Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Тема: Предмет і завдання. Історія генетики як науки. Методи дослідження.
|
|
Лекція № 1
План.
1. Предмет генетики та її місце в системі природничих наук. Спадковість і мінливість як основні властивості живих систем.
2. Завдання генетики. Основні її напрямки дослідження на всіх рівнях організації живого. Методи генетики. Значення генетики для сільського господарства, медицини, біотехнологій і охорони природи.
3. Основні етапи розвитку генетики. Вклад вітчизняних вчених у розвиток генетики і селекції.
Генетика становить теоретичний фундамент сучасної біологічної науки. Результати генетичних досліджень мають практичне значення і є основою сучасної селекції (науки про створення нових порід тварин і сортів рослин).
Генетика (від грец. genesis - походження) – наука, що вивчає закономірності спадковості та мінливості живих організмів і методи керування ними.
Отже предметом генетичних досліджень є явища спадковості та мінливості, які відносяться до основних властивостей живої матерії, всіх організмів.
Спадковістю називають властивість живих організмів передавати в ряді поколінь подібні ознаки та забезпечувати спеціальний характер індивідуального розвитку в певних умовах середовища. Завдяки спадковості батьки та нащадки мають подібний тип біосинтезу, який визначає подібність в хімічному складі тканин, характері обміну речовин, морфологічних ознаках. Внаслідок цього кожен вид відтворює себе із покоління в покоління.
Мінливість – це явище, протилежне спадковості. Мінливість полягає у здатності живих організмів до зміни спадкових задатків, а також у варіабельності їх проявів в процесі розвитку організмів у взаємодії із зовнішнім середовищем. Гени впливають на зовнішність усіх організмів, у тому числі і людей, а також і на поведінку. На ці характеристики також впливають умови зовнішнього середовища та інші фактори. Ідентичні генетично близнюки, які по суті є «клонами» унаслідок раннього поділу ембріону, мають різні риси характеру, різні відбитки пальців тощо. Генетично ідентичні рослини накопичують різні за розміром та насичністю жирні кислоти залежно від температури зовнішнього середовища.
Спадковість та мінливість тісно пов'язані з еволюцією: нові властивості організмів виникають тільки завдяки мінливості, але вона лише тоді може відігравати роль в еволюції, коли ці зміни зберігаються в наступних поколіннях, тобто успадковуються.
Основним завданням генетики є розробка методів керування спадковістю та мінливістю з метою отримання необхідних людству форм організмів, регуляції формування їхніх природних і штучних популяцій, вивчення природи генетичних хвороб, розв'язання проблем стійкості природних і штучних популяцій видів.
Залежно від об'єкту дослідження виділяють генетику людини, генетику рослин, генетику тварин, генетику мікроорганізмів, генетику популяцій, а залежно від методів інших дисциплін, що використовуються, – біохімічну генетику, молекулярну генетику, екологічну генетику, медичну генетику, еволюційну генетику тощо.
Основні напрямки досліджень:
· вивчення матеріальних носіїв спадкової інформації – генів, а також закономірностей її зберігання та передачі нащадкам;
· дослідження залежності проявів спадкової інформації у фенотипі від певних умов довкілля;
· встановлення причин зміни спадкової інформації та механізми їх виникнення;
· вивчення генетичних процесів, які відбуваються в популяціях організмів;
· генетична інженерія – штучний синтез генів, виділення генів з організму, а також перенесення генів одних організмів в інші;
· розробка нових методів дослідження.
Методи генетичних досліджень. Залежно від рівня організації живої матерії (молекулярний, клітинний, організмів, популяційно-видовий) в генетиці застосовують відповідні методи дослідження, які дозволяють вивчати властивості конкретних генів та аналізувати зв'язок між різними генами.
1. Гібридологічний метод, заснований Грегором Менделем, полягає в схрещуванні (гібридизації) організмів, які відрізняються за певними станами однієї чи декількох спадкових ознак.
