Физическая география часть 22

Мутации классифицируют по уровню их воз­никновения.

1. Изменения, обусловленные заменой одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена, называются генными, или точковыми, му­тациями. Они влекут за собой изменение струк­туры строения белков, заключающееся в появле­нии новой последовательности аминокислот в по­липептидной цепи, и, как следствие, изменения функциональной активности белковой молекулы.

2. Изменения структуры хромосом называются хромосомными мутациями. Эти мутации могут возникать вследствие утраты части хромосомы. Если в утраченный участок входят жизненно важные гены, то такая мутация может привести организм к гибели. Потеря небольшой части 21-й хромосомы у человека служит причиной разви­тия у детей тяжелого заболевания — острого лей­коза. В других случаях оторвавшийся участок мо­жет присоединиться к негомологичной хромосоме, в результате чего возникает новая комбинация генов, изменяющая характер их взаимодействия.

3. К мутациям относятся также изменения кариотипа, кратные или некратные гаплоидно­му числу хромосом. Вследствие нерасхождения какой-либо пары гомологичных хромосом в мейо – зе одна из образовавшихся гамет содержит на од­ну хромосому меньше, а другая на одну хромосо­му больше, чем в нормальном гаплоидном набо­ре — анэуплоидия. В таких случаях нарушение генного баланса сопровождается нарушением раз­вития. Например болезнь Дауна у человека, при­чина которой — присутствие в кариотипе трех хромосом 21-й пары. Увеличение числа хромо­сомных наборов — полиплоидия, также является мутацией, но приводит, как правило, к усилению функциональной активности.

Свойства мутаций. 1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно. 2. Мутации наслед­ственны, т. е. стойко передаются из поколения в поколение. 3. Мутации ненаправленны — мути­ровать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков. 4. Одни и те же мутации могут воз­никать повторно. 5. По своему проявлению мута­ции могут быть полезными и вредными, доми­нантными и рецессивными.

Способность к мутированию — одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается ка- кой-то причиной, но в большинстве случаев эти причины неизвестны. Мутации связаны с измене­ниями во внешней среде. Это убедительно дока­зывается тем, что путем воздействия внешними факторами удается резко повысить их число.

Комбинативная изменчивость

Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, новая комбинация которых при размножении приводит к изменению опреде­ленных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной на­следственной изменчивостью. Новые комбина­ции генов возникают: 1) при кроссинговере, во время профазы первого мейотического деления;

2) во время независимого расхождения гомоло­гичных хромосом в анафазе первого мейотическо­го деления; 3) во время независимого расхожде­ния дочерних хромосом в анафазе второго мей­отического деления и 4) при слиянии разных по­ловых клеток.

Зависимость проявления генов

от условий внешней среды (фенотипическая изменчивость)

1) Выражение гена в виде признака зависит от генотипичесхой среды. 2) На развитие призна­ка влияют регуляторные системы организма.

3) Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях. Все факторы окружающей среды могут изменять морфологиче­ские и физиологические свойства организмов, т. е. их фенотип.

Рис. 27. Кривая нормы реакции: а—б — пределы моди­фикационной изменчивости, в — средняя норма

Степень выраженности признака

Если рассмотреть проявление какого-либо признака в группе организмов, то можно заме­тить, что степень его выраженности различна у разных организмов. Однако, большая часть осо­бей будет обладать средними значениями изучае­мого признака или свойства, и чем дальше от­клонения от средней нормы, тем меньшее число особей будет обладать такими отличиями. Сте­пень варьирования признака или, другими сло­вами, пределы модификационной изменчивости, называется нормой реакиии. Широта нормы ре­акции обусловлена генотипом и зависит от важ­ности признака в жизнедеятельности организма.

Свойства модификаций. 1) ненаследуемость; 2) групповой характер изменений; 3) соотнесение изменений действию определенного фактора сре­ды; 4) обусловленность пределов изменчивости генотипом.

Модификационная изменчивость не имеет прямого влияния на эволюционные преобразова­ния, но смягчает давление естественного отбора.

