Популяційна мінливість як результат взаємодії генотипу та середовища

Для розуміння природи популяцій важливо пам’ятати, що два основні джерела відмінностей між організмами (генотип і середовище) тісно пов'язано один з одним і перебувають у постійній взаємодії. Відмінності між носіями різних генотипів можуть не виявитися, якщо будуть відсутні ті чинники середовища, які дають змогу генотипним відмінностям стати видимими, фенотипними. Так, люди з винятковими музичними здібностями не зможуть розвинути їх, якщо вони не матимуть нагоди для спеціальних занять. Те ж саме справедливе для будь-якої сфери людської діяльності: тільки в сприятливих умовах середовища люди з особливими природними, спадковими задатками будуть значно відрізнятися від решти особин популяції. Якщо умови середовища не сприятимуть розвитку здібностей, ми навряд чи виявимо великі різницю між фенотипами людей, що мають різні генотипи.

Отже, відмінності між людьми за генотипами можуть виявлятися або не виявлятися залежно від умов середовища: в одному середовищі ці відмінності будуть чітко виражені, тоді як в іншому не з’явиться навіть підозри, що вони існують. Іншими словами, при одному й тому ж генотипному складі популяції можуть існувати умови середовища, які здатні міняти дисперсію фенотипів. Якщо умови середовища ведуть до збільшення фенотипових відмінностей між носіями різних генотипів, результатом буде збільшення фенотипної дисперсії в популяції. Якщо ж середовище нівелює відмінності між індивідами, фенотипна дисперсія зменшуватиметься.

Мал. 18. Приклади генотип-середовищної взаємодії

Це явище дістало назву генотип-середовищної взаємодії. Оскільки така взаємодія впливає на мінливість ознаки в популяції, це означає, що вона здатна формувати певну частку фенотипної дисперсії.

Розберемося з цим на прикладі гіпотетичної популяція, яка складається з двох генотипів – D та F (мал. 18). Вимірювання якоїсь кількісної ознаки цих генотипів здійснюється за різних умов середовища (X та Y). Результати вимірювань залежно від ступеня прояву ознаки позначають цифрами від 1 до 4. Кількість усіх можливих комбінацій чинників D, F, X та Y дорівнює 24 (1·2·3·4 = 24). Але, щоб проілюструвати явище генотип-середовищної взаємодії, достатньо кількох комбінацій. Зрозуміло, що в кожній комбінації аналізується своя ознака та відповідні їй фактори умов середовища.

На перших двох графіках в різних умовах середовища генотип D має вищі значення ознаки, ніж генотип F. Паралельні лінії генотипів означають, що їх фенотипні дисперсії за різних умов середовища залишаються однаковими. Виходить, що генотип-середовищна взаємодія, як складова дисперсії, у даних випадках відсутня.

Перший та другий графіки подібні, хоча розрізняються напрямком зміни фенотипів при переході з середовища X в середовище Y. Для першого варіанту прикладом може бути така ситуація: учні молодших класів, що навчалися у молодого недосвідченого вчителя, потрапляють до сильного педагога, і при цьому всі покращують свої показники, але зберігають ті ж відносні рангові місця. Зворотна ситуація може бути прикладом для другого графіка.

Третій графік відрізняється від перших двох тим, що лінії тут перетинаються. В середовищі X генотип D випереджає генотип F, а в середовищі Y – навпаки. Обидва генотипи при переході з середовища X в середовище Y показують приріст фенотипних значень ознаки, але в різній мірі. Генотип F виявляється чутливішим до умов середовища, бо показує приріст ознаки на 3 одиниці, тоді як генотип D – всього на 1. У цьому випадку генотип-середовищна взаємодія буде відмінною від нуля. Прикладом такої взаємодії може бути така ситуація, коли товариська (D) і нетовариська (F) дитина під час хвороби перебувають в лікарні (середовище X) або удома (середовище Y). Звичайно діти почувають себе краще в домашніх умовах, але для товариської дитини ізоляція від однолітків обтяжує, і їй буде комфортніше в лікарні.

