Генетика в школьном курсе биологии

Генетика в школьном курсе биологии
(учебно-методическое пособие)
Содержание
1) Достижения современной генетики
2) Лауреаты Нобелевской премии в области генетики
3) Теоретические основы школьного курса генетики:
 - этапы развития генетики;
 - методы генетики;
 - основные понятия;
 - основные термины;
 - законы и закономерности;
 - изменение наследственной информации;
 - процессы наследования человека;
 - генетически обусловленные болезни;
 - медико-генетическое консультирование (МГК);
 - наследование и эволюция.
4) Евгеника: позитивная и негативная
5) Урок на тему «Наследственная (генотипическая) изменчивость»
6) Решение генетических задач
7) Опорные конспекты по генетике
8) Литература
Генетические разделы школьного курса биологии - камень преткновения для учащихся и
учителей биологии, так как являются одними из самых сложных для понимания. Облегчению
усвоения этих разделов может способствовать знания достижений современной генетики, а
также решение задач разных уровней сложности. Использование таких задач развивает у
школьников логическое мышление и позволяет им глубже понять учебный материал, дает
возможность преподавателям осуществлять эффективный контроль уровня достижений
учащихся.
Данное учебно-методическое пособие составлено в помощь учителям биологии, учащимся
старших классов общеобразовательных школ, абитуриентам и студентам естественных и
биологических факультетов.
1
Достижения современной генетики
"...Но прежде прибери в комнатах, вымой окна, натри пол, выбели кухню, выполи грядки,
посади под окнами семь розовых кустов, разбери семь мешков фасоли: белую отбери от
коричневой, познай самое себя". Е.Л Шварц. "Золушка"
Наверное, самым трудным для Золушки в заданиях злой и коварной мачехи было: "Познай
самое себя!" Все остальное трудно, но понятно - действия привычные, выдумывать ничего не
надо, только поспевай... А что значит: "Познай самое себя"? Узнать как ты движешься,
думаешь или дышишь, когда перебираешь фасоль? А может быть, первый шаг к настоящему
пониманию человека - узнать, как он воспроизводит себе подобных?
Когда несколько американских ученых в 1986-1987 годах принялись неслыханно дерзко
уговаривать руководителей Министерства энергетики США выделить несколько миллиардов
долларов на фантастический проект: узнать строение всех генов человека - это был
правильный шаг к познанию самих себя. Узнав строение генов, можно было посягнуть и на то,
чтобы вторгнуться реально в понимание процессов мышления и реагирования на стимулы,
приходящие из окружающей среды и т.д.
Как только проект, названный "Геном человека ", был объявлен, начались новые муки:
множество людей во всем мире, причем не просто обыватели, а профессора и руководители
институтов, стали его резко критиковать, называя его "завиральным", нереальным и попросту
глупым. Вложенных средств он не оправдает, усилий потребует столько, что все ученые,
забросив остальные дела, справиться с ним не смогут и т. п. Деньги затея поглотит, а толку все
равно не будет. Рановато еще к этому приступать, твердили эти знатоки, наука не созрела для
решения таких задач, технических возможностей не создано, лучше прекратить с самого
начала нелепую выдумку, а деньги пустить на действительно реальные проекты.
Если бы на этом настаивали специалисты по ядерной физике или физической химии, было бы
понятно, ведь из-за "Генома человека" приостановили другие дорогие проекты, прежде всего в
области физики. Но в хоре протестов выделялись и голоса биологов, особенно из Западной
Европы и СССР. Правда, в СССР были и другие ученые, в частности, академик А..А. Баев,
которые сразу же постарались включиться в международный проект и извлечь из него
максимальную пользу.
И вот прошло 10 лет с момента официального старта проекта. Чего же удалось достичь? К
концу 1999 г. расшифровано свыше двух десятков геномов. Но насколько близки мы к
пониманию строения всех генов человека? И что эти данные могут дать самому человеку?
СКОЛЬКО ГЕНОВ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ?
В любой соматической клетке человека 23 пары хромосом. В каждой из них по одной
молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул почти 2 м. У взрослого человека примерно 5х10"
клеток, так что общая длина молекул ДНК в организме 10" км (почти в тысячу раз больше
расстояния от Земли до Солнца).
В молекулах ДНК одной клетки человека 3,2 млрд. пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид
состоит из углевода, фосфата и азотистого основания. Углеводы и фосфаты одинаковы во всех
нуклеотидах, а азотистых оснований - четыре. Таким образом, язык генетических записей
четырехбуквенный, и если основание его "буква ", то "слова" - это порядок аминокислот в
кодируемых генами белках. Кроме состава белков в геноме (совокупности генов в одинарном
наборе хромосом) записаны и другие любопытные сведения. Можно сказать, что Природа (в
результате эволюции или Божьего промысла) закодировала в ДНК инструкции о том, как
клеткам выживать, реагировать на внешние воздействия, предотвращать "поломки", иными
словами, - как развиваться и стареть организму. Любое нарушение этих инструкций ведет к
мутациям, и если они случаются в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках),
мутации передаются следующим поколениям, угрожая существованию данного вида.
Как представить себе 3 млрд. оснований зримо? Чтобы воспроизвести информацию,
содержащуюся в ДНК единственной клетки, даже самым мелким шрифтом (как в телефонных
справочниках), понадобится тысяча 1000-страничных книг!
2
Сколько же всего генов, то есть последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки, в
ДНК человека? Года три назад полагали, что g около 100 тыс., затем решили, что не более 80
тыс. В конце 1998 г. пришли к выводу, что в геноме человека 50-60 тыс. генов. На их долю
приходится только 3% общей длины ДНК. Роль остальных 97% пока неясна.
ЧТО ТАКОЕ "ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА"?
Цель проекта - выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов
(картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины
наследственных заболеваний и пути к их лечению. В проекте заняты тысячи специалистов со
всего мира: биологов, химиков, математиков, физиков и техников. Это один из самых дорогих
научных проектов в истории. В 1990 г. на него потрачено 60 млн. долл., в 1991 г. - 135 млн., в
1992-1995 гг. - от 165 до 187 млн. в год , а в 1996-1998 гг. только США израсходовали 200, 225
и
253
млн.
Интерес к уже полученным результатам огромен: самые цитируемые в 1998 г. авторы (не
только в генетике или биологии, но во всех областях науки) Марк Адамс и Крэйг Вёнтер из
Института исследований генома в штате Мэриленд (США) - частной компании, занимающейся
только составлением "генных карт".
ВЕХИ ПРОЕКТА
Проект состоит из пяти основных этапов:
 составление карты, на которой помечены гены, отстоящие друг от друга не более, чем на 2
млн. оснований, на языке специалистов, с разрешением 2 Мб (Мегабаза - от английского слова
"base"-основание);
 завершение физических карт каждой хромосомы с разрешением 0,1 Мб;
 получение карты всего генома в виде набора описанных по отдельности клонов (0,005 Мб);
 к 2004 г. полное секвенирование ДНК (разрешение 1 основание);
 нанесение на карту с разрешением в 1 основание всех генов человека (к 2005 г.).
Когда эти этапы будут завершены, исследователи определят все функции генов, а также
биологические и медицинские применения результатов.
ТРИ КАРТЫ
В ходе проекта создают три типа карт хромосом: генетические, физические и секвенсовые (от
англ. sequence - последовательность). Выявить все гены, присутствующие в геноме, и
установить расстояния между ними - значит локализовать каждый ген в хромосомах. Такие
генетические карты помимо инвентаризации генов и указания их положений ответят на
исключительно важный вопрос о том, как гены определяют те или иные признаки организма.
Ведь многие признаки зависят от нескольких генов, часто расположенных в разных
хромосомах, и знание положения каждого из них позволит понять, как происходит
дифференцировка (специализация) клеток, органов и тканей, а также успешнее лечить
генетические заболевания.
В 20-е и 30-е годы, когда создавалась хромосомная теория наследственности, выяснение
положения каждого гена привело к тому, что на генетических картах сначала дрозофилы, а
затем кукурузы и ряда других видов удалось отметить особые точки, как тогда говорили,
"генетические маркеры" хромосом. Анализ их положения в хромосомах помог снабдить
генетические карты хромосом человека новыми сведениями. Первые данные о положении
отдельных генов появились еще в 60-е годы. С тех пор они множились лавинообразно, и в
настоящее время известно положение уже десятков тысяч генов. Три года назад разрешение
генетической карты составляло 10 Мб (для некоторых участков - даже 5 Мб).
Другое направление исследований - составление физических карт хромосом. Еще в 60-е годы
цитогенетики стали окрашивать хромосомы, чтобы выявить на них особые поперечные
полосы. После окрашивания полосы было видно в микроскоп. Между полосами и генами
удалось установить соответствие, что позволило изучать хромосомы по-новому. Позже
научились "метить " молекулы ДНК радиоактивными или флуоресцентными метками) и
следить за присоединением этих меток к хромосомам, что значительно повысило разрешение
их структуры: до 2 Мб, а потом и до 0,1 Мб (при делении клеток). В 70-е годы научились
3
"разрезать " ДНК на участки специальными (рестрикционными) ферментами, распознающими
короткие отрезки ДНК, в которых информация записана в виде палиндромов - сочетаний,
читаемых одинаково от начала к концу и от конца к началу. Так возникли рестрикционные
карты хромосом. Использование современных физических и химических методов и средств
улучшило разрешение физических карт в сотни раз.
Наконец, разработка методов секвенирования (изучения точных последовательностей
нуклеотидов в ДНК) открыла путь к созданию секвенсовых карт с рекордным на сегодня
разрешением (на этих картах будет указано положение всех нуклеотидов в ДНК).
ДВА ПОДХОДА
Число хромосом и их длина различны у разных биологических видов. В клетках бактерий
всего одна хромосома. Так, размер генома бактерии Mycoplasma genitaliurn 0,58 Мб (в нем 470
генов), у бактерии кишечной палочки (Escherichia сои) в геноме 4200 генов (4,2 Мб), у
растения Arabidopsis thaliana - 25 тыс. генов (100 Мб), у плодовой мушки Drosophila
melanogaster - 10 тыс. генов ( 120 Мб). В ДНК мыши и человека 50-60 тыс. генов (3000 Мб).
Конечно, для составления карт столь разных объектов одни и те же методы неприменимы,
поэтому используют два разных по методологии подхода. В первом делят ДНК на небольшие
куски и, изучив их по отдельности, воссоздают всю структуру, Этот подход увенчался успехом
при составлении сравнительно простых карт. Для более сложных геномов эффективнее второй
подход. В этих случаях неразумно делить молекулу ДНК на короткие куски, удобные для
детального изучения. Их оказалось бы так много, что путаница в последовательностях была бы
неразрешимой. Поэтому, принимаясь за расшифровку, молекулу делят, наоборот, на как
можно более длинные куски и сравнивают их в надежде найти общие концевые участки. Если
это удается, куски объединяют, после чего процедуру повторяют. С совершенствованием
компьютеров и математических методов обработки информации объединенные по такому
принципу куски становятся все крупнее, постепенно приближаясь к целой молекуле. Этот
подход, в частности, позволил составить генетическую карту 3-й хромосомы дрозофилы.
КЛАДЕЗЬ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Важный аспект проекта "Геном человека " - разработка новых методов исследований.
Еще до старта проекта был развит ряд весьма эффективных методов цитогенетических
исследований (теперь их называют методами первого поколения). Среди них: создание и
применение упомянутых рестрикционных ферментов; получение гибридных молекул, их
клонирование и перенос участков ДНК с помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего кишечной палочки или дрожжей); синтез ДНК на матрицах информационной РНК;
секвенирование генов; копирование генов с помощью специальных устройств; способы
анализа и классификации молекул ДНК по плотности, массе, структуре.
В последние 4-5 лет благодаря проекту "Геном человека" разработаны новые методы (методы
второго поколения), в которых почти все процессы полностью автоматизированы. Почему это
направление стало центральным? Самая маленькая хромосома клеток человека содержит ДНК
длиной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) - 250 Мб. До 1996 г. наибольший участок ДНК,
выделяемый из хромосом с помощью реактивов, имел длину 0,35 Мб, а на лучшем
оборудовании их структура расшифровывалась со скоростью 0,05-0,1 Мб в год при стоимости
1-2 долл. за основание. Иными словами, только на эту работу понадобилось бы примерно 30
тыс. дней (почти век) и 3 млрд. долл.
