Конспект урока из цикла уроков по генетике "Взаимодействие генотипа и среды. Модификационная изменчивость."

Урок 13-14

УРОК 13-14 РАЗДЕЛ «ГЕНЕТИКА»

Наследственная изменчивость. Мутации.

Закон гомологических рядов.

Задачи урока:

• раскрыть сущность наследственной изменчивости: мутационной и комбинативной;

• сформировать знания о видах мутаций;

• выяснить значение наследственной изменчивости для эволюции и селекции;

• объяснить отличия соматических и генеративных мутаций;

• сформулировать закон гомологических рядов и объяснить его значение;

• продолжать формировать интерес к вопросам эволюции.

Оборудование:

• репродукции Хиеронимуса Босха;

• таблицы по общей биологии, иллюстрирующие виды изменчивости;

• гербарные экземпляры (или другие объекты) с мутантными признаками.

Форма урока – лекция.

Понятия урока: мутационная изменчивость, генотипическая изменчивость, комбинативная изменчивость, виды мутаций (геномная, генная, хромосомная), закон гомологических рядов.

Ход урока

1. Повторение

1. Индивидуальный опрос (работа у доски):

• составить план ответа по вопросу «Взаимодействие генотипа и среды. Модификационная изменчивость»;

• устный ответ: охарактеризовать модификационную изменчивость.

2. Фронтальный опрос:

• беседа по вопросам параграфа 29, №7, с. 116; параграфа 30, №2, с. 118.

Домашнее задание: §30; §31, вопрос №5, с. 121.

1. Изучение нового материала

Приходится только сожалеть, что мы с вами не в Дрезденской картинной галерее. И вот почему. Там мы могли бы увидеть фантастические полотна нидерландского художника ХИЕРОНИМУСА БОСХА.

Но вглядитесь в изображение, кто это?

«…Есть бытие, но именем каким

его назвать? Ни сон оно, ни бденье;

Созданье ли болезненной мечты

Иль дерзкого ума соображенья…» (Е. А. Баратынский)

А вот генетик бы сказал – это мутации. Интересно будет, что скажете вы в конце занятия, рассмотрев тему «Наследственная изменчивость. Мутации» (записываем тему урока в тетрадь).

План лекции:

1. Наследственная изменчивость

2. Представление о мутации; частота мутаций и их причины

3. Разделение мутаций

4. Геномные мутации

5. Генные, хромосомные мутации

6. Значение мутаций

7. Закон гомологических рядов

8. Загрязнения природной среды мутагенами, последствия

Содержание лекции

1. Наследственная изменчивость

Ученики вспоминают схему прошлого урока о видах изменчивости, с краткими комментариями. Наследственная изменчивость – свойства организма приобретать новые признаки в процессе онтогенеза и передавать их потомству.

1. Представление о мутации; частота мутаций и их причины

Мутацией называют изменение количества или структуры ДНК организма. Мутация приводит к изменению генотипа. Мутации, возникшие в половых клетках, передаются следующим поколениям организмов, тогда как мутации в соматических клетках наследуются только дочерними клетками, образовавшимися путем митоза, и такие мутации называются соматическими.

Мутации, возникающие в результате изменения числа или структуры хромосом, называются хромосомными мутациями.

При изменении структуры ДНК в одном локусе происходит генная мутация.

Представление о мутации, как о причине появления нового признака было выдвинуто в 1901 году голландским ботаником Гуго де Фризом.

Мутации возникают случайным образом. Частота возникновения мутаций у различных организмов различна, но, по видимому, она связана с продолжительностью жизненного цикла: у организмов с коротким жизненным циклом она выше.

В результате работ Меллера в двадцатые годы нашего века было установлено, что мутации (их частоту) можно повысить, воздействуя на организмы рентгеновским лучами. В дальнейшем выяснилось, что частота мутаций значительно повышается при помощи ультрафиолетовых лучей и гамма-лучей. Частицы высокой энергии, такие как альфа- и бета-частицы, нейтроны и космическое излучение тоже мутагены, т.е. способны вызывать мутации. Мутагенным действием обладают и разнообразные химические вещества, в частности иприт, кофеин, формальдегид, колхицин, некоторые компоненты табака, все возрастающее число лекарственных препаратов, пищевых консервантов и пестицидов.

1. Разделение мутаций

Мутации, по характеру проявления, бывают доминантными или рецессивными. По месту возникновения делятся на генеративные (в половых клетках) и соматические (в клетках тела). Большинство мутаций рецессивны и не проявляются у гетерозигот. Это очень важно для существования вида. Мутации, как привило, оказываются вредными. Но некоторые мутации могут быть и полезными, тогда в процессе естественного отбора они получают преимущество и сохраняются.

