Вопрос 1: Основные этапы развития генетики; Ученье Дарвина, менделизм, хромосомная теория наследственности, молекулярная генетика Особенности эволюционной теории Ч. Дарвина Суть теории Дарвина Рассмотрим кратко эволюционную теорию Дарвина. Чарльза Дарвина все знают как создателя эволюционной теории, с помощью которой объясняют происхождение видов (в ходе действия естественного отбора). Такой взгляд на эволюцию был изложен ученым в работе, которая называлась «Происхождение видов путем естественного отбора и их сохранение в борьбе за жизнь». Эта работа была представлена читателям в 1859 году, сразу после публикации теории эволюции Ж. Б. Ламарка. За эволюционной теорией Дарвина скрывается целостное учение о развитии органического мира. Она рассматривает множество вопросов, однако центром ее является доказательство эволюционного процесса, определение движущих сил, свойств и закономерностей эволюции. Свою теорию Дарвин опубликовал под влиянием работы соотечественника А. Уоллеса, в которой он пришел к близким идеям и выводам. Уоллес отмечал, что идеи Дарвина более приоритетны. Замечание 1 Заслуга Дарвина еще и в том, что помимо всего прочего он собрал огромный фактологический материал, сформулировал множество выводов, легших в основу теории естественного отбора. Ч. Дарвин правильно выбрал схему для изучения и успешного разрешения вопроса, касающегося движущих сил эволюции. По мнению ученого, основные движущие силы эволюцию — это естественный отбор и борьба за существование. К основным принципам теории Дарвина относят следующее: для каждого вида характерен свой масштаб индивидуальной изменчивости по поведенческим, физиологическим, морфологическим и прочим признакам. Изменчивость постоянна, хотя количественный и качественный составы различаются; для живых организмов свойственно размножение в геометрической прогрессии. Они вступают в борьбу за существование в силу ограниченности ресурсов; выживают те виды, которые вырабатывают адаптивные отклонения к изменившимся условиям среды; отклонения в развитии признаков характерно для немногих особей, однако потомство этих особей отличается выживаемостью. Этот процесс получил название естественного отбора; результатом естественного отбора является дивергенция имеющихся признаков и формирование новых видов; результат эволюционных процессов — приспособленность организмов и образование новых видов. Главные движущие силы эволюции — борьба за существование и естественный отбор. Также к ним можно отнести и наследственную изменчивость. Заслуга Дарвина в том, что он установил многие эволюционные механизмы и объяснил, как возникло видовое многообразие. Ученым был доказан тот факт, что такой механизм является постепенным естественным отбором случайных, направленных наследственных изменений. Наследственная изменчивость в природе действует постоянно. Определение 1 Наследственная изменчивость — это передающаяся из поколения в поколение форма изменчивости.В эволюционной теории Дарвина особое место занимает определение борьбы за существование. Есть 3 вида такой борьбы: 1. Внутривидовая борьба. Она происходит между особями одного вида и отличается более напряженным характером в сравнении с другими формами. 2. Межвидовая борьба. Это борьба между хищником и жертвой, хозяином и паразитом, которая разворачивается за схожие пищевые ресурсы и другие виды. 3. Борьба с негативными факторами окружающей среды. Важно, что Дарвин установил причины выживаемости одних особей и гибели других. Дело в том, что в результате постоянной изменчивости в поколениях проявляется неоднородность и неравноценность особей. Замечание 2 Выживают наиболее конкурентоспособные особи. Происходит избирательное уничтожение особей, которые наименее приспособлены к жизни. Результаты эволюционного процесса, выделенные Ч. Дарвином: защитная окраска, которая увеличивает шансы на выживаемость; возникновение предупреждающей окраски; способность мимикрировать, защищаясь от хищников; дивергенция и расхождение признаков между новыми и существующими видами; повышение видового разнообразия. Основные положения эволюционной теории Проанализировав теорию Дарвина, можно сделать некоторые выводы: для всех видов характерна наследственная изменчивость, которая обусловлена процессом полового размножения; внутри вида отмечается довольно большое количество потомства при ограниченности необходимых для выживания ресурсов; описанные выше пункты становятся причиной борьбы за существование и естественного отбора, а также выживания наиболее приспособленных видов. Результатом естественного отбора становятся новые виды и механизмы приспособления. Они носят относительный характер — в различных условиях существования они проявляются по-разному. Фундамент эволюционной теории Дарвина — обоснование причин, форм и способов выживания видов при различных изменениях окружающей среды. В своей работе Дарвин учел основные принципы теории Ламарка, а также на обширный натуралистический материал. Дарвин эффективно справился с проблемой детерминации органической эволюции в целом, дал объяснения, почему строение того или иного организма именно такое, какое оно есть (это результат естественного отбора). Ученый отметил относительный характер такой целесообразности, ведь любое приспособление