Лекция для студентов колледжа

Для студентов 1 курса колледжа РИПК

Лекция  

СИСТЕМНАЯ КОНЦЕПЦИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ.

1.      Понятие биологического разнообразия

2.      Концепция сохранения биоразнообразия

3.           Международная программа «биологическое разнообразие». Сохранение и восстановление биоты

1. Введение. Понятие биологического разнообразия

Каждая форма жизни уникальна, поэтому, вымирание лишь одного дикого вида влечет за собой безвозвратную потерю от 1000 до 10000 генов с неизвестными потенциальными свойствами.

Биоразнообразие – совокупность видов организмов, составляющих экосистему.

Термин «биологическое разнообразие», или «биоразнообразие», вошел в употребление в 1992 г. после Международной конференции ООН по окружающей среде и развитию в г. Рио–де–Жанейро (Бразилия), это стало главным событием в истории мировой цивилизации, где была принята Конвенция о биологическом разнообразии, которую подписали более 180 стран, в том числе и Россия. Активная реализация Конвенции о биоразнообразии в России началась после ее ратификации Государственной Думой в 1995 году.

В Конвенции под «биологическим разнообразием» понимается «вариабельность живых организмов из всех источников, включая, среди прочего, наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем».

Именно в Рио–де–Жанейро получили общемировое политическое признание проблемы, связаные с глобальным потеплением климата и сохранением биоразнообразия на Земле.

Большую роль в теоретической разработке проблем устойчивого развития  и подготовке в данной конференции сыграл академик В.А. Коптюг.

Сокращение биоразнообразия занимает особое место среди основных экологических проблем современности. Происходит интенсивное уничтожение природных экосистем и исчезновение видов живых организмов.

Дальнейшее сокращение биоразнообразия может привести к дестабилизации биоты, утрате целостности биосферы и ее способности поддерживать важнейшие характеристики среды. В результате необратимого перехода биосферы в новое состояние она может оказаться непригодной для жизни человека. Сохранение разнообразия живых систем на Земле - необходимое условие выживания человека и устойчивого развития цивилизации.

Россия играет ключевую роль в сохранении глобального биоразнообразия и поддержании биосферных функций, так как на ее территории сохраняется крупнейший массив природных экосистем и представлена значительная часть мирового видового разнообразия.

Для сохранения биологического разнообразия России в соответствии с ее обязательствами в рамках Конвенции о биологическом разнообразии разработаны Национальная Стратегия и План действий по сохранению биоразнообразия России.

Основными причинами утраты биологического разнообразия, которые отмечены в Конвенции, принятой на конференции в Рио–де–Жанейро, являются:

♦      увеличивающаяся численность населения;

♦      возрастающее потребление природных ресурсов;

♦      нерачительное отношение к биологическим видам и экосистемам;

♦      плохо продуманная государственная политика в области использования природных ресурсов;

♦      негативное влияние международной торговли;

♦      несправедливое распределение ресурсов;

♦      непонимание или игнорирование значения биологического разнообразия.

Следует отметить, что именно разнообразие видов являет­ся главным условием сохранения устойчивости экосистем. Сохранять отдельные виды живых организмов не имеет смысла, даже если они занесены в Красную книгу (Красная книга – список редких и находящихся под угрозой исчезновения организмов), так как эти виды связаны со множеством других видов, образующих единое целое – экосистему.

Биоразнообразие принято делить на три основные уровни или категории: генетическое, видовое и экосистемное.

Генетическое разнообразие – это разнообразие генов внутри одного вида Особи внутри популяции обычно генетически отличаются друг от друга. Генетическое разнообразие связано с тем, что особи обладают незначи-тельно отличающимися генами – участками хромосом, которые кодируют определенные белки.

Установлено, что редкие виды имеют меньшее генетическое разнообразие, чем широко распространенные, и соответственно они более подвержены угрозе вымирания при изменении условий окружающей среды.

Видовое разнообразие – это разнообразие видов внутри одного региона. По оценкам ряда биологов, сегодня на Земле обитает приблизительно 10 млн видов разных живых орга­низмов, однако только около 1,5 млн из них имеют система­тические названия. Таким образом, существует огромное количество насекомых, жителей гидросферы и микроорганизмов, которые неизвестны науке. Точное число обитающих на нашей планете видов не может привести никто, но известно, что число видов животных значительно превосходит число видов растений, грибов и бактерий. Известно также, что среди жи-вотных по числу зарегистрированных видов лидируют насекомые. Их многообразие таково, что по числу видов они превосходят не только всех остальных животных, но также растения и микроорганизмы вместе взятые. В царстве растений пальму первенства уверенно держат покрытосемен¬ные, или цветковые.

Экосистемное разнообразие – это разнообразие видов внутри экосистемы. Под снижением биоразнообразия понимают не только уменьшение числа видов животных, но и качественные изменения экосистем. Качественные изменения экосистем происходят в основном из–за деятельности человека и в то же время представляют для него же серьезную опасность. Преднамеренный или случайный перенос особей какого–либо вида животных за пределы его ареала называют интродукцией (от лат. introductio – внедрение). Интродук­ция может привести к снижению биоразнообразия. Если на новом месте у вновь переселенных животных не окажется естественных врагов, то интродуцированный вид быстро размножится и вытеснит другие виды, обитающие на данной территории. Примеры неудачных интродукций: появление колорадского жука в Европе, размножение кроликов в Австралии, быстрое увеличение количества каспийских моллюсков в Финском заливе и др. По мнению многих ученых, введение новых видов животных возможно только при строгом научном обосновании в обедненные антропогенные системы для поддержания баланса экосистемы.

