Конспект по биологии на тему "Материал для естественного отбора. Мутации. эволюционная роль мутаций" (11 класс). Эволюционная роль мутаций. В настоящее время на нашей планете обитает несколько миллионов видов живых организмов, каждый из которых по-своему

Благодаря изучению генетических процессов в популяции живых организмов эволюционная теория получила дальнейшее развитие. Большой вклад в популяционную генетику внес русский ученый С.С. Четвериков. Он обратил внимание на насыщенность природных популяций рецессивными мутациями, а также на колебания частоты генов в популяциях в зависимости от действия факторов внешней среды и обосновал положение о том, что эти два явления - ключ к пониманию процессов эволюции.

Действительно, мутационный процесс - постоянно действующий источник наследственной изменчивости. Гены мутируют с определенной частотой. Подсчитано, что в среднем одна гамета из 100 тыс. - 1 млн гамет несет вновь возникшую мутацию в определенном локусе. Поскольку одновременно мутируют многие гены, то 10-15% гамет несут те или иные мутантные аллели. Поэтому природные популяции насыщены самыми разнообразными мутациями. Благодаря комбина- тивной изменчивости мутации могут широко распространяться в популяциях. Большинство организмов гетерозиготно по многим генам. Можно было бы предположить, что в результате полового размножения среди потомства будут постоянно выщепляться гомозиготные организмы, а доля гетерозигот должна неуклонно падать. Однако этого не происходит. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев гетерозиготные организмы оказываются лучше приспособлены к условиям существования, чем гомозиготные.

Вернемся к примеру с бабочкой березовой пяденицей.

Казалось бы, светлоокрашенных бабочек, гомозиготных по рецессивной аллели (аа ), обитающих в лесу с темными стволами берез, быстро должны уничтожить враги и единственной формой в данных условиях обитания должны стать темноокрашенные бабочки, гомозиготные по доминантной аллели (АЛ). Но на протяжении длительного времени в закопченных березовых лесах Южной Англии постоянно встречаются светлые бабочки березовой пяденицы. Оказалось, что гусеницы, гомозиготные по доминантной аллели, плохо усваивают листья берез, покрытых гарью и копотью, а гетерозиготные гусеницы растут на этом корме гораздо лучше. Следовательно, большая биохимическая гибкость гетерозиготных организмов приводит к их лучшему выживанию и отбор действует в пользу гетерозигот.

Таким образом, хотя большинство мутаций в данных конкретных условиях оказывается вредным и в гомозиготном состоянии мутации, как правило, снижает жизнеспособность особей, они сохраняются в популяциях благодаря отбору в пользу гетерозигот. Для понимания эволюционных преобразований важно помнить, что мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность в других условиях среды. Помимо приведенных примеров можно указать на следующий. Мутация, обусловливающая недоразвитие или полное отсутствие крыльев у насекомых, безусловно вредна в обычных условиях, и бескрылые особи быстро вытесняются нормальными. Но на океанических островах и горных перевалах, где дуют сильные ветры, такие насекомые имеют преимущество перед особями с нормально развитыми крыльями, так как не сдуваются в океан потоками воздушных масс.

Таким образом, мутационный процесс - источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора.

Мутационная изменчивость, с которой мы познакомились ранее, приводит к появлению большого числа вариантов каждого из генов. Однако мутации (генные, хромосомные и геномные) приводят лишь к изменениям генов и соответственно признаков, уже имеющихся у организмов. Эволюционное развитие живой природы наглядно демонстрирует появление большого массива новых признаков и свойств, в особенности при возникновении крупных таксономических образований - новых типов и классов. Откуда же берутся новые признаки и свойства?

Удвоения, или дупликации, наследственного материала. Одним из ведущих механизмов, приводящих к появлению новых генов, является удвоение ДНК. В зависимости от размеров удваивающихся участков молекулярные генетики выделяют внутригенные дупликации, удвоение целых генов, участков хромосом и некоторые другие.

