 |
модификационная) - комбинативная
|
|
|
|
- мутационная
Ненаследственная изменчивость
Первыми исследователями, обратившими внимание на модификационную изменчивость, были К. Нэгели (1865), В. Иоганнсен.
Модификации – это индивидуальные реакции организма на внешнее воздействие, не имеющие обратной связи с генотипом и не передающиеся по наследству.
Модификационная изменчивость представляет собой эволюционно закрепленные адаптивные реакции организма в ответ на изменение условий внешней среды при неизменном генотипе.
Модификационные изменения возникают под воздействием факторов окружающей среды, которые подразделяются на:
а) абиотические (свет, температура, влажность, химический состав воздуха, воды, почвы);
б) биотические (влияние со стороны других организмов);
в) антропогенные (деятельность человека: работа в «горячем» цехе сталеплавильного комбината, работа с отбойным молотом, работа сапера, работа хирурга и т.п.).
Характеристика модификаций:
1. Как правило, модификации предсказуемы и носят однонаправленный характер. При одинаковом воздействии на организмы с одним и тем же генотипом возникают одинаковые изменения. Эти изменения носят массовый характер.
Потомство одного поколения, выращенное в разных условиях, даёт разные фенотипические проявления. Растения, выращенные в тени и на солнце, при высоких и низких температурах, во влажных или засушливых условиях.
2. Модификации зависят от силы и длительности воздействия, чем сильнее и длительнее воздействие – тем ярче изменение признака (адекватность изменений воздействиям среды).
3. Модификации, как правило, носят обратимый характер, т.е. ослабевают или даже совсем исчезают после прекращения действия модифицирующего фактора. Большинство модификаций кратковременны.
|
|
|
У альпинистов, поднимающихся в горы, число эритроцитов увеличивается в 2 раза, при возвращении с гор параметры крови приходят в норму.
В ряде случаев модификации могут быть устойчивыми, сохраняясь всю жизнь. Устойчивость модификации может зависеть от стадии онтогенеза, на которую приходится воздействие (занятие волейболом, баскетболом в подростковом возрасте – усиливает рост тела).
4. Как правило, модификации носят адаптивный, приспособительный характер, позволяя организму выжить при неблагоприятных условиях (закаливания организма). Загар на солнце, густой мех в холоде, больше хлорофилла в листьях в тени…Глаз современного человека становится близким: книги, TV, компьютер.
При интенсивном действии различных агентов наблюдаются изменения, которые носят случайный характер по отношению к воздействию. Такие изменения называются морфозами. Очень часто они напоминают фенотипическое проявление известных мутаций. Тогда их называют фенокопиями этих мутаций. Чаще всего морфозы выражены в виде тех или иных уродств – отклонений от стандартного фенотипа, однако возможны и фенокопии нормы у различных мутантных линий.
Например, мышьяковистая кислота приводит к формированию зачаточных крыльев у мухи с нормальным генотипом, а повышенная температура – нормальных удлинённых крыльев у мухи с рецессивным геном, определяющим зачаточные крылья.
Такие модификации сохраняются в течение всей жизни особи. Необратимость подобных изменений в онтогенезе объясняется необратимостью индивидуального развития.
5. Модификационная изменчивость может быть очень существенной, но она никогда не выходит за пределы нормы реакции, контролируемой генотипом.
Как бы мы не кормили поросенка – он до размера слона не вырастит.
Организм наследует не признак как таковой, а способность формировать определённый фенотип в конкретных условиях среды. В формировании признаков организма, наряду с генетической информацией, полученной от родителей, большую роль играют конкретные условия внешней среды.
|
|
|
Границы модификационной изменчивости для разных признаков и при разных условиях, могут быть очень различными.
Пределы модификационной изменчивости признака называют его нормой реакции.
Одни признаки очень, сильно зависят от влияния факторов среды, другие – в меньшей степени, а третьи – практически не зависят.
Признаки с широкой нормой реакции: степень развития мышц (физические упражнения, культуризм) и масса тела (наследственные факторы играют свою роль, но при этом огромное значение приобретают питание, физ. нагрузка, двигат. активность). В природных условиях широкая норма реакции (широкая приспособленность) может иметь важное значение для сохранения и процветания вида. Пример: крысы приспособились и живут не только в холодильных камерах, делая гнездо в замершей туше, и в обшивке паровых котлов(450).
Признаки со средней нормой реакции – рост человека в значительной степени определяется генотипом, но зависит и от средовых воздействий.
Признаки с узкой нормой реакции: Rh, pH крови, группа крови, цвет глаз, волос, окраска шерсти у животных – практически полностью зависят от генотипа.
