Geum.ru

Учебное пособие для 10-11 классов

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


4.3. Генотип и фенотип
4.5. Генетика человека
5. Эволюция органического мира
5.1 Теория эволюции
5.2. Формы борьбы за существование
5.3. Формы естественного отбора
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


В настоящее время благодаря многочисленным скрещиваниям ученым удалось получить полные генетические карты мно-


61


гих сельскохозяйственных растений и животных, что позволяет вести эффективную работу по выведению новых качеств растительных и животноводческих культур.


^ 4.3. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП


?Рассматривая законы наследования, мы прибегали к упрощению, называя исследуемый ген геном какого-то признака. Как же связан генотип (совокупность всех генов организма) с фенотипом (совокупностью всех признаков организма)? Во-первых, некоторые признаки не наследуются вовсе, поэтому никакого отношения к генам не имеют. Например, загар и следы порезов на коже, искривление позвоночного столба и т.п.


Фенотипические признаки, которые наследуются, зависят от работы того или иного гена, но не напрямую. Мы помним, что в гене закодирована информация о структуре одного белка. Этот белок чаще всего является ферментом, ускоряющим одну из реакций, протекающих в организме. В ходе реакции могут синтезироваться вещества, которые принимают участие в других реакциях. Так в итоге на какой-то стадии цепочек биохимических реакций появляется либо пигмент, либо гормон. Каждый признак является, как правило, не прямым следствием проявления одного гена, а результатом протекания множества реакций, в которых принимают участие многие ферменты, и промежуточные вещества. Рассмотрим три примера влияния генотипа на фенотип.


Плейотропия – влияние одного гена на несколько признаков. Так доминантный ген S растений табака приводит к появлению листьев с длинными черешками и заостренными кончиками, чашечек с длинными острыми зубцами, венчиков с небольшими лопастями, длинных пыльников и продолговатых плодов. Проявление рецессивного гена s приводит к изменению этих шести признаков. Растение гомозиготное по данному рецессивному гену имеет сидячие листья без заостренных кончиков, округлые венчики и плоды, а также короткие пыльники.


Эпистаз – проявление какого-либо признака в результате совместной деятельности нескольких генов. Например, окраска


62


цветков дикорастущей фиалки находится под контролем не одной, а пяти пар аллельных генов.


Влияние среды на проявление гена . В ряде случаев условия окружающей среды способны изменять проявление гена. Например, у плодовой мушки дрозофилы доминантный ген Cy ( Сyrly ) обусловливает развитие загнутых крыльев, в том случае, если куколки находились при температуре 25 0 С. Если же куколки содержались при температуре 19 0 С, то действие гена Cy приведет к появлению нормальных крыльев.


4.4. СЕЛЕКЦИЯ


Селекция – это научная и практическая деятельность человека, направленная на выведение новых сортов растений, пород скота, а так же новых штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками. В селекции используются следующие методы.


Искусственный отбор – это выбор человеком организмов с нужными ему качествами и получение от этих организмов потомства. Выделяют два типа искусственного отбора:


Бессознательный искусственный отбор – наблюдается в тех случаях, когда человек, выращивая растения или животных, не ставит перед собой целей, по улучшению их качеств. Уже 16 тысяч лет назад человек стал приручать диких животных. Со временем прирученные животные стали размножаться в неволе и давать потомство. Постепенно проходило одомашнивание животных и растений. Однако в ходе одомашнивания многие особи возможно не выживали. Одни не выдерживали скудной пищи, другие страдали от малой подвижности и других новых непривычных факторов. Так независимо от воли человека (бессознательно) из поколения в поколение отбирались все более приспособленные к неволе особи. Считают, что все аборигенные породы домашних животных и сортов растений выведены именно бессознательным искусственным отбором.


Методический искусственный отбор – заключается в осознанной работе человека по выведению определенного качества у имеющейся породы (сорта) или получению новой породы


63


(сорта). Методический отбор проводят в виде двух форм.


