Stručný prehľad evolučnej úlohy mutácií. Úloha mutácie v evolúcii. Neskorá klasifikácia mutácií

Vďaka štúdiu genetických procesov v populácii živých organizmov dostala evolučná teória nový impulz a ďalší vývoj... Príspevok ruského vedca S. Chetverikova k populačnej genetike je veľký. Upozornil na nasýtenie prirodzených populácií recesívnymi mutáciami, ako aj na kolísanie frekvencie génov v populáciách v závislosti od pôsobenia environmentálnych faktorov a zdôvodnil pozíciu, že tieto dva javy sú kľúčom k pochopeniu evolučných procesov.

Mutačný proces je skutočne neustále pôsobiacim zdrojom dedičnej variability. Gény mutujú s určitou frekvenciou. Odhaduje sa, že v priemere jedna gaméta z 10 000 - 1 milióna gamét nesie novo vzniknutú mutáciu na určitom mieste. Pretože mnoho gamét mutuje súčasne, 10-15% gamét nesie určité mutačné alely. Prírodné populácie sú preto nasýtené najrozmanitejšími mutáciami. V dôsledku kombinačnej variability sa mutácie môžu v populáciách široko šíriť. Väčšina organizmov je pre mnohé gény heterozygotná. Dalo by sa predpokladať, že v dôsledku sexuálnej reprodukcie budú homozygotné organizmy neustále rozdeľované medzi potomstvo a podiel heterozygotov by sa mal neustále znižovať. To sa však nestane. Faktom je, že v drvivej väčšine prípadov sú heterozygotné organizmy lepšie prispôsobené ako homozygotné.

V príklade s motýľom, brezovým molom, zdá sa, svetlé motýle homozygotné pre recesívnu alelu (aa), žijúce v lese s tmavými kmeňmi brezy, musia rýchlo zničiť nepriateľov a jedinou formou v týchto biotopoch by mala byť motýle tmavej farby homozygotné pre dominantnú alelu (AA). Ale dlho v dymových brezových lesoch v južnom Anglicku sa neustále nachádzajú ľahké motýle brezovej molice. Ukázalo sa, že húsenice homozygotné pre dominantnú alelu zle asimilujú brezové listy pokryté dymom a sadzami a heterozygotné húsenice na tejto potravine rastú oveľa lepšie. V dôsledku toho väčšia biochemická flexibilita heterozygotných organizmov vedie k ich lepšiemu prežitiu a selekcia pôsobí v prospech heterozygotov.

Aj keď je teda väčšina mutácií v týchto špecifických podmienkach škodlivá a v homozygotnom stave, mutácie spravidla znižujú životaschopnosť jedincov, v populáciách pretrvávajú v dôsledku selekcie v prospech heterozygotov.

Na pochopenie evolučných transformácií je dôležité mať na pamäti, že mutácie, ktoré sú v niektorých podmienkach škodlivé, môžu zvýšiť životaschopnosť v iných podmienkach prostredia. Okrem vyššie uvedených príkladov môžete poukázať na nasledujúce. Mutácia spôsobujúca nedostatočný rozvoj alebo úplnú absenciu krídel u hmyzu je za normálnych podmienok nepochybne škodlivá a jedince bez krídel sú rýchlo nahradené normálnymi. Ale v oceánskych oblastiach a horských priechodoch, kde fúka silný vietor, má taký hmyz výhodu oproti jedincom s normálne vyvinutými krídlami.

Mutačný proces je teda zdrojom rezervy dedičnej variability populácií. Udržiavaním vysokého stupňa genetickej rozmanitosti v populáciách vytvára základ pre pôsobenie prírodného výberu.

Genetické procesy v populáciách

V rôznych populáciách rovnakého druhu nie je frekvencia mutačných génov rovnaká. Prakticky neexistujú dve populácie s dokonalou frekvenciou výskytu mutačných znakov. Tieto rozdiely môžu byť spôsobené skutočnosťou, že populácie žijú v rôznych environmentálnych podmienkach. Riadená zmena frekvencie génov v populáciách je spôsobená pôsobením prirodzeného výberu. Ale aj keď sú susedné populácie blízko seba, môžu sa navzájom líšiť rovnako výrazne ako vzdialené. Vysvetľuje to skutočnosť, že v populáciách vedie množstvo procesov k neorientovanej náhodnej zmene frekvencie génov alebo inými slovami ich genetickej štruktúry.