Таким образом, главные причины снижения биоразнообразия состоят в следующем:

ü нарушение среды обитания в результате вырубки лесов, распашки новых земель, осушения болот и мелиорации, орошения засушливых земель, добычи полезных ископаемых, строительства дорог, городов, нефте– и газопроводов, линий электропередачи, плотин на реках и т. п.;

ü прямое уничтожение некоторых видов животных для защиты сельскохозяйственной продукции (истребление хищников, грызунов, диких животных, поедающих урожай);

ü случайное уничтожение животных (гибель животных на автомобильных дорогах, в результате военных действий);

ü чрезмерный отстрел или отлов рыбы (браконьерство, охота);

ü интродукция чужих видов (вымирание коренных представителей флоры и фауны под влиянием завезенных видов);

ü загрязнение окружающей природной среды (гибель различных видов растений и животных при действии загрязнителей биосферы нефтью, нефтепродуктами, химическими удобрениями, пестицидами, выхлопными газами автотранспорта, токсичными промышленными и сельскохозяйственными отходами и т. п.).

Причины по которым необходимо сохранять биоразнообразие следующие:

ü  потребность в биологических ресурсах для удовлетворения нужд человечества (пища, материалы, лекарства и др.);

ü  этический и эстетический аспекты (жизнь самоценна) и т.д.

Главная причина сохранения биоразнообразия состоит в том, что оно выполняет ведущую роль в обеспечении устойчивости экосистем и биосферы в целом (поглощение загрязнений, стабилизация климата, обеспечение пригодных для жизни условий). Биоразнообразие выполняет регулирующую функцию в осуществлении всех биогеохимических, климатических и других процессов на Земле. Каждый вид, каким бы незначительным он не казался, вносит свой вклад в обеспечение устойчивости не только локальной экосистемы, но и биосферы в целом.     

3.Международная программа «биологическое разнообразие»

Научную разработку программы "Биологическое разнообразие" осуществлял Международный союз биологических наук, создавший для этого в 1982 г. на Генеральной ассамблее в Канаде специальную рабочую группу. Во многих странах проблемы сохранения разнообразия жизни вышли на первый план. Активное участие в формировании программы исследований и первых организационных мероприятий принял российский академик М. С. Гиляров, ставший одним из отцов-основателей этого крупнейшего международного проекта.

Следует отметить большое значение принятия международной конвенции о биологическом разнообразии на Конференции ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Разработке и принятию международной Конвенции по биоразнообразию предшествовала активная деятельность многих организаций.

В 1975 г. вступила в силу Конвенция по международной торговле видами мировой флоры и фауны, находящимися под угрозой исчезновения. Конвенция запрещает или регулирует торговлю 20 000 видами, находящимися под угрозой исчезновения.

В 1980 г. UNEP, IUCN (Международный союз охраны природы и природных ресурсов) и WWF (Всемирный фонд дикой природы) опубликовали положения Всемирной стратегии охраны живой природы. Более 50 стран мира руководствуются ими для разработки национальных стратегий охраны живых организмов.

В 1983 г. вступила в действие Конвенция по сохранению мигрирующих видов диких животных.

– Создан Всемирный центр охраны и мониторинга (WCMC), целью которого является оценка распределения и обилия видов на планете, подготовка специалистов в области мониторинга биоразнообразия.

– UNEP и IUCN разработали и приступили к реализации совместных планов мероприятий по сохранению африканских и индийских слонов и носорогов, приматов, кошачьих и белых медведей.

– Международный Совет по генным ресурсам растений (IBPGR) в 30 странах мира организовал сеть банков генов, располагающих 40 основными мировыми коллекциями. Более 500 000 видов растений из 100 стран были собраны, оценены и размещены в хранилищах.

– Международный переговорный комитет, учрежденный руководящим советом UNEP, при участии многих международных организаций подготовил Конвенцию по биологическому разнообразию. В июне 1992 г. во время Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро она была подписана представителями большинства стран, включая Российскую Федерацию. Главная цель подписанного документа сохранение биологического разнообразия и обеспечение тем самым нужд человечества.

– В 1992 г. разработана Глобальная стратегия биоразнообразия, целью которой стала ликвидация условий исчезновения видов. К настоящему времени "Конвенцию о биологическом разнообразии" подписали представители 180 стран, в том числе и России (1995 г.), взявшей на себя ответственность за сохранение живой природы 1/7 части суши нашей планеты.

Международная программа исследования биоразнообразия включает три основных уровня: генетический, таксономический и экологический (сообщества и экосистемы).

Охрана растительности

Роль растений в круговороте веществ в природе и жизни человека

Растительность – важнейший компонент биосферы, без которого последняя существовать не может. Растения являются первоис­точниками жизни на Земле.

Роль растений в круговороте веществ в природе огромна в первую очередь благодаря их свойству осуществлять фотосинтез. Они являются первоисточником существования, процветания и развития жизни на Земле. Фотосинтез протекает повсеместно на земном шаре, в связи с чем суммарный эффект его колоссален.

Кроме того, растительность оказывает большое влияние на климат, животный мир и другие компоненты биосферы, с которыми она тесно взаимодействует.

