§ 31. Мінливість спадкова та неспадкова. Джерела комбінативної мінливості

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Дві подруги взяли живці з одного улюбленого куща гортензій і висадили їх у різних місцях поруч зі своїми помешканнями. Коли гортензії зацвіли, виявилося що одні квітки мали рожеве забарвлення, а інші — синє. Як таке могло трапитися? Запропонуй можливі причини такої мінливості.

Живці з одного куща мають абсолютно однаковий генотип. Зміна забарвлення квіток є прикладом неспадкової (модифікаційної) мінливості, яка виникає під дією довкілля. Забарвлення гортензії залежить від кислотності ґрунту та доступності сполук Алюмінію: у кислих ґрунтах рослина легко вбирає Алюміній і квітки стають синіми, а в нейтральних чи лужних цей елемент зв’язується, тому квітки формуються рожевими.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. У деяких морських слимаків (Elysia chlorotica) (мал. 31.1) спостерігається явище клептопластії — вони поїдають водорості й зберігають їхні хлоропласти у своїх клітинах, набуваючи зеленого забарвлення. Який це тип мінливості? Чи можна її назвати спадковою? Які переваги надає така ознака порівняно з організмами, які її не мають?

Це фенотипна (неспадкова, модифікаційна) мінливість, тому що вона виникає під дією зовнішнього чинника — живлення водоростями та захоплення їхніх пластид. Цю мінливість не можна назвати спадковою, адже набуті хлоропласти не потрапляють у гамети й кожне нове покоління слимаків мусить поглинати їх з їжею заново. Хлоропласти дають слимакам змогу фотосинтезувати й місяцями виживати за рахунок світла без їжі, а зелене забарвлення чудово маскує їх серед водоростей.

2. Під час мейозу кожна пара гомологічних хромосом розходиться незалежно від інших; тож у кожну гамету потрапляє одна хромосома з пари. Якщо таких пар дві (n = 2), кількість варіантів — чотири. Скільки варіантів може утворитися, якщо n = 3? Якщо n = 23? (Можеш скористатися формулою N = 2^n.) А скільки можливих варіантів поєднання гамет однієї пари організмів під час запліднення, якщо n = 3? Якщо n = 23?

Кількість варіантів гамет обчислюємо за формулою $N = 2^n$:

• Якщо $n = 3$, кількість варіантів утворення гамет становить $2^3 = 8$.
• Якщо $n = 23$, кількість варіантів становить $2^{23} = 8\ 388\ 608$.

Кількість можливих поєднань гамет під час запліднення дорівнює добутку кількостей гамет обох батьків ($N^2 = 2^n \times 2^n = 2^{2n}$):

• Якщо $n = 3$, кількість поєднань гамет становить $8 \times 8 = 64$ (або $2^6$).
• Якщо $n = 23$, кількість поєднань становить $2^{23} \times 2^{23} = 2^{46} = 70\ 368\ 744\ 177\ 664$ (понад 70 трильйонів варіантів).

ПОМІРКУЙТЕ

Поміркуй, як це пов’язано з умовами зростання листків (виконай в e-ДОДАТКУ завдання 31.1).

Форма листків стрілолиста залежить від середовища, у якому вони виростають. Занурені листки мають довгу стрічкоподібну форму, яка легко витримує течію води й не рветься. Плаваючі на поверхні листки серцеподібні, що допомагає їм триматися на воді та вловлювати сонячне проміння. Надводні листки мають щільну стрілоподібну форму, пристосовану до повітряного живлення, газообміну й випаровування води.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Поясни різницю між фенотипною і генотипною мінливістю.

Фенотипна мінливість зумовлена впливом умов довкілля, змінює лише ознаки організму без порушення структури ДНК і не передається нащадкам. Генотипна мінливість виникає внаслідок змін самого спадкового матеріалу через мутації чи нові комбінації генів у мейозі та заплідненні, тому передається наступним поколінням.

2. Наведи приклади фенотипної мінливості у рослин, тварин, людини. Визнач, якими чинниками зумовлена мінливість.

Приклади фенотипної мінливості:

• У рослин: різна форма підводних, плаваючих і повітряних листків у стрілолиста (чинник — водне чи повітряне середовище); пожовтіння листя при хлорозі (чинник — дефіцит Магнію або Феруму в ґрунті).
• У тварин: зміна кольору хутра у зайця-біляка з літнього сірого на зимовий білий (чинники — довжина світлового дня і температура); накопичення водоростевих хлоропластів і зеленіння слимака Elysia chlorotica (чинник — характер живлення).
• У людини: розвиток і ріст м’язів під час регулярних занять спортом або їх атрофія після зняття гіпсу (чинник — фізичне навантаження); поява засмаги на шкірі (чинник — ультрафіолетове випромінювання сонця).