Групповой отбор – сводится к выбраковке отдельных особей, которые не удовлетворяют запросам человека. Например, вполне естественно при разведении крупного рогатого скота молочного направления выбраковывать из племенного стада коров, имеющих очень малые удои. Это наиболее старая форма методического отбора. В настоящее время групповой отбор используется как механизм поддержания постоянства породных или сортовых качеств уже выведенных пород или сортов.


Индивидуальный отбор – основан на отборе из группы особей отдельных животных или растений для дальнейшей племенной работы. Эти выбранные особи обладают особо ценными качествами. В результате индивидуального отбора выведены лучшие породы животных и сорта растений. Так получена лучшая в мире порода лошадей для верховой езды – английская скаковая; отличная ищейка – доберман-пинчер, одна из лучших пород крупного рогатого скота молочного направления – голландская молочная.


Инбридинг – проведение близкородственного скрещивания. Этот метод селекции используется, как правило, при индивидуальном отборе. Он позволяет достаточно быстро закрепить в потомстве очень важные и редко встречающиеся качества. Однако к недостаткам метода следует отнести уменьшение жизнеспособности получаемого потомства, так как инбридинг приводит к повышению гомозиготности особей.


Гетерозис – метод, противоположный инбридингу. Он заключается в получении организмов с высокой степенью гетерозиготности. Увеличение гетерозиготности приводит к заметному возрастанию жизненной силы организмов, устойчивости к болезням, выносливости, а часто и к увеличению размеров. Гетерозиготные особи можно получить различными путями. Например, можно скрестить две чистые линии растений или животных. Полученные будут выгодно отличаться от родительских форм целым рядом


64


признаков.


Полиплоидия –получение организмов с увеличенным набором хромосом. Все живые организмы имеют диплоидный набор хромосом. Ученые сумели нарушить естественное протекание, как митоза, так и мейоза у растений, в результате чего удалось получить организмы с кратным увеличением набора хромосом. Такие полиплоиды обладают повышенной урожайностью и устойчивостью к заболеваниям. Среди полиплоидов сейчас хорошо известны многие важнейшие продовольственные культуры: картофель, пшеница, гречиха, рожь, сахарная свекла, подсолнух.


Отдаленная гибридизация – это скрещивание растений или животных, относящихся к разным видам или даже к разным родам. При помощи отдаленной гибридизации удается получать организмы с необычным сочетанием признаков. При гибридизации осла и лошади получается мул. Это животное обладает большей силой, нежели осел и большей выносливостью, чем лошадь. Известны также гибриды мелкого рогатого скота, пушных зверей, осетровых рыб, однако, все они, как правило, бесплодны.


Большего успеха в отдаленной гибридизации добились растениеводы. Бесплодность гибридных форм им удалось преодолеть благодаря полиплоидизации гибридов. Впервые влияние полиплоидизации межвидовых гибридов на восстановление их плодовитости открыл отечественный генетик Г.Д. Карпеченко в 1924 году. Используя полиплоидию, ученому удалось получить плодовитый гибрид редьки и капусты.


^ 4.5. ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА


?Известно, что генотип человека включает в себя около100 000 генов. От их функционирования зависит здоровье, продолжительность жизни людей. И одновременно, известно огромное число мутантных генов человека, вызывающих различные наследственные заболевания или предрасположенность к ним, например, некоторые формы раковых заболеваний, сахарный диабет, заболеваниям центральной нервной системы. Для предотвращения наследственных заболеваний человека необходимо изучать его на-


65


следственность.


?Однако изучение наследственности человека – дело далеко не простое, на людях не возможно проводить генетические эксперименты, поэтому ученые прибегают к другим методам.


Важным методическим принципом изучения наследственности человека является принятие того факта, что законы наследования Менделя носят всеобщий биологический характер, поэтому они применимы и для объяснения наследования различных признаков (генов) человеком.


Генеалогический метод связан с изучением родословных людей. При наличии в генеалогическом дереве отца и матери каких-либо наследственных заболеваний можно с большой долей вероятности предполагать появление наследственных заболеваний у детей. Родителям, имеющим у своих предков опасные наследственные заболевания лучше воздержаться от зачатия детей.