основы селекции

Селекция представляет собой науку о созда­нии новых и улучшении существующих пород домашних животных и сортов культурных расте­ний. Вместе с тем под селекцией понимают и сам процесс изменения живых организмов, осу­ществляемый человеком для своих потребностей. Все современные домашние животные и возделы­ваемые человеком растительные культуры про­изошли от диких предков. Процесс превращения диких животных и растений в культурные формы называют одомашниванием.

Центры многообразия и происхождения культурных растений

С целью изучения многообразия и географиче­ского распространения культурных растений Н. И. Вавилов организовал многочисленные экс­педиции как в пределах территории нашей стра­ны, .так и во многие зарубежные страны.

Н. И. Вавилов выделил 7 центров происхождения культурных растений.

Центры происхождения культурных растений, как показывают археологические исследования, тесно связаны с районами одомашнивания жи­вотных. Такие регионы получили название цент­ров доместикации. Многочисленные зоологиче­ские исследования подтвердили, что для каждого вида домашних животных, несмотря на обилие по­род, существует как правило один дикий предок.

Центры происхождения культурных растений (по Н. И. Вавилову)

Название центра н географическое положение	Виды культурных растений
Южноазиатский тропический: тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго-Вос­точной Азии	Рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, бак­лажан, черный перец и др. (50% культурных рас­тений)
Восточноазиатский: Центральный и Во­сточный Китай, Япо­ния, Корея, Тайвань	Соя, просо, гречиха, пло­довые и овощные культу­ры — слива, вишня, редька и др. (20% куль­турных растений)
Юго-Западно – азиатский: Малая Азия, Сред­няя Азия, Иран, Аф­ганистан, Юго-Запад – ная Индия	Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, морковь, чеснок, виноград, абрикос, груша и др. (14% культурных растений)
Средиземноморский: страны по берегам Средиземного моря	Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер, чечеви­ца, кормовые травы (11% культурных растений)
Абиссинский: Абиссинское нагорье Африки	Твердая пшеница, ячмень, кофейное дерево, сорго, бананы
Центрально­американский: южная Мексика	Кукуруза, длинноволок­нистый хлопчатник, ка­као, тыква, табак
Южноамериканский: Южная Америка вдоль западного побережья	Картофель, ананас, хин­ное дерево

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости

На основе изучения богатейшего коллекцион­ного материала Н. И. Вавиловым были сделаны важные обобщения, послужившие крупным вкла­дом в теорию селекции. Изучение наследственной изменчивости у культурных растений и их пред­ков позволило Н. И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: *Виды и роды, генетически близ­кие, характеризуются сходными рядами наслед­ственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, мож­но предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Це­лые семейства растений в общем характеризу­ются определенным циклом изменчивости, про­ходящей через все роды и виды, составляющие семейство*.

Методы селекции растений и животных

Основная задача селекции — создание высо­копродуктивных пород животных, сортов расте­ний и штаммов микроорганизмов, наилучшим образом удовлетворяющих пищевые и техниче­ские потребности человека. Породой и сортом (чистой линией) называют популяцию организ­мов, искусственно созданную человеком, которая характеризуется специфическим генофондом, на­следственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности. Каждой породе или сорту свойственна присущая ему нор­ма реакции.

Отбор и гибридизация

Основными методами селекции являются от­бор и гибридизация. В растениеводстве по отно­шению к перекрестноопыляющимся растениям нередко применяется массовый отбор. При таком отборе в посеве сохраняют растения только с же­лательными качествами. При повторном посеве снова отбирают растения с определенными приз­наками. Индивидуальный отбор сводится к вы­делению отдельных особей и получению от них потомства. Индивидуальный отбор приводит к выделению чистой линии — группы генетически однородных (гомозиготных) организмов. Путем отбора были выведены многие ценные сорта культурных растений. Для внесения в генофонд создаваемого сорта растений или породы живот­ных ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором. При скрещивании раз­ных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях в первом поколении гибридов повышается жизнеспособ­ность и наблюдается мощное развитие. Это явле­ние получило название гибридной силы, или ге­терозиса. Оно объясняется переходом многих ге­нов в гетерозиготное состояние и взаимодействи­ем благоприятных доминантных генов. При по­следующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления го­мозигот.

