6571

Генетические основы онтогенеза

Контрольная

Биология и генетика

Генетические основы онтогенеза Онтогенез - непрерывный процесс количественных и качественных изменений, происходящих в организме в течение всей жизни при постоянном взаимодействии генотипа и условий среды. Термины онтогенез и филогенез ввел...

Русский

2013-01-06

27.97 KB

152 чел.

Генетические основы онтогенеза

Онтогенез – непрерывный процесс количественных и качественных изменений, происходящих в организме в течение всей жизни при постоянном взаимодействии генотипа и условий среды.

Термины «онтогенез» и «филогенез» ввел в биологию зоолог Е.Геккель. Термин «онтогенез» означает процесс индивидуального развития особи, «филогенез» - история развития вида.  Согласно  биогенетическому закону индивидуальное развитие особи является как бы кратким повторением филогенеза.  Филогенез реализуется в онтогенезе через наследственность, составляет основу онтогенеза и направляет онтогенез по пути,  пройденному предками.  В зиготе  ( оплодотворенной яйцеклетке) содержится записанная в структуре ДНК генетическая информация о развитии будущего организма. В процессе онтогенеза происходит реализация генетической информации в определенных условиях среды.

Онтогенез животных включает два основных взаимосвязанных процесса – рост и развитие.  Под ростом понимают процесс увеличения размеров организма, его массы, происходящий за счет накопления в нем активных веществ. В основе роста лежит увеличение числа и размеров клеток и неклеточных образований. Под развитием понимают качественные изменения – процессы усложнения структуры организма, специализацию, дифференциацию и интеграцию его органов и тканей.

Одна из основных проблем биологии – выяснение вопроса: каким образом из одной-единственной клетки возникает множество разнообразных типов клеток, значительно различающихся между собой строением, функциями, и как в процессе онтогенеза идет формирование признаков и свойств организма? Проблема изучения механизма генетического контроля онтогенеза имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

Влияние генов на развитие признаков. Проявление действия  генов на биохимическом уровне начали изучать в 1935 году Бидл и Эфрусси.  Они исследовали две рецессивные мутации окраски глаз у дрозофилы vermilion и cinnabar. У особей, гомозиготных по этим генам, не образуется пигмент, определяющий нормальную окраску глаз.  Сложные глаза дрозофилы развиваются из зачатка или диска, образование которого происходит на стадии личинки. Глазной имагинальный диск можно пересадить в полость тела другой личинки, где он продолжит свое развитие. После превращения такой личинки в зрелых мух имплантированная ткань развивалась в дополнительные глаза нормальной окраски. Отсюда был сделан вывод, что в тканях мутантных мух не хватало какого-то вещества для синтеза нормальной окраски глаз.

На основании опытов Бидл и Эфрусси пришли к выводу, что образование пигмента идет по пути:  предшественник → вещество 1 → вещество 2 → пигмент .Если же синтез  какого-либо из веществ блокирован, то признак не проявляется. Подобную закономерность эти ученые выявили при проведении исследований на нейроспоре.  В итоге, исходя из опытов, они предложили следующую модель проявления признаков у низших организмов: один ген → один фермент → один признак. По этой теории каждый ген имеет только одну первичную функцию – определять синтез только одного фермента.  Изменение в структуре гена, кодирующего определенный  фермент, ведет к его выключению. Впервые связь между генами и ферментами у человека обнаружил Гаррод  в 1902 году. При анализе родословных больных алькаптонурией он пришел к заключению, что эта болезнь связана с обменом веществ и передается по наследству. У подав-ляющего большинства многоклеточных организмов путь от гена до признака значительно сложнее и менее изучен.  Целый ряд исследований показывает, что характер индивидуального развития высших организмов определяется взаимодействием ядра и цитоплазмы, различных клеточных систем, активностью разных генов, а также влиянием условий среды.