Значение таких дупликаций для эволюционных преобразований впервые было отмечено в начале 30-х гг. XX в. известным английским биохимиком Дж. Холдейном. Ученый и его коллеги предположили, что после удвоения гена его копии могут по-разному накапливать мутации. Впоследствии оказалось, что дупликации целых генов - не единственный способ возникновения новых генов. К аналогичным результатам приводит и удвоение части гена, удлиняющее исходный вариант и, следовательно, вызывающее появление другого гена и соответствующего ему признака. Примером новообразования генов таким способом может служить так называемое семейство генов гормона роста. Так, в результате дупликаций и мутаций из одного исходного гена возникли гены гормона роста, пролактина, плацентарного лактогена и др.

Анализ геномов организмов, стоящих на различных ступенях эволюционной лестницы, показывает, что количество структурных генов у них отличается лишь в разы. Например, у «модного» в генетических исследованиях объекта - крупного червя Caenorhabditis elegans около 20 тыс., а у человека - 25 тыс. генов. В то же время число признаков, определяемых этими генами у человека, на несколько порядков выше. По весьма приблизительным подсчетам, 30 тыс. генов представителя нашего вида вызывают развитие более 300 тыс. признаков. В чем же причина такого многообразия фенотипических проявлений столь небольшого количества генов?

По мнению ученых, таких причин как минимум две.

Во-первых, это изменения регуляторных генов, приводящие к изменению времени и места включения в работу (экспрессии) генов.

Активация гена на более ранних этапах онтогенеза вызывает и усиливает плейотропный эффект гена и, следовательно, большее число его проявлений (см. параграф 13.2) в виде нескольких признаков и свойств.

Во-вторых, у более высокоорганизованных групп живых организмов в большей степени изменяется сам процесс реализации наследственной информации. Вспомните: говоря о транскрипции, мы рассматривали процесс альтернативного сплайсинга (см. параграф 7.2). В результате различного соединения экзонов он дает разные по последовательности нуклеотидов и PH К, синтезированные на одном и том же гене. Такие иРНК транслируются в неодинаковые белки - разные признаки. При изучении процессов реализации наследственной информации оказалось, что у крупного червя С. elegans альтернативный сплайсинг характерен лишь для 20% генов, в то время как у человека более 80% генома реализуется с участием этого процесса.

Опорные точки

• В реально существующих популяциях непрерывно протекает мутационный процесс, приводя к появлению новых вариантов генов и соответственно признаков.
• Мутации являются постоянным источником наследственной изменчивости.
• Ведущую роль в появлении новых генов играют внутригенные и генные дупликации.
• Появление у организма большого количества признаков обусловлено более ранней экспрессией некоторых генов и приобретение ими плейотропного эффекта.
• На число и разнообразие признаков организма оказывает значительное влияние альтернативный сплайсинг.

Вопросы для повторения

• 1. Какие популяционно-генетические закономерности выявил русский биолог С.С. Четвериков?
• 2. Какова частота мутирования одного определенного гена в естественных условиях существования особей?
• 3. Как можно объяснить появление в ходе эволюции множества новых генов у более высокоорганизованных групп организмов по сравнению с менее организованными?
• 4. Что является причиной многократного превышения числа признаков организма над количеством его генов?

Мутацией называют стойкие изменения в генотипе, которые происходят из-за влияния внешних и внутренних факторов. Родоначальником термина является Гуго де Фриз — голландский ботаник и генетик. Процесс, когда появляются мутации, именуется мутагенезом. В сегодняшней статье мы затронем тему мутирования и поговорим о том, какова роль мутации в процессе эволюции.

Причины явления

Характеризуется двумя качествами — спонтанностью и индуцированностью. Появление характеризуется самопроизвольностью и встречается на любой стадии развития организма. Что касается окружающей среды, то она должна быть естественной.

Индуцированный вид мутации является наследственным изменением генома, которое происходит вследствие воздействия различных мутагенов. Организмы помещаются либо в искусственно созданные (экспериментальные), либо в неблагоприятные окружающие условия.

Живые клетки воспринимают мутагенез как естественный для них процесс. К основным процессам, ответственным за мутацию, относят: репликацию и нарушенность восстановления ДНК, транскрипционный процесс и генетическую рекомбинацию.

Мутагенез и его модели

В объяснении и понимании природы и механизмов появления мутаций помогают специальные научные подходы. Полимеразные изменения основываются на теории о прямой и единственной зависимости мутаций с ошибками ДНК-полимера. В татумерных моделях мутагенеза, предложенных двумя известными биологами, впервые была затронута мысль о том, что основной пласт мутаций заключается в возможности ДНК-оснований располагаться в разных татумерных формах.

