§ 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.

Оскільки живці укорінювали з одного куща, вони мають абсолютно однаковий генотип. Зміна забарвлення квіток є прикладом модифікаційної (фенотипної) мінливості, яка виникає під впливом чинників довкілля, зокрема кислотності ґрунту та вмісту в ньому рухомих сполук Алюмінію. У кислому ґрунті гортензія легко засвоює Алюміній, через що її квітки стають синіми, а в нейтральному чи лужному ґрунті Алюміній зв’язується і стає недоступним для рослини, 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, оскільки вона зумовлена зовнішнім чинником — поїданням водоростей та захопленням їхніх хлоропластів. Цю мінливість не можна назвати спадковою, адже хлоропласти не передаються нащадкам через статеві клітини, і кожне нове покоління слимаків має отримувати їх з їжею заново. Перевагою такої ознаки є здатність здійснювати фотосинтез, що дає змогу слимакам місяцями виживати лише за рахунок сонячного світла без споживання їжі, а зелений колір тіла додатково забезпечує маскування від хижаків.

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 обчислюється за формулою N = 2^n:

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

Кількість можливих варіантів поєднання гамет під час запліднення обчислюється як N^2 = (2^n)^2 = 2^(2n):

• Якщо n = 3, кількість варіантів поєднання гамет становить 8 × 8 = 64 (або 2^6).
• Якщо n = 23, кількість варіантів поєднання гамет становить 2^23 × 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 стрілиці безпосередньо залежить від середовища, у якому вони розвиваються: занурені у воду листки мають стрічкоподібну (лінійну) форму, що зменшує опір течії й запобігає їх розриванню; плаваючі на поверхні листки мають серцеподібну форму для утримання на воді та ефективного вловлювання світла; надводні листки мають стрілоподібну форму, яка пристосована до інтенсивного фотосинтезу й випаровування води в повітрі. Така різноманітність форм є прикладом модифікаційної мінливості, що забезпечує якнайкраще пристосування рослини до різних умов існування.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Поясни різницю між фенотипною і генотипною мінливістю.

Фенотипна (неспадкова) мінливість виникає під дією умов довкілля, змінює лише зовнішні чи внутрішні ознаки організму без змін у структурі ДНК і не передається нащадкам. Генотипна (спадкова) мінливість виникає внаслідок змін у самому генетичному матеріалі через мутації чи нові комбінації генів під час мейозу й запліднення та передається наступним поколінням.

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

Приклади фенотипної (модифікаційної) мінливості у різних організмів:

• У рослин: у стрілолиста листки, занурені у воду, мають лінійну форму, розташовані на поверхні води — серцеподібну, а надводні — стрілоподібну. У гортензії забарвлення квіток змінюється від рожевого до синього залежно від Aciditi (кислотності) та хімічного складу ґрунту. За нестачі Магнію чи Феруму листя рослин пожовтіє через хлороз.
• У тварин: заєць-біляк змінює забарвлення хутра із сірого влітку на біле взимку; морський слимак Elysia chlorotica набуває зеленого кольору внаслідок поїдання водоростей і накопичення їхніх хлоропластів у своїх клітинах.
• У людини: збільшення м’язової маси під час регулярних фізичних тренувань або її зменшення за відсутності навантажень (наприклад, після перебування кінцівки у гіпсі); поява засмаги на шкірі під дією сонячного випромінювання.

Чинниками, що зумовлюють фенотипну мінливість, є зовнішні умови довкілля: освітленість, температура, вологість, рівень фізичного навантаження, наявність і кількість поживних речовин у середовищі існування.

3. Наведи приклади генотипної мінливості у різних організмів.

Приклади генотипної мінливості:

• Мутаційна мінливість: виникнення альбінізму (повної відсутності пігменту меланіну) у ссавців, птахів і людини; поява махрових квіток у рослин; виникнення безперих порід курей; поліплоїдія у культурних рослин (наприклад, утворення великоплідної суниці чи триплоїдних кавунів без насіння).
• Комбінативна мінливість: поява пташенят із різним забарвленням пір’я в однієї пари голубів; народження дітей із різним кольором очей або волосся у тих самих батьків; поява рослин гороху з новими поєднаннями ознак насіння (жовте зморшкувате або зелене гладеньке) під час хрещування гетерозиготних батьківських особин.

4. Поясни джерела комбінативної мінливості.

