КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине _____________________________
Выполнил: _____________________
_______________________________
Проверил: ____________________
_____________________________
Пермь, 2016 г.
Биология – наука о закономерностях взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой.
Ученым, создавшим первую эволюционную теорию, опирающуюся на факты, был выдающийся французский естествоиспытатель Ж. - Б. Ла-марк. По изучаемым объектам биологию подразделяют на отдельные науки:
-микробиологию
-ботанику
-зоологию
-генетика (наука о важнейших свойствах живой материи – наследственности и
Используются методы и подходы физики, химии и математики. Значительные достижения надо отметить в области биохимии, молекулярной биологии, биофизики. По уровню изучения живой материи различают:
молекулярную биологиюü
цитологию (учение о клетке)ü
гистологию (учение о тканях)ü
анатомию (науку об органах)ü
биологию организмовü
биологию групп организмов (популяций, видов и т. д.) .ü
Достижения биологии последнего времени привели к возникновению принципиально новых направлений в науке, ставших самостоятельными разделами в комплексе самостоятельных дисциплин. Раскрытие молекулярного строения генов – структурных единиц наследственности – послужило основой для создания генной инженерии – комплекса приемов, при помощи которых создают организмы с новыми (в том числе и с не встречающимися в природе) комбинациями наследственных признаков и свойств. Практическое применение достижений современной биологии уже в настоящее время позволяет получать промышленным путем значительные количества нужных для человека биологически активных веществ (антибиотики; инсулин-гормон поджелудочной железы; интерферон-вещество. Выделяемое из лейкоцитов и применяемое при лечении различных инфекционных заболеваний и профилактике гриппа.)
Методы изучения разделяют
:
на объективные и субъективные.
Сравнительный метод (XVIII) – через сопоставление изучать сходство и различие организмов и их частей. На его принципах была основана систематика, создана клеточная теория. Его применение способствовало утверждению эволюционных представлений в биологии, во многих науках.
Метод наблюдения
дает возможность анализировать и описывать биологические явления. На методе наблюдения описывается описательный метод. Собирание и описание фактов было основным приемом исследования в ранний период развития биологии, но не утратил значения и сегодня.
Экспериментальный
– создан с целенаправленным созданием ситуации, помогающей изучать свойства и явления живой природы. Позволяет исследовать изолированно и добиваться когда-то созданных условий. Более глубокий по сравнению с другими методами, проникновение в сущ-ность.
Наблюдения и эксперименты – основные (физиологические) опыты.
Исторический
– выясняет закономерности появления и развития организмов, становления их структуры и функции.
Моделирование
– современный метод – изучение какого-либо процесса или явления через воспроизведение его самого или его существенных свойств в виде модели. Преимущества эксперимента на модели в том, что при моделировании могут быть воспроизведены такие крайние положения, которые подчас не могут быть воссозданы на самом объекте. Например, на основе моделирования можно выяснить последствия атомной войны для биосферы.
Инструментальная физиология
– с помощью специальных приборов можно вовремя обнаружить заболевания, неправильную работу организма.
Острые опыты – допускались хирургические вмешательства и изоляция органов для изучения функций и изменений в организме.
Значение биологии для человека огромно. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. Выведены сотни сортов зерновых, бобовых, масличных и других культур,
Мутационная теория. Типы мутаций
Мутационная изменчивость
Мутации – это наследственные изменения генотипического материала. Они характеризуются как редкие, случайные, ненаправленные события. Большая часть мутаций приводит к различным нарушениям нормального развития, некоторые из них летальны, однако вместе с тем многие мутации являются исходным материалом для естественного отбора и биологической эволюции.
Частота мутаций возрастает под действием определенных факторов – мутагенов, способных изменять материал наследственности. В зависимости от их природы мутагены делятся на физические (ионизирующее излучение, УФ-излучение и др.), химические (большое число различных соединений), биологические (вирусы, мобильные генетические элементы, некоторые ферменты). Весьма условно деление мутагенов на эндогенные и экзогенные. Так, ионизирующее излучение, помимо первичного повреждения ДНК, образует в клетке нестабильные ионы (свободные радикалы), способные вторично вызывать повреждения генетического материала. Многие физические и химические мутагены являются также канцерогенами, т.е. индуцируют злокачественный рост клеток.