Близнецовый метод связан с изучением однояйцовых близнецов, то есть детей, которые развились из одной оплодотворенной яйцеклетки. Этот метод позволяет четко различить, какая изменчивость человека вызвана наследственностью, а какая – факторами среды.


Цитогенетический метод заключается в изучении при большом увеличении, после специального окрашивания хромосом человека. Метод основан, на том, что некоторые наследственные болезни человека связаны с изменением формы отдельных хромосом или их числа, поэтому такие изменения хорошо различимы в световой микроскоп.


Биохимические методы основываются на многочисленных открытиях биохимиков и медиков, показывающих, что многие наследственные заболевания человека связаны с отсутствием синтеза какого-либо белка-фермента, что приводит к нарушению жизненно важных функций организма. Очевидно, что нехватка белка объясняется отсутствием определенного гена, или подавлением его активности. В последнее время ученые все больше находят недостающих белков, вы-


66


зывающих такие нарушения. Полученные искусственным путем эти белки можно использовать для введения в организм больного и тем самым снять приступы болезни. Однако следует помнить, что при таком методе лечения человека все равно остается носителем данного заболевания. Отсутствие необходимых белков чаще наблюдается в изолированных популяциях людей (например, в небольших труднодоступных поселках в горах). В таких изолятах нередки случаю близкородственных браков, которые значительно снижают гетерозиготность детей по различным генам. Уменьшение гетерозиготности увеличивает вероятность проявления мутантного гена, который может оказаться в гомозиготной форме.


^ 5. ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА


Эволюция органического мира – это историческое развитие всего живого на нашей планете, в результате чего виды постепенно изменяясь, превращаются в другие виды.


Издавна существовали две точки зрения на окружающий живой мир. Сторонники одного взгляда были убеждены, что все виды организмов неизменны со дня сотворения их божественной силой. Другие считали, что весь органический мир меняется в течение поколений. Такие диаметрально противоположные точки зрения в древности не основывались на наблюдениях и были всецело умозрительными. Однако, многие географические, геологические и биологические открытия все более убедительно доказывали на фактическом материале реальность эволюции живого мира. Наиболее убедительными фактами, доказывающими эволюцию органического мира, являются следующие.


Палеонтологическая летопись – это все ископаемые остатки вымерших организмов, некогда населявших нашу планету. Очевидно палеонтологическая летопись не полная, так как многие остатки не сохранились до наших дней, какие-то еще не открыты исследователями. Однако имеющийся в распоряжении ученых материал позволяет наблюдать следующее. Все ископаемые остатки животных и растений находятся в различных геологических слоях. Каждый слой имеет свой возраст, который естественно приблизи -


67


тельно соответствует возрасту захоронения ископаемых остатков. Интересно, что ископаемые остатки, лежащие в более древних слоях принадлежат к организмам значительно отличающимся от ныне живущих представителей. И наоборот, чем более поздним было захоронение, тем более наблюдается сходства погибшего вида с одним из современных. Таким образом, для некоторых, хорошо сохранившихся ископаемых оказалось возможным построить целый ряд непрерывно меняющихся во времени форм постепенно приобретающих черты современного представителя.


Блестящим примером является работа отечественного зоолога В.О. Ковалевского, который изучил все ископаемые остатки лошадей и их предков и показал, как, постепенно начиная с эоцена четырехпалый предок, постепенно утрачивая пальцы, превратился в однопалое животное. Эти изменения рассматриваются как приспособление лошадей к обитанию на открытых пространствах степей.


Атавизмы – возникновение у отдельных организмов признаков, которые были у родственных, но более древних форм. Например, изредка у кобыл рождаются трехпалые жеребята. Очень редко рождаются дети с хвостами, с дополнительной парой млечных желез, со сплошным волосяным покровом на теле. Это явление можно объяснить эволюцией.


Рудименты – наличие у всех организмов одного вида недоразвитых органов, не выполняющих важных функции. Например: глаза кротов, остатки волосяного покрова и тазовых костей у многих китообразных, хвостовые позвонки и аппендикс человека. Существование рудиментных органов можно объяснить так же эволюцией, в результате которой происходила постепенная утрата значения какого-либо органа в связи с изменившимися условиями жизни.