В гомозиготном состоянии мутации понижают жизнеспособность или плодовитость особи. Мутации, резко снижающие жизнеспособность или приводящие к смерти, называются летальными или полулетальными. У человека к таким мутациям относится ген гемофилии и ген серповидно-клеточной анемии, определяющей синтез аномального гемоглобина.

Соматические генные мутации, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза.

Соматические мутации, вероятно, возникают очень часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях образуются клетки с повышенной скоростью деления и роста. Эти клетки могут дать начало опухолям – либо доброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, что приводит к раковым заболеваниям. Сейчас обсуждается вопрос о соматических мутациях, как причине старения.

По уровню возникновения мутации делятся на три группы:

Поворот участка на 180° – инверсия

1. Геномные мутации

Изменения числа хромосом обычно происходит в результате ошибок при мейозе, но они возможны и при нарушении митоза. Эти изменения выражаются либо в анэуплодии – утрате или добавлении отдельных хромосом, либо в полиплоидии – добавлении целых гаплоидных наборов хромосом.

А. Анеуплодия

Выражается в наличии добавочной хромосомы (н-1, 2н-1 и т.п.), или нехватке какой-либо хромосомы (н-1, 2н-1). Анеуплодия может возникнуть, если в анафазе 1 мейоза гомологичные хромосомы одной или нескольких пар не разойдутся. В этом случае оба члена пары направляются к одному и тому же полюсу клетки, и тогда мейоз приводит к образованию гамет, содержащих на одну или несколько хромосом больше или меньше, чем в норме (см. рисунок). Это явление часто называют нерасхождением. Когда гамета с недостающей или лишней хромосомой сливается с нормально гаплоидной гаметой, образуется зигота с нечетным числом хромосом: зигота, в которой число хромосом меньше диплоидного, обычно не развивается, но зиготы с лишним числом хромосом иногда развиваются. Одна из наиболее часто встречающихся хромосомных мутаций, возникающих у человека в результате нерасхождения, трисомия-21, или синдром Дауна (2н-47). К числу ее симптомов относятся: задержка умственного развития, пониженная сопротивляемость болезням, врожденные сердечные аномалии, короткое туловище и толстая шея, и характерные складки над внутренним углом глаз. Синдром Дауна и других сходные аномалии чаще встречаются у детей, рожденных немолодыми женщинами.

Нерасхождение хромосом при гаметогенезе и результаты слияния образующихся при этом аномальных гамет с нормальными гаплоидными гаметами. Это приводит к различным формам полисомии, при котором число хромосом может быть равно 2н-1 (трисомия) и т.д., или же 2н-1 (моносомия).

Фенотипические отклонения, обусловленные нерасхождением половых хромосом у человека.

Б. Полиплоидия

Гаметы и соматические клетки с увеличенным набором хромосом, называют полиплоидными: приставки тетра-, три-, указывают, во сколько раз увеличено число хромосом: 3н – триплоид, 4н – тетраплоид, 5н – пентаплоид. У растений полиплоидия встречается гораздо чаще. Например, из 300 тысяч известных растений (покрытосемянных) примерно половина – полиплоиды. Относительная редкость полиплоидии у животных объясняется тем, что увеличенное число хромосом значительно повышает вероятность ошибок при мейозе во время гаметогенеза. А большинство растений способно к вегетативному размножению, поэтому они эффективно воспроизводятся и в полиплоидном состоянии. Полиплоидные организмы часто обладают благоприятными признаками – более крупными размерами, выносливостью, устойчивостью к заболеваниям.

1. Генные, хромосомные мутации

Генная или точечная (поскольку она относится к определенному генному локусу) мутация – результат изменения нуклеотидной последовательности молекулы ДНК в определенном участке хромосомы. Существуют различные виды генных мутаций, связанных с выпадением, добавлением или перестановкой оснований в гене.

Генные мутации, возникающие в гаметах, передаются всем клеткам потомков и влияют на дальнейшую судьбу популяций.

Хромосомные мутации – перестройка хромосом: рассмотрим примеры этой мутации на схеме, с. 119 учебника (комментирование схемы учениками).

1. Значение мутаций

Хромосомные и генные мутации во многих случаях летальны, т.к. нарушают развитие: у человека, например, около 20% беременностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии. Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» аллелю. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение долгого времени, пока им не удастся встретиться, т.е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в фенотипе (но иногда могут возникать и доминантные мутантные аллели, которые дают немедленный фенотипический эффект).