Преодоление бесплодия межвидовых гибри­дов. Впервые это удалось осуществить в начале 20-х годов советскому генетику Г. Д. Карпеченко при скрещивании редьки и капусты. Это вновь созданное человеком растение не было похоже ни на редьку, ни на капусту. Стручки занимали как бы промежуточное положение и состояли из двух половинок, иэ которых одна напоминала стручок капусты, другая — редьки.

Искусственный мутагенез. Естественные мутации, сопровождающиеся появлением полез­ных для человека признаков, возникают очень редко. На их поиски приходится затрачивать много сил и времени. Частота мутаций резко по­вышается при воздействии мутагенов. К ним от­носятся некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. Эти воздействия нарушают строение молекул ДНК и служат причиной резкого возрастания частоты мутаций. Наряду с вредными мутациями нередко обнаруживаются и полезные, которые использу­ются учеными в селекционной работе. Путем воз­действия мутагенами в растениеводстве получают и полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ.

Селекция микроорганизмов

Микроорганизмы интенсивно используются в самых разнообразных технологических процес­сах. Продукты жизнедеятельности прокариот и одноклеточных эукариот с каждым годом все бо­лее широко применяют в разных отраслях народ­ного хозяйства, где используется ферментативная деятельность этих организмов (в основном грибов и бактерий): в хлебопечении, пивоварении, вино­делии, приготовлении многих молочных продук­тов. Технологию получения необходимых челове­ку продуктов из живых клеток или с их по­мощью называют биотехнологией.

Работы я. В. Мичурина. В практике улуч­шения плодово-ягодных культур особое место за­нимает селекционная работа И. В. Мичурина. Ученый брал родительские растения из отдален­ных географических областей, скрещивая их между собой. Подобными методами были выведе­ны такие ценные сорта, как груша Вере зимняя Мичурина (от скрещивания южного сорта груши Вере Рояль и дикой уссурийской груши) и ябло­ни Бельфлер-китайка (от американской яблони Бельфлер желтый и китайской яблони, растущей в Сибири). Важным этапом в работе Мичурина было целенаправленное воспитание гибридных сеянцев. Оно заключалось в том, что в определен­ный период их развития создавались условия для доминирования признаков одного и подавления признаков другого родителя. Эффективное управ­ление доминированием, которым пользовался И. В. Мичурин, состоит в различных способах об­работки почвы — внесения удобрений в опреде­ленный период развития растения; прививки в крону другого растения и т. д. Применялся и ме­тод ментора — воспитание на подвое, т. е. на растении, в крону которого привит черенок. И. В. Мичурин применял также отдаленную гиб­ридизацию. Им получен своеобразный гибрид вишни и черемухи — церападус, а также гибрид терна и сливы, яблони и груши, персика и абри­коса. Все мичуринские сорта воспроизводятся пу­тем вегетативного размножения.

развитие биологии до дарвина

Под эволюцией живого мира понимают зако­номерный процесс исторического развития при­роды с момента самого возникновения жизни на нашей планете до современности. Сущность этого процесса состоит как в непрерывном приспособ­лении живого к постоянно меняющимся услови­ям окружающей среды, так и в появлении все бо­лее сложно устроенных форм живых организмов. В ходе биологической эволюции осуществляется преобразование видов, на этой основе возникают новые виды.

История представлений о развитии жизни на Земле

Первая попытка систематизировать накоплен­ные знания о растениях и животных и их жизне­деятельности была осуществлена Аристотелем (IV в. до н. э.), но еще задолго до него в литера­турных памятниках различных народов древ­ности излагалось много интересных сведений об организации живой природы, главным образом связанных с агрономией, животноводством и ме­дициной. Сами же биологические знания уходят корнями в глубокую древность и базируются на непосредственной практической деятельности лю­дей. По наскальным рисункам кроманьонского человека (13 тыс. лет до н. э.) можно установить, что уже в то время люди хорошо различали большое число животных, служивших объектом их охоты.

