Еволюційна роль мутацій
Мутація
мутагенами
Генотип
алеля (аллель гомозигота гетерозигота(Аа).
Еволюційна роль мутацій
Організм і кожна клітина безперервно піддається різним впливам середовища, які можуть викликати порушення у процесі поділу клітини і «помилки» у копіюванні генів і хромосом, тобто. мутацію.
Мутація- Зміна спадкового апарату клітини, що зачіпають цілі хромосоми або їх частини.
Вивченням природних мутацій займався вітчизняний вчений Четвериков і голландський ботанік Де Фріз.
Мутація - безперервний, випадкові процес, але не безпричинний!
Впливи, що викликають мутації називаються мутагенами. Основними мутагенами є: всі види випромінювань, хімічні речовини, віруси, бактерії, надмірна висока чи низька температура тощо.
Мутації бувають: шкідливі, нейтральні та шкідливі. Одна і та ж мутація може змінити своє значення за умов, що змінилися. Більшість мутацій шкідливі, але корисні мутації, що рідко виникають, є вихідним матеріалом для еволюції.
Для всіх організмів у природному стані характерне вільне схрещування – стабілізуючий апарат генотипів у популяції. ( Генотип - Сукупність генів організму).
Ген – ділянка молекули ДНК, що містить спадкову інформацію. Ген має два алеля (аллель - Конкретний стан гена): домінантний ген - А, рецесивний ген - а. При злитті двох клітин утворюється зигота, якщо вона має два однакові алелі гена, то вона називається гомозигота(АА, аа), якщо різні алелі - гетерозигота(Аа).
Рецесивні мутації, що виникають, йдуть в гетерозиготний стан і непомітні. Але кожен вид (населення), як губка, насичується такими мутаціями. Таким чином має місце прихована мінливість.
Частота мутацій 10-4, 10-8.
У кожного організму кількість генів велика, отже ймовірність народження мутації більше, кількість особин у популяції велика. Отже, можна говорити, що мутація – звичайне явище.
Оскільки генетична різноманітність є результатами еволюції, то мутація необхідна для еволюційного процесу.
Частота мутацій залежить від: природних катастроф (одні мутації зникають, а концентрація інших підвищується); міграції (змінюється частота генів-відрізняється від вихідної); "хвиль чисельності", ізоляції.
Зміна напрямів природного відбору відповідно до нових умов боротьби за існування
Відбір особин, наслід. зміни яких дозволяють їм освоювати нові території чи місцеперебування
Географічне видоутворення
Екологічне видоутворення
Розселення на новій території
Освоєння нових екологічних ніш у межах старого ареалу
Географічна ізоляція між популяціями
Виникнення підвидів
Біологічна ізоляція
Виникнення нових видів
Відбір у нових умовах середовища
Відбір у нових умовах середовища
Біологічна ізоляція
Виникнення підвидів
Виникнення нових видів
Послідовність подій при видоутворенні
Зміна довкілля чи положення виду (популяції) у ній
Загострення боротьби за існування між особами
Сценарій уроку на тему
«Еволюційна роль мутацій»
Дата проведення: 14.10.2014
Предмет: Біологія
Тема уроку "еволюційна роль мутацій";
Підручник: Мамонтов С.Г., Сонін Н.І. “Біологія. Загальні закономірності» 9 клас.: Дрофа, 2006.
Мета уроку: створити умови для засвоєння поняття мутація, розглянути еволюційну роль мутацій
Завдання уроку:
Виховна:патріотичне виховання з прикладу вітчизняних учених, вивчили мутаційний процес;
Розвиваюча:формування умінь та навичок самостійної роботи, закласти основи для вивчення генетики;
Освітня: розглянути суть мутаційного процесу, виявити його роль еволюції.
Тип уроку: Комбінований.
Метод проведення: бесіда, пояснення, самостійна група.
Хід уроку:
Організаційний момент . Вітання. Підготовка аудиторії до роботи. Перевірка наявності учнів.
Перевірка знань учнів та цілепокладання .