Выход за пределы нормы реакции чреват гибелью организма. Границы изменчивости признака строго видоспецифичны.
Например, оптимальная температура тела для человеческого организма – 36,60 С, ниже 33 и выше 420 наш организм не выживает, тогда как у попугая 42 0С – это нормальная температура тела. Чем сильнее крайние отклонения отличаются от среднего значения – тем больше модификационный размах.
6. Модификации подчиняются законам вариационной статистики. Для каждого вида существуют свои, пределы выносливости. Особи со средней выносливостью встречаются гораздо чаще. Но, вместе с тем есть и отдельные максимально устойчивые организмы (их называют пионерными особями), которые могут проникать в те места, где факторы очень агрессивны.
Особи, существующие на границе переносимых видом условий (пионерные) в ходе дальнейшего мутационного процесса могут основать новую «климатическую расу».
|
|
|
Мнения генетиков относительно того носят ли модификации эволюционное значение разделились.
Русский генетик И. И, Шмальгаузен в книге «Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии» в 1982году писал: «Адаптивная модификация является первой пробой реакции, при помощи которой организм как бы проверяет возможность замены среды или возможность более успешного ее использования».
Наследственная изменчивость
Наследственная изменчивость связана с изменением самого генетического материала. Передаётся по наследству. Различают комбинативную и мутационную изменчивости.
Комбинативная изменчивость
Комбинативная изменчивость возникает в результате перекомбинации генов и участков хромосом. Единицы генетического материала одни и те же, остаются неизменными, но изменяется их сочетание.
Перегруппировка наследственного материала происходит в результате полового размножения организма, на разных уровнях.
1. Популяционный.
На уровне популяции происходит случайное свободное скрещивание – панмиксия. В результате гены комбинируются и образуется большое количество комбинаций признаков, что даёт большое разнообразие фенотипических проявлений.
2. Клеточный.
При образовании гамет хромосомы расходятся в дочерние клетки случайно. Только с некоторой долей вероятности можно предположить появление тех или иных комбинаций при оплодотворении.
3. Молекулярный.
Перекомбинация генов в результате кроссинговера.
Есть основание полагать, что рекомбинации являются одним из основных факторов эволюции. Новые варианты проходят проверку на совместимость и жизнеспособность в пределах одного организма, а затем на уровне появления в популяции.
Все преобразования генома приводят к изменению характера взаимодействия генов, создавая тем самым бесчисленное множество уникальных генотипов.
Мутационная изменчивость
Мутации представляют собой явления внезапного, скачкообразного, прерывистого изменения наследуемого признака.
|
|
|
При мутации гена новые формы устойчивы, мутации возникают у отдельно взятых особей, сходные мутации могут возникать неоднократно.
Процесс возникновения мутаций называется мутагенез. Факторы внешней среды, способствующие мутациям, называются мутагенами.
Мутагены:
- физические – излучение, частицы;
- химические;
- биологические – вирусы, микоплазмы.
Классификация мутаций:
1. По происхождению:
- спонтанные;
- индуцированные.
2. По месту возникновения:
- генеративные;
- соматические;
- ядерные;
- цитоплазматические – мутации, возникающие в ДНК пластид и митохондрий. Стабильны и передаются из поколения в поколение. Однако обнаружение их затруднено, так как одноименные цитоплазматические структуры в клетке находятся в большом количестве.
3. По характеру изменения фенотипа:
- морфологические;
- физиологические;
- биохимические.
4. По характеру изменения генотипа:
- генные;
- хромосомные;
- геномные.
5. По степени полезности для организма:
- летальные;
- полулетальные;
- нейтральные;
- полезные.
Генные мутации (точковые)
Ген – это участок ДНК. ДНК – полимер, состоящий из мономеров – нуклеотидов. Азотистое основание (нуклеотид) может быть 4-х типов: пуриновые – аденин, гуанин; пиримидиновые – тимин и цитозин. А – Т и Ц – Г.
Генные мутации не случайно назвали точковыми, так как они связаны с изменением 1-го (или нескольких нуклеотидов) в молекуле ДНК или РНК.
Точковые мутации возникают либо в момент репарации (т.е. самовостановления; при внешнем повреждении), либо как побочный продукт «ошибка» нормального процесса клеточной физиологии, в момент репликации (удвоения ДНК) и рекомбинации.
Такая концепция получила название «ошибки трех Р» – репарации, репликации, рекомбинации.
Ошибка может происходить спонтанно и индуцировано.
Выделяют несколько групп генных мутаций:
1. Транзиции. При такой форме пуриновое основание заменяется пуриновым А-Г, а пиримидиновое пиримидиновым Ц-Т. Не меняется ориентация в пределах пары.
