Комбинативная изменчивость.
В каждом виде существует огромное количество особей, ни одна из которых не похожа на другую на сто процентов. За счет чего получается такое разнообразие особей и дети не являются точными копиями родителей? Причиной этого является комбинативная изменчивость. При половом размножении у потомка получается неповторимая комбинация родительских генов, которая получается в следствии следующих процессов:
Кроссинговер, обмен участками хромосом между гомологичными хромосомами, создает новые комбинации тех же самых родительских генов в случайном порядке.
Случайное расхождение гомологичных хромосом к разным полюсам в мейозе обеспечивают новые сочетания генов в гаметах.
Случайная встреча гамет при оплодотворении.
При комбинативной изменчивости каждая следующая особь в потомстве отличается от другой (исключение составляют однояйцовые близнецы), поэтому закрепление у потомков благоприятного сочетания генов в селекции для выведения лучшей породы вызывает затруднения. Для этих целей скрещивают родственные особи и выводятся чистые линии.
Мутационная изменчивость.
Самое важное свойство генов - их способность передаваться неизменными от поколению к поколению. Однако, если бы гены оставались бы неизменными на протяжении всей истории развития жизни на Земле, невозможна была бы эволюция. Изменения в генетическом материале действительно происходят. Например, в стадах анконской овцы появились коротконогие особи, и эта коротконогость передавалась в поколениях (коротконогие овцы были в моде у фермеров, так как они не могли перепрыгивать через изгороди). Такими изменениями заинтересовался Чарльз Дарвин. Он назвал их “спортами”. В 1901 году был введен новый термин для обозначения изменений Де Фризом, который изучал генетические изменения у растений и наблюдал их наследование, и назвал их “мутациями”. Мутации - это случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие или хромосомы, или отдельные гены. Процесс возникновения мутации называется мутагенезом, а организм, в генотипе которого произошла мутация, называется мутантом.
Мутации можно классифицировать по нескольким признакам. Во-первых, по “полезности”: мутации чаще всего носят “вредный” характер, приводят к серьезным изменениям в развитии организмов; нейтральные мутации приводят к изменениям фенотипа, не влияющих кардинально на развития организма (например, возникновение аллеля новой окраски шерсти у животных); полезные мутации имеют важную роль в эволюционном развитии, благодаря которым возникают генотипы, лучше приспособленные к условиям среды и обладающие большей жизнеспособностью. Во-вторых, по наследованию: наследственные мутации возникают в половых клетках и передаются потомству, ненаследственные мутации возникают в соматических клетках, поэтому они не наследуются, но результатом соматической мутации в некоторых случаях могут быть такие заболевания, как рак. В-третьих, мутации можно разделить на геномные, хромосомные и генные (точечные), которые будут рассмотрены ниже.
1. Геномные мутации.
Геномные мутации выражаются в увеличении числа хромосом. существует два вида геномных мутаций: анэуплоидия и полиплоидия.
Полиплоидия существует в двух формах: аутоплоидия и аллоплоидия. При аутоплоидии происходит кратное увеличении всего набора хромосом: если принять гаплоидный набор хромосом за n, то диплоидный набор, характерный для большинства организмов обозначается 2n, а полиплоиды будут иметь тройной набор хромосом (3n - триплоид), четверной набор хромосом (4n - тетраплоид) и т.д. Приставки три-, тетра-, пента- показывают, во сколько раз увеличивается набор хромосом. Причиной аутоплоидии является нарушение мейоза: не образуется веретено деления и весь набор хромосом оказывается в одной клетке. В результате ядро увеличивается в размере, а реакцией на увеличение ядра является увеличение всей клетки., а потом и всего организма. Было замечено, что аутоплоидные организмы более морозоустойчивы и жизнеспособны, поэтому большая часть растений в условиях сурового климата являются полиплоидными: в северных странах - Исландии, Финляндии, Швеции, Норвегии - половины всех растений полиплоидны, на острове Шпицберген их удельный вес составляет до 80%, а в альпийской флоре Памира 85% полиплоидов. Так же полиплоидия часто встречается у однодольных растений; например, среди рода роз встречаются виды с 7, 14, 21 и 28 хромосомами, т.е. виды отличаются кратным числом хромосом, что говорит о том, что виды произошли от одного вида путем геномных мутаций.
При кажущейся абсолютной выгоде аутоплоидных мутантов есть свои проблемы. Усложняется процесс размножения и наследования. Триплоиды, обычно, полностью бесплодны, так как при мейозе три хромосомы одной пары не могут поделиться поровну между двумя дочерними клетками. Плодовитость тетраплоидов понижена, так как при мейозе конъюгируют четыре хромосомы одной пары, что повышает возможность ошибки при расхождении, в результате которой получаются нежизнеспособные гаметы. По этой причине животные редко бывают полиплоидами, а растения достаточно часто переходят в полиплоидную форму, так как в дальнейшем полиплоиды будут размножаться вегетативным путем.