Частота мутаций подчиняется распределению Пуассона, применяемому в биометрии, когда вероятность отдельного события очень мала, а выборка, в которой может возникнуть событие, велика. Вероятность мутаций в отдельном гене довольно низкая, однако число генов в организме велико, а в генофонде популяции – огромно.
В литературе можно встретить различные мутации: по проявлению в гетерозиготе (доминантные, рецессивные), по ионизирующему фактору (спонтанные, индуцированные), по локализации (генеративные, соматические), по фенотипическому проявлению (биохимические, морфологические, поведенческие, летальные и др.).
Классифицируются мутации по характеру изменения генома. По этому показателю выделяют 4 группы мутаций.
Генные – изменения нуклеотидного состава ДНК отдельных генов.
Хромосомные (аберрации) – изменения структуры хромосом.
Геномные – изменения числа хромосом.
Цитоплазматические – изменения неядерных генов.
Мутационная теория
Мутационная теория, или, правильнее, теория мутаций, составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после первооткрытия законов Г. Менделя в трудах Г. Де Фриза (1901-1903). Еще раньше к представлениям о скачкообразном изменении наследственных свойств пришел русский ботаник С.И. Коржинский (1899) в своем труде «Гетерогенезис и эволюция». Справедливо говорить о мутационной теории Корженевского – Де Фриза, посвятившего большую часть жизни изучению проблемы мутационной изменчивости растений.
На первых порах мутационная теория всецело сосредоточилась на фенотипическом проявлении наследственных изменений, практически не занимаясь механизмом их проявления. В соответствии с определением Г. Де Фриза мутация представляет собой явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака. До сих пор, несмотря на многочисленные попытки, не существует краткого определения мутации, лучшего, чем дал Г. Де Фриз, хотя и оно не свободно от недостатков.
Основные положения мутационной теории Г. Де Фриза сводятся к следующему:
1. Мутации возникают внезапно как дискретные изменения признаков.
2. Новые формы устойчивы.
3. В отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они представляют собой качественные изменения.
4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными.
5. Вероятность обнаружения мутации зависит от числа исследованных особей.
6. Сходные мутации могут возникать неоднократно.
Как и многие генетики раннего периода, Г. Де Фриз ошибочно считал, что мутации могут сразу давать начало новым видам, т.е. минуя естественный отбор.
Г. Де Фриз создал свою мутационную теорию на основе экспериментов с различными видами Oenothera. В действительности он не получил мутаций, а наблюдал результат комбинативной изменчивости, поскольку формы, с которыми он работал, оказались сложными гетерозиготами по транслокации.
Честь строгого доказательства возникновения мутаций принадлежит В. Иогансену, изучавшему наследование в чистых (самоопыляющихся) линиях фасоли и ячменя. Полученный им результат касался количественного признака – массы семян. Мерные значения таких признаков обязательно варьируют, распределяясь вокруг некой средней величины. Мутационное изменение подобных признаков и обнаружил В. Иоганнсен (1908-1913). Сам этот факт уже ставит одно из положений Г. Де Фриза (пункт 3, мутационной теории Г. Де Фриза).
Так или иначе, но гипотеза о возможности скачкообразных наследственных изменений – мутаций, которую на рубеже столетий обсуждали многие генетики (в том числе У. Бэтсон), получила экспериментальное подтверждение.
Крупнейшим обобщением работ по изучению изменчивости в начале XX в. стал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова, который он сформулировал в 1920 г. в докладе на III Всероссийском селекционном съезде в Саратове. Согласно этому закону близким видам и родом организмов свойственны сходные ряды наследственной изменчивости. Чем ближе таксономически рассматриваемые организмы, тем больше сходство наблюдается в ряду (спектре) их изменчивости. Справедливость этого закона Н.И. Вавилов проиллюстрировал на огромном ботаническом материале.