Вчитель:зараз ми виконаємо тестове завдання, за допомогою якого ми дізнаємося, що ми вивчатимемо на сьогоднішньому уроці. (Учні приступають до виконання тесту). Додаток 1.
Вчитель разом із учнями, за допомогою правильно виконаного тесту, повідомляють тему уроку та мету уроку.
Номер питання | |||||||
Викладення нового матеріалу.
Вчитель:Записуємо тему уроку: Еволюційна роль мутацій.
Згадаймо, еволюція ділиться на два види:
Еволюція
Мікроеволюція Макроеволюція
Дайте визначення поняття «мікроеволюція»? (видоутворення).
Вчитель проводить переднє опитування щоб направити учнів на самостійне вивчення цієї теми:
Одиницею спадковості є …?
Де знаходиться хромосома?
За допомогою малюнка на презентації та міркувань разом із учителем, учні самі формулюють визначення терміну ген. (Ген – це ділянка молекули ДНК, що містить спадкову інформацію).
Вчитель:живий організм і кожна його клітина завжди піддаються різним впливам довкілля. Вплив довкілля можуть викликати порушення у процесі поділу клітини і «помилки» у копіюванні генів і хромосом. Як ви вважаєте, до чого призводять такі «помилки»? (Мутаціям)
Мутація – зміни спадкового апарату клітини, що зачіпають цілі клітини чи його частини.
Вчитель:Питання класу: Яка роль мутацій в еволюційному процесі? Для відповіді це питання ми розглянемо докладніше мутаційний процес. Якими бувають мутації?
Корисні мутації: мутації, що призводять до підвищеної стійкості організму (стійкість тарганів до отрутохімікатів). Шкідливі мутації: глухота, дальтонізм. Нейтральні мутації: мутації не позначаються на життєздатності організму (колір очей, група крові).
Еволюція - це процес, в результаті якого нові форми життя виникають із раніше існуючих: квіткові рослини - з папоротей і мохів, птиці та ссавці - з плазунів, людина - з мавпоподібних предків.
Еволюція триває й у час, але з погляду еволюційних масштабів часу людське життя є настільки коротку мить, що людині лише зрідка вдається безпосередньо спостерігати еволюцію. Так, наприклад, ми є свідками перетворення нешкідливих бактерій на вірулентні або витіснення темнозабарвленими метеликами світліших різновидів в індустріальних районах.
Пристосування кожного виду організму до свого специфічного середовища та способу життя завжди викликало здивування та захоплення дослідників природи. Для досягнення такого дивовижного пристосування природа діє приблизно так само, як людина при виведенні витривалих порід овець для гірських районів або сортів картоплі, стійких до хвороб. Тваринник і рослинник відбирають особин, добре пристосованих до тих умов, у яких ці рослини чи тварини мають жити. Менш пристосованих вони бракують. Часто вони створюють нові різновиди шляхом схрещування існуючих ліній і відбору з їхнього потомства таких особин, які поєднують у собі корисні ознаки обох ліній, як, наприклад, високу врожайність одного сорту пшениці і морозостійкість іншого або сріблястого забарвлення кролика шиншила з м'яким мехом.
Еволюція теж діє шляхом схрещування та відбору. Її матеріалом є гени, що мутували, присутні у всіх видів. При кожному акті статевого розмноження з'являються нові комбінації генів. Особи, що несуть різні комбінації генів, змагаються між собою у боротьбі існування. Більш пристосовані залишають більше потомства, і зрештою найкращі комбінації витісняють найгірші. Навіть відносно незначна кількість генів, що мутували, забезпечує величезний запас потенційної генетичної мінливості. Якби людство загалом несло лише 1000 генів, що мутували, а це, безумовно, сильно применшена цифра, число можливих комбінацій цих генів значно перевищило б число всіх людей, що живуть на землі. Не існує двох осіб, за винятком однояйцевих близнюків (див. статтю про те), які були б цілком ідентичні за своєю генетичною конституцією.
