Мутационная изменчивость — в чем отличие от модификационной

Практическое применение понятий модификационной и мутационной изменчивости

Понятия модификационной и мутационной изменчивости имеют важное практическое применение в различных областях знания, включая биологию, генетику, селекцию растений и животных, медицину, аграрную науку и экологию. Рассмотрим примеры использования этих понятий в различных областях:

1. В биологии и генетике модификационная и мутационная изменчивость позволяют изучать процессы эволюции организмов. Модификационная изменчивость помогает определить, как окружающая среда влияет на нарушения фенотипических признаков, а мутационная изменчивость позволяет исследовать генетические механизмы, лежащие в основе наследования и эволюции.
2. В селекции растений и животных понятия модификационной и мутационной изменчивости применяются для создания новых сортов и пород с желаемыми признаками. Например, модификационная изменчивость может быть использована для улучшения плодоношения растений или увеличения выхода продукции, а мутационная изменчивость может быть использована для получения растений или животных с новыми мутациями, которые придают им полезные признаки.
3. В медицине понятия модификационной и мутационной изменчивости помогают понять механизмы развития различных заболеваний и исследовать методы их лечения. Например, модификационная изменчивость может быть связана с возникновением определенных форм рака, а мутационная изменчивость может быть ответственна за наследственные заболевания.
4. В аграрной науке модификационная и мутационная изменчивость применяются для увеличения урожайности, устойчивости к болезням и вредителям, адаптации к изменению климата и другим желаемым признакам растений. Например, модификационная изменчивость может быть использована для создания новых гибридных сортов растений с лучшими агрохарактеристиками.
5. В экологии понятия модификационной и мутационной изменчивости позволяют изучать адаптивные стратегии организмов в изменяющихся условиях окружающей среды. Например, модификационная изменчивость может помочь в понимании, какие факторы окружающей среды вызывают изменение поведения или физиологических признаков организмов, а мутационная изменчивость может быть связана с возникновением новых адаптивных признаков.

Таким образом, понятия модификационной и мутационной изменчивости играют важную роль в различных областях науки и практики и помогают лучше понять и использовать процессы изменчивости в природных и искусственных системах.

Слайд 31Аллополиплоидия – результат объединения наборов хромосом разных видов после образования межвидовых гибридов. Аллополиплоидия

у растений часто приводит к появлению необычно крупного цветка или плода и поэтому используется человеком. Она возникает несколько иначе, чем аутополиплоидия. Первый этап – это гибридизация двух несходных, но нормальных гаплоидных гамет (рис. 23-5). Продуктом этого является гаплоидная зигота, часть хромосомного набора которой наследуется от одного родителя, другая часть – от другого.Такой гибрид практически стерилен, потому что ни одна из его хромосом не может нормально спариваться во время мейоза. Каждая из его хромосом притягивается к одной из дочерних клеток отдельно от других.Иногда, совершенно случайно, все хромосомы сдвигаются только к одной дочерней клетке. Образуется функциональная гаплоидная гамета с тем же числом хромосом, что и у взрослого гибрида. Если две такие гаметы сливаются, возникает диплоидная зигота. Когда такой гибрид созревает, в нем может происходить нормальный мейоз, так как каждая из его хромосом имеет себе пару. Таким образом, он способен размножаться и к тому же жизнеспособен, это, следовательно, новый гибридный биологический вид.

Слайд 12Географическая изменчивость.При этой форме групповой изменчивости разные популяции одного и того

же вида в различных частях своего ареала закономерно отличаются друг от друга определенными признаками.Зачастую географическая изменчивость приобретает характер клинальной изменчивости. При этом частота встречаемости признака или степень его выраженности постепенно уменьшаются или, наоборот, усиливаются, на протяжении всей длины или отдельных частей ареала вида. Кривую, изображающую характер изменения признака, называют клиной, а линии, соединяющие точки с одинаковой степенью развития признака – изофенами (рис. 6).