Совершенствование технологии к 1998 г. повысило производительность до 0,1 Мб в день
(36,5 Мб в год) и понизило стоимость до 0,5 долл. за основание. Использование новых
электромеханических устройств, которые к тому же потребляют меньше реактивов, позволит
уже в 1999 г. ускорить работы еще в 5 раз (к 2003 г. планируется довести скорость
расшифровки до 500 Мб в год) и уменьшить стоимость до 0,25 долл. за основание (для
человеческой ДНК еще дешевле).
ГЕНЫ В БАНКЕ
За последние шесть лет созданы международные банки данных о последовательностях
нуклеотидов в ДНК разных организмов (GenBank EMBL/ DDBJ) и о последовательностях
4
аминокислот в белках (PIR 1 SwissPot). Любой специалист может воспользоваться собранной
там информацией в исследовательских целях. Решение о свободном доступе к информации
далось нелегко.
Ученые, юристы, законодатели немало потрудились, чтобы воспрепятствовать намерениям
коммерческих фирм патентовать все результаты проекта и превратить эту область науки в
бизнес.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Расшифрованные геномы.
1995 г. - бактерия Hemophilus influenza
1996 г. - клетка дрожжей (6 тыс. генов, 12,5 Мб);
1998 г. - круглый червь Caenorhabditis elegans (19 тыс. генов, 97 Мб).
Основные результаты завершенных этапов проекта изложены в журнале "Science" (1998.Vol.
282, N5 5396,. Р. 2012-2042).
Изученные гены человека. За 1995 г. длина участков ДНК человека с установленной
последовательностью оснований увеличилась почти в 10 раз. Но хотя прогресс был налицо,
результат за год составил менее 0,001% от того, что предстояло сделать. Но уже к июлю 1998
г. было расшифровано почти 9% генома, а затем каждый месяц появлялись новые
значительные результаты. Изучив большое число копий генов в виде сДНК и сопоставив их
последовательности с участками хромосомной ДНК, к ноябрю 1998 г. расшифровали 30 261
ген (примерно половина генома).
Функции генов. Результаты завершенной части проекта позволяют судить о роли двух третей
генов в образовании и функционировании органов и тканей человеческого организма.
Оказалось, что больше всего генов нужно для формирования мозга и поддержания его
активности, а меньше всего для создания эритроцитов - лишь 8.
Другие организмы. Когда составлялась программа исследований по проекту, решили сначала
отработать методы на более простых моделях. Поэтому на первом этапе реализации проекта
изучили 8 разных представителей мира микроорганизмов, а к концу 1998 г. - уже 18
организмов с размерами генома от 1 до 20 Мб. В их числе представители многих родов
бактерий: архебактерии, спирохеты, хламидобактерии, кишечная палочка, возбудители
пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие бактерии, микоплазмы, риккетсии,
цианобактерии. Как уже упоминалось, завершен генетический анализ одноклеточного
эукариота - дрожжей Saccharomyces cerevisae и первого многоклеточного животного - червя С.
elegans.
Повреждения генов и наследственные болезни.
Из 10 тыс. известных заболеваний человека около 3 тыс. - наследственные болезни. Они
необязательно наследуются (передаются потомкам). Просто вызваны они нарушениями
наследственного аппарата, то есть генов (в том числе в соматических клетках, а не только в
половых). Выявление молекулярных причин "поломки" генов - важнейший результат проекта.
Число изученных болезнетворных генов быстро растет, и через 3-4 года мы познаем все 3 тыс.
генов, ответственных за те или иные патологии. Это поможет разобраться в генетических
программах развития и функционирования человеческого организма, в частности, понять
причины рака и старения. Знание молекулярных основ заболеваний поможет их ранней
диагностике, а значит, и более успешному лечению. Адресное снабжение лекарствами
пораженных клеток, замена больных генов здоровыми, управление обменом веществ и многие
другие мечты фантастов на наших глазах превращаются в реальные методы современной
медицины.
Молекулярные механизмы эволюции.
Зная строение геномов, ученые приблизятся к разгадке механизмов эволюции. В частности,
такого ее этапа, как деление живых существ на прокариоты и эукариоты. До последнего
времени к прокариотам относили архебактерии, по многим признакам отличающиеся от
других представителей этой группы микроорганизмов, но также состоящие всего из одной
клетки без обособленного ядра, но с молекулой ДНК в виде двойной спирали. Когда год назад
5
геном архебактерий расшифровали, стало ясно, что это отдельная ветвь на эволюционном
древе.
ЗАДАЧИ НА БУДУЩЕЕ
С учетом постоянного наращивания темпов работ руководители проекта заявили в конце
1998 г., что проект будет выполнен гораздо раньше, чем планировалось, и сформулировали
задачи на ближайшую перспективу:
2001 г. - предварительный анализ генома человека;
2002 г. - расшифровка генома плодовой мухи Drosophila mela- nogaster;
2003 г. - создание полных карт генома человека;
2005 г. - расшифровка генома мыши с использованием методов сДНК и искусственных
хромосом дрожжей.
Помимо этих целей, официально включенных в международный проект, поддерживаемый
США и рядом других стран на правительственном уровне, некоторые исследовательские
центры объявили о задачах, которые будут решаться в основном за счет грантов и
пожертвований. Так, ученые Калифорнийского университета (Беркли), Орегонского
университета и Центра Ф. Хатчинсона по исследованию рака начали расшифровку генома
собаки.
ЧТО ДАЛЬШЕ?
Главная стратегическая задача на будущее - изучить вариации ДНК (на уровне отдельных
нуклеотидов) в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить эти различия.
Обычно одиночные мутации в ДНК человека встречаются в среднем на тысячу неизмененных
оснований. Анализ таких вариаций позволит не только создавать индивидуальные генные
портреты и, тем самым, лечить любые болезни, но и определять различия между популяциями
и регионы повышенного риска, делать заключения о необходимости первоочередной очистки
территории от тех или иных загрязнений и выявлять производства, опасные для геномов
персонала.
Впрочем, наряду с радужными ожиданиями всеобщего блага эта грандиозная цель вызывает
и вполне осознанную тревогу юристов и борцов за права человека. В частности,
высказываются возражения против распространения генетической информации без
разрешения тех, кого она касается. Ведь ни для кого не секрет, что уже сегодня страховые
компании стремятся добыть такие сведения всеми правдами и неправдами, намереваясь
использовать эти данные против тех, кого они страхуют. Компании не желают страховать
клиентов с потенциально болезнетворными генами или заламывают за их страховки бешеные
суммы. Поэтому конгресс США уже принял ряд законов, направленных на строгий запрет
распространения индивидуальной генетической информации.
Какие прогнозы сбудутся: оптимистические или пессимистические - покажет ближайшее
будущее...
НАЙДЕН ГЕН СТАРЕНИЯ
Старение обусловлено не одним, а многими сложными процессами, протекающими в
организме. Поэтому найти один-единственный ген, от которого зависит старение, вряд ли
удастся - скорее это будет несколько генов. Американский научный журнал "Science"
сообщает, что первый ген старения недавно обнаружен группой японских и американских
исследователей из Стэндфордского университета в США. Они изучали больных с признаками
преждевременного старения - синдромом Вернера. Вообще, этот недуг довольно редкий, он
поражает четырех человек из 100 тысяч. Страдающие синдромом Вернера уже в 35-40 лет
выглядят как 80-летние, их организм изнашивается в два раза быстрее, чем у других людей.
Исследование ДНК больных с синдромом Вернера показало, что "виноват" ген,
расположенный на девятой хромосоме. Именно мутация в этом гене привела к нарушению
каких-то важных процессов в организме и ускорению старения. Однако сказать что-либо
определенное о работе "гена старения " ученые пока не могут. Скорее всего, он выполняет
какие-то регуляторные задачи.
6
Внутри гена, ответственного за синдром Вернера, были обнаружены особые участки ДНК,
называемые Alu-последовательностями. Подобные участки раньше считали "балластной" ДНК,
служащей чем-то вроде прослойки между генами, несущими информацию о белках. Сегодня
стало ясно, что Alu-последовательности играют какую-то особую роль, связанную, возможно,
с регуляторными функциями генов. Они чаще, чем другие участки ДНК, подвергаются
изменениям, мутациям. Возможно, что участие гена, расположенного на девятой хромосоме, в
процессах старения связано с его повышенной изменчивостью.
Джон Локк и генетика
В журнале "Народное образование", № 9, 1999г. на стр. 241-244 под рубрикой
"педагогическая академия" опубликована статья доктора педагогических наук, профессора
Валентина Кумарина "Джон Локк и генетика". В ней обсуждаются проблемы в современном
воспитании, непосредственно связанные с блистательным педагогическим трудом "Мысли о
воспитании" Джона Локка.
Разницу между воспитанием и обучением Локк (как и Ушинский, и Макаренко!) усматривал
прежде всего в том, что если дидактические воздействия, способствующие усвоению знаний,
направляются, говоря современным языком, в область сознания, то воздействия "собственно
воспитательного" свойства адресуются подсознанию, т.е. туда, где обитают инстинкты,
влечения, потребности, характер и где формируются привычки поведения по известной в
физиологии схеме "стимул - реакция".
Заслуживают пристального внимания соображения автора о влиянии наследственности. "С
тех пор, как во всем мире начался невиданный бум в генетических исследованиях, ученые
получили фантастические результаты, которые свидетельствуют, что сегодня только самые
заскорузлые марксистские догматики могут долдонить о "всеопределяющей роли среды" и
отрицать определяющую роль биологических структур человека, прежде всего его
генетической программы, - она, как известно, задается природой (тут и "новообразователи"
тихо помалкивают) и у каждого человека неповторимая".
О двух открытиях чуть подробнее
В начале 90-х годов выходец из КНР российский ученый Цзян Кань Чжень установил, что в
человеческом организме существует биомагнитное поле, которое является главным носителем
генной информации. Что для передачи этой информации можно обходиться без довольно
рутинной селекционной работы. В своей хабаровской лаборатории он разработал метод
биологической сверхчастотной связи и, минуя все стадии отбора, скрестил кукурузу с
пшеницей, огурец с дыней, арахис с подсолнечником. Этим же методом ему удалось получить
зародыши (и выговорить страшно!) куроутки и козлокролика. Собственный ген он
спроецировал на яйцо наседки и получил цыпленка, покрытого не перьями, а человеческим
волосом.
Открытие запатентовано в Москве и Женеве. Оно признано международной научной
общественностью как новое направление в генной инженерии. На международных выставках
медико-технических достижений Цзян был трижды удостоен золотых медалей. Под теорию
российского ученого в Китае началось строительство специализированного медицинского
центра. К биотрону (установка для проецирования генов) практический и научный интерес
проявили в Австралии, Японии, Швейцарии, США. Значение этого открытия не затмило даже
шотландское чудо - овечка Долли. И только в России о феноменальных достижениях Юрия
Владимировича Цзяна (ученый сам выбрал эти имя и отчество) и слышать не хотят. Смотрят
на него глазами Лысенко как на "идеалистическую чертовщину" (см.: Красите Игорь. Чужой //
Труд. 1998. - 28 апреля.).
Найден ген гениальности!
Это открытие комментирует доктор биологических наук Петр Гаряев: "Само по себе
существование гена гениальности вряд ли вызывает сомнения. В конце концов все наши
способности и пристрастия определяются генным аппаратом. Могут быть только споры: один
ли "специализированный" ген или некий генный конгломерат максимально заостряет
способности человека в каком-то одном виде деятельности, пристрастия к которому
7
определяются другими генами. Скажем, если ребенок любит рисовать - это результат "работы"
неких генов, набор которых в хромосомах может диктоваться рядом случайных причин. А
попавший сюда же ген гениальности сделает из него гениального художника. То же самое с
пристрастиями музыкальными, литературными, артистическими. Все они обостряются до
предела геном гениальности, позволяя человеку в совершенстве овладеть выбранной
специальностью" (См.: Валентинов Альберт. Гениальность по наследству // Российская газета.
