Какую роль в познании свойств живого выполняет изучение генотипа организмов

В начале XX в. благодаря исследова­ниям генетиков накопился достаточно большой объём фактов и обобщений о на­следственности и передаче наследственной информации от родителей к потомкам, о свойствах хромосом и отдельных генов. Они были установлены на основе построения генетических карт при исследовании таких проблем, как хромосом­ный механизм определения пола, сцепление генов, кроссинговер и наследова­ние признаков, сцепленных с полом. В итоге были получены убедительные дока­зательства локализации определённых генов в определённых участках отдель­ных хромосом у многих растений, животных и микроорганизмов. Всё это легло в основу хромосомной теории наследственности.

Хромосомная теория наследственности — теория, согласно которой ген яв­ляется основным и элементарным носителем наследственной информации, а на­следственность представляется как свойство организмов, заключающее в себе ге­нетическую информацию, на основе которой происходит развитие признаков организма.

Путем наследования генетической информации (генов) обеспечива­ется материальная и функциональная преемственность между поколениями ор­ганизмов и, следовательно, непрерывность жизни при смене поколений.

В 40-х гг. XX в. хромосомная теория наследственности была подкреплена исследованиями биохими­ков и цитологов. Была доказана роль молекул нуклеиновых кислот, в частно­сти молекул ДНК, в передаче наследственной информации и локализации ге­на. При этом было доказано, что молекулы ДНК являются цитологической основой генов. Расшифровка структуры молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), опубликованная в 1953 г., показала тесную связь этого хими­ческого соединения с наследственной информацией в генах.

В настоящее время установлены многие закономерности наследования свойств (признаков) организмов. Все они находят отражение в хромосомной теории наследования признаков организма. Назовём основные положения этой теории. Материал с сайта https://doklad-referat.ru

• Гены, являясь носителями наследственных свойств организмов, вы­ступают единицами наследственной информации.
• Цитологической основой генов являются группы рядом лежащих нуклеотидов в цепочках ДНК.
• Гены, находящиеся в хромосомах ядра и клетки, наследуются как отдельные независимые единицы.
• У всех организмов одного и того же вида каждый ген всегда располо­жен в одном и том же месте (локусе) определённой хромосомы.
• Любые изменения гена приводят к появлению его новых разновидно­стей — аллелей этого гена и, следовательно, к изменению признака.
• Все хромосомы и гены у особи присутствуют в её клетках всегда в виде пары, попавшей в зиготу от обоих родителей при оплодотворении.
• В каждой гамете может быть только по одной одинаковой (гомологич­ной) хромосоме и по одному гену из аллельной пары.
• Во время мейоза различные пары хромосом распределяются между гаметами независимо друг от друга и совершенно случайно так же наследуются и находящиеся в этих хромосомах гены.
• Важным источником появления новых комбинаций гена служит крос­синговер.
• Развитие организмов происходит под контролем генов в тесной взаи­мосвязи с факторами окружающей среды.
• Выявленные закономерности наследования свойств наблюдаются у всех без исключения живых организмов с половым размножением.

Установлено, что ген служит основой для построения белка с его важ­нейшими — ферментативными — функциями в клетке. Поскольку именно фер­менты управляют химическими реакциями, в результате которых формиру­ются признаки организма, то эта роль гена в жизнедеятельности организма оказывается очень важной. Эту роль гена можно выразить схемой:

Роль генотипа и условий внешней
среды в формировании фенотипа

Все многообразие всего живого и его постоянное
совершенствование были бы невозможны без изменчивости. Это
связано с тем, что генотип последовательно реализуется в
фенотип в ходе индивидуального развития организма и в
определенных условиях среды обитания, факторы которой
(колебания освещенности, температуры, влажности, условий
питания, взаимоотношений с другими организмами и др.) часто
оказывают определяющее значение на проявление и развитие того
или иного признака и свойства. Поэтому организмы, имеющие
одинаковые генотипы, могут заметно отличаться друг от друга по
фенотипу. Приведем несколько примеров.