       Дифференциальная активность генов на разных этапах онтогенеза.           Дифференцировка клеток – процесс, при котором во время дробления оплодотворенного яйца клетки постепенно начинают отличаться одна от другой, что приводит в конечном итоге к  формированию зародыша со многими специализированными тканями.  Клетки  разных тканей одного и того  же организма отличаются друг от друга формой, размерами и строением.  Выяснение мехаизмов дифференцировки клеток – одна из главных задач современной биологии. Поскольку дифференцировка необратима, некоторые ученые считали, что в ее основе лежит неравное распределение генов в дифференцированные клетки. В настоящее время доказано, что каждая соматическая клетка имеет такой же набор хромосом,  как и исходная оплодотворенная яйцеклетка. Доказательством являются опыты Дж. Гёрдона по пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки у лягушки. Небольшой процент таких ядер обеспечивал развитие головастиков и нормальных лягушек.

В последующей работе по пересадке ядер автор показал, что в первый период эмбрионального развития в ядрах не наблюдается синтеза РНК однако в клетках синтезируются белки.  Дело в том, что у животных в период роста и созревания яйцеклетки  в цитоплазме накапливается большое количество молекул м- РНК, которые соединяясь с белками, образуют гранулы-информосомы.  Сразу же после оплодотворения м-РНК освобождаются от белков-гистонов, поступают в рибосомы цитоплазмы где и происходит синтез белков по программе материнской ДНК. Поэтому начальный период развития зиготы осуществляется под контролем генов материнского организма. И только с начала стадии гаструляции синтез белка  переходит под контроль генов развивающегося организма.

Одним из примеров дифференциальной активности генов в период онтогенеза может служить процесс формирования пуфов в политенных хромосомах дрозофилы. Было установлено, что на определенных стадиях развития отдельные диски деспирализируются и принимают форму вздутий, получивших название пуфов. При помощи использования радиоактивных изотопов было установлено, что в пуфах происходит интенсивный синтез молекул и-РНК.  Разные стадии развития личинок сопровождаются активностью определенных пуфов. Это говорит о том, что на разных этапах развития вступают в действие разные гены.

О неодновременной активности различных генов может свидетельствовать изменение состава белков организма в связи с возрастом. На стадиях раннего эмбрионального развития у человека идет образование гемоглобина F, молекула которого отличается от молекулы гемоглобина А, характерного для взрослого человека по аминокислотному составу. Обнаружены также существенные возрастные различия в количестве и составе белков сыворотки крови у телят в эмбриональный период. По данным В.Холода, содержание белков в сыворотке 2-месячных телят составляет 2,62г%, затем количество их постепенно возрастает до 4,44г% у 9-месячных плодов. Изменяется и соотношение между альбуминами и глобулинами с 0,40 у 2-месячных плодов  до 1,21 к моменту рождения.

        Регуляция синтеза и-РНК и белка. Все клетки организма, как бы они не были дифференцированы, как правило, тождественны по генотипу. Однако клетки разных тканей любого организма отличаются по качественному и количественному составу белков. Это говорит о том, что в клетке работают не все гены сразу, а только те, которые кодируют белки и ферменты, необходимые клетке в данный момент для выполнения ее функций. Отсюда следует, что в клетке должен существовать механизм, регулирующий активность генов и обеспечивающий в нужное время синтез необходимых ей белков. На основании изучения синтеза ферментов у кишечной палочки французские генетики Ф.Жакоб и Ж.Моно предложили теорию индукции (возбуждения) и репрессии (подавления) белкового синтеза.

По их теории, гены влияющие на синтез какого либо фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход синтеза. Такие гены были названы структурными. Перед группой структурных генов расположен общий для них ген-оператор, а пред ним- промотор. В целом эта функциональная группа называется опероном. В той же молекуле ДНК на некотором расстоянии расположен ген-регулятор, под действием которого вырабатывается белок, называемый репрессором. Молекула репрессора имеет два специфических участка – один для присоединения к оператору, другой для связывания индуктора.  Присоединяясь к оператору, репрессор блокирует транскрипцию. Синтез ферментов начинается под  влиянием индуктора. Индуктором является определенное химическое соединение, которое служит материалом для данного фермента. Индуктор соединяется с репрессором  и инактивирует его. Оператор открывается, начинается синтез и-РНК на структурных генах и соответственно синтез ферментов.