- 1998. - 9 января.). Сопоставьте эту "генную" информацию с еще одним обобщением Локка,
которому он придавал ключевое значение: "Этот метод обучения детей путем повторной
практики, путем многократного выполнения под наблюдением и руководством воспитателя
одного и того же действия до тех пор, пока дети не привыкнут делать это хорошо, с какой бы
стороны мы ни рассматривали его, имеет столько преимуществ перед методом, рассчитанным
на правила, которые дети должны усвоить с помощью памяти, что я могу только удивляться
(если вообще можно удивляться дурным обычаям), как он мог остаться в столь большом
пренебрежении... Пользуясь этим методом, мы можем видеть, соответствуют ли требования,
предъявляемые к ребенку, его способностям и подходит ли тот или другой прием к природным
дарованиям и конституции ребенка" (Локк Джон. Пед. соч. -М., 1939. - С. 104). А дальше
квинтэссенция: "Мы не должны рассчитывать на то, чтобы полностью изменить их
прирожденные характеры, чтобы сделать веселого человека задумчивым и серьезным, а
меланхолика веселым человеком, не портя их. Бог наложил определенную печать на душу
каждого человека, которая, подобно его внешнему облику, может быть немного исправлена, но
вряд ли можно ее целиком изменить и превратить в противоположное... Ибо во многих
случаях, все, что мы можем сделать и к чему мы должны стремиться, - это использовать
наилучшим образом то, что дала природа, предупредить те пороки и недостатки, к которым
наиболее предрасположена данная конституция" (Там же). Кумарин отмечает: "Ну разве не
очевидно, что 300 (!) лет назад Локк разглядел все, что касается основания научной
педагогики, хотя и пользовался презренным методом "ползучего эмпиризма". Зато оппоненты
Локка, признающие только "метод теоретического мышления", т.е. оголтелую схоластику, не
видят ничего, даже стоя с генетикой в обнимку (См., например: Лазарев Д.С. Воинствующий
эмпиризм против развивающего обучения// Педагогика. - 1998. - № 3). Не иначе как ген,
отвечающий за способность видеть и понимать, достался им безнадежно дефектным, а
"новообразования", как и надо было ожидать, оказались мыльными пузырями. Не помогли".
Имеется ссылка на Дж. Локка по вопросу о воспитании и обучении, в частности, об учении:
"Я вовсе не отрицаю, что обучение наукам очень способствует развитию и добродетели, и
мудрости в людях с хорошими духовными задатками, но необходимо также согласиться и с
тем, что в других людях, не имеющих таких задатков, оно ведет лишь к тому, что они
становятся еще более глупыми и дурными людьми..." Локк Джон. Пед. соч. -М., 1939. - с.177)
Приведены соображения видного генетика, дочери выдающегося русского математика А.М.
Ляпунова, о дифференциации уровней обучения для генетически различным образом
одаренных детей.
Лауреаты Нобелевской премии в области генетики
Завещание Альфреда Нобеля
Я, нижеподписавшийся, Альфред Бернхард Нобель, обдумав и решив, настоящим
объявляю мое завещание по поводу имущества, нажитого мною к моменту смерти.
Все остающееся после меня реализуемое имущество необходимо распределить
следующим образом: капитал мои душеприказчики должны перевести в ценные бумаги,
создав фонд, проценты с которого будут выдаваться в виде премии тем, кто в течение
предшествующего года принес наибольшую пользу человечеству. Указанные проценты
следует разделить на пять равных частей, которые предназначаются: первая часть
тому, кто сделал наиболее важное открытие или изобретение в области физики, вторая
- тому, кто совершил крупное открытие или усовершенствование в области химии,
третья - тому, кто добился выдающихся успехов в области физиологии и медицины,
четвертая - создавшему наиболее значительное литературное произведение,
8
отражающее человеческие идеалы, пятое - тому, кто внесет весомый вклад в сплочение
народов, уничтожение рабства, снижение численности существующих армий и
содействие мирной договоренности. Премии в области физики и химии должны
присуждаться Шведской королевской академией наук, по физиологии и медицине Королевским Кароллинским институтом в Стокгольме, по литературе - Шведской
академией в Стокгольме, премия мира - комитетом из пяти человек, избираемым
Норвежским стортингом. Мое особое желание заключается в том, чтобы премию
получали наиболее достойные, независимо от того, скандинавы они или нет.
Сие завещание является последним и окончательным, оно имеет законную силу и
отменяет все мои предыдущие завещания, если таковые обнаружатся после моей
смерти.
Наконец, последнее мое обязательное требование состоит в том, чтобы после моей
кончины компетентный врач однозначно установил факт смерти, и лишь после этого
мое тело следует предать сожжению,
Париж, 27 ноября 1895 г. Альфред Бернхард Нобель.
Нобелевские премии были присуждены следующим исследователям за выдающиеся
достижения и открытия фундаментальных законов генетики:
1933 г. - Томасу Ханту Моргану за открытие функций хромосом как носителей
наследственности.
1946 г. - Герману Дж. Меллеру за открытие возникновения мутаций под воздействием
рентгеновских лучей.
1957 г. - Александеру Тодду за работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам.
1958 г. - Джорджу Биллу и Эдуарду Тейтему за открытие способности генов регулировать
определенные химические процессы, и другую половину - Джошуа Ледербергу за открытия,
касающиеся генетической рекомбинации у бактерий и структуры их генетического аппарата.
1959 г. - Севера Очоа и Артуру Корнбергу за исследование механизма биологического синтеза
рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот.
1962 г. - Френсису Крику, ДжеймсуУотсану и Морису Уилкинсу за установление
молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой
материи.
1965 г. - Андре Мишелю Львову, Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Мане за открытие
генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.
1968 г. - Роберту Холли, Хару Гобинду Коране и Маршаллу Ниренбергу за расшифровку
генетического кода и его функции в синтезе белков.
1969 г. - Максу Дельбрюку, Альфреду Херши и Сальвадору Дурне за открытие цикла
репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов.
1975 г. - Ренато Дульбекко за исследование механизма действия онкогенных вирусов, Хоуарду
Мартину Темину и Дейвиду Балтимору за открытие обратной транскриптазы. 1978 г. Даниэлю Натансу, Гамильтону Смиту и Кернеру Арберу за открытие ферментов рестрикции и
работу по использованию этих ферментов в молекулярной генетике.
1980 г. - Баруху Бенацеррафу, Жану Доссе и Джорджу Снеллу за их открытие генетически
детерминированных структур поверхностей клеток, регулирующих иммунологические
реакции.
1980 г. - Полу Бергу за фундаментальные исследования в области биохимии нуклеиновых
кислот, в частности рекомбинантной ДНК, и вторую половину - Уолтеру Гилберту и
Фредэрику Сен- Геру за признание успехов, достигнутых в области генной инженерии и
молекулярной генетики.
1983 г. - Барбаре Макклинток за открытие подвижных элементов генома.
1985 г. - Майклу Стюарту Брауну и Джозе- фу Леонарду Голдстейну за раскрытие механизма
регуляции холестеринового обмена.
1989 г. - Дж. Майклу Бишопу и Гарольду Э. Вармусу за открытие природы онкогенов.
9
1989 г. - Сиднею Альтману и Томасу Чеку за открытие каталитической функции РНК и
применение этой функции в биотехнологии.
Теоретические основы школьного курса генетики
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГЕНЕТИКИ
I. Открытие законов наследственности. В 1865 к австрийский естествоиспытатель Грегор
Мендель описал в статье «Опыты над растительными гибридами» два принципиально важных
явления, открытых с помощью разработанного им метода генетического анализа.
1. Признаки определяются отдельными наследственными факторами, которые передаются
через
половые
клетки.
2. Отдельные признаки организма при скрещивании не исчезают, а сохраняются в потомстве в
том
же
виде,
в
каком
они
были
у
родительских
особей.
Таким образом, был открыт один из важных источников изменчивости, а именно механизм
сохранения приспособительных признаков вида в ряду поколений.
II. Официальное рождение генетики. Весной 1890 г. три ботаника независим6 друг от друга в
трех разных странах на разных объектах пришли к открытию важных закономерностей
наследования признаков в потомстве гибридов. Это Г. де Фриз (Голландия), К. Корренс
(Германия) и К. Чермак (Азетрия). Однако оказалось, что три ботаника всего-навсего
«переоткрыли» закономерности наследования Г Менделя.
III. Развитие хромосомной теории. С 1911 г. Т. Моргам с сотрудниками в Колумбийском
университете (США) начинает публиковать серию работ, в которых формулирует
хромосомную теорию наследственности. Экспериментально доказывается, что основными
носителями генов является хромосомы и что гены в хромосомах располагаются линейно.
IV. Открытие нуклеиновых кислот как наследственного материала. Особую роль в этом
открытии, сделанном в 1928 г., Сыграли исследования Ф. Гриффита, касающиеся природы
явления трансформации: приобретение соответствующих свойств живыми клетками под
влиянием веществ из убитых высокой температурой клеток. О. Звери и другие ученые затем
показали, что подобные свойства от одной клетки к другой могут передаваться только с
очищенной ДНК.
V. Расшифровка строения молекулы ДНК. В 1953 г. английский биофизик и генетик Ф. Крик
н американский биохимик Дж. Уотсон предложили модель структуры ДНК, которая с тех пор
многократно проверялась и была признана 1 правильной как в целом, так и во многих деталях.
С этого момента начинается совершенно новый период развития не только генетики, но и всей
биологии в целом.
МЕТОДЫ ГЕНЕТИКИ
I Специфические методы генетики.
1. Гибридологический метод (открытый Менделем).
Основные черты метода:
а) Мендель учитывал не весь многообразный комплекс признаков
у родителей и их потомков, а выделял и анализировал
наследование по отдельным признакам (одному или нескольким);
б) Менделем был проведен точный количественный учет
наследования каждого признака в ряду последующих поколений:
в) Менделем исследовался характер потомства каждого гибрида, в
отдельности.
2. Генеалогический метод. В основу метода положено составление и анализ
родословных.
II Неспецифические методы генетики.
1. Близнецовый метод. Используется прежде всего для оценки соотносительной
роли
наследственности
и
среды
в
развитии
признака.
2. Цитогенетический метод. Заключается в изучении хромосом с помощью
микроскопа.
10
3. Популяционный метод. Позволяет изучить распространение отдельных генов
или
хромосомных
аномалий
в
популяциях.
4. Мутационный метод. Метод обнаружения мутаций в зависимости от
особенностей объекта - главным образом 1 *особа размножения организма.
5. Рекомбинационный метод. Основан на частоте рекомбинаций между
отдельными парами генов, представленных в одной хромосоме. Позволяет
составлять карты хромосом, на которых указывается относительное
расположение
различных
генов.
6. Метод селективных проб (биохимический). С помощью данного метода
устанавливают последовательность аминокислот в полипептидной цепи и таким
образом определяют генные мутации.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Кариотип Исследованиями цитологов установлен факт специфичности хромосомного набора
клеток организмов одного вида. Специфичность проявляется в постоянстве числа хромосом,
их относительных размеров, деталей строения и т. д. Хромосомный комплекс клеток
конкретного вида растений или животных с характерными для него морфологическими
особенностями, называется кариотипом. Кариотип можно охарактеризовать с помощью
четырех постоянных морфологических правил хромосом.
Правило постоянного числа хромосом. Цитологический анализ показывает, что даже у
близких видов имеется различное число хромосом в кариотипах. Для соматических клеток
многоклеточных организмов характерен диплоидный (удвоенный). хромосомный набор.
Подовые клетки отличаются вдвое меньшим - гаплоидным числом хромосом. Так, у человека
диплоидный набор хромосом составляет 46, а гаплоидный - 23
Правило индивидуальности хромосом. В гаплоидных . клетках каждая хромосома имеет
строго индивидуально строение. Друг от друга они отличаются длиной, расположением
центромеры, наличием спутников н т.д. Такие хромосомы называются негомологическими
хромосомами.
Правило парности хромосом. Каждая индивидуальная хромосома в соматических клетках
(диплоидных) имеет себе пару. То есть в кариотипе обнаруживается пара хромосом, имеющих
сходные повторяющиеся в деталях размеры и особенностях морфологии. Такие хромосомы
называются гомологичными.
Правило непрерывности хромосом. Каждая хромосома образуется только из хромосомы
путем редупликации.
