§ 24. Наследственная изменчивость

Определения и обозначения

Наследственная изменчивость — изменения признаков, которые связаны с изменением генотипа и могут передаваться потомству. Генотип — совокупность генов организма, а признаки — его наблюдаемые особенности. Это понятие помогает отличать изменения, способные наследоваться, от временных реакций на условия среды.

Комбинативная изменчивость — появление новых сочетаний генов у потомков при половом размножении. Сами гены при этом могут оставаться прежними, но соединяются в других комбинациях. Понятие объясняет, почему потомки одних родителей отличаются друг от друга и от родителей.

Мутационная изменчивость — наследственные изменения, возникающие вследствие мутаций, то есть изменений генетического материала. Она отличается от комбинативной тем, что меняется сам генетический материал, а не только сочетание имеющихся вариантов генов. Это различие позволяет определить источник нового наследственного признака.

Мутация — устойчивое изменение генетического материала, которое может затронуть отдельный ген, хромосому или число хромосом. Ген — участок ДНК с наследственной информацией, а хромосомы содержат ДНК и гены. По уровню изменения можно понять, к какому типу относится мутация.

Как это устроено

Наследственная изменчивость возникает, когда меняется генотип или меняется сочетание генов, полученных от родителей. Изменённая наследственная информация может перейти в клетки нового организма и повлиять на его признаки. Условия среды, например освещение или питание, тоже способны менять проявление признака, но генотип при этом может оставаться прежним. Поэтому для определения наследуемости важно выяснить не только, изменился ли признак, но и изменился ли генетический материал.

Новые сочетания генов появляются благодаря нескольким процессам полового размножения. При кроссинговере гомологичные хромосомы обмениваются участками, и их гены соединяются в новых комбинациях. Во время мейоза пары хромосом независимо расходятся в разные клетки, поэтому каждая гамета получает свой набор хромосом. Затем случайное слияние гамет объединяет наследственный материал двух родителей, создавая новые сочетания у потомка.

Мутации возникают случайно: они не появляются потому, что организму понадобился новый признак. Изменения могут происходить в половых клетках и в соматических клетках — клетках тела, не участвующих непосредственно в образовании гамет. Если мутация затронула половую клетку или клетку, из которой она образовалась, она может перейти потомству; мутация в обычной клетке тела, как правило, передаётся лишь её клеточным потомкам. Последствия зависят от места и характера изменения: оно может оказаться вредным, нейтральным или полезным в определённых условиях.

Тип мутации определяют по уровню, на котором изменился генетический материал. Генная мутация затрагивает последовательность внутри отдельного гена. Хромосомная мутация меняет строение участка хромосомы: например, участок может потеряться, удвоиться или переместиться. Геномная мутация меняет число хромосом в клетке, а не строение отдельного участка.

Мутагены — физические, химические и биологические факторы, повышающие вероятность появления мутаций. К ним относятся, например, некоторые виды излучения и химические вещества; отдельные биологические агенты также способны влиять на генетический материал. Воздействие мутагена увеличивает шанс изменений, но не выбирает заранее, какой именно ген изменится и окажется ли изменение полезным. Поэтому мутаген нельзя считать способом целенаправленно получить нужный организму признак.

Сравнение видов наследственной изменчивости

Сначала сравните источник и механизм изменений: это помогает отличить новую комбинацию прежних генов от изменения генетического материала. Затем посмотрите, какую роль играет половое размножение и при каких условиях изменение передаётся потомству. Таблица показывает общие различия, но отдельная мутация может возникнуть независимо от полового размножения.

Разбор задач

Задача 1. У потомка обнаружено сочетание признаков родителей, которого не было ни у одного из них. Определите, какой вид наследственной изменчивости мог привести к появлению такого сочетания. Нужно выяснить, изменились ли сами гены или образовалась новая комбинация унаследованных генов.

1. Уточняем, что в условии речь идёт о сочетании признаков, а не о появлении изменённого участка ДНК.
2. Вспоминаем, что при половом размножении гены родителей могут сочетаться по-новому благодаря мейозу и случайному слиянию гамет.
3. Сопоставляем механизм с описанием: новое сочетание уже имеющихся генов характерно для комбинативной изменчивости.

