Изменчивость. 
Биология: общие вопросы

Изменчивость — свойство живых организмов изменять как саму наследственную информацию, полученную от родителей, так и процесс ее реализации в ходе онтогенеза.

Выделяют три вида изменчивости:

фенотипическая, онтогенетическая, генотипическая.

Фенотипическая, или модификационная изменчивость — изменение фенотипа в ответ на действие факторов внешней среды. Этот вид изменчивости был выделен еще Ч. Дарвином и назван им «определенная». Приобретенные в ходе онтогенеза признаки по наследству не передаются. Пределы изменчивости признака называются нормой реакции. Норма реакции передается по наследству. Она может быть широкая и узкая. (Приведите примеры.).

Для эволюционного процесса фенотипическая изменчивость имеет большое значение, т.к. естественный отбор особей в природе идет по фенотипу.

Онтогенетическая изменчивость — закономерное изменение генотипа и фенотипа в ходе онтогенеза.

Изменение фенотипа организма человека в процессе роста, появление вторичных половых признаков — это примеры онтогенетической изменчивости.

Закономерное изменение генотипа в ходе онтогенеза обнаружено недавно. Правда, известно таких примеров немного. Так, белки иммуноглобулины у мышей состоят из двух фракций: V (вариабельная) и С (константная).

Генотипическая изменчивость обусловлена изменением генотипа. Ч. Дарвин этот вид изменчивости называл «неопределенной». Это наследуемая изменчивость (передается по наследству).

Генотипическая изменчивость подразделяется на два вида: комбинативную и мутационную.

Комбинативная изменчивость обусловлена перекомбинацией имеющегося генетического материала.

В природе имеется три источника комбинативной изменчивости:

• 1) независимое расхождение хромосом в мейозе (число комбинаций составляет
• 2n, где n — число хромосом в гаплоидном наборе);
• 2) кроссинговер (обмен гомологичными участками между гомологичными

хромосомами);

3) случайное комбинирование хромосом во время оплодотворения.

Все это приводит к огромному разнообразию генотипов и фенотипов, что, в свою очередь, обеспечивает высокую приспособляемость видов.

В основе мутационной изменчивости лежит перестройка генетического аппарата.

Классификация мутаций По характеру проявления в гетерозиготном состоянии — доминантные (проявляются в гетерозиготном состоянии) и рецессивные (проявляются только в гомозиготном состоянии).

В зависимости от причины — спонтанные (без видимых причин) и индуцированные (вызванные направленным действием какого-то фактора).

В зависимости от локализации в клетке — ядерные и цитоплазматические.

По отношению к возможности наследования — генеративные (в половой клетке) и соматические (возникшие в соматической телесной клетке). Соматические мутации у видов, размножающихся половым способом, по наследству не передаются. Но для данного индивида они не безразличны (например, родимые пятна, пятна на радужке, раковая опухоль).

Функциональная (в зависимости от исхода) — полезные, вредные (в том числе летальные) и нейтральные (безразличные).

По характеру изменения генома — генные (изменение структуры гена), хромосомные (изменение строения хромосом) и геномные (изменение числа хромосом).

Генные мутации В основе генных мутаций лежит изменение в строении молекулы ДНК. Все они могут быть объединены в три группы.

Замена одних азотистых оснований на другие. Например, при дезаминировании (цитозин превращается в тимин) или при ошибочном включении нуклеотида в процессе репликации ДНК.

Изменение порядка нуклеотидов в пределах гена (при повороте на 1800 участка цепи ДНК).

Хромосомные мутации В основе хромосомных мутаций лежат изменения в строении хромосом. Они подразделяются на внутрии межхромосомные.

Внутрихромосомные:

• а) дефишенси — отрыв концевого участка хромосомы;
• б) делеция — выпадение срединного участка хромосомы;
• в) дупликация — удвоение участка хромосомы;
• г) инверсия — поворот участка хромосомы на 180о. Инверсия может быть перицентрической (захватывает центромеру) и парацентрической (в пределах одного какого-то плеча).

Межхромосомные:

а) транслокация — в основе лежит отрыв участка одной хромосомы и присоединение его к другой хромосоме. Разновидности транслокаций: реципрокная (взаимный обмен плечами) и робертсоновская — центрическое разделение или слияние отдельных хромосом.

Предполагают, что в процессе превращения обезьяны (шимпанзе) в человека имело место слияние двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую.

б) транспозиция — перемещение небольших участков генетического материала в пределах как одной хромосомы, так и всего кариотипа.

Геномные мутации В основе лежит изменение числа хромосом. Различают два вида таких мутаций:

полиплоидия — увеличение числа хромосом на величину, кратную гаплоидному набору;

анеуплоидия — увеличение числа хромосом на величину, не кратную гаплоидному набору. В случае трисомии имеется одна лишняя хромосома (набор 2n + 1), при моносомии одна хромосома отсутствует (набор 2n — 1), при нулисомии отсутствует целиком хромосомная пара (2n — 2).