С установлением господства христианской церкви в Европе распространяется официальная точка зрения, основанная на библейских текстах: все живое создано Богом и остается неизменным. Такое направление в развитии биологии средне­вековья называют креационизмом.

Система органической природы К. Линнея

Большой вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней. Ученый описал более 8000 видов растений, установил единообразную терминоло­гию и порядок описания видов. Он объединил сходные виды в роды, сходные роды — в отряды, а отряды — в классы. В основу своей классифи­кации он положил принцип иерархичности (т. е. соподчиненности) таксонов. В системе Линнея самым крупным таксоном был класс, самым мел­ким — вид, разновидность. Линней закрепил ис­пользование в науке бинарной (т. е. двойной) но­менклатуры для обозначения видов. С тех пор каждый вид называется двумя словами: первое слово означает род и является общим для всех входящих в него видов, второе слово — видовое название. В дальнейшем в систему были введены некоторые дополнительные категорий: семей­ство, подкласс и др., а высшим таксоном стал тип. Линней создал самую совершенную для тог о времени систему органического мира, включив в нее всех известных тогда животных и все из­вестные растения. Однако произвольность в вы­боре признаков для классификации (у расте­ний — строение тычинок и пестиков; у живот­ных — строение клюва у птиц, строение зубов у млекопитающих) привела Линнея к ряду ошибок. Линней сознавал искусственность своей системы и указывал на необходимость разработки есте­ственной системы природы.

Как теперь известно, естественная система отражает происхождение животных и растений и основана на их родстве и сходстве по совокуп­ности существенных черт строения.

Эволюционная теория Ж.-Б. Ламарка

Ученым, создавшим первую эволюционную теорию, был Жан-Батист Ламарк.

Теория эволюции Ламарка опиралась на фак­ты. Своими трудами Ламарк внес большой вклад в биологию. Сам термин ^биология* принадле­жит ему. Занимаясь систематикой животных, Ламарк обратил внимание на сходство суще­ственных черт строения у животных, не относя­щихся к одному виду. На основе сходства Ламарк выделил 10 классов беспозвоночных вместо двух классов у Линнея (Насекомые и Черви). Среди них такие группы, как «Ракообразные», «Пауко­образные», «Насекомые», сохранились до наших дней, другие группы — «Моллюски», «Кольчатые черви» — возведены в ранг типа. Ламарк зало­жил основы естественной системы классифика­ции. Ламарк приходит к эволюционной идее. Ве­личайшая его заслуга заключается в том, что эволюционная идея у него тщательно разработа­на, подкреплена многочисленными фактами и по­этому превращается в теорию. В основу ее поло­жено представление о развитии, постепенном и мед­ленном, от простого к сложному, и о роли внешней среды в преобразовании организмов, t В своем основном труде «Философия зооло­гии», опубликованном в 1809 г., Ламарк приво­дит многочисленные доказательства изменяемос­ти видов. К числу таких доказательств Ламарк относит изменения под влиянием одомашнивания животных и окультуривания растений при пере­селении организмов в другие места обитания с иными условиями существования. Важную роль в возникновении новых видов Ламарк отводит по­степенным переменам гидрогеологического режи­ма на поверхности Земли и климатических усло­вий. Таким образом, в анализ биологических яв­лений Ламарк включает два новых фактора — фактор времени и условия внешней среды.

Ламарк считал, что существует два механизма образования новых видов: во-первых, стремление организмов к совершенствованию, и, во-вторых, прямое влияние внешней среды и наследование признаков, приобретенных в течение жизни орга­низма.

Оценка теории Ламарка. Взгляды Ламарка на механизм эволюции оказались ошибочными.