Схема наследования тоже становится более сложной. Тетраплоид, например, может иметь три типа гетерозигот, так как каждый ген у него представлен четырьмя локусами: Аааа, ААаа и АААа. В случае полного доминирования никакой разницы не существует, но в случае неполного доминирования разные гетерозоготы будут иметь разную интенсивность проявления признака. Простое менделевское наследование тоже не действует: при моногибридном скрещивании получается отношение не 3:1, а 35:1, а при дигибридном не 9:3:3:1, а 1224:35:35:1.
Так как у полиплоидов ген представлен большим числом аллелей, усиливающих развитие признака, то у них нередко проявляется явление гетерозиса (пышное развитие и повышение жизнеспособности у гетерозигот, по сравнению с гомозиготами). При этом у тетраплоидов гораздо легче сохраняется гетерозиготность, то и явление гетерозиса не будет вырождаться, как это происходит у диплоидов вследствие перехода потомков к гомозиготному состоянию.
Значение полиплоидов в сельском хозяйстве велико, так как большое количество культурных растений полиплоидны: из простой одноядерной пшеницы (2n, 14 хромосом) получили тетраплоидную твердую пшеницу (4n, 28 хромосом, применяется при изготовлении макарон) и гексаплоидную пшеницу (6n, 42 хромосомы, применяется для изготовления хлеба); тетраплоидный картофель и хлопчатник тоже приобрели широкое распространение.
Случаи полиплоидии известны для соматических клеток некоторых животных. У мухи дрозофилы в клетках слюны содержится многократно удвоенный набор хромосом (количество хромосом удваивается, но клетка к митозу не переходит), поэтому образуются огромные клетки.
Аутополиплоидия может быть получена естественным и искусственным (колхицин разрушает веретено деления, поэтому он используется в селекции для искусственного получения полиплоидии) путями. Но существует другая форма полиплоидии - аллоплоидия, которая может быть получена только искуственным путем. Она была открыта в 1924 году советским ученым Крапченко, который создал капустно-редечный гибрид. Он скрестил эти два вида, каждый из которых имеет в гаплоидном наборе девять хромосом. в гибриде получилось 18 хромосом, но гибрид оказался бесплодным, так как хромосомы разных видов не могли конъюгировать и правильно расходиться к полюсам при делении клетки. При помощи колхицина Крапченко растворил веретено деления и в гамете оказались все 18 хромосом. При оплодотворении в зиготе уже было 36 хромосом, попарно распределенных, поэтому такой гибрид был вполне плодовит и сочетал в себе признаки обоих видов. Итак, аллоплоид - гибрид с диплоидным набором хромосом двух разных видов.
Второй вид геномных мутаций - анэуплоидия. При анэуплоидии происходит утеря или приобретение хромосомы по одной паре. В случае утери хромосомы (2n-1) мутантов называют моносомиками, в случае приобретения хромосомы (2n+1) - трисомиками. Анэуплоидия возникает, когда в ходе деления клетки обе хромосомы одной пары идут к одному полюсу, а к другому - ни одной. При оплодотворении первой гаметы другой гаметой с нормальным набором хромосом получится трисомик, а второй - моносомик.
Так как в результате анэуплоидии происходит достаточно крупное изменение в составе хромосом (различие с нормальными огранизмами в целую хромосому), то она ведет к серьёзным изменениям строения всего организма. Анэуплоидия была хорошо изучена у дурмана. Это растение имеет 12 хромосом и известно 12 различных мутаций, которые можно легко распознать по внешнему виду растений. У животных этот вид мутаций изучен плохо, зато известны все случаи анэуплоидии у человека. Среди живорожденных встречаются трисомики и моносомики только по мелким хромосомам, так как анэуплоидия по крупным хромосомам ведет к столь большим изменениям в развитии организма, что приводит к самопроизвольным абортам на ранних стадиях беременности или к мертворождению.
Первая хромосомная болезнь у человека была обнаружена в 1959 году - синдром Дауна, названная по имени врача, первым описавшего ее в 1866 году. К характерным признакам синдрома Дауна относятся серьёзные отклонения в умственном развитии, коренастая фигура, толстая шея и характерные складки на лице под внутренними углами глаз. Синдром Дауна вызывается трисомией по 21-ой паре хромосом. Была замечена прямая зависимость частоты рождений детей с синдромом Дауна от возраста матери: до 30 лет вероятность рождения больного ребенка составляет 0,05%, в возрасте 30-35 лет - около 0,33%, в возрасте 40-44 лет - более 1% и затем более резко увеличивается до 12,5% в возрасте 45-47 лет. Такая же тенденция характерна для других видов анэуплоидии. Возможные другие трисомии у человека: трисомия по 13-ой паре хромосом приводит к образованию рудиментарных глаз, умственной отсталости, трисомия по 15-ой хромосоме вызывает волчью пасть (отсутствие твердого неба, следовательно, невозможность нормального дыхания. Если распознать болезнь до рождения, то ребенка можно спасти, проведя операцию после рождения), трисомия по 17-ой хромосоме вызывает “треугольный” рот у новорожденных, отсутствие шеи, дефекты ушей и сердца, трисомия по 18-ой хромосоме является причиной недоразвитой скелетной мускулатуры, челюстей, дегенерации ушей, неправильного положения указательного пальца и дефекта стопы, трисомия по 22-ой хромосоме вызывает шизофрению.