Сходство зародышевого строения всех организмов – в любой систематической группе живых организмов (типе, классе, отряде и пр.) на ранних стадиях развития зародыш имеет множество общих черт строения. Особенно важно, что у зародыша наблюдаются та


68


кие признаки, которые имелись у более примитивных организмов, но утратились взрослыми формами. Так, например зародыш человека, как и зародыш обезьяны, собаки, кошки, любой птицы и других наземных хордовых имеет жаберные щели, подобные тем, которыми дышат ланцетники, примитивные хордовые. зародыши всех млекопитающих (в том числе парно- и непарнокопытных, ластоногих, китообразных) имеют пятипалые конечности.


Сходство зародышевого развития отражено в так называемом биогенетическом законе, установленном в 1864 году Ф. Мюллером. Этот закон гласит, что индивидуальное развитие особи любого вида кратко повторяет эволюцию этого вида.


^ 5.1 ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ


?Накопление биологических фактов все более указывало на необходимость признать существование эволюции органического мира, но ученые долгое время не могли объяснить причин, заставляющих эволюировать виды.


?В настоящее время во всем мире принята концепция естественного отбора. Эта концепция была доложена впервые 1 июля 1858 года в Лондоне на заседании Линнеевского общества Чарльзом Дарвином. Она основана на трех наблюдениях и двух выводах.


Наблюдение первое . Все организмы потенциально способны к увеличению своей численности в геометрической прогрессии, поэтому численность стремится к значительному увеличению. На свет всегда производится больше потомков, чем природа может прокормить.


Наблюдение второе . Как правило, численность живых организмов значительно не увеличивается, а остается примерно на одном уровне, так как выживают не все появившиеся на свет особи, а только некоторые.


Вывод . Поскольку рождается больше, чем может прокормиться, между организмами происходит борьба за существование , которая протекает обычно в виде конкуренции. То есть борьба за существование является причиной гибели многих организмов.


69


Наблюдение третье . На земле все организмы отличаются друг от друга, одинаковых особей нет. То есть изменчивость – свойство всех живых организмов на земле.


Вывод. Так как в борьбе за существование участвуют разные организмы, следовательно, те особи, которые отличаются более выгодными свойствами (или более выгодным набором изменчивости) будут иметь больше шансов выжить в этой борьбе и оставить потомство, а организмы менее приспособленные – наоборот будут иметь меньше шансов на выживание. Такое выживание наиболее приспособленных организмов Дарвин назвал естественным отбором . Следует иметь ввиду, что материалом для естественного отбора является только наследственная изменчивость.


Таким образом, Дарвин объяснил, почему происходит эволюция. Эволюция происходит, потому что ею движет естественный отбор, то есть из поколения в поколение выживают наиболее приспособленные организмы. Иными словами естественный отбор - это движущая сила эволюции. Естественный отбор проявляется в результате борьбы за существование. Борьба за существование возможна благодаря тому, что рождается организмов больше, чем могут прокормиться.


В настоящее время теория Дарвина признана учеными всего мира. Однако ряд открытий показал, что в природе изредка наблюдаются явления противоречащие теории выживания наиболее приспособленных организмов. Представим популяцию березовых пядениц небольшой рощи. Естественный отбор привел к тому, что все бабочки имеют светлую окраску крыльев, маскирующую их на белых стволах. Однако в популяции регулярно встречаются мутантные темные формы. Численность их невысока, так как они постоянно находятся под воздействием естественного отбора (они более заметны для птиц на стволах берез). Допустим, что в нашей популяции на 100000 светлых пядениц рождаются 100 темных (0,001%), а к осени в результате естественного отбора соотношение становится 100000 к 10 (0,01%). Представим также, что в ре-


70


зультате крайне неблагоприятных условий зимовки (например, сильные морозы при невысоком снеговом покрове) большая часть популяции бабочек (зимующих на стадии куколки) погибнет. В результате весной может вылететь из куколок только 100 бабочек, из которых окажется 5 темных, то есть соотношение темных увеличился до 5% вопреки естественному отбору. Такое случайное увеличение частоты вредных мутаций называется дрейфом генов . Это явление открыто отечественным генетиком Н.П. Дубининым и американским генетиком С. Райтом.