2. Генеалогічний метод заснований на вивченні успадкування різних станів ознак у ряді поколінь організмів. Метод дозволяє з'ясувати, чи успадковується дана ознака, прослідкувати розщеплення ознак у нащадків, а також алельних генів, що викликають порушення в організмі. Широко застосовується в медичній генетиці. Існують вроджені форми рецесивної глухоти і шизофренії. За рецесивним принципом успадковуються важкі захворювання обміну речовин: цукровий діабет і фенілкетонурія.
3. Популяційно-статистичний метод дає можливість вивчити частоту зустрічальності алелей в популяціях організмів, а також генетичну структуру популяцій. Застосовують в популяційній генетиці, а також в медичній генетиці для статистики поширення алелей, які визначають ті чи інші спадкові захворювання.
4. Цитогенетичний метод заснований на мікроскопічному вивченні хромосом. Дозволяє вивчати хромосомний набір (каріотип) організмів, а також виявляти спадкові хвороби, викликані геномними і хромосомними мутаціями. Розроблено спеціальні методи фарбування ділянок хромосом залежно від їх будови, що дозволяє розрізнити навіть дуже схожі на вигляд хромосоми. Дослідження хромосом проводять на стадії метафази, бо в цей період клітинного циклу структура хромосом виражена найчіткіше. У цитогенетичних дослідженнях звичайно використовують лімфоцити крові, які культивують на штучних поживних середовищах.
5. Біохімічні методи засновані на вивченні метаболізму. Так як гени формують ознаки за допомогою кодованих ними білків, які формують у організмі взаємозалежну систему біохімічних реакцій. Біохімічні методи полягають у дослідженні цих реакцій. Широко застосовують для діагностики спадкових хвороб, пов’язаних із порушенням обміну речовин (наприклад, цукровий діабет), які обумовлених генними мутаціями, а також при виявленні гетерозиготних носіїв цих захворювань.
6. Близнюковий метод полягає у вивченні одно яйцевих близнят (організмів, що походять із одної зиготи).У людини в 1% випадків народжуються близнюки. Вони можуть бути різнояйцевими або однояйцевими. Різнояйцеві близнюки розвиваються з двох різних яйцеклітин, одночасно запліднених двома чоловічими гаметами, а однояйцеві – з однієї яйцеклітини, роз'єднані на ранній стадії ділення зиготи. Різнояйцеві близнюки, хоча і бувають дуже схожими, але частіше за все нагадують один одного не більше звичайних братів і сестер, народжених у різний час, вони бувають і різностатевими. Однояйцеві близнюки завжди однієї стат, бо мають однакові генотипи. Вивчення однояйцевих близнюків, які проживають в різних умовах, дозволяє встановити вплив середовища на прояв спадкових ознак, а також з'ясувати, чи є дана ознака успадкованою.
7. Методи молекулярної генетики та генетичної інженерії дозволяють вивчити організацію генетичного апарату, молекулярну структуру генів і генотипу, встановити нуклеотидну послідовність геном людини і багатьох інших організмів (секвенування), з'ясувати молекулярні механізми експресії генів. Розроблено методи визначення функцій генів, клонування генів. Налагоджена ДНК-діагностика (виявлення спорідненості, ідентифікація особистості), досягнуті успіхи в генній терапії спадкових захворювань.
8. Методи клітинної (тканинної) інженерії дозволяють клонувати організми. Клоном називається сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим шляхом. Методом клонування із окремих гібридних соматичних клітин вирощують організми рослин. Методика клонування тварин: з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро соматичної клітини іншої особини, потім штучну зиготу пересаджують у матку самки, де розвивається ембріон.
Історія генетики. Початковий етап розвитку генетики пов'язаний із такими процесами, як одомашнення та схрещування тварин і рослин ще у прадавні часи. Судячи з різноманітних археологічних даних, вже 6000 років тому люди розуміли, що деякі ознаки можуть передаватися нащадкам. Відбираючи певні організми з природних популяцій і схрещуючи їх між собою, людина створювала поліпшені сорти рослин і породи тварин, що володіли новими властивостями (наприклад, на Вавілонських глиняних плитках вказувалися можливі риси при схрещуванні коней). Але основи сучасних уявлень про механізми спадковості були закладені тільки у середині 19 століття.
