Урок по общей биологии в 11 классе по учебнику В.Б. Захарова, С.Г. Мамонтова, Н.И. Сонина.

Урок по общей биологии в 11 классе
по учебнику В.Б. Захарова, С.Г. Мамонтова, Н.И. Сонина.
«Генетические процессы в популяциях. Закон Харди-Вайнберга»
Задачи: Раскрыть сущность генетических процессов в популяциях и их результатов.
Тип урока: изучение и первичное закрепление знаний и способов деятельности.
Форма урока: урок-лекция
Методы: репродуктивные, частично-поисковые.
Ход урока
Актуализация знаний.
Выявите взаимосвязь понятий:
генотип – генофонд – популяция – эволюция.
Обсуждение и коррекция выявленных взаимосвязей.
Изучение нового материала
1.Лекция на тему: Генетика популяций
План:
История возникновения учения о генетике популяций.
Закон Харди-Вайнберга.
Генофонд популяции и дрейф генов.
Динамика генетической структуры популяций.
Основоположниками учения о генетике популяций являются Г. де Фриз, В. Иоганнсен, Дж. Харди, С. Райт, Р. Фишер, С.С. Четвериков, А.С. Серебровский, Н.П. Дубинин, Д.Д. Ромашов, Ф.Г. Добржанский. Голландский ученый Г. де Фриз – основоположник мутационной теории. Он ошибочно полагал, что главным фактором эволюции являются мутации, которые приводят к скачкообразному изменению особей, что вызывает появление новых разновидностей. Естественному отбору в его работах отводилась лишь подсобная роль. В. Иоганнсен занимался изучением закономерностей эволюционного процесса в популяциях самоопыляющихся растений и показал неэффективность отбора в таких условиях. Английский математик ДЖ. Харди одновременно с немецким врачом Г. Вайнбергом вывел закон , согласно которому в стабильной большой популяции частота встречаемости доминантных и рецессивных аллелей была, есть и будет постоянной. С.С. Четвериков экспериментально показал неизбежность генетической гетерогенности популяций. Нормальные по внешнему виду особи являются носителями множества мутаций. Генетическая гетерогенность служит основой эволюционного процесса, который происходит под давлением внешних факторов. А.С. Серебровский создал новое направление генетических исследований – геногеографию, разработал методы генетического анализа природных популяций. Работы американского ученого Р. Фишера и российских ученых Н.П. Дубинина и Д.Д. Ромашова заложили теоретические и экспериментальные основы анализа проблем генетики популяций. Ф.Г. Добржанский, эмигрировавший из России в США в 1931 г., является основоположником синтетической теории эволюции.
Начальные эволюционные процессы происходят не на уровне вида, а на уровне популяций. Любой вид живых организмов распространен по занимаемому ареалу не сплошь, а в той или иной мере изолированной друг от друга совокупностей особей – в виде популяций. Например: ареал соболя несколько веков назад был сплошным, от западного побережья Европы до восточного побережья Камчатки и Курил. В настоящее время ареал мозаичный: от Печоры до Камчатки. Большие популяции наблюдаются в Западной Сибири. Во всех остальных зонах распространения – небольшие разорванные популяции. Без вмешательства человека их миграция невозможна.
В разных популяциях эволюционные процессы идут своим путем. В автогамных (самоопыляющихся) популяциях растений (многие бобовые) встречаются большое количество чистых линий. В панмиктических популяциях преобладает свободное скрещивание особей. Большинство живых организмов объединены в природных условиях в панмиктические популяции.
Популяцией называется совокупность особей определенного вида, в течение длительного времени на протяжении большого числа поколений населяющих определенную территорию, внутри которой осуществляется свободное скрещивание. Эта совокупность особей отделена от соседних таких же совокупностей какой-то формой изоляции.
Соотношение количества генотипов АА:Аа:аа, выраженное в долях единицы или в процентах, называется генетической структурой популяции. Такое соотношение можно составить для каждой пары аллельных генов.