эффективно в конкретных условиях существования. Замечание 3 Все это подвергло большому сомнению учения в рамках теологии и естествознания. Также стоит отметить мысль Дарвина о том, что даже отдельные особи могут попасть под влияние естественного отбора. Важно, что в этом случае отбор сохраняет невыгодные для отдельной особи или вида признаки и свойства. Пример 1 Пример такой адаптации — жало пчелы. Когда пчела жалит, то оставляет свое жало в теле врага, после чего погибает. Однако гибель одной особи никак не влияет на пчелиную семью. Эти выводы стали толчком для развития популяционного научного мышления, за счет чего эволюционная теория продвинулась вперед. Названая по имени ее создателя наука — менделизм, изучает совокупность закономерностей наследственности. В отличие от предшественников, Мендель учитывал все гибриды, которые появлялись в потомстве, распределял их по поколениям и определял численное соотношение различных форм. Открытие Менделя До Менделя существовали представления о так называемой «слитной» наследственности. Однако своим исследованием ученый доказал, что наследственные элементы, или факторы, раздельные и не могут сливаться или исчезать в процессе скрещивания. Ярче всего это проявляется при скрещивании двух организмов, которые обладают контрастирующими, противоположными признаками. Например, как в случае опытов Менделя гладкие и морщинистые, желтые и зеленые семена гороха. Мендель выяснил, что скорее всего в ближайшем поколении проявится только один признак, который ученый назвал «доминирующим». Однако, в последующих поколениях второй, как бы исчезнувший или, по определению Менделя, «рецессивный», признак все равно проявится. Таким образом, ученый не только доказал постоянность и независимость наследственных факторов, которые определяют эти признаки, но и точно определил наследственные закономерности и численные отношения при всех типах скрещивания. В результате своей работы Мендель сформулировал единый закон комбинации различающихся признаков. Согласно этому закону наследственные элементы могут образовывать все соединения, которые допустимы по правилам комбинации. Три закона Менделя В ходе своих работ Мендель сформулировал три закона, в которых сформулировал принципы передачи наследственных элдементов от родительских организмов к потомкам. Закон единообразия гибридов первого поколения Этот закон также известен как закон доминирования признаков. Смысл этого закона в том, что у различных родительских организмов есть доминирующие, более «сильные» и рецессивные, более «слабые» признаки. В гибридах первого поколения выясняется — чей родительский признак сильнее. Ведь потомки в первом поколении всегда единообразны по этому сильному доминирующему признаку. Позже этот закон Менделя был подвергнут сомнению и некоторый корректировке, так как существуют ситуации неполного доминирования. закон расщепления При скрещивании различающихся родительских организмов образуется потомство, часть которого несет доминантный признак, а часть — рецессивный. Этот процесс называется расщеплением. Также читайте статью о наследственности — «Мамины глаза и папин нос» Проще говоря, это распределение доминантных и рецессивных наследственных элементов в соответствии с определенным числовым соотношением. При этом рецессивный признак, не проявляющийся в первом поколении. проявляется в последующих поколениях. Закон независимого наследования Источник slide-share.ru Третий закон Менделя гласит, что в процессе скрещивания особей, которые отличаются друг от друга не по одному, а по нескольким признакам, гены и признаки, которые им соответствуют, наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Роль менделизма Мендель оспорил учение о слитной наследственности. И тем самым доказал, что любой признак, определяющийся рецессивным геном, может проявляться через сколько угодно поколений. Таким образом, менделизм вызвал революцию в биологии, доказав, что наследственные факторы имеют независимую, дискретную природу, а их переход по поколениям определяется статистическими закономерностями. Хромосомная теория наследственности Второй этап начался с изучения генетики на клеточном уровне. Исследуя строение клетки, удалось установить, что гены являются участками гомологичных хромосом, которые в процессе деления распределяются между дочерними клетками. В этот период Т.Г.Морганом было открыто явление кроссинговера, который играет важную роль в механизме наследственной изменчивости. (1 источник) (2 источник) Вопросами наследования занимались многие учёные с конца XIX века. В начале ХХ века Томас Морган, опираясь на данные исследователей, сформулировал основные положения хромосомной теории наследственности. Положения Многие исследователи независимо друг от друга приходили к одинаковым выводам. К первому десятилетию ХХ века было известно о роли хромосом в наследовании, был введён в употребление термин «ген», были выявлены половые хромосомы и способы передачи наследственной информации. Знаковой работой стало исследование под руководством Моргана. Благодаря наблюдениям за поколениями плодовой мушки дрозофилы и на основе накопленных знаний были сформулированы основные положения хромосомной теории наследственности Моргана: гены, отвечающие за наследование признаков, расположены в хромосомах; гены располагаются линейно, каждый ген имеет своё место в хромосоме – локус; набор генов в каждой хромосоме уникален; расположенные близко друг к другу группы генов наследуются сцеплено; число сцепленных генов равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида (у человека 23 пары хромосом, следовательно, 23 пары сцепленных генов); сцепление хромосом нарушается в ходе кроссинговера (перекрёста) – процесса обмена участками хромосом в профазе I мейоза; чем дальше друг от друга находятся сцепленные группы генов в хромосоме, тем больше вероятность кроссинговера. Эксперименты Моргана показали, что гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются сцеплено, попадая в одну гамету, т.