Зарождение науки генетики - НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ

В этой главевы научитесь

пониматьзначение изменчивости и наследственности в жизни организмов.

Для этого выдолжны уметь:

- характеризовать законы наследования Г. Менделя, их цитологические основы, важнейшие положения хромосомной теории наследственности, современные представления о гене;

- характеризовать природу наследственных болезней;

- приводить примеры изменчивости и наследственности у растений и животных и объяснять причину этого явления;

- характеризовать методы селекции и их биологические основы.

Использоватьв быту элементарные генетические знания.

Для этого выдолжны уметь:

-пользоватьсязнаниями по генетике и селекции для поддержания породной чистоты домашних животных (собак, кошек, аквариумных рыб и др.).

Оцениватьповедение человека с точки зрения сохранения его здоровья.

Для этого выдолжны уметь:

- применять биологические знания для обеспечения генетической безопасности (профилактика наследственных заболеваний, защита наследственности от нарушений окружающей среды).

Проверьте себя!

• Как связаны между собой явления наследственности и изменчивости?

§ 25. Зарождение науки генетики

Постановка проблемы урока

- Как же он похож на свою бабушку! - говорит один из гостей другому.

- Разве он может быть больше похож на бабушку, чем на маму?! - возражает отец.

- Тем более что мужские признаки сильнее женских, - поддерживает его приятель.

- Да что вы спорите, - вступается мама, - ведь он наш кровь от крови, поровну моей и мужа.

• Обобщите взгляды каждого спорщика. Какой из них вам ближе?

• Какие исследования нужны, чтобы выработать общую позицию? Предложите основной вопрос урока и сравните с авторским вариантом (с. 396).

Необходимые базовые знания

• Кто заложил основы генетики? (9 класс)

• С помощью каких методов генетики изучают наследственность? (9 класс)

Решение проблемы

Наследственность и изменчивость

• Сравнивая потомков одних родителей, научитесь разделять их особенности, обусловленные наследственностью и изменчивостью.

С давних пор людей интересовало противоречивое свойство организмов передавать свои признаки в ряду поколений в общих чертах, но не полностью — так что новый организм имеет свои индивидуальные отличия. Противоречие состоит в том, что передача признаков объединяет два свойства: наследственность и изменчивость.Наследственность— способность потомков воспроизводить в индивидуальном развитии свойства предков.Изменчивость— свойство потомков приобретать новые признаки. Закономерности наследственности и изменчивости изучает наука генетика.

Формирование представлений о наследственности

• Какие проблемы интересовали учёных и какие заблуждения мешали найти верный путь их решения?

Ещё в доисторические времена люди, вероятно, отдавали себе отчёт в том, что признаки организмов наследуются. Они стремились вырастить цыплят от более яйценоских кур, посеять семена самых урожайных растений. Однако только в конце XIX в. появились первые научные знания, давшие впоследствии возможность осознанно управлять селекцией.

Быстрое развитие генетики началось с тех пор, как цитологи увидели расхождение хромосом при делении клетки и сопоставили этот факт с почти забытыми трудами Менделя, предположившего, что носителями наследственной информации служат неделимые частицы, а не жидкости.

Это было совсем небесспорно. Наследование родительских свойств объясняли не иначе как смешиванием их крови, или “жизненных соков”. В этом убеждало многообразие родительских признаков, плавность изменения в ряду потомков, трудность поддержания “чистокровности”. Различные “теории” слитной наследственности лучше согласовывались с непрерывной изменчивостью большинства признаков: длины тела, формы ушной раковины, цвета кожи. Отсюда идёт бытующее до сих пор представление о долях крови, унаследованных потомками от разных предков.

Это представление лежит в основе “кошмара Дженкина”, в котором Ч. Дарвин видел главное возражение против теории естественного отбора. В самом деле, если среди массы растений с белыми цветками появится растение с красными цветками, то при каждом скрещивании этот новый признак, независимо от его полезности, будет “разбавляться” вдвое. В ближайших поколениях он “растворится” в наследственном материале подавляющего большинства особей и исчезнет.

Другой загадкой наследования была способность микроскопических половых клеток передавать полную информацию о строении и функциях целого многоклеточного организма, определяя в нём различную роль астрономического числа клеток.

