З Закономерности наследственной изменчивости

Определения и обозначения

Наследственная изменчивость — способность организмов приобретать различия, обусловленные изменениями или новыми сочетаниями генетического материала и передающиеся потомкам. Иначе говоря, меняется генотип — набор генов организма. Это понятие помогает отличить наследуемые особенности от временных изменений, вызванных условиями жизни.

Комбинативная изменчивость — возникновение новых сочетаний генов при половом размножении вследствие мейоза, кроссинговера и случайного оплодотворения. Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами, то есть хромосомами одной пары. Комбинативная изменчивость объясняет, почему дети одних родителей могут заметно различаться, даже если новые гены у них не возникли.

Мутационная изменчивость — появление внезапных и устойчивых изменений генотипа под действием внутренних или внешних факторов. Такие изменения называют мутациями, а их причиной могут стать ошибки при копировании ДНК или воздействие, например, излучения. Понятие нужно, чтобы описывать наследственные изменения, которые не сводятся к новому сочетанию уже имеющихся аллелей.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости — закономерность, согласно которой близкие виды имеют сходные ряды наследственных изменений. Это означает, что вариант признака, обнаруженный у одного вида, может подсказать, какие варианты искать у родственного. Закон помогает систематизировать разнообразие и делать прогнозы, в том числе в селекции.

Как это устроено

Изменчивость называют наследственной не просто потому, что признак заметен у организма: он должен быть связан с генетическим материалом. Если среда изменила рост или окраску особи, но генотип не изменился, такая особенность обычно не передаётся потомкам. Изменения ДНК или сочетания аллелей могут попасть в половые клетки и оказаться у следующего поколения. Поэтому ключевой вопрос — затронут ли генотип, а для передачи потомству также важно, где именно произошло изменение.

При мейозе пары гомологичных хромосом распределяются по половым клеткам независимо друг от друга. В результате гаметы получают разные сочетания материнских и отцовских хромосом. Во время кроссинговера хромосомы обмениваются участками, поэтому в одной хромосоме могут соединиться аллели, ранее находившиеся в разных сочетаниях. Наконец, какая именно яйцеклетка и какой сперматозоид сольются, определяется случайно; это ещё раз увеличивает разнообразие потомства.

Мутация возникает, когда меняется генетический материал: например, при ошибке копирования ДНК или под действием мутагенного фактора. Она считается внезапной, потому что появляется как отдельное изменение, а не как постепенное приспособление организма к потребности. Если мутация присутствует в половой клетке или возникает в клеточной линии, из которой формируются гаметы, она может перейти потомкам и сохраняться в поколениях. Её последствия зависят от самого изменения и условий: оно бывает вредным, полезным или нейтральным.

Мутации различают по масштабу. Генная мутация меняет последовательность внутри одного гена и может изменить белок или работу гена, а значит — признак. Хромосомная мутация меняет строение хромосомы: например, при утрате участка теряются расположенные в нём гены. Геномная мутация меняет число хромосом; из-за этого меняется количество копий многих генов, что может повлиять сразу на несколько признаков.

У родственных видов сходство наследственного материала может приводить к сходству вариантов признаков. Поэтому известный ряд наследственных изменений у одного вида помогает предположить аналогичный ряд у другого близкого вида — в этом состоит практическая идея закона гомологических рядов. Предположение не означает, что каждый вариант обязательно найдётся: его нужно проверять наблюдениями и скрещиваниями. Селекционер использует закон как подсказку, чтобы целенаправленно искать у родственных видов нужные свойства.

Основные формы наследственной изменчивости

Чтобы определить форму изменчивости, сначала выясните, возникло ли новое сочетание аллелей или изменился сам генетический материал. Затем проверьте роль полового размножения и масштаб изменения. В таблице приведены типичные варианты: конкретное последствие мутации зависит от того, какие гены она затронула.

Разбор задач

1. Разные признаки у детей одних родителей

Условие. У детей одних родителей наблюдаются разные сочетания цвета глаз, группы крови и других признаков. Нужно определить форму наследственной изменчивости и назвать процессы, которые её создают.

1. Выясняем, что различается. В условии говорится о сочетаниях признаков, но не сообщается об изменении самих генов.
2. Связываем различия с размножением. При мейозе хромосомы независимо распределяются по гаметам, а кроссинговер может создавать новые сочетания аллелей.
3. Учитываем оплодотворение. Случайное соединение гамет даёт потомку уникальное сочетание наследственного материала родителей.