3. Наведи приклади генотипної мінливості у різних організмів.

Мутаційна мінливість виявляється у появі альбінізму в тварин або людей, утворенні безкісточкових сортів винограду, махрових квіток у тюльпанів та виникненні поліплоїдних форм культурних рослин. Комбінативна мінливість спостерігається у народженні дітей з різним кольором волосся чи очей в одних батьків, появі пташенят з різними відтінками пір’я в парі голубів або розщепленні ознак насіння гороху на жовте зморшкувате і зелене гладеньке у потомстві гібридів.

4. Поясни джерела комбінативної мінливості.

Основними джерелами комбінативної мінливості під час статевого розмноження є три процеси: кросинговер у профазі I мейозу (обмін ділянками між гомологічними хромосомами), незалежне розходження батьківських і материнських хромосом в анафазі I мейозу та випадкове злиття статевих клітин під час запліднення. У прокаріотів і деяких одноклітинних організмів нові комбінації генів виникають завдяки кон’югації — безпосередньому обміну спадковою інформацією між клітинами.

5. Змоделюй (на паперових хромосомах) джерела комбінативної мінливості при утворенні гамет в організму, якщо n = 2.

Для моделювання беремо організм із диплоїдним набором $2n = 4$:

• Виготовлення моделей: вирізаємо з паперу дві пари смужок різної довжини (велику й малу). У кожній парі одну смужку робимо червоною (материнська), а іншу — синьою (батьківська). На великих смужках пишемо алелі $A$ та $a$, на малих — $B$ та $b$.
• Моделювання кросинговеру: прикладаємо великі смужки одна до одної, відрізаємо однакові нижні кінчики та міняємо їх місцями (на червону хромосому наклеюємо шматочок синьої і навпаки). Отримуємо нові рекомбінантні хромосоми.
• Моделювання незалежного розходження: розташовуємо пари хромосом і розводимо їх до протилежних країв столу двома шляхами. Перший варіант: червоні $A$ і $B$ ідуть в один бік, а сині $a$ і $b$ — в інший (гамети $AB$ та $ab$). Другий варіант: велика червона $A$ і мала синя $b$ ідуть в один бік, а велика синя $a$ і мала червона $B$ — в інший (гамети $Ab$ та $aB$).

У результаті утворюються 4 типи гамет ($2^2 = 4$), а кросинговер додає ще більше варіантів алелів.

6. STEM-проєкт. Самостійно змоделюй формування генотипово різних нащадків однієї пари голубів, за допомогою ресурсу Learn.Genetics. Виконай в e-ДОДАТКУ завдання 31.2.

Під час виконання симуляції Pigeon Breeding на сайті Learn.Genetics обираємо пару батьків-голубів, гетерозиготних за ознаками наявності пір’яного чубчика на голові та малюнка крил. Після запуску віртуального схрещування програма випадково комбінує гамети від кожного з батьків. У потомстві утворюються пташенята з чотирма комбінаціями зовнішніх ознак: із чубчиком і смугастими крилами, без чубчика і зі смугастими крилами, із чубчиком і картатими крилами, а також гладкоголові з картатими крилами. Це наочно демонструє, як комбінативна мінливість утворює різноманітність нащадків від однієї пари особин.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

1. Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

• Модифікаційні зміни фенотипу не зачіпають структуру генів і мають переважно оборотний характер, як зміна об’єму м’язів під час тренувань.
• Завдяки незалежному розходженню 23 пар хромосом людина здатна утворити понад 8 мільйонів генетично відмінних гамет.
• Бактерії та інфузорії можуть змінювати комбінації генів навіть без утворення гамет завдяки кон’югації.

2. Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…

• Я став більш обізнаним щодо механізмів кросинговеру та випадкового розходження хромосом у мейозі, які роблять кожного нащадка унікальним.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?

• Було складно одразу запам’ятати шлях обміну ядрами під час кон’югації інфузорій. Я подолав труднощі, коли детально розібрав послідовність кроків за малюнком 31.4 підручника.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?

• Отримані знання допоможуть мені правильно доглядати за домашніми улюбленцями і рослинами, забезпечуючи їм потрібні умови освітлення та живлення, а також пояснити подібність і відмінності рис у моїй родині.