§ 34. Формування фенотипу організмів як результат взаємодії геному з умовами середовища

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Поміркуй, які ознаки людини визначаються лише генотипом, а які залежать від умов середовища. Наведи приклади таких ознак для різних організмів.

Ознаками людини, які визначаються лише генотипом, є група крові, резус-фактор, колір очей, генетично зумовлені анатомічні риси (наприклад, полідактилія). До ознак, що залежать від умов середовища, належать маса тіла, зріст, м’язова та кісткова маса, ступінь розвитку інтелектуальних і мовних здібностей, засмага шкіри.

Приклади для інших організмів:

• Визначаються лише генотипом: забарвлення насіння та квіток у гороху, наявність гребеня і візерунок оперення у голубів.
• Залежать від умов середовища: маса тіла та забарвлення шерсті у мишей із геном агуті (залежать від харчування матері), розмір і маса плодів у рослин (залежать від ґрунту та поливу), кількість фасеток ока у мух дрозофіл із мутацією eyeless.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. В окремих популяціях цукровий діабет виявляється досить часто. Наприклад, в індіанців Піма діабет виявлено у 8 % населення (в Мексиці). Проте це захворювання виявлено аж у 50 % індіанців Піма, що переїхали на проживання до США. Запропонуй причини такого феномену.

Причиною цього феномену є взаємодія генотипу організму з умовами зовнішнього середовища, зокрема способу життя та харчування. Індіанці Піма мають генетичну схильність до накопичення жиру та розвитку цукрового діабету II типу. У Мексиці вони ведуть традиційний спосіб життя з високим рівнем фізичної активності та споживають малокалорійну їжу з високим вмістом рослинних волокон, що стримує прояв діабету. Переїхавши до США, вони змінили спосіб життя на малорухливий і почали споживати висококалорійну їжу, багату на жири та легкозасвоювані вуглеводи, що призвело до масового ожиріння та експресії генів, відповідальних за розвиток діабету.

2. Забарвлення пір’я папуг і фламінго має суттєву мінливість у межах кожного виду. Запропонуй гіпотезу щодо причин такої мінливості. Уклади план експериментального дослідження для виявлення природи чинників, що визначають забарвлення пір’я в обох груп птахів. Виконай в e-ДОДАТКУ завдання 34.1.

Гіпотеза: забарвлення пір’я фламінго визначається чинниками зовнішнього середовища (наявністю каротиноїдів у їжі), тоді як забарвлення пір’я папуг зумовлене генетичними чинниками (наявністю генів, що кодують синтез власних пігментів псіттацинів та структуру пір’я).

План експериментального дослідження:

1. Сформувати дві групи птахів (контрольну та експериментальну) для кожного виду зі схожими вихідними генотипами.
2. Експериментальну групу фламінго утримувати на раціоні без каротиноїдів (без ракоподібних та відповідних добавок), а контрольну — на звичайному раціоні з каротиноїдами.
3. Експериментальну групу папуг годувати їжею без каротиноїдів, а контрольну — з каротиноїдами.
4. Фіксувати зміни забарвлення пір’я у птахів обох груп під час чергового линяння.
5. Порівняти результати: якщо фламінго експериментальної групи втратять рожевий колір пір’я, а папуги збережуть своє яскраве забарвлення, це підтвердить, що колір фламінго залежить від середовища (їжі), а колір папуг кодується генотипом.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Наведи приклади ознак, що визначаються лише генотипом.

Прикладами ознак, що визначаються лише генотипом, є група крові та резус-фактор у людини, забарвлення насіння й квіток у гороху, візерунок оперення і наявність гребеня у голубів, а також структура ока у дрозофіли.

2. На основі аналізу малюнку 34.1 (с. 149) поясни, як тренування у різному віці впливають на кісткову масу людей упродовж життя.

На основі аналізу малюнку 34.1, фізичні тренування в період активного росту (до 18 років) є найефективнішими і сприяють максимально високому рівню формування кісткової маси. Цей високий показник кісткової маси зберігається протягом усього подальшого життя як у чоловіків, так і у жінок. Фізичні тренування у зрілому віці (від 19 до 40 років) також сприяють збільшенню кісткової маси, проте їхній вплив значно менший порівняно з тренуваннями в підлітковому віці. Особі з малорухливим способом життя в юності мають низьку кісткову масу упродовж усього життя, що підвищує ризик розвитку остеопорозу в старшому віці.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

• Раціон харчування матері під час вагітності може впливати на фенотип нащадків через механізм метилювання генів.
• Фізичні тренування у віці до 18 років формують максимальний рівень кісткової маси, який зберігається протягом усього життя.
• Забарвлення пір’я фламінго залежить від вмісту каротиноїдів у їжі, тоді як у більшості інших птахів воно визначається генотипом.

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 спосіб життя, харчування та фізична активність можуть змінювати рівень експресії генів і формувати наш фенотип.

3. З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?
Найбільше труднощів виникло під час розрізнення понять «пенетрантність» та «експресивність» генів. Подолати це допомог аналіз конкретних прикладах із підручника — прояву подагри у чоловіків та жінок і кількості фасеток ока у мух дрозофіл.

4. Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?
Знання про вплив середовища на генотип допоможуть мені сформувати здоровий раціон харчування та регулярно займатися спортом саме в підлітковому віці для зміцнення кісткової системи та профілактики захворювань.

3. Як формується здатність птахів співати пісню свого виду (оціни роль спадковості і умов зростання)?

Здатність птахів співати пісню свого виду визначається генотипом, але її практична реалізація залежить від умов зростання. Спадковість закладає потенційну можливість і біологічну схильність до виконання специфічного співу. Проте для формування цієї навички пташеня має почути спів дорослих особин свого виду у чутливий період розвитку під час перебування в гнізді. Якщо птах не чує видового співу в цей період, він не зможе виконувати пісню свого виду.

4. Спираючись на малюнок 34.3, поясни зв’язок між індексом маси тіла (ІМТ) і розвитком діабету. (ІМТ = m/h², де m — маса, кг; h — зріст, м).

Між індексом маси тіла та ризиком розвитку діабету ІІ типу існує пряма залежність: зі збільшенням ІМТ частка людей із діабетом суттєво зростає. За даними малюнка 34.3, серед чоловіків із нормальним ІМТ (менше 23) діабет виявляють у 1 % осіб, тоді як при високому ІМТ (35 і більше) цей показник сягає 42 %. Аналогічна тенденція спостерігається і серед жінок: при ІМТ менше 22 показник захворюваності становить 1 %, а при ІМТ 35 і більше підвищується до 93 %.

5. Поясни, чому умови на ранніх етапах розвитку мають суттєвий вплив на формування фенотипу.

Умови на ранніх етапах розвитку, зокрема під час ембріонального періоду та в ранньому дитинстві, впливають на епігенетичні механізми регуляції генів, що може посилювати або пригнічувати їхню експресію. Нестача вітамінів, неповноцінне або висококалорійне харчування матері чи новонародженого можуть змінювати рівень метилювання ДНК і призводити до змін у формуванні тканин і органів. Оскільки в цей період відбувається активний ріст та закладання основних систем організму, вплив середовища на цій стадії має тривалій наслідок для всього подальшого життя організму.

6. Проаналізуй свої індивідуальні фізичні і психічні особливості. Які з них визначені лише генотипом, а які є результатом взаємодії генотипу і середовища (виховання, умов зростання)? Уклади план дій для розвитку своїх здібностей.

За генотипом закріплені такі ознаки, як група крові, резус-фактор, колір очей та природний колір волосся. Більшість інших фізичних і психічних особливостей, зокрема маса тіла, м’язова сила, об’єм пам’яті, рівень математичних чи мовних здібностей, формуються внаслідок взаємодії генотипу із середовищем (харчуванням, фізичними тренуваннями, навчанням і вихованням).

План дій для розвитку власних здібностей:

1. Дотримуватися збалансованого харчування та регулярного режиму сну для підтримання високої розумової й фізичної працездатності.
2. Займатися регулярними фізичними тренуваннями (біг, плавання або командні види спорту) щонайменше тричі на тиждень для розвитку м’язової та кісткової маси.
3. Щодня приділяти час вивченню іноземних мов та читанню художньої чи науково-популярної літератури для розширення словникового запасу і розвитку мислення.
4. Тренувати пам’ять і увагу за допомогою розв’язування біологічних та математичних задач, головоломок та інтелектуальних ігор.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

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

Перший факт: фізичні тренування у віці до 18 років мають найбільший вплив на формування щільної кісткової маси, яка зберігається протягом усього життя.
Другий факт: для реалізації спадкової здатності співати видову пісню пташеня обов’язково має почути її у гнізді в певний чутливий період розвитку.
Третій факт: харчування вагітної матері може змінювати рівень метилювання гена агуті у мишей, що впливає на забарвлення шерсті, масу тіла та ризик розвитку діабету у нащадків.

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

Я побачив зв’язок між способом життя в підлітковому віці та майбутнім станом здоров’я в дорослому житті.

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

Найбільшою перешкодою було розібратися у поняттях пенетрантності та експресивності генів, а також у механізмах епігенетичного впливу харчування. Подолати ці труднощі допомогли детальний аналіз схеми метилювання гена агуті на малюнку 34.2 та повторне уважне читання пояснень у тексті параграфа.

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

Отримані знання допоможуть правильно складати щоденний раціон харчування та систематично займатися спортом, щоб запобігти розвитку ожиріння й діабету та зміцнити кісткову систему. Також розуміння важливості чутливих періодів стимулює активно вивчати іноземні мови та розвивати власні здібності в підлітковому віці.