Рис. 6. Клинальная изменчивость встречаемости белых особей у брюквенницы (самки первого поколения) (из Ф.Н. Правдина, 1968)

Модификационная изменчивость способствует приспособлению организмов к меняющейся среде

Одной из главных причин модификационной изменчивости является необходимость приспособиться к новым условиям среды. Когда окружающая среда меняется, организмы, способные производить модификации, имеют преимущество перед организмами с более ограниченными адаптивными возможностями.

Модификационная изменчивость может быть вызвана различными факторами. Один из них — воздействие физических факторов, таких как изменение температуры или влажности. Организмы могут адаптироваться к этим изменениям путем изменения своей физиологической структуры или функций.

Другим фактором, способствующим модификационной изменчивости, является воздействие биологических факторов. Например, организмы могут подвергаться воздействию паразитов или патогенных микроорганизмов, что может привести к изменению их иммунной системы или поведения.

Модификационная изменчивость может иметь как положительные, так и отрицательные последствия для организмов. С одной стороны, способность к модификации может позволить им выживать и размножаться в новых средовых условиях. С другой стороны, модификационная изменчивость может быть связана с появлением дефектов или неконтролируемыми изменениями, которые могут негативно влиять на выживаемость организмов.

Преимущества модификационной изменчивости:	Недостатки модификационной изменчивости:
— Позволяет организмам быстро адаптироваться к новым условиям среды	— Могут возникать неконтролируемые изменения
— Увеличивает выживаемость и размножаемость	— Могут возникать дефекты или мутации
— Позволяет организмам занимать новые экологические ниши	— Иногда изменения неэффективны или даже вредны

Виды мутаций

Выделяют три вида мутаций:

• генные;
• хромосомные;
• геномные.

Генные

Генные мутации вызывают нарушения белкового синтеза, поскольку изменяют или обессмысливают кодоны.При этих мутациях происходит:

• замена азотистых оснований в ДНК;
• выпадение или вставка азотистого основания в ДНК.

Рис. 1. Генные мутации

Хромосомные

К этому виду мутаций относят:

• потерю участка хромосомы;
• удвоение фрагмента хромосомы;
• перемещения фрагментов хромосом по их длине;
• переход фрагмента одной хромосомы в состав другой;
• поворот участка в хромосоме

Рис. 2. Хромосомные мутации

Как правило, такие изменения понижают жизнеспособность и плодовитость особей.

У всех животных семейства кошачьих 36 хромосом. Различия между видами в генотипе обусловлены поворотами участков хромосом.

Наследственная и комбинативная изменчивость

Мутационная изменчивость генотипа подразумевает изменение не просто фенотипических особенностей. Она затрагивает ещё и генотип особи, что приводит к передаче этого признака следующим поколениям. Дарвин относил это к неопределённой наследственности и полагал, что в биологии такие изменения являются движущим фактором естественного отбора.

Отличительная черта мутаций в том, что они не линейны, скачкообразны и не направлены. У организма появляются качественно новые свойства, которые ранее в природе не встречались. Они могут затрагивать геном, хромосому и конкретный ген, потому и выделяют три группы мутаций с аналогичным названием.

Такой тип изменчивости может быть комбинативным (перекомбинирование генов в процессе мейоза) и, собственно, мутационным.

Комбинативная изменчивость возникает вследствие перекреста и разных вариаций родительских генов во время формирования зародыша. Весь процесс строится на половом типе размножения. Это огромное поле для разных комбинаций генов, и оно играет огромную роль в жизнеспособности популяции.