Незважаючи на те, що для своїх безпосередніх цілей еволюція використовує вже існуючі гени, первинною сировиною є мутації, в результаті яких нові гени з'являються. Мутації, таким чином, є однією з найбільших рушійних сил еволюції, а оскільки еволюційний процес не припиняється, мутації, як і раніше, необхідні для збереження та прогресу життя на Землі.
Проте більшість нових мутацій є шкідливими чи навіть летальними. Чим це пояснюється? Причина полягає в тому, що кожен існуючий організм є результатом тривалої еволюції, протягом якої він так тонко пристосувався до вимог свого способу життя, що будь-яка зміна його організації швидше виявляється зміною на гірше, ніж на краще. Уявімо: людина зламала якесь коліщатко у своєму годиннику і годинникар, якому він відніс годинник, вибирає нове коліщатко навмання з цілої купи деталей усіх розмірів і сортів. Дуже ймовірно, що після цього годинник погано ходитиме, а може, і зовсім зіпсується. Найскладніший годинник значно простіше самого примітивного організму. Десятки зв'язаних між собою коліщаток необхідні для того, щоб годинник йшов; тисячі взаємозалежних фізіологічних процесів необхідні у тому, щоб організм розвивався і вижив. Мутація, замінюючи один ген на інший, змінює один із цих процесів у порядку випадковості. Не дивно, що більшість мутацій порушують гармонійність організму, а багато хто призводить навіть до смерті.
Якою мірою певна мутація виявиться шкідливою, залежатиме від способу життя та навколишнього організму середовища. Для зеленої рослини, існування якої залежить від хімічної активності хлорофілу, що міститься в ньому, мутація, що викликає альбінізм, виявиться летальною. Тварини, що живуть у печерах, можуть обходитися без пігменту, і тому серед них мутація, що веде до альбінізму, зможе поширитися. В арктичних умовах добір сприяє білим мутантам.
Коли змінюються умови середовища, мутанти, що були в старих умовах невдахами, виступають вперед і можуть навіть витіснити своїх предків, що не мутували. Маленька водяна блоха Daphnia є звичайним мешканцем наших ставків та різних водойм. Вона добре розвивається при температурі 20 ° С і гине, якщо температура підвищується приблизно до 27 ° С. У лабораторних умовах виник мутант, який для свого існування потребує температури від 25 до 30 ° С. За сучасних кліматичних умов Англії мутантні особини не могли б існувати. Уявімо, однак, що температура підвищилася на 7-8° С. У такому разі мутанти виявилися б єдиними особинами, здатними вижити, і вони заклали б основу нової лінії, що складається цілком з мутантів.
Так само мутантні особини набувають цінності при заселенні видом нових територій або зміні способу життя. По ходу еволюції життя безперервно освоювало нові території: моря, сушу, прісні води, повітря, проникало всередину інших організмів - рослин та тварин. Коли людина заселяє нові землі, їй потрібні чоловіки і жінки, які можуть змінити машинку на лопату і газову плиту на піч, викладену з каміння. Коли життя поширюється на нові території, їй необхідні види, які через наявність у них великого запасу генів, що мутували, все ще досить мінливі для того, щоб виділити в нові умови поселенців. Якби на наших землях знову почався льодовиковий період, білі птахи, які іноді зустрічаються серед наших диких видів, були б, мабуть, першими щасливими мешканцями вкритих снігом районів.