На четвертому графіку генотип D в обох середовищах переважає генотип F, але вони по-різному реагують на зміну умов середовища. При переході з середовища X в середовище Y генотип D зменшує значення ознаки, в той час як генотип F – збільшує. У цьому випадку теж наявна взаємодія генотипу та середовища як частка загальної (фенотипної) дисперсії. Ілюструвати четвертий графік можна ситуацією, коли звичайні (D) та розумово відсталі (F) діти навчаються в звичайній (середовище X) і спеціалізованій (середовище Y) школах. Зрозуміло, що в звичайній школі розумово відсталі діти будуть вчитися значно гірше за звичайних дітей, тоді як в спеціалізованій школі з програмою, розрахованою на розумово відсталих дітей, останні дадуть приріст успішності, а нормальні діти відставатимуть від своїх однолітків.

На п’ятому графіку знову, як і на третьому, спостерігається перетин ліній. При переході з середовища X в середовище Y генотип D демонструє зменшення прояву ознаки, тоді як генотип F – збільшення. До того ж, в середовищі X фенотипні відмінності між генотипами значніші, ніж в середовищі Y. І в цьому випадку генотип-середовищна взаємодія впливає на дисперсію фенотипів. Прикладом розглянутої ситуації можуть бути люди з високим (D) та низьким (F) рівнями активації. В умовах тиші та ізоляції (X) більш ефективно працюватимуть перші, тоді як в умовах шуму (Y) – другі.

Лінії D та F перетинаються і на шостому графіку. Але тут генотипи розрізняються за чутливістю до умов середовища – генотип F реагує на їх зміну значно сильніше, ніж генотип D. Генотип-середовищна взаємодія при цьому суттєва. Шостий графік можна ілюструвати ситуацією, коли одні діти мають середній рівень розвитку з підвищеними просторовими здібностями (генотип D), а інші – яскраві мовні здібності, але слабкі просторові (генотип F). Діти з такими генотипами будуть показувати різну успішність на заняттях з геометрії (X) та літератури (Y).

Розглянуті приклади свідчать, що мінливість у популяції формується не лише за рахунок простого додавання ефектів генотипу та середовища, а й під впливом генотип-середовищної взаємодії.

Контрольні запитання до теми 2.2

1. Поясніть поняття «кількісні ознаки».

2. Який графік характеризує мінливість кількісних ознак у популяції?

3. Дайте визначення понять «генотип» та «фенотип».

4. Що таке полімерні гени?

5. Обґрунтуйте норму реакції організмів як результат взаємодії генотипу та умов середовища.

6. Як визначається співвідношення впливу генотипу та умов середовища на фенотип?

7. Що таке успадковуваність та його значення в генетиці людини?

8. Наведіть приклади популяційної мінливості як результату взаємодії генотипу та умов середовища.

Прикладна генетика

У другій половині XX сторіччя на межі генетики та молекулярної біології сформувалася нова потужна галузь науки – біотехнологія. Її значення ілюструється тим фактом, що в США саме на біотехнологію витрачається майже половина коштів, виділених для академічних наукових досліджень. Біотехнологія сьогодні все більше використовується в промисловості, медицині, сільському господарстві та багатьох інших сферах людської діяльності. Її досягнення можуть бути спрямовані на благо людей, але можуть завдати людству і значну шкоду. За такої ситуації слід пам’ятати, що, чим ширшою інформацією ми володіємо, виробляючи власну точку зору, і чим більше людей готові обговорювати ці проблеми, тим з більшою вірогідністю ухвалені нами рішення виявляться правильними.

Генна інженерія

Генна інженерія – це найпотужніший метод прикладної генетики та біотехнології. Вона дає змогу вивчати і змінювати генетичний код живих організмів. Людина дістала можливість змінювати інші організми для своїх потреб, а в недалекому майбутньому й лікувати спадкові хвороби.

Бактерії. Основні методи генної інженерії були розроблені в другій половині ХХ століття на бактеріях. Вони полягали у введення в організм нового гена. Такий ген може бути синтезований наново, а може бути перенесений з іншого організму. Якщо в геном бактерії вбудувати ген, що кодує який-небудь білок, бактерійна клітина перетворюється на живу фабрику по продокуванню цього білка.