Закон Н.И. Вавилова находит подтверждение в изучении изменчивости животных и микроорганизмов и не только на уровне целых организмов, но и отдельных структур. Очевидно, что закон Н.И. Вавилова стоит в ряду научных достижений, приведших к современным представлениям об универсальности многих биологических структур и функций.
Закон Н.И. Вавилова имеет большое значение для селекционной практики, поскольку прогнозирует поиск определенных форм культурных растений и животных. Зная характер изменчивости одного или нескольких близких видов, можно целенаправленно искать формы, еще не известные у данного организма, но уже открытые у его таксономических родственников.
Классификация мутаций
Трудности определения понятий «мутация» лучше всего иллюстрирует классификация ее типов.
Существует несколько принципов такой классификации.
А. По характеру изменения генома:
1. Геномные мутации – изменение числа хромосом.
2. Хромосомные мутации, или хромосомные перестройки, – изменение структуры хромосом.
3. Генные мутации – изменение генов.
Б. По проявлению в гетерозиготе:
1. Доминантные мутации.
2. Рецессивные мутации.
В. По уклонению от нормы или так называемого дикого типа:
1. Прямы мутации.
2. Реверсии. Иногда говорят об обратных мутациях, однако очевидно, что они представляют собой только часть реверсий, поскольку в действительности широко распространены так называемые супрессорные мутации.
Г. В зависимости от причин, вызывающие мутации:
1. Спонтанные, возникающие без видимой причины, т.е. без каких-либо индуцирующих воздействий со стороны экспериментатора.
2. Индуцированные мутации.
Только эти четыре способа классификации изменений генетического материала носят достаточно строгий характер и имеют универсальное значение. Каждый и подходов в этих способах классификации отражает некоторую существенную сторону возникновения либо проявления мутаций у любых организмов: эукариот, прокариот и их вирусов.
Существуют и более частные подходы к классификации мутаций:
Д. По локализации в клетке:
1. Ядерные.
2. Цитоплазматические. В этом случае обычно подразумевают мутации неядерных генов.
Е. По отношению к возможности наследования:
1. Генеративные, происходящие в половых клетках.
2. Соматические, происходящие в соматических клетках.
Очевидно, два последних способа классификации мутаций применимы к эукариотам, а рассмотрение мутаций с точки зрения их возникновения в соматических или половых клетках имеет отношение только к многоклеточным эукариотам.
Очень часто мутации классифицируют по их фенотипическому проявлению, т.е. в зависимости от изменяющегося признака. Тогда рассматривают мутации летальные, морфологические, биохимические, поведенческие, устойчивости или чувствительности к повреждающим агентам и т.д.
В общем виде можно сказать, что мутации – это наследуемые изменения генетического материала. Об их появлении судят по изменениям признаков. В первую очередь это относится к генным мутациям. Хромосомные и геномные мутации выражаются также в изменении характера наследования признаков.
«мутация» (от лат. mutatio – изменение) - термин долгое время использовался в биологии для обозначения любых скачкообразных изменений.
1899 г. - российский ботаник С.И. Коржинский разработал эволюционную теорию гетерогенезиса, основанную на представлениях о ведущей эволюционной роли дискретных (прерывистых) изменений.
1901 Г. - мутационная теория голландского ботаника Хьюго (Гуго) Де Фриза.
ввел современное, генетическое понятие мутации для обозначения редких вариантов признаков в потомстве родителей, которые не имели этого признака.
Де Фриз разработал мутационную теорию на основе наблюдений за широко распространенным сорным растением – ослинником двулетним, или энотерой (Oenothera biennis ). У этого растения существует несколько форм: крупноцветковые и мелкоцветковые, карликовые и гигантские. Де Фриз собирал семена с растения определенной формы, высевал их и получал в потомстве 1-2% растений другой формы. В дальнейшем было установлено, что появление редких вариантов признака у энотеры не является мутацией; данный эффект обусловлен особенностями организации хромосомного аппарата этого растения. Кроме того, редкие варианты признаков могут быть обусловлены редкими сочетаниями аллелей (например, белая окраска оперения у волнистых попугайчиков определяется редким сочетанием aabb ).
