Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ГЛАВА 7. Генетика популяций

Популяция – совокупность особей одного вида, занимающих определённый ареал, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство. Генетическая структура популяции того или иного вида зависит от ряда причин, в том числе и от способа размножения.

Существует два типа популяций организмов, размножающихся половым путём:

1) популяции самооплодотворяющихся организмов (растения-самоопылители)

2) популяции перекрёстно оплодотворяющихся организмов со свободным неизбирательным скрещиванием (перекрёстно опыляющиеся растения, раздельнополые животные и, конечно, человек); такие популяции называются иначе панмиктическими или менделевскими.

Таблица 1

Системы размножения у культурных растений

В неограниченно большой популяции при отсутствии элементарных эволюционных процессов (отбора, мутирования, дрейфа генов, миграций, искусственного и естественного отбора) численные соотношения аллелей А и а и генотипов АА, Аа, аа остаются из поколения в поколение постоянными.

Если имеются два аллеля А и а с частотами p и q, то частоты трёх возможных генотипов выражаются следующим уравнением:

(p + q)² = p² + 2pq + q² у следующих аллелей и генотипов:

А а АА Аа аа.

Закон Харди-Вайнберга – это идеальное представление о популяции, и он никогда не реализуется в чистом виде, поскольку на популяцию действуют многочисленные факторы, нарушающее её генетическое равновесие. К таким возмущающим процессам, которые изменяют равновесие генных частот и определяют процесс эволюции в популяциях, относятся мутации, миграции, дрейф генов, волны жизни, естественный и искусственный отбор.

Мутации – единственный источник генетической изменчивости. Частота встречаемости мутантного аллеля в n -ном поколении составляет n×ν, где ν – частота мутаций гена за поколение.

Миграции – потоки генов. Они возникают, когда особи из одной популяции перемещаются в другую и скрещиваются с её представителями. Уровень миграции m – представляет собой скорость потока аллеля за поколение, измеряется в %.

Для расчёта уровня миграции используют формулу:

(1-m)ⁿ = (q_n-Q)/(q₀-Q), где

q₀ – характеристика популяции коренных жителей;

q_n – характеристика популяции после миграции аллеля через n поколений;

Q – характеристика популяции – источника мигрирующего аллеля;

Дрейф генов – это изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, чаще всего малочисленностью популяции вследствие её изоляции.

Волны жизни – это резкие колебания численности популяций, которые носят периодический характер с разной длиной волны или апериодический, когда волна нарастает без признаков спада в обозримом времени. Следствием волн жизни может быть изменение частот аллелей в популяции.

Естественный отбор – процесс выживания наиболее приспособленных особей. В конечном счёте отбор направлен в сторону сохранения адаптивно ценных генотипов и устранения других. Естественный отбор определяет разнообразие организмов и способствует их адаптации к различным условиям существования.

Количественными характеристиками естественного отбора являются приспособленность (W) и коэффициент отбора (S). Приспособленность – мера эффективности размножения данного генотипа. Сравнивая приспособленность нескольких групп особей, наибольшую принимают за единицу, приспособленность других W_i выражают в долях единицы; коэффициент отбора расчитывают как S_i = W_max-W_i = 1-W_i. Например, если приспособленность для гомозигот АА и гетерозигот Аа равна 1, а для гомозигот аа – 0,9, то S вычисляем как S_аа = W_АА-W_аа= 1-0,9 = 0,1.

При S=1 (полном устранении какого-либо генотипа) частота встречаемости доминантных и рецессивных аллелей через n поколений рассчитывается по формуле: q_n = q₀ / 1+q₀(n+1).

7.1.Вычислить частоту доминантного и рецессивного аллелей в следующих выборках из популяций: а) 400 особей СС и 100 особей сс, б) 700 особей АА и 300 особей аа, в) 60 особей ВВ и 40 особей вв.

7.2.У сорта кукурузы альбиносные растения встречаются с частотой 0,0025. Вычислить частоту аллелей А и а и частоту генотипов АА и Аа.

7.3.В выборке, состоящей из 84000 растений ржи, 210 растений оказались альбиносами. Определить частоты аллелей А и а и частоту гетерозиготных растений, несущих признак альбинизма.