Napríklad, keď zvieratá alebo rastliny migrujú, malá časť pôvodnej populácie sa objaví v novom prostredí. Genofond novovytvorenej populácie je nevyhnutne menší ako genofond rodičovskej populácie a génová frekvencia v nej sa bude výrazne líšiť od génovej frekvencie pôvodnej populácie. Gény, predtým vzácne, sa rýchlo šíria sexuálnou reprodukciou medzi novou populáciou. Rozsiahle gény môžu zároveň chýbať, ak neboli prítomné v genotype zakladateľov novej populácie.

Ďalší príklad. Prírodné katastrofy - lesné alebo stepné požiare, záplavy atď. - spôsobujú masívnu, nevyhnutnú smrť živých organizmov, najmä sedavých foriem: rastlín, húb, mäkkýšov, obojživelníkov atď. Jedinci, ktorí unikli smrti, zostávajú čistou náhodou nažive. V populácii, ktorá katastrofu prežila, dochádza k poklesu počtu. V tomto prípade budú alelové frekvencie odlišné od pôvodnej populácie. Po poklese počtu začína hromadná reprodukcia, ktorej začiatok je daný zostávajúcou malou skupinou. Genetická výbava tejto skupiny určuje genetickú štruktúru celej populácie počas jej rozkvetu. Niektoré mutácie môžu zároveň úplne zmiznúť a koncentrácia ostatných sa môže náhodne prudko zvýšiť.

Pri biocenóze sú často pozorované periodické výkyvy v populácii súvisiace so vzťahmi typu „dravec - korisť“. Vylepšená reprodukcia predmetov lovu dravcov na základe zvýšenia zdrojov potravy zasa vedie k lepšej reprodukcii predátorov. Nárast počtu predátorov spôsobuje hromadné ničenie ich koristi. Nedostatok potravinových zdrojov spôsobuje zníženie počtu predátorov a obnovu veľkosti populácií koristi. Tieto výkyvy v číslach sa nazývajú populačné vlny. Menia frekvenciu génov v populáciách, čo je ich evolučný význam.

Obmedzenie výmeny génov medzi nimi v dôsledku priestorovej izolácie vedie tiež k zmenám frekvencie génov v populáciách. Rieky bránia suchozemským druhom, hory a vyvýšeniny izolujú nížinné populácie. Každá z izolovaných populácií má špecifické vlastnosti súvisiace so životnými podmienkami. Dôležitým dôsledkom izolácie je úzko súvisiace kríženie - kríženie. V dôsledku príbuzenského kríženia sa recesívne alely, šíriace sa v populácii, objavujú v homozygotnom stave, ktorý znižuje životaschopnosť organizmov. V ľudskej populácii sa izoláty s vysokým stupňom príbuzenského kríženia nachádzajú v horských oblastiach a na ostrovoch. Dôležitosť si zachovala aj izolácia určitých skupín obyvateľstva z kastových, náboženských, rasových a iných dôvodov.

Evolučný význam rôzne formy izolácia spočíva v tom, že posilňuje a posilňuje genetické rozdiely medzi populáciami a že rozdelené časti populácie alebo druhu sú vystavené nerovnakým výberovým tlakom.

Zmeny vo frekvencii génov spôsobené určitými faktormi životného prostredia teda slúžia ako základ pre vznik rozdielov medzi populáciami a následne určujú ich transformáciu na nové druhy. Preto sa zmeny v populáciách počas prirodzeného výberu nazývajú mikroevolúcia.

Kontrolné otázky

1. Práca S. Chetverikova v oblasti populačnej genetiky.

2. Evolučná úloha mutácií.

3. Mutačný proces je zdrojom rezervy dedičnej variability populácií.

4. Zmeny vo frekvencii génov v populácii.

5. Čo je mikroevolúcia?