Ответ: сочетание могло появиться в результате комбинативной изменчивости. Оно возникло при рекомбинации генов в ходе полового размножения, а не обязательно из-за мутации.

Задача 2. У растения после воздействия химического вещества возникло устойчивое изменение, которое обнаружилось у его потомства. Объясните, почему это изменение относят к наследственной изменчивости и какой фактор мог его вызвать. Здесь важно различить устойчивое изменение генотипа и временное изменение признака под влиянием среды.

1. Проверяем признак наследования: изменение обнаружилось у потомства, значит, оно могло попасть в наследственный материал передавшейся клетки.
2. Связываем устойчивое изменение с генотипом, а не только с условиями выращивания растения.
3. Определяем возможный тип причины: химическое вещество, повысившее вероятность мутации, является химическим мутагеном.

Ответ: это наследственная изменчивость, поскольку изменение связано с генотипом и передалось потомству. Возможный фактор — химический мутаген; само его воздействие не означает, что мутация была вызвана целенаправленно.

Задача 3. У одного организма выявлено изменение строения участка хромосомы, у другого изменилось число хромосом. Классифицируйте оба изменения и объясните, чем они различаются. В условии указаны два разных уровня перестройки генетического материала, поэтому их нужно классифицировать по тому, что именно изменилось.

1. Для первого организма отмечаем, что изменилось строение участка хромосомы, но не указано изменение общего числа хромосом.
2. Такое изменение относим к хромосомной мутации, поскольку затронута структура хромосомы.
3. Для второго организма отмечаем изменение количества хромосом и относим его к геномной мутации.

Ответ: изменение строения участка — хромосомная мутация, а изменение числа хромосом — геномная. Различие состоит в том, что первая затрагивает структуру хромосомы, а вторая — число хромосом в наборе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать наследственным любое изменение признака. Её допускают, потому что внешне изменение может выглядеть устойчивым и заметным. Но условия среды иногда меняют проявление признака, не меняя генотип. Проверьте себя вопросом: есть ли основания говорить об изменении генетического материала и передаче потомству?

Ошибка: путать комбинативную и мутационную изменчивость. Новое сочетание признаков может показаться новым изменением генов, хотя оно возникло без изменения их самих. При комбинативной изменчивости соединяются по-новому уже имеющиеся гены, а при мутационной меняется генетический материал. Чтобы проверить ответ, выясните, речь идёт о новой комбинации или о мутации.

Ошибка: утверждать, что все мутации вредны. Такое мнение возникает из-за того, что часто обсуждают болезни, связанные с мутациями. Однако последствия бывают вредными, нейтральными или, реже, полезными в конкретных условиях. Проверьте себя: нельзя оценить мутацию без учёта её влияния на организм и среды.

Ошибка: считать, что мутаген вызывает нужную организму мутацию. Это представление появляется, если спутать увеличение вероятности изменений с управлением их результатом. Мутагены не выбирают заранее ни место, ни полезность мутации. Для проверки вспомните: мутации возникают случайно, а мутаген лишь повышает вероятность их появления.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о генах, хромосомах, генотипе и фенотипе — совокупности проявляющихся признаков организма. Также важно представлять, как при мейозе образуются гаметы и распределяются хромосомы. Позже наследственная изменчивость поможет разобраться в наследовании признаков, естественном отборе и эволюции: различия между организмами дают материал для отбора. Знание о мутагенах помогает понимать влияние факторов среды и необходимость профилактики вредного воздействия.

Что запомнить

• Наследственная изменчивость связана с изменениями генотипа.
• Комбинативная изменчивость создаёт новые сочетания генов.
• Мутационная изменчивость возникает вследствие мутаций.
• Мутации могут затрагивать гены, структуру хромосом или число хромосом.
• Мутации возникают случайно и не появляются потому, что организму нужны.
• Мутации половых клеток могут передаваться потомству.
• Мутагены повышают вероятность мутаций.