Текст книги "Общая биология. Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы"

§ 2. Наследственная (генотипическая) изменчивость

В данном случае происходит изменение генотипа и как результат меняются признаки (или их комбинации). Новые признаки наследуются, т. е. передаются последующим поколениям организмов.

Выделяют две формы наследственной изменчивости – комбинативную и мутационную. При комбинативной сами гены не меняются, другим становится лишь их сочетание. При этой форме изменчивости имеющиеся признаки комбинируются (в ряду поколений особей) по-разному, что создает большое разнообразие организмов. Комбинативная изменчивость осуществляется в процессе полового размножения (см. главу 7).

Существует три ее источника:

♦ при независимом расхождении хромосом в ходе мейоза образуются гаметы с разными сочетаниями генов, т. е. разнокачественные гаметы;

♦ сочетания при оплодотворении гамет разных типов (по комплексу генов) равновероятны, что обеспечивает формирование разнокачественных зигот, из которых разовьются различающиеся между собой особи;

♦ за счет процесса кроссинговера повышается разнообразие гамет в результате перекомбинации генов в ходе мейоза между гомологичными хромосомами.

Посмотрим, что представляет собой кроссинговер (рис. 52).

Рис. 52. Упрощенная схема кроссинговера. Две гомологичные хромосомы разрываются в точке контакта (II), и участки их воссоединяются в ином сочетании, вследствие чего образуются две хромосомы (III), каждая из которых содержит участки обоих исходных хромосом(I)

В профазе мейоза (см. главу 6) гомологичные хромосомы каждой пары сближаются, располагаются параллельно друг другу и между ними образуются прочные связи, хромосомы перекручиваются. На этом этапе может происходить (в некоторой части делящихся мейозом клеток) разрыв обеих хромосом на одном уровне, взаимный обмен идентичными участками гомологичных хромосом и восстановление целостности каждой хромосомы. В ходе кроссинговера происходит, таким образом, обмен генами между двумя гомологичными хромосомами. Это обеспечивает новые сочетания генов при образовании гамет, а следовательно, и появление особей с иными сочетаниями признаков, т. е. увеличивается разнообразие особей данного вида.

Мутационная изменчивость. Термин «мутация» впервые был введен в генетику Гуго де Фризом (1901 г.), голландским ботаником. Мутацией он назвал явление скачкообразного, внезапного изменения наследственного признака.

Выделяют три формы мутационной изменчивости:

1) генные мутации, когда происходят изменения в самих генах – в составе и последовательности нуклеотидов;

2) хромосомные мутации: изменения осуществляются на уровне хромосомы – утрата (отрыв и потеря) ее участка, присоединение к хромосоме участка, оторвавшегося от другого, и т. д.;

3) геномные мутации – изменения в числе хромосом у данного организма: либо в кратное число раз гаплоидному набору хромосом – 3n, 4n, 5n и т. д. – это полиплоидия, либо на одну или несколько хромосом в наборе – (2n +1), (2n – 1), (2n + 2), (2n–2) и т. д. – гетероплоидия (рис. 53 и 54).

Рис. 53. Механизм возникновения: а – полиплоидии; 6 – гетероплоидии

Рис. 54. Цветки: а – диплоидного; б – тетраплоидного растения лилии– типичный пример увеличения размеров, наблюдаемого при удвоении числа хромосом [9]

§ 3. Роль окружающей среды в возникновении мутаций

При всех формах мутаций затрагивается генотип, а следовательно, произошедшие изменения передаются по наследству. Причинами же оказываются различные физические и химические факторы. В естественных (природных) условиях это, например, ультрафиолетовое облучение, радиация, температура, выброс в среду химических веществ в больших концентрациях (как при извержении вулканов) и т. д. Подмечено, что в регионах с повышенным радиационным фоном (где есть действующие вулканы) у организмов наблюдается большая частота мутаций.

Факторы, их вызывающие, носят название мутагенов. Из тех, с которыми человек сталкивается повседневно, можно упомянуть алкоголь, никотин, наркотики, ядовитые и лекарственные препараты (неправильно применяемые). Все они могут вызывать мутации, приводящие к развитию у потомства различных заболеваний и аномалий развития.