2. Трансверсии. Пуриновое основание меняется на пиримидиновое, происходит как спонтанно, так и под действием мутагенов. А_Т
3. Сдвиг рамки считывания. Мутации со сдвигом рамки называются – фреймшифт.
Осуществляется за счёт либо вставки лишней пары нуклеотидов – инсерция, либо удвоения количества нуклеотидов – дупликация, либо выпадения пары нуклеотидов – деляция. В результате изменяется последовательность аминокислоты в белке.
Существуют «молчащие» мутации – они связаны с образованием синонимического кодона. Фенотипически проявлять себя никак не будет.
|
|
|
Например, аминокислота валин кодируется триплетами: ГУ У, ГУ Ц, ГУ А, ГУ Г – в мРНК. Замена последних нуклеотидов не приводит к замене аминокислоты.
В результате сдвига рамки считывания может возникнуть мутантный кодон УАА, УАГ, УГА – который является стоп-сигналом (или нонсенс-кодоном). Синтез белковой молекулы остановится на середине или др. части – она будет незаконченной, следовательно, нарушатся и функции белка. Такие мутации называются нонсенс-мутациями, они связаны с появлением кодонов-терминаторов.
Таким образом, з начимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна – замена первого и второго нуклеотидов всегда ведет к изменению (замене) аминокислоты. Это миссенс-мутации – полная или частичная потеря функциональной активности белка. Третий нуклеотид в большинстве случаев является синонимичным и редко приводит к замене белка.
Среди наследственных заболеваний, вызванных генными мутациями, следует назвать патологии:
А) аутос.- доминируещего типа – арахнодактилия, нейрофиброматоз;
Б) аутос.- рецессивного типа – амавротическая идиотия, альбинизм, галактоземия;
В) сцепленные с полом: гемофилия, дальтонижм, некоторые формы аллергических реакций.
Всего наследственных заболеваний (2,5-4 тыс.) Они вызывают аномалии обмена в-в, нарушение конструкции, психические заболевания. Причина – генные, хромосомные аберрации.
Генные мутации приводят к явлению, названному множественным аллелизмом. Ген может быть представлен 3-мя или даже серией альтернативных аллелей. Генные мутации вызывают изменение признака в разных направлениях: морфологических, биохимических, физиологических. Причем, изменения эти могут быть сильно и слабо выражены.
По функциональному значению генные мутации делятся на 3 класса:
- полная потеря исходной функции белка
- количественные изменения м-РНК и первичных белковых продуктов
- изменение свойства белковых молекул, влияющих негативно на жизнедеятельность клеток.
Хромосомные перестройки (абберации)
В зависимости от характера изменения генетического материала, наряду с генными, принято рассматривать и хромосомные мутации (аберрации). Они связаны с перемещением генетического материала, изменением размеров хромосом, их структуры, организации и числа.
Хромосомные перестройки легко наблюдать, окрашивая хромосомы специальными красителями (Гимза). Хромосомы приобретают поперечную исчерченность с разной шириной окрашенных участков. Рассматривают хромосомные аберрации в соматических клетках на стадии метафазы клеточного цикла.
Перестройки можно поделить на 2 типа:
- внутрихромосомные (4 вида)
- межхромосомные (2 вида)
1. Внутрихромосомные перестройки
1.1 Концевые нехватки (дефишенси) – возникают под действием определённых факторов, в результате хромосома укорачивается, утрачивая концевой участок, при этом уменьшается число генов.
Пример: тяжелое наследственное заболевание – синдром «кошачьего крика» (дефишенси в 5-й хромосоме), умственная отсталость и смерть в раннем возрасте.
При утрате концевого участка парная хромосома будет фенотипически проявлять рецессивные аллели, не затронутые аберрацией (если таковые имеются). Одна хромосома становится короче другой. Оторвавшийся фрагмент, без центромеры, теряется.
Иногда оторванный фрагмент содержит центромеру, он может реплицироваться и распределять свои копии при клеточном делении. Известны случаи, когда оторвавшееся плечо с центромерой удваивало себя с ее другого конца. В результате возникает метацентрическая изохромосома.
1.2 Делеция – подразумевает выпадение внутренней части хромосомы, не захватывающее теломеру и центромеру.
Примеры аномалий, возникающих при гетерозиготной делеции: нарушение ЦНС, синдактилия. Гомозиготные делеции обычно летальны, но очень короткие могут не нарушать жизнеспособности в гомозиготе.
В кариотипическом наборе все хромосомы парные, если 1 утратила свои внутренний участок и стала короче, коньюгация хромосом данной пары нарушается. Более длинная (нормальная) на участке делеции образует петлю. Петлю видно в микроскоп.
