Изменчивость и ее типы
Изменчивость – это свойство дочерних организмов отличаться от родительских форм морфологическими, физиологическими и другими признаками и особенностями индивидуального развития. Различают две основные формы изменчивости: фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную).
Фенотипическая‚ или модификационная, изменчивость – это изменения фенотипа без изменения генотипа. Она обусловлена действием факторов внешней и внутренней среды на соответствующий организм. Модификации ненаследственны, так как структура генотипа при этом не затрагивается. Например, земляная груша, выращенная в долине в условиях достаточной влажности и освещенности, имеет высокий стебель. При перенесении такого растения высоко в горы стебель приобретает вид розетки листьев, прижатых к земле. При высевании семян такого растения в долине его потомки снова будут иметь высокий стебель.
Развитие ряда признаков зависит и от влияния различных регуляторных систем организма, в первую очередь эндокринной. Такие признаки петухов, как большой гребень, яркое оперение и способность к пению зависят от действия мужского полового гормона. Если у курицы удалить яичник и пересадить семенник, то через некоторое время она по вышеназванным признакам станет похожа на петуха. Следовательно, внутренняя среда организма также оказывает существенное влияние на проявление действия генов.
В генетической информации организма заложена способность развития определенных признаков и свойств. Эта способностъ реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и та же наследственная информация в разных условиях может проявляться по-разному. Например, окраска шерсти у гималайских кроликов и сиамских кошек зависит от температуры – более темная шерсть растет на участках тела, подверженных охлаждению. Следовательно, наследуется не сам признак, а определенный тип реакции на воздействие условий среды.
Пределы модификационной изменчивости называются нормой реакции. Различают широкую и узкую норму реакции. Признак, имеющий широкую норму реакции, изменяется в большом диапазоне. Например, количество молока у крупного рогатого скота зависит в значительной степени от условий содержания и кормления. Признак, имеющий узкую норму реакции, незначительно зависит от внешних условий, например окраска шерсти у крупного рогатого скота. Норма реакции определяется генотипом. Она складывалась историчсски в результате естественного отбора.
Дарвин называл модификационную изменчивость определенной, так как все особи одного вида, попав в сходные условия, изменяются одинаково, т.е. такая изменчивость предсказуема и носит групповой приспособительный характер. Например, все овцы при выращивании в холодных условиях будут иметь более густую шерсть.
Закономерности модификационной изменчивости носят статистический характер – это закономерности больших чисел. Для характеристики степени изменчивости количественных признаков применяют один из методов статистики – построение вариационной кривой. Например, если расположить новорожденных по величине роста (он колеблется от 41 до 60 см), то получится вариационный ряд изменчивости этого признака, состоящий из отдельных вариант. Частота встречаемости каждой варианты неодинакова: наиболее часто встречаются варианты со средним значением признака (около 50 см) и реже с большими или меньшими. Если построить графическое изображение этой закономерности, то при достаточно большом числе наблюдений получится относительно симметричная кривая.
Генотипическая изменчивость и виды мутаций
Генотипическая изменчивость – это изменение фенотипа вследствие изменения генотипа. Генотипическая изменчивость передается по наследству. Она подразделяется на комбинативную и мутационную.
Комбинативная изменчивость связана с получением потомками новых комбинаций генов родителей. Она обусловлена перекомбинацией генов при кроссинговере, независимым расхождением хромосом и хроматид при мейозе и случайным сочетанием гамет при оплодотворении. Структура генов при этом не изменяется, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другими генотипом и фенотипом. Примером комбинативной изменчивости может служить появление зеленой окраски семян гороха при скрещивании гетерозиготных растений с желтыми семенами. Комбинативная изменчивость обеспечивает приспособление организмов к меняющимся условиям среды и широко используется в селекции для соединения в одном организме ценных признаков разных пород и сортов.
Мутационная изменчивость – это скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Мутационная изменчивость принципиально отличается от комбинативной. Мутации – это вновь возникшие изменения генетического материала, тогда как комбинативная изменчивость – это новое сочетание родительских генов в зиготе.
Мутации обладают следующими свойствами:
- возникают внезапно, скачкообразно;
- передаются из поколения в поколение (наследуются);
- ненаправленны (неопределенны), т.е. под действием одного фактора могут мутировать разные гены;
- одни и те же мутации могут возникать повторно.
Мутации классифицируют по причинам, их вызвавшим, по характеру мутировавших клеток, по исходу для организма и по изменениям генетического материала.
По причинам, вызвавшим мутации, их подразделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают в естественных условиях под действием мутагенных факторов среды без вмешательства человека.Они происхолят относительно редко. Индуцированные мутации возникают при направленном воздействии на организм мутагенными факторами. Впервые индуцированные мутации были получены Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым (1925) при облучении грибов радием и Г. Меллером (1927) при облучении мух дрозофил рентгеновскими лучами. Спонтанные мутации служат исходным материалом для естественного отбора, а индуцированные – для искусственного отбора.