Мутации также можно вызвать у организмов специально, в эксперименте (для научно-исследовательских целей, в селекции – при выведении новых сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов). При этом используются разные физико-химические воздействия, способные привести к намеченному результату.

По значению для организмов мутации можно классифицировать как полезные, нейтральные и вредные. Те, которые усиливают жизнеспособность, повышают плодовитость, расширяют приспособительные возможности особей, относят к числу полезных, другие, с противоположными функциями, – ко вредным. Нейтральными называются мутации, не приносящие видимой пользы или вреда организму. Такая классификация весьма условна, поскольку при изменении условий внешней среды полезные мутации могут оказаться вредными и наоборот.

Соматические и генеративные мутации. Мутации могут происходить как в соматических клетках, так и в половых. Значение их неравноценно.

В первом случае изменения касаются генотипа соматической клетки. В ходе ее деления новые свойства передаются потомкам (последующим поколениям клеток). Если у растения мутирует клетка, из которой образуется почка, а затем побег, то последний будет иметь качества, отличающие его от других частей данного растения (например, на кусте черной смородины появится побег с белыми ягодами). Чем на более ранней стадии развития организма возникает такого рода мутация, тем больше участок ткани, ее несущий.

Соматические мутации, встречающиеся у человека в процессе эмбрионального развития, способны привести к нарушению развития того или иного органа, т. е. послужить причиной аномалий развития и уродств (см. главу 8). Не исключено, что ими же, в частности, объясняется старение людей. Однако при половом размножении признаки, возникшие в результате соматических мутаций, потомкам не передаются (т. е. не наследуются), поскольку эти мутации не затрагивают гаметы.

Генеративные мутации возникают в процессе формирования половых клеток. Новые признаки, обусловленные ими, проявляются лишь у особей следующего поколения (и их потомков) т. е. наследуются.

§ 4. Генетика человека и медицинская генетика

Изучение наследственности и изменчивости у человека связано с определенными методическими трудностями. Например, невозможность применения основного метода в генетике – гибридологического. Невозможность экспериментальных исследований (любые опыты на людях запрещены международным правом). Поэтому в генетике человека используются специальные методы, дающие возможность эффективно вести исследования.

Один из главных ее разделов – медицинская генетика, задачей которой стали выявление и профилактика наследственных болезней и аномалий развития. Для этого широко используется генеалогический метод – изучение родословных (рис. 55 и 56), т. е. наследования признаков (в том числе и патологических) в поколениях людей, находящихся в родственных отношениях. С помощью данного метода можно определить, действительно ли изучаемый признак наследственный, а также характер наследования (доминантный или рецессивный, сцепленный с полом или же нет).

Рис. 55. Условные обозначения ипринцип построения родословной: а – наиболее употребительные символы, принятые при составлении родословных человека; б-пример родословных человека с доминантными аномалиями

Рис. 56. Примеры родословных человека: а – с рецессивными признаками; б-по полидактилии– шестипалость (доминантный признак) [15]

Соотношение роли генотипа и внешних условий в развитии контретных признаков проясняет близнецовый метод. Поскольку у однояйцовых близнецов одинаковые генотипы, сопоставляя их признаки и условия среды в период развития, можно сделать выводы, насколько формирование того или иного признака жестко определяется генотипом или зависит от условий среды.

Цитогенетический метод основан на микроскопическом исследовании хромосом. Поскольку все их 23 пары у человека детально изучены, можно фиксировать изменение числа или структуры хромосом. Устанавливая связь этого с конкретными заболеваниями, получают надежные методы диагностики, выявления наследственных болезней еще у новорожденных (рис. 57), что очень важно. При раннем выявлении ряда заболеваний, передающихся по наследству, лечение окажется эффективным.

Многие наследственные заболевания, связанные с нарушениями обмена веществ, диагностируются с помощью биохимических методов. Они позволяют выявить либо аномальные белки-ферменты, либо промежуточные продукты обмена, свидетельствующие о наличии болезни. Сегодня установлено более 1 тыс. заболеваний и нарушений обмена веществ у человека, имеющих наследственную природу.

