|
Формы изменчивости
Развитие фенотипа организма
определяется взаимодействием
генотипа и фенотипа с условиями
внешней среды, при этом
изменяются
признаки организма. Одни признаки
очень пластичны
и изменчивы, другие
менее изменчивы, а третьи изменяются
совсем незначительно. Форма
изменчивости, не связанная с
изменением генотипа, называется
модификационной (по Дарвину
-
ненаследственной, или групповой).
Границы модификационной
(фенотипической) изменчивости для
разных признаков и при
различных
условиях могут быть весьма различны.
Пределы
модификационной
изменчивости признака называются
нормой его
реакции. Одни признаки
(например, молочность крупного
рогатого скота) обладают широкой
нормой реакции, другие
(окраска
шерсти) - более узкой. Широкая норма
реакции
(широкая приспособляемость)
в природе имеет важное значение для
сохранения вида. Но возникшие
отклонения при изменяющихся
условиях среды в основном не изменяют
генотипа, они лежат в
пределах нормы
реакции признака. Наследуется не
признак как
таковой, а способность
организма (его генотипа) в результате
взаимодействия с условиями среды
давать определенный
фенотип, иначе -
наследуется норма реакции организма
на
внешние воздействия.
Доминантный и рецессивный признаки
гибрида определяются в
первую
очередь особенностями гена и его
влиянием на развитие
признака. А так
как фенотип всегда зависит от
генотипа и
условий внешней среды, то,
меняя условия развития гибрида, можно
воздействовать на характер
доминирования признака. И. В.
Мичурин установил важную
закономерность доминирования
признаков у гибридов в опытах по
гибридизации плодовых
деревьев. Он
показал, что у гибридов
преимущественно
доминируют те
признаки, которые имеют в
окружающей среде
наиболее
благоприятные условия для своего
развития. В
результате скрещивания
западноевропейских и американских
сортов плодовых деревьев (из стран с
мягким климатом) с
местными сортами
из Тамбовской области (с суровым
континентальным климатом) им были
получены гибриды, которые
он
выращивал в открытом грунте. При
этом выявлялись
доминирующие
признаки зимостойкости, которые были
свойственны местным сортам.
Если подсчитать число отдельных
вариант в вариационном ряду
по
какому-то признаку (например, длины)
в порядке нарастания
или убывания и
нанести их на график, то можно
получить ряд
изменчивости данного
признака. Этот ряд называется
вариационным рядом. Чаще всего
встречаются средние члены
вариационного ряда, реже - крайние.
Вариационная кривая
отражает размах
вариаций и частоту встречаемости
признака,
т.е. распределение вариант
в вариационном ряду. Подсчитав число
колосьев и число колосков в каждом из
них, также можно
построить
вариационную кривую. Распределение
вариант в
вариационном ряду зависит
от условий внешней среды и реакции
на нее организма. Внешние факторы
среды могут благоприятно
влиять на
развитие признака: при благоприятных
условиях
получаются, к примеру,
большие колосья со многими колосками,
а крайние признаки (наиболее
выраженные или наиболее слабые)
проявляются, когда все
многочисленные факторы среды
(влажность, освещенность,
температура, физические свойства
почвы и др.) действовали бы в одном
направлении.
Вариационную кривую
целесообразно строить, имея большой
статистический материал.
Модификационная изменчивость
отражает изменения фенотипа, не
затрагивая генотипа.
Противоположной ей является другая
форма изменчивости - генотипическая,
или мутационная (по
Дарвину -
наследственная, неопределенная,
индивидуальная),
меняющая генотип.
Отдельные изменения генотипа
называются
мутациями. Понятие о
мутациях было введено в науку
голландцем де Фризом. Мутации - это
наследственные
изменения,
приводящие к увеличению или
уменьшению количества
генетического
материала, к изменению нуклеотидов
или их
последовательности. Различают
несколько типов мутаций:
изменение плоидности, т.е. числа
хромосом (численные хромосомные
аберрации),
встречающиеся
особенно часто у растений;
хромосомные мутации - изменения
структуры хромосом (структурные
хромосомные
аберрации);
генные мутации - изменения в
отдельных генах;
мутации во
внеядерном
генетическом материале.