Если растения примулы, которые в обычных условиях имели
красные цветки, перенести в оранжерею и содержать их там при
температуре 30—35°С и высокой влажности, то через некоторое
время все цветки у них оказываются белыми. Если эти же
растения вновь поместить в обычные (комнатные) условия, то
распустившиеся цветки будут красными.

Другим классическим примером, иллюстрирующим влияние внешней
среды на проявление качественных признаков, служит изменение
окраски шерсти у гималайского кролика. Обычно при 20°С у этого
кролика шерсть белая, за исключением черных ушей, лап, хвоста
и мордочки. При 30°С такие кролики вырастают полностью белыми.
Если же у гималайского кролика сбрить шерсть на боку или спине
и содержать его при температуре воздуха ниже +2°С, то вместо
белой шерсти вырастет черная. Но если сбрить шерсть на ухе, то
в обычных условиях там снова вырастет черная шерсть.

Эти наблюдения объясняют, почему гималайские кролики рождаются
белыми, без участков черной шерсти: их эмбриональное развитие
происходит в условиях высокой температуры.

Известно, что все признаки и свойства организма наследственно
детерминированы, однако организмы наследуют не сами признаки и
свойства, а лишь возможность их развития. Для проявления и
развития признака необходимы соответствующие условия внешней
среды.

Но даже в том случае, когда проявление и развитие того или
иного признака происходит, степень его выраженности бывает

разной в зависимости от условий внешней среды: при одних она
усиливается, при других ослабляется. Пределы этих изменений
определены возможностями, заложенными в генотипе.

Пределы модификационной изменчивости признака, ограниченные
действием генотипа, называют его норной реакции.

Для разных признаков и свойств организмов границы,
определяемые нормой реакции, неодинаковы. Наибольшей
пластичностью и изменчивостью характеризуются количественные
признаки: семенная продуктивность злаков, величина удоя у
крупного рогатого скота, масса животных, число и размеры
листьев и колосков у растений и т. д. В то же время
качественные признаки (масть животных, окраска семян, цветков
и плодов, остистость и опушенность колоса у растений) мало
зависят от условий среды.

Так, у крупного рогатого скота удой во многом определяется
условиями его содержания. При подборе кормов нужного качества
и количества ценная порода скота может дать 5—6 тыс. кг молока
в год, а в случае ухудшения условий содержания продуктивность
снижается до 2,5 тыс. кг и даже ниже. Что касается масти
животных, то при самых разных условиях она почти не
изменяется.

Подобную закономерность можно наблюдать и у растений.
Например, растения элитного сорта картофеля, выращенные в
условиях высокой культуры агротехники, дают урожай клубней
500—600 ц/га и более. Ухудшение условий (тяжелые глинистые
почвы, низкая культура земледелия и ухода за растениями) может
привести к тому, что урожайность прекрасного сорта картофеля
снизится до 100—150 ц/га и ниже. Правда, окраска клубней и их
форма при этом изменяются в очень малой степени.

Рассмотренные примеры свидетельствуют о том, что
количественные признаки обладают очень широкой нормой реакции,
а качественные — более узкой.

Таким образом, все признаки и свойства каждого сорта растений
и каждой породы животных могут изменяться только в пределах
нормы реакции. Поэтому попытки добиться высоких урожаев, резко
повысить продуктивность сельскохозяйственных животных только
за счет повышения уровня культуры земледелия, улучшения
условий кормления и содержания животных несостоятельны. В
первую очередь необходимо получить новые сорта растений и
породы животных улучшенного генотипа, отзывчивые на хорошие
условия возделывания и выращивания.

По механизму возникновения и характеру изменений признаков
различают два типа изменчивости — наследственную и
ненаследственную.

Под наследственной изменчивостью понимают способность к
изменениям самого генетического материала, а под
ненаследственной (модификационной, или фенотипической) —
способность организмов реагировать на условия окружающей
среды и изменяться в пределах нормы реакции, определяемой
генотипом.

Вопрос 1. Каковы основные черты биологии как науки?

Системность. Знания должны носить системный характер на основе определенных теоретических положений и принципов. К числу важнейших задач системности относятся: 1) разработка средств представления исследуемых объектов как систем; 2) построение обобщенных моделей системы; 3) исследование структуры теорий систем и различных системных концепций и разработок. В системном исследовании анализируемый объект рассматривается как определенное множество элементов, взаимосвязь которых обусловливает целостное свойство этого множества.