Рис. 57. Наследственные заболевания, связанные с изменением числа хромосом: а – синдром Дауна (лишняя хромосома в 21-й паре); б – синдром Клайнфсльтера (лишняя Х-хромосома у мужчины); в – синдром трисомии по Х-хромосомам (лишняя Л-хромосома у женшины); г– синдром Тернера-Шершевского (нехватка одной Х-хромосомы у женшины) [2]

Актуальные задачи медицинской генетики. Можно выделить несколько наиболее важных перспектив:

♦ изучение причин возникновения мутаций, приводящих к наследственным заболеваниям и аномалиям развития у человека (разнородные химические и физические факторы);

♦ поиск и разработка антимутагенных препаратов (предохраняющих от действия мутагенов);

♦ профилактика и лечение наследственных болезней человека (разработка методов диагностики и поиски методов лечения);

♦ развитие и расширение медико-генетического консультирования, которое должно помогать населению в прогнозировании здоровья будущих или родившихся детей; очень важна ранняя диагностика при беременности.

§ 5. Генетика и селекция

Генетика служит теоретической основой селекции – науки, разрабатывающей методы выведения и улучшения пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов.

Все особи внутри породы или сорта должны иметь сходные, наследственно закрепленные и ценные для человека свойства – продуктивность, определенный комплекс физиологических и морфологических качеств, а также однотипную реакцию на определенные факторы среды. Наследственная изменчивость исходных организмов – основание для создания новых пород животных или сортов растений.

Зная закономерности наследования отдельных признаков, можно сочетать их (путем скрещивания) у потомков. Так, например, у пшеницы можно добиться сочетания типа колоса и характера развития (яровой или озимый).

Все созданные и создаваемые породы и сорта отличаются от диких предков. Это объясняется тем, что селекционеры целенаправленно отбирают для скрещивания особей, обладающих какими-то мутантными признаками, и производят их комбинации путем скрещивания.

Огромное значение для развития селекции имело открытие и использование искусственного мутагенеза, т. е. возможности вызывать появление новых мутаций у микроорганизмов, растений или животных, воздействуя на них каким-либо мутагенным фактором (рентгеновские лучи, ультрафиолетовое облучение, различные химические вещества, температура и т. д.).

Ценным источником изменчивости для селекции растений служит полиплоидия (см. выше). У полиплоидных растений, как правило, органы (плоды, листья, цветки) существенно крупнее, чем у диплоидных. Так, например, у тетраплоидного хлопчатника (4 м) в более крупной коробочке содержится на 30 % больше волокон. Масса зерен у тетраплоидной ржи (4 м) сорта «ленинградская тетра» примерно вдвое больше, чем у диплоидной того же сорта.

Для интенсификации процесса изменчивости внедряется метод отдаленной гибридизации (скрещивание особей разных видов и даже родов). Новые перспективы в селекции открываются также в связи с прогрессом генной инженерии. Она создала методы и приемы для введения генов, выделенных у одних организмов (или искусственно синтезированных), в другие с передачей им новых признаков и свойств. Сегодня генная инженерия уже широко используется в селекции микроорганизмов; достигнуты первые успехи в переносе генов между разными видами растений и животных.

Глава 11. Основы экологии

§ 1. Экология как наука. Экологические факторы

В начале XX в. сформировалась новая биологическая наука – экология. В переводе с греческого – это «наука о местообитании». Экология изучает как взаимоотношения организмов одного или разных видов, так и взаимодействие живых существ с неживой природой.

Представления о наличии взаимосвязи живых существ между собой и со средой их обитания существовали в биологии уже давно. В зоологических и ботанических работах издавна помимо описания строения животных и растений рассказывалось об условиях их существования.

Сам термин «экология» был введен в науку в 1866 г. видным немецким биологом Э. Геккелем. Однако лишь в XX в., преимущественно во второй его половине, чисто экологические исследования получили огромный размах. И это, конечно, не случайно.

Развитие человеческого общества в конце II тысячелетия характеризуется интенсивным ростом численности населения, а следовательно, и возрастанием потребностей человечества в пище и сырье. В условиях научно-технического прогресса воздействия людей на природу приобрели поистине планетарный характер. Огромные пространства на Земле подверглись коренным преобразованиям в результате хозяйственной деятельности человека. Это выразилось и в истощении природных ресурсов, и в разрушении природных комплексов, и в загрязнении внешней среды.