е. два признака всегда наследуются вместе. Такое явление было названо законом сцепленного наследования признаков. Молекулярная генетика Молекулярная генетика выделилась из биохимии и сформировалась как самостоятельная наука в 50-х годах прошлого столетия. Рождение этой науки связано с рядом важных биологических открытий: 1). В 20-40 гг. ХХ века было установлено, что носителем наследственной информации в клетке является молекула ДНК, а не белок, как считали раньше. Были получены прямые доказательства роли ДНК в наследственности. Это явления трансформации, трансдукции, половой процесс у бактерий, строение вируса, а также обнаружение почти полной идентичности химического состава ДНК (но не белков) у всех представителей данного биологического вида. Данные о видовой специфичности строения ДНК получены в начале 50-х годов Эрвином Чаргаффом и его сотрудниками. Любая ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, содержащих одно из четырех азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Чаргафф с сотрудниками обнаружил, что соотношения между нуклеотидами, входящими в состав ДНК одинаковы в пределах вида и различаются у разных видов. Кроме того, число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых равно числу цитозиловых. Это открытие послужило главным ключом к выявлению структуры молекулы ДНК. Трансформация у бактерий – это передача от одной бактериальной клетки другой наследственного материала. В 1928 году Фред Гриффит изучал трансформацию у двух штаммов пневмококка: вирулентного (вызывающего гибель мышей) и авирулентного (не вызывающего гибели). Если убить вирулентные бактерии и вводить их вместе с живыми авирулентными, то часть животных все равно погибнет. Этот опыт свидетельствовал о том, что часть генетического материала из вирулентных бактерий проникла в авирулентные и сделала их вирулентными. После того как вирулентные клетки разделили на отдельные компоненты: углеводы, липиды, белки и ДНК, было обнаружено, что именно ДНК наделило живые бактерии генетическим признаком, которого у них до этого не было. Трансдукция – это явление, заключающееся в том, что вирусы, выходя из бактериальной клетки, в которой они паразитировали, могут захватывать с собой часть ДНК и, перемещаясь в новые клетки передавать им признаки прежних хозяев. Так, при внесении в неподвижные бактерии вирусов, размножавшихся в клетках подвижных культур, некоторые из бактерий становятся подвижными. Половой процесс у бактерий – коньюгация, когда происходит обмен молекулами ДНК, и хотя новые бактерии не образуются, но их наследственный материал изменяется, т.к. происходит рекомбинация генетического материала. Строение вируса или бактериофага: вирус состоит из молекулы ДНК (или РНК), заключенной в белковую оболочку. С помощью радиоизотопов было доказано, что именно ДНК проникает в клетку, а белковая оболочка остается снаружи. В результате образуются новые фаговые частицы. Таким образом, ДНК является носителем генетической информации и дает начало новым бактериофагам. Косвенные доказательства: в соматических клетках разных органов содержится одинаковое количество ДНК, вдвое большее, чем в половых. Количество белков варьирует и не всегда больше, чем в половых. 2).Следующий этап развития молекулярной генетики связан с таким важным открытием, как установление структурной организации молекулы ДНК– в 1953 году. Крик и Уотсон установили, что ДНК состоит из двух спирально-закрученных цепей. В настоящее время принято говорить о первичной, вторичной и третичной структуре ДНК: Первичной структурой ДНК называют линейную полинуклеотидную цепь, в которой мононуклеотиды соединены 3`,5`- фосфоэфирными связями. Модель Крика и Уотсона – это вторичная структура ДНК, основанная на принципе комплементарности и получившая название двойной спирали. Один виток спирали состоит из 10 нуклеотидов, размер витка 3,4 нм. Дополнительное структурирование в пространстве двуспиральной молекулы ДНК (в конденсированных хромосомах) с образованием суперспирали является третичной структурой. 3).Определение направления передачи информации – «один ген – один фермент» - Бидл и Татум – 50-е годы. (В настоящее время – один ген – один полипептид). 4).Расшифровка генетического кода – Ниренберг, Очоа (К 1964 году расшифрованы коды для всех аминокислот). Выяснение механизма экспрессии генов у прокариот и ее регуляции – Франсуа Жакоб и Жан Моно – 50-е годы. 5).70-е годы и до настоящего времени – выявление особенностей экспрессии генов у эукариот. Развитие генетической инженерии.