Цитологический анализ кариотипа показывает, что его структура может быть
таксономическим (систематически») признаком, который все чаще используется в систематика
животных и растений.
ГЕН И ЕГО СВОЙСТВА
В настоящее время ген рассматривается как единица функционирования наследственного
материала, определяющая развитие какого-либо признака или свойства организма. С *позиции
молекулярной генетики ген представляет собой участок ДНК, который содержит информацию,
необходимую для создания специфической последовательности аминокислот и полипептидной
цепи.
Свойства гена.
1. Выступает как кодирующая система.
2. Обладает способностью к ауторепродукции.
3. Обладает способностью к мутациям.
4. Обладает способностью к рекомбинации.
Генотип - это весь комплекс генов, полученных организмом от своих родителей. Под
генотипом следует, однако, понимать не молекулярную структуру нуклеиновых кислот, а
информацию, закодированную в них.
Фенотип - это весь комплекс внешних и внутренних признаков организма, таких, как форма,
размеры, окраска, химический состав, поведение, биохимические, микроскопические и
11
макроскопические особенности. Под признаком понимают единицу морфологической,
биохимической, иммунологической, клинической и любой другой дискретности организма.
Наследственность - это способ передачи наследственной информации, который может
изменяться
в
зависимости
от
форм
размножения.
Явление наследственности - это общее свойство живого, которое одинаково проявляется у всех
организмов, обусловливает хранение и репродукцию наследственной информации,
обеспечивает преемственность между поколениями.
Понятие аллели. Правило парности указывает, что в гомологичных хромосомах имеются
парные гены, отвечающие за развитие одного и того же признака. Такие пары генов получили
название пары аллелей. Они занимают одно и то же место в гомологичных хромосомах, однако
могут либо одинаково, либо по-разному влиять на один и тот же процесс развития.
Когда они одинаково влияют на развитие признака (или процесс развития признака), то
организм называют гомозиготой, или гомозиготным по данному гену. Если организм несет два
разных аллельных гена, он называется гетерозиготой, или гетерозиготным по данному гену.
Различия аллелей возникают путем мутации. Благодаря таким мутациям, возникает явление
множественного аллелизма. Создается так называемая серия аллелей, «рассеянных» в
популяции данного вида. Итак, разнообразные стойкие состояния одного н того же гена,
занимающего определенный локус в хромосоме, представленные то в виде нормального
аллеля, то в виде мутации, получили название множественных аллелей. Примером
множественного аллелизма может служит система групп крови АВО, открытая австрийским
ученым К. Ландштейнером в 1900 г. (см. таблицу).
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Генетика (от греч, «генезис» - происхождение) - наука о закономерностях наследственности и
изменчивости организмов.
Ген (от греч. «генос» - рождение) - участок молекулы ДНК, отвечающий за один признак, т.е.
за
структуру
определенной
молекулы
белка.
Альтернативные признаки - взаимоисключающие, контрастные признаки (окраска семян
гороха желтая и зеленая).
Гомологичные хромосомы (от греч. «гомос» - одинаковый) - парные хромосомы, одинаковые
по форме, размерам, набору генов. В диплоидной клетке набор хромосом всегда парный:
Локус - участок хромосомы, в котором расположен ген. Аллельные гены - гены,
расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом. Контролируют развитие
альтернативных признаков (доминантных и рецессивных - желтая и зеленая окраска семян
гороха).
Генотип - совокупность наследственных признаков организма, полученных от родителей,наследственная программа развития.
Фенотип - совокупность признаков и свойств организма, проявляющаяся при взаимодействии
генотипа со средой обитания.
Зигота (от греч. «зиготе» - спаренная) - клетка, образующаяся при слиянии двух гамет
(половых клеток) - женской (яйцеклетки) и мужской (сперматозоида). Содержит диплоидный
(двоимой) набор хромосом.
Гомозигота (от греч. «гомос» - одинаковый и зигота) - зигота, имеющая одинаковые аллели
данного гена (оба доминантные АД или оба рецессивные аа). Гомозиготная особь в потомстве
не дает расщепления.
Гетерозигота (от греч. «гетерос» - другой и зигота) - зигота, имеющая два разных аллеля по
данному гену (Да, ВЬ). Гетерозиготная особь в потомстве дает расщепление по данному
признаку.
Доминантный признак (от лат. «доминас:» - господствующий) - преобладающий признак,
проявляющийся в потомстве у гетерозиготных особей.
ЗАКОНЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИКИ
Название
Автор
Формулировка
Правило единообразия
Г. Мендель,1865г.
При моногибридном скрещивании у
12
гибридов
первого
поколения
(первый
закон)
Закон
расщепления
(второй закон).
гибридов первого поколения проявляются
только доминантные признаки оно
фенотипически единообразно.
Г. Мендель,1865г.
При самоопылении гибридов первого
поколения в потомстве происходит
расщеплениепризнаков в отношении З:1 образуются две фенотипические группы
(доминантная и рецессивная)
Закон
независимого
Г. Мендель,1865г.
При гибридном скрещивании у гибридов
наследования
(третий
каждая пара признаков наследуется
закон)
независимо от других и дает с ними,
разные сочетания. Образуются четыре
фенотипические
группы,
характеризующиеся отношением 9:3:3:1
Гипотеза
чистоты
Г. Мендель,1865г.
Находящиеся в каждом организме пары
гамет
альтернативных
признаков
не
смешиваются при образовании гамет и по
одному от каждой пары переходят в них в
чистом виде
Закон
сцепленного
Т. Морган, 1911 г.
Сцепленные гены, локализованные в
наследования
одной хромосоме, наследуются совместно
и
не
обнаруживают
независимого
распределения
Закон гомологических
Н.И. Вавилов,
Генетически близкие виды и роды
рядов
наследственной
1920 г.
характеризуются сходными рядами на
изменчивости
наследственной изменчивости
ИЗМЕНЕНИЕ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ
МУТАЦИИ И МУТАНТЫ
Мутации. Внезапно и случайно проявляющиеся изменения в наследственной информации
соматических клеток (соматическая мутация) или в зародышевых клетках, которые не
являются следствием рекомбинации и которые наследуются. Фенотипически эти изменения
проявляются в разной степени. Изменения признаков, вызванные мутацией, могут быть
рецессивными и у особей с диплоидным набором хромосом могут явно не проявляться, а также
не иметь заметных последствий.
1) Мутации в соматических клетках при митозе наследуются и передаются во
все последующие поколения клеток. В этом случае особь наряду с клетками
исходного генотипа будет иметь, кроме того, мутантные клетки. Особь
оказывается-мозаичной. Степень изменения особи зависит от стадии
развития, в ходе которой возникла мутация.
2) Мутация в зародышевых клетках оказывает влияние на всю развивающуюся
из оплодотворенной яйцеклетки особь. Измененная наследственная
информация передается всем клеткам тела при митозе в ходе
индивидуального развития, а при размножении наследуется потомками.
3) Неядерные мутации касаются изменений, происходящих в ДНК пластид и
митохондрий. Они проявляются не только в нарушениях функций пластид
или митохондрий, но и в сложных нарушениях всего организма (например,
появление полосатых листьев, дефектов дыхания).
Мутант - особь, измененная в результате мутации.
Мутагены - факторы, вызывающие мутации (например, физическое воздействие, химические
вещества). Мутагены оказывают действие на весь организм, но действуют ненаправленно.
Примеры мутагенов
Излучение
Температура
Яды
Неорганические
Газы
13
Радиоактивное
излучение
Рентгеновское
излучение
Холодовой
шок
Высокие
температуры
Колхицин
Никотин
кислоты
Азотистая
кислота
Иприт
Газовые
выбросы
промышленных
предприятий
ВЫЗЫВАНИЕ МУТАЦИЙ
Спонтанные мутации. При нормальных условиях жизни организма мутя могут возникнуть
спонтанно и внешнюю причину мутаций выяснить не удается.
Индуцированные мутации. Вызываются физическими или химическими воздействиями.
При этом с помощью мутагенов не удается вызвать направленные мутации.
ТИПЫ МУТАЦИЙ
Мутации могут возникнуть в генах - в одном или нескольких, в отдельных хромосомах или
целых наборах хромосом.
ГЕННЫЕ МУТАЦИИ. Изменения в наследственной информации отдельного гена.
Возникает новая форма состояния гена - новый аллель. Генная мутация называется точковой.
При точковой мутации обменивается одно из нуклеотидных оснований в молекуле ДНК, в
результате чего изменяется информационное содержание ДНК.
При генных мутациях в результате выпадения или встраивания ошибочного иуклеотидного
основания в молекулу ДНК изменяется последовательность иуклеотидных оснований и в
результате нарушается считывание триплета; транслируемый участок цепи ДНК сдвигается.
Действие этой мутации состоит обычно в образовании укороченного полипептида или
неактивного белка.
ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ Изменения структур хромосом, затрагивающие несколько
генов. Они возникают из-за разрыв, перестановок участков хромосом, которые приводят к
перестройке структур хромосом (удвоению участка, повороту на 180 градусов, отрыву
концевых участков, выпадению участка, переносу участка на другую хромосому и т.д.)
ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ. Количественные изменения набора хромосом за счет утраты или
умножения числа отдельных хромосом, а также изменения целых наборов хромосом.
Геномные мутации вызваны нарушениями в функционировании веретена деления.
При анэуплоидии число отдельных хромосом хромосомного набора изменено. Излишние или
недостающие хромосомы часто отрицательно влияют на организм. Многочисленные аномалии
развития и нарушения развития человека следует относить к анэуплоидии (например, при
трисомии 21-я хромосома представлена трижды, наблюдается синдром Дауна).
При эуплоидии происходит кратное увеличение целых хромосомных наборов (полиплоидия умножение). Большинство культурных растений полиплоидны; у животных полиплоидия во
всех клетках встречается редко.
ЧАСТОТА МУТАЦИЙ. Частота, с которой ген мутирует в другой аллель в одном
поколении. У бактерий частота мутаций составляет 1:10 млн (10-7), у многоклеточных
организмов она составляет примерно 1:1 млн (10-6). Несмотря на то, что в этом случае частота
мутаций ниже, вероятность появления мутации у многоклеточных относительно велика, так
как число генов велико.
РЕПАРАЦИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК. Спонтанные повреждения ДНК встречаются часто.
Их можно найти в любой клетке, и они в большинстве случаев репарируются специфическими
ферментами. При такой репарации, например, ошибочные структуры нити ДНК “вырезаются”
и благодаря новому спариванию нуклеотидных основании восстанавливаются до исходного
состояния. Существует несколько механизм репарации.
ЗНАЧЕНИЕ МУТАЦИЙ
1) Мутации обычно вредны для особи, редко нейтральны и в крайне редких случаях
положительны.
2) Мутации имеют большое эволюционное значение. При изменениях в генном 1 наборе
какой-либо популяции изменчивость в этой популяции возрастает.
14
3) Полиплоидия, как правило, приводит к увеличению клеточных ядер и раз- 1 меров
клеток (изменяется ядерно-плазменное отношение). Повышенное 1 число аллелей
создает больше возможностей для комбинаций.
4) У человека мутации часто являются причинами болезней и уродств (например,
болезни обмена и рак).
Индуцированные мутации имеют значение для селекции растений.
ПРОЦЕССЫ НАСЛЕДОВАНИЯ У ЧЕЛОВЕКА
Методы исследования
Исследование процессов наследования у человека представляет большие сложности, так
как
-у него большое число генов;
-число потомков невелико;
-смена поколений происходит медленно;
-условия окружающей среды очень разнообразны и включают социальные отношения.
Так как по этическим соображениям генетические эксперименты на человеке не допустимы, в
генетике человека используются специальные методы исследования.
Анализ семьи. Состоит в исследовании на основании родословной хода к следования
определенного признака, например наследуемой глухонемоты, близорукости, избыточных
пальцев, короткопалости, музыкальных способностей.
Исследование близнецов. Опирается на изучение близкого сходства гены однояйцевых
близнецов. Сравнение разнояйцевых близнецов с однояйцевыми позволяет делать выводы о
влиянии условий окружающего мира.