Велико значение растительности в жизни человека. Прежде всего, растительность представляет необходимую среду жизни людей и разводимых ими организмов. Она служит неиссякаемым (при ра­зумном использовании и охране) источником разнообразных пище­вых продуктов, технического и лекарственного сырья, строительных материалов и т. д. Многие виды растений служат пищей домашним и полезным диким животным, используются человеком в разнооб­разных технологических процессах (пивоварение, хлебопечение, очистка сточных вод и т. д.).

Лес – важнейший растительный ресурс планеты

Леса, в том числе посаженные людьми, покрывают около трети поверхности суши. Площадь их немногим более 40 млн. км². Это широкий пояс хвойной тайги в Северном полушарии, смешанные и лиственные леса умеренного пояса, вечнозеленые субтропические и влажные тропические леса. Большая часть лесов приходится на тропики; тайга и лесотундра составляют 32%, смешанные и лиственные леса умеренного пояса – 17%. На планете 30% хвойных и 70% лиственных лесов.

Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам лесных ресурсов. Площадь, покрытая лесом, составляет 770 млн. га с общим запасом древесины 80 млрд. м³.

Лесной покров оказывает влияние на все компоненты биосферы, играет огромную средообразующую роль. Леса влияют на газовый баланс и состав атмосферы, водный и тепловой режим земной поверхности, подземный и поверхностный сток, формируют и сохраняют почвенный покров, регулируют численность и разнообразие животного мира. Лесной покров взаимосвязан с климатом: он уменьшает силу ветра, смягчает высокие и низкие температуры, аккумулирует влагу. Участвуя в круговороте веществ и потоках энергии, лес стабилизирует динамическое равновесие в биосфере. Это весьма продуктивная растительная формация. Доля лесов в глобальной продуктивности фотосинтеза оценивается в 70 млрд. т сухого органического вещества в год, что составляет 65% годовой биологической продукции суши и 42% биосферы.

Лес широко используется в разных отраслях народного хозяйства. Ни одна отрасль не может развиваться без применения леса.

Охрана растительности лугов и пастбищ

Луга и пастбища имеют большое значение в обеспечении кормами сельскохозяйственных животных. Травы естественных лугов наиболее полноценный корм, богатый витаминами, микроэлементами и минеральными солями.

В качестве мер по улучшению лугов и пастбищ рекомендуются: 1) расчистка и выравнивание поверхности (очистка от кустарников, камней, мусора, валежника, уничтожение кочек); 2) регулирование водного режима почв; 3) сохранение (а при необходимости и создание) прибрежных полос кустарников в поймах крупных рек; 4) борьба с ядовитыми растениями; 5) внесение органических и минеральных удобрений; 6) иногда посев трав.

В повышении урожайности лугов наилучшие результаты дает попеременное сенокосно-пастбищное использование. Однако ранневесенний выпас скота с последующим сенокошением вдвое снижает урожайность лугов.

Охрана животного мира

Роль животных в круговороте веществ в природе и жизни человека

Животный мир представляет собой важную часть биосферы. Роль животных в круговороте веществ и потоках энергии определяется высоким уровнем энергетических процессов, протекающих в их организмах, исключительным многообразием (около 2 млн. видов) и большой подвижностью. Являясь гетеротрофными организмами, в биоценозах они занимают верхние трофические уровни. Растительноядные животные питаются определенными видами и частями растений, плотоядные живут за счет фитофагов. Сапрофаги используют продукты жизнедеятельности растений и животных, поедают их гниющие остатки. Есть животные-паразиты у растительноядных, плотоядных видов и сапрофагов. Таким образом, животные связаны с растениями, друг с другом сложными цепями питания.Чем больше разнообразие организмов, протяженнее и сложнее цепи питания в биоценозе, тем он устойчивее.

Велика роль животных в формировании ландшафта. За счет морских, в основном одноклеточных животных (отр.Foraminifera, Radiolaria), образуются осадочные породы. Планктонные организмы, имеющие наружные раковины, после смерти оседают на дно. Скопления их скелетов (глобигериновый ил) на дне морей и океанов в тропической и умеренной зонах покрывают площадь 105 млн. км². При тектонических процессах участки бывшего морского дна поднимаются на поверхность и становятся сушей. Морские отложения прежних геологических эпох образуют мощные залежи мела, известняка, мрамора. Так, в среднем течении Волги известняки состоят в основном из раковинок фузулин, известняки Крыма – из нуммулитов, меловые отложения у Белгорода образованы раковинками различных простейших. Коралловые полипы в теплых морях и океанах формируют многочисленные коралловые острова, их общая площадь около 8 млн. км².

Большую роль играют животные в образовании почв. Живущие в почве простейшие, круглые и кольчатые черви, коллемболы, клещи, насекомые и их личинки, млекопитающие разрыхляют почву, способствуют проникновению в нее воздуха и влаги, обогащают органическими веществами, обеспечивают плодородие.

При участии животных формируется химический состав поверхностных, подземных и грунтовых вод.

Особо велико значение животных в жизни растений. Многие насекомые, птицы (колибри, нектарницы, цветочницы), некоторые виды летучих мышей опыляют растения. Птицы и млекопитающие распространяют плоды и семена. Некоторые виды растений не могут опыляться и расселяться без помощи животных. Многие растительноядные животные, поедая растения, улучшают или ухудшают (при перевыпасе) состояние растительного покрова. Среди животных немало вредителей, повреждающих растения, вызывающих их заболевания и гибель. Таким образом, участвуя в круговороте веществ, влияя на состояние и развитие компонентов природы, животные играют большую роль в поддержании динамического равновесия в биосфере.