Таким чином, з погляду виду мутації настільки ж шкідливі, як і потрібні. Мутації шкідливі до тих пір, поки умови існування залишаються незмінними, тому що живі організми в результаті своєї еволюції пристосовуються до свого середовища та способу життя і мутації швидше можуть послабити чи зруйнувати, ніж покращити цю вікову пристосованість. Мутації необхідні, оскільки умови існування будь-коли залишаються незмінними протягом тривалого часу. Поступово з роками та віками змінюється клімат; річки змінюють своє русло; гори згладжуються; виснажуються одні джерела їжі та з'являються нові; хижі тварини пересуваються з одного району в інший, і людина в безлюдних раніше куточках Землі безперервно створює нові умови для рослин і тварин. У результаті виживуть тільки види, які зможуть зустріти кожну зміну середовища новим пристосуванням, а це будуть ті види, які мають достатній запас, мутантних генів. Таким чином, кожен вид повинен підтримувати рівновагу між вимогою збереження низької частоти мутацій, що диктується умовами сьогоднішнього дня, і вимогою значного накопичення мутацій, що диктується перспективами майбутнього. Вигляд, у якого мутації виникають занадто часто, вимре, тому що багато його особин будуть слабкими, недовговічними або безплідними. Види, у яких мутації виникають дуже рідко, можуть успішно існувати протягом деякого часу, але вони не виживуть, коли умови, що змінилися, вимагають від них пристроїв, для яких у них не виявиться необхідних генів.
Так звана спонтанна частота мутацій, Т. е. середня частота, з якою мутують гени даного виду, являє собою рівновагу, що встановилася в результаті між цими суперечливими вимогами. Частота спонтанного мутування вивчена лише в небагатьох видів. Вона коливається від однієї мутації даного гена на 100 тисяч статевих клітин до однієї мутації на 10 мільйонів клітин. Відомі, однак, як вища, так і нижча частоти мутування. Деякі ненормальності у людини обумовлені генами з досить високою частотою мутування. Так, приблизно 3 із 100000 Х-хромосом людини несуть нову мутацію гемофілії. Якщо в Англії щороку народиться 800000 дітей, з яких половина хлопчиків, і ці діти несуть 1200000 Х-хромосом (кожний хлопчик одну і кожна дівчинка дві), то виявиться, що щороку в Англії народиться 36 дітей, які несуть один новий ген гемофілії. Всі хлопчики будуть гемофіліками, всі дівчатка - зовні нормальними носіями.
Деякі інші гени людини мутують, мабуть, з ще більшою частотою, але є підстави вважати, що більшість генів людини характеризується нижчою частотою мутування, що дорівнює, ймовірно, 1 на 100 000 гамет і навіть менше.
Як виникає спонтанна мутація?Це, мабуть, одна з найважливіших проблем генетики, але вона поки що вирішена лише частково. Ми знаємо, що іонізуючі випромінювання викликають мутації і що випромінювання є як у атмосфері, і у грунті. Немає сумніву в тому, що ці випромінювання, що зустрічаються в природі, викликають спонтанні мутації, але було обчислено, що їх кількість занадто мала і може бути причиною лише якоїсь частки від загального числа всіх мутацій, що спостерігаються в природі. За допомогою низки хімічних речовин вдалося отримати мутації у лабораторних умовах. Деякі з них, наприклад гірчичний газ, також ефективні, як іонізуючі випромінювання. Інші, що мають меншу генетичну ефективність, зустрічаються в природі або близькі до деяких природних сполук. Таким чином, дуже ймовірно, що мутагенні хімічні речовиничастково відповідальні виникнення спонтанних мутацій. Нам відомо також, що спонтанні мутації частіше виникають за високих, ніж за низьких температур. Фізика вчить нас, що з високих температурах молекули, які входять до складу матерії, рухаються швидше, ніж за низьких температурах. Це уможливлює припущення, що виключно швидке рух молекул поруч із геном може викликати у ньому мутацію. Цілком можливо також, що мутація може виникнути в той період, коли ген при підготовці до поділу утворює біля себе зовсім подібний до себе ген. Це дуже складний процес, який можна порівняти зі складанням із кубиків точної копії малюнка, зображеного на кришці коробки. Якщо хоча б одного кубика бракуватиме або два кубики поміняти місцями, копія буде неточною. Ген також може не мати у своєму розпорядженні всіх частин, необхідних для створення свого двійника, або він може помилитися при виборі і з'єднанні різних частин. Якщо одного разу була створена неточна копія, вона буде надалі зразком для створення наступних копій, і, таким чином, новий ген, що мутував, буде розмножений.
