Изменчивость организмов. Урок 8

Виды изменчивости

Изменчивость – это совокупность различий по тому или иному признаку между особями одного вида или популяции. Это свойство живых организмов наряду с наследственностью является предметом изучения генетики. Морфологические различия популяций поразили Дарвина и Уоллеса во время их путешествий и стали одной из причин возникновения теории эволюции. Предсказуемый результат передачи признаков по наследству послужил основой для работ Менделя. Дарвин сделал вывод, что признаки могут развиваться в результате отбора, а Мендель объяснил механизм, благодаря которому ведётся этот отбор. Но не все признаки передаются по наследству.

Модификационная изменчивость близнецов фото

Одни из них формируются только под влиянием генотипа и наследуются, на другие оказывает влияние внешняя и внутренняя среда, как в том случае про сиамских кошек и гималайских кроликов, который мы рассматривали в уроке про отклонения от законов Менделя. По причине зависимости и независимости от генотипа изменчивость делят на группы (рис.1).

Виды изменчивости организмов схема
Рис. 1. Виды изменчивости в живой природе

Модификационная изменчивость

Модификация (от лат. modificatio) – видоизменение, преобразование, усовершенствование. Модификационная изменчивость, или фенотипическая пластичность (по Дарвину – определённая изменчивость) – это изменение фенотипа в пределах нормы реакции под влиянием окружающей среды, не затрагивающее генотипа.

Лучшие примеры – различия однояйцовых близнецов, особенно живущих в разных условиях и выращивание деревьев в форме бонсай. Рассмотрим другие примеры.

Модификационная изменчивость. Бонсай фото
Бонсай
Изображение BUMIPUTRA с сайта Pixabay

Вегетативное размножение растений

При вегетативном размножении картофеля всё поколение генотипически полностью идентично. Но растения не будут одинаковыми. Отличия в кустистости, в величине клубней и др. будут присутствовать между всеми клонами.

Это будет вызвано разным количеством влаги, света, качеством почвы, сорняками, вредителями и др. От года к году все эти признаки меняются. В один год клубни крупные, в другой мелкие, а генотип тот же.

Изменчивость картофеля фото
Изображение Jing с сайта Pixabay

Листья разной формы у стрелолиста

Другой распространённый и часто встречающийся в итоговых заданиях ОГЭ и ЕГЭ пример – листья стрелолиста (Sagittaria), рода водных растений семейства Частуховые. У этого растения развивается 3 типа листьев, которые зависят от среды:

  • под водой;
  • на поверхности воды;
  • на воздухе.

Если посадить стрелолист на мелководье, то и листья у него будут одинаковыми.

Стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L) фото
Стрелолист обыкновенный (Sagittaria sagittifolia L)
Ботаническая иллюстрация К. А. М. Линдмана из книги Bilder ur Nordens Flora, 1917—1926

Влияние температуры на окраску цветков примулы

Ещё один пример классический реакции растений на условия окружающей среды. Если одно из растений примулы с красными цветками перенести в оранжерею с постоянной температурой 30-35°С и повышенной влажностью, то новые цветки окажутся белыми.

Если эти растения вновь вернуть в условия низких температур (15-20°С), то они опять начинают цвести красными цветками. Очевидно, что сам по себе цвет не наследуется, а наблюдается его изменчивость в зависимости от изменения окружающей среды.

Primula varia фото
Primula varia
Автор: TeunSpaans

Изменение окраски гималайского кролика

У этой породы кроликов глаза лишены пигмента, поэтому кажутся красными. Они имеют белую окраску шерсти, но остаются окрашенными ноги, хвост и уши. Оказалось, что для проявления этого признака необходимо строгое соответствие генотипа и условий среды. Генотип этих кроликов таков, что пигмент начинает вырабатываться в условиях пониженных температур. Поэтому в тех участках тела кроликов, где кровоснабжение понижено, может развиваться чёрный пигмент (меланин).

Если выбрить волосы и переместить кролика в условия пониженной температуры, то вновь выращенные волосы окажутся пигментированными. В данном случае наследуется не окраска, а способность синтезировать пигмент в зависимости от температурных условий.

Гималайский кролик (Himalayan rabbit) фото
Гималайский кролик (Himalayan rabbit).
Изображение RoboMichalec с сайта Pixabay

Зависимость яйценоскости несушек от длины светового дня

Длина светового дня влияет на выработку половых гормонов у кур. Поэтому для кур-несушек увеличивают световой день за счёт искусственного освещения.