По характеру мутировавших клеток мутации подразделяют на соматические и генеративные. Соматические мутации происходят в соматических клетках и проявляются у самой особи. Они передаются по наследству при вегетативном размножении и не наследуются при половом. Примеры соматических мутаций: на кусте черной смородины может появиться ветка с белыми ягодами; у одного человека могут быть глаза разного цвета. Генеративные мутации происходят в половых клетках. Они передаются по наследству при половом размножении и выявляются фенотипически у потомков, например альбинизм, синдром Дауна. Генеративные мутации являются материалом для естественного отбора.
По исходу для организма все мутации подразделяют на отрицательные – летальные (несовместимые с жизнью, отсутствие крупных хромосом у человека)‚ полулетальные (снижающие жизнеспособность организма, синдром Дауна у человека); нейтральные (веснушки у человека) и положительные (повышающие приспособленность и жизнестойкость организма, появление четырехкамерного сердца у позвоночных животных). Последние встречаются относительно редко, однако именно они являются элементарным материалом, лежащим в основе прогрессивной эволюции.
По изменению генетического материала мутации подразделяют на геномные, хромосомные и генные.
Геномные мутации обусловлены изменениями количества хромосом в кариотипе особи. Это может быть полиплоидия – кратное гаплоидному увеличение количества хромосом (3n, 4n, 5n …). Полиплоидные формы растений имеют более крупные листья, цветы, плоды и семена. Многие культурные растения являются полиплоидами (пшеница, рожь, сахарная свекла и др.). Для большинства животных и человека полиплоидия является летальной мутацией. Гаплоидия – одинарный набор хромосом (1n), например у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как фенотипически проявляются все рецессивные гены. Для млекопитающих и человека – летальная мутация.
Гетероплоидия – вид геномной мутации, при которой происходит некратное гаплоидному увеличение или уменьшение количества хромосом ( общая формула гетероплоидий: 2n±1, 2n±2 …). Различают трисомии – три гомологичные хромосомы в кариотипе, например синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме); моносомии – в кариотипе одна из пары гомологичных хромосом, например при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия Х); нулисомии – отсутствие пары гомологичных хромосом (летальные мутации). Большинство гетероплоидий приводят к нарушению нормального развития организмов.
Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Это может быть потеря (делеция) или удвоение (дупликация) фрагмента хромосомы, поворот части хромосомы на 180° (инверсия), перенос части одной хромосомы на другую негомологичную (транслокация). Многие хромосомные мутации снижают жизнеспособность организма (синдром «кошачьего крика» у человека).
Генные мутации связаны с изменением структуры молекулы ДНК – нарушения порядка нуклеотидов вследствие добавления, выпадения или их перестановки. При этом изменяется кодируемый геном белок, что может проявляться фенотипически (серповидноклеточная анемия).
Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенными. Их подразделяют на физические (различные виды ионизирующих излучений, температура), химические (формалин, аналоги азотистых оснований, иприт, некоторые лекарства и др.) и биологические (вирусы, бактерии).
В последние десятилетия в народном хозяйстве всех стран широко применяются различные химические соединения и радиоактивные вещества, обладающие мутагенным действием. В сельском хозяйстве используют минеральные удобрения, инсектициды, гербициды, дефолианты; в промышленности – формалин, аммиак, кислоты, щелочи и другие химические соединения. Широкое использование радиоактивных веществ в мирных целях иногда приводит к загрязнению окружающей среды (авария на Чернобыльской АЭС). Мутагенным действием обладают некоторые продукты сжигания угля и нефти. Повышение концентрации мутагенных факторов в связи с загрязнением окружающей среды может приводить к повышению частоты мутаций, что отрицательно скажется на жизнестойкости последующих поколений растений, животных и человека.
Н.И. Вавилов установил важную закономерность, известную под названием закона гомологичных рядов в наследственной изменчивости. Сущность этого закона заключается в том, что виды и роды, близкие генетически, связанные единством происхождения, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Зная формы изменчивости одного вида, можно предположить существование сходных форм у родственных видов и родов. Этот закон подтверждается случаями альбинизма и гемофилии у человека и других млекопитающих, одинаковыми группами крови у приматов и человека и др. Закон позволяет предвидеть наличие того или иного признака у разных видов одного рода, если он есть у представителей хотя бы одного вида, и моделировать наследственные болезни человека в экспериментах на животных.
Особенности наследственности и изменчивости человека
Наследственность человека подчиняется тем же биологическим закономерностям, что и наследственность всех других существ, т.е. многие признаки человека наследуются по законам Менделя, наблюдается сцепление и взаимодействие генов.
Изучение генетики человека связано с определенными трудностями:
- малым количеством потомков;
- поздним половым созреванием и связанной с этим медленной сменой поколений;
- большим количеством хромосом;
- невозможностью экспериментирования и создания одинаковых условий жизни для изучаемых групп людей.
