Биология: путь к пониманию жизни – от клеточных механизмов до эволюции видов. Цикл: учебники и учебные пособия по биологии, сельскому хозяйству, зоологии, анатомии и агрономии

Процессы наследственности и изменчивости играют ключевую роль в биологии и генетике, обеспечивая передачу генетической информации от поколения к поколению и создавая разнообразие среди организмов. Рассмотрим основные фазы и категории этих процессов более подробно.

Фазы и категории наследственности

1. Передача генетической информации

Передача генетической информации происходит в процессе полового размножения, когда гаметы (половые клетки) объединяются, формируя зиготу. Этот процесс включает следующие этапы:

– Образование гамет: В ходе мейоза (процесса деления половых клеток) каждая гамета получает половину генетического материала (гаплоидный набор хромосом). При этом происходит кроссинговер – обмен участками между гомологичными хромосомами, что создает новые комбинации генов.

– Оплодотворение: Сперматозоид сливается с яйцеклеткой, образуя зиготу, которая содержит полный диплоидный набор хромосом (по одному от каждого родителя). Зигота начинает делиться митозом, формируя многоклеточный организм.

– Развитие эмбриона: В процессе развития эмбрион проходит стадии бластулы, гаструлы и нейрулы, постепенно дифференцируя клетки и формируя органы и ткани.

2. Экспрессия генов

После оплодотворения начинается экспрессия генов, то есть реализация генетической информации в виде белков и РНК. Этот процесс включает следующие этапы:

– Транскрипция: Синтез РНК на основе ДНК-шаблона. В ходе этого процесса информация из гена переносится в молекулу мРНК.

– Процессинг РНК: Модификация мРНК, включающая удаление интронов (некодирующих участков) и присоединение кэпов и поли-А-хвостов.

– Трансляция: Синтез белка на рибосомах по матрице мРНК. В ходе трансляции последовательность нуклеотидов мРНК переводится в последовательность аминокислот белка.

– Посттрансляционные модификации: После синтеза белок может подвергаться дополнительным химическим изменениям, таким как фосфорилирование, гликозилирование и т.д., что влияет на его функцию.

3. Регуляция экспрессии генов

Экспрессия генов регулируется множеством механизмов, включая эпигенетические факторы, регуляторные элементы ДНК и белки-трансфакторы. Эти механизмы обеспечивают точное управление временем и местом активации генов, что критично для нормального развития и функционирования организма.

Категории наследственности

1. Моногенные признаки

Признаки, контролируемые одним геном, называются моногенными. Примеры таких признаков включают цвет глаз, группу крови и некоторые наследственные заболевания, такие как серповидноклеточная анемия.

2. Полигенные признаки

Признаки, контролируемые несколькими генами, называются полигенными. К ним относятся такие черты, как рост, вес, интеллект и многие другие сложные характеристики. Полигенные признаки часто зависят от взаимодействия множества генов и влияния окружающей среды.

3. Кодоминантность и неполное доминирование

В некоторых случаях оба аллеля гена могут проявляться в фенотипе, что называется кодоминантностью. Пример такого явления – группы крови AB0 у людей. Неполное доминирование означает, что гибридный фенотип отличается от обоих родительских, но не является промежуточным между ними.

4. Плейотропия

Один ген может влиять на несколько разных признаков организма. Например, ген, ответственный за выработку меланина, влияет не только на цвет кожи, но и на цвет волос и глаз.

5. Пенетрантность

Это вероятность проявления определенного гена в фенотипе. Некоторые гены могут иметь полную пенетрантность (то есть всегда проявляются), в то время как другие могут проявлять себя лишь в части случаев.

Фазы и категории изменчивости

1. Мутации

Мутации – это случайные изменения в последовательности нуклеотидов ДНК, которые могут происходить спонтанно или под воздействием мутагенов. Они могут быть точечными (замена одного нуклеотида другим), делеционными (удаление участка ДНК), инсерционными (вставка дополнительного участка ДНК) или инверсиями (переворот участка ДНК).

2. Комбинативная изменчивость

Комбинативная изменчивость возникает в результате смешивания генетического материала родителей при половом размножении. Она включает:

– Мейоз и кроссинговер: Во время мейоза происходит обмен участками между гомологичными хромосомами, что создает новые комбинации генов.

– Скрещивание: Объединение генетического материала от двух разных родителей также приводит к новым комбинациям генов.