В основе генетической изменчивости лежат несколько основных процессов. Два из них происходят на стадии мейоза, а последний непосредственно при оплодотворении:

1. Расхождение гомологов в анафазе. Мейотическое деление подразумевает создание половых гамет. Во время его процесса происходит уменьшение набора хромосом с 2n на 1n. Для этого гомологичные пары в анафазе расходятся к разным полюсам клетки. Данный процесс происходит независимо от каких-либо факторов. Собственно, именно на нём строится третий закон наследования Менделя (появление семян гороха, качественно отличных от родительских).
2. Процесс кроссинговера. Происходит в профазе первого деления. Сам процесс — перекрест определённых генов-аллелей, которые создают ещё один тип изменчивости признаков и индивидуальный набор в каждой гамете. Таким образом, у потомства появляются отличные от родителей признаки.
3. И, наконец, третий путь изменчивости — случайное сочетание родительских гамет при оплодотворении.

Все три типа работают независимо друг от друга и единовременно при каждом половом процессе, что позволяет обеспечить уникальное сочетание генов у дочерней особи. Это, несомненно, отражается на фенотипе. Такая изменчивость не порождает совершенно новых и отличных от всего вида признаков. Она отвечает за стабильные и постепенные изменения генотипа.

Слайд 21Важнейшей статистической характеристикой вариационного ряда является средняя арифметическая ( ). Она представляет собой

частное от деления всех вариант выборки на общее их число:

Средняя арифметическая величина даёт обобщённую характеристику изучаемого признака, являясь как бы точкой равновесия, вокруг которой изменяются все его значения. Но средняя арифметическая не даёт представления о характере варьирования данного признака. Основным показателем, характеризующим степень варьирования данного признака выборки, её фенотипическую изменчивость, служит дисперсия (S2), которая рассчитывается по следующей формуле:

Из представленной формулы следует, что дисперсия будет тем меньше, чем меньше отклонение частных значений изучаемого параметра от средней арифметической величины и чем больше выборка.

Если дисперсия характеризует всю выборку, то для определения варьирования частного значения выборки используется стандартное отклонение (S), которое вычисляется как извлечение квадратного корня из значения дисперсии по следующей формуле:

Эту величину назвали стандартным отклонением, т.к. она показывает, насколько в среднем отличается каждая вариация от среднего арифметического. Стандартное отклонение – величина именованная и характеризует степень модификационной изменчивости средней арифметической величины представленной выборки

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОДИФИКАЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Установлено, что модификационная изменчивость самых разнообразных признаков различных организмов имеет общие черты: среднее значение признака встречается чаще всего, а вариации, значительно отличающиеся от среднего, встречаются редко. Кривая, построенная по таким данным, является одновершинной и симметричной. Она называется кривой нормального распределения, т.к. очень часто встречается в природе

Слайд 32В 1924 году советский ученый Г.Д.Карпеченко получил плодовитый межродовой гибрид. Он

скрестил редьку (2n = 18 редечных хромосом) и капусту (2n = 18 капустных хромосом). У гибрида 2n = 18 хромосом: 9 редечных и 9 капустных, но он стерилен, не образует семян. С помощью колхицина (вещество разрушает веретено деления, в результате удвоившиеся хромосомы остаются в одной клетке).  Г.Д.Карпеченко получил полиплоид, содержащий 36 хромосом, при мейозе редечные (9 + 9) хромосомы конъюгировали с редечными, капустные (9 + 9) с капустными. Плодовитость была восстановлена. Таким способом в дальнейшем были получены пшенично-ржаные гибриды (тритикале), пшенично-пырейные гибриды и др.

Георгий Дмитриевич Карпеченко 
(1899 – 1941). В 1925 г. Г.Д. Карпеченко по приглашению Н.И. Вавилова возглавил генетическую лабораторию Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур (впоследствии – ВИР). В 1931 г. организовал и возглавил кафедру генетики растений Ленинградского государственного университета и до 1941 г. читал там общий курс генетики.

Мутационная изменчивость: что это и как она проявляется

Мутации могут проявляться в разных формах и иметь разные последствия для организма. Некоторые мутации могут быть нейтральными и не иметь видимых эффектов, но они все равно могут быть переданы потомству. Другие мутации могут быть вредными и вызывать различные нарушения функций организма. Однако, иногда мутации могут быть полезными и способствовать адаптации организма к изменяющимся условиям среды.