Mutácia sa nazýva trvalé zmeny genotypu, ku ktorým dochádza v dôsledku vplyvu vonkajších a vnútorných faktorov. Pôvodcom výrazu je holandský botanik a genetik Hugo de Vries. Proces, keď sa objavia mutácie, sa nazýva mutagenéza. V dnešnom článku sa dotkneme témy mutácie a povieme si o úlohe mutácie v evolučnom procese.

Príčiny javu

Vyznačuje sa dvoma vlastnosťami - spontánnosťou a indukciou. Vzhľad je charakterizovaný spontánnosťou a vyskytuje sa v ktoromkoľvek štádiu vývoja organizmu. Ohľadom prostredie potom by to malo byť prirodzené.

Indukovaný typ mutácie je dedičná zmena genómu, ku ktorej dochádza v dôsledku expozície rôznym mutagénom. Organizmy sú umiestnené buď v umelo vytvorených (experimentálnych) alebo nepriaznivých podmienkach prostredia.

Živé bunky vnímajú mutagenézu ako prirodzený proces. Medzi hlavné procesy zodpovedné za mutáciu patria: replikácia a zhoršená oprava DNA, transkripčný proces a genetická rekombinácia.

Mutagenéza a jej modely

Špeciálne vedecké prístupy pomáhajú vysvetliť a pochopiť povahu a mechanizmy výskytu mutácií. Polymerázové zmeny sú založené na teórii priamej a jedinej závislosti mutácií s chybami DNA polyméru. V tetovacích modeloch mutagenézy, navrhnutých dvoma známymi biológmi, bola najskôr vyslovená myšlienka, že hlavná vrstva mutácií spočíva v možnosti umiestnenia báz DNA v rôznych formách tetovania.

Včasná klasifikácia mutácií

Genetik Meller vytvoril klasifikáciu mutácií na základe typov zmien vo fungovaní génov. V dôsledku toho sa objavili nasledujúce typy:

1. Amorfné. Počas mutácie gén stráca takmer všetky svoje funkcie. Príkladom mutácie sú zmeny v Drosophile.
2. Hypomorfné. Zmenené alely naďalej pôsobia rovnakým spôsobom ako divé. Syntéza proteínového produktu sa vykonáva v menších množstvách.
3. Antimorfné. Zmena mutantnej vlastnosti. Niektoré kukuričné ​​zrná sú príkladom mutácie - namiesto purpurovej zafarbia.
4. Nonomorfné.

Neskorá klasifikácia mutácií

V moderných vedeckých referenčných knihách sa spomína formálna klasifikácia, ktorá je založená na zmenách prebiehajúcich v rôznych štruktúrach. Na základe tohto rozdelenia sa rozlišujú nasledujúce mutácie:

1. Genomický.
2. Chromozomálne.
3. Genetický.

Zmeny v chromozómoch sú spojené s genómovými mutáciami, ktorých celkový počet nezodpovedá halogénovému súboru.

Chromozomálne mutácie sa pripisujú veľkému počtu preskupení jednotlivých chromozómov. V tomto prípade genetický materiál stratí časť alebo naopak, zdvojnásobí ho.

Pokiaľ ide o génovú mutáciu, len mierne mení štruktúru DNA génu, na rozdiel od iných druhov, ale k jej výskytu dochádza oveľa častejšie.

V rámci génového druhu sa rozlišuje ďalší poddruh, ktorý sa nazýva bodová mutácia. V ňom je jedna dusíkatá báza nahradená druhou.

Stáva sa tiež, že škodlivosť mutácií je postupne nahradená užitočnosťou. Impulzom k takýmto zmenám sú neustále sa meniace podmienky existencie organizmov. Akú úlohu teda hrajú mutácie?

Vezmite si prirodzený výber, známy evolučný proces, ktorý veľa závisí od variability. Uvažujme o evolučnej úlohe mutácie na príklade melanistických mutantov (jedinci s tmavou farbou), ktoré objavili anglickí vedci 14. storočia pri štúdiu brezových mole. Okrem typicky svetlých motýľov sa našli aj ďalšie jedince, ktorých farba bola oveľa tmavšia. Dôvodom tohto silného rozdielu bol zmutovaný gén.