3. Эволюционная изменчивость

Этот тип изменчивости связан с процессом естественного отбора и адаптацией организмов к окружающей среде. Он включает:

– Естественный отбор: Организмы с наиболее выгодными признаками имеют больше шансов выжить и передать эти признаки своим потомкам.

– Генетический дрейф: Случайные изменения в частоте аллелей в популяции, вызванные случайным отбором особей для размножения.

– Миграция генов: Перемещение генов между популяциями вследствие миграции особей.

4. Искусственная изменчивость

Искусственная изменчивость создается человеком посредством селекции и генетической инженерии. Она включает:

– Селекцию: Процесс выбора определенных особей для размножения с целью улучшения определенных характеристик.

– Генетическую инженерию: Модификация генома организма путем введения, удаления или изменения генов.

Эти процессы и категории наследственности и изменчивости играют важную роль в поддержании генетического разнообразия и обеспечении адаптации организмов к постоянно меняющимся условиям окружающей среды.

Упражнение №7. Следующее тестовое задание разработано для самостоятельной проверки знаний по теме «2.4. Наследственность и изменчивость». Оно включает 10 вопросов разной сложности.

Легкие вопросы: 1. **Что такое наследственность?** a) Способность организма изменяться b) Способность организма передавать признаки потомству c) Адаптация к условиям окружающей среды 2. **Какой процесс является противоположным наследственности?** a) Эволюция b) Изменчивость c) Репродукция 3. **К какому типу признаков относится цвет глаз у человека?** a) Внешние признаки b) Физиологические признаки c) Химические признаки

Средние вопросы: 4. **Что означает термин «генетическая изменчивость»? ** a) Изменение внешних условий среды b) Изменение в генетическом материале организма c) Изменение поведения организмов 5. **Какую роль в наследственности играют гены?** a) Они отвечают только за внешние признаки b) Они хранят информацию для передачи признаков потомству c) Они не имеют отношения к наследственности 6. **Какое из следующих явлений относится к изменчивости?** a) Появление устойчивости к антибиотикам у бактерий b) Передача определенного цвета цветков от родителей к потомству c) Получение новой породы собак через селекцию

Сложные вопросы: 7. **Какое утверждение характерно для наследственности?** a) Независимость признаков в потомстве b) Изменение признаков в зависимости от окружающей среды c) Передача признаков из поколения в поколение 8. **Примером фенотипической изменчивости является:** a) Разнообразие форм крыльев у бабочек b) Наследование группы крови c) Генетические мутации 9. **Что такое модификационная изменчивость?** a) Изменения в ДНК, которые не передаются потомству b) Изменения, вызванные воздействием внешних факторов c) Изменения, которые появляются в результате полового размножения

Очень сложные вопросы: 10. **Какое из приведенных исследований может служить примером генетической изменчивости в популяции?** a) Определение взаимодействия между генами и окружающей средой в популяции мышей b) Изучение специфических молекул в клетке c) Оценка разрушения экосистемы под влиянием человека

Этот тест поможет вам внимательно изучить ключевые понятия темы «Наследственность и изменчивость» и самостоятельно проверить свое понимание материала.

Дополнительное тестовое задание по теме: «2.4. Наследственность и изменчивость»

Лёгкие вопросы:

– Что такое наследственность? a) Способность организма изменять свои признаки под влиянием окружающей среды b) Свойство организмов передавать из поколения в поколение набор признаков c) Способность организмов менять свою генетическую информацию d) Процесс изменения генотипа под воздействием мутагенов Ответ: b) Свойство организмов передавать из поколения в поколение набор признаков

– Какое явление является противоположным наследственности? a) Эволюция b) Изменчивость c) Мутация d) Рекомбинация Ответ: b) Изменчивость

– Какие факторы могут влиять на проявление изменчивости? a) Среда обитания b) Питание c) Температура d) Все вышеперечисленное Ответ: d) Все вышеперечисленное

Средние вопросы:

– Какой тип изменчивости характеризуется появлением новых признаков без изменения генотипа? a) Генная мутация b) Хромосомная аберрация c) Фенотипическая изменчивость d) Комбинативная изменчивость Ответ: c) Фенотипическая изменчивость

– Что изучает наука генетика? a) Механизмы передачи наследственной информации b) Способы адаптации организмов к среде обитания c) Процессы эволюции видов d) Строение клеток Ответ: a) Механизмы передачи наследственной информации