Влияние условий среды на число эритроцитов у человека

У людей, которые живут в горах и у людей, которые живут ближе к морю, разное число эритроцитов в крови. При смене места жительства может наблюдаться изменение этого числа. В 1 мл крови у людей, живущих в местностях на уровне моря, эритроцитов в два раза меньше, чем у людей, живущих высоко в горах. Число эритроцитов растет пропорционально подъему над уровнем моря.

Это явление можно легко объяснить, если вспомнить, что главная функция эритроцитов – перенос кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Увеличение высоты над уровнем моря сопровождается снижением концентрации кислорода в атмосфере, что приводит к недостатку его в тканях. Поэтому насущная потребность в кислороде заставляет человека и животных адаптивно реагировать путем изменения числа эритроцитов на разных высотах. Эта реакция обратима: переезд в места, расположенные на уровне моря, приводит к снижению числа эритроцитов в крови.

Жизненный цикл эритроцитов фото
Автор загрузки: CFCF

Изменчивость и норма реакции

Но могут ли признаки изменяться бесконечно? Меланин у человека вырабатывается в коже под действием солнечных лучей. Значит ли это, что мы можем превратиться в негров? А развивая скорость бега, сможем ли мы когда-либо обогнать несущегося гепарда?

В генотипе заложен предел изменчивости признака, он называется нормой реакции. Характеристики изменяются в разной степени, в зависимости от типа признаков норма реакции бывает узкой и широкой.

Классификация модификационной изменчивости схема

Формирование фенотипа происходит в результате онтогенеза при взаимодействии генотипа и окружающей среды. Одна из центральных проблем генетики – выяснение соотносительной роли генотипа и условий среды обитания. Например, развитие таких человеческих качеств как индивидуальность, интеллект, темперамент зависят как от наследственных, так и от средовых факторов.

Признаки модификационной изменчивости. Таб. 1.

Название признакаХарактеристика признакаПримеры
1. Могут быть обратимыми и необратимыми.Со сменой условий среды у особей меняется степень выраженности признака.·      Обратимые: загар у человека, удойность у коров, вес тела животных и человека.

·      Необратимые: шрамы на теле, искривление костей при рахите, рост человека.

2. В большинстве случаев – адекватность, она же интенсивность (определённость, или предсказуемость).Степень выраженности признака зависит от продолжительности и интенсивности действия того или иного фактора.·      Чем дольше мы будем находиться под прямыми солнечными лучами, тем сильнее загорим.

·      Чем дольше упражняться, тем сильнее и больше мышцы.

3. Может иметь приспособительный (адаптивный) характер.В ответ на изменившиеся условия среды, особь изменяет свой фенотип, чтобы выжить.У человека, поднимающегося высоко в горы, увеличивается число эритроцитов в крови.
4. Массовый (групповой) характер, или направленность.У сходных по генотипу особей в одинаковых условиях будут наблюдаться примерно одинаковые модификации.·      Все отдельно стоящие сосны обладают раскидистой кроной, и ветви у них растут по всей длине ствола.

·       К зиме у всех волков шерсть становится гуще, но только при условии жизни на улице. В тёплом зоопарке они утрачивают такую способность.

·      У всех здоровых людей со светлой кожей воздействие солнечных лучей вызывает образование загара.

5. Устойчивое наследование возникающих изменений отсутствует.Наследуется только норма реакции, в пределах которой могут происходить изменения.Исключение: у бактерий в течение нескольких поколений может сохраняться устойчивость к мышьяку.
6. Появляется в течение жизни.Организм не родится с такими признаками, они возникают под действием среды в течение жизни.Цвет волос и цвет радужной оболочки глаз может выцветать при воздействии ультрафиолета.

Изменчивость: признаки организма фото

Статистический анализ модификационной изменчивости

Количественные признаки поддаются определённому описанию. Для характеристики степени их изменчивости, нахождения среднего, максимального и минимального значений, применяют статистические методы – построение вариационного ряда и вариационной кривой. При этом каждый признак и его конкретное число называется вариантой. Чтобы охарактеризовать количественный признак, нужно произвести измерения и составить вариационный ряд.