Разрыв хромосомы вызывается различными повреждениями: радиацией, химическими мутагенами, вирусами.
1.3 Дупликация – «удвоение» (один из участков хромосомы представлен более 1 раза). Можно сказать иначе – кратное повторение 1 и того же участка хромосомы. Известны случаи многократных повторений (мультипликации или ампликации).
Повторы могут располагаться: тандемно – ABСABC DEFG и инвертированно – ABCCBA DEFG.
Дупликации, равно как и делеции, могут возникать в результате неравного кросинговера между сестринскими хроматидами или при рекомбинациях.
Дупликации (повторы), обычно не оказывают такого отрицательного влияния на жизнеспособность как нехватки или делеции.
Экспериментально доказано, что в культуре клеток млекопитающих, устойчивых к химическим повреждающим факторам, например, ионам тяжелых металлов, нередко наблюдается кратность повторения одного и того же участка генетического материала. При этом устойчивость к препарату можно повысить в 100 тысяч раз.
В отсутствии повреждающего фактора эти генетические конструкции оказываются нестабильными, их устойчивость быстро теряется.
Дупликации играют существенную роль в эволюции генома, они создают дополнительные участки генетического материала, функция которого может быть изменена в результате мутации и последствий естественного отбора.
1.4 Инверсия – изменение линейно расположенных генов, в следствии поворота участка хромосомы на 1800.
Перевернутый участок может включать центромеру (перицентрическая инверсия), или не включать (парацентрическая).
Изменение чередование генов в хромосоме в результате инверсии встречается в природных популяциях наиболее часто. Инверсии – это 1 из способов эволюционного преобразования генетического материала.
перецентрическая
Сравнивая кариотипы человека и шимпанзе, генетики установили, что в хромосомах 4,5,12,17 пар у человека произошли перецентрические инверсии.
Инверсия приводит к новой линейной последовательности генов (изменению порядка их расположения), к изменениям их сцепления, к нарушениям кроссинговера.
2. Межхромосомные перестройки
2.1 Транслокации – перемещение части одной хромосомы на другую, не гомологичную (не парную) ей. В результате группы сцепления генов нарушаются (зачастую приводя к летальному исходу). Выделяют два типа транслокаций:
- реципрокные – взаимный обмен участками негомологичных хромосом (меняется характер сцепления генов, коньюгация, образуется фигура креста).
- нереципрокные – участок одной хромосомы включается в другую, без взаимного обмена.
К эволюционным преобразованиям приводят дицентрические слияния, когда два и более фрагмента негомологичных хромосом, несущих участки с центромерами, соединяются в единую структуру (центромеры при этом объединяются). Наиболее показательными, в этом плане, являются центрические (робертсоновские) – слияние двух центромер негомологичных акроцентрических хромосом с образованием одной мета- или субметацентрической хромосомы.
У человека 2n = 46 хромосом. У шимпанзе 2n = 48 хромосом. Как оказалось, вторая хромосома человека содержит большую часть материала, гомологичного дополнительной паре хромосом шимпанзе.
Помимо слияний, возможно и центрическое разделение – 1 хромосома делится на 2, с образованием новой центромеры (участок хромосомы без центромеры утрачивается, а с центромерой может реплицироваться).
2.2 Транспозиции – перемещение небольших участков генетического материала между разными хромосомами или в пределах одной и той же при участии особых мигрирующих генетических элементов – (транспозонов, IS–элементов).
Хромосомные аберрации представляют собой разные варианты перемещений генов, нередко приводящих к изменению и самой структуры хромосомы.
Геномные мутации
Геномные мутации связаны с нарушением общего числа хромосом в кариотипе.
Они могут быть двух видов: полиплоидные (полиплоидия от греч. poli – много, ploidia – одиночный, вид) и анеуплодные.
Полиполоидия – изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. Полиплоидные формы можно получать искусственно: действием колхицина, температурного шока, наркотических веществ и других факторов. Можно наблюдать полиплоидные ряды.
У человека 1n = 23 хромосомы – гаплоидный набор,
2n = 46 хромосом – диплоидный,
3n = 69 хромосом – триплоидия,
4n = 92 хромосомы – тетраплоидия.
Среди животных полиплоидия встречается крайне редко, так как при половом размножении процессы мейоза нарушены, вместе с тем, активно синтезирующие клетки нередко содержат дополнительный набор хромосом (в клетках печени человека насчитывается по 69, 92 хромосомы и это нормально). Среди процессов, ведущих к полиплоидному состоянию клетки, следует назвать э ндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения по разным клеткам. У человека эндомитоз часто наблюдается в соматических тканях после воздействия мутагенов.
