Курс биологии для поступающих в вузы

ГЕНЕТИКА

Генетика изучает наследственность и изменчивость.

Наследственность - это свойственная всем организмам способность передавать свои признаки потомству, что приводит к биологическому сходству между родителями и их потомством, а также обеспечивать возможность индивидуального развития сообразно с постоянно меняющимися условиями среды. Изменчивость же, напротив, представляет собой способность организмов приобретать различного рода изменения.

Согласно эволюционному учению, все имеющиеся признаки у любого организма не присутствовали изначально, а появились путем мутационного преобразования других признаков, имевшихся ранее у предковых форм. Следовательно, наследственность зависит от изменчивости. Точно так же имеет место и обратная зависимость, поскольку изменчивость представляет собой объективно существующее свойство организма, которое (как и все другие свойства организма) передается по наследству.

Универсальным материальным субстратом наследственности и изменчивости является нуклеиновая кислота. Для клеточных организмов это всегда ДНК, для вирусов, наряду с ДНК, эту роль может выполнять и РНК. Реализация же информации осуществляется молекулами-посредниками, роль которых выполняет РНК. Каждая из этих молекул представляет собой комплементарную копию определенного участка молекулы ДНК, который принято называть геном.

В современной трактовке ген - это основная единица наследственного материала, занимающая в хромосоме строго определенное место. Ген - это определенная последовательность ДНК или РНК, которая отвечает за образование единичной полипептидной цепи. Иными словами, ген несет информацию. Термин цистрон является функциональным эквивалентом гена. Признак представляет собой любую дискретную характеристику организма - морфологическую, физиологическую, биохимическую, этологическую и т. д. Например, признаками являются цвет волос и глаз, группа крови и резус- фактор, личностные качества: темперамент, характер, способности и др. Для возникновения любого из них необходима совместная и строго согласованная деятельность не одного, а многих генов. Признак может иметь альтернативное (неодинаковое, противоположное) проявление. В генетике каждый тип реализации одного и того же признака называется аллелем, а гены, которые определяют развитие признаков, имеющих альтернативное проявление, называются аллельными или аллеломорфными. Такое разнообразие в проявлении одних и тех же признаков возникло из-за мутаций (качественных изменений) генов. Каждый из аллелей (аллеломорфов), согласно хромосомной теории наследственности, располагается в хромосоме, занимая определенный ее участок - локус. Несмотря на то что у многих генов может быть большое количество аллелей, их присутствие в генетическом аппарате всегда строго определено. Каждый набор хромосом содержит один полный «комплект» генов, отвечающих за развитие всех признаков организма. При этом в гаплоидном состоянии всегда имеется лишь один аллель гена каждого признака, в диплоидном - два, также и в полиплоидном состоянии количество аллелей соответствует числу наборов хромосом. Аллели в диплоидном или полиплоидном ядре могут быть одинаковыми или разными. Если они одинаковые, то такое состояние называется гомозиготным, если разные - гетерозиготным.

Диплоидные наборы хромосом свойственны соматическим клеткам большинства эукариот. Появление диплоидности связано с половым размножением, общий смысл которого состоит в том, что новый организм получает одинаковое количество генетического материала от каждого из родителей. При этом происходит комбинация генов и появляющиеся каждый раз новые сочетания признаков делают популяции значительно более гетерогенными, чем при бесполом размножении, что, в свою очередь, в значительной степени ускоряет эволюционный процесс (с точки зрения теории эволюции).

В процессе полового размножения образуются особые клетки - гаметы (у животных в результате мейоза, а у растений в результате митоза), содержащие по одному набору хромосом. В результате оплодотворения происходит восстановление диплоидного набора. При этом хромосомы, имеющие одинаковую форму и размеры, а также идентичную локализацию в них генов, контролирующие одни и те же признаки, можно условно разделить на пары, в каждой из которых одна хромосома получена от матери, а вторая от отца. Хромосомы каждой пары называются гомологичными. Число этих пар соответствует числу хромосом в гаплоидном наборе.

Если гены в хромосоме определяют развитие половых признаков, то их называют половыми хромосомами, все остальные хромосомы называются аутосомами. Набор хромосом клетки, который характеризуется их числом, размерами, формой и особенностями строения, называется кариотипом. Представление набора хромосом на диаграмме также называется кариотипом. Ка- риотип определяют путем микроскопического изучения клетки во время ее митотического деления в метафазе. Кариотипы разных организмов различаются между собой, что может быть важным при определении видов-двойников.

Совокупность всех генов, содержащихся в гаплоидном наборе хромосом, называется геномом. Если же наборов хромосом два и больше, то тогда совокупность всех генов называют генотипом. Часто под генотипом подразумевают аллельную пару рассматриваемого гена. При этом обычно проявляется действие только одного аллеля. Тот аллель, который проявляется в фенотипе как при гомозиготном, так и при гетерозиготном генотипе, называется доминантным. Напротив, рецессивный аллель проявляется в фенотипе только в том случае, если генотип гомозиготный ( 39).

Совокупность всех проявленных признаков организма, которые сформировались в процессе его индивидуального развития, называется фенотипом. Элементарная единица фенотипа называется феном. Каждый из фенов контролируется аллелями одного гена. Фенотип возникает в результате взаимодействия между генотипом и окружающей средой. В зависимости от условий окружающей среды возможна некоторая вариабельность в проявлении одного и того же признака, что связано с адаптацией к этим условиям.