Полиплоидия широко распространена в растительном мире. Так, существует три вида пшеницы (2n, 4n, 6n), где n = 7. Хризантемы имеют наборы от 2n до 22n (n = 9). Аналогичные примеры можно найти у всех растений, как дикорастущих, так и культивируемых. Поэтому считается, что эволюция растений шла по пути полиплоидизации. Полиплоидия широко используется в селекционной работе (у полиплоидных растений крупнее плоды, больше семян).

В животном мире полиплоидия — явление редкое. Полиплоидные организмы обнаружены у инфузорий, рыб.

У человека установлено рождение триплоидов, однако они нежизнеспособны (существуют от нескольких минут до нескольких часов).

Геномные и хромосомные мутации у человека лежат в основе группы заболеваний, которые были названы хромосомными болезнями.

Хромосомные болезни человека Встречаются в 1% случаев среди всех новорожденных, в 7% - среди мертворожденных и в 42% самопроизвольных выкидышей.

В настоящее время описано более 100 хромосомных заболеваний человека. Они делятся на две группы: аутосомные (нарушения со стороны аутосом) и гетерохромосомные (нарушения со стороны половых хромосом).

В 1971 г. на Международном генетическом конгрессе в Париже была введена единая международная цитогенетическая номенклатура.

Согласно этой номенклатуре, кариотип нормальной женщины записывается — 46, ХХ; кариотип нормального мужчины — 46, ХY.

Гетерохромосомные болезни Синдром Шерешевского-Тернера — 45, X (моносомия по половой хромосоме).

Пол — женский. Частота — 7 случаев на 10 000 новорожденных девочек.

Низкий рост, короткая шея, крыловидная складка на шее (от затылка к предплечью). Бесплодие (недоразвитие яичников). Инфантилизм, снижение интеллекта.

Синдром Клайнфельтера — 47, XXY (легкая степень) или 48, XXXY (тяжелая степень).

Пол — мужской. Частота — 20−25 случаев на 10 000 новорожденных мальчиков.

Узкие плечи, широкий таз, евнухоидный тип (отложение жира по женскому типу). Бесплодие (недоразвитие семенников). Умственная отсталость.

Синдром полисомии по Х-хромосоме — 47, ХХХ и 48, ХХХХ.

Пол — женский. Частота — 4 случая на 10 000 новорожденных девочек.

Фенотип — разнообразный, могут даже давать потомство. Патологические признаки тем выраженнее, чем больше число Х-хромосом.

Синдром добавочной Y-хромосомы — 47, XYY.

Пол — мужской. Частота — 10 случаев на 10 000 новорожденных мальчиков.

Фенотип: высокий рост, длинные руки, длинные веретенообразные пальцы, умственная отсталость, во многих случаях агрессивное или преступное поведение. Степень умственной отсталости увеличивается с числом Y-хромосом.

Аутосомные болезни Синдром Дауна — 47, XY + 21 или 47, XX + 21 (трисомия по 21-й паре хромосом).

Частота — 15 случаев на 10 000 новорожденных обоих полов.

Укороченные конечности, маленькая головка, плоское лицо, широкая переносица, монголоидный разрез глаз, большой язык, не помещающийся во рту. Аномалии строения внутренних органов. Резко выраженная умственная отсталость. Женщины иногда могут иметь детей, мужчины — никогда. 31% больных умирает до 1 года, причем от обычных простых заболеваний, так как снижен иммунитет. Вообще живут недолго.

Иногда синдром Дауна обусловлен не трисомией, а транслокацией (реципрокной) между 13 — 15 и 21 хромосомами; в этом случае хромосом 46.

Синдром Эдвардса — 47, ХХ + 18 или 47, XY + 18 (трисомия по 18-й паре хромосом).

Частота — 1 случай на 7000 новорожденных обоего пола.

Фенотип: множественные аномалии — деформация черепа, «птичий профиль» лица, короткие глазные щели, микрофтальм, низко расположенные и деформированные ушные раковины, короткая шея и грудина, врожденный вывих бедра, синдактилия, врожденные пороки сердца и крупных сосудов. Живут недолго: 30% умирает на первом и 50% - на втором месяце жизни Синдром Патау — 47, XY + 13 или 47, ХХ + 13 (трисомия по 13-й паре хромосом).

Частота — 1 случай на 6000 новорожденных обоего пола.

Множественные уродства (микрофтальм, расщелина губы и неба, череп неправильной конфигурации, скошенный узкий лоб, плоский и широкий нос, запавшее переносье, низко расположенные уши, полидактилия, пороки развития внутренних органов). Живут несколько дней или недель.

Синдром Лежьена — 46, ХХ, 5рили 46, XY, 5р- (делеция короткого плеча (р) 5-й хромосомы).