Огромная заслуга Ламарка заключается в том, что он создал первую теорию эволюции органиче­ского мира, ввел принцип историзма как условие понимания биологических явлений и выдвинул в качестве главной причины изменяемости видов условия внешней среды.

Теория Ламарка не получила признания со­временников. В его время наука не была готова к принятию идеи эволюционных преобразований; сроки, о которых говорил Ламарк, — миллионы лет, — казались невообразимыми. Доказательства причин изменяемости видов не были достаточно убедительными. Отводя решающую роль в эволю­ции прямому влиянию внешней среды, упражне­нию и неупражнению органов и наследованию приобретенных признаков, Ламарк не мог объяс­нить возникновения ряда приспособлений. На­пример, окраска скорлупы птичьих яиц носит явно приспособительный характер, но объяснить этот факт с позиций теории Ламарка невозможно. Теория Ламарка исходила из представлений о слитной наследственности, свойственной целому организму и каждой из его частей;

Предпосылки возникновения теории Ч. Дарвина

Естественнонаучные предпосылки теории Ч. Дарвина

XIX век был периодом открытия фундамен­тальных законов мироздания. Французский уче­ный П. Лаплас математически обосновал теорию И. Канта о развитии Солнечной системы. Идею развития вносит в философию Г. Гегель. Были открыты законы сохранения энергии, утвердился принцип атомного строения химических элемен­тов. В 1861 г. А. М. Бутлеров создает теорию строения органических соединений.

Геологические предпосылки. Геолог Ч. Лайель доказал, что поверхность планеты изменяется не­прерывно под действием обычных факторов — колебаний температуры, ветра, дождя, прибоя и жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Достижения в области цитологии и эм­бриологии. Клеточная теория Т. Шванна показа­ла, что в основе строения всех живых организмов лежит единообразный структурный элемент — клетка. Исследования развития зародышей позво­ночных позволили обнаружить у эмбрионов птиц и млекопитающих жаберные дуги и жаберное кровообращение, что наталкивало на мысль о родстве рыб, птиц, млекопитающих и проис­хождении наземных позвоночных от предков, ве­дущих водный образ жизни. Русский академик К. Бэр показал, что развитие всех организмов начи­нается с яйцеклетки и что на ранних стадиях раз­вития обнаруживается сходство в строении зароды­шей животных, относящихся к разным классам.

В развитии биологии большую роль сыграла разработанная Ж. Кювье теория типов.

Экспедиционный материал Ч. Дарвина

Наблюдения Дарвина позволили задуматься над причинами сходства и различий между вида­ми. Главная его находка, обнаруженная в геоло­гических отложениях Южной Америки, — это скелеты вымерших гигантских неполнозубых, очень сходных с современными броненосцами и ленивцами. Еще большее впечатление произвело на Дарвина изучение видового состава животных на Галапагосских островах.

На этих вулканических островах недавнего происхождения Дарвин обнаружил близкие виды вьюрков, сходные с материковым видом, но при­способившиеся к разным источникам питания — твердым семенам, насекомым, нектару цветков растений. Дарвин сделал вывод: птицы попали на остров с материка и изменились вследствие при­способления к новым условиям обитания. Таким образом, Дарвин ставит вопрос о роли условий среды в видообразовании. Аналогичную картину Дарвин наблюдал и у берегов Африки. Живот­ные, обитающие на островах Зеленого мыса, не­смотря на некоторое сходство с материковыми видами, все же отличаются от них существенны­ми чертами. С позиции сотворения видов Дарвин не мог объяснить и особенности развития и опи­санного им грызуна туко-туко, живущего в норах под землей и рождающего зрячих детенышей, ко­торые затем слепнут. Перечисленные и многие другие факты поколебали веру у Дарвина в со­творение видов. Вернувшись в Англию, он поста­вил перед собой задачу: разрешить вопрос о про­исхождении видов.