Ответ. Это комбинативная изменчивость. Её создают независимое расхождение хромосом, кроссинговер и случайное оплодотворение; новые сочетания аллелей не означают появления новых аллелей.

2. Отсутствует участок хромосомы

Условие. У организма обнаружено отсутствие участка хромосомы. Определите тип мутации и объясните, почему изменение может передаваться потомству.

1. Определяем масштаб. Изменён не отдельный участок последовательности внутри одного гена, а строение хромосомы: её фрагмент утрачен.
2. Называем тип. Изменение структуры хромосомы относится к хромосомным мутациям, а не к генным или геномным.
3. Проверяем возможность наследования. Если мутация присутствует в половой клетке или клетках, образующих гаметы, она может попасть в зиготу и перейти потомку.

Ответ. Это хромосомная мутация — утрата участка хромосомы. Она может наследоваться, если затрагивает половые клетки или их предшественники; мутация только в клетках тела обычно потомкам не передаётся.

3. Прогноз для родственного вида

Условие. У близких видов растений известны сходные варианты окраски цветков и формы семян. Нужно объяснить, какую закономерность использовать, чтобы предположить возможный вариант у ещё одного родственного вида.

1. Сравниваем виды. Они близкородственные, а значит, могут иметь сходные наследственные особенности.
2. Применяем закономерность. Закон гомологических рядов утверждает, что близкие виды имеют сходные ряды наследственных изменений.
3. Формулируем прогноз и проверку. Можно предположить, что у третьего вида встречается сходный вариант окраски или формы семян, но подтвердить это нужно наблюдениями или исследованием потомства.

Ответ. Используют закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Он позволяет обоснованно предсказать возможный вариант признака у родственного вида, но прогноз следует проверить.

Типичные ошибки

Ошибка: считать наследственным любой приобретённый признак. Изменения под влиянием среды часто не затрагивают генотип, поэтому не передаются потомкам. Их путают с наследственными, потому что оба типа заметны у организма. Проверьте себя: есть ли основание говорить об изменении генетического материала и может ли оно попасть в половые клетки?

Ошибка: считать, что при комбинативной изменчивости появляются новые гены. Обычно меняются сочетания уже существующих аллелей, а не их последовательности. Путаница возникает из-за того, что потомство получает новые комбинации признаков. Проверьте себя: если новых аллелей не возникло, а сочетание изменилось, речь идёт о комбинативной изменчивости.

Ошибка: считать все мутации вредными. Последствия мутации зависят от того, какое изменение произошло и в каких условиях живёт организм; эффект может быть полезным, вредным или нейтральным. Вредные примеры запоминаются лучше, поэтому создаётся ложное обобщение. Чтобы проверить вывод, не оценивайте мутацию без указания конкретного признака и условий.

Ошибка: путать генную, хромосомную и геномную мутации. Эти названия обозначают разные масштабы: изменение внутри гена, перестройку хромосомы и изменение числа хромосом. Путаница возникает, если смотреть только на последствия, а не на то, что именно изменилось. Для проверки назовите объект изменения: ген, строение хромосомы или её количество.

Связь с другими темами

Чтобы понять эту тему, нужно знать, как устроены ген и хромосома, что такое аллель и генотип, а также как проходят мейоз и оплодотворение. Эти понятия объясняют, откуда берутся новые сочетания генов и какие изменения могут передаться потомкам. Наследственная изменчивость важна при изучении эволюции: естественный отбор действует на различия между организмами. Она также связана с селекцией и наследственными заболеваниями, а типы хромосомных изменений помогают разбирать кариотип человека — набор хромосом клетки.

Что запомнить

• Наследственная изменчивость обусловлена изменениями или новыми сочетаниями генетического материала.
• Комбинативная изменчивость создаёт новые сочетания аллелей, но не новые аллели.
• Источники комбинативной изменчивости — кроссинговер, независимое расхождение хромосом и случайное оплодотворение.
• Мутации возникают внезапно и могут затрагивать ген, хромосому или число хромосом.
• Мутации бывают полезными, вредными или нейтральными.
• Закон гомологических рядов позволяет предсказывать сходные наследственные варианты у родственных видов.