Модификационная изменчивость. Норма реакции

Живым организмам в следствии каких-либо изменений окружающей среды либо изменений образа жизни свойственно изменяться. Такие изменения чаще все имеют приспособительный характер. Даже защитный.

Например, у человека в результате действия ультрафиолетовых лучей, образуется – загар (усиление пигментации кожи), это защитное свойство организма.

А когда действие ультрафиолетовых лучей прекращается загар постепенно исчезает. В таком случает происходит изменение цвета кожи человека.

Приведем пример других приспособительных изменений. У водного растения стрелолиста, наблюдается гетерофиллия, то есть у него разные по форме листья стреловидные и лентовидные.

У экземпляров, которые растут у кромки воды, то есть на самом берегу водоёма, листья приобрели стреловидную форму. У экземпляров, растущих на глубине 1,5 и более метров, листья имеют только лентовидную форму.  Считается что лентовидные подводные листья лучше усваивают растворенный в воде углекислый газ. А вот если стрелолист растет частично погруженным, то его листья имеют и лентовидную и стреловидную форму.

Если исследовать оба экземпляра, один который растет под водой и один надводный, то можно обнаружить, что генотипы их одинаковые, а различны лишь их фенотипические признаки, то есть внешние (фенотип).

Давайте вспомним уже изученные вами определения.

Генотип — совокупность генов организма.

Фенотип — это совокупность внешних и внутренних признаков организма, которые были им приобретены в результате развития.

А вот еще один пример внешней изменчивости.

Кролики так называемой гималайской породы имеют своеобразную пеструю окраску меха: основной фон шерстного покрова - белый; мордочки, кончики ушей и лап, а также хвосты − черные. Размер черных пятен зависит от температуры содержания гималайских кроликов. При обычных «комнатных» температурах зверьки имеют пеструю окраску. При повышенных температурах размер черных пятен уменьшается, а при температурах выше 30 °С на всем теле формируется белая шерсть. При пониженных температурах размер черных пятен увеличивается, а при температурах близких к 0 °С — гималайские кролики приобретают чисто черную окраску.

У потомства двух белых кроликов, выращенных в нормальных условиях, появится "гималайская", окраска, то есть и черная, и белая. 

Таким образом можно сделать вывод что модификация окраски потомству не передается; у потомков формируется (или не формируется) пигментация соответственно температуре их содержания.

Такая изменчивость признаков, которая происходит из-за действия внешней среды и не передаётся по наследству, называется модификационной или фенотипической изменчивостью.

Модификациями называют изменения фенотипа, вызванные под влиянием окружающей среды и не связанные с изменениями генотипа. А вид изменчивости называется модификационный. Мы сказали, что такая изменчивость не предаётся по наследству.

Действительно, если родители на протяжении нескольких поколений тренируются и поднимают тяжести, обладают развитой мускулатурой. То такое развитие не передастся следующему поколению. Потому как тренировка — это и есть то воздействие среды, которое влияет на развитие внешнего признака (в данном случае мускулатуры), но никак не влияет на генотип.

Приведём еще один пример модификационной изменчивости человека.

При подъеме в гору, увеличивается уровень эритроцитов в крови.  Это явление объясняется тем, что главная функция эритроцитов — это 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 потребность в кислороде заставляет человека и животных реагировать путём изменения числа эритроцитов на разных высотах.

Такая реакция может быть обратима: например, если переехать в место, расположенное на уровне моря, то количество эритроцитов в крови снижается.

Ещё один пример модификационной изменчивости. Как вы знаете при частых тренировках развивается мышечная система. А при малоподвижном образе жизни и обильном питании, увеличивается объем подкожно-жировой клетчатки и человек становиться полным.

А вот, у бабочки траурницы, при воздействии низких температур на её куколку, темнеет общий фон, и тускнеют голубые пятна на крыльях.

То есть при изменении условий окружающей среды, организмы начинают изменяться.

Итак, какие же факторы могут повлиять на модификационную изменчивость? Чаще всего климатические факторы внешней среды: освещённость, температура, влажность, давление, концентрация кислорода и углекислого газа в воздухе и другие.

Влияние условий окружающей среды на индивидуальное развитие организмов было доказано французским ботаником Гастоном Боннье.

Он разделил несколько экземпляров корней одуванчика на две равные части.

Затем одну из этих частей высадили в долине, другую − в высокогорных условиях Альп. Результаты опытов показали, что данные растения имели значительные различия по многим признакам.

Одуванчик, выросший в горных условиях, был приземистый, имел прикорневые листья и глубокие корни. А одуванчик, выросший в долине, имел высокие цветоносы, более крупные листья и поверхностную корневую систему.