Ранняя классификация мутаций

Генетиком Меллером была создана классификация мутаций, основанная на видах изменения функционирования генов. Как результат появились следующий виды:

1. Аморфный. Во время мутирования ген теряет практически все свои функции. Примером мутации могут служить изменения у дрозофилы.
2. Гипоморфный. Изменившиеся аллели продолжают действовать по тому же сценарию, что и дикие. Синтезирование белкового продукта проводится в меньшем количестве.
3. Антиморфный. Изменение мутантного признака. Примерами мутации стали некоторые зерна кукурузы - окрашиваются в а не в пурпурный.
4. Неоморфный.

Поздняя классификация мутаций

В современных научных справочниках есть упоминание о формальной классификации, которая отталкивается от изменений, проходящих в различных структурах. Исходя из этого разделения, выделяются следующие мутации:

1. Геномные.
2. Хромосомные.
3. Генные.

С геномными мутациями связаны изменения хромосом, общее количество которых не соотносится с галоидным набором.

Хромосомным мутациям приписывают перестройку отдельных хромосом в большом количестве. Генетический материал в таком случае теряет какую-то часть или, наоборот, удваивает ее.

Что касается генной мутации, то она лишь незначительно изменяет ДНК-структуру гена, в отличие от других видов, однако ее возникновение случается гораздо чаще.

Внутри генного вида выделяется еще один подвид, именуемый точечной мутацией. В ней одно азотистое основание заменяется на другое.

Бывает и такое, что вредность мутаций постепенно заменяется на полезность. Толчком для таких изменений становятся постоянно меняющиеся условия существования организмов. Так какую роль играют мутации?

Возьмем в пример естественный отбор — известный эволюционный процесс, во многом зависящий от изменчивости. Рассмотрим эволюционную роль мутации на примере мутантов-меланистов (особей с темной окраской), которые были обнаружены английскими учеными 14 века при изучении березовых пядениц. Помимо бабочек, окрашенных в типично светлые цвета, были найдены и другие особи, чей окрас был гораздо темнее. Причиной такого сильного отличия стал мутировавший ген.

Дело в том, что обычным местом обитания для таких бабочек являются деревья, на стволах которых обильно растет лишайник. Царившая в ранние годы промышленная революция вместе с сильным загрязнением атмосферных слоев привели к гибели лишайников. На когда-то светлых стволах появилась копоть, которая мешала естественной маскировке Все это привело к тому, что особи, чьим место обитания были промышленные районы, изменили цвет своего морфа со светлого на темный. Такая эволюционная роль мутации помогла выжить многим бабочкам, в то время как их не очень удачные светлые сородичи стали жертвами нападений хищных птиц.

Подобные изменения происходят у самых разнообразных видов по всему миру. Появление таких полезных признаков, являющихся основой эволюционной роли мутации, приводит к тому, что естественный отбор дает начало новым подвидам и видам среди живых организмов. Мутирование происходит постоянно, потому что это естественная способность наших генов.

Еще больше информации о мутации вы найдете в учебниках по биологии и специальной научной литературе.

Предмет: Биология

Тема: «Эволюционное значение мутаций»

Цель урока : создать условия для усвоения понятия мутация, рассмотреть эволюционную роль мутаций.

Задачи урока:

Воспитательная: патриотическое воспитание на примере отечественных ученых, изучивших мутационный процесс;

Развивающая: формирование умений и навыков самостоятельной работы, заложить основы для изучения генетики;

Образовательная : рассмотреть суть мутационного процесса, выявить его роль в эволюции.

Тип урока : Комбинированный.

Метод проведения : беседа, объяснение, самостоятельная работа групповая работа.

Ход урока:

Организационный момент . Приветствие. Подготовка аудитории к работе. Проверка наличии учащихся.

Проверка знаний учащихся и целепологание .

Учитель: сейчас мы выполним тестовое задание, с помощью которого мы узнаем что мы будем изучать на сегодняшнем уроке. (учащиеся приступают к выполнению теста). Приложение 1.

Учитель вместе с учащимися, с помощью правильно выполненного теста, сообщают тему урока и цель урока.

Изложение нового материала.

Учитель: Записываем тему урока.

Вспомним, эволюция делится на два вида:

Эволюция

Микроэволюция Макроэволюция

Дайте определение понятия микроэволюция? (видообразование).

Учитель проводит фронтальный опрос чтобы направить учащихся на самостоятельное изучение данной темы:

Единицей наследственности, является …?

Где находится хромосома?

С помощью рисунка на презентации и рассуждений вместе с учителем, учащиеся сами формулируют определение термину ген. (Ген – это участок молекулы ДНК, содержащая наследственную информацию).

Учитель: живой организм и каждая его клетка всегда подвергаются различным воздействиям окружающей среды. Воздействие внешней среды могут вызвать нарушения в процессе деления клетки и «ошибки» в копировании генов и хромосом. Как вы думаете, к чему приводят такие «ошибки»? (Мутациям)

Мутация – изменения наследственного аппарата клетки, затрагивающие целые клетки или их части.

Учитель: Вопрос классу: Какова роль мутаций в эволюционном процессе? Для ответа на этот вопрос мы рассмотрим более подробно мутационный процесс. Какими бывают мутации?

Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови).

Мутация как фактор эволюции.

Учитель: Изучением природных мутаций занимался наш отечественный ученый С.С. Четвериков. Большинство мутаций вредны, но редковозникающие полезные мутации являются исходным материалом для эволюции.

Возникающие рецессивные мутации уходят в гетерозиготное состояние и незаметны. Но каждый вид (популяция), как губка, насыщается этими мутациями. Таким образом, имеет место скрытая изменчивость. Поскольку генетическое разнообразие является результатом эволюции, то мутация необходима для эволюционного прогресса.

Процессы, изменяющие генетическую структуру популяции.

Известно, что в разных популяциях одного вида частота мутантных генов неодинакова:

Природные катастрофы;

Миграции;

«Волны численности»;

Изоляция.

Учащимся нужно разделиться на группы и составит план выступления перед классом на тему выбранного процесса, изменяющую генетическую структуру популяции.

Подведение итогов (рефлекция)

Сегодня на уроке я...

Самым полезным интересным для меня было...

Я встретился с трудностью при...

Учитель: На какую оценку вы оцениваете сегодняшнюю работу в классе?

Закрепление изученного материала (вывод по уроку):

Какую роль играют мутации в процессе эволюции?

Домашнее задание. Заполнить таблицу (приложение 3) и ответить на вопросы стр. 58.

Приложение 1.

Тест на тему: «Вид – эволюционная единица. Его критерии и структура»

Какое из утверждений наиболее правильно:

2) Кто из перечисленных организмов не может эволюционировать?

У) самка пчелы.

И) популяция пчел.

Т) Стая голубей.

3) Критерий, характеризующий определённый ареал, занимаемый видом в природе, - это…
Л) Экологический критерий
Б) Морфологический критерий
Т). Географический критерий
Г) Физиологический критерий

4) Совокупность географически и экологически близких популяций, способных скрещиваться между собой, обладающих общими морфо-физиологическими признаками, - это…
А) Вид
Н) Особь
В) Популяция
Ш) Класс

5) Степень подвижности особей выражается расстоянием, на которое может перемещаться животное, - это расстояние называется…
Ц) Радиусом индивидуальной активности
Ж) Миграцией
Д) Изоляцией
И) Верного ответа нет

6) Для видов обитающих в Байкале, ареал ограничивается этим озером, - это пример … критерия
К) Экологического
Т) Морфологического
И) Географического
Г) Физиологического

7) .Критений вида, включающий в себя совокупность факторов внешней среды, составляющих непосредственную среду обитания вида, - это … критерий
Я) Экологический
У) Географический
И) Морфологический
Г) Верного ответа нет

Благодаря изучению генетических процессов в популяции живых организмов эволюционная теория получила дальнейшее развитие. Большой вклад в популяционную генетику внес русский ученый С.С. Четвериков. Он обратил внимание на насыщенность природных популяций рецессивными мутациями, а также на колебания частоты генов в популяциях в зависимости от действия факторов внешней среды и обосновал положение о том, что эти два явления - ключ к пониманию процессов эволюции.

Действительно, мутационный процесс - постоянно действу­ющий источник наследственной изменчивости. Гены мутируют с определенной частотой. Подсчитано, что в среднем одна гамета из 10 тыс. - 1 млн. гамет несет вновь возникшую мутацию в определенном локусе. Так как одновременно мутируют многие гены, то 10-15 % гамет несут те или иные мутантные аллели. Поэтому природные популяции насыщены самыми разнообразными мутациями. Благодаря комбинативной изменчивости мутации могут широко распространяться в популяциях. Большинство организмов гетерозиготно по многим генам. Можно было бы предположить, что в результате полового размножения среди потомства будут постоянно выщепляться гомозиготные организмы, а доля гетерозигот должна неуклонно падать. Однако этого не происходит. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев гетерозиготные организмы лучше приспособлены, чем гомозигот­ные.

Вернемся к примеру с бабочкой березовой пяденицей. Казалось бы, светлоокрашенных бабочек, гомозиготных по рецессивному аллелю (аа), обитающих в лесу с темными стволами берез, быстро должны уничтожить враги и единственной формой в данных условиях обитания должны стать темноокрашенные бабочки, 202 гомозиготные по доминантному аллелю (АД). Но на протяжении длительного времени в закопченных березовых лесах Южной Англии постоянно встречаются светлые бабочки березовой пяденицы. Оказалось, что гусеницы, гомозиготные по доминантно­му аллелю, плохо усваивают листья берез, покрытые гарью и копотью, а гетерозиготные гусеницы растут на этом корме гораздо лучше. Следовательно, большая биохимическая гибкость гете­розиготных организмов приводит к их лучшему выживанию и отбор действует в пользу гетерозигот.

Таким образом, хотя большинство мутаций в данных конкретных условиях оказывается вредным и в гомозиготном состоянии мутации, как правило, снижают жизнеспособность особей, они сохраняются в популяциях благодаря отбору в пользу гетерозигот. Для понимания эволюционных преобразо­ваний важно помнить, что мутации, вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность в других условиях среды. Помимо приведенных примеров можно указать на следующий. Мутация, обусловливающая недоразвитие или полное отсутствие крыльев у насекомых, безусловно, вредна в обычных условиях, и бескрылые особи быстро вытесняются нормальными. Но на океанических островах и горных перевалах, где дуют сильные ветры, такие насекомые имеют преимущество перед особями с нормально развитыми крыльями.

Таким образом, мутационный процесс - источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора.

Вопросы для повторения и задания

Какие попупяционно-генетические закономерности выявил русский биолог С.С. Четвериков?

Какова частота мутирования одного определенного гена в естественны» условиях существования особей?

В чем причина гетерозиготности природных популяций?

В чем заключается эволюционная роль мутаций?

Еще по теме Глава 16.МИКРОЭВОЛЮЦИЯ. 141. ЭВОЛЮЦИОННАЯ РОЛЬ МУТАЦИЙ:

1. ПРОГРАММА ЭВОЛЮЦИОННОГО РАЗВИТИЯ Вселенский Разум имеет программу эволюционного развития, которая заложена в нашем разуме на уровне подсознания.

Из этого урока вы узнаете о том, как мутации связаны с эволюционным процессом. Вспомните или узнаете, что такое мутации. Каково их значение? Как онкологические заболевания связаны с эволюцией? В данном уроке вы познакомитесь с двумя видами наследственной изменчивости (комбинативной и мутационной) и рассмотрите мутации как постоянный источник наследственной изменчивости. Вы узнаете о вероятности возникновения мутаций, их последствиях для организмов, а также путях распространения мутаций в популяции. Будут рассмотрены принципы поддержания генетического разнообразия видов благодаря гетерозиготным особям.

Тема: Эволюционное учение

Урок: Эволюционная роль мутаций

Одной из главных движущих сил эволюций по Ч. Дарвину является наследственная изменчивость. Более-менее очевидно, что Ч. Дарвин изучал наследственную изменчивость, не обладая современными генетическими представлениями. Сегодня известно, что наследственная изменчивость - это результат полового процесса и мутационного процесса (см. Схема 1).

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

3. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. - 5-е изд., стереотип. - Дрофа, 2010. - 388 с.

4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.