Над этой проблемой бились великие умы, от древнегреческого учёного и врача Гиппократа (V в. до н.э.) до Ч. Дарвина, предложившего гипотезу пангенезиса (1868). Согласно ей, все клетки тела отделяют мельчайшие частицы с информацией о своих свойствах, в том числе приобретённых, и направляют их в половые клетки, с которыми они переходят потомку. Сам Дарвин понимал бездоказательность гипотезы и считал её временной мерой, облегчающей понимание проблемы. Вскоре она была опровергнута экспериментами, а проблему наследственных факторов успешно решили благодаря развитию биологии в конце XIX в.

Мендель не видел единиц наследственности, он только предполагал их существование, так как они лучше всего объясняли результаты его опытов по передаче признаков от родителей к потомкам. Теперь мы знаем, что такие единицы — гены — представляют собой участки молекул ДНК. Гены как части молекул ДНК копируются и передаются дочерним клеткам. Так они передают потомкам наследственные свойства родителей.

• Все ли клетки организма несут одинаковую ДНК? Как каждая из них использует наследственную информацию?

Гибридологический анализ - главный метод генетики

• Обратите внимание на термины, выделенные в тексте, и выскажите своё мнение о том, почему их содержание оставалось непонятым до исследований Менделя. В дальнейшем проверьте своё предположение.

Наряду с решением общих проблем учёных интересовали закономерности наследования различных признаков родителей. Аристотель (IV в. до н.э.) считал, что развитие организма начинается с борьбы между признаками отца и матери. Побеждают более сильные признаки, которые и определяют, в частности, пол и характер будущего ребёнка. Важнейшие черты, по его мнению, наследуются по мужской линии.

Из опыта стихийной селекции было известно, что путём длительной выбраковки отклоняющихся особей можно вывести “чистый” сорт или породу -чистую линиюорганизмов, не дающую нежелательных отклонений признаков в потомстве. Наоборот, скрещивание особей из разных линий приводит к получению гибридов с большим разнообразием признаков. По мере развития науки метод наблюдения наследования постепенно вытеснялся методом гибридологического анализа ~ анализа характера наследования признаков путём системы скрещиваний.

В конце XVIII в. сотрудник Российской академии наук И.Г. Кёльрейтер (1733 — 1806) первым поставил строгие эксперименты по проверке эквивалентности (отсутствия преимущества) в наследовании по мужской и женской линии. Он проследил проявление альтернативных (несовместимых в одном организме) признаков, таких как окраска цветков у некоторых растений, и показал, что результат скрещивания не зависит от того, яйцеклетка или спермий несёт данный признак. Иными словами, оба родителя вносят равноценный вклад в наследственные свойства потомков.

25.1. Схема опытов И.Г. Кёльрейтера

• Поясните смысл опытов Кёльрейтера, показанных на схеме.

К середине XIX в. были известны и другие закономерности наследования. Так, было замечено, что при скрещивании двух сортов (пород) в первом поколении образуются гибриды, все как один похожие друг на друга. Но во втором и последующих поколениях потомков происходит расщепление признаков: появляются особи, похожие на каждого из предков. Это позволило сформулировать два “рабочих” правила: о единообразии гибридов первого поколения и о расщеплении признаков во втором и последующих поколениях.

Было открыто явлениедоминантности.Показано, что часто все гибриды первого поколения по исследуемому признаку идентичны одному из родителей (его признак доминирует). При этом другой, рецессивный (не проявляющийся) признак не исчезает: после скрещивания гибридов между собой он снова проявляется у потомков второго поколения. Это рассматривалось как “возврат к родительским формам”. Было также показано, что среди гибридов второго поколения встречаются внешне одинаковые организмы с различной наследственностью: одни из них дают расщепление признаков у потомков при самоопылении, а другие — нет.

Однако эти результаты не смогли изменить общие представления о природе наследственности. Биологический механизм процессов, скрытых за внешним проявлением признаков, оставался непонятым.

Грегор Мендель и его подход

25.2. Грегор Мендель.

• Сформулируйте особенности метода Г. Менделя и причины его успеха.

Решающий вклад в развитие генетики как науки осуществил Грегор Мендель (1822-1884), опубликовав в 1865 году статью “Опыты над растительными организмами”, в которой он обобщил результаты своих многочисленных экспериментов.

Грегор Мендель был монахом, а позднее настоятелем монастыря в Брюнне, в Австро-Венгрии (теперь город Брно, Чехия). Свои знаменитые опыты он проводил с обычным горохом, который выращивал в монастырском саду. Как же Мендель, работая много лет в одиночку, увидел то, чего не смогли разглядеть его современники,

связанные с научным миром? Его успех определялся прежде всего глубоко продуманной организацией научного исследования.

