Изменчивость

Каждый день на планете Земля появляются новые организмы: люди, животные, растения и другие. И нет ни одного похожего друг на друга. Вот две берёзы, взглянув на них, может показаться, что они совершенно одинаковые.

Но если присмотреться повнимательнее — и хорошенько исследовать их, — можно увидеть разницу в толщине ствола, высоте, и отличие окрасе коры.

Одна бегония росла в открытом грунте, листья и цветы у неё красные. От того же самого корня вырастили цветы бегонии в других условиях. У комнатной листья зелёные, а цветы бледные. Эти изменения окраски растения по наследству не передаются.

«Но есть же близнецы, — скажете вы, – они похожи друг на друга». Конечно, однояйцевые близнецы очень похожи. Однако и у близнецов есть не только сходства, но и различия.

Почему организмы одного вида отличаются друг от друга?

Всем организмам свойственно изменяться. Различают два вида изменчивости: модификациоенную (фенотипическую) и наследственную (генотипическую).

У близнецов, как у бегонии, наследственные задатки сходны. Изменчивость не затронула генотипы. Такая изменчивость не наследственная, это модификационная изменчивость (фенотипическая).

Вспомним что фенотип – это совокупность внешних и внутренних признаков организма, которые были им приобретены в результате развития.

Конечно, все признаки животного организма определяются комбинацией генов генотипа организма. Но гены постоянно испытывают воздействия со стороны внешней среды. Поэтому степень проявления действия генов может быть различной.

Модификационные изменения чаще всего носят приспособительный характер. У человека в результате воздействия внешних факторов (ультрафиолетовых лучей, например) появляется загар (усиление пигментации кожи), это защитное свойство организма.

Загар может появляться и исчезать. На такие изменения влияют внешние условия среды. Но вместе с этим у европейца никогда не будет такого цвета кожа, как например, у африканца. Потому что цвет кожи определяется четырьмя генами, расположенными в четырёх различных хромосомах.

Вы помните, что у европейцев чаще всего встречаются рецессивные гены, отвечающие за синтез меланина, а у африканцев — доминантные.

Модификационные изменения наблюдаются и у животных.

Например, у зайца происходит смена окраски шерсти при изменении погодных условий.

У бабочек-нимфалид наблюдается различная окраска крыльев при разности температуры.

Весенняя форма имеет гораздо более светлую, жёлто-оранжевую окраску крыльев с черными пятнами на них.

Летняя форма отличается от весенней: – они не рыжие, а черные, с белыми либо желтоватыми полосками на крыльях и небольшими оранжевыми пятнами. Местами может встречаться и третье поколение пестрокрыльниц. Они отличаются сочетанием оранжевого и чёрного окраса.

Если от родительского куста крыжовника путём вегетативного размножения получить несколько кустов, то их генотипы будут абсолютно одинаковы. Но фенотипы их могут отличаться. Например, размером листьев, длиной стеблей. На эти изменения действуют не генотипы, а различная степень воздействия факторов внешней среды: влажности, освещённости, качества почвы.

У водного растения стрелолиста в зависимости от того насколько оно погружено в воду, развиваются разные по форме листья.

У экземпляров, которые растут на берегу водоёма, листья имеют стреловидную форму. У экземпляров, растущих на глубине 1,5 и более метра, листья имеют только лентовидную форму. А если стрелолист растёт частично погруженным, то его листья имеют и лентовидную, и стреловидную форму. У данных растений генотипы одинаковые, а различны лишь их фенотипические признаки, то есть внешние.

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

Но по наследству передаётся способность к изменению.

Что это значит? Например, окраска шерсти гималайского кролика может меняется в зависимости от условий окружающей среды.

При обычных «комнатных» температурах зверьки имеют пёструю окраску. При повышенных температурах размер черных пятен уменьшается, а при температурах выше 30 °С на всём теле формируется белая шерсть. При пониженных температурах размер черных пятен увеличивается, а при температурах близких к 0 °С — гималайские кролики приобретают чисто чёрную окраску. То есть окраска шерсти может быть либо чёрной, либо белой в зависимости от температуры, но никак не рыжей. Фенотип организма формируется в результате взаимодействия генотипа и среды.

Приведём пример взаимного действия генов и среды.

В зависимости от условий окружающей среды у комнатного растения примулы красный окрас цветков меняется на белый.

При температуре 20 °С примула имеет красную окраску цветков.