Закономерности, с помощью которых можно описать генетическую структуру популяции, сформулированы законом Харди-Вайнберга: в условиях свободного скрещивания при любом исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания внутри популяции устанавливается состояние равновесия, если исходные частоты аллелей одинаковы для обоих полов. Т.о., популяции находятся в равновесии, в них не изменяется доля доминантных гомозигот (АА), гетерозигот (Аа) и рецессивных гомозигот (аа). Например, в популяции людей, живущих в европейской части нашей страны, сохраняется соотношение светлоглазых и темноглазых – 49% и 51% соответственно, правшей и левшей – 97% и 3%. Однако, такое состояние равновесия соответствует идеальной популяции при условии, что размеры популяций бесконечно велики, спаривание происходит случайным образом, новых мутаций не возникает, все генотипы одинаково плодовиты, отсутствует обмен генами с другими популяциями и поколения не перекрываются.
Математическое выражение закона Харди-Вайнберга. Пусть р – частота встречаемости доминантного аллеля А, q – частота встречаемости рецессивного аллеля а. Тогда p+q=1, или 100%, поскольку предполагается, что в популяции других аллелей данного гена нет. В данной популяции возможны генотипы: АА, Аа и аа. Особи с такими генотипами могут образовывать гаметы (А) и (а). Доля гамет (А) соответствует (p), доля гамет (а) – (q). Так как p+q=1, то p=1-q, доля гамет (А) равна (1-q). Составим решетку Пеннета и заполним ее с учетом доли гамет (А) и (а), полагая, что мужские и женские особи образуют гаметы в равных долях.
♀ \ ♂ А (1 – q) a (q)
A(1 – q) AA (1 – q)² Aa (q) (1 – q)
a (q) Aa (q) (1 – q) aa (q) (q) =q²
Частота встречаемости доминантных гомозигот (АА) равна произведению частоты встречаемости доминантных аллелей (А):(1 – q)². Частота встречаемости рецессивных гомозигот (аа) равна произведению частоты встречаемости рецессивных аллелей (а): (q)². Частота встречаемости гетерозигот (Аа) равна произведению частот встречаемости аллелей (А) и (а), умноженному на 2, т.к., согласно решетке Пеннета, гетерозиготы (Аа) образуются дважды: 2(q)(1 – q). Cумма частот встречаемости всех гомозигот и гетерозигот будет равна единице (100%)
(1 – q)² + 2(q)(1 – q) + q² =1.
Пользуясь этим законом, можно рассчитать генетическую структуру популяции. Например, в приведенном выше примере светлоглазые имеют генотип (аа), темноглазхые – (АА) и (Аа). Доля светлоглазых,т.е. рецессивных гомозигот составляет 0,49, следовательно: q² = 0,49, q = 0,7,тогда (1 – q) = 1 – 0,7 = 0,3. Частота встречаемости доминантных гомозигот равна: (0,3)²= 0,09, или 9%. Частота встречаемости гетерозигот (Аа) равна 2×0,3×0,7 = 0,42, или 42%. Т.о., темноглазые люди в данной популяции являются в основном гетерозиготными. Генофондом популяции называется совокупность всех ее генотипов.
Закон Харди-Вайнберга справедлив для идеальных популяций. В природе генетическая структура популяции подвержена давлению разнообразных факторов – факторов генетической динамики популяций. Наибольшее влияние на генетическую структуру популяций оказывают мутационный процесс, популяционные волны, или дрейф генов, разные виды изоляции и естественный отбор.
Равновесие аллелей в популяциях изменяют возникающие мутации. Спонтанные мутации возникают с определенной частотой у особей каждой популяции. Спонтанные мутации обычно составляют несколько процентов на популяцию, хотя есть виды с более активным спонтанным мутагенезом, до 10 – 25% мутантных гамет на поколение (дрозофила, некоторые виды грызунов). Вероятность возникновения мутаций повышают вирусные инфекции, изменения условий окружающей среды.