Частота — 1 случай на 50 000 новорожденных обоего пола. Его еще называют «синдром кошачьего крика».

Характеризуются многочисленными пороками развития черепа, строения гортани (в связи с чем при рождении вместо плача издают звук, похожий на кошачье мяуканье), конечностей, сердца, почек, глаз, тяжелой формой слабоумия. Живут такие больные недолго.

Причины и частота возникновения мутаций Спонтанные мутации — это мутации, которые возникают без видимых причин. Они широко распространены в природе. У каждого вида все свойства и признаки организма подвержены спонтанным мутациям.

Частота мутаций в природе определяется отношением числа гамет, несущих данную мутацию, к общему числу гамет (данного поколения, в данной популяции). Частота мутации различных генов — 10−5-10−7 (1 гамета из 100 тысяч — 10 млн). У различных видов растений и животных частота спонтанных мутаций очень близка.

Так как число генов достаточно велико, суммарная частота мутаций у того или иного вида высока. Так, у дрозофил 25% гамет несут измененные гены (т.е. каждая четвертая гамета).

Мутации могут идти и в прямом, и в обратном порядке (т.е. рецессивные гены — в доминантные, а доминантные — в рецессивные).

Причины спонтанных мутаций условно делятся на две группы — внешние и внутренние. Внешние обусловлены естественным радиационным фоном: космическими излучениями, радиацией элементов земной коры, радиактивными изотопами, поступающими в организм с пищей. Обычные показатели естественного радиационного фона — 13−27 микрорентген в час. Внутренние причины обусловлены генотипом. Так, у кишечной палочки есть гены-мутаторы, наличие которых увеличивает частоту мутаций других генов в 2000 раз. Длительное хранение семян приводит к увеличению частоты спонтанных мутаций у растений. У дрозофилы в норме частота летальных мутаций, локализованных в Х-хромосоме, составляет приблизительно 0,15%, но есть линии, где эта частота равна 1%.

Индуцированные мутации возникают в результате целенаправленного действия какого-то фактора. Русские ученые Надсон и Филиппов (1925) впервые получили их у дрожжевых клеток с помощью рентгеновских лучей. Американский ученый Меллер (1927) впервые получил мутации у дрозофилы.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенными. По природе они делятся на три группы: физические, химические, биологические.

Физические факторы Ионизирующие излучения — рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-лучи и поток нейтронов.

Под действием ионизирующего излучения в клетках образуются ионы Н+, ОНи свободные радикалы, которые активно вступают в химические реакции. В ходе этих реакций нарушается строение ДНК, т. е. возникают мутации.

Дозу радиоактивного излучения принято измерять в «радах» (сокращенно рад) или «греях» (Гр). 1 рад = 100 эргам энергии, поглощенных 1 граммом вещества. 1 грей = 100 рад.

Чувствительность организмов к действию ионизирующей радиации разная. Так, летальная доза (разовая минимальная, вызывающая смертельный исход) для человека — 600 рад или 6 Гр; для мыши — 900 рад или 9 Гр; для амебы — 100 000 рад или 1000 Гр.

Температура.

В опытах на дрозофилах обнаружено, что повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению частоты мутаций. У курящих чаще, чем у некурящих, наблюдается рак губы.

Ультрафиолетовое излучение ведет к образованию в молекуле ДНК димеров.

Химические факторы Сегодня известны десятки и сотни тысяч химических веществ, вызывающих мутации. Приведем некоторые из них:

колхицин, митотический яд — разрушает веретено и останавливает деление клетки на метафазе; селекционеры используют его для получения полиплоидных форм;

формальдегид и его производное — формалин;

пестициды, гербициды;

кофеин;

многие лекарственные препараты (отечественный аспирин, сульфаниламиды);

фотореактивы;

консерванты;

ракетное топливо.

Биологические факторы Вирусы (герпес, ветряная оспа, коревая краснуха, энцефалит, полиомиелит).

Живые вакцины, сыворотки, гистамин, стероидные гормоны.

Возраст (чем больше, тем выше вероятность возникновения наследственных заболеваний, — так, синдром Дауна в 14 раз чаще возникает у детей от матерей, рожающих после 40 лет).

Нарушение функции какого-то органа (рак молочной железы чаще возникает у нерожавших женщин).

Различия в действии ионизирующей радиации и химических мутагенов Химические мутагены обладают определенной специфичностью действия (можно предвидеть, какие именно гены будут мутировать). Ионизирующая же радиация действует неспецифически. С другой стороны, она обладает кумулятивным эффектом, т. е. способна накапливаться в организме. Так, один и тот же эффект будет получен как при однократном облучении дозой 20 рад, так и при воздействии четыре раза по 5 рад.

Возникшая мутация фенотипически проявляется не всегда. В природе существует мощная система антимутационных барьеров на молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном уровнях.