– Почему некоторые признаки передаются по наследству, а другие нет? a) Потому что они не влияют на выживание организма b) Потому что они зависят только от условий среды c) Потому что они закодированы в генах d) Потому что они являются результатом случайных мутаций Ответ: c) Потому что они закодированы в генах

Сложные вопросы:

– В чём заключается различие между комбинативной и мутационной изменчивостью? a) Комбинативная изменчивость связана с рекомбинацией генов, а мутационная – с изменением структуры ДНК b) Оба типа изменчивости связаны с изменениями в структуре ДНК c) Комбинативная изменчивость приводит к появлению новых признаков, а мутационная – к исчезновению старых d) Мутационная изменчивость всегда вредна для организма, а комбинативная – полезна Ответ: a) Комбинативная изменчивость связана с рекомбинацией генов, а мутационная – с изменением структуры ДНК

– Чем отличаются доминантные и рецессивные гены? a) Доминантные гены проявляются при наличии хотя бы одной копии, а рецессивные – только при наличии двух копий b) Доминантные гены всегда доминируют над рецессивными c) Рецессивные гены никогда не проявляются в фенотипе d) Доминантные гены кодируют белки, а рецессивные – РНК Ответ: a) Доминантные гены проявляются при наличии хотя бы одной копии, а рецессивные – только при наличии двух копий

– Каким образом происходит передача наследственных признаков от родителей к потомкам? a) Через хромосомы, содержащие гены b) Путём прямого контакта между клетками родителей и потомков c) Через обмен молекулами РНК d) Через передачу плазмид Ответ: a) Через хромосомы, содержащие гены

Очень сложные вопросы:

– Объясните механизм возникновения комбинативной изменчивости у эукариотических организмов. a) При образовании половых клеток происходит кроссинговер, который приводит к перераспределению аллелей генов между гомологичными хромосомами b) В процессе митоза происходит случайное распределение хромосом между дочерними клетками c) В результате мутации возникают новые комбинации генов d) При слиянии сперматозоида и яйцеклетки происходит смешивание генов родителей Ответ: a) При образовании половых клеток происходит кроссинговер, который приводит к перераспределению аллелей генов между гомологичными хромосомами

– Приведите пример мутационного процесса, который может привести к возникновению нового вида. a) Полиплоидия b) Инверсии c) Транслокации d) Делеции Ответ: a) Полиплоидия

– Сравните влияние мутаций и естественного отбора на эволюцию видов. a) Мутации создают генетическое разнообразие, которое затем подвергается естественному отбору b) Естественный отбор создаёт новые мутации c) Мутации и естественный отбор действуют независимо друг от друга d) Мутации приводят к вымиранию видов, а естественный отбор способствует их выживанию Ответ: a) Мутации создают генетическое разнообразие, которое затем подвергается естественному отбору

Контрольная работа по Главе 2. Генетика

Вариант для слабых учащихся

Часть 1: Вопросы с выбором ответа

– Кто является основоположником современных основ генетики?

– a) Чарльз Дарвин

– b) Грегор Мендель

– c) Альфред Хоудон

– d) Луи Пастер

– Какой из следующих терминов описывает ген, который проявляется в потомстве, когда присутствует хотя бы один аллель этого гена?

– a) Рецессивный

– b) Доминантный

– c) Гомозиготный

– d) Гетерозиготный

– Какую структуру представляют собой хромосомы?

– a) Участки ДНК, несущие информацию о белках

– b) Липиды

– c) Углеводы

– d) Протопласты

Часть 2: Заполните пропуски

– ДНК состоит из двух цепочек, которые образуют __.

– __ – это явление, при котором особи одного вида проявляют различные признаки.

Часть 3: Краткие ответы

– Назовите два закона Менделя.

– Что такое гаплоидный набор хромосом?

Вариант для средних учащихся

Часть 1: Вопросы с выбором ответа

– Что устанавливает первый закон Менделя?

– a) Принцип независимого распределения

– b) Принцип доминирования

– c) Принцип расщепления

– d) Принцип гомозиготности

– Какой метод используется для изучения функций генов?

– a) Генная инженерия

– b) Кроссинговер

– c) Мутация

– d) Бинарное деление

– Хромосомы каждого организма обычно существуют в количестве:

– a) 23

– b) 46

– c) 92

– d) 30

Часть 2: Задачи

– Если у доски оставили 20 семян гороха (где AA – доминирующий признак, а aa – рецессивный). Каково потомство, если оба родителя имеют генотип Aa?

