У истоков науки генетики - ГЕНЕТИКА - НАУКА О НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ

Изучая эту главу учебника, вы научитесь:

а) объяснять с точки зрения биологии значение изменчивости и наследственности в жизни организмов.

Для этого вы должны овладеть следующими умениями:

- пользоваться важнейшими понятиями генетики;

- приводить примеры изменчивости и наследственности у растений и животных и объяснять причину этого явления;

- характеризовать законы наследования Г. Менделя, их цитологические основы, основные положения хромосомной теории наследственности;

б) использовать в быту элементарные генетические знания и умения.

Для этого вы должны овладеть следующими умениями:

- характеризовать природу и соблюдать профилактику наследственных болезней;

- пользоваться знаниями по генетике и селекции для сохранения породной чистоты домашних животных (собак, кошек, аквариумных рыб, кур и др.).

Проверьте себя:

• Заполните таблицу и объясните сходство и отличия бесполого и полового размножения.

Сравнение бесполого и полового размножения

Способы размножения	Сходство	Различия
Бесполое размножение
Половое размножение

Темы исследовательских проектов (анализ литературы в библиотеке и Интернете):

1. Международный проект “Геном человека” и его значение для развития науки и практики.

2.тИзучение наследования признаков у человека (на примере своей семьи).

3.тИзучение изменчивости окраски на примере сизого голубя.

§ 31. У истоков науки генетики.

Постановка проблемы урока

Петя: Я на маму похож.

Маша: Я - на папу.

Миша: А я - вообще на дедушку.

• О чём беседуют ребята? Чему будет посвящён параграф? (Сравните с авторским вариантом на с. 350.)

Необходимые базовые знания

• Что вы знаете о наследственности? (Жизненный опыт)

• Как изменяется число хромосом в клетке после деления в результате митоза и мейоза? (§ 9)

• Есть ли пол у растений? Где у растения располагаются мужские и женские половые клетки? (5-6 класс)

Решение проблемы

Что изучает генетика

• Найдите общие и различные свойства детей и родителей. По каким признакам их свойства различны?

У курицы, как известно, появится на свет цыплёнок, у коровы - телёнок, у лошади - жеребёнок. У людей рождается ребёнок, причём дети брюнетов обычно — хотя и не всегда - тоже брюнеты, а не блондины. Наследственность — это способность потомков воспроизводить в индивидуальном развитии свойства предков в ряду поколений. Тот факт, что любые два организма, даже дети одних родителей, имеют различия, демонстрирует нам противоположное качество потомков — изменчивость, то есть способность организмов изменять свои признаки и свойства. Закономерности наследственности и изменчивости изучает наука генетика.

31.1. Семья собак.

Научный эксперимент

Вероятно, люди наблюдали за наследованием признаков животных и растений с доисторических времён. Но их закономерности оставались тайной до тех пор, пока не выработались правила постановки научного эксперимента, а именно:

— формулирование гипотезы;

— выбор объекта и метода исследования;

— проведение эксперимента;

— сравнение результатов в опыте и в контроле;

— повторение эксперимента, контроль условий;

— вывод.

Древнегреческий философ Аристотель (IV в. до н. э.) считал, что наследование осуществляется только по мужской линии. Мать для зародыша является только источником питания. Но мы хорошо знаем, что бывают дети, похожие на маму.

Немецкий ботаник И.-Г. Кёльрёйтер в конце XVIII в. первым поставил строгие эксперименты по проверке эквивалентности (отсутствия преимущества) в наследовании по мужской и женской линиям (рис. 31.2).

31.2. Схема опытов И.-Г. Кёльрёйтера.

• К какому выводу пришёл Кёльрёйтер на основе эксперимента?

Почему этот результат так важен для генетики?

Родители могут нести несовместимые признаки: например, цветки одного растения могут быть красными, а другого — белыми. У каждого потомка проявляется только один из признаков — либо материнский, либо отцовский. Генетические закономерности определяют, с какой вероятностью у потомства проявится тот или иной признак каждого из родителей.

В дальнейшем генетические эксперименты проводились на многих объектах, но главные результаты были получены при скрещивании сортов гороха и в лабораторных экспериментах с плодовой мушкой дрозофилой (рис. 31.3 и 31.4).

31.3. Горох.

31.4. Дрозофила.

Как описать генетический эксперимент

Каждая наука обладает своей терминологией. Это необходимо для того, чтобы учёные всего мира могли правильно понимать друг друга. В опытах генетики пользуются следующими основными обозначениями и терминами.

Р — поколение родителей.

F₁ — потомки первого поколения.

F₂, F3,..., Fn ^— потомки второго и последующих поколений.

Признак — это особенность, по которой можно отличить один организм от другого. Так, в опыте Кёльрёйтера белая и красная окраска цветков — это разные признаки. Признаки называются альтернативными, если они не могут одновременно присутствовать у одного растения: белые цветки не могут быть одновременно красными, и наоборот. Признаки называются дискретными, если между ними нет переходных вариантов, или непрерывными, если такие варианты есть.

31.5. Примеры признаков, по которым отличаются особи одного вида.

• Найдите на рисунках различные признаки. Какие из них дискретны, а какие - непрерывны?

Чистая линия — наследственно однородная группа растений или животных, которая устойчиво передаёт по наследству свои признаки потомкам и не даёт расщепления при скрещивании. Например, в искусственно выведенной линии белых мышей с вероятностью 99,9% рождаются мышата с белой шерстью.

Если селекционер, выводящий чистую линию, добивается проявления нескольких неальтернативных признаков одновременно и отбраковывает все нежелательные комбинации, он может добиться устойчивого наследования целого комплекса признаков. Это происходит далеко не всегда. Но если результат всё же достигнут, то говорят о выведении чистой породы или сорта.

