мінливості.

Розрізняють комбінативну та мутаційну спадкову мінливість організмів. До комбінативної мінливості призводять нові сполучення алелей між собою (рекомбінації). Мутації – це стійкі зміни генетичного апарату, що виникають раптово як у нестатевих (соматичні мутації), так і у статевих (генетичні мутації) клітинах.

Мутації можуть по-різному впливати на організми: спричинювати їхню загибель (летальні мутації), знижувати життєдіяльність (сублетальні мутації) або ж не впливати на неї за певних умов довкілля (нейтральні мутиції). Поява мутацій, які б відразу сприяли кращій пристосованості організмів до умов існування, малоймовірна.

Причиною багатьох мутацій є мутагенні фактори, тобто чинники довкілля, здатні призводити до спадкових змін організмів. Залежно від природи цих факторів їх поділяють на фізичні, хімічні та біологічні.

Для мутацій характерні такі закономірності: вони неспрямовані, як правило, позбавлені адаптивного значення, ступень їхнього прояву не залежить, а частота – залежить від інтенсивності та тривалості дії мутагенних факторів.

На підставі того, що у близьких у генетичному відношенні організмів часто виникають однакові мутації, В.І.Вавилов сформулював закон гомологічних рядів спадкової мінливості: генетично близькі види і роди характеризуються подібними рядами спадкової мінливості.

Генетика популяцій вивчає генетичні процеси, що відбуваються в популяціях.

Розподіл частот зустрічальності алелей у популяції описується формулою Харді – Вайнберга. Дрейф генів – це випадкова і неспрямова зміна частот зустрічальностей алелей у популяції, що може зумовлюватись періоличними змінами чисельності популяції (популяційними хвилями). Він найхарактерніший для малочисельних популяцій, де за короткий проміжок часу може значно змінюватись генофонд, зокрема в напрямі збільшення частки гомозиготних особин. У наслідок дрейфу генів у популяції може швидко зростати частота зустрічальності рідких алелей, а деякі алелі взагалі зникають; тривалий час може зберігатися мутантна алель, яка знижує пристосованість особин до умов існування.

Сукупність усіх генів та їхніх алелей особин популяції називається генофондом. Генофонд популяцій різних видів організмів потребує охорони, бо для кожного виду він унікальний.

Селекція – це наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих порід тварин, сортів рослин та штамів мікроорганізмів. Породою тварин чи сортом рослин називають сукупність особин одного виду (популяцію), штучно створену людиною і яка характеризується певними спадковими властивостями: продуктивністю, особливими морфологічними та фізіологічними ознаками. Штам – це чиста культура (тобто нащадки однієї клітини) мікроорганізмів.

Основними методами сучасної селекції є штучний добір і гібридизація. Штучний добір– це вибір людиною найцінніших у господарському відношенні тварин, рослин, мікроорганізмів для одержання від них потомства з бажаними ознаками. Застосовують дві основні форми штучного добору – масову та індивідуальну.

Одним з методів сучасної селекції є гібридизація – процес одержання гібридів, в основі якого лежить об’єднання генетичного матеріалу від різних клітин або організмів. Гібридизація можлива як у межах одного виду (внутрішньовидова), так і між особинами різних видів (міжвидові, або віддалена).

Внутрішньовидове схрещування буває спорідненим та неспорідненим. Споріднене схрещування, або інбридинг, - парування організмів, які мають безпосередніх близьких предків. Інбридинг супроводжується підвищенням з кожним новим поколінням гомозиготності гібридів і часто спричинює ослаблення або навіть виродження нащадків.

Неспоріднене схрещування, або аутбридинг – парування організмів, які не мають безпосередніх родинних зв’язків, тобто представників різних ліній, сортів чи порід одного виду. Неспоріднене схрещування супроводжується підвищенням гетерозиготності з кожним настурним поколінням гібридів.

У результаті неспорідненого схрещування часто спостерігається явище гетерозису, коли перше покоління гібридів має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами.

Міжвидова, або віддалена гібридизація – схрещування особин, які належать до різних видів і навіть родів.