Мутационная изменчивость может проявляться на разных уровнях организации жизни — от изменений в одной клетке до генетических изменений, влияющих на всю популяцию. К примеру, мутации могут приводить к изменениям в генах, повышению или снижению их активности, изменению структуры белков и т.д.

Для оценки мутационной изменчивости и ее эффектов используются различные методы и техники, такие как секвенирование генома, генетические эксперименты и анализ мутационных данных.

Примеры мутаций	Эффекты мутаций
Точечные мутации	Изменение одного нуклеотида, может привести к изменению аминокислотной последовательности белка и его свойств
Вставки и делеции	Добавление или удаление нуклеотидов, может привести к сдвигу рамки считывания гена и образованию неполноценного белка
Крупные структурные изменения (транслокации, дупликации и др.)	Изменение числа и расположения геномных сегментов, может привести к нарушению нормального функционирования генов и регуляции

Мутационная изменчивость является важным фактором эволюции организмов, поскольку она создает генетическую изменчивость, на которую действуют естественный отбор и другие эволюционные процессы.

Мутация и её виды

Мутационная изменчивость, в отличие от модификационной, обусловлена значительными изменениями генов и набора хромосом. Всё потому, что мутация способна закрепиться и передаваться от родителей к детям, приводя к образованию нового полноценного вида, а при модификации — нет.

В каждой молекуле ДНК мутации происходят совершенно случайно. Их можно назвать спонтанными, ненаправленными и индивидуальными. Этот процесс может быть полезным, вредным и нейтральным. Закрепятся изменения в генотипе или нет, зависит от того, насколько полезным окажется её фенотипическое проявление в условиях среды обитания этой особи.

Весь процесс онтогенеза человека сопровождён мутациями, и чем раньше в процессе эмбриогенеза они появляются, тем выше их фенотипическое влияние в итоге. Примеры мутационной изменчивости и их характеристика:

• Нейтральная — самая популярная. Не несет практически никаких изменений, существенно влияющих на организм. Образуется в интронах (участки ДНК между генами, которые не отвечают за информацию по кодированию белка). Иногда может возникать в повторяющихся аминокислотах при вырождении генетического кода.
• Негативная — вторая по частоте образования мутация, фенотипическое проявление которой оказывает существенное влияние на организм и ухудшает жизнеспособность особи в конкретных условиях обитания.
• Позитивная — самая редкая. Ее проявление позволяет особи приобрести признак, значительно повышающий выживаемость в среде обитания. Это приводит к закреплению мутации и передаче её по наследству.

На процесс мутагенеза могут повлиять и факторы окружающей среды (в процессе образования половых гамет, к примеру). Химически активные вещества, УФ-лучи, радиация, температура, канцерогены — вещества, повышающие вероятность возникновения опухолей, и вирусы могут привести к повышенной мутационной изменчивости. Всё это кратко называется мутагеном.

В зависимости от дислокации мутации могут быть генными, хромосомными и геномными.

Хромосомный тип мутаций подразумевает под собой изменения на хромосомном уровне. Такие мутации заметны даже под обычным световым микроскопом. Есть несколько путей таких изменений:

• Делеция — происходит во время утери части хромосомы, как правило, в центре.
• Дупликация — множественное повторение генов в определённом участке хромосомы.
• Инверсия — поворот части вокруг своей оси на 180°. Такое изменение приводит к нарушению порядка считывания генов — оно происходит в обратную сторону.
• Транслокация — изменение местоположения конкретного кусочка хромосомы в её пределах. Один из вариантов — обмен участками между негомологами или вхождение одного участка в другую хромосому без обмена.