Система оперонной регуляции активности синтеза белков функционирует по принципу обратной связи. В этом случае синтез ферментов идет только до тех пор, пока конечного продукта в клетке недостаточно. Избыток продукта репрессирует синтез ферментов, участвующих в его образовании.

Механизмы регуляции у эукариот значительно сложнее и менее изучены. Это связано со сложной дифференцировкой клеток разных органов и тканей. У эукариот выявлены гены, проявляющие активность во всех клетках организма и гены, действие которых  проявляется только в специализированных тканях.

У эукариот возможно одновременное групповое подавление активности генов: во всем ядре, в целой хромосоме или в большом ее участке. Предполагается, что такая репрессия генов осуществляется в значительной мере с помощью гистоновых белков. Групповое выключение активности генов в одной из Х-хромосом наблюдается в онтогенезе у самок млекопитающих, обладающих двумя  Х-хромосомами. В этих хромосомах находятся гены, детерминирующие дифференцировку пола на ранних стадиях онтогенеза. Затем одна из Х-хромосом инактивируется, превращаясь в так называемое тельце Бара. Этим достигается сбалансированность эффекта генов из Х-хромосомы у самок и самцов.

Имеется много примеров, указывающих на большую роль гормонов в регуляции активности генов. Так, например, гормон щитовидной железы влияет на активность генов, обуславливающих процессы метаморфоза. При добавлении этого гормона в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек. Известно, что гормон поджелудочной железы инсулин нормализует содержание глюкозы в крови.

Структура ДНК определяет химическое строение и функции белков,  т.е. их качественный состав, но в процессах развития и жизни организма очень важное значение имеет и количество синтезируемого белка, а это связано с регуляцией активности генов. Установление факторов, регулирующих синтез белков, раскрыло бы широкие возможности управления онтогенезом, создание животных с более высоким уровнем продуктивности.

     Влияние среды на развитие признаков.   Фенотип каждого организма формируется под влиянием генотипа и условий среды. Генотип определяет норму реакции организма – границы изменчивости выражения признака под влиянием изменяющихся условий среды. Те различия,  которые зависят только от условий среды, называются модификациями. Роль генотипа и определенных факторов среды в формировании  разных признаков организма может быть очень различной.  Есть признаки, которые в основном обусловлены генотипом. К ним относятся качественные признаки, такие как группы крови, пол организма, масть, тип конституции и др. В то же на формирование целого ряда признаков, особенно хозяйственно-полезных ( удой, содержание жира и белка в молоке, яйценоскость, живая масса и др.) , во многом влияют условия внешней среды.

В этом случае среда может сглаживать наследственные различия  между животными, в результате чего лучшие и худшие по генотипу особи по продуктивности оказываются одинаковыми. Правильно отобрать наиболее ценных по генотипу животных можно только при оптимальных условиях среды.

          Иногда под воздействием внешних факторов могут изменяться и устойчивые признаки. Например, при воздействии на кожу экстремально низкой температуры изменяется цвет волосяного покрова. На этом факте основано мечение животных с помощью жидкого азота.