– a) 25% AA, 50% Aa, 25% aa

– b) 50% AA, 25% Aa, 25% aa

– c) 75% Aa, 25% aa

– d) 100% AA

– Опишите, как происходит кроссинговер и как он влияет на наследственность.

Часть 3: Краткие ответы

– Назовите три типа мутаций.

– Каково значение генетического разнообразия для популяции?

Вариант для сильных учащихся

Часть 1: Вопросы с выбором ответа

– Какое явление описывается как комбинация нескольких аллелей одного гена, а затем проявляющееся в фенотипе?

– a) Кодоминирование

– b) Полного доминирования

– c) Смешанного наследования

– d) Алельное взаимодействие

– Какое устройство используется для анализа фрагментов ДНК?

– a) Термограф

– b) Гель-электрофорез

– c) Микроскоп

– d) Ультразвуковая машина

– На основании какого принципа работает метод рекомбинации ДНК?

– a) Автосомного доминирования

– b) Полового доминирования

– c) Принципа серии

– d) Принципа независимого ассортимента

Часть 2: Задачи

– В исследовании генетических признаков у растения было обнаружено, что 75% потомства имеют доминирующий признак, а 25% – рецессивный. Найдите генотипы родителей.

– Подсказка: используйте квадрат Менделя для дальнейшего анализа.

– Рассмотрите процесс мутаций и их потенциальные последствия для организма. Приведите примеры как негативных, так и позитивных мутаций.

Часть 3: Эссе

– Напишите эссе на тему: «Влияние генетических технологий на будущее медицины».

– Обсудите, как изменения в ДНК могут привести к различным наследственным заболеваниям и каким образом это знание может быть применено в медицине.

Эти варианты контрольной работы предлагаются с различными уровнями сложности и типами заданий, которые помогут закрепить и проверить знания учащихся по теме «Генетика».

Итоговая самостоятельная работа по теме «Часть I. Основы биологии клетки и генетики»

Вариант 1: Для слабых учащихся

Контрольные вопросы:

– Что такое клетка и какие её основные функции?

– В чем разница между прокариотическими и эукариотическими клетками?

– Назовите основные этапы клеточного метаболизма.

– Каковы основные законы наследования по Менделю?

– Что такое гены и хромосомы?

– Объясните, что такое наследственность и изменчивость.

Тестовые задания:

– Выберите правильный ответ:

– Клетка состоит из: a) Ядра и цитоплазмы

– b) Только из цитоплазмы

– c) Только из мембраны

– Укажите, какая из следующих характеристик относится к прокариотам: a) Наличие ядра

– b) Отсутствие мембранных органелл

– c) Большие размеры

– Верно или неверно: «Все организмы состоят из клеток».

– Назовите два типа мутаций и объясните, в чем их отличие.

Задача:

При скрещивании домашних горохов с желтыми семенами (Y) и зелеными (y) получили следующий вывод: 75% потомства с желтыми и 25% с зелеными семенами. Что это говорит о правилах наследования по Менделю?

Вариант 2: Для средних учащихся

Контрольные вопросы:

– Сравните структуру и функции прокариотических и эукариотических клеток.

– Что такое метаболизм и как он происходит в клетке?

– Опишите принципы работы законов Менделя более подробно.

– Какова структура ДНК и как она связана с наследственностью?

– Объясните, как изменчивость может проявляться в популяции.

Тестовые задания:

– Установите соответствие между характеристиками и типами клеток:

– a) Наличие органелл – 1) Прокариоты

– b) Аппараты Гольджи и митохондрии – 2) Эукариоты

– К какому типу мутаций относится замена одного нуклеотида на другой?

– a) Хромосомные

– b) Геномные

– c) Генетические

– Верно или неверно: «Генотип определяет фенотип».

– Что происходит в процессе репликации ДНК? Опишите последовательность.

Задача:

Исходный генотип растения: RR (красные цветы). Если оно скрещивается с rr (белые цветы), каково будет соотношение фенотипов в F1 и F2?

Вариант 3: Для сильных учащихся

Контрольные вопросы:

– Опишите подробно механизмы клеточного метаболизма, включая катаболизм и анаболизм.

– Каковы основные результаты экспериментов Грегора Менделя и их значение для современной генетики?

– Как происходят мутации и как они могут повлиять на организм?

– Объясните, как хромосомные аберрации могут привести к изменчивости у организмов.

Тестовые задания:

– Укажите основные этапы клеточного дыхания и их функции.