Faktom je, že obvyklým biotopom takýchto motýľov sú stromy, na kmeňoch ktorých lišajník hojne rastie. Vládol v prvých rokoch Priemyselná revolúcia spolu so silným znečistením atmosférické vrstvy viedlo k smrti lišajníkov. Na kedysi svetlých kmeňoch, ktoré zasahovali do prirodzeného maskovania, sa objavili sadze. To všetko viedlo k tomu, že jednotlivci, ktorých biotopom boli priemyselné oblasti, zmenili farbu svojej morfy zo svetla na tmu. Táto evolučná úloha mutácie pomohla mnohým motýľom prežiť, zatiaľ čo ich nie veľmi úspešní svetlí príbuzní prepadli útokom dravých vtákov.

Podobné zmeny sa vyskytujú vo väčšine rôzne druhy okolo sveta. Vznik takých užitočných vlastností, ktoré sú základom evolučnej úlohy mutácie, vedie k tomu, že prírodný výber dáva vznik novým poddruhom a druhom medzi živými organizmami. K mutácii dochádza neustále, pretože je to prirodzená schopnosť našich génov.

Ešte viac informácií o mutácii nájdete v učebniciach biológie a špeciálnej vedeckej literatúre.

Mutácie sú súčasťou evolúcie. Mutácia - Vzácne, náhodne sa vyskytujúce trvalé zmeny genotypu, postihujúce celý genóm (súbor génov), celé chromozómy alebo ich časti. Konečným účinkom mutácie je zmena vlastností bielkovín. Mutačné variácie zohrávajú úlohu hlavného dodávateľa dedičných zmien. Je to ona, ktorá je primárnym materiálom všetkých evolučných transformácií.

Aj keď je teda väčšina mutácií za týchto špecifických podmienok škodlivá a v homozygotnom stave, mutácie spravidla znižujú životaschopnosť jedincov, v populáciách pretrvávajú v dôsledku selekcie v prospech heterozygotov. Na pochopenie evolučných transformácií je dôležité mať na pamäti, že mutácie, ktoré sú v niektorých podmienkach škodlivé, môžu zvýšiť životaschopnosť v iných environmentálnych podmienkach. Okrem vyššie uvedených príkladov môžete poukázať na nasledujúce. Mutácia spôsobujúca nedostatočný rozvoj alebo úplnú absenciu krídel u hmyzu je za normálnych podmienok nepochybne škodlivá a jedince bez krídel sú rýchlo nahradené normálnymi. Ale na oceánskych ostrovoch a horských priechodoch, kde fúka silný vietor, má takýto hmyz výhodu oproti jedincom s normálne vyvinutými krídlami.

Preto mutačný proces je zdrojom rezervy dedičnej variability populácií. Udržiavaním vysokého stupňa genetickej diverzity v populáciách vytvára základ pre pôsobenie prírodného výberu.

19. Populačná genetika

Populačná genetika, alebo populačná genetika- veda, ktorá študuje distribúciu alelových frekvencií a ich zmenu pod vplyvom štyroch hybných síl evolúcie: mutagenézy, prirodzeného výberu, driftu génov a migračného procesu. Zohľadňuje tiež subpopulačné štruktúry a priestorovú štruktúru populácie. Populačná genetika sa pokúša vysvetliť adaptáciu a špecializáciu a je jednou z hlavných zložiek syntetickej evolučnej teórie.