Достоверность. Знания должны быть достоверными, проверенными на практике, проходящими проверку по определенным правилам, а потому убедительными.

Критичность. Возможность определить на основании критического рассмотрения рациональных моделей естественно — научные знания на основе сопоставления различных типов научных теорий. При этом наука всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои, даже самые основополагающие результаты.

Общезначимость. Все истинные знания рано или поздно становятся общепризнанными всеми учеными и способствуют объединению всех людей.

Преемственность. Объективная необходимая связь между новыми и “старыми” знаниями в процессе изучения окружающего мира, при этом новые знания дополняют и обогащают “старые”. Правильное понимание процессов преемственности имеет особое значение для анализа закономерностей развития природы, общества, прогресса науки, техники, искусства, для борьбы как с некритическим отношением к достижениям прошлого, так и с нигилистским отрицанием его.

Универсальность. Наука сообщает знания, истинные для всего окружающего мира.

Незавершенность. Хотя научное знание безгранично растет, оно все — таки не может достичь абсолютной истины.

Рациональность. Наука получает знания на основе рациональных процедур и законов логики.

Обезличенность. Ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного познания.

Прогнозированность. Знания должны содержать в себе возможность предвидения грядущих событий в определенной области действительности.

Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и значение науки.

Вопрос 2. Что изучают учёные — биологи?

Учёные — биологи изучают все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицируют и описывают живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Вопрос 3. Какими свойствами обладают объекты живой природы?

Свойства объектов живой природы: сходный химический состав и единый принцип строения, открытость живых систем, обмен веществ и энергии, раздражимость, рост и развитие, самовоспроизведение (размножение), наследственность и изменчивость, приспособленность, целостность и дискретность.

Вопрос 4. Что позволяет нам говорить о биологии как о науке?

Биология — это наука, потому что у нее есть объект и предмет, а также цели и методы исследования, своя методология.

Вопрос 5. Приведите примеры возможных объектов и предметов исследования в биологии.

Объекты: озеро, болото, биосфера, человек, лишайник, шимпанзе, цепи питания, круговорот (воды, азота…), растение, лишайник и др.

Предметы: строение и функции любых живых организмов (бактерии, медведя и др.), функционирование природных сообществ (лес, луг, болото и др.), распространение (животного, растения, лишайников и др.), происхождение, развитие, связи живых организмов между собой и с неживой природой и др.

Вопрос 6. Почему трудно дать всеобъемлющее определение понятию «жизнь»?

1. Трудно дать всеобъемлющее определение понятию «жизнь», потому что жизнь существует на разных уровнях структурно — функциональной организации: молекулярно — генетическом, клеточном, организменном, популяционно — видовом, биогеоценотическом, биосферном (иногда выделяют и промежуточные уровни). А большинство определений жизни охватывает только какой — нибудь один уровень (или два), чаще всего молекулярно — генетический и клеточный.

2. Нельзя давать очень большое, широкое определение понятия. Нужно давать очень сжатое понятие, но правильное, а что туда включить — проблема.

3. Точное определение понятия «жизнь» дать очень сложно, так как для живых организмов характерен ряд признаков, отсутствующих у неживых систем. Но среди этих признаков нет ни одного, который был бы отмечен только у живого. Например, рост характерен не только для живых существ, но и для минералов.

Потому что наши знания окружающего нас мира неполные.

Вопрос 7. Перечислите известные вам свойства живого и приведите примеры их проявления в природе.

1. Живые организмы имеют сходный химический состав и единый принцип строения.

Живые организмы на 98 % состоят из четырёх элементов — углерода, кислорода, азота и водорода, которые участвуют в образовании сложных органических молекул (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры). Все живые организмы, за исключением вирусов, имеют клеточное строение. Например, бактерия — это клетка; рысь состоит из множества клеток.

2. Все живые организмы представляют собой открытые биологические системы, которые устойчивы лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.

Зелёные растения используют солнечную энергию для синтеза органических веществ, которые необходимы им для нормальной жизнедеятельности. Другие существа получают энергию в результате распада сложных органических веществ, содержащихся в пище, на более простые. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них извне поступают энергия (солнечная или химическая) и питательные вещества.

3. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: из неё они получают вещества, необходимые для жизни, а выделяют в неё продукты жизнедеятельности.

У живых организмов самыми важными являются процессы биосинтеза и распада веществ. Они обеспечивают постоянство химического состава и строения организма, его рост, размножение и существование в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

4. Живые организмы реагируют на изменение факторов окружающей их среды (раздражимость).

Например, животные убегают, нападают, прячутся, сжимаются и т. д., растения поворачивают листья к свету.

5. Живые организмы растут и развиваются. Расти и развиваться могут как живые, так и неживые объекты.

Например, у человека развитие связано с реализацией наследственной программы и обычно сопровождается увеличением его массы. Последнее происходит за счёт образования новых молекул, элементарных клеточных структур и самих клеток. Развитие характерно и для живой природы в целом. В результате её исторического развития появилось всё многообразие живых организмов на нашей планете.

6. Всё живое размножается.

Новые организмы — от бактерии до человека — возникают только в результате бесполого или полового размножения особей данного вида. 

7. Живые организмы обладают наследственностью и изменчивостью.

Например, у людей, дети всегда хоть немного похожи на своих родителей (это объясняется передачей родительских признаков, свойств и особенностей развития из поколения в поколение — наследственностью), но двух совершенно одинаковых организмов не существует (объясняется это изменчивостью).

8. Живые организмы приспособлены к определённой среде обитания.

В холодных районах проживают организмы небольших размеров, растения там карликовые, «уродливые». Хищная птица отличается от зерноядной, влаголюбивые растения — от засухоустойчивых обитателей пустынь.

Вопрос 8. Установите, в чём заключаются сходство и различия в проявлении какого — либо из свойств живой материи (например, обмен веществ или рост) у животных и зелёных растений.

Возьмем для сравнения рост.

Вопрос 9. Используя информационные источники в Интернете, подготовьте сообщение (презентацию) о флаге и гербе своего региона или соседних регионов, если на них изображены представители флоры или фауны. Выясните, по какой причине там разместили их изображения.

Флаг Нижегородской области является официальным государственным символом Нижегородской области Российской Федерации. Он представляет собой прямоугольное полотнище белого шелка с отношением ширины к длине 2:3 (120 см x 180 см) с двусторонним изображением в его центре полного герба Нижегородской области, установленного Законом Нижегородской области от 10 сентября 1996 года. Ширина герба составляет две пятых длины полотнища. С трех сторон, не сопрягаемых с древком Флага, полотнище украшено золотой бахромой. Древко Флага увенчано золотым копейным наконечником на золотом шаре высотой 32,5 см и украшено золотыми кистями на витых шнурах.

Флаг Нижегородской области является классическим гербовым флагом, то есть флагом с композицией герба, распространённой на все полотнище.

Символические значения цветов:

Белый цвет — символ совершенства, благородства, чистоты помыслов, мира.

Червлёный цвет — символ храбрости, мужества, неустрашимости, зрелости, энергии, жизнеспособности.

Чёрный цвет — символ благоразумия, мудрости, честности, скромности, смирения и вечности бытия.

Герб Нижегородской области имеет в своей основе изображение исторического герба Нижегородской губернии. Герб области представляет собой помещенное на геральдическом щите изображение идущего в серебряном поле червленого оленя, имеющего рога с шестью отростками и черные копыта; геральдический щит увенчан исторической Российской короной и обрамлен золотыми дубовыми листьями, соединенными исторической Андреевской лентой.

Обоснование символики:

Герб Нижегородской области имеет в основе изображение исторического Герба Нижегородской губернии, который был Высочайше утвержден 8 декабря 1856 года императором Александром II.

Описание Герба Нижегородской губернии гласило: “Въ серебряном полҌ червленый идущiй олень; рога о шести отросткахъ, копыта черныя. Щитъ увҌнчанъ императорскою короною и окруженъ золотыми дубовыми листьями, соединенными Анреевскою лентою”.

