Механизм наследственности

Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, — специализированные половые при половом размножении и неспециализированные (соматические) клетки тела при бесполом несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а только задатки их развития. Эти задатки и являются генами. Ген — это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. Молекула ДНК состоит из двух поли-нуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров 4 типов — нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4 азотистых оснований. Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК составляют генетический код. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Ген представляет собой группу рядом лежащих нуклеотидов, которыми закодирован один белок, определяющий один признак. Число генов очень велико: у человека их десятки тысяч. Один и тот же ген может оказывать влияние на развитие ряда признаков, так же, как и на формирование одного признака могут оказывать влияние несколько генов.

Каждому виду растений и животных свойствен свой количественный набор хромосом. У всех организмов одного и того же вида каждый ген расположен в одном и том же месте строго определенной хромосомы. Каждая клетка человеческого тела содержит 46 хромосом. Почти все хромосомы в наборе представлены парами, в каждую из 22-х пар входят одинаковые по величине идентичные хромосомы, а 23-я пара является половыми хромосомами: у женщин она состоит из одинаковых хромосом XX, а у мужчин — XY. В галоидном наборе хромосом имеется только один ген, ответственный за развитие данного признака. В диллоидном наборе хромосом (в соматических клетках) содержатся две гомологичные хромосомы и соответственно два гена, определяющие развитие одного какого-то признака.

Генетическая информация закодирована в последовательности азотистых оснований, содержащихся в молекуле ДНК. Азотистые основания можно рассматривать в качестве «букв» генетического алфавита. Последовательность оснований образует «слова». Гены — это своего рода «предложения», записанные на генетическом языке. Соответственно генетическое содержимое организма представляет собой как бы «книгу», составленную из генетических предложений. В отличие от строго определенного расположения азотистых оснований в двух комплементарных частях, нет никаких ограничений относительно того, в каком порядке должны следовать основания друг за другом вдоль одной цепи. Благодаря этому существует практически неограниченное число различных молекул ДНК. Число возможных генетических сообщений, кодируемых достаточно длинными цепями ДНК, практически не ограничено.

За воспроизведение в поколениях растений, животных и человека наследственных свойств ответственны 3 эволюционно закрепленных универсальных процесса:

? размножение обычных (соматических) клеток — митоз — простое деление, перед которым количество хромосом в клетке удваивается путем самовоспроизведения;

? размножение половых клеток — мейоз;

? оплодотворение.

Гены управляют развитием и обменом веществ организма. Наследственная передача признаков от родителей потомству — консервативный процесс, но эта консервативность не является абсолютной, так как иначе была бы невозможна эволюция. Информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, обычно в точности воспроизводится в процессе репликации.

Каждый новорожденный несет в себе комплекс генов не только своих родителей, но и отдаленных предков, т.е. свой, только ему присущий богатейший наследственный фонд или наследственно предопределенную биологическую программу, благодаря которой и возникают его индивидуальные качества. Эта программа закономерно и гармонично претворяется в жизнь, если:

? в основе биологических процессов лежат достаточно качественные наследственные факторы;

? внешняя среда обеспечивает растущий организм всем необходимым для реализации наследственного начала. Приобретенные в жизни навыки и свойства не передаются по наследству, однако каждый родившийся ребенок обладает громадным арсеналом задатков, развитие которых зависит от:

? условий воспитания и обучения;

? социальной структуры общества;

? забот и усилий родителей;

? желаний самого ребенка.

Внешней средой для ребенка являются прежде всего те условия, которые создадут его родители или окружающие его люди, различные климатические, геофизические и другие факторы, воздействие которых может существенно изменить характер наследственной информации. И она может реализоваться частично или полностью.

Формы изменчивости

Как уже отмечалось, весь комплекс наследственных свойств организма называется генотипом, а комплекс признаков, сформировавшихся во время взаимодействия генотипа и факторов внешней среды, — фенотипом. В соответствии с этим в генетике различают наследственную и ненаследственную изменчивость. Ненаследственная связана с изменением фенотипа, наследственная — генотипа. Генотипическая изменчивость затрагивает генотип и подразделяется на несколько групп. Рассмотрим две из них:

? мутационную;

? комбинативную.

Мутацией называется изменение структуры или количества ДНК данного организма. Мутации приводят к изменениям генотипа. Если мутации затрагивают половые клетки, то они передаются следующим поколениям, а если мутации возникают в соматических клетках, то они не передаются следующим поколениям. Генные мутации затрагивают структуру самого гена: изменяются различные по длине участки ДНК. Большинство мутаций, с которыми связана эволюция органического мира и селекция, — генная мутация.

В особую группу можно выделить ряд процессов, приводящих к возникновению комбинативной изменчивости. Она включает:

? случайное расхождение хромосом;

? случайное сочетание хромосом при оплодотворении;

? рекомбинацию генов.

Обычно сами наследственные гены при этом не изменяются, но новые их сочетания между собой приводят к появлению организмов с новым фенотипом.

Мутации

Главнейшая особенность природных популяций, как показали эксперименты, — это генетическая гетерогенность (разнородность). Она поддерживается за счет мутаций и процесса рекомбинаций. Генетическая гетерогенность позволяет популяции использовать для приспособления не только вновь возникающие наследственные изменения, но и те, которые возникли очень давно и существуют в популяции в скрытом виде.

Любые мутации имеют неопределенный, случайный характер по отношению к вызывающим их изменениям внешней среды. Наибольшие шансы на выживание имеют мутации малого масштаба, не нарушающие существенно интеграции целостного организма и не производящие значительных изменений в фенотипе. Крупные мутации почти всегда имеют летальный исход. В результате сколько-нибудь существенные эволюционные преобразования организмов не могут быть достигнуты посредством одной мутации, а достигаются серией малых мутаций. Таким образом, нелетальные и не снижающие значительно жизнедеятельность организма мутации входят в состав генофонда. Мутации позволяют выживать виду при значительных изменениях окружающей среды, когда необходима перестройка нормы реакции. Мутации — это элементарный мутационный материал.

Если численность какой-нибудь популяции резко идет на убыль, а затем следует новый подъем численности, то при этом некоторые ранее присутствовавшие в малых концентрациях мутации могут совершенно исчезнуть из популяции, а концентрация других может существенно повыситься. Это явление называется дрейф генов.

Темп возникновения мутаций у различных организмов различен. Темп мутаций у бактерий и других микроорганизмов обычно ниже, чем у многоклеточных. Новые мутации, хотя и довольно редко, но постоянно появляются в природе, так как существует множество особей каждого вида.

Воздействие извне радиоактивными, ультрафиолетовыми лучами, а также химическими веществами может значительно изменить «запись» наследственной информации. Происходит нарушение генетического кода и вместо нормального развития живого организма, предначертанного природой, наступает отступление от нормы — мутация. Количество мутаций среди животных чрезвычайно велико в связи с радиационно-химическим заражением окружающей среды. Необычайно велика волна появления животных-чудовищ после аварии на Чернобыльской АЭС.

Сегодня наука разгадала причины появления мутантов, но повлиять на управление этим процессом, чтобы предотвратить его, не в силах. Более того, современная наука, техника, производство создают все новые условия для ускорения процесса мутации. И если не остановить рост радиационно-химического загрязнения среды, последующее влияние его на будущее скажется на многих поколениях.