Численні дослідження присвячені впливу різних мутагенів. Надалі ми розглянемо більш детально лише один мутаген, а саме іонізуючі випромінювання, оскільки це джерело мутабільності набуло першочергового значення в атомному столітті. Поруч із не можна не враховувати те, що дедалі більше хімічних речовин застосовується як ліків, косметики, добавок до харчових продуктів, соціальній та виробничих процесах. Цілком можливо, що деякі з них можуть викликати мутації і, таким чином, подібно до іонізуючої радіації, представляти небезпеку.
Широко обговорюються плани перевірки генетичного ефекту ліків та інших хімічних речовин, і, ймовірно, найближчим часом ці плани здійсняться. Проте нелегко робити певні висновки виходячи з таких дослідів. Якщо ми можемо бути впевнені в тому, що іонізуюча радіація, що глибоко проникає, буде викликати мутації у всіх організмів, то з хімічними речовинами справа йде інакше: вони можуть надавати різну дію на різні організми. Наприклад, кофеїн викликає мутації у бактерій, але зовсім неефективний у дослідах на мишах. Миші значно ближче до людини, ніж бактерії, тому ми могли б вважати ці результати втішними і зробити висновок: вживання великої кількості чаю та кави не може завдати шкоди нашому потомству незалежно від того, як це впливатиме на наше власне здоров'я. Хоча такий висновок видається досить обґрунтованим, повної впевненості у цьому бути не може. Застереженням може бути те що, що додавання невеликих кількостей формальдегіду до їжі личинок дрозофіли викликає мутації у самців, але з самок. Саме ця відсутність одноманітності у дії хімічних речовин робить настільки скрутними висновки щодо людини виходячи з лабораторних досліджень мутацій. Деякі висновки слід зробити, якщо ми хочемо уникнути обтяження людства небажаними мутаціями, індукованими хімічними речовинами.
Ми не будемо більше торкатися цього питання і обмежимо наше обговорення мутагенною дією рентгенівських променів. Різні види іонізуючих випромінювань діють неідентично, але ці відмінності незначні і цікаві більше для генетиків теоретиків, ніж для негенетиків, які хочуть скласти собі уявлення щодо тієї генетичної небезпеки, з якою людству доведеться зіткнутися в майбутньому.
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.
З цього уроку ви дізнаєтеся у тому, як мутації пов'язані з еволюційним процесом. Згадайте чи дізнаєтесь, що таке мутації. Яке їхнє значення? Як онкологічні захворювання пов'язані з еволюцією? У цьому уроці ви познайомитеся з двома видами спадкової мінливості (комбінативної та мутаційної) та розгляньте мутації як постійне джерело спадкової мінливості. Ви дізнаєтеся про ймовірність виникнення мутацій, їх наслідки для організмів, а також шляхи поширення мутацій у популяції. Будуть розглянуті принципи підтримки генетичної різноманітності видів завдяки гетерозиготним особам.
Тема: Еволюційне вчення
Урок: Еволюційна роль мутацій
Однією з головних рушійних сил еволюцій за Ч. Дарвін є спадкова мінливість. Більш-менш очевидно, що Ч. Дарвін вивчав спадкову мінливість, не маючи сучасних генетичних уявлень. Сьогодні відомо, що спадкова мінливість – це результат статевого процесу та мутаційного процесу (див. Схема 1).
Список литературы
1. Кам'янський А. А., Криксунов Є. А., Пасічник В. В. Загальна біологія 10-11 клас Дрофа, 2005.
2. Бєляєв Д. К. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 11-те вид., стереотип. – К.: Просвітництво, 2012. – 304 с.
3. Біологія 11 клас. Загальна біологія. Профільний рівень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. І. Сонін та ін. – 5-те вид., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.
4. Агафонова І. Б., Захарова Є. Т., Сивоглазов В. І. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 6-те вид., Дод. – Дрофа, 2010. – 384 с.
У всі століття людство намагалося знайти відповіді на запитання: Як сформувалося це колосальне розмаїття? Чому кожен вид оптимально пристосований до умов свого проживання? Чим відрізняються одні види від інших? Чому одні види процвітають, інші вимирають і зникають з лиця Землі?
1. Елементарна одиниця еволюції Популяція 2. Елементарний еволюційний матеріал Мутації - генотипове розмаїття в популяціях 3. Елементарне еволюційне явище Тривале і спрямоване зміна генофонду 4.Елементарні еволюційні фактори Спадкова природність ний об'єкт відбору Окрема особина з певним фенотипом
С.С. Четвериків Популяції подібно до губки, вбирають рецесивні мутації, залишаючись при цьому фенотипно однорідними. Існування такого відкритого резерву спадкової мінливості створює можливість еволюційних перетворень популяції під впливом природного добору. Займався вивченням природних мутацій, змін спадкових властивостей організму. Зробив значний внесок у розвиток популяційної генетики.
Мутаційний процес – джерело спадкової мінливості, що постійно діє. Гени мутують із певною частотою. У процесі статевого розмноження мутації можуть поширюватися в популяціях. Більшість організмів гетерозиготно за багатьма генами, тобто у його клітинах гомологічні хромосоми несуть різні форми однієї й тієї ж гена. Гетерозиготні організми краще пристосовані, ніж гомозиготні.
Мутаційний процес – джерело резерву спадкової мінливості популяцій. Підтримуючи високий рівень генетичного розмаїття популяцій, він створює основу дії природного добору. У різних популяціях одного виду частота мутантних генів неоднакова. Немає популяцій з абсолютно однаковою частотою народження мутантних ознак. Ці відмінності можуть бути обумовлені тим, що популяції мешкають у різних умовах зовнішнього середовища. Спрямована зміна частоти генів у популяціях обумовлена дією природного відбору.
Хвилі життя коливання чисельності особин у популяції. Термін запроваджено російським біологом С. С. Четвериковим в 1915 році. Подібні коливання чисельності можуть бути сезонними або несезонними, що повторюються через проміжки часу; зазвичай вони тим довші, ніж триваліший цикл розвитку організмів. Згодом термін було замінено поняттям популяційні хвилі (один із 4 елементарних еволюційних факторів мутаційний процес, популяційні хвилі, ізоляція та природний відбір). Основне значення зводиться до випадковим змін концентрацій різних мутацій, які у популяціях, і навіть до послаблення тиску відбору зі збільшенням і його посиленню при зменшенні чисельності особин у популяції. Під терміном іноді мають на увазі етапи розвитку рослинного та тваринного світу, що приблизно відповідають зміні геологічних циклів.
Еволюційні чинники – фактори, що викликають еволюцію популяцій. "Хвилі життя" і "дрейф генів", як правило, супроводжують еволюційний процес кожної популяції, якщо йдеться про тривалий процес (період часу). Однак, історичний розвиток органічного світу теоретично можливий і без них, тобто на основі мінливості, спадковості, боротьби за існування та природного відбору.
Чи можна вважати всі причини, що спричиняють загибель організмів, природним відбором? Природний відбір є єдиною причиною загибелі організмів. Смерть тварини може бути наслідком випадкової події (лісової пожежі, повені чи іншого стихійного лиха, яке не залишає шансів на виживання).
Природний відбір (на тлі боротьби за існування) - Спадкова мінливість. - Дрейф генів. - Хвилі життя. - Ізоляція. Чинний у популяції, змінюючи її генофонд Можливий результат: виникнення нових популяцій, підвидів, видів (видоутворення)
Сукупність еволюційних процесів, які у популяціях виду і які призводять до зміни генофондів цих популяцій та утворення нових підвидів, видів, називається микроэволюцией. Еволюція лише на рівні систематичних одиниць вище виду, що протікає мільйони років і недоступна безпосередньому вивченню, називається макроеволюцією. Ці два процеси єдині. Домашнє завдання: Стор Навести приклади ароморфозів, ідіоадаптацій та дегенерацій. Повторити визначення вид, населення, еволюція, макроеволюція, мікроеволюція.