Человек вступил в острый конфликт с природой, углубление которого грозит глобальной экологической катастрофой. В результате могут погибнуть многие виды организмов, и в первую очередь сам человек. Чтобы предотвратить это, нам необходимо пересмотреть свои взаимоотношения с окружающим миром. Существование и развитие человеческого общества должно строиться на глубоком понимании законов существования и развития живой природы, природных комплексов и систем.

Научной основой для решения вышеназванных проблем послужит именно экология. Сегодня она стремительно накапливает данные и оказывает все усиливающееся влияние на естествознание, науку в целом, а также на все сферы деятельности человека – сельское хозяйство, промышленность, экономику и политику, образование, здравоохранение и культуру. Только на базе экологических знаний могут быть построены эффективная система охраны природы и рациональное природопользование.

Экологические факторы. Для каждого вида организмов присуща определенная среда обитания, т. е. комплекс условий, необходимых для их нормального существования. В экологии это заменено понятием экологических факторов, воздействующих на живые организмы. Экологические факторы разнообразны по своей природе и характеру воздействия на организмы. Общепринято подразделять их на три основные группы – абиотические, биотические и антропогенные.

§ 2. Абиотические факторы

Абиотические факторы – факторы неживой природы, физические и химические по своему характеру. К их числу относятся: свет, температура, влажность, давление, соленость (особенно в водной среде), минеральный состав (в почве, в грунте водоемов), движения воздушных масс (ветер), движения водных масс (течения) и т. д. Сочетание различных абиотических факторов определяет распространение видов организмов по разным областям земного шара. Всем известно, что тот или иной биологический вид встречается не повсеместно, а в районах, где имеются необходимые для его существования условия. Именно этим, в частности, объясняется географическая приуроченность различных видов на поверхности нашей планеты.

Следует отметить, что сушествует немало вилов-космополитов, т. е. обитаюших повсюду. Например, двустворчатый моллюск милия живет в морях и океанах обоих полушарий от полярных областей до экватора. Много видов-космополитов встречается среди паразитов. Например, такие паразиты человека, как дизентерийная амеба, детская острица, аскарида, вши, распространены повсеместно.

Как уже отмечалось выше, существование определенного вида зависит от сочетания множества различных абиотических факторов. Причем для каждого вида значение отдельных факторов, а также их комбинации весьма специфично.

Важнейшим для всех живых организмов является свет. Во-первых, потому, что это практически единственный источник энергии для всего живого. Автотрофные (фотосинтезирующие) организмы – цианобактерии, растения, преобразуя энергию солнечного света в энергию химических связей (в процессе синтеза органических веществ из минеральных), обеспечивают свое существование. Но кроме того, органические вещества, ими созданные, служат (в виде пищи) источником энергии для всех гетеротрофов. Во-вторых, свет играет важную роль как фактор, регулирующий образ жизни, поведение, физиологические процессы, происходящие в организмах. Вспомним такой хорошо известный пример, как осеннее сбрасывание листвы у деревьев. Постепенное сокращение светового дня запускает сложный процесс физиологической перестройки растений в преддверии долгого зимнего периода.

Изменения светового дня в течение года имеют огромное значение и для животных умеренного пояса. Сезонностью обусловлены размножение многих их видов, смена оперения и мехового покрова, рогов у копытных, метаморфоз у насекомых, миграции рыб, птиц.

Не менее важным абиотическим фактором, чем свет, является температура. Большинство живых существ может жить лишь в диапазоне от–50 до +50 °C. И главным образом в местах обитания организмов на Земле отмечаются температуры, не выходящие за эти пределы. Однако есть виды, которые приспособились к существованию при очень высоких или низких значениях температуры. Так, некоторые бактерии, круглые черви могут обитать в горячих источниках с температурой до +85 °C. В условиях Арктики и Антарктиды встречаются разные виды теплокровных животных – белые медведи, пингвины.

Температура как абиотический фактор способна существенно влиять на темпы развития, физиологическую активность живых организмов, поскольку подвержена суточным и сезонным колебаниям.

Другие абиотические факторы не менее важны, но в разной степени для разных групп живых организмов. Так, для всех наземных видов существенную роль играет влажность, а для водных – соленость. На фауну и флору островов в океанах и морях значительное влияние оказывает ветер. Для обитателей почвы важна ее структура, т. е. размер частиц грунта.