Джерелами комбінативної мінливості при статевому розмноженні є:

• Кросинговер у профазі I мейозу — процес кон’югації та обміну ділянками між гомологічними хромосомами, внаслідок чого утворюються рекомбінантні хромосоми з новими поєднаннями алелів.
• Незалежне та випадкове розходження гомологічних хромосом в анафазі I мейозу до полюсів клітини, що створює велику кількість унікальних комбінацій материнських і батьківських хромосом у гаметах.
• Випадкове злиття гамет під час запліднення, яке забезпечує формування унікального генотипу зиготи з новим поєднанням батьківських генів.

У прокаріотів та деяких одноклітинних організмів (наприклад, бактерій чи інфузорій) джерелом комбінативної мінливості є процес кон’югації — прямий обмін генетичним матеріалом між клітинами без утворення гамет.

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

Моделювання процесу утворення гамет за допомогою паперових хромосом для організму з $n = 2$ ($2n = 4$ хромосоми):

Крок 1 (Виготовлення моделей):
З кольорового паперу вирізаємо дві пари гоلومогічних хромосом різного розміру — велику пару та малу пару.
У кожній парі одну хромосому фарбуємо в червоний колір (материнська), а іншу — в синій колір (батьківська). На великій червоній хромосомі позначаємо алель $A$, на великій синій — алель $a$. На малій червоній хромосомі позначаємо алель $B$, на малій синій — алель $b$.

Крок 2 (Моделювання кросинговеру):
У профазі I мейозу прикладаємо велику червону і велику синю хромосоми одну до одної, розрізаємо кінчики плечей і міняємо їх місцями (приклеюємо синій фрагмент до червоної хромосоми і навпаки). Отримуємо нові рекомбінантні хромосоми.

Крок 3 (Моделювання незалежного розходження хромосом):
В анафазі I мейозу розташовуємо хромосоми на екваторі й демонструємо два можливі варіанти їхнього розходження до полюсів:

• Варіант I: До першого полюса розходяться велика червона ($A$) і мала червона ($B$) хромосоми, а до другого — велика синя ($a$) і мала синя ($b$). Утворюються гамети $AB$ та $ab$.
• Варіант II: До першого полюса розходяться велика червона ($A$) і мала синя ($b$) хромосоми, а до другого — велика синя ($a$) і мала червона ($B$). Утворюються гамети $Ab$ та $aB$.

За формулою $N = 2^n$ для $n = 2$ отримуємо $2^2 = 4$ можливі типи гамет ($AB, ab, Ab, aB$). Кросинговер додатково збільшує різноманітність алельних комбінацій у цих гаметах.

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

Моделювання формування генотипово різних нащадків голубів у симуляторі Learn.Genetics:

• Етап 1: Заходимо на навчальний ресурс Learn.Genetics у розділ симуляцій з розведення голубів (Pigeon Breeding).
• Етап 2: Обираємо гетерозиготну батьківську пару голубів за двома незалежними ознаками: наявністю чубчика на голові (ген crest) та малюнком пір’я на крилах (ген bar/check).
• Етап 3: Запускаємо віртуальне хрещування. Симулятор демонструє випадкове розходження хромосом під час утворення гамет у саиці та самця і випадкове поєднання цих гамет під час запліднення.
• Етап 4: Аналізуємо фенотипи та генотипи отриманого потомства. Серед пташенят однієї пари з’являються особини як із чубчиком, так і без нього, а також із різними варіантами забарвлення крил.

Висновок: Навіть за однакових батьківських генотипів нащадки виходять генетично різноманітними завдяки механізмам комбінативної мінливості.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• Фенотипна мінливість виникає під дією зовнішнього середовища без змін у структурі ДНК і часто має оборотний характер.
• Основними джерелами комбінативної мінливості є кросинговер, незалежне розходження хромосом у мейозі та випадкове злиття гамет під час запліднення.
• Одноклітинні організми та бактерії, які розмножуються нестатево, здатні до комбінативної мінливості завдяки процесу 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 того, як саме незалежне розходження хромосом у мейозі створює величезне різноманіття комбінацій генів у гаметах батьків.

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

• Мені було важко відразу зрозуміти послідовність ядерних перебудов під час кон’югації у інфузорій. Я подолав цю перешкоду завдяки уважному розгляду схематичного малюнка в підручнику та покроковому аналізу кожного етапу.

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

• Ці знання я зможу використати під час вирощування кімнатних рослин та догляду за домашніми тваринами, розуміючи вплив умов довкілля на їхній розвиток, а також для кращого розуміння успадкування рис обличчя і характеристик у моїй власній родині.