Генотипическое определение пола
Человек имеет в соматических клетках диплоидный набор (46 хромосом);22 пары хромосом
гомологичны (аутосомы); остающиеся две хромосомы по размеру и форме отличаются и
обозначаются как X- и Y-хромосомы; это половые хромосомы (гетеросомы).
У особей женского пола имеются две гомологичные Х-хромосомы (44 аутосомы и ХХхромосомы), у особей мужского пола имеется одна Х-хромосома и одна Y-хромосома (44
аутосомы и XY). Все яйцеклетки содержат одну Х-хромосому, спермии же одну Х-хромосому
или одну Y-хромосому, Y-хромосома содержит гены, определяющие признаки мужского пола.
По отношению к генам Х-хромосом они доминантны.
Отклонение от нормального числа половых хромосом При образовании яйцеклетки и
сперматозоида при мейозе у человека могут возникнуть нарушения, приводящие к
отклонениям в числе половых хромосом. Недостающие или избыточные половые хромосомы
вызывают болезни. Например, потеря Х-хромосомы у женщин приводит к появлению синдром
Тёрнера; у мужчин потеря Х-хромосомы действует летально; увеличение числа Х-хромосом у
женщин приводит к слабоумию, у мужчин это ведет к проявлению синдрома Клейнфельтера.
При этих заболеваниях, как правило, наблюдается бесплодие.
Наследование групп крови
Признаки групп крови устойчивы по отношению к влиянию окружающей среды;
наследование соответствующих признаков (свойств) следует законам Менделя.
Система АВО. Группы крови обусловлены одним геном, который представлен тремя
аллелями (аллель А, В и О). Четыре фенотипа групп крови - А, В, дв и О определяются
разными генотипами. Они могут быть гомозиготными и гетерозиготными. А и В по
отношению к О доминантны; если же они сосуществуют, то признаки групп крови образуются
в равных частях, - они кодоминантны: образуется группа крови АВ.
Группа крови системы АВО
Группа крови
Эритроцитарный антиген
Аллелн, присутствующие в генотипе
I
О
IO IO
II
А
IA IA или IA IO
III
В
IВ IВ или IВ IО
IV
АВ
IА IВ
15
Резус-система. Примерно 85% европейского населения обладает гомозиготым (DD) или
гетерозиготным (Dd) резус-фактором, оба типа - резус-положительны (Rh+. Rh-фактор
наследуется доминантно-рецессивно; rh* доминантен по отношению к Rh-. При беременности
фактор Rh- приобретает особое значение.
ГЕНЕТИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ БОЛЕЗНИ
Последствия наследуемых мутаций, фенотипическое их проявление приводит к
определенным симптомам болезни. При нарушениях, обусловленных одним геном, аллель,
вызывающий нарушения, может быть доминантен по отношению к нормальному аллелю или
рецессивен. Такие болезни до сих пор еще не поддаются лечению, но в некоторых случаях на
них можно воздействием значительно уменьшить проявление симптомов. В этих случаях
направленная генетическая консультация становится эффективной мерой.
Проявление генетически обусловленных болезней через
Доминантный аллель
Рецессивный аллель
Расщепленная ладонь
Фенилкетонурия
Короткопалость
Серповидно-клеточная анемия
Пляска святого Вита
Альбинизм
Отсутствие радужно оболочки
Гемофилия (кровоточивость)
Фенилкетонурия (ФКУ). Причина: генная мутация - замена одного нуклеотидного
обнования в ДНК
Проявление: нарушение расщепления фенилаланина; этим обусловлено слабоумие,
вызываемое гиперфенилаланинемией.
При своевременно назначенной и соблюдаемой диете (питание, обедни фенилаланином) и
применении определенных медикаментов, клинические проявления этого заболевания
практически отсутствуют.
Серповидно-клеточная анемия. Причина: генная мутация; замена одной из нуклеотидных
оснований в ДНК.
Проявление: неправильный синтез гемоглобина, ограниченное связывание кислорода.
Образование серповидных эритроцитов. Особенно распространена в Африке. При
гетерозиготных носителях признака - несущественное снижение сопротивляемости организма,
но повышенная сопротивляемость по отношению к малярии; у гомозигот обычна смерть в
юные годы.
Синдром кошачьего крика. Причина: хромосомная мутация; потеря фрагмента хромосомы
в 5-й паре.
Проявление: неправильное развитие гортани, крики, подобные кошачьим, I раннем детском
возрасте, отставание в физическом и умственном развитии
Трисомия 21 (болезнь Дауна). Причина: генная мутация; наличие трех хромосом вместо
двух в 21-й паре.
16
Проявление: значительно снижена способность к обучению, сокращена Длительность жизни.
Частота риска рождения больного ребенка зависит от возраста родителей увеличивается
особенно при беременности после 38-го года жизни.
Гемофилия (кровоточивость). Причина: генная мутация.
Проявление: недостаточное развитие факторов свертывания крови (тромбокиназ), сильно
затягивающееся время свертывания крови; при ранениях большие потери крови.
Наследование сопряжено с полом; ген, ответственный за болезнь, расположен в Ххромосоме, рецессивен. Ген этой болезни наследуется по материнской линии. Гомозиготность,
как правило, летальна.
МЕДИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ (МГК)
Основной целью медико-генетического консультирования является предупреждение
рождения ребенка с тяжелыми наследственными заболеваниями, а также консультирование по
проблемам планирования семьи.
По данным Всемирной организации здравоохранения, в 1990 г. из 10 новорожденных 9
родились с различной степенью генетических патологий и только 1 ребенок из 10 родился
“абсолютно” здоровым. И даже если в первое время проявление патологий незаметно, они
дадут себя знать подверженностью аллергиям, частыми простудами, сколиозом, астмой или
неврозами. А позднее, уже став взрослыми, эти бывшие физиологически незрелые дети будут
первыми кандидатами на атеросклероз, диабет, ишемическую болезнь или рак.
Первый кабинет по МГК был организован в 1941 г. Дж. Нил в Мичиганском университете
(США). В нашей стране в 1932 г. под руководством профессора С.Г. Левита был создан
медико-генетический институт, в котором исследовали генетическую природу различных
наследственных болезней. Первые медико-генетические кабинеты в России были
организованы в Москве и Ленинграде в 1967 г., а с 1970 г. такие кабинеты были организованы
при всех республиканских, краевых и областных больницах. В мае 1973г. кабинет МГК был
открыт в Ростове-на-Дону.
ЭТАПЫ КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ
Первый этап консультирования начинается с изучения анамнеза болезни, составления
генеалогической карты (см. раздел 13.1) и уточнения клинического диагноза, с помощью
проведения питогенетических и биохимических исследований. В некоторых случаях проводят
17
дополнительное обследование родителей, включающее, как правило, дерматоглифическое,
цитогенетические исследования (оценка кариотипа родителей: забор периферической крови
или соскоб слизистой рта и последующий скрининг хромосом, оценка кариотипа плода с
использованием амниоцентеза).
Второй этап консультирования - если диагноз уточнен, врач-генетик прогнозирует
вероятность рождения больного ребенка. В табл. приведены основные варианты генетических
задач по оценке риска наследственных болезней. При анализе родословной возможны
следующие ситуации, требующие различного подхода:
Моногенно наследуемая патология, при которой повторность болезни среди
родственников поз валяет выяснить тип наследования в данной семье. В этих
случаях вычисляют теоретический риск рождения больного ребенка.
Полигенно наследуемая патология. Болезнь встречается в различных
поколениях у пробанда, но методы теоретического расчета неприменимы, и риск
устанавливается на основе эмпирических данных. Такие полигенные болезни,
как шизофрения, эпилепсия и др., встречаются часто, о них накоплен
достаточный фактический материал, на основе которого рассчитан
эмпирический риск, созданы специальные таблицы, где данные риска
рассчитаны в зависимости от состояния здоровья родителей уже родившихся
детей и других родственников и т.д. (табл.15.2).
ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РИСКА (Н.П. БОЧКОВ И ДР.,1990)
Тип задачи
Принципы оценки риска
При мультифакторных болезнях (в том
Таблицы эмпирического риска
числе
при
врожденных
пороках
развития)
При моногенных болезнях, в том числе:
Теоретические расчеты
при известных генотипах обоих
По типам образующихся гамет
родителей при всех типах наследования;
С учетом частоты гетерозигот в популяции
при аутосомно рецессивных болезнях,
С учетом пенетраитности
когда известен генотип одного из
С учетом коэффициента инбридинга н их
супругов;
родства с пораженными членами семьи
при аутосомно- доминантных болезнях
с неполной пенетраиткостью
при кровно-родственных браках
При хромосомной патологии (числовые
Таблицы эмпирического риска, теоретические
и структурные аномалии)
расчеты по типам образующихся гамет с учетом
элиминации в эмбриогенезе
При неизвестных типах наследования
Исходя из наиболее вероятного типа
по одной родословной
наследования
Сочетание двух и более заболеваний в
По правилам теории вероятности
одной родословной
Мутагенное
действие
факторов
Теоретические
расчеты
на
основе
внешней среды
исследования
мутагенного
действия
конкретного фактора
18
ЭМПИРИЧЕСКИЙ РИСК ПРИ МУЛЬТАФАКТОРНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ
(С.И.КОЗЛОВА И ДР., 1987)
Заболевание
Риск для сибсов (в отдельных случаях для
потомства)
2%
Косолапость
15%:
Косоглазие
2-3%
Детский церебральный паралич
Врожденный вывих бедра:
пробанд женского пола
1% - для братьев
5% - для сестер
пробанд мужского пола
5%- для братьев
7% - для сестер
3-12%
Эпилепсия
Шизофрения:
если болен один из родителей
10%
если больны оба родителя
40%
для сибсов в спорадических случаях
12,5-20%
Глухота неясной этиологии:
для сибсов в спорадических случаях
17%
для потомства:
если один из родителей глухой
3-10%
если оба глухие
10-30%
Язвенная болезнь:
желудка
7,5%
двенадцатиперстной кишки:
взрослая форма
9%
детская форма
3%
Аллергические заболевания:
атипический дерматит
16%
бронхиальная астма
8-9%
Имеются моногенные формы
Хромосомные болезни. При аномалиях половых хромосом повторные случаи любой из них в
семье исключительно редки. При синдромах XXY и XXX обнаруживается связь с возрастом
матери. Наиболее неблагоприятным будет прогноз при транслокациях в тех случаях, когда в
гаметах одного из родителей имеется сбалансированная хромосомная мутация (см-раздел
12.2.3). Риск рождения ребенка с синдромом Дауна (трисомия по 21-й хромосоме)
увеличивается, если возраст матери превышает 35 лет (табл.15.3). Больные с синдромом Дауна
обычно невысокого роста, отличаются слабоумием и многочисленными физическими
пороками (табл.15.4, рис.15.1).
ЭМПИРИЧЕСКИЙ РИСК ПРИ ХРОМОСОМНЫХ БОЛЕЗНЯХ ТРИСОМИИ ПО 13,
18, 21 (СУММАРНЫЙ ПОПУЛЯЦИОННЫЙ РИСК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА
МАТЕРИ) (С.И.КОЗЛОВАИДР.,1987)
Возраст матери
Процент риска
До 19 лет
0,08
20-24 года
0,06
25-29 лет
0,1
30-34 года
0,2
35-39 лет
0,54
40-44 года
1,6
45 лет и старше
4,2
19
Возраст отца не влияет на возникновение трисомий
При обнаружении мозаицизма у кого-либо и., родителей пробанда риск для сибсов
определяется по формуле:
где
X - доля аномального клеточного клона; К - коэффициент элиминации несбалансированных
зигот
в
эмбриогенезе.
Например, при синдроме Дауна К = 0,5.
НАИБОЛЕЕ ЧАСТЫЕ ВНЕШНИЕ ПРИЗНАКИ СИНДРОМА ДАУНА (ЛАЗЮК, 1991)
Пораженная система
Относительная частота пороков
абс. число
%
Мозговой череп и лицо
441/449
98,3
Брахицефалия
364
81,1
Монголоидный разрез
358
79,8
Эпикант
231
51,4
Плоская спинка носа
296
65,9
Узкое небо
264
58,8
Деформированые ушные раковины
194
43,2
360/449
80,0
Костно-мышечная система
Короткие и широкие кисти
88
64,4
Клинодактилия мизинца
253
56,3
Деформация грудной клетки (“куриная”
или “воронкообразная”)
121
26,9
Глаза
313/434
72,1
Пятна Брущфильда
297
68,4
Помутнение хрусталика
169
32,2
Случаи единичной патологии, когда анализ родословной не дает указаний на семейный
характер болезни. Возможными причинами таких потологий могут быть:
· генные или хромосомные мутации, возникшие в одной из гамет родителей или на ранних
стадиях развития плода;
· выщепление редкого рецессивного гена вследствие гетерозиготности обоих родителей;
· сбалансированная транслокация в генотипе одного из родителей;
· инфекционные болезни у женщины в период беременности (см-раздел 6.4).