§ 3. Биотические и антропогенные факторы

Биотические факторы (факторы живой природы) представляют собой разнообразные формы взаимодействий организмов как одного, так и разных видов.

Взаимоотношения организмов одного вида чаще имеют характер конкуренции, причем достаточно острой. Это обусловлено их одинаковыми потребностями – в пище, территориально пространстве, в свете (для растений), в местах гнездования (для птиц) и т. д.

Нередко во взаимоотношениях особей одного вида встречается и кооперация. Стайный, стадный образ жизни многих животных (копытных, котиков, обезьян) позволяет им успешно защищаться от хищников, обеспечить выживание детенышей. Любопытный пример представляют волки. У них в течение года наблюдается смена конкурентных отношений на кооперативные. В весенне-летний период волки живут парами (самец и самка), выращивают потомство. При этом каждая пара занимает определенную охотничью территорию, обеспечивающую их пропитание. Между парами идет жесткая территориальная конкуренция. В зимний же период волки собираются в стаи и совместно охотятся, причем в волчьей стае складывается довольно сложная «социальная» структура. Переход от конкуренции к кооперации обусловлен здесь тем, что в летний период добычи (мелких животных) много, а зимой доступны лишь крупные животные (лоси, олени, кабаны). С ними волку в одиночку не справиться, вот и образуется стая для успешной совместной охоты.

Взаимоотношения организмов разных видов весьма разнообразны. У тех, которые имеют сходные потребности (в пище, местах гнездования), наблюдается конкуренция. Например, между серой и черной крысами, рыжим тараканом и черным. Не очень часто, но между разными видами складывается кооперация, как на птичьем базаре. Многочисленные птицы мелких видов первыми замечают опасность, приближение хищника. Они поднимают тревогу, а крупные, сильные виды (например, серебристые чайки) активно нападают на хищника (песца) и прогоняют его, защищая и свои гнезда, и гнезда мелких птах.

Широко распространено во взаимоотношениях видов хищничество. При этом жертву хищник убивает и целиком съедает. К такому способу близко примыкает и растительноядность: здесь также особи одного вида поедают представителей другого (иногда, правда, не целиком съедая растение, а лишь частично).

Очень часто во взаимоотношениях разных видов встречаются симбиотические связи. Под симбиозом понимают совместное существование двух видов организмов. Один вид (симбионт) существует благодаря «эксплуатации» другого (хозяина). Различают три основные формы симбиоза: комменсализм, мутуализм и паразитизм.

При комменсализме симбионт извлекает пользу из сожительства, а хозяину не причиняется вреда, но он и не получает никакой пользы. Например, рыба-лоцман (комменсал), живя возле крупной акулы (хозяин), имеет надежного защитника, да и «со стола» хозяина ей перепадает пища. Акула же попросту не замечает своего «нахлебника». Широко наблюдается комменсализм у животных, ведущих прикрепленный образ жизни, – губок, кишечнополостных (рис. 58).

Рнс. 58. Актиния на раковине, занятой раком-отшельником [11]

Личинки этих животных оседают на панцирь крабов, раковину моллюсков, а развившиеся взрослые организмы используют хозяина как «транспортное средство».

Мутуалистические взаимоотношения характеризуются обоюдной выгодой как для мутуалиста, так и для хозяина. Широко известные примеры тому – кишечные бактерии у человека («поставляющие» своему хозяину необходимые витамины); клубеньковые бактерии – фиксаторы азота, – живущие в корнях растений, и т. д.

Паразитизм характеризуется антагонистическими отношениями. Паразит, питаясь за счет хозяина (его тканей, крови, питательных веществ), причиняет ему вред, а хозяин стремится уничтожить или удалить паразита либо подавить его активность и жизнеспособность. Паразит, в свою очередь, противодействует защитным реакциям хозяина.

Наконец, два вида, существующие на одной территории («соседи»), могут никак не взаимодействовать друг с другом. В этом случае говорят о нейтрализме, отсутствии каких-либо взаимоотношений видов.

Антропогенные факторы – факторы (воздействующие на живые организмы и экологические системы), возникающие в результате деятельности человека (см.§ 4 в главе 12).