Основные закономерности наследственности и изменчивости

Определения и обозначения

Наследственность — способность организмов сохранять и передавать потомству признаки и особенности развития. Благодаря ей у потомков есть сходство с родителями и представителями своего вида. Передача наследственной информации происходит через гены, поэтому признаки могут повторяться в поколениях. Это понятие помогает объяснить преемственность поколений.

Изменчивость — способность организмов приобретать различия. Наследуемые изменения связаны с изменением генетического материала или новым сочетанием генов и могут передаваться потомкам. Ненаследуемые изменения возникают под влиянием условий среды и обычно не закрепляются в наследственной информации. Различать их нужно, чтобы понять, какие особенности могут появиться у следующих поколений.

Генотип — совокупность генов организма, а фенотип — совокупность проявившихся признаков. Фенотип возникает при взаимодействии генотипа и среды: один и тот же наследственный потенциал может проявляться по-разному в разных условиях. Например, на рост растения влияют и наследственные особенности, и доступность воды и света. Эти понятия позволяют отдельно описывать наследственную информацию и её видимое проявление.

Аллели — варианты одного гена, расположенные в соответствующих участках гомологичных хромосом. Доминантный аллель проявляется у гетерозиготы, а рецессивный при полном доминировании заметен только тогда, когда оба аллеля рецессивные. Если аллели одинаковы, организм гомозиготен по этому гену: AA или aa; если различны — гетерозиготен: Aa. Это обозначение помогает записывать скрещивания и предсказывать признаки потомства.

Как это устроено

Гены содержат наследственную информацию, а хромосомы с генами передаются потомству через половые клетки. При образовании гамет парные хромосомы расходятся, поэтому гамета получает только один аллель каждого гена. Во время оплодотворения объединяются гаметы двух родителей, и у потомка снова оказывается пара аллелей. Потомки не обязательно одинаковы: от каждого родителя они получают разные сочетания аллелей, а на проявление признаков может влиять среда.

Мендель применял гибридологический метод: скрещивал организмы, различающиеся по выбранным признакам, и изучал потомство. Сначала он получал первое поколение гибридов, затем скрещивал гибриды между собой или с родительскими формами. Чтобы обнаружить закономерность, учёный считал, сколько потомков имело каждый вариант признака. Такой способ позволил перейти от простого наблюдения сходства к проверяемым числовым соотношениям.

Закон единообразия описывает первое поколение при скрещивании гомозиготных родителей, различающихся по одной паре альтернативных признаков. Например, AA × aa даёт гаметы A и a, поэтому все гибриды F1 имеют генотип Aa. При полном доминировании у каждого проявляется доминантный признак, и фенотипы F1 одинаковы. Единообразие возникает потому, что все потомки получают одну и ту же пару аллелей.

При образовании гамет аллели пары расходятся, поэтому гибрид Aa образует два типа гамет: A и a. При скрещивании Aa × Aa возможны сочетания AA, Aa, Aa и aa; генотипическое соотношение составляет 1:2:1. При полном доминировании AA и Aa выглядят одинаково, а aa имеет рецессивный признак, поэтому фенотипическое соотношение F2 равно 3:1. Так расхождение аллелей объясняет закон расщепления.

Изменчивость возникает разными путями. Модификационная связана с влиянием среды: условия меняют проявление признака, но обычно не изменяют наследственный материал. Комбинативная появляется при новых сочетаниях родительских аллелей, когда гаметы объединяются при оплодотворении. Мутационная вызвана изменениями наследственного материала; если такая мутация возникла в половой клетке, она может передаться потомству.

Закономерности наследования при скрещивании

Сначала определите, какие аллели и признаки обозначены, затем проследите, какие гаметы образуют родители. В таблице отдельно показаны результаты для одной и двух пар признаков; соотношения относятся к ожидаемому потомству. Они особенно наглядны при большом числе потомков, тогда как в небольшой семье или группе фактические числа могут отличаться.

Разбор задач

Жёлтые и зелёные семена

У гороха жёлтая окраска доминирует над зелёной. Скрестили гомозиготное жёлтое растение с гомозиготным зелёным; требуется найти генотипы и фенотипы F1. Обозначим A — аллель жёлтой окраски, a — аллель зелёной. Нужно учесть, что каждый родитель передаёт в гамету только один аллель.

1. Запишем генотипы родителей: AA × aa, так как оба растения гомозиготны.
2. Первое растение образует гаметы A, второе — гаметы a.
3. Объединим гаметы: каждый потомок получает A от одного родителя и a от другого, то есть Aa.
4. Аллель A доминантен, поэтому у всех гибридов проявится жёлтая окраска.