^ 5.2. ФОРМЫ БОРЬБЫ ЗА СУЩЕСТВОВАНИЕ


?Борьба за существование может протекать между разными организмами. Выделяют следующие формы борьбы за существование.


Хищничество – это такие отношения между организмами, в результате которых одни организмы (животные или реже растения) поедают других (животных). Например, рысь является хищником для зайца-беляка, а он в свою очередь – жертвой. Эволюция обоих видов протекает в результате постоянного естественного отбора. В ходе этого отбора оставляют потомство только те зайцы, которые смогли спастись от рыси; и те рыси, которые способны регулярно отлавливать зайцев. Между зайцами-беляками и рысями происходит непрерывная борьба за существование, в ходе которой животные должны быстрее бегать, лучше маскироваться.


Паразитизм – это такие отношения между организмами, в результате которых одни организмы живут, потребляя части другого организма (в отличие от хищников не поедают жертву целиком). Например, дизентерийная амеба является кишечным паразитом шимпанзе. Эволюция, как шимпанзе, так и дизентерийной амебы протекает в ходе борьбы за существование между ними. В результате этой борьбы будут выживать, и оставлять потомство только те обезьяны, которые обладают устойчивостью к данному паразиту (достаточно быстро вырабатывающие необходимые иммунные белки) и те амебы, которые способны лучше противостоять защитным свойствам организма обезьян.


71


Конкуренция – это отношения между организмами, соревнующимися за одни и те же ресурсы внешней среды. Конкуренция бывает двух типов: конкуренция между особями разных видов – межвидовая конкуренция , а также - между особями одного вида – внутривидовая конкуренция .


Рассмотрим пример межвидовой конкуренции. В средней полосе России волк и рысь конкурируют за такой объект охоты как заяц-беляк. Для рыси заяц является основной пищей, для волка основной пищей являются копытные (кабан, олень, лось). При недостатке копытных волки переключаются на добычу зайцев и становятся конкурентами рыси. Однако конкуренция обоих хищников за беляка не бывает слишком напряженной, так как при недостатке корма, волк способен охотиться на полевок в сельхозугодьях, нападать на домашних животных. Рысь в свою очередь по-своему решает проблему недостатка пищи. Лесные кошки могут переключаться на охоту за лесными тетеревиными птицами, или охотиться на лисиц.


Внутривидовая конкуренция проявляется среди любых особей одного вида. Эта форма конкуренции является более жесткой, чем межвидовая. Для объяснения вернемся к выше рассмотренному примеру хищничества рыси и волка. Как уже сказано оба хищника конкурируют в охоте на зайца-беляка. Если же беляка становится слишком, то оба вида хищников переходят на другие различные объекты охоты. Конкуренция в этом случае между рысью и волком не наблюдается. Однако конкуренция сохраняется между рысями, так как для них объекты охоты остаются одинаковыми. Аналогично можно сказать и про волков. Вместе с тем рыси между собой конкурируют не только за пищу, но и за многие другие факторы среды: участки леса необходимые для дневного отдыха, самцы конкурируют за самок, самки - за самцов. То же можно сказать и про волков и про зайцев.


^ 5.3. ФОРМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА


?Существуют три формы естественного отбора.


Движущий (или направляющий ) естественный отбор это


72


такой отбор, который благоприятствует одному направлению изменчивости и не благоприятствует всем остальным направлениям. Движущий естественный отбор обычно наблюдается при изменении условий окружающей среды.


Рассмотрим следующий пример. В лесах умеренной зоны Евразии очень обычны бабочки березовые пяденицы. Эти бабочки ведут сумеречный образ жизни, а весь день неподвижно сидят на стволах берез. Окраска крыльев – белая с темноватым струйным рисунком - делает их незаметными на фоне белой коры.