Порой такой же результат достигается противоположным способом: выбирая для размножения только особей, имеющих все нужные проявления признаков. Иногда из одного-единственного растения с необычными признаками удаётся прорастить все его семена и размножить несколько поколений потомков, которые дадут начало новому чистому сорту.

Гибрид — потомок от скрещивания различных родителей, в том числе принадлежащих разным чистым линиям. Например, от скрещивания белой мыши с серой домовой мышью дикого (природного) типа окраски рождаются гибриды.

Расщепление — различие гибридных потомков по признакам, унаследованным от родителей. Потомки от скрещивания внутри чистых линий такими различиями не обладают. Однако если скрестить белых и серых мышей, то среди их потомков могут быть как белые, так и серые мышата, то есть появится расщепление признаков по окраске.

Генетика и теория вероятностей

Основоположники генетики как науки, в отличие от вас, не знали цитологии, основные открытия в которой были сделаны во второй половине XIX века. Однако математика уже тогда была на должной высоте. Эти знания помогли развитию генетики.

Проведём простой опыт, обобщение которого легло в основу математической теории вероятностей в XVII веке. Будем подбрасывать монету и считать, сколько раз она выпадет стороной, обозначающей её достоинство (“решкой”), по мере увеличения числа бросков.

Результаты выразим долей от числа сделанных бросков. Усложним опыт, бросая две монеты (допустим, 1 рубль и 2 рубля) одновременно. Рассмотрим график результатов (рис. 31.6).

31.6. Результаты опыта с подбрасыванием монет.

• Как упали монеты при первом броске? На каком броске впервые они обе упали “решкой” вверх? В какой доле испытаний выпадала “решка” на первой монете? На второй? В какой доле испытаний на первой монете выпал “орёл”? Какие сочетания “орла” и “решки” возможны на двух монетах? Какое из них более вероятно?

Из этих опытов можно сделать несколько очевидных, но очень важных для нас наблюдений и выводов.

1. При каждом броске может выпасть либо “орёл”, либо “решка”, потому что проявления признака “сторона монеты” альтернативны — несовместимы в одном результате.

2. Выпадение “орла” или “решки” при каждом броске нельзя предсказать заранее - это случайное событие.

3. Ни одна сторона монеты не имеет преимущества, поэтому вероятность выпадения “орла” такая же, как “решки”: 1/2 = 0,5, то есть в половине случаев бросания.

4. Выпадение “орла” или “решки” на второй монете не зависит от результатов броска первой монеты. Так ведут себя независимые признаки.

Для сравнения вспомним игру, например, в домино, где выбор фишек ограничен их общим количеством. Поэтому чем больше “шестёрок” получит один игрок, тем меньше достанется остальным. Следовательно, число “шестёрок” у второго игрока - случайный, но зависимый признак.

5. Вероятность комбинации проявления независимых признаков равна произведению вероятностей проявления каждого признака в отдельности. Так, вероятность выпадения “решки” на каждой монете в отдельности равна 0,5, а на двух одновременно - 0,5 * 0,5 = 0,25.

• Как оценить вероятность того, что при броске двух монет не выпадет две “решки” сразу? Какова вероятность того, что на двух монетах выпадет одна (и только одна) “решка”?

6. В серии бросков доля выпавших “решек” отличается от ожидаемой, но с увеличением числа попыток она всё ближе к ожидаемой. Результат множества случайных испытаний закономерен. Это правило, доказанное математиками, известно, как закон больших чисел.

7. По результатам большого числа испытаний можно точно оценить вероятность исхода единственного случайного события. Например, по результатам опытов мы можем утверждать, что одновременное выпадение “решки” на двух монетах ровно в 3 раза менее вероятно, чем другие исходы.

Кто-то заметит, что это и так ясно: мы же видим, что результат следует из комбинации равновероятных исходов двух независимых событий. Да, конечно. Но природа часто скрывает от нас механизм своих действий. Во многих случаях судить о механизме мы можем по результату этих действий.

Первые закономерности наследования

Первое полезное правило мы уже знаем: оба родителя вносят равноценный вклад в наследственные свойства потомков. Это и есть правило эквивалентности наследования по мужской и женской линии.

Давно замечено, что гибриды первого поколения оказываются все как один похожи друг на друга. Однако во втором и последующих поколениях у потомков проявляются как признаки родителей, так и, возможно, более давних предков (рис. 31.7).

31.7. Наследование признаков.

Это позволило сформулировать ещё два “рабочих” правила: о единообразии гибридов первого поколения и о расщеплении признаков во втором и последующих поколениях.

Обобщение новых знаний

Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости.

На ранних этапах развития генетики разработаны методы научного эксперимента. Теория вероятностей позволяет судить о механизмах наследственности по результатам проявления признаков. Обнаружены правила наследования: эквивалентность наследования по мужской и женской линии, единообразие гибридов первого поколения и расщепление признаков во втором и последующих поколениях.

Наследственность. Генетика. Чистая линия. Гибрид. Расщепление

Применение знаний

1. Что такое наследственность? Приведите примеры её действия.

2. В каких случаях у породистой собаки рождаются породистые щенки?

3. Какими методами можно вывести чистую линию неколючих роз?

4. Какие области знания важнее всего для генетики?

5. Какие закономерности наследования вам известны?

6. Верно ли, что у родителей, имеющих альтернативные признаки, все дети будут по этому признаку неотличимы друг от друга?

7. Какова вероятность того, что на двух игральных костях за один бросок выпадут две “шестёрки”?

8. Что можно с уверенностью сказать по поводу облика потомков от скрещивания фиолетового и белого сортов узамбарcкой фиалки?

9. Какова вероятность выигрыша в лотерее, если для этого нужно угадать шесть цифр шестизначного числа?