Третий этап - официальное заключение с рекомендациями, в т.ч. о степени риска по
потомству. Генетический риск оценивают двумя путями: теоретические расчеты, основанные
на законах генетики, и на основании эмпирических данных.
Степень риска выражается в процентах. В настоящее время считается, что если этот процент
составляет 0-10% - это низкий рост, от 11-20% - средний и более 21% - высокий.
Четвертый этап - совет врача генетика Н.П. Бочков (1978) рекомендует проводить
заключительный этап через 3-6 месяцев после установления диагноза. Заключение врача
генетика должно быть объективным, так как необоснованный благоприятный совет может
обернуться тяжелой психологической травмой после рождения больного ребенка.
Генетическая консультация
Поводы для обращения в генетическую консультацию могут быть весьма различными.
Обращаться в генетическую консультацию могут, например, родители, если они опасаются
рождения у них ребенка с генетически обусловленной болезнью.
Генетические исследования позволяют предсказать вероятность такого рода заболеваний,
если, например:
- у родителей имеется генетическое заболевание в роду;
- семейная пара уже имеет больного ребенка;
- в семейной паре жена неоднократно имела выкидыши;
20
- пожилая пара;
- имеются родственники, больные генетическими заболеваниями.
Предпосылкой для эффективности консультации является, по возможности, детальный
анализ семейных родословных в отношении наследственных болезней.
Тест на гетерозиготность. ест на гетерозиготность позволяет делать выводы относительно
генетически обусловленных дефектов обмена веществ, которые проявляются у родителей в
стертой форме, так как гетерозиготные носители признака синтезируют регуляторные
вещества в небольших количествах.
Пренатальный диагноз. При пренатальном (дородовом) диагнозе отирается несколько
миллилитров околоплодной жидкости из плодного пуыря. Содержащиеся в околоплодной
жидкости клетки плода позволяют делат заключение как о нарушениях обмена, так и о
хромосомных и генных мутациях.
Генная терапия
Развивающийся метод, который может быть использован для исцеления человека с
генетически обусловленным заболеванием, или, по крайней мере, для уменьшения тяжести
заболевания.
С помощью этого метода дефектные гены могут быть заменены “здоровыми” и болезнь
может быть прекращена в результате устранения причины (дефектного гена). Однако
направленное вмешательство в генетическую информацию человека несет опасность
злоупотреблений путем манипуляций с зародышевыми клетками, и поэтому активно
оспаривается многими.
НАСЛЕДОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ
Популяционная генетика
Исследует закономерности наследования в популяциях (частоту и распределение генов) и
генетические аспекты эволюции, проявляющиеся в популяциях (действие эволюционных
факторов).
Закон Харди-Вайнсберга
Согласно закону Харди-Вайнберга частоты аллелей в одной популяции находятся в
стабильном равновесии между собой:
Если в одной популяции определенный ген встречается в двух аллелях (аллель А и аллель а),
то р действительно для частоты аллеля А и q для частоты аллеля а, а также р+q = 1.Хардии
Вайнберг исследовали частоту встречаемости генов в идеальной популяции.
В ней действуют следующие предпосылки:
- популяция достаточно велика, и случайные колебания не играют роли;
- носители различных генотипов одинаково приспособлены к окружающей среде и поэтому
селекция не имеет места;
- не возникает мутаций;
- какие особи не должны покидать популяцию или присоединяться к ней.
Схема выведения закона Хардин-Вайнберга
Спермии
Яйцеклетки
А
80%
р=0,8
а
20%
q=0,2
А 80%
р=0,8
АА
р2 =0,64
(=64%)
Аа
рq=0,16
(=16%)
а 20%
q=02
Аа
рq=0,16
(=16%)
аа
q2 =0,04
(=4%)
Генотип А
частота р
Генотип а
частота q
21
Генофонд
Совокупность всех встречающихся в одной популяции генов. Каждый вид имеет свой
генофонд, при комбинировании генов которого может развиваться множество разнообразных
особей. В реальной популяции различные генотипы имеют различные шансы для
воспроизведения. Происходит отбор определенных аллелей внутри популяции. Рецессивные
аллели не отражаются на проявлении признаков у одной особи. Они, однако, скрытно
сохраняются в генофонде и могут проявиться при возникновении благоприятных изенений в
окружающей среде. Из-за разрушения жизненных пространств и, соответственно, истребления
особей исчезают отдельные виды, в результае чего исчезает генетическая информация.
Выращивание элитного материала привело к вытеснению ряда исходных сортов наших
культурных растений. Однако эти исходные, близкие к диким тиам формы и сами дикие
формы обладают свойствами, важными для создания высококачественного материала. Это устойчивость по отношению к болезням и климатическим изменениям. Генофонд этих
растений долженбыть сохранен обеспечением охраны видов. Для многих полезных растений в
целях их сохранения были созданы так называемые банки генов.
Банки генов
Необходимы для обеспечения генетического многообразия полезных растений путем
сохранения исходных диких типов или близких к диким видам форм. Генетический материал
хранится при низких температурах и незначительной влажности.
ЕВГЕНИКА: ПОЗИТИВНАЯ И НЕГАТИВНАЯ
Евгеника в переводе с греческого – рождение лучших. Эта скандальная наука ищет пути
улучшения наследственных качеств человека, используя генетические принципы. Ей всегда
было трудно оставаться чистой наукой: за ее развитием пристально следила политика,
распоряжавшаяся ее плодами по-своему.
Первым, решившим скорректировать природу человека, был Платон. В своем «Политике» он
пропагандировал государственную регуляцию браков, объясняя, как следует подбирать
супругов, способных рожать детей с выдающимися физическими нравственными
характеристиками.
В древней Спарте селекцию людей проводили более кардинально, уничтожая младенцев, не
обладающих физическими качествами, необходимыми для будущего воина.
Отцом же евгеники, поставившей ее на научную основу, стал Френсис Гальтон в 1869 году.
Проанализировав родословные сотни талантливых людей, он пришел к выводу: гениальные
способности наследуются.
Сегодня евгеника направлена на искоренение в человеческом роде наследственных
заболеваний. Любой биологический вид будет находится на грани уничтожения, если его
существование вступает в противоречие с природой. Сегодня генетики беспокоятся о будущем
человечества, которому угрожает вырождение из-за нарушения процесса естественного отбора,
ставшего возможным благодаря современной медицине. Лечение и профилактика заболеваний
сохраняют вредные гены, которые раньше исчезали со смертью больного.
Из-за широкого применения антибиотиков в двух последних поколениях частота генов,
участвующих в формировании предрасположенности к различным инфекциям, возрастает.
Лечение наследственной болезни медленно повреждает иммунную систему последующих
поколений, которые становятся чувствительны к инфекциям.
Человечество, противостоя природе, накапливает мутации, засоряет свой генофонд, что ведет
к неизбежной биологической гибели. Суммарная тяжесть генетического груза в человеческой
популяции сегодня равна 10%. Это значит, что из 5 миллиардов землян 500 миллионов
рождаются с наследственными заболваниеями или аномалиями. Мы можем исчезнуть с лица
Земли, как динозавры.
Еще академик Дубинин говорил, что медицина, выхаживающая больные ростки жизни,
подтачивает этим общую наследственность человека, то есть забота о здоровье отдельной
личности вступает в конфликт с заботой о здоровье рода.
22
Почти половина новорожденных из тысячи рождается с какой-либо наследственной
патологией. В мире в год появляется на свет 2 миллиона таких детей. Среди них - 150 тысяч с
синдромом Дауна. Давно всем известно, что легче предупредить рождение ребенка, чем
бороться с недугами. Но такие возможности появились только в наше время. Дородовая
диагностика и генетическое консультирование помогает решить проблему о целесообразности
родов.
Эффект выявления наследственных заболеваний тормозит незнание больными их
родословной. Если бы мы хорошо знали своих близких родственников, то это позволило бы
нам определить собственный генетический груз и вовремя обратиться к генетикам.
Иногда один из супругов решается на стерилизацию или искусственное оплодотворение от
здорового, без генетических дефектов донора. Почти во всех крупных городах мира уже
существует банки спермы. А в Калифорнии один промышленник-милионер даже сумел
получить образцы спермы от признанных лидеров точных наук.
Нобелевский лауреат Г.Дж. Мёллер подарил миру идею о создании банка зародышевого
материала, представляющего тех, кто имел выдающиеся характеристики в плане интеллекта,
души, тела. Использование зародышей целесообразно через 20 лет - срок, за который
окончательно можно оценить донора.
Позитивная евгеника также выступает за стимулирование браков между носителями особо
выдающихся генетических программ.
В будущем с помощью генной инженерии в организм будет вводиться донорный здоровый
ген, который «расправится» с вредной наследственностью. Генно-инженерные методы могут
повысить оптимизацию генофонда, создав, например, врожденный иммунитет против
бешенства, столбняка, СПИДа, рака. Ученые уже на подходе к «ремонту» больных генов, пока
проводя
эксперименты
на
мышах,
овцах,
обезьянах.
Уже изучаются методы ДНК-диагностики наследственных заболеваний.
Генная инженерия, осуществляющая евгенические идеи, вселяет страх. Плодами ученых,
вмешивающихся в генотип человека, могут воспользоваться нечистые на руку политики.
Например, диктаторские режимы могут селективно размножить физиков-ядерщиков,
используя сперму лауреатов Нобелевской премии. Или создадут человекоподобные существа
путем введения в энуклеированные яйцеклетки генетического материала, полученного при
слиянии клеток человека и обезьяны. И этих мутантов используют для скучной и
однообразной работы. Общественность беспокоит также создание «генетической элиты»,
копирование гениев, конструирование суперменов. Ведь возможная переделка генетической
структуры всегда будет зависеть от вкуса правящей «верхушки».
Экспериментов по генной инженерии боятся, как «биологической бомбы». Поэтому не зря
один из законов генетики гласит, что использовать методы генной инженерии можно только
для диагностики и лечения, но нив коем случае - не для изменения генотипа человека.
В будущем общий состав генов человека не изменится. Генетические дефекты будут
находиться под контролем медико-генетических консультаций и дородовой диагностики. Но, к
сожалению, вследствие терапевтического и хирургического лечения, ведущего к ослаблению
естественного отбора, число заболеваний увеличится. Хоть есть надежда на их исчезновение
благодаря приливу «чужой» крови. Ученые пророчат, что через 40 поколений все нации
смешаются. Человечество почернеет и прищурится благодаря трем меланиновым генам,
ответственным за темноту кожи, и двум гена, ответстенным за узкость глаз, которые в
человеке являются доминирующими. Черная и желтая расы, уже сейчас численно
превосходящее белую расу, увеличатся еще и поглотят европейский фенотип. И язык у нас
станет один, созданный на основе языка нации, задающей тон в общем вкладе в мировую
цивилизацию.
23
УРОК НА ТЕМУ: НАСЛЕДСТВЕННАЯ (ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Задачи
Восстановить
в
памяти
учащихся
значение
термина
“изменчивость”.
Раскрыть
сущность
наследственной
мутационной
изменчивости.
Познакомить
учащихся
с
принципами
классификации
мутаций.
Продолжить формирование умений сравнивать, делать вывод.
Опорные точки урока
Понятие изменчивости, два основных ее вида: ненаследственная, модифиикационная.
Характеристика наследственной изменчивости; материальные основы возникновения
мутаций.
Образование различных комбинаций генов при скрещивании - источник комбин ативной
изменчивости.
Особенности классификации видов мутационной изменчивости, в основе которой лежит
изменение наследственной природы организма.
Мутационные изменения, имеющие разный характер проявления: доминантный и
рецессивный.