В зависимости от интенсивности действия фактора генотип будет обеспечивать строго определенное развитие фенотипа. Все возможное разнообразие сформировавшихся при этом фенотипов - это есть норма реакции, которая индивидуальна для каждого организма и зависит от генотипа. Генетический контроль обусловливает границы нормы реакции. Таким образом, норма реакции - это потенциальная реактивность живой системы, которая осуществляется при ее взаимоотношении с различны/ми факторами внешней и внутренней среды.

Совокупность генов и их аллелей группы организмов называется генофондом. В зависимости от иерархического положения группы выделяют генофонды популяции, вида, экосистемы и, наконец, биосферы.

Методы общей генетики. Гибридологический анализ. Представляет собой основной метод исследования наследственности и изменчивости. Он позволяет анализировать наследование отдельных признаков при половом размножении. Этот метод был разработан Г.Менделем, который использовал его в своих опытах. Основные положения этого метода состоят в следующем. 1. Производится скрещивание гомозиготных родительских организмов, принадлежащих к одному виду. 2. Скрещиваемые родительские особи должны различаться по исследуемым признакам, наследование которых изучается отдельно от других признаков родителей и их потомства. 3. Проведение реципрокного скрещивания, при котором различающиеся между собой родительские организмы меняются местами по изучаемым аллелям. 4. Тщательное проведение статистического анализа всех классов расщепления (т. е. проявления в потомстве гибридов особей с различными генотипами и фенотипами) у гибридов первого и последующих поколений.

В настоящее время наряду с классическим гибридологическим методом, предложенным Менделем, используются также и другие. Например, метод отдаленной гибридизации. В этом случае родительские формы принадлежат не одному, а разным видам или даже родам. Таким образом, можно получить доказательства происхождения систематических групп и определить их близость. Широко применяются методы гибридизации отдельных соматических клеток растений и животных, что позволяет получить клетки с новыми свойствами. Также производят гибридизацию молекул ДНК и РНК, гибридизацию клеток и вирусов (трансдукция), гибридизацию клеток и отдельным молекул ДНК (трансформация).

Мутационный метод. С помощью этого метода изучают наследование изменений, вызванных мутациями. Используя различные виды мутагенов, можно искусственно индуцировать мутации и затем изучить их с помощью гибридологического метода. Вместе с гибридологическим методом мутационный метод объединяют в метод генетического анализа.

Цитологический метод. Используется для исследования клеточных структур, определяющих наследственность.

Математический метод. Является крайне важным для генетики. Его использовал еще Мендель в своих исследованиях. Незаменим при изучении гибридов, а также при исследовании наследования количественных признаков и изменчивости. С помощью математического метода можно рассчитать возможные результаты эксперимента.

Методы генетики человека. Применение самых распространенных методов общей генетики, таких, как гибридологический или экспериментально-мутационный, невозможно для изучения закономерностей наследственности и изменчивости человека. Методические трудности при изучении наследственности человека: 1) невозможность произвольного скрещивания в эксперименте; 2) позднее наступление половой зрелости; 3) малое число потомков в каждой семье; 4) невозможность уравнивать условия жизни для потомства; 5) отсутствие точной регистрации проявления наследственных признаков в семьях и отсутствие гомозиготных линий; 6) большое число хромосом. Наиболее значимыми методами являются следующие.

Генеалогический метод (метод родословных). Сущность метода заключается в анализе наследования и проявления изучаемого признака в ряду поколений, при этом информативность метода возрастает по мере увеличения представленных поколений. Для этого составляют родословные, которые представляют собой последовательную графически изложенную совокупность сведений о предках того или иного человека, характеризующих его происхождение. Анализ полученной при составлении родословной информации позволяет определить тип наследования интересующего признака или болезни. Метод позволяет выяснить: сколько генов вызывают проявление признака или болезни (моногенность - один ген или полигенность - несколько генов изучаемого признака), а также в каких хромосомах локализованы эти гены - в аутосомах или половых хромосомах.

Близнецовый метод. С его помощью можно сопоставить значимость генотипа и внешних факторов в проявлении признака. Метод основан на изучении генетических закономерностей у разных групп близнецов.

Цитогенетический метод. Метод основан на изучении ка- риотипа человека в норме и при патологии. При этом используют методы дифференциальной окраски хромосом, гибридизации соматических клеток, культуры тканей in vitro (т. е. выращивание тканей вне организма на питательной среде). Цитогенетический метод позволяет диагностировать генетические заболевания, связанные с нарушением строения и числа хромосом, а также помогает определить локализацию генов в хромосомах.

Популяционный метод. Позволяет проследить распространенность генов, отдельных аллелей и мутаций в различных более или менее изолированных популяциях. Чаще всего при этом основываются на законе Харди-Вайнберга, согласно ему, частоты генотипов в поколениях остаются неизменными, если на их сочетание не воздействуют посторонние факторы (мутации, отбор, дрейф генов и др.).

Онтогенетический метод. Поскольку определенные генетические заболевания развиваются только в определенном возрасте, возникает необходимость изучить фенотипические проявления в течение индивидуального развития человека. С помощью этого метода определяется присутствие рецессивных аллелей у гетерозигот.

Метод моделирования. Общий смысл этого метода выражает закон гомологических рядов наследственной изменчивости, сформулированный великим отечественным генетиком Н.И. Вавиловым. Согласно этому закону, виды и роды генетически близких организмов в одинаковых условиях демонстрируют изменение признаков в сходном направлении. Зная ряды измененных признаков у одного вида, можно предвидеть такие же изменения у другого вида.