ТЕОРИЯ Ч. ДАРВИНА

Учение Ч. Дарвина об искусственном отборе

Под искусственным отбором понимается про­цесс создания новых пород животных и сортов культурных растений путем систематического со­хранения и размножения особей с определенны­ми, ценными для человека признаками и свойствами в ряду поколений. В основе всей ра­боты по выведению нового сорта растений (или породы животных) лежит и изменчивость приз­наков у организмов и отбор человеком таких из­менений, которые наиболее уклоняются в жела­тельную для него сторону.

Поскольку мутации — явление достаточно редкое, искусственный отбор может быть успеш­ным только в том случае, если он проводится сре­ди большого числа особей.

Дарвин выделил две формы искусственного отбора — сознательный, или методический, и бессознательный.

Методический отбор заключается в том, что селекционер ставит перед собой определенную за­дачу и ведет отбор по одному-двум признакам. Та­кой прием позволяет достигнуть больших успехов.

Однако домашние животные, так значительно отличающиеся от диких предков, появились еще у доисторического человека, задолго до созна­тельного применения методов селекции. Как это произошло? По Дарвину, в процессе приручения диких животных человек осуществлял прими­тивную форму искусственного отбора, которую он назвал бессознательным.

Бессознательный отбор. Бессознательным та­кой отбор называется в том смысле, что челове­ком не ставилось цели вывести какую-то опреде­ленную породу или сорт.

Учение Ч. Дарвина о естественном отборе

Всеобщая индивидуальная изменчивость и избыточная численность потомства

Дарвин показал, что у представителей диких видов животных и растений индивидуальная из­менчивость представлена очень широко. Все ор­ганизмы оставляют значительное, иногда очень многочисленное потомство. Одна особь сельди выметывает в среднем около 40 тыс. икринок, осетр — 2 млн. и т. д. Таким образом, Дарвин приходит к выводу о том, что в природе любой вид животных и растений стремится к размноже­нию в геометрической прогрессии. В то же время число взрослых особей каждого вида остается от­носительно постоянным в ряду поколений.

Большая часть появившихся на свет организ­мов, следовательно, гибнет, не достигнув половой зрелости. Причины гибели разнообразны — вто­рой вывод, сделанный Дарвином: в природе про­исходит непрерывная борьба за существование.

Формы борьбы за существование и естественный отбор

Дарвин выделил три основные формы борьбы за существование: а) межвидовую, б) внутривидо­вую, в) борьбу с неблагоприятными условиями среды.

Межвидоваи борьба. Борьба между особями разных видов; взаимоотношения типа хищник — жертва, взаимодействиям с паразитами и болез­нетворными микроорганизмами и конкурентным взаимоотношениям между близкородственными видами за среду обитания и источники питания.

Внутривидовая борьба. У особей же одного вида потребности в пище, территории и других условиях существования одинаковы. Поэтому конкуренция между ними наиболее острая.

Борьба с неблагоприятными условиями внешней среды. Факторы неживой природы ока­зывают огромное влияние на выживаемость орга­низмов.

Все формы борьбы за существование сопро­вождаются истреблением огромного количества организмов или приводят к тому, что часть их це оставляет потомства.

Таким образом, в природе происходят процес­сы избирательного уничтожения одних особей и преимущественного размножения других — явле­ние, названное Дарвином естественным отбо­ром, или выживанием наиболее приспособлен­ных. При изменении условий внешней среды по­лезными для выживания могут оказаться какие – то иные, чем прежде, признаки. В результате ме­няется направление давления отбора, перестраи­вается генетическая структура вида, благодаря размножению широко распространяются новые признаки — появляется новый вид.

Движущей силой изменения видов, т. е. эво­люции, является естественный отбор. Мате­риалом для отбора служит наследственная (неопределенная, индивидуальная, мутационная) изменчивость.

Модификационная изменчивость не имеет значения для эволюции, поскольку по наследству не передается.

Мутации и половой процесс создают генети­ческую неоднородность внутри вида; их действие ненаправлено. Эволюция же — процесс направ­ленный, связанный с выработкой приспособлений по мере прогрессивного усложнения строения и функций животных и растений. Существует лишь один направленный эволюционный фак­тор — естественный отбор.

Вид. Критерии и структура