          Имеются наблюдения эмбриологов, говорящие о том, что резкие изменения среды в определенные периоды  эмбрионального развития организма могут привести к гибели плода. Такие периоды называются критическими. Критические периоды обнаружены в онтогенезе рыб, птиц, млекопитающих и человека. Они выявляются после поздней бластулы и предшествуют основным процессам морфогенеза.  У человека первый критический период относится  к 1-й – началу 2-й недели после зачатия: второй – к 3-5 неделям развития, когда происходит закладка отдельных органов эмбриона человека. Третий критический период наблюдается между 8-й и 11-й неделями, когда формируется плацента. В критические периоды наблюдается чувствительность эмбриона к недостаточному снабжению кислородом и питательными веществами, ионизирующей радиации, перегреванию, охлаждению, лекарственным и ядовитым препаратам. Указанные факторы могут вызвать замедление и остановку развития, появление уродств, высокую смертность зародышей.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41824. Программирование алгоритмов формирования и обработки двумерных массивов 79.24 KB
  Выполнения данной лабораторной работы состоит в изучении средств, приемов и получении практических навыков разработки, написания и отладки программ формирования и обработки двумерных массивов Click Dim m n s Integer Dim L s Single m = vvodTextBox1 n = vvodTextBox2 Dim Km n s Single postroenie_Km n K vivodMssm n K ListBox1 L = crete_Lm n K vivodMssm n L ListBox2 End Sub Function vvodByVl T s TextBox s Integer Return VlT.Text End Function Sub vivodMssByVl m s Integer ByVl n s Integer ByVl s Single ByRef ListBox s ListBox...
41825. Работа с данными в программе Microsoft Excel 277 KB
  Цель данной лабораторной работы - научиться создавать с помощью пакета Excel тип рабочей таблицы, соответствующий базе данных. А также научиться работать с данными таблицы Excel как с базой данных.
41826. Решение задачи аппроксимации исходных данных 47 KB
  В окне Algebra1 решаем исходное уравнение ( команда Solve→Expression), выбираем численные значение корней (Numerically) и, указывая ОИК, находим равенство: Проверить найденные значения корней.
41827. Система питания двигателя Зил-138 от газаоболонной установки 218.85 KB
  В цилиндрическом корпусе 24 редуктора размещены камера А первой ступени камера Б второй ступени и кольцеобразная камера В вакуумного разгружателя.Одна из стенок камеры первой ступени образована резиновой диафрагмой 5 края которой зажаты между корпусом редуктора и крышкой 4.В камере второй ступени находится зажатая по окружности между верхней частью корпуса и крышкой 36 диафрагма 37. Ее центральная часть соединена рычагом 29 с клапаном 9 второй ступени.
41828. Проведение исследования на основе готовой компьютерной модели 163.07 KB
  LINE х1 у1х2 у2 c–оператор изображающий отрезок прямой х1 у1 начало отрезка х2 y2 конец отрезка c номер цвета. LINE х1 у1х2 у2 c B– оператор изображающий прямоугольник со сторонами параллельными осями координат. LINE х1 у1х2 у2 c BF– оператор изображающий закрашенный прямоугольник c номер цвета.146 6 Перемещение начала координат в центр экрана LINE 3.
41829. Работа с запросами в MS Access 117.5 KB
  Порядок выполнения задания Создание запросавыборки Создать запрос содержащий поля: Идент.Для этого необходимо выполнить следующую последовательность действий: При выбранной вкладке Запросы выполнить щелчок по кнопке . Открывается окно Новый запрос в котором выбрать режим создания запроса Конструктор затем ; Открывается окно Запрос1: запрос на выборку а затем активизируется окно Добавление таблицы в котором выбрать из списка таблиц таблицу Сотрудник щелчком мыши по имени таблицы а затем выполнить щелчок по кнопке после чего...
41830. Создание и форматирование таблиц. Использование логических и математических функций в табличных вычислениях 178.5 KB
  Использование логических функций необходимо, когда для выбора правильного решения нужно проверить выполнение одного или нескольких условий. Наиболее часто используемые функции этой категории
41831. Создание архива данных. Извлечение данных из архива. Атрибуты файла и его объем 27.83 KB
  Атрибуты файла и его объем Цель: изучение принципов архивации файлов функций и режимов работы наиболее распространенных архиваторов приобретение практических навыков работы по созданию архивных файлов и извлечению файлов из архивов. Теоретические сведения к лабораторной работе Архивация упаковка помещение загрузка исходных файлов в архивный файл в сжатом или несжатом виде. Архивация предназначена для создания резервных копий используемых файлов на случай потери или порчи по какимлибо причинам основной копии невнимательность...
41832. Художественные средства. Инструмент rtistic Mediа 217.5 KB
  Примеры рисования инструментом rtistic Medi Художественные средства Инструмент rtistic Medi Художественные средства входит в состав группы инструментов Curve Кривая рис. Инструмент rtistic Medi Художественные средства включает в себя пять отличных друг от друга режимов работы. Инструмент rtistic Medi Художественные средства может работать в следующих режимах: Preset Заготовка заготовка для живописи; Brush Кисть художественная кисть; Spryer Распылитель распылитель; Clligrphic Каллиграфический ...