Примечательно, что в эмбриогенезе человека такая аномалия хромосомного набора, как триплоидия (3n), встречается наиболее часто (около 20% от всех хромосомных нарушений). Триплоидные зародыши погибают в начале 2-го месяца внутриутробного развития, а до возраста 6 – 7 месяцев (эмбриогенез) доживают не более 1 %.
Синдром триплоидии (69, XXY) у новорожденных впервые был обнаружен в 60-х годах ХХ столетия. К настоящему времени списано свыше 60 случаев триплоидии у детей, максимальная продолжительность жизни которых составила 7 дней. Она сопровождалась многочисленными пороками развития: пороки головного мозга, сердца, желудочно-кишечного тракта и др. органов.
Тетраплоидия (4n) встречается еще реже – из всех зародышей с хромосомными аномалиями лишь у 5–6 %. Для них характерны серьезные пороки развития, зародыш редко вступает в плодный период, погибая на 2-м месяце. Всего описано 5 случаев рождения детей с тетраплоидией, которые вскоре погибли.
Растения могут размножаться вегетативно, поэтому среду них полиплоидия представлена достаточно широко. Следует помнить, что растительные полиплоиды с нечетным набором хромосом 3n, 5n, 7n – стерильны, тогда как 4n, 6n, 8n вполне плодовиты (сбалансированные).
Большинство сельскохозяйственных растений относятся к разряду полиплоидов: крупная листовая пластинка, крупные цветки, крупный плод, повышенная сахаристость, повышенное содержание витаминов. Полиплоидные формы очень широко представлены в северных широтах, высоко в горах – быстрая вегетация (в связи с коротким летом), на фоне ограниченной плодовитости.
В селекции используются полиплоиды двух видов: авто- и аллополиплоиды. Если мы имеем дело с кратным увеличением хромосом одного вида – это автополиплоиды. В этом случае полиплоидные формы морфологически сходны с родительской, но отличаются большими размерами (тюльпаны, нарциссы, тутовый шелкопряд).
Организм, содержащий хромосомы разных видов называется аллополиплоидом.
Капустно-редичный гибрид, полученный при отдаленной гибридизации. Удваивали набор хромосом в половых клетках, а потом проводили оплодотворение. Была возможность нормального расхождения хромосом.
Анеуплоидия (гетероплоидия) – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору.
Хромосома той или иной пары может полностью отсутствовать или, наоборот, повторена трижды, четырежды и более раз:
Нуллисомия – нет пары гомологичных хромосом.
Моносомия – нет одной хромосомы в паре.
Трисомия – в паре одна лишняя хромосома.
2n+2 – в паре 2 лишние (дополнительные хромосомы).
При анеуплоидии изменяется как число хромосом в наборе, так и общее количество генетического материала.Анеуплоидия чаще всего возникает в результате неправильного расхождения хромосом в мейозе (анафаза–I, анафаза–II). В результате возникают аномальные по количеству хромосом гаметы, а после оплодотворения – гетероплоидные зиготы.Анеуплоидия ведет к снижению жизнеспособности, снижению плодовитости, изменению морфологических признаков, летальности.
Заболевания, связанные с нарушением числа хромосом
При гетероплоидии особенно тяжелые последствия наблюдаются в случаях моносомии (20% заканчиваются летально уже в первые дни развития эмбриона – спонтанным абортом). Среди родившихся:
· Синдром Шерешевского – Тернера 2n = 45(ХО) – 1/5.000 (Айала, 1988),
· Трисомия по 21 паре – синдром Дауна, частота среди новорожденных - 1/700 описана в 1866,
· Трисомия по 13 паре – синдром Патау, 1/5000,
· Трисомия по 18 паре – синдром Эдвардса, 1/10000,
· Трисомия по 22 паре – синдром кошачьего глаза,
· ХХХ – трисомия по половой Х-хромосоме – 1/700,
· ХХY – 1/500 – синдром Клайфельтера.
Мутации подчиняются закону гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.
Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение аналогичных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства растений характеризуются определённым циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, их составляющие.
Пример: наличие одних и тех же признаков у разных видов – плёнчатое или голое зерно, остистость, поздняя или ранняя спелость – в семействе злаковых.
Многочисленные исследования показали, что закон гомологических рядов справедлив и для животных и для микроорганизмов.
Считается, что появление сходных признаков обусловлено наличием одинаковых, гомологичных генов, полученных от общих предков.
Генокопии – изменения разных генов, приводящие к одинаковым результатам. Мутации как бы копируют друг друга.
|
|
|