20. Genetické charakteristiky populácií: dedičná heterogenita

21. Genetické charakteristiky populácií: vnútorná genetická jednota

22. Genetická charakteristika populácií: dynamická rovnováha jednotlivých genotypov

Frekvencie jednotlivých alel v genofonde umožňujú vypočítať genetické zmeny v danej populácii a určiť frekvenciu genotypov. Matematický vzťah medzi frekvenciami alel a genotypov v populáciách stanovil v roku 1908 nezávisle od seba anglický matematik J. Hardy a nemecký lekár W. Weinberg. Táto závislosť sa nazýva Hardy -Weinbergov zákon (Hardy -Weinbergova rovnováha). Tento zákon hovorí: „V nekonečne veľkej populácii voľne krížených jedincov bez mutácií, selektívnej migrácie organizmov s rôznymi genotypmi a tlaku prirodzeného výberu zostávajú počiatočné frekvencie dominantných a recesívnych alel konštantné z generácie na generáciu. "

Z Hardyho - Weinbergovej rovnice vyplýva, že značný podiel recesívnych alel v populácii sa nachádza v heterozygotných nosičoch. V skutočnosti sú heterozygotné genotypy dôležitým potenciálnym zdrojom genetických variácií. To vedie k tomu, že v každej generácii je možné z populácie odstrániť iba veľmi malý zlomok recesívnych alel. Vo fenotype sa prejavia iba tie recesívne alely, ktoré sú v homozygotnom stave, a sú teda selektívne vystavené environmentálnym faktorom a je ich možné eliminovať. Mnoho recesívnych alel je eliminovaných, pretože sú pre fenotyp nepriaznivé - spôsobujú buď smrť organizmu ešte skôr, ako stihne opustiť potomstvo, alebo „genetickú smrť“, t.j. neschopnosť reprodukovať.

Na druhej strane, drift génov prebieha v akejkoľvek populácii konečnej veľkosti, iba s tým rozdielom, že udalosti sa vyvíjajú oveľa pomalšie ako pri populácii dvoch ľudí. Drift génov má dve dôležité implikácie. Po prvé, každá populácia stráca genetickú variabilitu rýchlosťou nepriamo úmernou jej veľkosti. Časom sa niektoré alely stanú vzácnymi a potom úplne zmiznú. Nakoniec v populácii existuje iba jedna alela z dostupných, ktorá je vecou náhody. Za druhé, ak je populácia rozdelená na dve alebo viac nových nezávislých populácií, drift génov vedie k zvýšeniu rozdielov medzi nimi: v niektorých populáciách niektoré alely zostávajú a v iných iných. Procesy, ktoré pôsobia proti strate variability a genetickej divergencie populácií, sú mutácie a migrácie.

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY:

A.A. Gorelov Pojmy modernej prírodnej vedy: Učebnica. príručka pre stud. vyššie. študovať. Inštitúcie. - M.: Humanitárne. Publikačné centrum VLADOS, 2003. - 512s .: Ill.

Encyklopédia pre deti. Zväzok 23. Univerzálny ilustrovaný encyklopedický slovník / kapitoly. vyd. E.A. Khlebalina, otv. vyd. DI. Lyuri.– M .: Avanta +, 2003.– 688 s .: Ill.

Zakharov V.B. Všeobecná biológia: Učebnica. Na 10-11 cl. generál Inštitúcie / V.B. Zakharov, S.G. Mamontov, N. I. Sonin. - 7. vydanie, stereotyp. - M.: Bustard, 2004. - 624 s.: Chorý.

Johannsen VL, O dedičnosti v populáciách a čistých líniách, M. - L., 1935;

Lobashev M.E., Genetics, L., 1967.

V priebehu vekov sa ľudstvo pokúšalo nájsť odpovede na otázky: Ako vznikla táto kolosálna rozmanitosť? Prečo je každý druh optimálne prispôsobený podmienkam svojho biotopu? Ako sa niektoré druhy líšia od ostatných? Prečo niektoré druhy prekvitajú, zatiaľ čo iné vymierajú a miznú z povrchu Zeme?

1. Elementárna jednotka evolúcie Populácia 2. Elementárny evolučný materiál Mutácie - genotypová diverzita v populáciách 3. Elementárny evolučný jav Dlhodobá a riadená zmena genofondu 4. Elementárne evolučné faktory Dedičná variabilita, boj o existenciu, prirodzený výber - vodiaci faktor 5. Elementárny predmet selekcie Oddelený jedinec s určitým fenotypom

S.S. Populácie Chetverikov, ako špongia, absorbujú recesívne mutácie, pričom zostávajú fenotypicky homogénne. Existencia takejto otvorenej rezervy dedičnej variability vytvára príležitosť na evolučné transformácie populácie pod vplyvom prirodzeného výberu. Študoval prírodné mutácie, zmeny v dedičných vlastnostiach organizmu. Významne prispel k rozvoju populačnej genetiky.