• мутации возникают внезапно, скачкообразно;

• они наследуются;

• мутации ненаправленны, мутировать может любой локус;

• по своему проявлению они могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

1. Закон гомологических рядов

- Как вам нравится такая фраза: «У меня есть мысль и я ее думаю!» ?

- А я предлагаю вам подумать над фразой-мыслью, сказанной И. И. Вавиловым о наследственной изменчивости: «Под зеленой лужайкой общеизвестного подхода скрывается минное поле гомологических рядов»,

- Что же такое гомологические ряды?

Изучая наследственную изменчивость культурных растений и их предков Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.»

На примере семейства злаковых, Вавилов показал, что сходные мутации обнаруживаются у целого ряда видов этого семейства. Так, черная окраска семян встречается у ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы и других, за исключением овса, пырея, проса. Удлиненная форма зерна – у всех изученных видов. У животных также встречаются сходные мутации: альбинизм и отсутствие шерсти у млекопитающих, короткопалость у крупного рогатого скота, овец, собак, птиц. Причина появления сходных мутаций – общность происхождения генотипов.

Таким образом, обнаружение мутаций у одного вида дает основание для поисков сходных мутаций у родственных видов растений и животных.

О необычайно красивом, хочется сказать великолепном, эксперименте рассказал на Международном генетическом конгрессе академик Д. К. Беляев. Группа новосибирских генетиков задалась целью получить домашних серебристо-черных лис. Не прирученных, а по-настоящему домашних, у которых, от рождения как у собак, отсутствует агрессивность и страх перед человеком.

Превращение волка в собаку, по данным археологии, тянулось добрую тысячу лет. Новосибирские ученые решили уложиться в 1-2 десятка. Метод был прост: отбор из поколения в поколение на «хорошее» отношение к человеку. И он дал блестящие результаты. Лисы, полученные таким способом почти не отличались от собак. Биохимический анализ показал, что у этих лис низкий уровень синтеза стероидных гормонов надпочечников. Эти гормоны сильно влияют на поведение (недаром исследователи шутя называют их «стервоидными»). Но самое интересное впереди!

Хотя отбор шел только по поведению, популяция стала меняться и внешне, произошел взрыв изменчивости, причем гомологичной той, которая произошла при переходе от волка к собаке.

Назовите, какие же изменения произошли у лис, если вам известен закон гомологических рядов?

В самом деле:

1. Сроки течки у таких лис сдвинулись, некоторые оказались способными давать потомства два раза в год.

2. Линька, у диких животных приуроченная к определенному сезону, у лис начала растягиваться на весь год.

3. Появились пегие лисы, лисята, с висящими как у такс ушами.

4. Наконец, у некоторых лис хвост стал закручиваться на спину колечком.

Итак, мы узнали, что такое гомологичные ряды и объяснили закон, сформулированный Н. И. Вавиловым. Для тех, кто все же хочет узнать, почему он является «минным полем», необходимо почитать работы Вавилова.

1. Загрязнения природной среды мутагенами, последствия этого

В начале лекции было сказано о том, какие вещества могут являться мутагенами.

Можно было бы сказать, что развитие химии стало для человека источником самых противоречивых влияний. Чрезвычайно благотворных и исключительно пагубных. Человек уже создал свыше пяти миллионов химических соединений. Каждую неделю к нип прибавляются около 5000. Доказано, что некоторые из них влияют на наследственные функции клеток и на возникновение злокачественных опухолей.

Установлено, что более продвинутые, эволюционно, формы жизни гораздо чувствительнее к воздействию мутагенов, чем примитивные организмы. Нуклеиновые кислоты, процессы синтеза белков сами по себе чрезвычайно устойчивы к непосредственному воздействию радиации. Эта устойчивость теряется в ходе эволюции. Так, многие микроорганизмы способны жить в оболочках атомных реакторов, для млекопитающих губительны дозы радиации в тысячи раз меньше.

III. Повторение

1. Заполнение таблицы

Сравнительная характеристика форм изменчивости

2. Фронтальная беседа (если останется время)

Вопросы параграфа 30, №1; параграфа 31, № 1-4.

Начали мы урок с Босха (демонстрация репродукций).

«Есть бытие, но именем каким

его назвать?...»

Можно испытывать разные эмоции, разглядывая эти полотна, но вот как почувствовал их норвежский поэт (из сборника «Мгновения света. Эротические стихи и записки о неспокойном мире»):

ИЕРОНИМ БОСХ

Твой ад нам сегодня представляется раем,

он такой голубой и по ягнячьи белый,

даром, что в нем летают страшные птицы, а обнаженные люди

заключены в яичную скорлупу.

Твои смертные грехи сияют как семисвечники.

И даже сам Сатана наделен

искрометным юмором.

Харалд Свердруп

8