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

154 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

29841. Дискретные системы управления. Математическое описание дискретных сигналов 325.5 KB
  Свойства спектра дискретного сигнала и погрешности восстановления непрерывного сигнала. Аналитическое представление такого сигнала Аналитическое представление АИМ сигнала – формула При представлении дискретного сигнала в виде числовой последовательности отсутствует время t поэтому к числовым последовательностям не применимы интегральные преобразования.
29842. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 252 KB
  МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. Моделирование объектов и систем управления начинается с их выделения из окружающей среды что всегда приводит к изучению принципов т.
29843. Физический смысл коэффициентов дифференциального уравнения 295 KB
  Вывод: Звено 2ого порядка характеризуется либо двумя постоянными времени T1 и T2 либо постоянной времени и степенью затухания. Типовое звено – это звено процессы в котором описываются дифференциальным уравнением не выше 2ого порядка. Рассмотрим классификацию типовых динамических звеньев: статические звенья: Пзвено – идеальное усилительное звено пропорциональное . Азвено 1ого порядка – инерционное апериодическое звено 1ого порядка .
29844. Экономические модели финансового роста 21.51 KB
  Экономические модели финансового роста. внимание общества привлекли разрабатывавшиеся в рамках неоклассических теорий модели экономического роста авторы которых широко используя математический аппарат пытались решить проблемы потенциального и устойчивого роста экономики определить условия достижения динамического равновесия. Данный подход характерен и для нашей страны: российские экономисты успешно разрабатывают модели межотраслевого баланса на базе которых рассчитывают межотраслевые пропорции валовой и конечный продукт личное и...
29845. Формирование политики бюджетного регулирования,принципы организации и направления её совершенствования 22.9 KB
  Для проведения рациональной бюджетной политики важно правильное понимание бюджетной системы. Бюджетная система Российской Федерации представляет собой целостную совокупность бюджетов всех уровней основанную на принципах построения бюджетной системы федеративного государства. Бюджетная система РФ является составной частью финансовой системы РФ и включает: 21 республиканский бюджет республик в составе РФ; 55 краевых и областных бюджетов; бюджеты 2 городов Москвы и СанктПетербурга; 1 бюджет автономной области; 10 бюджетов автономных округов;...
29846. Инвестиционный проект:содержание,классификация,фазы развития.Критерии и методы оценки 94 KB
  Временной фактор играет ключевую роль в оценке инвестиционного проекта. На этом этапе проект разрабатывается готовится его техникоэкономическое обоснование проводятся маркетинговые исследования осуществляется выбор поставщиков сырья и оборудования ведутся переговоры с потенциальными инвесторами и участниками проекта. Также здесь может осуществляться юридическое оформление проекта регистрация предприятия оформление контрактов и т. Как правило в конце предынвестиционной фазы должен быть получен развернутый бизнесплан инвестиционного...
29847. Резервы повышения развития средств хозяйствования 18.46 KB
  В масштабах всего народного хозяйства создаются общегосударственные резервы средств производства и ведется подготовка трудовых резервов т. Это направление анализа резервов имеет очень важное значение для расчета обоснованных норм резервных запасов их ограничения действительно необходимыми для обеспечения непрерывности и ритмичности производства. Выявление резервов в таком понимании и определение реальных путей и сроков их мобилизации являются основными задачами экономического анализа деятельности хозяйствующих субъектов. Для...
29848. Федеральные фонды:порядок формирования и использование средств 18.82 KB
  Законодательные представительные органы не имеют права создавать свои резервные фонды а также выполнять отдельные функции по исполнению бюджетов за исключением органов местного самоуправления совмещающих функции законодательных и исполнительных органов. ФЕДЕРАЛЬНЫЕ ФОНДЫ 1. Фонды военноучебных заведений РГВИА РГВА 8.
29849. Совершенствование кредитования юридических и индивидуальных предпринимателей 19.4 KB
  В банке необходимо будет сориентироваться в процентных ставках и сроках кредита а главное правильно разъяснить цель кредита. Такой формой кредита могут воспользоваться как индивидуальные предприниматели так и юридические лица. Такой вид кредита как овердрафт позволяет бизнесменам осуществлять расчеты со своими партнерами своевременно и бесперебойно что безусловно способствует сохранению хорошей репутации. Процентные ставки на овердрафт как правило очень удобные для заемщика и всегда у заемщика есть возможность договориться с банком об...