Летальное действие некоторых рецессивных генов в гомозиготном состоянии, приводящее к
гибели эмбрионов. Примеры летального действия генов.
Особенности действия полулетальных генов, носители которых в гомозиготном состоянии
гибнут в результате действия наследственного дефекта а течение жизни
Мутационные изменения, обусловленные местоположением их изменения.
Генеративные и соматические мутации.
Мутационные изменения, вызванные различным уровнем их возникновения.
Генные мутации.
Хромосомные мутации.
Виды мутаций, связанные с увеличением или уменьшением генетического материала:
полиплоидия, гаплоидия, анеуплоидия.
Свойства мутаций и общая характеристика мутагенов - факторов, вызывающих мутационную
изменчивость.
Очень редко в природе встречаются две совершенно одинаковые особи любых видов
организмов, - все живое испытывает изменчивость. Наибольшее значение для эволюции и
практики сельского хозяйства имеет наследственность (генотипическая)изменчивость.
Основные положения
1. Изменчивость представляет собой всеобщее свойство живых организмов приобретать
новые признаки и свойства.
2. Мутациями называют изменения структуры наследственного материала на разных уровнях
его организации.
3. Комбинативная изменчивость приводит к образованию уникальных генотипов.
Почему мутационную изменчивость называют еще и генотипической?
В результате какого общебиологического процесса могут возникать бесконечно новые
комбинации генов?
Обратите внимание на то, что во времена Ч. Дарвина не были известны законы
наследования, отсутствовали опытные данные о наследственности, поэтому Ч. Дарвин
назвал изменчивость, передающуюся по наследству, неопределенной.
Подчеркните и выделите мысль о том, что мутации свойственны всем организмам и
затрагивают все признаки.
Вопросы и задания для повторения
1. Какие формы изменчивости Вам известны?
2. Проведите классификацию мутаций по уровню изменений наследственного материала?
3. Что такое полиплоидия и каково ее значение?
4. Перечислите свойства мутаций.
5. На каких уровнях возникают новые комбинации генов?
24
Терминология
Наследственная
изменчивость
Хромосомные
мутации
Генные мутации
Геномные мутации
Приобретение новых признаков и свойств на
основе изменения наследственного материала.
Изменения структуры хромосом в кариотипе
Изменение структуры ДНК в пределах гена
Возникновение новой комбинации генов в
генотипе,
изменение числа хромосом.
П Возрастание роли генетики в современных условиях в связи с увеличением количества
веществ, способных вызывать наследственные изменения.
1. Что представляют собой мутации?
2. Охарактеризуйте принципы классификации мутации?
3. Почему возникающие мутации проявляются не сразу, их подчас трудно подметить?
4. Каким образом можно доказать; что возникшее изменение имеет наследственную природу?
5. Какое физическое явление положило начало экспериментальному изучению мутаций?
6. Как влияют мутагены на хромосомы, клетку, организм?
7. Могут ли из семян, подвергнутых ионизирующему излучению, вырасти жизнеспособные
растения?
8. Какие меры могут предотвратить вредное действие мутагенов?
Справка
Понятие о мутациях (от латинского mutation - перемена) было введено в науку голландским
ботаником де Фризом (1901 г.). У растения ослинника (энотеры) он наблюдал появления
резких, скачкообразных отклонений от типичной формы, причем эти отклонения оказались
наследственными. Но ряд наследственных изменений описывал еще Ч. Дарвин в труде
“Изменчивость животных под влиянием одомашнивания” (1968 г.)
- Что значит формирование резерва наследственной изменчивости?
- С помощью каких воздействий можно повысить частоту мутаций?
Информация для учителя:
Основные положения учения о мутациях, сформулированные де Фризом, заключаются в
следующем:
- мутации – это дискретные изменения наследственного материала;
- мутации – редкие события;
- мутации могут устойчиво передаваться из поколения в поколение;
- мутации возникают не направленно (спонтанно) и, в отличие от модификаций, не образуют
непрерывных рядов изменчивости;
- мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1
1. Какую информацию несет ген (синтез молекулы белка, образование организма,
образование органа )?
2. Где расположен ген (цитоплазма, ядерный сок, хромосома)?
3. В состав какой структуры входит ген (РНК, АТФ, ДНК, аминокислота)?
4. Где закодирована информация об одном конкретном признаке (РНК, АТФ, ДНК,
аминокислота)?
5. Сколько генов в хромосомах гибридного организма при моногибридном скрещивании
отвечают за один и тот же признак (один, два, три, более)?
6. Как называют гены, отвечающие за один и тот же признак (аллельные, альтернативные)?
7. Какие признаки называют альтернативными (одинаковые, противоположные) и в каких
генах они закодированы (аллельные, неаллельные)?
8. Признаком генотипа или фенотипа будет появление потомства, аналогичного родителям,
25
например рождение у собаки щенят, образование у яблони яблок?
9. Что изменяется - генотип или фенотип, когда при переселении в горную местность коровы
становятся низкорослыми и малоудойными?
10. Что больше подвергается изменениям под влиянием условий внешней среды (генотип,
фенотип)?
11. Вследствие чего возникает полиплоидная клетка (модификация, генная мутация,
хромосомная мутация, не расхождение хромосом)?
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2
1. Что характерно для мутации (возникает при скрещивании, при кроссинговере, возникает
внезапно в ДНК или в хромосомах)?
2. Признаки какой изменчивости передаются потомству (модификационной, мутационной)?
3. Что подвергается изменениям при возникновении мутаций (генотип, фенотип)?
4. Наследуются признаки генотипа или фенотипа?
5. Для какой изменчивости характерны следующие признаки: возникают внезапно, могут быть
доминантными или рецессивными, полезными или вредными, наследуются, повторяются
(мутационная, модификационная)?
6. Где происходят мутации (в хромосомах, в молекулах ДНК, в одной паре нуклеотидов, в
нескольких нуклеотидах)?
7. В каком случае мутация проявляется фенотипически (в любом, в гомозиготном организме, в
гетерозиготном организме)?
8. Какова роль мутаций в эволюционном процессе (увеличение изменчивости, приспособление
к окружающей среде, самосовершенствование организма)?
9. От чего зависит фенотип (от генотипа, от окружающей среды, ни от чего не зависит)?
10. Чем определяется размах изменчивости признаков организма (окружающей средой,
генотипом)?
11. Признаки какой изменчивости выражаются в виде вариационного ряда и вариационной
кривой (мутационной, модификационной)?
12. Какие признаки обладают узкой нормой реакции (качественные, количественные), какие
более пластичны (качественные, количественные)?
13. Какая форма естественного отбора в популяции приводит к образованию новых видов
(движущий, стабилизирующий), какая - к сохранению видовых признаков (движущий,
стабилизирующий)?
Решение генетических задач
Алгоритм для решения задач
1 . Читая условие задачи, необходимо сразу заготовить схему решения данной задачи,
записав с помощью общепринятых символов исходные данные.
2. Если первое поколение единообразно, то фенотипический признак доминантен.
3. Если родительские особи гомозиготы, то первое поколение единообразно.
4. Чистые линии (гомозиготы) дают всегда один сорт гамет.
5. Если особь имеет рецессивный фенотип, то она гомозигота рецессивная (аа).
6. Гетерозиготы дают всегда четное число гамет, которое определяется степенью
гетерозиготности данной особи (например, тригетерозигота будет образовывать восемь типов
гамет: 2 необходимо возвести в третью степень).
7. При скрещивании гибридов всегда наблюдается расщепление по изучаемым признакам, и,
наоборот, если в поколении есть расщепление, то родительская)кие) особи с доминантным
фенотипом - гетерозиготы.
8. При анализирующих скрещиваниях число образованных в поколении фенотипических
классов указывает на число сортов гамет, образуемых гибридом, причем все фенотипические
классы будут представлены равными пропорциями (1:1, 1:1:1:1 и т.д.).
I.
Задачи
на
моногибридное
скрещивание
(неполное
доминирнование).
26
Задача
№
1.
Женщина, имеющая повышенное содержание цистина в моче, выходит замуж за здорового
мужчину. Каков прогноз в отношении здоровья детей в этом браке? Известно, что
мочекаменная болезнь (цистинурия) развивается в гомозиготном доминантном состоянии.
Признак
Ген
Генотип
Цистинурия
А
АА
(мочекаменная
болезнь)
Повышенное
Аа
Аа
содержание цистина
Здоров
а
аа
F1 - ?
Решение задачи:
Р Аа х аа
GАа
а
F1 Аа ,
аа
Повышенное
Здоров
сод. цистина
Расщепление по генотипу: 1:1
Расщепление по фенотипу: 1:1
Ответ: В результате такого брака вероятность рождения здоровых детей – 50%.
I. Задачи на группы сцепления.
Задача 2.
У человека гены резус-фактора и эллиптоцитоза сцеплены и находятся на расстоянии трех
морганид. Резус-положительность (Д) и эллипцитоз (М) – доминантные признаки.
Дигетерозиготная женщина выходит замуж за резус-отрицательного мужчину с нормальными
эритроцитами. Какое потомство ожидается от этого брака.
Признак
Ген
Генотип
РезусД
ДД, Дд
положительность
Резусд
дд
отрицательность
Эллиптоцитоз
М
ММ, Мм
Норма
м
мм
Расстояние между генами Д и М – 3 морганиды.
F1 - ?
Решение задачи:
Р Резус-положительная резус-отрицательная
эллиптоцитоз норма
Д¦д х д¦д
М¦м м¦м
G Д¦ д¦ д¦ Д¦ д¦
М¦ м¦ м¦ м¦ м¦
некроссоверные кроссоверные
97% 3%
F1: 48,5% ДдМм – резус-положительные с эллиптоцитозом;
48,5% ддмм – резус-отрицательные с нормальными эритроцитами;
27
1,5% Ддмм – резус-положительные с нормальными эритроцитами;
1,5% ддМм – резус-отрицательные с эллиптоцитозом.
Ответ: Данное расщепление по фенотипу и является ответом этой задачи. Это соотношение
показывает вероятность рождения детей с указанными признаками.
I. Популяционная генетика.
Математическая зависимость между частотами аллелей и генотипов в популяциях былв\а
установлена в 1908 году независимо друг от друга английским математиком Дж.Харди и
немецким врачом В.Вайнбергом. Эту зависимость, известную под названием равновесие
Харди-Вайнберга можно сформулировать так: частота доминантного и рецессивного аллелей в
данной популяции будут оставаться постоянными из поколения в поколение при наличии
определенных условий. Условия эти следующие:
1. Размеры популяции велики.
2. Спаривание происходит случайным образом.
3. Новых мутаций не происходит.
4. Все генотипы плодовиты, т.е. отбора не происходит.
5. Поколения не перекрываются.
6. Не происходит обмена генами с другими популяциями.
Поэтому любые изменения частоты аллелей должны быть обусловлены нарушением одного
или нескольких из перечисленных выше условий. Все эти нарушения способны вызвать
эволюционное изменение, если такие изменения происходят, то изучить и измерить их можно
с помощью уравнения Харди-Вайнберга
р’+2pq+q’=1/100%/
где р’ – частота доминантных гомозигот
2pq – частота гетерозигот
q” – частота рецессивных гомозигот
р – частота доминантного аллеля
q – частота рецессивного аллеля.
Исходя из этого, можно вычислить частоты всех аллелей и генотипов, пользуясь выражением
для:
частот аллелей: p+q=1
частот генотипов: p’+2pq+q’=1.
Разберем, как практически определяется генетическая структура человеческих популяций.
В родильных домах города Х из 48000 детей, родившихся в течение 10 лет, у 105 обнаружен
патологический рецессивный признак, обусловленный генотипом rr. Закон Харди-Вайнберга
позволяет на основании этих данных определить генетическую структуру популяции города,
несмотря на кажущуюся ограниченность информации. В этом сообщении содержатся сведения
о частоте больных детей с генотипом rr (105 из 48000 новорожденных). Следовательно,
q’=105/48000=0,0022. Извлекая из величины q’ квадратный корень, получаем величину q
(величину патологического аллеля r) равную 0,047. Теперь можно вычислить частоту
нормального аллеля R, помня, что сумма частот патологического и нормального аллелей равна
единице: qr+pR=1 или pR=1-qr. Следовательно, pR=1-0.047=0.953. Зная частоту аллелей,
нетрудно, пользуясь формулой Харди-Вайнберга, установить генетическую структуру
популяции новорожденных города Х, характеризующуюся частотами генотипов:
RR=p’=0.953ґ0.953=0.9082
(90.82%)
Rr=2pq=2ґ0.953ґ0.047=0.0896
8.96%)
rr=q’=0.0022 (0.22%).
Разобранный пример показывает, что на основании закона Харди-Вайнберга можно
установить частоты доминантных гомозигот RR и гетерозигот Rr несмотря на то, что
фенотипически они не отличаются друг от друга.
I. Сцепленное с полом наследование.
Задача 4.
28
У человека дальтонизам (цветовая слепота) - рецессивный признак, сцепленный с полом, а
нормальное цветовое зрение – доминантный признак. Здоровая женщина вышла замуж за
здорового мужчину. У них родился ребенок, страдающий дальтонизмом. Какова вероятность
рождения больного ребенка и кто он будет по полу?
Признак
Ген
Генотип
Нормальное
ХН
ХН ХН
цветовосприятие
ХН Хh
ХНУ
Дальтонизм
Хh
Хh Хh
ХhУ
F1 - ?:
Решение задачи:
Ответ: Вероятность рождения ребенка с дальтонизмом – 25%; это будет мальчик.
I. Взаимодействие неаллельных генов.
Взаимодействие между разными аллельными парами генов бывает трех типов:
комплементарность, эпистаз и полимерия.
Задача 5.
В брак вступает пара глухих. У них рождаются дети, которые все слышат. Допустим, что
дети от этого брака вступят в брак с себе подобными. Оцените вероятность рождения
слышащих и глухих детей.
Признак
Ген
Генотип
здоров
А
АА, Аа
глухота по гену «а»
а
аа
здоров
В
ВВ, Вв
глухота по гену «в»
в
вв
F1 - ?
Предположим, что нормальный слух формирует пара генов, и рассмотрим явление
комплементарности. Если каждая гамета будет иметь доминантный аллель по каждому гену,
которые будут взаимодействовать дополняя друг друга. Формируется новый по отношению к
родителям признак – нормальный слух.
Решение:
?
?
ј ?В
ј ?В
1/16 А-Вслышащий
ј ?в
1/16 А-Вслышащи
ј ?В
1/16 А-Вслышащий
ј ?в
1/16 А-Вслышащий
29
й
1/16 А-вв1/16 А-В1/16 А-ввглухой
слышащий
глухой
ј ?В
1/16 А-В1/16 аа-В1/16 аа-Вслышащи
глухой
глухой
й
ј ?в
1/16 А-В1/16 А-вв1/16 аа-В1/16 аа-ввслышащий
глухой
глухой
глухой
Таким образом , мы получили соотношение:
9 А-В- слышащий: 3 А-вв- глухие: 3 ааВ- глухие: 1 аавв - глухие
Ответ: F1 АаВв – слышащие – 100%; F2 9 слышащих : 7 глухих.
ј ?в
1/16 А-Вслышащий
1/16 А-Вслышащий
Опорные конспекты по генетике
Опорные конспекты - не панацея, а лишь один из приемов работы учителя с учащимися,
способствующий активизации учебной деятельности. Но и этого немало, если овладеть
методикой работы с опорными конспектами и использовать ее в полной мере.
Идея опорных конспектов не нова. Небольшое количество их публиковалось в журнале
«Биология в школе» (серия статей под названием «Метод В.Ф. Шаталова: как его применять на
уроках биологии»).
В книге «Активные формы и методы обучения биологии: Опорные конспекты по биологии»
/Сост. Л.В. Реброва, Е.В. Прохорова собраны опорные конспекты по всем разделам биологии,
представлены разнообразные формы и варианты опорных конспектов. Предлагаем
использовать некоторые конспекты по генетике из этого пособия. К каждому опорному
конспекту дана расшифровка, т.е. описание того материала, который изображен в виде
различных рисунков и схем.
1.
В опорном конспекте (первый конспект по теме “Основы генетики» содержатся сведения о
генетике как науке, изучающей закономерности наследственности и изменчивости, о ее
практическом значении для медицины и сельского хозяйства; об установлении Г. Менделем
закономерносги передачи признаков в ряду поколений при половом размножении
(моногибридном скрещивании): единообразия первого поколения гибридов, закона
расщепления признаков у гибридов второго поколения в соотношении 3:1 сущности
промежуточного наследования; содержится информация о гомо- и гетерозиготных организмах:
даны определения фенотипа и генотипа.
2.
В опорном конспекте заложена информация о цитологических ocновах закономерностей
наследования при моногибридном скрещивании. Цитологические исследования подтвердили
гипотезу Менделя о чистоте гамет: носителями наследственной информации являются гены,
находящиеся хромосомах; парные гены, расположенные в гомологичных хромосомах,
называют аллельными, в процессе мейоза гомологичные хромосомы, содержащие аллельные
гены, расходятся в разные дочерние клетки, образуя гамет при слиянии двух гаплоидных
наборов хромосом в зиготе восстанавливает парность хромосом и локализированных в них
генов.
3.
В опорном конспекте содержится информация о дигибридном скрещивании, результаты
которого подтверждают правило единообразия гибридов первого поколения. В первом
поколении образуются четыре сорта гамет, каждая из которых несет только по одному
аллельному гену; при скрещивании гибридов в их потомстве происходит расщепление
признаков в отлог 9 3 : 3 1. По результатам дигибридного скрещивания Г. Мендель
сформировал закон независимого распределения генов, который гласит: paсщепление по
каждой паре признаков идет независимо от других пар признаков идет независимо от других
пар признаков.
30
В опорном конспекте содержится информация о явлении сцепленного наследования:
аллельные гены находятся в парных гомологичных хромосомах; поскольку хромосомы
являются носителями множества генов, то расположенные близко друг к другу гены могут
оказаться сцепленными и наследоваться вместе. Это прослеживается в опытах с мушками
дрозофилами. Скрещивание самок дигетерозиготных мух (серое тело и нормальные крылья) с
самцами, обладающими рецессивными признаками (темным телом и зачаточными крыльями),
должно было по второму закону Менделя дать расщепление по четырем фенотипам 1 : 1 : 1 1
(серые с нормальными крыльями, серые с зачаточными крыльями, темные с нормальными
крыльями, темные с зачаточными крыльями). Однако в опыте получили 41,5% особей с серым
телом и нормальными крыльями, 41,5% -с темным телом и зачаточными крыльями; 8,5% мух с
серым телом и зачаточными крыльями и 8,5% - с темным телом и нормальными крыльями, т. е.
гены, обусловившие признаки серое тело - нормальные крылья и темное тело - зачаточные
крылья, наследуются преимущественно вместе, сцепленно. Причиной нарушения сцепления
генов является перекрест хромосом, происходящий в процессе мейоза при конъюгации
гомологичных хромосом. Частота перекреста хромосом зависит от расстояния между генами
(чем ближе расположены в хромосоме гены, тем реже они разделяются при перекресте).
Перекрест хромосом повышает наследственную изменчивость, а значит, поставляет материал
для естественного отбора.
В опорном конспекте отражена информация о явлении сцепленного с полом наследования
(было замечено, что у человека заболевания гемофилией и дальтонизмом свойственны только
мужчинам), которое объясняется различием половых хромосом; о механизме наследования
пола (пол организма определяется в момент оплодотворения и зависит от хромосомного
набора зиготы - 23-я пара хромосом у женщин гомозиготна и представлена ХХ-хромосомами,
у мужчин гетерозиготна, представлена XY-хромосомами); о целостности генотипа (генотип не
просто сумма генов, а целостная, исторически сложившаяся система), которую обусловливает
взаимодействие генов, приводящее к новообразованиям; контролирование развития признака
обычно многими генами и множественное действие генов.
В конспекте содержатся сведения об основных положениях хромосомной теории
наследственности: носителями наследственной информации являются гены; гены, как правило,
имеют определенную локализацию и располагаются в хромосоме линейно; число хромосом у
организмов каждого вида постоянно; гаметы имеют гаплоидный набор хромосом, зиготы диплоидный .
В опорном конспекте содержится информация: о генетике человека, распространении на него
действия законов наследственности (планете не существует двух совершенно одинаковых
людей, так как числе хромосом у человека равно 46 (23 пары), и если допустить, что родители
отличаются по каждой паре хромосом даже по одному гену, то общее количество возможных
генотипических комбинаций будет равно 223), о методах изучения наследственности человека
(генеалогическом,
близнецовом.
цитогенетическом,
биохимическом);
о
роли
наследственности, социальной и окружающей среды в формировании личности человека; о
значении генетики для медицины и здравоохранения в изучении наследственных заболеваний
(например, болезни Дауна), о вредном влиянии никотина, наркотиков и алкоголя на человека.
В опорном конспекте содержится информация о формах изменчсти организмов:
наследственной (мутационной, затрагивающей измене генотипа) и ненаследственной
(модификационной, связанной с условиями; внешней среды); о границах модификационной
изменчивости признак пределы модификационной изменчивости признака (п. м. и. п.)
называют нормой реакции; о влиянии внешних условий на развитие фенотипа организма.
В конспекте отражены сведения о возможности управления доминирием признаков, о
работах Мичурина в этом направлении.
В опорном конспекте содержатся сведения о наследствен (комбинативной и мутационной*
изменчивости; об отдельных изменениях - мутациях, которые могут быть как полезными, так и
вредными; о типах мутаций: генных (качественные изменения отдельных генов) хромосомных
31
(возникающих при перекресте хромосом, повороте их на 1 пении числа и кратном увеличении
хромосом - полиплоидии), соматических (возникающих в соматических клетках и приводящих
к изменению части организма); о влиянии ионизирующего излучения, химических мутагенов,
ультрафиолетового излучения, физических факторов на частоту м стойкости гена и в то же
время его свойстве мутировать; о законе гомологических рядов в наследственной
изменчивости, установленном Н. И Вавиловым, сущность которого сводится к тому, что виды
и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения),
характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Закон гласит: из
поколения в поколение при свободном скрещивании относительные генов (и соответственно
гомо- и гетерозигот) не меняются; он справедлив только при соблюдении следующих условий:
популяция должна быть достаточно велика, должен отсутствовать отбор, не должны
возникатьновые мутации и происходить миграции особей с иными генотипами из с популяций
данного вида.
Литература:
Сойфер В.Н. Международный проект
«ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА» // Экология и жизнь. - 1999.- № 4.- С. 44-48.
А. Лушникова, кандидат биологических наук. ( «Наука и жизнь «, № 1, 1999
Сивоглазов В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. Биология: общие закономерности: Кн. Для
учителя. - М.: Школа-Пресс,1996.
Биология. Справочник школьника и студента /Под редакцией З. Брема и И. Мейкне, Пер. С
нем. - М.: Дрофа, 1999.
Крестьянинов В.Ю., Вайнер Т.Б.. Сборник задач по генетике с решениями. Метод. Пособие. Саратов: «Лицей», 1998.
Комиссаров В.Д. Методологические проблемы школьного биологического образования. - М.:
Просвещение,1991.
Активные формы и методы обучения биологии: Опорные конспекты по биологии: Кн. Для
учителя /Сост. Л.В. Реброва, Е.В. Прохорова. - М.: Просвещение,1997.
Приходченко Н.Н., Шкурат Т.П. Основы генетики человека. - Ростов н/Д «Феникс», 1997.
Чебышев Н.В., Кузнецов С.В., Зайчикова С.Г. Биология. Пособие для поступающих в ВУЗы:
издательство «Новая волна», 1999.
Раимова Е.К. Генетика. Учебное пособие для поступающих в медицинскую академию:Оренбург, ОГМА, 1998.
Захаров В. Б., Мамонтов С.Г., Сивоглазов В.И. Биология. Общие закономерности.: М.:Дрофа,1998.
Акимов С.С.,Ахмалишева А.Х., Хренов А.В. Биология в таблицах и схемах. - М.: Изд-во
«Лист», 1996.
Захаров В.Б. и др. Общая биология: Учеб. Для 10-11 кл. общеобразов. Учеб. Заведений /В.Б.
Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, - 2-е изд., дораб. - М.: Дрофа, 1999.
32