7.4.В одной тысяче гибридов тополя получено 300 раскидистокронных растений, 500 полупирамидальных и 200 пирамидальных. Предположим, что генотипы раскидистокронных растений – АА, полупирамидальных – Аа, пирамидальных – аа. Определить частоты генов А и а.

7.5.Изоляция индейского племени, проживающего на острове Гуам, привела к увеличению частоты гена, вызывающего тяжёлое заболевание нервной системы – амиотрофический боковой склероз. Среди населения острова частота гена составляет 1/10, тогда как в мире - 1/100000. Какая доля населения острова и планеты является носителем аллеля данного заболевания?

7.6.В 1934 г. описана болезнь, связанная с нарушением обмена веществ – фенилкетонурия. Заболевание вызывается мутацией гена, ответственного за превращение фенилаланина в тирозин. Фенилаланин накапливается в плазме, мозге, являясь причиной умственной отсталости, потери речи, отсутствия координации движений. Рано начатое лечение избавляет от этих симптомов.

В 1996 году на территории Пермского края обследовано 23695 новорождённых на фенилкетонурию. Выявлено 4 ребёнка с этим заболеванием. Определить частоту гетерозигот по данному признаку в Пермском крае.

7.7.Вычислить частоты генотипов АА, Аа. (в %), если гомозиготные особи аа составляют в популяции 1%.

7.8.В одной панмиктической популяции частота аллеля В равна 0,1, а в другой – 0,9. В какой популяции больше гетерозигот?

7.9.Где легче отобрать доминантные гетерозиготные опушённые растения – у ржи или у пшеницы?

7.10.Высеяны в равных количествах семена пшеницы краснозёрной (АА и Аа) и белозёрной (аа). Пшеница – самоопылитель. Каким будет соотношение красных и белых семян через 10 лет?

7.11.Высеяны в равных количествах семена ржи с длинным стеблем (АА и Аа) и с коротким (аа). Рожь – перекрёстноопыляющееся растение. Каким будет соотношение семян длинностебельных и короткостебельных растений через 10 лет, если предположить сохранение условий панмиксии?

7.12. На остров ветром занесло семя однолетнего самоопыляющегося растения, гетерозиготного по одному гену. Какой будет генетическая структура островной популяции этого растения через 3 года, если предположить, что все особи выживают, производя одно поколение в год? Какова вероятность нахождения на острове растения, сходного по генотипу с прародительским?

7.13. Какое соотношение зелёных растений и хлорофильных мутантов можно ожидать в пятом поколении от самоопыления гетерозиготного растения? Хлорофильная мутация – рецессивный признак, мутанты жизнеспособны.

7.14. Предположим, что частота мутации аллеля А в а равна 10^-6, причём обратные мутации отсутствуют. Каковы будут частоты аллелей А и а через 10 и 1000 поколений в популяции, первоначально состоящей из доминантных гомозигот?

7.15. В панмиктической популяции частоты аллелей D и d равны. Каково будет соотношение частот этих аллелей через 3 поколения, если частота мутации D в d равна 0,1?

7.16. Частота аллеля Rh⁺, контролирующего резус-фактор, у белых США составляет 0,028, а у негритянского населения – 0,446. В африканских племенах, от которых происходит современное негритянское население США, частота этого аллеля равна 0,630. Определите уровень миграции аллеля Rh⁺ от белого населения США к неграм, учитывая, что предки современных негров были вывезены из Африки примерно 300 лет назад (около 10 поколений).

7.17. У коренных жителей Австралии частота аллеля Rh^- составляет 3 %, а у белых переселенцев – 5 %. Какова будет частота донного аллеля у метисов через 3 поколения, если уровень миграции составляет 0,4 %.

7.18. В одной европейской стране на 280 тыс. человек населения приходится 7 больных кретинизмом (умственной отсталостью). В страну въезжают жители азиатской страны с соотношению по данному заболеванию 1/540 000. Через 2 поколения соотношение больных и здоровых среди них составило 1/500 000. Рассчитайте уровень миграции дефектного аллеля.