Одержати будь-яку кількість копій гена всього з одного його зразка сьогодні неважко. Цей процес дістав назву клонування Для клонування гена користуються так званим вектором, у ролі якого виступає звичайно плазміда або бактеріофаг . Плазміда являє собою невеликий кільцевий фрагмент ДНК, виявлений в деяких бактеріях. Вона відокремлена від основної ДНК і реплікується незалежно від неї. Бактеріофаги (або, скорочено, фаги) – це віруси, які можуть вводити свою ДНК в бактеріальну клітину, де ця ДНК реплікується.

Фрагменти ДНК, тобто гени, які необхідно клонувати, за допомогою спеціального ферменту вилучають із генома організма-донора , а потім за допомогою іншого ферменту сполучають з плазмідною чи фаговою ДНК. Якщо таку гібридну ДНК ввести в бактеріальну клітину, то в процесі розмноження бактерії збільшується і кількість копій цієї ДНК. Модифіковані таким чином бактерії здатні продукувати необхідні людині речовини, чого в нормі вони робити не здатні, наприклад інсулін, гормон росту людини, коров’ячий соматотропін тощо..

Інсулін – це гормон білкової природи, який утворюється в підшлунковій залозі і грає життєво важливу роль в регуляції вмісту цукру в крові. Недолік інсуліну служить однією з причин цукрового діабету – тяжкого захворювання, через яке потерпає близько 3% населення Земної кулі. Зараз більше 2 млн. хворих на діабет у всьому світі користуються для лікування інсуліном, одержаним за допомогою модифікованих бактерій, коли в бактеріальний геном вбудовується ген інсуліну людини.

Гормон росту – це білок, який виробляється гіпофізом і діє на всі тканини організму. Нестача цього гормону в дитинстві приводить до карликовості з нормальними пропорціями тіла. Для медичних потреб гормон росту одержують за допомогою бактерій з вбудованим в їх геном людським геном, що забезпечує синтез цього білка. Регулярні ін’єкції такого гормону хворим дітям відновлюють їхній зріст майже до нормального рівня.

Коров’ячий соматотропін – це гормон, подібний до гормону росту людини. Він теж виробляється в гіпофізі та стимулює поділ клітин у тілі тварин. Ген, що кодує коров’ячий соматотропін, був вбудований в геном бактерії описаним вище способом. Ін’єкції навіть невеликих доз цього гормону коровам збільшують продукцію молока на 25%, а масу худоби, вирощуваної на м'ясо – на 10-15%. Після припинення ін’єкцій маса корів та їх удійність поверталися до початкового рівня.

За допомогою генної інженерії стало можливим створення бактерій, здатних очищати поверхню водоймищ від нафтового забруднення. Існуючий нині спосіб хімічного очищення надзвичайно шкідливий для живої природи. В даний час проводяться випробування створених штучно бактерій, які здатні руйнувати вуглеводні сполуки нафти.

Рослини і тварини. Багатоклітинні організми теж можна змінювати за допомогою генної інженерії. Організми, які генетично перебудовані з використанням методів генної інженерії, прийнято називати трансгенними.

Виведення трансгенних організмів є перспективною альтернативою традиційним методам селекції тварин та рослин. Поліпшення сортів рослин та порід тварин традиційними методами – тривалий процес, який потребує 7–12 років. Генна інженерія дає можливість створювати нові форми рослин і тварин з потрібними людині властивостями всього за кілька років. Трансгенні рослини чи тварини, подібно до бактерій, можуть стати дешевим і простим засобом виробництва достатньої кількості різноманітних корисних продуктів, і не тільки харчових.

Трансгенні організми

Трансгенні рослини. Найефективніший метод перенесення генів у рослини – використання плазміди одного з видів ґрунтової бактерії як вектора. За допомогою вектора потрібний ген вбудовується в геном клітин рослини, яку ми хочемо змінити. Для цього клітини рослини розмножують в пробірці у поживному розчині. Клітини рослин з вбудованою в їх геном зміненою плазмідою називаються трансформованими. Діючи певними гормонами, можна із трансформованої клітини виростити цілу рослину.