Основные положения мутационной теории де фриза
|
Положения мутационной теории Де Фриза |
Современные уточнения |
|
|
Мутации возникают внезапно, без всяких переходов. |
существует особый тип мутаций, накапливающихся в течение ряда поколений (прогрессирующая амплификация в интронах). |
|
|
Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей. |
без изменений |
|
|
Мутантные формы вполне устойчивы. |
при условии 100%-ной пенетрантности (мутантному генотипу соответствует мутантный фенотип) и 100%-ной экспрессивности (одна и та же мутация проявляется у разных особей в равной степени) |
|
|
Мутации характеризуются дискретностью (прерывистостью); это качественные изменения, которые не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (моды). |
существуют ликовые мутации, в результате которых происходит незначительное изменение характеристик конечного продукта растекающаяся
мутация leaky mutation - ликовая (растекающаяся)
мутация.Форма миссенс-мутации |
|
|
Одни и те же мутации могут возникать повторно. |
это касается генных мутаций; хромосомные аберрации уникальны и неповторимы |
В настоящее время принято следующее определение мутаций:
Мутации – это качественные изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.
Организм, во всех клетках которого обнаруживается мутация, называется мутантом .
В ряде случаев мутация обнаруживается не во всех соматических клетках организма; такой организм называют генетической мозаикой . Это происходит, если мутации появляются в ходе онтогенеза – индивидуального развития.
И, наконец, мутации могут происходить только в генеративных клетках (в гаметах, спорах и в клетках зародышевого пути – клетках-предшественницах спор и гамет). В последнем случае организм не является мутантом, но часть его потомков будет мутантами.
Различают «новые» мутации (возникающие de novo) и «старые» мутации. Старые мутации – это мутации, появившиеся в популяции задолго до начала их изучения; обычно о старых мутациях идет речь в генетике популяций и в эволюционной теории. Новые мутации – это мутации, появляющиеся в потомстве немутантных организмов (♀ АА × ♂ АА → Аа ); обычно именно о таких мутациях идет речь в генетике мутагенеза.
Мутация – это случайное явление, т.е. невозможно предсказать: где, когда и какое изменение произойдет. Можно только оценить вероятность мутации в популяциях, зная фактические частоты определенных мутаций. Например, вероятность появления у кишечной палочки устойчивости к тетрациклину равна 10 –10 (одна десятимиллиардная), поскольку лишь одна из 10 миллиардов клеток обнаруживает устойчивость к этому антибиотику (зато все потомство этой бактерии будет устойчивым к тетрациклину).
Установлено, что мутабильность гена (т.е. частота появления определенной мутации) зависит от природы гена: существуют гены, склонные к мутированию, и относительно стабильные гены.
Хуго де Фриз высадил завезённое из Америки растение Oenothera lamarckiana и в течение 10 лет обследовал 53 000 его потомков, из которых примерно 800 (то есть 1,5%) имели отклонения от исходного типа. Эти отклонения были названы учёным мутациями. В отличие от сторонников Чарльза Дарвина , учёный утверждал, что некоторые свойства вида могут изменяться не плавно, а именно скачком.
В 1901 году он опубликовал первый том, а в 1903 – второй том Теории мутации на немецком языке: Hugo de Vries, Die Mutationstheorie. Versuche und Beobachtungen uber die Entstehung von Arten im Pflanzenreich, Bd 1-2, Leipzig,Veit & comp.,1901-03.
Учёный пришёл к выводу, что новые варианты возникают не путём постепенного накопления непрерывных небольших изменений (как считали последователи Чарльза Дарвина), а путём внезапного появления резких изменений.
«В селекции известны оба типа изменчивости. Обычная изменчивость, которую можно назвать индивидуальной, флюктуирующей или постепенной, имеет место всегда и подчиняется определённым, сейчас в большей части известным законам. Она даёт селекционеру материал для выведения цепного сорта. Наряду с этим он знаком со спонтанными вариациями, которые не нуждаются в селекции, а в худшем случае лишь в выведении чистой линии, и которые почти всегда с самого начала стойко передают свои свойства потомству.
Таким образом, учение об изменчивости распадается на два типа: изменчивость в более узком смысле слова и мутации. Первая – преимущественно предмет статистических исследований.