7.19. Известно, что гены групп крови среди индейцев Северной Америки распределены не равномерно. Например, у индейцев племени черноногих частота аллеля А составляет 80%, у индейцев штата Юта – 2%. Объясните данный факт.

7.20. В штате Пенсильвания (США) с 1770 г. существует секта меннонитов, насчитывающая 8000 человек, все они произошли от трёх супружеских пар. В этой популяции обнаруживается высокая концентрация гена карликовости в сочетании с полидактилией (доля гетерозигот по данному признаку составляет 13%). Объясните данный факт.

7.21. Члены одной секты происходят от семейной пары, оба супруга которой имеют IV группу крови. Браки заключаются только внутри секты. Какой будет генетическая структура микропопуляции сектантов через 200 лет, если в среднем смена поколений происходит через 25 лет?

7.22. Согласно данным энтомологов соотношение максимальной и минимальной численности особей в популяции майского жука может достигать 1000000:1. Предположим, частота рецессивных гомозигот по некоторому признаку составляла в популяции в момент её максимальной численности 10^-6/2. После резкого уменьшения численности популяции ввиду неблагоприятных климатических условий все эти особи выжили. Как изменилось распределение частот аллелей в популяции майского жука? К каким последствиям это может привести?

7.23. Ахондропластические карлики (генотип аа) оставляют в 5 раз меньше потомства, чем здоровые люди. Рассчитайте приспособленность данного генотипа и коэффициент отбора.

7.24. В популяции численностью 1000 особей идет отбор против генотипов аа, коэффициент отбора равен 0,6. Частота мутаций А в а равна 10^-6, частота обратной мутации пренебрежимо мала. Отбор или мутации играют основную роль в изменении частоты рецессивного аллеля?

7.25. В исходной популяции с генотипической структурой: p=0,5; q=0,5; особи аа гибнут. Какого уровня достигнет частота генов в 8 поколении?

7.26. В Европе частота альбинизма составляет 7×10^-5. Рассчитайте частоты аллелей и генетическую структуру популяции. Как будет выглядеть структура европейской популяции по данному признаку через 100 поколений, если предположить, что альбиносы не оставляют потомков.

7.27. В африканском племени за год родилось 27 312 детей, из которых 32 оказались больны талассемией. Эта болезнь, связанная с дефектами строения эритроцитов, в итоге приводит к нарушению обеспечения клеток организма кислородом. Заболевание является смертельно опасным. Рассчитайте структуру популяции в момент времени, описанный в задаче, и через 3 поколения.

ГЛАВА 8. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Веществом наследственности в живых организмах является ДНК (исключение составляют РНК-содержащие вирусы). РНК – посредник в реализации наследственной информации, её роль заключается в считывании информации с молекулы ДНК и переносе её к месту синтеза белка (и-РНК), поставке аминокислот к месту синтеза белка (т-РНК), образовании рибосом (р-РНК).

Нуклеиновые кислоты – сложные биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Нуклеотиды ДНК состоят из азотистого основания - пуринового: аденина (А), гуанина (Г) или пиримидинового: тимина (Т), цитозина (Ц); пятиуглеродного сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух длинных, спирально закрученных полинуклеотидных цепей, соединённых по принципу комплементарности: аденин всегда связан с тимином, цитозин – с гуанином.

Нуклеотиды РНК состоят из пуринового (аденина, гуанина) или пиримидинового (урацила (У), цитозина) основания, сахара – рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекула РНК – одноцепочечная.

Нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК связываются между собой через остаток фосфорной кислоты. Расстояние между нуклеотидами ДНК составляет 3,4 Å (1 Å ангстрем = 10 ^-1 нм = 10 ^-4 мкм = 10 ^-7 мм).

Белки – биологические полимеры, мономерами которых являются 20 аминокислот. Информация о составе белка находится в молекулах ДНК. Система записи этой информации называется генетическим кодом. Генетический код триплетен (табл.), непрерывен, универсален.

Синтез белка начинается с транскрипции - синтеза и-РНК на молекуле ДНК, осуществляемого по принципу комплементарности. Комплементарным аденину вместо тимина является урацил. И-РНК является матрицей при синтезе белка в рибосоме – трансляции.