Сильные ветры, значительно укороченный вегетационный сезон, сниженное содержание углекислоты в воздухе, низкие температуры и другие.

Таким образом, биолог Гастон Бонье сделал вывод о влиянии окружающей среды на внешние признаки растений.

Иногда модификационную изменчивость называют ненаследственной, что нельзя считать правильным, так как в данном случае наследуется не само изменение признака, а способность к изменению.

Например, окраска шерсти гималайского кролика, может быть либо чёрный, либо белый в зависимости от температуры, но никак не рыжей. Фенотип организма формируется в результате взаимодействия генотипа и среды.

Каким образом это происходит?

Например, комнатное растение примула при температуре 20°С имеет красную окраску цветков. Если увеличить влажность и повысить температуру до 35°С, то действие генов, отвечающих за окраску, подавляется, и цветки станут белыми. То есть, влажность и температура, действуют на ген, отвечающий за окрас, и изменяют его работу.  

Если растение вернуть в прежние условия при температуре воздуха 18-20°С, то примула опять будет иметь красные цветки.

Семена, собранные от растений с красными и белыми цветками, дадут потомство в зависимости от условий среды. То есть, наследуется не признак (окраска цветка), а тип биохимической реакции на условия внешней среды. В данном случае реакции в пигментах цветка.

Возникновение модификаций связано с воздействием условий среды на ферментативные реакции, протекающие в организме.

Таким образом, факторы окружающей среды способны регулировать изменение работы генов. На основе которых строятся белки. А они в совою очередь изменяют деятельность клеток, которые отвечают за какие-либо признаки. 

Модификационная изменчивость у человека действует на вес, физические способности. У животных способна изменять окрас покрова, массу тела, а у растений стеблевое строение и развитие.

Однако, эти изменения происходят в определённых пределах. Пределы модификационной изменчивости какого-либо признака, называют нормой реакции. Организм наследует не признак как таковой, а норму реакции.

Например, у рогатого скота удой во многом зависит от кормления и ухода, то есть от условий содержания. Хорошо известно, что удой можно повысить благодаря правильному подбору кормов нужного качества и количества. Однако, количество вырабатываемого молока коровами, будет всегда находиться в каких-то определённых приделах от самого маленького до самого большого удоя. Например, у коровы, количество вырабатываемого молока колеблется от 6 до 12 литров в сутки. То есть не более и не менее этого значения.

Норма реакции определяется генетически и наследуется.

Она имеет пределы или границы для каждого биологического вида (нижний и верхний).

Для разных признаков пределы нормы реакции сильно различаются. Например, широкие пределы нормы реакции имеет величина удоя, а узкие пределы — интенсивность окраски большинства животных.

Модификационную изменчивость любого признака можно описать количественно с помощью методов вариационной статистики и представить в виде графиков и таблиц.  Но изначально создают вариационный ряд и строят на его основе вариационную кривую.

Давайте посмотрим, как это происходит.

Если измерить длину и ширину листьев, взятых у одного дерева, то можно обнаружить что размеры их варьируют в довольно широких пределах. Они разные, но генотип их одинаков.

Затем расположить эти листья в порядке возрастания (например, длины), то получится ряд изменчивости, который как мы уже сказали называют вариационный ряд. Он состоит из отдельных вариант.

В нашем случае вариантами являются только 6 значений. Варианта, следовательно, и есть единичное выражение развития признака.

Определим частоту встречаемости разных вариант.

Мы измерили длину каждого листа. Занесём в таблицу наши измерения.

Итак, 1 лист имел длину 43 мм; 1- 45 мм; 2 листа 48 мм; 6 листов имели длину 53 мм; 3 – 56 мм и 1 лист 58 мм.

Обнаружили, что чаще всего встречаются варианты со средним значением длинны, реже с большей или меньшей длинной.

Также модификационную изменчивость данного признака можно представить в виде графика.

Причина такого распределения вариант в вариационном ряду опять же внешняя среда и реакция на неё, организма.

Таким образом, чем однообразнее условия развития, тем меньше выражена модификационная изменчивость, тем короче будет вариационный ряд. А чем разнообразнее условия среды, тем шире модификационная изменчивость. Также изменчивость вариаций зависит и от генотипа.

Модификациям присуща массовость. Дарвин назвал её определённой (групповой). Вот что он писал: «Определённая изменчивость проявляется у всех нормальных особей вида, подвергшихся одинаковому воздействию. Изменчивость расширяет пределы существования и размножения организма.»

Она выражается в том, что один и тот же фактор вызывает примерно одинаковые изменения у особей, сходных генотипически. Поэтому модификационную изменчивость называют групповой.

Например, при перемещении овец в более холодные условия у всех особей шерсть становится более густой.