Геномный вид мутагенеза приводит к изменению хромосомного набора благодаря нарушениям его числа. Здесь выделяется два типа:

1. Анеуплоидия — увеличение или уменьшение числа хромосом в генотипе. Происходит это во время расхождения гомологов в мейозе (или хроматид в митозе) и характеризуется плохой выживаемостью особи. Если одна из пар гомологичных хромосом не разошлась вовремя, то появляются гаметы с меньшим или большим числом хромосом, и после оплодотворения образуется зигота с нестандартным набором. У человека таким характерным примером может быть трисомия — появление одной лишней хромосомы (Синдром Дауна).
2. Полиплоидия тоже меняет численный набор, но в больших масштабах — кратно всему набору. Если обычный набор хромосом в зиготе 2n, то при полиплоидии может быть 3n, 4n и далее. Происходит это при полном нерасхождении гомологов во время мейоза и распространено у микроорганизмов и растений. Часто с помощью мутагенов в сельскохозяйственной деятельности полиплоидию вызывают искусственно. Такая мутация обеспечивает большую надёжность системы генов, что приводит к плодовитости растения и повышенной жизнеспособности. Среди животных такой тип мутагенеза встречается очень редко, чаще всего у амфибий.

Слайд 13Экогеографические правила Очень часто исследователям удается найти связь между фенотипическими и экологическими

клиньями. Такие связи нашли отражение в экогеографических правилах.

Поверхность тела животного пропорциональна квадрату его размера. Объем тела пропорционален кубу его размера. Именно поэтому чем крупнее животное, тем относительно меньше его поверхность тела. Так как потеря тепла организмом связана с величиной поверхности тела, у мелкого животного относительно большая энергопотеря. Рассмотренная закономерность отношения поверхности и объема тела лежит в основе нескольких экологических и зоогеографических правил.Например, правило Аллена (Allen) устанавливает, что выступающие части тела у птиц и млекопитающих обычно бывают короче в более холодном климате.Правило Бергманна (Bergmann) заключается в том, что птицы и млекопитающие, обитающие в более высоких широтах, бывают крупнее особей своего вида, живущих ближе к экватору.

Естественно, что длинные уши и хвосты способствуют повышенным энергопотерям, а на севере это не выгодно. 

Слайд 37Следующий класс молекулярных мутаций — это делеции (утраты) или инсерции (вставки)

нуклеотидов. В том случае, когда делетируется или вставляется тройка нуклеотидов, то если этот триплет является кодирующим, в составе полипептида либо исчезает определенная аминокислота, либо появляется новая аминокислота. Однако, если в результате делеции или инсерции вставляется или удаляется число нуклеотидов, не кратное трем, то меняется или утрачивается смысл для всех остальных, следующих за вставкой или делецией кодонов молекулы мРНК. Такие мутации называются мутациями сдвига рамки считывания. Нередко они приводят к образованию стоп-кодона в следующей за инсерцией или делецией последовательности нуклеотидов мРНК. На схеме показано, что мутация сдвига рамки считывания возникла в результате инсерции пары оснований. Это привело к изменению кодонов после инсерции и аминокислотной последовательности полипептидной цепи.

Делеции (утраты) или инсерции (вставки) нуклеотидов

Характеристика модификации

Понятие модификации в биологии подразумевает некоторые изменения признаков организма, которые возникают под влиянием перемен, происходящих во внешней среде. Простым примером модификационной изменчивости может служить пигментация кожи во время загара. Как только прекращается воздействие солнечных лучей, загар со временем пропадает.

Предел модификационной изменчивости признака называется нормой реакции. Она представляет собой спектр ярких проявлений генов при постоянстве генотипа, из которого происходит выбор подходящих уровней экспрессии. В результате чего складывается специфический фенотип, а норма реакции для каждого вида имеет свои границы проявления.

Например, если животное начать усиленно кормить, то это приведет к росту массы, но она не будет выходить за пределы диапазона выявления этого признака. Для различных преобразований существуют разные грани проявления нормы реакции. Существуют две разновидности:

1. Широкая — для этого вида характерна большая степень изменчивости, отражающаяся в количественном значении.
2. Узкая — отличается незначительной изменчивостью, имеющую качественный характер.