Во-первых, он выбрал исключительно удачный объект исследования - растения гороха.

В норме гермафродитные цветки гороха оплодотворяются самоопылением. Мужские (спермин пыльцевого зерна) и женские (яйцеклетки в пестике) гаметы образуются с гарантией из одного и того же генетического материала, а плоды образуются после слияния этих гамет. Высевая полученные семена, легко убедиться в устойчивости признаков в ряду поколений, так как можно быть уверенным, что ни ветер, ни насекомые не занесли на опытные растения чужую пыльцу. Вместе с тем при необходимости исследователь может сам скрещивать разные растения, перенося в нужный момент кисточкой пыльцу одного растения на пестики другого. Такой способ позволяет легко получать гибриды между различными линиями с уверенностью за их происхождение. На поиск подходящего объекта и отработку надёжных методик гибридизации Мендель потратил несколько лет.

Во-вторых, Мендель, в отличие от многих, не пытался узнать всё и сразу, а строго ограничил свою задачу, стремясь глубоко проникнуть в суть происходящих процессов.

В большинстве опытов он наблюдал за наследованием одного хорошо заметного признака, выраженного двумя альтернативными (взаимоисключающими) вариантами. Им было получено от семеноводческих фирм 34 сорта гороха, из которых он отобрал 22 “чистых” (не дающих расщепления по изучаемым признакам при самоопылении) сорта. На проверку чистоты сортов ушло два года. Затем он в течение 8 лет проводил искусственную гибридизацию сортов, а полученные гибриды скрещивал между собой. Он изучил наследование семи признаков, получив в общей сложности около 20 тыс. гибридов второго поколения.

Третье и, может быть, главное обстоятельство — Мендель в своё время изучал математику и теорию вероятностей. Поэтому он предвидел возможность случайных отклонений результатов, понимал необходимость большого числа наблюдений и их строгого количественного учёта.

Основы этой теории очень просты. Рассмотрим лишь два опыта. Подброшенная вверх монета имеет равные шансы упасть вверх орлом или решкой. Теория предсказывает, что в этом опыте ожидаемая вероятность выпадения каждой стороны равна 0,5 (сумма вероятностей всех исходов всегда равна 1). Кроме того, она предсказывает, что реальный результат будет обязательно отличаться от 0,5 в ту или другую сторону, но это отличие будет тем меньше, чем больше сделано бросков (наблюдений). Более того, она способна предсказать вероятность любой величины отклонений. Второй опыт: подбросим две монеты одновременно. Выпадение орла на одной монете не зависит от того, выпал ли орёл на другой, это независимые события. Согласно теории, совместная вероятность двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них. Поэтому наиболее вероятно, что два орла выпадут одновременно в 0,5 • 0,5 = 0,25, т.е. в четверти опытов. Можно точно определить заранее, с какой вероятностью реальный результат будет отличаться от ожидаемого на величину, например, более 1% за 1000 попыток.

Законы Менделя формировались до и после него с участием других исследователей. Основная заслуга Менделя не в том, что он первым увидел закономерности в наследовании признаков, а в том, что сумел найти им объяснение. Он сформулировал гипотезы о принципах наследования, подтвердил их результатами скрещиваний и создал стройную теорию, ставшую основой генетики как науки.

Обобщение новых знаний

Развитие взглядов на механизм наследственности тормозилось неверным представлением о слитном “перетекании” признаков от родителей к потомкам, подобно раствору в жидкости. В то же время развивался гибридологический анализ. С его помощью до работ Менделя уже были известны явление доминирования, эквивалентность родительского вклада, единообразие первого поколения гибридов, расщепление признаков во втором поколении. Мендель разработал строго научный подход к анализу результатов гибридизации. Он впервые верно объяснил механизм наследования и создал стройную теорию, которая позднее подтвердилась цитологическими исследованиями и стала основой генетики как науки.

Наследственность. Изменчивость. Генетика

Применение знаний

1. Что такое наследственность и изменчивость?

2. Почему метод Менделя стал важным для генетики?

3. Какова роль генетики и цитологии в объяснении наследственности?

4. Почему основателем науки генетики считают Г. Менделя?

5. Почему для выведения породы требуется много поколений?