Многие виды животных служат для человека источником белкового питания и жира, поставщиками сырья для промышленного и кустарного производства. Это сельскохозяйственные животные, промысловые звери, птицы, рыбы, некоторые беспозвоночные. Диких животных человек использует для одомашнивания. Началось оно на ранних этапах развития человеческого общества и продолжается до настоящего времени. Сейчас для одомашнивания успешно используют новые виды – соболя, норку, песца, нутрию, ондатру, лисицу, лося, страуса, глухаря и др.

Животные ценны как объекты научных исследований. Общеизвестно их эстетическое значение.

Есть виды, которые истребляют сельскохозяйственных вредителей, принося человеку большую пользу. Их успешно используют в биологических методах борьбы с вредителями сельскохозяйственных и лесных растений. Но не менее значителен и вред, приносимый животными. Так, среди них много возбудителей и переносчиков заболеваний человека и домашних животных, а также вредителей сельскохозяйственных растений.

При регулировании численности животных необходимо понимать, что каждый вид (кроме паразитов человека и домашних животных) обладает только ему присущими особенностями, имеет или может иметь в будущем положительное значение. Потеря любого биологического вида крайне нежелательна для биосферы, так как он участвует в круговоротах веществ, поддерживает динамическое равновесие в природных экосистемах, обеспечивая их устойчивое развитие.

Важнейшей мерой охраны охотничьих животных является строгое соблюдение законов об охоте, предусматривающих сроки и способы их добывания. Охоту регламентирует Положение об охоте и охотничьем хозяйстве. В положении указаны виды зверей и птиц, на которые охота запрещена, которые можно добывать по лицензиям. Запрещается добыча животных в заповедниках, заказниках, зеленых зонах городов. Не разрешается применение способов массовой добычи животных, охота с автомашин, самолетов, моторных лодок, разорение нор, логовищ, гнезд. Установлены нормы отстрела или отлова для каждого вида животных, нарушение законов и правил охоты считается браконьерством, и лица, их нарушившие, несут административную, материальную и уголовную ответственность.

Все перечисленные меры направлены на охрану и рациональное использование млекопитающих. За последнее время больше внимания стали уделять охране диких зверей. На территории России обитают 245 видов млекопитающих, из них в Красную книгу РФ включено 65 видов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1. Дайте определение понятию «биоразнообразие».

2. Где и когда была подписана Конвенции о биологическом разнообразии?

3.  Охарактеризуйте роль биоразнообразия для человека и биосферы в целом.

4. Что представляет собой Международная программа «биологическое разнообразие»?

5.. Какую роль играют растения в круговороте веществ в природе и в жизни людей?

6. Охарактеризуйте значение лесов в природе и в жизни людей.

7. Какую роль играют животные в круговороте веществ в природе и какое значение они имеют для человека?

8.  что входит в Международную программу «биологическое разнообразие»?

Для студентов 1 курса ИЭУР.

Тема 15. Генетика и ее место в системе биологических наук

План

1.1       Генетика- наука о наследственности и изменчивости. Предмет и содержание науки.

1.2       Краткая история генетики.

1.3.  Методы исследования в генетике.

1.1.         Генетика- наука о наследственности и изменчивости.

Предмет и содержание науки

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.

  Наследственностью называется присущее всем живым существам свойство воспроизведения в потомстве признаков родителей и более отдаленных предков, обеспечивающее преемственность поколений и сохранение характерных для данного вида особенностей строения.

  Изменчивостью называют различия между особями одного вида, между предками и потомством, возникающее как под влиянием наследственности и изменения самого наследственного материала, так и под влиянием внешних условий.

Явление наследственности и изменчивости у растений привлекали внимание и интересовали человека с давних времен. В течение многих веков люди пытались понять и объяснить эти свойства живой природы. К тому же это было необходимо для решения ряда задач с/х производства, связанных с улучшением сортов культурных растений и пород домашних животных. Этого можно было достичь лишь путем экспериментов и правильного обобщения полученных в них данных.

Во второй половине XVIII – первой половине XIX столетия И. Кельрейтер,    К. Гертнер, О. Сажрэ, Ш. Нодэн, Т. Найт провели ряд опытов по гибридизации растений, в результате которых были получены некоторые факты по наследственности организмов. Но решающий шаг в этом направлении сделал чешский ученый Грегор Мендель.

В 1865 г. в обществе естествоиспытателей в г. Брно (Чехословакия)              Г. Мендель изложил результаты своих  исследований в труде «Опыты над растительными гибридами». До него в биологии господствовала теория слитного наследования. Гибридизация сравнивалась со слиянием в пробирке двух разноокрашенных жидкостей, дающих в растворе промежуточную окраску. Считалось, что подобно этому гибриды по сравнению с родительскими формами всегда характеризуется промежуточным проявлением признака.

Мендель убедительно показал, что наследственность дискретна (делима), что отдельные признаки или свойства организма развиваются на основе материальных наследственных факторов, которые в процессе слияния гамет не растворяются, не исчезают и могут наследоваться независимо друг от друга.