– a) Гликолиз

– b) Цикл Кребса

– c) Эндоплазматическая сеть

– Подберите правильное утверждение относительно механизмов наследования:

– a) Аутосомно-доминантное наследование: все потомки гетерозиготы получили доминантный признак.

– b) Аутосомно-рецессивное: проявляется только при наличии двух рецессивных аллелей.

– Верно или неверно: «Генетическая информация находится только в ДНК».

– Опишите, как проводятся генетические тесты и какое использование они имеют в медицине.

Задача:

В познании генетики используется метод анализа скрещиваний. Если провести дифференцированное скрещивание между телятами с генотипами AaBb и aaBb, каковы будут вероятности получения соответствующих генотипов в потомстве и их фенотипические выражения?

Вывод

Эти тестовые задания помогут закрепить знания учащихся по клеточной биологии и генетике, развивая как их критическое мышление, так и способность применять теорию на практике.

Часть II. Биологические процессы и механизмы

Глава 3. Фотосинтез

3.1. Процесс фотосинтеза

Фотосинтез представляет собой процесс образования органических веществ из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) с использованием энергии солнца.

Фотосинтез состоит из двух последовательных этапов: световой и темновой.

**Световая фаза**

В этой фазе происходит преобразование энергии света, поглощаемой хлорофиллом, в электрическую энергию электрон-транспортной цепи. Этот процесс осуществляется на мембранах тилакоидов с участием фермента АТФ-синтетазы и мембранных белков-переносчиков. В ходе световой фазы у растений протекают два важных процесса: фотолиз воды и синтез АТФ (нециклическое фосфорилирование).

**Темновая фаза**

Темновая фаза представляет собой преобразование углекислого газа в глюкозу с использованием энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ·Н2. Реакции темновой фазы протекают в строме хлоропластов, где уже находятся молекулы АТФ и НАДФ·Н2, образовавшиеся в световой фазе. Углекислый газ (CO2) поступает в растение из воздуха через устьица. В результате темновой фазы из углекислого газа образуется глюкоза, которая затем превращается в крахмал. Кроме глюкозы, в хлоропластах синтезируются и другие органические вещества: аминокислоты, нуклеотиды и другие.

Фотосинтез – это ключевой биологический процесс, который происходит в растениях, водорослях и некоторых бактериях. Он представляет собой преобразование световой энергии (в основном солнечной) в химическую энергию, которая затем используется для синтеза органических веществ из неорганических.

Основные этапы фотосинтеза:

Процесс фотосинтеза можно разделить на две основные фазы: световую и темновую. Каждая фаза включает несколько ключевых этапов.

Световая фаза

Световая фаза фотосинтеза происходит в хлоропластах клеток растений, особенно в тилакоидах – мембранных структурах внутри хлоропластов. Она начинается с поглощения света специальными пигментами, такими как хлорофилл.

– Поглощение света хлорофиллом: Хлорофилл – это зеленый пигмент, который находится в хлоропластах и способен улавливать световые волны определенной длины. Когда фотон света попадает на молекулу хлорофилла, он возбуждает электрон, переводя его на более высокий энергетический уровень.

– Передача энергии по цепи переноса электронов: Возбужденный электрон передается через цепь переносчиков электронов, расположенных в мембране тилакоидов. Эта цепь состоит из белков и других молекул, которые способны принимать и передавать электроны друг другу. В процессе передачи электронов выделяется энергия, которая используется для создания АТФ (аденозинтрифосфата) – основного источника энергии для клеточных процессов.

– Синтез АТФ: Энергия, выделяемая при передаче электронов, используется для фосфорилирования АДФ (аденозиндифосфат), превращая его в АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием.

– Разделение воды: Одновременно с передачей электронов происходит разделение молекулы воды (фотолиз). При этом выделяются кислород, протоны (ионы водорода) и электроны. Кислород высвобождается в атмосферу, а протоны и электроны используются в дальнейших реакциях.

– Образование NADPH: Электроны, полученные от разделения воды, вместе с протонами объединяются с молекулой никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (NADP+), образуя восстановленную форму этого соединения – NADPH. NADPH играет важную роль в темновой фазе фотосинтеза.

Темновая фаза (цикл Кальвина)

Темновая фаза фотосинтеза, также известная как цикл Кальвина, происходит в строме хлоропластов. Несмотря на название, она может происходить как днем, так и ночью, поскольку не требует прямого участия света.