Тем не менее использование современных методов исследования (генеалогического, популяционно-статистического, близнецового, цитогенетического и биохимических – описаны выше и рекомбинантной ДНК) позволило изучить генетику человека на уровне классических генетических объектов (бактерий, вирусов, мухи дрозофилы).
Современные методы рекомбинантной ДНК позволяют выделять и подвергать анализу целые гены и их фрагменты, устанавливать в них последовательность нуклеотидов, создавать копии генов, транскрибировать и транслировать их. В настоящее время в мире реализуется программа «Геном человека», благодаря которой полностью расшифрован порядок нуклеотидов в молекулах ДНК человека и выявлена локализация основных генов. Разрабатываются методы лечения наследственных заболеваний человека. Раздел генетики человека, изучающий наследственные болезни, называется медицинской генетикой. Многие отклонения от нормы и ряд болезней человека обусловлены изменениями генотипа (мутациями).
Примеры геномных мутаций у человека – синдромы Дауна, Клайнфелтера и Шерешевского-Тернера. Если у человека имеется лишняя 21-я хромосома (диплоидный набор 47 хромосом), то развивается синдром Дауна. Больные характеризуются слабоумием, узкими глазными щелями, низким расположением ушных раковин, сниженной жизнеспособностью.
При синдроме Клайнфелтера у мужчин имеется лишняя Х-хромосома – в кариотипе всего 47 хромосом (44А+ХХY). Для таких больных характерен высокий рост, относительно длинные руки и ноги, женский тип телосложения, недоразвитие первичных и вторичных половых признаков, снижение интеллекта.
У женщин встречается синдром Шерешевского-Тернера, при котором отсутствует вторая половая хромосома (Х0 – диплоидный набор 45 хромосом). Для таких больных характерны малый рост, недоразвитие первичных и вторичных половых признаков, бесплодие, иногда снижение интеллекта. Заболевания, связанные с нарушением количества хромосом, обусловлены неправильным расхождением их в процессе мейоза.
Причинами наследственных болезней человека могут быть и хромосомные мутации. Например, синдром «кошачьего крика» обусловлен потерей (нехваткой) части короткого плеча 5-й хромосомы. Для таких детей характерен специфический плач наподобие кошачьего крика вследствие недоразвития гортани. У них также наблюдается умственное и физическое недоразвитие, деформированные низко расположенные ушные раковины и др.
Имеется большое количество наследственных заболеваний человека, обусловленных изменениями структуры генов (генные мутации). Например‚ альбинизм‚ фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия, сахарный диабет и др. Для альбиносов характерны молочно-белый цвет кожи, светлые волосы, красный зрачок и другие признаки. У таких людей повышена чувствительность кожи к ультрафиолетовым лучам. Заболевание обусловлено нарушением превращения аминокислоты тирозин в пигмент меланин вследствие низкой активности фермента тирозиназы (рецессивная мутация). При фенилкетонурии у детей наблюдается повышенная возбудимость и тонус мышц, умственная отсталость и другие признаки. Заболевание обусловлено нарушением превращения фенилаланина в тирозин (рецессивная мутация). В этом случае фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая поражает нервную систему. Серповидноклеточная анемия связана с нарушением структуры молекулы гемоглобина. При изменении структуры и активности гормона поджелудочной железы – инсулина – развивается сахарный диабет.
В настоящее время около 5% новорожденных детей имеют разные генетические дефекты, начиная от малозначащих (например, сросшиеся пальцы на ногах) и кончая дефектами, несовместимыми с жизнью (например, некоторые пороки развития сердца). При ранней диагностике наследственных болезней в некоторых случаях удается задержать развитие болезни назначением соответствующей диеты, гормональными препаратами и др. Врожденные дефекты развития часто можно исправить хирургическими методами.
Важнейшим направлением деятельности органов здравоохранения является работа по предупреждению наследственных болезней, которая должна проводиться всеми врачами и специальными медицинскими учреждениями – медико-генетическими консультациями.
Основные задачи медико-генетических консультаций:
- профилактика наследственных болезней путем консультирования семей и больных с наследственной патологией;
- установление вероятности рождения больного ребенка в обследуемой семье и объяснение супругам в доступной форме способов предупреждения рождения детей с наследственными заболеваниями;
- дородовая (пренатальная) диагностика наследственных заболеваний;
- диспансерное наблюдение семей с наследственной патологией и пропаганда медико-генетических знаний среди населения.
Эта задача особенно актуальна в современных условиях загрязнения территории радионуклидами и отходами производства, обладающими мутагенным действием. Определенным мутагенным эффектом обладают алкоголь, никотин и различные наркотические и некоторые лекарственные вещества. Мутагены могут вызывать изменения структуры генов, нерасхождение хромосом при мейозе и другие нарушения в генотипе. Следствием этого является формирование зиготы с дефектным генотипом, что скажется на развитии зародыша и появлении физически и умственно отсталых детей. Особенно часто такие дети рождаются в семьях алкоголиков и наркоманов.
