Материальные основы наследственности и изменчивости

Определения и обозначения

Наследственность — способность организмов сохранять и передавать потомству свои признаки. Она обеспечивается передачей генетической информации от родительских организмов к потомкам. Благодаря наследственности у потомков сохраняются многие особенности родителей, хотя потомки не обязательно полностью на них похожи.

Изменчивость — способность организмов приобретать различия в признаках. Она приводит к тому, что особи одного вида могут отличаться друг от друга. Изменчивость важна для разнообразия живых организмов и связана как с наследуемыми особенностями, так и с влиянием условий среды.

Ген — участок ДНК, несущий информацию о продукте или признаке. Участки ДНК передаются при размножении, поэтому вместе с ними потомки получают наследственную информацию. Гены влияют на формирование признаков, но их проявление может зависеть и от условий жизни организма.

Хромосома — структура из ДНК и белков, в которой упорядоченно расположены гены. В одной хромосоме находится много генов, поэтому она организует значительный участок наследственного материала. Такое устройство помогает клетке хранить ДНК и распределять её при делении.

Как это устроено

ДНК состоит из нуклеотидов, соединённых в определённой последовательности. Именно порядок нуклеотидов служит записью генетической информации: клетка использует её, чтобы создавать нужные молекулы, в частности белки. Отдельные участки этой длинной молекулы соответствуют генам, поэтому изменения последовательности ДНК могут менять работу гена и влиять на признаки.

Молекула ДНК очень длинная, поэтому в ядре она не может находиться в виде свободной расправленной нити. ДНК взаимодействует с белками и образует хроматин — упакованный материал хромосом. Упаковка позволяет разместить генетический материал в ограниченном пространстве и сохранять его организованным; перед делением клетки хромосомы становятся особенно хорошо различимыми.

У организмов одного вида характерны определённые число, форма и размеры хромосом. Совокупность этих особенностей называют кариотипом; обычно в клетках тела хромосомы представлены парами, по одной от каждого родителя. Постоянство кариотипа помогает сохранять видовые особенности при размножении, хотя отдельные изменения хромосомного набора тоже возможны.

Перед делением клетки ДНК удваивается: каждая молекула служит основой для образования своей копии. Затем копии хромосом расходятся к разным полюсам клетки и распределяются между дочерними клетками. Так каждая из них получает генетическую информацию, необходимую для работы и дальнейшего развития; ошибки копирования или распределения могут нарушить этот процесс.

Даже без мутаций потомки могут получать разные сочетания генов. При половом размножении наследственный материал двух родителей объединяется, а хромосомы и находящиеся на них гены сочетаются в новых комбинациях. Ещё один источник изменчивости — изменения самого генетического материала: например, мутации, то есть устойчивые изменения ДНК или структуры хромосом.

Материальные носители наследственной информации

Таблица показывает уровни организации наследственного материала: от молекулы ДНК до набора хромосом. Сравнивая строки, можно увидеть, что ген — часть ДНК, а хромосома объединяет множество генов. Последний столбец помогает различить новые сочетания наследственного материала и его изменения.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, где в клетке находится наследственная информация и в каких структурах она организована. Чтобы ответить, нужно проследить путь от молекулы к более крупной структуре. Следует также учитывать, что у клеток с ядром основное место хранения генетического материала — ядро.

1. Основная наследственная информация записана в последовательности нуклеотидов ДНК. В ДНК выделяют отдельные участки — гены.
2. Молекулы ДНК соединены с белками и упакованы в хромосомы. Поэтому гены находятся на хромосомах как участки входящей в них ДНК.
3. У эукариот основная часть хромосом расположена в ядре. Часть ДНК может находиться также в митохондриях, а у растений — в хлоропластах.

Ответ: наследственная информация хранится в ДНК; её участки-гены организованы в хромосомы, основная часть которых находится в ядре клетки.

Задача 2. В клетке организма 2n = 16 хромосом. Определите число хромосом в зрелой половой клетке. Обозначение 2n указывает на диплоидный набор, характерный для клеток тела, а зрелая половая клетка имеет гаплоидный набор n. Нужно найти половину числа, указанного для диплоидного набора.

1. Записываем известное значение: 2n = 16. Это полное число хромосом в клетке с диплоидным набором.
2. Находим гаплоидное число: n = 2n / 2 = 16 / 2 = 8. Каждая зрелая половая клетка получает один набор хромосом.
3. Проверяем, что ответ относится именно к гаплоидному набору, а не к клетке тела. В половую клетку должно попасть вдвое меньше хромосом, чем в диплоидную.

Ответ: в зрелой половой клетке 8 хромосом.

Задача 3. Объясните, почему у двух потомков одних родителей могут различаться сочетания наследственных признаков, даже если у них нет новых мутаций. Здесь не нужно искать изменение ДНК: достаточно рассмотреть, как при половом размножении передаются хромосомы родителей. Разные сочетания наследственного материала могут возникнуть и без появления новых вариантов генов.

1. Потомок получает наследственный материал от обоих родителей. При образовании половых клеток хромосомы распределяются в разные сочетания.
2. При оплодотворении объединяются половые клетки, которые несут разные наборы хромосом. Поэтому каждый потомок может получить особую комбинацию родительских генов.
3. Гены влияют на признаки, так что новые комбинации могут приводить к различиям между детьми одних родителей. Для этого мутация не обязательна.

Ответ: потомки различаются из-за разных сочетаний хромосом и генов, полученных от родителей при половом размножении.

Типичные ошибки

Ошибка: считать ген и хромосому одним и тем же. Ген — участок ДНК, а хромосома содержит множество генов. Путаница возникает потому, что оба понятия связаны с наследственной информацией. Проверьте себя вопросом: описывается небольшой участок молекулы или структура, в которой таких участков много?

Ошибка: полагать, что наследственная информация хранится только в белках. Белки важны для устройства клетки и упаковки ДНК, но основным носителем генетической информации служит именно ДНК. Ошибку провоцирует то, что белки участвуют в работе клетки и взаимодействуют с ДНК. Для проверки вспомните, какая молекула состоит из нуклеотидов и содержит гены.

Ошибка: путать наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает преемственность признаков, а изменчивость — различия между организмами. Эти процессы связаны и действуют одновременно, поэтому их легко смешать. Проверьте формулировку: речь о передаче признака потомству или о появлении различий?

Ошибка: считать, что любое изменение признака означает изменение гена. На проявление признака могут влиять условия среды, поэтому внешнее различие не всегда связано с изменением ДНК. Ошибка возникает, когда сам факт различия принимают за доказательство мутации. Чтобы проверить вывод, нужно различать изменение генетического материала и изменение проявления признака под действием среды.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о строении клетки и ядра: они помогают представить, где расположены хромосомы. Нужно также знать строение молекулы ДНК, чтобы понять, как последовательность нуклеотидов хранит информацию. Основы деления клеток объясняют, почему наследственный материал сначала копируется, а затем распределяется.

Эти представления понадобятся при изучении законов наследования: гены и хромосомы объясняют передачу признаков потомству. Они также помогают разбирать генетику человека и причины мутаций. В эволюции наследственная изменчивость служит материалом, на котором действуют факторы отбора.

Что запомнить

• ДНК — основной носитель наследственной информации.
• Гены представляют собой участки ДНК.
• Хромосомы состоят из ДНК и белков и содержат множество генов.
• Кариотип характеризует хромосомный набор организма.
• Удвоение ДНК помогает передать наследственную информацию дочерним клеткам.
• Изменчивость связана как с новыми сочетаниями генов, так и с изменениями генетического материала.