Ответ: генотипы F1 — все Aa, фенотипы — все с жёлтыми семенами. Это пример единообразия гибридов первого поколения.

Скрещивание двух гибридов

Два гибридных растения с жёлтыми семенами скрестили между собой. Оба имеют генотип Aa, поэтому возможные гаметы каждого родителя — A и a. Чтобы не смешивать состав генотипов с внешним проявлением признака, сначала найдём сочетания аллелей, а затем определим фенотипы. Здесь предполагается полное доминирование жёлтой окраски.

1. Записываем скрещивание: Aa × Aa.
2. Составляем сочетания гамет: AA, Aa, Aa и aa.
3. Считаем генотипы: один AA, два Aa и один aa, то есть 1:2:1.
4. AA и Aa дают жёлтые семена, а aa — зелёные, поэтому фенотипы распределяются как 3:1.

Ответ: генотипическое расщепление — 1 AA : 2 Aa : 1 aa; фенотипическое — 3 жёлтых : 1 зелёное. Важно не считать Aa и AA одним генотипом, хотя при полном доминировании фенотип у них одинаков.

Две пары признаков

У растения высокие стебли доминируют над низкими, а гладкие семена — над морщинистыми. Скрещивают дигетерозиготные растения, причём гены наследуются независимо. Обозначим A — высокий стебель, a — низкий, B — гладкие семена, b — морщинистые. Так как каждый родитель AaBb, нужно учесть все возможные сочетания аллелей в его гаметах.

1. Записываем генотип родителей: AaBb × AaBb.
2. Каждый родитель образует гаметы AB, Ab, aB и ab: в каждой гамете по одному аллелю каждого гена.
3. При независимом наследовании сочетания по двум генам комбинируются независимо; для каждой пары отдельно получается фенотипическое соотношение 3:1.
4. Объединяем вероятности признаков: 9 потомков из 16 будут высокими и гладкосеменными, 3 — высокими и морщинистыми, 3 — низкими и гладкосеменными, 1 — низким и морщинистым.

Ответ: ожидаемое фенотипическое расщепление — 9:3:3:1. Это соотношение применимо при независимом наследовании генов и полном доминировании по обоим признакам.

Типичные ошибки

Считать доминантный аллель «более сильным» или полезным. Доминирование описывает лишь то, какой признак проявится у гетерозиготы; оно не означает превосходства или пользы. Такую ошибку допускают из-за бытового значения слова «доминантный». Проверка: спросите себя, описываете ли вы проявление признака или его ценность для организма.

Путать генотипическое и фенотипическое расщепление. В Aa × Aa генотипы распределяются как 1:2:1, а при полном доминировании фенотипы — как 3:1. Путаница возникает, если записать внешний вид потомков, не разобрав генотипы. Проверьте, считаете ли вы аллельные сочетания или наблюдаемые признаки.

Записывать в гамету оба аллеля одного гена. Гамета получает только один аллель из пары, потому что при её образовании расходятся гомологичные хромосомы. Ошибку часто допускают, перенося в гамету весь генотип родителя. Для самопроверки выпишите гаметы отдельно: у Aa это A и a, а не Aa.

Считать любое приобретённое изменение наследственным. Загар или изменение роста растения из-за условий среды обычно меняют проявление признака, но не наследственный материал. Такое заблуждение возникает из-за того, что изменение заметно у самого организма. Проверьте, затронуты ли гены половых клеток: без этого модификация обычно не передаётся потомству.

Связь с другими темами

Для понимания наследования нужно знать строение клетки, роль ядра и хромосом, а также различия между половыми и соматическими клетками. Связь с размножением и оплодотворением объясняет, как гаметы передают аллели и объединяют их в потомстве. Закономерности наследования применяются при изучении генетики человека и селекции, а также помогают понять эволюцию. Изменчивость объясняет, откуда берётся разнообразие организмов, на котором могут действовать условия среды.

Что запомнить

• Наследственность обеспечивает передачу признаков, а изменчивость — различия между организмами.
• Аллели одного гена занимают соответствующие участки гомологичных хромосом.
• Гомозигота имеет одинаковые аллели гена, гетерозигота — разные.
• При полном доминировании у гетерозиготы проявляется доминантный признак.
• При моногибридном скрещивании Aa × Aa генотипическое расщепление равно 1:2:1, фенотипическое — 3:1.
• Независимое наследование признаков возможно, если соответствующие гены наследуются независимо.
• Модификационная, комбинативная и мутационная изменчивость имеют разные причины.