До сих пор механизм этих процессов не установлен, но специалисты предполагают, что они обусловлены трансформацией цитоплазматических структур. Закономерность существования биологических преобразований характеризуется тем, что происходит изменение фенотипа, не затрагивая генотипа. Поэтому для эволюции модификация значит очень многое, так как она позволяет организмам адаптироваться к любым изменениям внешней среды.

https://youtube.com/watch?v=YvoaBoXpw4c

Отсюда вытекает, что естественный отбор благоприятствует тем генотипам, что обладают определенной широтой нормы реакции на внешние изменения. При мутации в организме также происходят изменения, но они связаны с перестройкой ген и хромосом. Это свойство преобразований в наследственном материале считается основным различием между модификационной и мутационной изменчивостью.

Изменчивость и ее типы

Изменчивость – это свойство дочерних организмов отличаться от родительских форм морфологическими, физиологическими и другими признаками и особенностями индивидуального развития. Различают две основные формы изменчивости: фенотипическую (ненаследственную) и генотипическую (наследственную).

Фенотипическая‚ или модификационная, изменчивость – это изменения фенотипа без изменения генотипа. Она обусловлена действием факторов внешней и внутренней среды на соответствующий организм. Модификации ненаследственны, так как структура генотипа при этом не затрагивается. Например, земляная груша, выращенная в долине в условиях достаточной влажности и освещенности, имеет высокий стебель. При перенесении такого растения высоко в горы стебель приобретает вид розетки листьев, прижатых к земле. При высевании семян такого растения в долине его потомки снова будут иметь высокий стебель.

Развитие ряда признаков зависит и от влияния различных регуляторных систем организма, в первую очередь эндокринной. Такие признаки петухов, как большой гребень, яркое оперение и способность к пению зависят от действия мужского полового гормона. Если у курицы удалить яичник и пересадить семенник, то через некоторое время она по вышеназванным признакам станет похожа на петуха. Следовательно, внутренняя среда организма также оказывает существенное влияние на проявление действия генов.

В генетической информации организма заложена способность развития определенных признаков и свойств. Эта способностъ реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и та же наследственная информация в разных условиях может проявляться по-разному. Например, окраска шерсти у гималайских кроликов и сиамских кошек зависит от температуры – более темная шерсть растет на участках тела, подверженных охлаждению. Следовательно, наследуется не сам признак, а определенный тип реакции на воздействие условий среды.

Пределы модификационной изменчивости называются нормой реакции. Различают широкую и узкую норму реакции. Признак, имеющий широкую норму реакции, изменяется в большом диапазоне. Например, количество молока у крупного рогатого скота зависит в значительной степени от условий содержания и кормления. Признак, имеющий узкую норму реакции, незначительно зависит от внешних условий, например окраска шерсти у крупного рогатого скота. Норма реакции определяется генотипом. Она складывалась историчсски в результате естественного отбора.

Дарвин называл модификационную изменчивость определенной, так как все особи одного вида, попав в сходные условия, изменяются одинаково, т.е. такая изменчивость предсказуема и носит групповой приспособительный характер. Например, все овцы при выращивании в холодных условиях будут иметь более густую шерсть.

Закономерности модификационной изменчивости носят статистический характер – это закономерности больших чисел. Для характеристики степени изменчивости количественных признаков применяют один из методов статистики – построение вариационной кривой. Например, если расположить новорожденных по величине роста (он колеблется от 41 до 60 см), то получится вариационный ряд изменчивости этого признака, состоящий из отдельных вариант. Частота встречаемости каждой варианты неодинакова: наиболее часто встречаются варианты со средним значением признака (около 50 см) и реже с большими или меньшими. Если построить графическое изображение этой закономерности, то при достаточно большом числе наблюдений получится относительно симметричная кривая.

Читайте: Взаимодействие и сцепление генов #53