Mutačný proces je neustále pôsobiacim zdrojom dedičnej variability. Gény mutujú s určitou frekvenciou. Počas sexuálnej reprodukcie sa mutácie môžu v populáciách široko šíriť. Väčšina organizmov je pre mnohé gény heterozygotná, to znamená, že v bunkách homológne chromozómy nesú rôzne formy toho istého génu. Heterozygotné organizmy sú lepšie prispôsobené ako homozygotné.

Mutačný proces je zdrojom rezervy dedičnej variability populácií. Udržiavaním vysokého stupňa genetickej diverzity v populáciách vytvára základ pre pôsobenie prírodného výberu. V rôznych populáciách rovnakého druhu nie je frekvencia mutantných génov rovnaká. Neexistujú žiadne populácie s presne rovnakou frekvenciou výskytu mutantných znakov. Tieto rozdiely môžu byť spôsobené skutočnosťou, že populácie žijú v rôznych environmentálnych podmienkach. Riadená zmena frekvencie génov v populáciách je spôsobená pôsobením prirodzeného výberu.

Kolísanie životných vĺn v počte jednotlivcov v populácii. Termín zaviedol ruský biológ SS Chetverikov v roku 1915. Také výkyvy v hojnosti môžu byť sezónne alebo nesezónne, opakujúce sa v rôznych intervaloch; zvyčajne sú čím dlhšie, tým dlhší je vývojový cyklus organizmov. Následne bol termín nahradený pojmom populačné vlny (jedným zo 4 elementárnych evolučných faktorov je proces mutácie, populačné vlny, izolácia a prirodzený výber). Hlavný význam sa znižuje na náhodné zmeny koncentrácií rôznych mutácií obsiahnutých v populáciách, ako aj na oslabenie selekčného tlaku s nárastom a jeho nárast s poklesom počtu jedincov v populácii. Termín niekedy označuje štádiá vývoja flóry a fauny, zhruba zodpovedajúce zmene geologických cyklov.

Evolučné faktory - faktory vyvolávajúce vývoj populácií. „Vlny života“ a „drift génov“ spravidla sprevádzajú evolučný proces každej populácie, ak hovoríme o dlhom procese (časovom období). Avšak historický vývoj organický svet teoreticky možné bez nich, teda iba na základe variability, dedičnosti, boja o existenciu a prirodzeného výberu.

Môžu byť všetky príčiny smrti organizmov považované za prirodzený výber? Prírodný výber nie je jedinou príčinou smrti organizmov. Následkom môže byť smrť zvieraťa náhodná udalosť(lesný požiar, povodeň alebo iná prírodná katastrofa, ktorá nenecháva žiadnu šancu na prežitie).

Evolučné faktory Vedenie evolučného procesu Nevedenie evolučného procesu Prírodný výber (na pozadí boja o existenciu) -Dedičná variabilita. - drift génov. - Vlny života. - Izolácia. Pôsobí v populácii, mení jej genofond Možný výsledok: vznik nových populácií, poddruhov, druhov (špecifikácia)

Súbor evolučných procesov, ktoré sa vyskytujú v populáciách druhu a vedú k zmene genofondov týchto populácií a vzniku nových poddruhov, sa nazýva mikroevolúcia. Evolúcia na úrovni systematických jednotiek nad druhom, ktorá trvá milióny rokov a je neprístupná priamemu štúdiu, sa nazýva makroevolúcia. Tieto dva procesy sú jeden. Domáca úloha: Стр Uveďte príklady aromorfóz, idioadaptácií a degenerácií. Opakujte definície druhov, populácie, evolúcie, makroevolúcie, mikroevolúcie.