Наследственность и изменчивость организмов

Определения и обозначения

Наследственность — способность организмов сохранять и передавать потомству особенности строения и развития. Основа этой преемственности — генетическая информация, записанная в ДНК. Благодаря ей потомок получает от родителей сведения, необходимые для формирования признаков. Наследственность объясняет, почему организмы одного вида сохраняют общие черты.

Изменчивость — способность организмов приобретать различия. Они могут появляться из-за изменений генетического материала, новых сочетаний генов или влияния условий среды. Поэтому особи одного вида не обязательно выглядят одинаково и могут по-разному проявлять признаки. Различение причин изменчивости помогает понять, может ли изменение передаться потомству.

Генотип — совокупность генов организма. Гены содержат наследственную информацию и участвуют в формировании признаков, поэтому генотип связан с тем, какие варианты признаков может проявить организм. Он не всегда полностью определяет внешний результат: на развитие влияют и условия среды. Знание генотипа помогает объяснять передачу признаков при скрещивании.

Фенотип — совокупность наблюдаемых признаков организма: например, особенностей строения, окраски и развития. Он формируется при взаимодействии генотипа и условий среды, поэтому одинаковые наследственные задатки не всегда приводят к совершенно одинаковому проявлению признака. Разделение понятий «генотип» и «фенотип» позволяет отличить наследственную основу от её видимого результата.

Как это устроено

Наследственная информация хранится в молекулах ДНК, которые входят в состав хромосом. Перед делением клетки ДНК копируется, поэтому образовавшиеся клетки получают набор наследственных инструкций, близкий к исходному. При размножении генетическая информация передаётся потомству через половые клетки или другие механизмы размножения. Копирование обеспечивает преемственность признаков, хотя при копировании иногда возникают изменения.

При половом размножении потомок получает генетический материал от двух родителей, а мейоз создаёт гаметы с разными сочетаниями хромосом. Хромосомы каждой пары расходятся в гаметы независимо друг от друга, поэтому наборы генов у гамет различаются. Во время кроссинговера — обмена участками между парными хромосомами — возникают дополнительные сочетания генов. При оплодотворении случайно соединяются две гаметы, что ещё больше увеличивает разнообразие потомства.

Мутационная изменчивость возникает, когда меняется сам генетический материал. Мутация может затронуть отдельный ген, структуру хромосомы или число хромосом, поэтому последствия бывают разными. Если изменение возникает в клетках, участвующих в размножении, оно может попасть к потомству. Мутации создают новые наследуемые варианты, хотя не каждое изменение обязательно проявляется заметно.

Комбинативная изменчивость появляется, когда уже имеющиеся у родителей гены образуют новые сочетания. Её обеспечивают расхождение хромосом и кроссинговер в мейозе, а также случайное соединение гамет. При этом новые мутации для появления различий не требуются: меняется сочетание вариантов, а не обязательно сами варианты генов. Поэтому даже дети одних родителей могут отличаться друг от друга.

Модификационная изменчивость вызывается воздействием среды — например, освещённостью, температурой или питанием. Условия меняют проявление признака, но обычно не перестраивают генотип, поэтому такое приобретённое изменение, как правило, не передаётся потомству. Возможный диапазон проявлений признака при данном генотипе называют нормой реакции. В её пределах среда может менять фенотип, но не превращает организм в носителя нового наследственного варианта.

Формы изменчивости организмов и их особенности

Сначала определите причину различия, а затем выясните, затронут ли генотип: это помогает отличить модификацию от наследственной изменчивости. Комбинативная форма наследственная, хотя новые сочетания могут возникнуть без новых мутаций. Формулировки «обычно» и «может» важны: возможность передачи мутации зависит от того, в каких клетках она возникла.

Разбор задач

Задача 1. У растения, выросшего при слабом освещении, листья крупнее, чем у растения того же сорта на ярком свету. Определите вероятный тип изменчивости и объясните ответ.

1. Сравниваемые растения относятся к одному сорту, а в условии указано различие в освещённости. Значит, сначала проверяем, могло ли различие возникнуть под действием среды.
2. Размер листьев может меняться при разных условиях выращивания. Если генотип не изменился, это проявление признака в пределах нормы реакции.
3. Условие не сообщает о мутации или наследовании нового признака. Поэтому нет оснований считать изменение мутационным.

Ответ: вероятнее всего, это модификационная изменчивость, вызванная слабым освещением. Она обычно не меняет генотип и сама по себе не передаётся потомству. Вывод основан на связи изменения с условиями среды.

Задача 2. У родителей с одинаковым генотипом появилось потомство, различающееся сочетаниями признаков. Назовите возможные причины различий при половом размножении.

1. Одинаковый генотип родителей не означает, что все их гаметы обязательно несут одинаковые наборы хромосом. Во время мейоза парные хромосомы расходятся в разные гаметы.
2. При кроссинговере парные хромосомы обмениваются участками, создавая дополнительные сочетания генов. Это меняет наборы наследственных вариантов, которые могут попасть в гаметы.
3. При оплодотворении любая гамета одного родителя может случайно соединиться с гаметой другого. Поэтому у потомков возникают разные комбинации генов.

Ответ: различия объясняются независимым расхождением хромосом, кроссинговером и случайным сочетанием гамет при оплодотворении. Это комбинативная изменчивость: новые комбинации возникают из уже имеющихся генов. Она не требует появления новых мутаций.

Задача 3. У гороха жёлтая окраска семян доминирует над зелёной. Скрестили два гетерозиготных растения. Запишите генотипы родителей и потомства, а также ожидаемое соотношение фенотипов.

1. Обозначим аллель жёлтой окраски буквой A, а аллель зелёной — a. Гетерозиготный организм имеет два разных аллеля, поэтому каждый родитель имеет генотип Aa.
2. Каждый родитель образует гаметы двух типов: A и a. При сочетании гамет возможны генотипы AA, Aa, Aa и aa.
3. Подсчитываем варианты: один AA, два Aa и один aa. Поскольку A доминирует, генотипы AA и Aa дают жёлтые семена, а aa — зелёные.

Ответ: скрещивание Aa × Aa даёт генотипическое соотношение 1 AA : 2 Aa : 1 aa. Фенотипическое соотношение составляет 3 жёлтых : 1 зелёный. Не смешивайте эти соотношения: первое сравнивает генотипы, второе — проявившиеся признаки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать наследственность и изменчивость противоположными явлениями. Так думают, потому что наследственность связана с сохранением признаков, а изменчивость — с различиями; однако наследственная информация может сохраняться при появлении новых сочетаний или вариантов. Проверьте себя: спросите, что именно сохраняется и что меняется. Передача генов и разнообразие потомства могут происходить одновременно.

Ошибка — называть мутацией любое различие между организмами. Причина ошибки в том, что мутации действительно создают некоторые различия, но другие возникают из-за среды или новых комбинаций генов. Чтобы проверить себя, выясните, менялся ли генетический материал, его сочетание или только проявление признака. Без данных об изменении ДНК нельзя автоматически заключать, что произошла мутация.

Ошибка — считать, что любой признак, приобретённый под влиянием среды, обязательно наследуется. Это предположение путает изменение фенотипа с изменением генотипа: модификация обычно затрагивает только проявление признака. Проверьте, есть ли основания говорить об изменении наследственного материала в клетках, участвующих в размножении. Если таких оснований нет, передача потомству не следует из условия.

Ошибка — смешивать генотип и фенотип. Их путают, потому что оба понятия связаны с признаками, хотя генотип означает набор генов, а фенотип — наблюдаемые проявления. Проверьте себя вопросом: речь идёт о наследственной основе или о том, что видно у организма? При оценке фенотипа учитывайте и генотип, и условия среды.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что ДНК хранит наследственную информацию, гены связаны с признаками, а хромосомы находятся в ядре клетки. Чтобы объяснить комбинативную изменчивость, нужно вспомнить мейоз, образование гамет и оплодотворение. Эти процессы показывают, откуда берутся разные сочетания генов у потомства. Позже эти знания помогут изучать законы наследования, селекцию и эволюцию организмов.

Что запомнить

• Наследственность обеспечивает передачу генетической информации потомству.
• Фенотип формируется при взаимодействии генотипа и условий среды.
• Комбинативная изменчивость создаёт новые сочетания генов.
• Мутационная изменчивость связана с изменениями генетического материала.
• Модификационная изменчивость вызывается условиями среды и обычно не наследуется.
• Модификации проявляются в пределах нормы реакции организма.