При температуре до 35 °С, действие генов, отвечающих за окраску, подавляется, и цветки становятся белыми. То есть температура действует на ген, отвечающий за окрас, и изменяет 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 свою очередь изменяют деятельность клеток, которые отвечают за какие-либо признаки.

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

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

Изменчивость признака иногда бывает очень большой, но она не может выходить за пределы. Например, как мы уже говорили у европейца в результате загара никогда не будет цвета кожи африканца.

Пределы модификационной изменчивости какого-либо признака, называют нормой 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 находится в каких-то определённых пределах 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 имеет пределы, или границы, для каждого биологического вида (нижний и верхний). Для разных признаков пределы нормы реакции сильно различаются.

У одних признаков норма реакции очень широка (настриг шерсти с овец). А другие признаки характеризуются узкой нормой реакции (окрас шерсти у кроликов). 

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что наследуется не сам признак, а способность проявлять признак в предельных условиях, иными словами, наследуется норма реакции организма на внешние условия.

Модификационную изменчивость любого признака можно описать количественно с помощью методов вариационной статистики. Для этого строят вариационный ряд.

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

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

Варианта ─ это единичное выражение развития признака. В нашем случае вариантами являются только 6 значений.

Определим частоту встречаемости разных вариант. Мы измерили длину каждой шишки. Занесём в таблицу наши измерения.

Итак, одна шишка имеет длину 3 см, одна 3,5 см, две 4 см, шесть 5,5 см, три 6,2 см и одна 7 см.

Из расчётов не трудно заметить, что чаще всего встречаются варианты со средним значением длины, реже с большей или меньшей длиной.

Данные показатели можно представить в виде графика. И построить вариационную кривую.

Наличие различных величин в вариационном ряду ─ опять же внешняя среда и реакция на неё организма. И чем однообразнее условия среды, 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). 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.

Перечислим основные характеристики модификационной изменчивости:

·         модификационные изменения не передаются потомкам;

·         модификационные изменения возникают у многих особей вида и зависят от воздействия окружающей среды;

·         модификационные изменения возможны только в пределах нормы реакции, то есть в конечном счёте определяются генотипом.

·         модификациям свойственна массовость и обратимость.

Наследственная (генотипическая) изменчивость

Наследственная изменчивость проявляется в результате изменений в генетическом материале.

Является основой разнообразия живых организмов, а также главной причиной эволюционного процесса, так как она поставляет материал для естественного отбора.

Наследственная изменчивость проявляется в двух формах – комбинативной и мутационной.

Назовём три причины комбинативной изменчивости.

Первая причина.

Вы знаете, что в клетках каждого человека содержится 23 материнских и 23 отцовских хромосомы.

При образовании гамет в каждую из них попадут лишь 23 хромосомы, и сколько из них будет от отца и сколько от матери дело случая, в этом и кроется первый источник комбинативной изменчивости.

Вторая причина.

Комбинативной изменчивости способствует кроссинговер.

Когда при делении половых клеток в профазу первого деления, гомологичные хромосомы тесно сближаются, а затем обмениваются одинаковыми участками хроматид, этот процесс и называется кроссинговером.

В результате этого получается так, что ДНК одной гомологичной хромосомы окажется соединённой с ДНК другой гомологичной хромосомы. При этом возникают новые сочетания генов и новые комбинации наследственных свойств.

Каждая наша клетка несёт хромосомы дедушек и бабушек, определённая часть которых получила в результате кроссинговера часть своих генов от гомологичных хромосом, принадлежавших ранее другой линии предков. Такие хромосомы называют рекомбинантными.

Рекомбинантные хромосомы — это гомологичные хромосомы, принадлежащие ранее другой линии предков.

Третья причина комбинативной изменчивости — случайный характер встреч тех или иных гамет в процессе оплодотворения.

При оплодотворении с яйцеклеткой может слиться сперматозоид с икс-хромосомой или с игрек-хромосомой.

Все три процесса, лежащие в основе комбинативной изменчивости, действуют независимо друг от друга, создавая огромное разнообразие всевозможнейших генотипов.

Так же наследственная изменчивость проявляется и в мутационной форме.

Мутационная изменчивость – это возникновение изменений в наследственном материале, то есть в молекулах ДНК.

Причём изменения могут происходить как в отдельных хромосомах, так и в числе хромосом. Об этом мы расскажем подробнее на следующем уроке.

Мутации появляются редко, но приводят они к внезапным скачкообразным изменениям признаков, передающихся из поколения в поколение.