Материал для естественного отбора. Эволюционная роль мутаций
1. Допишите предложение.
Приоритет в исследовании генетических процессов в популяции принадлежит выдающемуся русскому ученому С. С. Четвертикову .
2. Ответьте, в чем заключается эволюционная роль мутаций.
Мутационный процесс - источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора.
3. Наблюдения за природными популяциями показывают, что большинство организмов гетерозиготно по многим генам. Дайте объяснение этого феномена.
Большинство организмов гетерозиготно по многим генам, то есть в их клетках парные хромосомы несут разные формы одного и того же гена. Чаще всего такие организмы лучше приспособлены к среде, чем гомозиготные.
4. Объясните причину (причины) различий в генетической структуре популяций одного вида.
Генетические различия между популяциями существуют потому, что часто они обитают в отличающихся условиях обитания. Направленное изменение частоты генов обусловлено действием естественного отбора. Кроме того, даже если популяции расположены близко друг от друга, в популяциях происходят процессы, приводящие к ненаправленному, случайному изменению частоты генов, то есть генетической структуры.
5. Приведите определение генофонда популяции (вида).
Генофонд популяции — это совокупность всех генов популяции.
6. Напишите, что такое резерв наследственной изменчивости и каково его биологическое значение.
Резерв наследственной изменчивости - это мутационный процесс.
Его биологическое значение - мутации создают основу для генетического разнообразия популяций, что в дальнейшем может образовать новые виды. То есть мутации могут привести к видообразованию.
7. Раскройте смысл утверждения: «Некоторые вредные мутации имеют положительное эволюционное значение». Приведите пример.
В некоторых необычных условиях мутации помогают выжить и дают преимущество перед другими особями. Например, у некоторых видов насекомых наблюдается мутация, при которой не развиваются крылья. В обычных условиях это приносит вред, но на островах и горных перевалах, где дуют сильные ветры, отсутствие крыльев позволяет насекомым нормально существовать.
8. Выберите из нижеприведённых вариантов правильный ответ на вопрос и подчеркните его.
Какой (какие) из нижеперечисленных факторов является (являются) фактором-поставщиком (факторами-поставщиками) генетической неоднородности популяции?
Ответ: изоляция , мутационный процесс, естественный отбор , волны численности, миграция.
9. Закончите предложение.
Эволюционным фактором, усиливающим и закрепляющим генетические различия между популяциями, является изоляция .
Во все века человечество пыталось найти ответы на вопросы: Каким образом сформировалось это колоссальное разнообразие? Почему каждый вид оптимально приспособлен к условиям своего обитания? Чем отличаются одни виды от других? Почему одни виды процветают, а другие вымирают и исчезают с лица Земли?
1. Элементарная единица эволюции Популяция 2. Элементарный эволюционный материал Мутации – генотипическое разнообразие в популяциях 3. Элементарное эволюционное явление Длительное и направленное изменение генофонда 4.Элементарные эволюционные факторы Наследственная изменчивость, борьба за существование, естественный отбор – направляющий фактор 5. Элементарный объект отбора Отдельная особь с определенным фенотипом
С.С. Четвериков Популяции подобно губке, впитывают рецессивные мутации, оставаясь при этом фенотипически однородными. Существование такого открытого резерва наследственной изменчивости создает возможность для эволюционных преобразований популяции под воздействием естественного отбора. Занимался изучением природных мутаций, изменений наследственных свойств организма. Внес значительный вклад в развитие популяционной генетики.
Мутационный процесс – постоянно действующий источник наследственной изменчивости. Гены мутируют с определенной частотой. В процессе полового размножения мутации могут широко распространяться в популяциях. Большинство организмов гетерозиготно по многим генам, то есть в его клетках гомологичные хромосомы несут разные формы одного и того же гена. Гетерозиготные организмы лучше приспособлены, чем гомозиготные.
Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора. В разных популяциях одного вида частота мутантных генов неодинакова. Нет популяций с совершенно одинаковой частотой встречаемости мутантных признаков. Эти различия могут быть обусловлены тем, что популяции обитают в неодинаковых условиях внешней среды. Направленное изменение частоты генов в популяциях обусловлено действием естественного отбора.
Волны жизни колебания численности особей в популяции. Термин введён русским биологом С. С. Четвериковым в 1915 году. Подобные колебания численности могут быть сезонными или несезонными, повторяющимися через различные промежутки времени; обычно они тем длиннее, чем продолжительнее цикл развития организмов. Впоследствии термин был заменён понятием популяционные волны (один из 4 элементарных эволюционных факторов мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор). Основное значение сводится к случайным изменениям концентраций различных мутаций, содержащихся в популяциях, а также к ослаблению давления отбора при увеличении и его усилению при уменьшении численности особей в популяции. Под термином иногда подразумевают этапы развития растительного и животного мира, примерно соответствующие смене геологических циклов.
Эволюционные факторы – факторы вызывающие эволюцию популяций. «Волны жизни» и «дрейф генов», как правило, сопровождают эволюционный процесс каждой популяции, если речь идет о длительном процессе (периоде времени). Однако, историческое развитие органического мира теоретически возможно и без них, то есть только на основе изменчивости, наследственности, борьбы за существование и естественного отбора.
Можно ли считать все причины, вызывающие гибель организмов, естественным отбором? Естественный отбор не является единственной причиной гибели организмов. Смерть животного может быть следствием случайного события (лесного пожара, наводнения или другого стихийного бедствия, которое не оставляет шансов на выживание).
Эволюционные факторы Направляющие эволюционный процесс Ненаправляющие эволюционный процесс Естественный отбор (на фоне борьбы за существование) -Наследственная изменчивость. -- Дрейф генов. -- Волны жизни. -- Изоляция. Действует в популяции, изменяя ее генофонд Возможный результат: возникновение новых популяций, подвидов, видов (видообразование)
Совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях вида и приводящих к изменению генофондов этих популяций и образованию новых подвидов, видов, называется микроэволюцией. Эволюция на уровне систематических единиц выше вида, протекающая миллионы лет и недоступная непосредственному изучению, называется макроэволюцией. Эти два процесса едины. Домашнее задание: Стр Привести примеры ароморфозов, идиоадаптаций и дегенераций. Повторить определения вид, популяция, эволюция, макроэволюция, микроэволюция.
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
1. Наследственная изменчивость
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).
2. Мутационный процесс
Мутационный процесс - это один из главных источников наследственной изменчивости.
Гены мутируют с определенной частотой.
По современным представлениям, вероятность возникновения мутации в конкретной паре нуклеотидов составляет около 10-8. Поэтому, если человеческий геном состоит из около 3 миллиардов нуклеотидов, то каждый человеческий потомок несет около 30 мутаций, которых не было у его родителей.
Мутации широко распространены в популяциях. Не все мутации затрагивают гены - большая часть мутаций накапливается в некодирующих последовательностях.
По своим последствиям для организма, мутации можно условно разделить на вредные, полезные и нейтральные (см. Схему 2).
Полезные мутации чрезвычайно редки. Можно предположить, что организмы, гомозиготные по вредным мутациям, будут постоянно исключаться из популяции. Частота мутантной аллели будет падать, соответственно, будет падать и доля гетерозигот. Но, на самом деле, в популяциях этого не происходит, потому что гетерозиготные организмы, как правило, оказываются более приспособленными к условиям внешней среды.
Рассмотрим это явление на примере популяций бабочки Берёзовой пяденицы. Кажется, что светлоокрашенных бабочек, гомозиготных по рецессивной аллели, обитающих в лесу с темными стволами, должны полностью уничтожить враги. Единственной формой в данных условиях должны стать тёмноокрашенные бабочки, гомозиготные по доминантной аллели. Но на самом деле в закопченных лесах южной Англии постоянно встречаются белые бабочки. Почему? Рецессивные аллели в популяции сохраняются у гетерозиготных организмов (см. Рис.3).