Ця технологія використовується для виведення поліпшених сортів томатів, картоплі, кукурудзи, рису, цукрового буряка та багатьох інших рослин. Ці сорти більш продуктивні, дають продукцію з підвищеним вмістом певних речовин (білків, жирів, вуглеводів тощо), а головне, є стійкими проти збудників хвороб та комах-шкідників. Остання особливість дасть змогу зменшити забруднення біосфери отрутохімікатами, які сьогодні широко застосовуються в рослинництві.

Мал. 19. Перша трансгенна тварина

Трансгенні тварини. Один із перших успішних експериментів по створенню трансгенних тварин був здійснений на мишах. В геном миші був вбудований ген, що кодує гормон росту щура. Такі трансгенні миші росли в 2-3 рази швидше, ніж їх родичі, не несучі чужого гена, і досягали приблизно в 2 рази більших розмірів. (Мал. 19). Для створення трансгенних тварин використовують різні методи введення ДНК: за допомогою вірусів; мікроін'єкції в яйцеклітини; в стовбурні клітини; способом фагоцитозу та інші

В даний час все більш популярним стає процес, який є більш контрольованим в порівнянні з іншими. Декілька клітин раннього зародка розмножують в живильному середовищі. ДНК вводять в ці клітини різними способами, у тому числі за допомогою мікроін’єкції. Перевага даного методу полягає в тому, що трансформовані клітини можна визначити до того, як вони будуть уведені в материнські організми як яйцеклітини. Таким чином забезпечується народження трансгенного організму.

Один з найперспективніших напрямків генної інженерії – продукування рідкісних і дорогих білків, вживаних у медицині, з молока трансгенних корів або овець. Прикладом може слугувати одержання білка з молока трансгенних овець, який ефективно лікує спадкову емфізему легенів людини, викликану мутацією гена. Трансгенні тварини були одержані шляхом введення в їх геном нормального алеля цього гена людини.

Вбудовування людського гена в геном вівці було використано і при отриманні одного з ферментів згортання крові, відсутність якого спричиняє один із видів гемофілії. Генетики працюють над одержанням таким же шляхом фібриногену – головного білка системи згортання крові. Його передбачають використовувати як клей для з’єднання тканин після хірургічних операцій.

Клонування тварин

Клонуванням називають створення численних генетичних копій одного індивідуума за допомогою безстатевого розмноження. У хребетних тварин цей процес природним шляхом не відбувається. Проте, пересадивши ядро, узяте з клітини кишечника або шкіри жаби, в яйцеклітину, власне ядро якої було зруйновано ультрафіолетовими променями, в 60-х роках ХХ ст. в Оксфордському університеті вдалося виростити пуголовка, що перетворився потім в жабу, ідентичну тій батьківській особині, від якої було узято ядро.

Подальші подібні експерименти довели, що диференційовані клітини (клітини різноманітних специфічних тканин тіла) містять всю інформацію, необхідну для розвитку повноцінного організму. А наприкінці минулого століття в Шотландії біло здійснено успішне клонування високоорганізованої хребетної тварини – вівці (Доллі) з клітини материнського вимені.

Клонування тварин представляється вельми перспективним. Можна, наприклад, використовувати зародки тварин на стадії декількох клітин і, розділивши такий зародок на окремі клітини, одержати певну кількість генетично ідентичних (однакових) організмів. Цей процес можна повторювати багато разів, тому що на цій стадії клітини ще не досягають необоротної спеціалізації. Таким чином можна створити безліч ідентичних копій однієї тварини, що має цінні ознаки. Потім одержані зародки можна пересадити в матку замінних матерів для виношування плоду та наступного народження тварин з бажаними ознаками. Подібне клонування зародків починає грати все більш важливу роль у тваринництві, наприклад при розведенні великої рогатої худоби, овець та кіз. Воно прискорює отримання будь-якої кількості тварин від бажаних материнських особин.

Клонування людини було вперше здійснено в США в 1993 р., проте клоновані зародки були доведені лише до стадії декількох клітин, щоб показати, що в принципі це можливо.

Поиск по сайту: