Биологические циклы. Медицинское значение хронобиологии.

Биологические ритмы — фундаментальное свойство органического мира, обеспечивает его способность адаптации и выживания в циклически меняющихся условиях внешней среды.

Биоритмы - циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к геофизическим циклам - суточным (колебания интенсивности деления клеток, обмена веществ, двигательной активности животных), приливным (биологические процессы у организмов, связанные с уровнем морских приливов), годичным (изменение численности и активности животных, роста и развития растений и др.). Наука о биологических ритмах - хронобиология.

Хронобиология – наука, комбинирующая исследования и количественно оценивающая механизмы временной структуры. Одна из современных областей биологии, изучает механизмы регуляции суточных ритмов митотической активности, что имеет важное значение для медицины.

70 популяционая структура вида. Генетическая структура популяции. Правило Харди-Вайнберга: содержание и математическое выражение

Каждый вид, занимая определенную территорию (ареал), представлен на ней системой популяций. Чем сложнее расчленена территория, занимаемая видом, тем больше возможностей для обособления отдельных популяций. Однако в не меньшей степени популяционную структуру вида определяют его биологические особенности, такие, как подвижность составляющих его особей, степень их привязанности к территории, способность преодолевать естественные преграды.

Популяция - совокупность особей определенного вида в течение длительного времени (большого числа поколений) населяющих определенное пространство, внутри которого практически осуществляется та или иная степень панмиксии и которая отделена от соседних таких же совокупностей особей той или иной степенью давления изоляции.

Популяция может быть охарактеризована с экологических и генетических позиций.

Основные экологические характеристики популяции - ее величина по занимаемому пространству и численности особей, возрастная и половая структура, а также популяционная динамика.

Пространство (ареол), занимаемое популяцией, может быть различно как для разных видов, так и в пределах одного вида. Например, в большом смешанном лесу средней полосы нашей страны, занимающей более или менее однородный участок местности, в определенном месте может расти небольшая однородная группа деревьев, каких-либо кустарников или многолетних трав, отделенная от других таких же групп особей этого вида расстоянием, обычно не преодолимым для пыльцы. Величина ареала популяции в значительной мере зависит от степени подвижности особей - радиус индивидуальной активности невелик, то величине популяционного ареала также невелика.

В связи с размерами ареалов популяций может значительно изменяться и численность особей в популяциях. У насекомых и мелких растений, открытых пространств численность особей в отдельных популяциях может достигать сотен тысяч и миллионов особей. В то же время популяции животных и растений могут быть сравнительно очень небольшими по численности. Человек часто сокращает численность популяции до размеров, при которых неизбежно автоматическое вымирание. В таком положении, по-видимому, находится тигр на Дальнем Востоке.

Размеры популяций подвержены постоянным колебаниям в зависимости от влияния биотических и абиотических факторов. Наблюдаются сезонные и несезонные изменения численности особей в отдельных популяциях. Впервые на этот факт обратил внимание С. С. Четвериков (1905), назвав их " волнами жизни", который резко и направленно изменяет генетический состав популяций.

Популяция состоит из разных по возрасту и полу особей. Для каждой популяции характерны свои соотношения возрастных групп. Для популяций, состоящих в основном из молодых особей, характерны очень резкие колебания численности (мелкие млекопитающие с малой продолжительностью жизни, птицы, насекомые). Напротив, среди сравнительно долго живущих форм половозрелая часть популяций всегда численно больше неполовозрелой и для таких популяций характерны незначительные колебания численности особей.

Каждый организм, обладая общими и характерными чертами вида, имеет и свои индивидуальные генетические особенности. Всю генетическую информацию популяции, т.е. полный набор генов, сложившийся в процессе ее эволюции называют генофондом популяции.

Генетическая гетерогенность любой популяции при отсутствии давления внешних факторов должна быть неизменной и находится в определенном равновесии. Этот вывод был впервые получен математически Г. Харди и В. Вайнбергом (1908). Если берем бесконечно большую популяцию, состоявшую, например, с голубоглазых (а) и кареглазых (А) людей, где нет отбора, мутаций и смешения с другими популяциями, то оказывается, что как на 1-ой, так и на 2-ой стадии панмиксии, частота распределения гомозигот и гетерозигот является постоянно.

I-я стадия панмиксии 2-я стадия панмиксии

АА х аа АА х Аа х аа

─ ─ ─ ┬ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┬ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─

АА │ АА х АА = 4 АА АА │ АА х АА = 4 АА

аа │ АА х аа = 4 Аа Аа │ 2 (АА х Аа) = 4 АА + 4 Аа

│ аа х АА = 4 Аа аа │ 2 (АА х аа) = 8 Аа

│ аа х аа = 4 аа │ 2 (Аа х Аа) + 2 АА + 4 Аа х 2аа

├ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ 2 (Аа х аа) = 4 Аа х 4 аа │

│ 4 АА + 8 Аа + 4 аа │ аа х аа = 4 аа

│ АА + 2 Аа + аа ─ ─ ┼ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─

│ АА + 2 Аа + аа

Если представим, что концентрация доминантного гена А равна р, а концентрация его рецессивного аллеля а равна q, то общая их концентрация р + q = 1. Сочетание спермиев и яйцеклеток панмиксной популяции (рА + qа)(рА + qа) дает распределение генотипов по формуле: р2 АА + 2 рq Аа + q2 аа

Нетрудно заметить, что это выражение представляет формулу бинома Ньютона: (р + q)2.

Таким образом, закон Харди-Вайнберга гласит, что в панмиксной большой популяции, где нет отбора, мутаций и смешения популяций, наблюдается постоянство в распределении гомо- и гетерозигот и может быть выражено формулой:

р2 АА + 2 рq Аа + q2 аа

Распределение аллелей в панмиксной популяции устанавливается на основании концентрации генов, имеющихся в популяции. Концентрация генов - это их относительная частота в популяции. Зная частоту рецессивного гена, можно по формуле Харди-Вайнберга определить частоту доминантного аллеля и, наоборот. Например, известно, что частота альбинизма составляет 1: 20000

Популяция является элементарной единицей, поскольку эта низкая самостоятельная эволюционная структура. Вид, подвид, группы из нескольких популяций тоже обладает собственной эволюционной судьбой, но они не элементарные, далее неделимые единицы организации жизни. В эволюционном процессе неделимой единицей показывается популяция, выступающая как экологическое, морфо-физиологическое и генетическое единство. Ни особи, ни близкородственные и совокупности особей (семей) не могут быть элементарными эволюционными единицами. Эволюционируют не особи, а группы особей. И популяция - самая мелкая из групп, способная к самостоятельной эволюции.