Роботи Ґреґора Менделя. У 1865 році монах Ґреґор Мендель вивчав гібридизацію рослин в Августинському монастирі у Брюнні (Брно, тепер на території Чехії). Дослідник оприлюднив результати на засіданні місцевого товариства науковців та в роботі «Досліди над рослинними гібридами» 1866 року. Сформульовані закономірності успадкування пізніше отримали назву Закони Менделя. За життя автора ці роботи були маловідомі, сприймалися досить критично.
Класична генетика. На початку 20 століття на роботи Менделя звернули увагу в зв'язку із дослідженнями Карла Корреса, Еріха фон Чермака та Гуго де Фриза у сфері гібридизації рослин. Вони підтвердили основні висновки про незалежне успадкування ознак і кількісні співвідношення при розщепленні ознак у нащадків.
У 1906 році англійський натураліст Вільям Бетсон запропонував назву нової наукової дисципліни — генетика, 1909 року ботанік із Данії Йогансен запропонував слово ген (ділянка молекули нуклеїнової кислоти, яка визначає спадкові ознаки організмів).
Важливим доробком цього періоду є також хромосомна теорія спадковості американського генетика Томаса Ганта Моргана, який в 1912 році показав, що гени знаходяться в хромосомах. Морган та його учні працювали із дрозофілою (Drosophila melanogaster) і вивчали закономірності зчепленого успадкування, що дозволило шляхом аналізу результатів схрещування скласти карти розташування генів у «групах зчеплення», а також зіставити групи зчеплення із хромосомами (1910—1913 роки).
Зіставлення даних гібридологічного аналізу про характер передачі спадкових задатків з покоління в покоління з даними цитології щодо поведінки хромосом під час поділу клітини привело до виникнення цитогенетики.
Молекулярна генетика. У 1944 році експерименти О. Евері, Коліна Мак-Леода і Маклін Мак-Карті довели, що носієм генетичної інформації є ДНК (дезоксирибокунлеїнова кислота), яка була відкрита Іоганном Фрідріхом Мішером ще 1869 року. Найважливішими кроками стали:
- створення теорії про триплетність генетичного коду, опис механізму біосинтезу білків (роботи Ф.Крика і його лабораторії в 1958 році підтвердили механізм копіювання, запропонованого на основі спіральної структури, та показали, що генетичний код засновується на трійках основ, що не перекриваються, кодонах, що пізніше дозволило Гару Ґобінду Хорані, Роберту Голлі і Маршаллу Ніренбергу розшифрувати генетичний код);
- розшифрування структури подвійної спіралі ДНК (модель будови ДНК була запропонована Дж.Уотсоном і Ф.Криком, а їхня робота відмічена Нобелівською премією з фізіології і медицини 1962 року);
- відкриття рестриктаз (нуклеази, які розрізають ДНК біля специфічних послідовностей, що найчастіше використовуються в молекулярній біології і генетичній інженерії) та секвенування ДНК (встановлення послідовності нуклеотидних основ ДНК: аденіну, гуаніну, цитозину і тіміну за допомогою біохімічних методів).
У СРСР із 1930-тих до 1960-тих генетика вважалась забороненою наукою.
З тих пір генетика досягла великих успіхів в поясненні природи спадковості і на рівні організму, і на рівні гена. Роль генів в розвитку організму величезна. Гени характеризують всі ознаки майбутнього організму, такі, як колір очей і шкіри, розміри, вага і багато що інше. Гени є носіями спадкової інформації, на основі якої розвивається організм.
Сучасна генетика вносить величезний внесок у розвиток теорії еволюцій (еволюційна генетика, генетика популяцій). Методи генетики знаходять застосування при вирішенні проблем медицини, сільського господарства, мікробіологічної промисловості. Новітні досягнення генетики пов’язані з розвитком генетичної і клітинної інженерії.
Підготовка уроків з основами знань із генетики має місце в старших класах при вивченні тем " Загальної біології".