Мендель разработал основные принципы генетического анализа наследственности организмов, впервые применил к изучению наследственности методы математической статистики и установил основные закономерности числовых соотношений расщепления гибридов при скрещивании. Эти закономерности наследственности имели фундаментальное значение для теории и практики гибридизации растений и селекции вообще.

Мендель стал основоположником генетики. Однако его работы не были по достоинству оценены современниками и долгое время оставались почти неизвестными. В 1900г. трое ученых – К. Корренс в Германии, Э. Чермак в Австрии и Гуго Де-Фриз в Голландии, независимо друг от друга получили те же результаты, что и Мендель.

1900 г., когда были переоткрыты закономерности наследственности, впервые установленные Менделем, считается официальной датой рождения генетики. Это название науке о наследственности и изменчивости было дано позже, в 1906г. английским ученым В. Бэтсоном.

Предметом изучения генетики являются наследственность и изменчивость, изучение которых ведется на различных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном. Многообразие объектов и методов исследования в генетике явилось причиной возникновения большого количества ее разделов, таких, как цитогенетика, молекулярная, биохимическая, радиационная, медицинская, физиологическая, популяционная, онтогенетика.

Главная задача генетики – разработка методов управления наследственностью и изменчивостью для получения нужных человеку форм растений, животных и микроорганизмов и управления индивидуальным развитием организмов.

1.2. Краткая история генетики

         В истории генетики можно выделить три основных периода. Два из них, продолжавшиеся с 1900 по 1953 гг., составляют эпоху классической генетики. Третий период, начавшийся после 1953 г. – открыл эпоху молекулярной генетики.

Первый период (1900 – 1910 гг.) в развитии генетики связан с утверждением открытий Менделя: принципа дискретности в передаче наследственного материала и метода гибридологического анализа. Многочисленные опыты по гибридизации, проведенные в этот период с разными растениями и животными, показали, что правила имеют универсальный характер и применимы по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем.

Важнейшее значение для последующего развития генетики имела выдвинутая в это время (1901 – 1903 гг.) голландским ученым Гуго де Фризем теория мутаций, согласно которой все наследственные свойства и признаки организмов изменяются скачкообразно – мутационно.

В 1903 г. датский генетик и физиолог растений В. Иоганнсен на основе своих опытов по изучению наследования признаков в популяциях и чистых линиях фасоли разработал и ввел в генетику понятия – ген, генотип, фенотип.

Второй период (1911 – 1953 гг.) связан с установлением материальных основ наследственности.

Еще в первое десятилетие развития генетики (1902 – 1907 гг.) Т. Бовери,  У. Сэттон и Э. Вильсон обосновали хромосомную теорию наследственности (ХТН). Решающее значение для обоснования и утверждения ХТН имели начавшиеся в 1910 г. исследования американского ученого Т. Моргана с плодовой мушкой дрозофилой. Благодаря работам Моргана было установлено, что гены находящиеся в хромосомах расположены в них в линейном порядке; они образуют столько групп сцепления, сколько пар гомологических хромосом имеется у данного вида; гены, находящиеся в одной группе сцепления могут рекомбинировать благодаря кроссинговеру, величина рекомбинации – функция расстояния между генами. К началу 20-х годов у дрозофилы было обнаружено и локализовано во всех четырех группах сцепления несколько сотен генов.

В 1925 г. советским ученым Г.А. Надсону и Г.С. Филиппову впервые в мире удалось получить мутации у дрожжевых грибов под воздействием лучей радия. В 1927 г. генетик Г. Меллер опубликовал результаты своих работ о большом повышении частоты мутаций у дрозофилы под воздействием лучей рентгена. Он же разработал методику точного количественного учета мутаций. Так была доказана изменчивость генов под влиянием внешних условий.

В 1928 г. в США Л. Стадлер получил первые рентгеномутации у ячменя и кукурузы, а в 1928 – 1932 гг. в СССР А.А. Сапегин и Л.Н. Делоне выявили серию хозяйственно-полезных мутантных форм пшеницы. Они же предложили использовать радиационный мутагенез в качестве одного из методов создания исходного материала для селекции. Все эти работы положили начало новому направлению в генетике названному впоследствии радиационной генетикой.

         В начале 30-х годов В.В. Сахаров и М.Е. Лобашев получили первые данные о возникновении наследственных изменений под влиянием некоторых химических соединений.

         В середине 40-х годов в результате работ советского генетика И.А. Раппопорта и английского генетика Ш. Ауэрбах было открыто несколько классов химических соединений, вызывающих наследственные изменения и создана теория химического мутагенеза.

Огромное методологическое значение для развития генетики имели экспериментальные и теоретические работы А.С. Серебровского и Н.П. Дубинина, впервые доказавших в начале 30-х гг. делимость гена. Ген стали понимать как участок хромосомы, контролирующий развитие определенного признака.

В 20-30 годах работами С. Райта, Дж. Холдена  и Р. Фишера были заложены основы генетико-математических методов популяционных процессов. Огромный вклад в развитие генетики популяций и эволюционной генетики внесли советский генетик С.С. Четвериков (1926 г.) и его ученики.

Третий период в развитии генетики, начавшийся после 1953 г., связан с использованием методов и принципов исследований точных наук: химии, физики, математики, кибернетики и т.д. Стали широко применять электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, скоростное центрифугирование, метод радиоактивных изотопов, чистые препараты витаминов, ферментов и аминокислот и т.д. 

В 40-х годах в результате работы американских биохимиков Г. Бидла и Э. Татума с сумчатым грибом нейроспорой были выяснены химические процессы, в которых гены влияют на обмен веществ и в конечном счете на формирование всех морфологических признаков и физиологических свойств живых организмов. Была выдвинута гипотеза «один ген – один фермент».

В 1944 г. американский микробиолог – генетик О. Эвери в опытах по бактериальной трансформации представил данные о том, что основным материалом носителем наследственности являются не белковые компоненты хромосом, а ее ДНК.

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали модель строения ДНК.

В 1957 г. американский генетик А. Корнберг искусственно создал вирусную частицу, способную к размножению и обладающую всеми свойствами природных вирусов, а в 1958 г. в лабораторных условиях осуществил искусственный синтез ДНК.

В 1961-62 гг. М. Ниренберг, Г. Маттеи, С. Очоа и Ф. Крик расшифровали код наследственности и состав нуклеотидных триплетов для 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул.

В 1961 – 1962 г. французкие микробиологи – генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали теорию регуляции белкового синтеза и на ее основе предложили схему механизма генетического контроля синтеза ферментов.

1.3.Методы исследования в генетике

Генетика, как любая наука, имеет свои методы исследования. Основными из них являются следующие:

1.     Гибридологический метод – для выявления закономерностей наследования того или иного признака или группы признаков проводится скрещивание особей, различающихся по этим признакам и изучается полученное от них потомство 1, 2-го и других поколений. Гибридологический метод, впервые разработанный Г. Менделем, является основным, так как все другие методы исследований сопровождаются гибридологическим анализом.

2.     Цитологический, с помощью которого проводится изучение особенностей строения хромосом. Наиболее эффективно он используется в сочетании с гибридологическим методом, а в ряде случаев самостоятельно, например, при изучении повреждающего действия радиационных излучений. На основе этого метода при использовании новейших способов изучения хромосомных структур возникла цитогенетика.

3.     Онтогенетический метод, который используется для изучения действия генов и проявления их в индивидуальном развитии организмов в разных условиях среды.

4.     Статистический метод с помощью которого изучают статистические закономерности наследственности и изменчивости организмов при обработке результатов экспериментов по скрещиванию.

5.     Популяционный метод – это вариант гибридологического метода, используется при изучении наследования признаков у медленно плодящихся животных путем учета признаков родителей и потомства в стаде и математической разработке полученных данных.

6.     Генеалогический метод также является вариантом гибридного метода. Наследование признаков при этом изучают путем анализа передачи его потомству в целых семьях или в родственных группах, для чего составляют родословную на несколько поколений предков отдельных особей или целых семей. Имеет большое значение при изучении наследственности человека и медленно плодящихся животных.

7.     Биохимический метод в сочетании с гибридным и цитологическим используется для более детального изучения процессов, происходящих в клетках при размножении и онтогенезе.

8.     Феногенетический метод в сочетании с цитологическим и гибридологическим применяется для установления степени влияния генов и факторов внешней среды на развитие признаков организмов, для чего изучается их развитие у особей с разной наследственностью или находящихся в разных условиях среды.

Вопросы для самоконтроля:

1.     Дайте определение генетики как науки. Что является предметом ее изучения?

2.     Охарактеризуйте основные периоды развития генетики.

3.     Дайте характеристику основных методов генетики.

    

 

   

Для студентов 1 курса ИЭУР

Тема 16. Генетический анализ. Законы Менделя

План

2.1. Особенности генетического анализа.

2.2. Гибридологический метод изучения наследования. Законы  Менделя.

2.3. Взаимное (реципрокное) и анализирующее скрещивания.

2.1. Особенности генетического анализа

Основные закономерности наследования впервые были разработаны Г. Менделем. В отличие от своих предшественников, изучавших наследственность как единое целое, в совокупности проявления всех отличимых признаков и свойств, Мендель предложил изучать наследование каждого из признаков независимо от того, как наследуются другие.

В основе наследственности лежат структурные и функциональные возможности генетической информации клеток. Единицей наследственной информации является ген, определяющий характер наследования и возможность развития признака. В классическом понимании ген – это участок молекулы ДНК, контролирующий проявление одного признака. У гаплоидов, т.е. клеток или особей с одинарным набором хромосом (половые клетки, прокариоты) имеется один ген, обуславливающий развитие признака. В соматических клетках диплоидных организмов каждая хромосома имеет себе парную (гомологичную) хромосому, поэтому два гена ответственны за развитие какого-либо признака.

Гены одной пары признаков, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака называются аллельными. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными (А, В) или рецессивными (а, в) т.о., аллель – это различное состояние одного и того же гена. Доминантный ген – это тот из пары аллельных генов, который в гетерозиготном состоянии подавляет проявление другого (рецессивного) гена (А > а). Соответственно, рецессивный ген – это ген, подавляемый в гибридном организме действием доминантного гена той же аллельной пары.

Особь в соответствующих локусах гомологичных хромосом которой находятся разные аллели (Аа, АаВв и т.д.), называют гетерозиготной. Гетерозиготы образуют несколько типов гамет и при скрещивании расщепляются. Если же в соответствующих локусах гомологичных хромосом располагаются одинаковые аллели (АА, аа, ААВВ, аавв и т.д.), то такую особь называют гомозиготной по одному или нескольким признакам. Гомозиготы образуют один тип гамет и при скрещивании не дают расщепления.

При проведении генетического анализа исследователи имеют дело не непосредственно с генами, а с результатами их проявлений – признаками. Признак – это некоторое качество или свойство, по которому можно отличить один организм от другого. Совокупность всех генов, определяющих развитие признаков организма называют генотипом. Совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе генотипа во взаимодействии с условиями внешней среды называют фенотипом. Термины «фенотип» и «генотип» введены в 1903 г. В. Иоганнсеном.

2.2. Гибридологический метод изучения наследования.

Законы  Менделя

Генетический анализ является основным методом изучения характера действия и числа генов, определяющих наследование данного признака. Основным методом генетического анализа, наряду с популяционным, цитологическим, генеалогическим и т.д. является гибридологический метод.

Гибридологический метод – это анализ характера наследования признаков с помощью системы скрещиваний, суть которых состоит в получении гибридов и анализе их потомков в ряду поколений. Гибридологический анализ впервые разработал Мендель, установивший с его помощью основные закономерности наследования признаков, получившие в дальнейшем название «правил Менделя».

Сущность гибридологического анализа заключается в следующем:

1.     Анализируемые родительские особи должны отличаться одной или несколькими парами признаков.

2.     Анализируемые особи должны быть гомозиготными.

3.     Должен осуществляться анализ потомков от каждой родительской пары в каждом поколении.

4.     Закономерности результатов скрещиваний должны анализироваться статистически.

Для гибридологического анализа наследования тех или иных признаков организма при половом размножении необходимо производить скрещивание двух особей разных полов. Скрещивание обозначают в генетике знаком умножения – X. При написании схемы скрещивания принято на первом месте ставить женский пол. Женский пол обозначают знаком ♀ (зеркало Венеры), мужской – ♂ (щит и копье Марса). Родительские организмы, взятые в скрещивание, обозначают буквой Р (рarenta – родители). Потомство от скрещивания двух особей, различающихся по тем или иным признакам называют гибридным, а отдельную особь – гибридом. Гибридное поколение обозначают буквой F (filii -дети) с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения.

Моногибридным называют такое скрещивание при котором родительские особи различаются лишь по одной паре альтернативных признаков.

Первый закон Менделя (закон единообразия гибридов первого поколения): при скрещивании гомозиготных особей различающихся одной или несколькими парами альтернативных признаков, все гибриды первого поколения (F₁) оказываются единообразными по фенотипу и генотипу.

У гибридов первого поколения из пары альтернативных признаков развивается лишь один, второй как бы исчезает, не проявляется. Это явление преобладания у гибридов признака одного из родителей Мендель назвал доминированием. Признак, проявляющийся у гибридов F₁ и подавляющий развитие другого признака был назван доминантным, противоположный – рецессивным.

Второй закон Менделя (правило расщепления гибридов второго поколения): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей (гибридов F₁) во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1, а по генотипу в соотношении 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования признаков): при скрещивании гомозиготных родительских форм различающихся по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

2.3. Взаимное (реципрокное) и анализирующее скрещивания

При гибридологическом анализе и в практической селекции часто применяют взаимные (реципрокные) и анализирующие скрещивания.

Взаимными или реципрокными (от лат. reciprocus – взаимный) называют скрещивания между двумя формами, когда каждая из них в одном случае берется в качестве материнской, а в другом случае в качестве отцовской формы:

-         ♀ АА (красная масть) х ♂ аа (черная масть)

-         ♀ аа (черная масть) х ♂ АА (красная масть)

В данном примере в обоих случаях все гибриды F₁ будут красной масти. Однако иногда результат скрещивания зависит от того, в качестве материнского или отцовского растения берут при скрещивании ту или иную исходную форму. Например, при скрещивании различных сортов ячменя, имеющих неодинаковые размеры зерен, гибриды с более крупными зернами развиваются в том случае, если сорт с более крупными зернами был материнской формой.

Анализирующим называют такой тип скрещивания при котором испытуемую особь с доминантным признаком скрещивают с особью, гомозиготной по рецессивному признаку. Это скрещивание позволяет установить генотип испытуемой особи, так как при полном доминировании одного аллеля над другим гетерозиготные особи фенотипически не отличаются от гомозиготных по доминантному аллелю (Аа или АА). Если доминантная особь гомозиготная (АА), то потомство от такого скрещивания будет единообразным и расщепления не будет. Если же анализируемая особь с доминантным признаком гетерозиготна (Аа), то произойдет расщепление по генотипу и по фенотипу в соотношении 1:1.

Решение типовой задачи

Предположим, что скрещиваются гомозиготная черная морская свинка с белым самцом. Известно, что у морских свинок черная масть (А) доминирует над белой (а). Требуется установить, какой масти будет потомство, полученное от такого скрещивания.

В общем виде схема проведения гибридологического анализа при моногибридном скрещивании может быть представлена так:

1.      Запись сведений о фенотипах                       черные свинки                  белые свинки

и генотипах скрещиваемых

        родительских особей                             Р            ♀ АА               х                    ♂ аа

 

 

2.      Запись сортов (типов) гамет

3.      Запись всех возможных в                                Аа – все свинки черные –

результате случайного                                           единообразие гибридов F₁

оплодотворения (слияния)

гамет фенотипов и генотипов

потомства

4.      Если процесс скрещивания                                                     F₁ х F₁

продолжается, то в таком же                     черные свинки                      черные свинки

порядке ведется запись всех              Р             ♀ Аа                  х                  ♂ Аа    

последующих этапов

 

5.      Гаметы

6.     F₂                                                                АА             Аа                          Аа                  аа

                                                                       черные       черные                   черные          белые      

                                                                       свинки        свинки                   свинки         свинки

                                                                     (1/4 часть)                  (2/4 части)                   (1/4 часть)

Расщепление у гибридов F₂:

по фенотипу – 3 : 1, т.е. 3 части черных и 1 часть белых свинок;

по генотипу – 1 : 2 : 1, т.е. 1 часть АА, 2 части Аа и 1 часть аа.