Изменения плоидности наблюдаются
при нарушениях расхождения
хромосом. Хромосомные и генные
мутации вызываются факторами,
действующими на сами хромосомы, они
различаются по масштабам
структурных изменений. Мутационная
изменчивость отличается
от
комбинативной изменчивости. Мутации
- вновь возникающие
изменения в
генотипе, а комбинации - это новые
комбинации
родительских генов в
зиготе. Гораздо чаще встречаются
небольшие мутации, лишь немногим
отличающиеся от исходных
форм.
Большинство возникающих мутаций
рецессивны и
неблагоприятны для
организма, даже могут вызвать его
гибель.
В сочетании с аллельным
доминантным геном рецессивные
мутации не проявляются
фенотипически. Однако могут иметь
место и доминантные мутации,
снижающие жизнеспособность или
даже вызывающие гибель организмов.
Хромосомных мутаций, связанных с
изменением структуры
хромосом,
известно несколько типов:
делеция - выпадение участка
хромосомы;
дупликация - удвоение участка
хромосомы;
инверсия - поворот
участка
хромосомы на 180о;
транслокация - перенос участка
хромосомы на другую
хромосому.
При делеции и дупликации происходит
изменение количества
генетического
материала. Фенотипически они
проявляются в
зависимости от того,
насколько велики соответствующие
участки хромосом и содержат ли они
важные гены. У человека в
результате
делеции может быть утрачен участок в
большой
хромосоме 4 - тогда
развивается тяжелое заболевание -
синдром Вольфа; при делеции в
хромосоме 5 - синдром
“кошачьего
крика”. Дупликации могут привести к
возникновению
новых генов. При
инверсиях и транслокациях количество
генетического материала не
изменяется, но меняется его
расположение. Такие мутации также
играют важную роль,
поскольку
скрещивание мутантов с исходными
формами
затруднено, а их гибриды F1
чаще всего стерильны. Поэтому
скрещивают либо исходные формы
между собой, либо мутантов
между
собой. У мутантов может оказаться
благоприятный
фенотип, тогда они
будут исходными формами для
возникновения
новых видов.
Структурные изменения могут
происходить на
уровне хроматид или
хромосом. Важно, что хромосомные
мутации
возникают до репликации
ДНК, а хроматидные - после
репликации.
Генные (точечные) мутации связаны с
изменениями в
последовательности
нуклеотидов. Нормальный ген
(свойственен
дикому типу) и возникшие
из него мутантные гены называются
аллелями. Аллели распознаются по
занимаемому ими положению в
гомологичных хромосомах - они
занимают одинаковое положение
и
имеют сходную нуклеотидную
последовательность. При генных
мутациях происходят следующие
структурные изменения:
замена оснований - пурин (аденин,
гуанин) может заменяться другим
пурином или пурин
может заменяться
пиримидином (цитозин, тимин): пара
АГ заменяется парой АГ или ЦТ;
изменение числа нуклеотидов:
а) делеция - потеря одного или
нескольких нуклеотидов (нормальные
нуклеотиды АГЦ
ЦАГ АГЦ, измененные
нуклеотиды - АЦ ЦАГ АГЦ);
б) дупликация - удвоения участка
нуклеотида (АГГЦ ЦАГ АГЦ);
в) вставка новой для данного гена
последовательности (ЦАГ ЦАГ АГЦ);
инверсия - поворот участка гена на
180o.
Замена оснований происходит
спонтанно с частотой от 10-5 до
10-10
и встречается наиболее часто.
Например,
серповидноклеточная
анемия представляет собой результат
замены одного основания в b-цепи
глобина крови (аденин
заменяется
тимином). При делеции и дупликации
сдвигается
последовательность
триплетов и возникают мутанты со
“сдвигом
рамки”, т.е. смещениями
границ между кодонами - с места
мутации изменяются все последующие
аминокислоты. Часто
внутри этого гена
получаются триплеты - терминаторы,
что
приводит к обрыву полипептидной
цепи. В результате генных
мутаций
изменяется синтез соответствующих
белков, что может
привести либо к
повышению активности, либо к ее
потере, но
может и не наблюдаться
изменения признака. Большинство
генных мутаций дают отрицательный
эффект и обусловливают
выпадение
какой-либо ферментативной
активности. Степень
проявления
дефекта может быть различной. У
диплоидов мутации
возникают только в
одном из двух аллелей, в результате
чего
возникают гетерозиготы, фенотип
которых определяется
взаимодействием аллелей.
Мутации имеют место не только в
половых, но и в соматических
клетках.
Если мутации происходят в половых
клетках, то они
проявляются в том
поколении, которое развивается из
половых
клеток. При слиянии половых
клеток образуется диплоидная зигота,
а при слиянии вегетативных клеток
ядра могут оставаться
обособленными и
тогда образуется дикарион (гибридная
клетка
с двумя или несколькими
генетически различными ядрами) или
же ядра сливаются и образуется
синкарион. Вегетативные
клетки могут
сливаться у грибов (естественный
процесс,
ведущий к рекомбинации,
соматогамии), у животных, растений (в
случае протопластов - изолированных
клеток без оболочек) и
бактерий.
Изменения в вегетативных клетках
называются
соматическими мутациями.
Такие мутации приводят к изменению
признака только части организма,
развивающегося из
измененных клеток.
У животных соматические мутации не
передаются последующим поколениям,
поскольку из соматических
клеток
новый организм не возникает. Иначе у
растений: в
гибридных клетках
растительных организмов репликация и
митоз
могут осуществляться в разных
ядрах несколько по-разному. На
протяжении ряда клеточных генераций
происходит потеря
отдельных хромосом
и отбираются определенные
кариотипы,
способные сохраняться в
течение многих клеточных поколений.
В настоящее время известно, что
ядерная ДНК передает не всю
генетическую информацию. ДНК также
содержится в митохондриях
и
пластидах, в частности в хлоропластах.
Эти ДНК подвержены
мутациям,
которые приводят к изменениям
последовательности
аминокислот в
структурных белках. Изменение
признака может
происходить и в
цитоплазме клетки и передаваться
дочерним (к
примеру, передача
каппа-частиц у туфельки при
конъюгации).
Передача информации
через цитоплазму клетки называется
цитоплазматической
наследственностью. При помощи
отводков и прививок удается сохранить
возникшие изменения у
растений и они
оказываются стойкими,
наследственными.
Большинство
мутаций рецессивны. Частота
возникновения
отдельных спонтанных
мутаций выражается числом гамет
одного
поколения, несущих
определенную мутацию, по отношению
к
общему числу гамет. В природных
условиях мутация каждого
отдельного
гена происходит очень редко. У
организма имеется
несколько тысяч
генов, так что общее число мутаций
оказывается значительным. Частоты,
определенные для
некоторых видов
растений, животных и
микроорганизмов,
оказываются
близкими по величине и составляют в
среднем от
10-4 до 10-9 (т.е. от 1 из
100 тыс. или 1 из 10 млрд гамет несет
вновь возникшую мутацию в
определенном локусе). Частота
мутаций для различных генов
неодинакова: например, у
отдельных
генов растений она достигает 10-2.
Общая частота
мутаций колеблется у
разных видов организмов от нескольких
процентов (одноклеточные водоросли,
низшие грибы, бактерии)
до 25%
(дрозофила) всех гамет одного
поколения. Такая
частота мутаций
свойственна спонтанным мутациям.
Экспериментально частоту мутаций
можно увеличить. В
природных
условиях мутации происходят при
резких изменениях
температуры, под
влиянием ультрафиолетового
излучения и по
другим причинам.
Однако в большинстве случаев
истинные
причины мутаций остаются
неизвестными. В настоящее время
разработаны методы, позволяющие
увеличить число мутаций
искусственными средствами. Впервые
резкое повышение числа
возникающих
наследственных изменений было
получено под
влиянием лучей
Рентгена. В экспериментальных
условиях число
мутаций увеличивают
за счет изменения температуры в
пределах, переносимых организмом;
при действии на
репродуктивные
клетки рядом химических веществ
(например,
пестицидов) и различных
видов облучения (лучи Рентгена,
электроны, ультрафиолетовые и
g-лучи, нейтроны).
Некоторые процессы могут приводить к
возникновению
комбинативной
изменчивости: независимое (случайное)
расхождение гомологичных хромосом в
мейозе, случайное
сочетание хромосом
при оплодотворении, а также
рекомбинация
генов в результате
кроссинговера. Как правило, сами гены
при
этом не изменяются, но новые их
сочетания приводят к появлению
организмов с новым фенотипом.
Поскольку мутации каждого гена
происходят редко, можно говорить о
его значительной
стойкости. Это имеет
большое биологическое значение: если
бы
гены легко и часто изменялись, то
существование видов стало бы
невозможным, ибо в каждом поколении
организмы превращались
бы в нечто
совершенно новое, не похожее на
родителей.
Относительная стойкость
видов - важное условие
приспособленности организмов к среде
обитания.
Русским ученым Н. И. Вавиловым была
установлена важная
закономерность,
известная под названием закона
гомологических рядов в
наследственной изменчивости: виды и
рода, генетически близкие (связанные
друг с другом единством
происхождения), характеризуются
сходными рядами в
наследственной
изменчивости. На основе этого закона
можно
предвидеть нахождение
сходных изменений у родственных
видов
и родов. Им составлена таблица
гомологических рядов в семействе
злаков. У животных также проявляется
эта закономерность:
например, у
грызунов существуют гомологические
ряды по
окраске шерсти.
Основной формой существования вида
являются популяции, в
которых также
имеют место генетические процессы.
Изучение
мутационного процесса в
популяциях, а также изучение
процессов отбора, миграций весьма
важно для выявления
начальных этапов
эволюции. Из поколения в поколение
при
свободном скрещивании
относительные частоты генов (и
соответственно гомо- и гетерозигот) не
меняются. Эта
закономерность была
установлена в 1908 г. двумя учеными,
по
имени которых она носит название
закона Харди-Вайнберга. Закон
выполняется при соблюдении
следующих условий:
популяция должна быть достаточно
велика, чтобы обеспечить
возможность случайного
сочетания
генов;
должен
отсутствовать отбор;
не должно возникать новых
мутаций;
не должна происходить миграция
особей с иными генотипами из
соседних популяций данного вида.
В природных популяциях эти условия
не соблюдаются, так как
действует
естественный отбор, происходят
мутации и миграции
особей - все это
приводит к нарушению равновесия
генов в
популяциях. Закон
Харди-Вайнберга - отправная точка
при
расчете частоты генов,
изменяющихся под влиянием этих
процессов. На основе закона
Харди-Вайнберга С.С.Четвериков
(1926
г.) показал, что мутации возникают и
сохраняются в
рецессивном состоянии и
не нарушают общего состояния
популяции (популяция насыщена
мутациями, “как губка”).
Хромосомы, в
которых возникли мутации в результате
удвоения
при делении клетки,
постепенно распространяются среди
популяций. Мутации не проявляются
фенотипически до тех пор,
пока
остаются гетерозиготными. При
скрещивании особей,
несущих
аллельные рецессивные гены, мутации
могут проявиться
фенотипически и
попасть под прямой контроль
естественного
отбора. Таким образом,
каждая популяция как бы таит в себе
возможности для быстрого изменения в
соответствии с
направлением
естественного отбора. Генетическая
гетерогенность популяции (популяция -
гетерозиготная
система) обеспечивает
существование “мобилизационного
резерва” (выражение
И.И.Шмальгаузена) наследственной
изменчивости, т.е. популяция может
использовать не только
вновь
возникшие наследственные изменения,
но и те изменения,
которые возникли
давно и существуют в скрытом виде. На
основе генетического анализа можно
выявить характер
изменчивости
организмов в природе и механизм
действия
естественного отбора как
основного фактора микроэволюции и
видообразования.
|