Вариационный ряд – это свойство организма, которое состоит из отдельных видоизменений, расположенных в порядке увеличения или уменьшения. Для объективной характеристики изменчивости признака нужно исследовать большое количество особей, статистические закономерности выводятся только при наличии большого количества данных.

Алгоритм построения вариационного ряда и установления предела изменчивости на примере размера семян тыквы:

  1. Измеряем длину семян от вершины до основания. Все данные записываем в ряд.

Результаты измерения длины семян тыквы фото

2. Располагаем данные числа в порядке увеличения.

Модификационная изменчивость. Вариационный ряд фото

3. Определяем частоту встречаемости каждой варианты. Для этого подсчитываем количество семян, имеющих одинаковую длину, и записываем данные в таблицу.

Частота встречаемости таблица

4. На основании данных таблицы строим вариационную кривую: по оси абцисс отмечаем длину семян, по оси ординат – частоту встречаемости. Соединяем точки на графике.

Изменчивость. Вариационная кривая фото
Иллюстрация из учебника А. В. Теримова «Биология»

5. Анализируем график. Максимальная возможная величина семян тыквы равна 19 мм, минимальная — 8 мм, средняя — 13-14 мм. Варианты со средним значением встречаются чаще, а с крайними – реже. Они являются отклонениями от нормы – от среднего значения. Чем сильнее отклонение, тем меньше частота встречаемости.

Чтобы точно определить среднее значение изменчивости признака, нужно высчитать его по формуле:

M=Ʃ(ʋ х p)/n,

где M – среднее значение, Ʃ – знак суммирования, ʋ — значение варианты, p – частота встречаемости этой варианты, n – общее число вариант ряда. Это формула нахождения среднего значения вам знакома из математики.

Наследственная изменчивость

Все виды наследственной изменчивости связаны с генами, не важно где они расположены: в хромосомах ядра, в нуклеоидах или плазмидах бактерий или в пластидах и митохондриях клеток эукариот. Изменение в этих структурах приводят к исчезновению старых или появлению новых признаков. Наследственная (она же генетическая, она же неопределённая — по Дарвину) изменчивость делится на две группы: мутации и комбинации.

Комбинативная изменчивость

О комбинативной изменчивости мы говорили в уроке про хромосомное наследование. Почему у темнокожих родителей могут появиться на свет дети со светлой кожей (но не наоборот)? Пигментация кожи у человека определяется 4-6 парами полимерных генов. В генотипе коренных жителей Африки имеются преимущественно доминантные аллели (Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4), у представителей европеоидной рассы – рецессивные (p1p1p2p2p3p3p4p4). От брака темнокожего и белой женщины рождаются дети с промежуточным цветом кожи – мулаты (Р1р1P2р2P3р3P4р4). Если супруги – мулаты, то возможно рождение детей с пигментацией кожи от максимально светлой к максимально темной.

Если в семье темнокожих отца и матери были белые родственники, то аллели, отвечающие за белый цвет могут сохраниться. Белый цвет рецессивный и может проявиться только в гомозиготном состоянии. Поэтому надо, чтобы рецессивные аллели попали в зиготу как от отца, так и от матери, а доминантные при этом отсутствовали. Эти единичные случаи встречаются крайне редко и только при выпадании нескольких счастливых случайностей.

Редкий аллель при половом размножении проходит 3 этапа отбора:

  • перетасовку во время кроссинговера, происходящего в профазе I мейоза;
  • помещение в одну из гамет при расхождении хромосом во время анафазы I мейоза;
  • попадание в зиготу при случайном сочитании гамет при оплодотворении.

А если генов 6, то вероятность такого совпадения становится просто фантастической.

Одним из примеров комбинативной изменчивости может служить рождение детей с I или IV группой крови у гетерозиготных родителей, имеющих II и III группы крови (у потомков появляются новые признаки, отличные от родительских).
Другим примером может быть появление мух с серым телом и зачаточными крыльями, с черным телом и нормальными крыльями при скрещивании дигетерозиготной дрозофилы (серое тело, нормальные крылья) с черным самцом, имеющим зачаточные крылья. В данном случае у потомства вследствие кроссинговера возникают новые сочетания признаков родителей.
Таким образом, комбинативная изменчивость — важнейший источник разнообразия живых организмов и их возможности к адаптации.

Об изменениях в генах, хромосомах и генотипе (мутациях) речь пойдёт в следующем уроке.

Изменчивость организмов. Урок 8

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Яндекс.Метрика