Рис. 3. Две формы березовой пяденицы на темном стволе дерева: легко различимая белая сверху и темная едва заметная под ней
Таким образом, хотя большинство мутаций в генах оказываются вредными, они все-таки присутствуют в популяции. Стоит отметить, что мутации, оказавшиеся вредными в одном случае, могут быть полезными в другом.
Например, мутации насекомых, приводящие к рождению бескрылых особей, безусловно, вредны, и такие особи проигрывают своим крылатым соперникам. Но когда эти насекомые попадают на берег моря или горные перевалы, где дуют очень сильные ветры, то бескрылые особи получают преимущество перед крылатыми насекомыми.
Таким образом, мутационный процесс создает резерв для наследственной изменчивости; увеличивая генетическое разнообразие популяции, он создает основу для естественного отбора.
2.1. Скорость мутаций
Скорость возникновения мутаций в целом постоянна для каждого таксона, но в разных царствах живых организмов она отличается. Максимальна эта скорость возникновения мутаций (мутагенеза) у микроорганизмов и вирусов.
Скорость мутаций иногда может скачкообразно возрастать. Обычно это происходит при попадании организма в неблагоприятные условия среды. В таком случае скорость мутации может ускоряться более чем на порядок.
2.2. Скорость мутаций
Вредные мутации у диплоидных организмов обычно проявляются только в гомозиготном состоянии.
В крупных популяциях такие мутации реже проявляются, чем в малочисленных группах особей. При близкородственном скрещивании (например, между братьями и сестрами) мутантные аллели чаще попадают в гомозиготное состояние и проявляются в фенотипе.
Домашнее задание
1. Что такое мутации? Как они возникают? Какими они бывают?
2. Что такое элиминация? Как происходит элиминация вредной мутации?
3. Что такое относительная приспособленность организма? В чем она выражается?
4. Какие факторы называют мутагенными? В чем их польза и вред?
5. Какова скорость возникновения мутаций?
6. Обсудите с друзьями относительность приспособленности живых организмов. Какие полезные практические выводы можно сделать, исходя из знания об относительной приспособленности организмов?
1. Википедия.
2. Википедия.
3. Википедия.
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.
11 класс. Биология (ПРОФ)
Тема урока: «Материал для естественного отбора. Мутации. Эволюционная роль мутаций».
Цель урока: Сформировать понятие «мутация»; рассмотреть виды мутации и выявить эволюционную роль мутаций.
Ход урока
Организационный момент
Актуализация знаний
Беседа о виде и его критериях.
Изучение нового материала
Мутации – это изменения в ДНК клетки. Возникают при действии УФ, радиации… передаются по наследству, служат материалом для Е.О.
Генные мутации (точечные, трансгенации) – изменение строение одного гена в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена.
ДНК: ТТЦ- ТГТ- АА А -ТТТ- ЦАГ
ААГ-АЦА- ТТ Т - ААА- ГТЦ - замена пары А-Т на Ц-Г
ДНК: ТТЦ- ТГТ- АА Ц ---- А -ТТТ- ЦАГ
ААГ-АЦА- ТТ Г ---- Т - ААА- ГТЦ -вставка пары Ц-Г
ДНК: ТТЦ- ТГТ- АА _ -ТТТ- ЦАГ
ААГ-АЦА- ТТ _ - ААА- ГТЦ - выпадение пары А-Т
Транзиции – одно пуриновое основание в паре нуклеотидов заменяется на другое, а пиримидиное на другое пиримидиновое. А(пурин)Т(пиримидин) на Г(пурин)Ц(пирим)
Трансверсии – пуриновое основание заменяется на пиримидиновое, а пиримидиновое на пуриновое. АТ на ЦГ
Причины – нарушения при репликации, репарации, рекомбинации. Вызывают наследственные заболевания связанные с обменом веществ.