Встречаются мутации нейтральные, вредные, полезные, влияющие на морфологию, окраску, длительность жизни, фертильность и др. Т.е. мутационный процесс является поставщиком элементарного эволюционного материала. Давление мутационного процесса поддерживает на высоком уровне гетерогенность популяций. Насыщение популяции мутациями, снижающими ее приспособленность, называется генетическим грузом.
Популяционная волна – это кратковременный подъем численности популяции, а затем – спад. При резком уменьшении численности популяции случайно могут сохраниться носители редких фенотипов, а следовательно и генотипов. При последующем увеличении численности популяции они станут исходной формой, что приведет к их широкому распространению. Т.е. популяционная волна способствует выходу на эволюционную арену некоторых мутаций. Изменение частот аллелей в связи с изменением численности популяции называется также генетико-автоматическим процессом, или дрейфом геном. Понятие «дрейф генов» больше применимо к малым популяциям, которые имеют малый генофонд. Случайное исчезновение или появление аллеля гена у потомства в малых популяциях может привести к значительным изменениям в генофонде. В малых популяциях случайные события могут вызвать эффект бутылочного горлышка ( у островных переселенцев). Другим примером может служить популяция современных гепардов, обладающая очень малым генетическим разнообразием на морфологическом и молекулярном уровнях. Общая численность гепардов около 20 тыс. особей. Вероятно, что в конце последнего ледникового периода, 10-20 тыс. лет назад, гепарды едва избежали вымирания. Молекулярно-генетический анализ показал, что современные гепарды являются потомками одного помета. Недостаток генетического разнообразия привел к отклонениям в образовании сперматозоидов, к уменьшению плодовитости, высокой смертности детенышей и повышенной чувствительности к болезням.
Изоляция – возникновение любых барьеров между популяциями, исключающих свободное скрещивание. Встречается три типа изоляции: территориально-механическая, биологическая и генетическая. При первом типе изоляции популяция делится на несколько частей в связи с ландшафтом местности или в связи с исторически сложившейся ситуацией (соболь). Биологическая изоляция возникает при наличии биологических барьеров для свободного скрещивания (изменение брачного поведения, изменение копулятивных органов, временной сдвиг в размножении или цветении, и т.д.). Генетическая изоляция связана с возникновением отличий в кариотипах особей, что затрудняет процесс конъюгации хромосом в мейозе и приводит к появлению бесплодного потомства.
Естественный отбор – процесс, направленный на повышение вероятности выживания одних видов особей с другими. Естественный отбор происходит на всех этапах развития организма: эмбриональном, при достижении репродуктивного возраста, возможности оставления жизнеспособного потомства. В популяции естественный отбор отметает генотипы, а следовательно и фенотипы, обладающие пониженной жизнестойкостью. Отбор помогает адаптироваться данной популяции к конкретным условиям окружающей среды. Естественный отбор может идти как по суммарной жизнеспособности, так и по внешнему признаку, который позволяет успешно осуществлять борьбу за сосуществование (мутации по «защитной окраске»).
Каждый признак наследуется полигенно (гены-модификаторы). Каждая положительно отбираемая мутация влечет за собой положительный отбор генов-модификаторов, которые в сумме улучшают совокупность всех свойств, обеспечивающих в определенных условиях среды повышение вероятности оставления потомства. Действие давления отбора осуществляется в длительной череде поколений (сотни и тысячи), его результативность зависит от исходной концентрации в популяции отбираемой формы. При очень низких исходных концентрациях отбираемых генотипов, отбор медленно повышает их долю в популяции. Здесь вступают в действие случайные факторы (волны жизни). Они выносят на поверхность полезные мутации в более высокой концентрации. В результате мобилизуются выгодные для популяции резервы комбинационной и рекомбинационной изменчивости. Полезные признаки могут закрепиться в процессе изоляции. В результате выше перечисленных процессов на уровне популяции образуются адаптации к окружающей среде.
Закрепление знаний о причинах и основах генетической изменчивости в природных популяциях; о сущности популяционного равновесия. Вопросы для повторения (1-4) на с.49.
Задание на дом: конспект, с. 43-49