При помощи анализирующего скрещивания не представляет трудности определить гомо- и гетерозиготность животного:

                  черные свинки                                                  белые свинки

           с неизвестным генотипом                                          

Р                           ♀ Аа                                   х                                ♂ аа

 

Гаметы

                                           

                     Аа                                                                аа

F₁          черные свинки                                                     белые свинки

При анализирующем скрещивании получилось 50 % животных с черной мастью и 50 % – с белой мастью. Таким образом, расщепление по фенотипу и генотипу составляет 1 : 1, значит черная свинка была гетерозиготной.

В случае, если особь с неизвестным генотипом окажется гомозиготной (АА), то при анализирующем скрещивании у гибридов будет наблюдаться единообразие:

                черные свинки                                                       белые свинки

        с неизвестным генотипом

 Р                 ♀ Аа                                      х                                    ♂ аа

 

                                                 

 Гаметы

                                                                

           F₁                                                                                 Аа

черные свинки

Задачи

1.     У кроликов черная окраска меха доминирует над белой окраской. Гомозиготную черную крольчиху скрестили с гомозиготным белым кроликом. Определите генотипы и фенотипы крольчат первого поколения.

2.     На звероферме получен приплод в 225 норок. Из них 167 животных имеют коричневый мех и 58 норок голубоватой окраски. Определите генотипы исходных форм, если известно, что ген коричневой доминирует над геном, определяющим голубоватую окраску.

3.     У человека ген карих глаз доминирует над геном, обуславливающим голубые глаза. Голубоглазый мужчина, один из родителей которого имел карие глаза, женился на кареглазой женщине, у которой отец имел карие глаза, а мать голубые. Какое потомство можно ожидать от этого брака?

4.     Альбинизм наследуется у человека как рецессивный признак. В семье, где один из супругов альбинос, а другой имеет пигментированные волосы, есть двое детей. Один ребенок альбинос, другой – с окрашенными волосами. Какова вероятность рождения следующего ребенка – альбиноса?

5.     Фенилкетонурия (нарушение обмена фенилаланина, в результате которого развивается слабоумие) наследуется как рецессивный признак. Какими могут быть дети в семье, где родители гетерозиготны по этому признаку?

6.     У крупного рогатого скота ген комолости (безрогости) доминирует над геном рогатости, а ген черного цвета шерсти над геном красной окраски.                                                      Какие будут телята, если скрестить гетерозиготных по обеим парам признаков быка и корову?

7.     Какое потомство следует ожидать от скрещивания черного комолого быка, гетерозиготного по обеим парам признаков, с красной рогатой коровой?

8.     У собак черный цвет шерсти доминирует над кофейным, а короткая шерсть- над длинной.  Какой процент черных короткошерстных щенков можно ожидать от скрещивания двух особей, гетерозиготных по обоим признакам?

9.     Охотник купил черную собаку с короткой шерстью и хочет быть уверен, что она не несет генов длинной шерсти и кофейного цвета. Какого партнера по фенотипу и генотипу надо побрать для скрещивания, чтобы проверить генотип купленной собаки?

10.           Голубоглазый правша женился на голубоглазой тоже правше. У них родилось двое детей – кареглазый левша и голубоглазый правша. Какие еще дети могут быть у этих родителей? Кареглазость и праворукость – доминантные признаки.

11.           У собак черная шерсть доминирует над коричневой, а кротконогость – над нормальной длиной ног. При скрещивании дигетерозигот получено 480 щенят. Сколько среди них черных с нормальной длиной ног и коричневых с нормальной длиной ног?

12.           У томатов пурпурная окраска стебля доминирует над зеленой, а рассеченные листья над цельнокрайними. При скрещивании растений томата с пурпурными стеблями и рассеченными листьями с растениями с зелеными стеблями и рассеченными листьями было получено 321 растений с пурпурными стеблями и рассеченными листьями, 101 с пурпурными стеблями и цельнокрайними листьями, 310 с зелеными стеблями с рассеченными листьями и 107 растений с зелеными стеблями и цельнокрайними листьями. Определите генотипы родительских форм и потомства. 

13.           Плоды томата бывают красного и желтого цвета, округлой и грушевидной формы. Гены красного цвета и круглой формы доминантны. Какое потомство получится при скрещивании гетерозиготных красных круглых плодов с гомозиготными желтыми грушевидными плодами?

14.           В брак вступают кареглазые, имеющие веснушки люди (признаки доминантные), у них родилась голубоглазая и без веснушек дочь. Определите вероятность рождения следующего ребенка, похожего на родителей.

Вопросы для самоконтроля:

1.     Дайте определение понятий: ген, аллель, гетерозигота, гомозигота.

2.     Сформулируйте законы Менделя.

3.     Дайте определение анализирующего и реципрокного скрещиваний. Для чего  они применяются?