Хромосомные мутации (перествройки или аберрации) – внутрихромосомные изменения или межхромосомные обмены.
Внутрихромосомные перествройки – структурные изменения в пределах одной хромосомы.
Делеция (нехватка) – потеря участка хромосомы.
ABCDEFGH-----ABCEFGH
Дефишенси – нехватка концевого участка хромосомы.
ABCDEFGH-----ABCDEFG
Дупликация – повторение какого либо участка 9тандема) хромосомы.
Прямая тандемия ABCBCDE
Обращённая тандемия ABCCBDE
Концевая дупликация ABABCDE
Мультипликация ABCDCDCDCDEFGH
Инверсии – поворот участка хромосомы на 180.
ABCDEFGH---ABCFEDGH
Межхромосомные перестройки – одно или двустороннее перемещение участков с одной хромосомы на другую, а также взаимодействие негомологичных хромосом.
Транслокации – обмен фрагментами м/у негомологичными хромосомами.
AB CDE / FGH MNO CDE / FGH
MNO PQ / R AB PQ / R
Транспозиции – перемещение участка в пределах одной хромосомы.
ABCDE / FGH ------ ABE / FDCGH
Причины – разрывы хромосом или хроматид и воссоединение их в новых сочетаниях.
Геномные мутации – Изменения количества хромосом. Причины – нарушения при расхождении хромосом.
Полиплоидия – кратные изменения. У животных не вствречаются, у растений приводят к увеличению размера.
Анеуплоидия – изменения на 1-2 хромосомы. (синдром Ш-Е 44х; Дауна – 21, Патау-13, Эдвардс-18)
Мутационный процесс – постоянно действующий источник наследственной изменчивости . Благодаря этому популяции насыщены самыми разнообразными мутациями. Благодаря комбинативной изменчивости мутации могут широко распространиться в популяциях.
Большинство организмов гетерозиготно по многим генам, так как они лучше приспособлены чем гомозиготы.
ПРИМЕР: Светлоокрашенные бабочки берёзовой пяденицы (аа), обитающие в лесу с тёмно окрашенными стволами деревьев быстро должны быть уничтожены врагами, так как заметны. И единственной формой обитания должны стать темноокрашенные бабочки, гомозиготные по доминантной аллели (АА). Но очень долго встречались светлые бабочки (аа). Оказывается гусеницы (АА) плохо усваивают листья берёз покрытых гарью, а гусеницы (Аа) растут на этом корме гораздо лучше. Следовательно, болшая биохимическая гибкость гетерозиготных организмов приводит к их лучшему выживанию и отбор действует в пользу гетерозигот.
Мутации вредные в одних условиях, могут повышать жизнеспособность в других условиях.
ПРИМЕР: мутация, обуславливающая недоразвитие или полное отсутствие крыльев у насекомых, безусловно вредна в обычных условиях., и бескрылые особи быстро вытесняются нормальными. Но на океанических островах, где дуют сильные ветры, такие насекомые имеют преимущество перед особями с нормальными крыльями. Так не сдуваются потоками воздуха.
Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяции. Высокая степень генетического разнообразия популяций – основа для действия Е.О.
Причины многообразия фенотипических проявлений.
Изменение регуляторных генов, приводящих к изменению времени и места включения в работу генов. Активация генов на более ранних этапах онтогенеза, вызывает и усиливает плейотропный эффект гена и, следовательно, большее число его проявлений. (Плейотропия – один ген влияет на несколько фенотипических признаков (рыжий цвет волос обуславливает более светлую кожу и веснушки; белые голубоглазые коты имеют склонность к глухоте; У овса окраска чешуйки и длина семени регулируются одним геном).
У более высокоорганизованных групп живых организмов в большей степени изменяется сам процесс реализации наследственной информации.
Закрепление
Освещение основных вопросов по данной теме. (стр. 40 учебника)
Рефлексия