Губернский герб, в свою очередь, был основан на изображении герба Нижнего Новгорода, который до утверждения его Екатериной II 16 августа 1781 года встречался на государственной печати царя Иоанна Васильевича IV и тарелке царя Алексея Михайловича.

Символика элементов герба области.

Колористическая палитра герба довольно сдержанная, но в ней присутствуют самые популярные в европейской геральдике цвета и оттенки. Во — первых, использованы цвета, которые ассоциируются с драгоценными металлами, серебро для фона щита, золото — для дубовых листьев. Во — вторых, достаточно много червленого цвета, поскольку олень, изображенный на щите, имеет внушительные размеры. Лазурный (символ красоты, мягкости, величия), в который окрашена обрамляющая лента, очень гармонично выглядит на фоне золотых листьев.

Естественно, что ни один элемент не попадает на геральдический символ случайно. Каждый из них играет важную роль, которая раскрывается только хорошо знающим историю края, региона, местности.

Например, центральный персонаж на гербовом щите — олень, с одной стороны, он «говорит» о природных богатствах Нижегородской области, лесах и ярких представителях местной фауны. С другой стороны, олень выступает символом чистоты, благородства, величия, справедливости и мудрости. Корона ассоциируется с мудрой и сильной властью. Как полагают некоторые исследователи, в древности на территории современной Нижегородской области существовал культ оленя.

То же самое можно сказать и о символике цветов, использованных для герба Нижегородской области. Серебряный, традиционно символизирует благородство, невинность, чистоту мыслей и поступков. Червленый ассоциируется с морально — волевыми качествами, смелостью, неустрашимостью, мужеством, героизмом. Золотой цвет (золотые дубовые листья) соотносится с богатством, пышностью, расцветом, черный, в данном случае, цвет мудрости, вечности бытия, справедливостью, великодушия. Черный (черные копыта) — символ печали, благоразумия, смирения.

Дубовые ветви и Андреевская лента относятся к украшениям гербов.

Утвержден Законом Нижегородской области №42 — З от 10 сентября 1996 года; переутвержден Законом Нижегородской области от 10 сентября 2009 года № 42 — З “О Гербе Нижегородской области”.

Из — за несоответствий методическим рекомендациям Геральдического совета при Президенте РФ гербу Нижегородской области отказано в государственной регистрации до внесения соответствующих изменений.

Вопрос 10. Используя информационные источники (например, https://ru.wikipedia.org), изучите существующие на сегодняшний день определения понятия «жизнь». Выберите из них наиболее понравившееся вам и подготовьте краткое сообщение с его обоснованием.

Довольно трудно дать полное и однозначное определение понятию жизни, учитывая огромное разнообразие ее проявлений.

Жизнь является сложнейшей системой, поэтому любая попытка определения соответствующего понятия сталкивается с непреодолимыми трудностями: оно все время выскальзывает за рамки всякого сколь угодно точного и обширного определения. Учитывая это, благоразумно отказаться от непродуктивных усилий дать всеобъемлющее определение понятия «жизнь» и ограничиться его редуцированным представлением, в котором попытаться ухватить основную суть явления.

Жизнь — это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии.

Это определение очень подходит для практического применения, потому что в нем заложены основные свойства, в обязательном порядке присущие всем живым формам. Согласно данному определению жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной. Также из этого определения мы понимаем. Что жизнь существует в форме открытых систем. Это означает, что любая живая форма не замкнута только на себе, но постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Вопрос 11. В ходе изучения данного курса биологии вам предстоит выполнить ряд учебных и исследовательских проектов. На основе известных вам биологических знаний попробуйте сформулировать несколько возможных научных проблем (тем для исследования) и дайте характеристику предполагаемого объекта исследования.

1. Микробы — «друзья» или «враги»? Объект исследования — некоторые примеры микробов.

2. Искусственные органы для человека — проблема и перспективы. Объект исследования — искусственные органы.

3. Человек и окружающая среда — итоги эволюции человеческого общества на сегодняшний день. Объект исследования — влияние человека на окружающую среду.

4. Значение близкородственного скрещивания. Объект исследования — близкородственные скрещивания.

5. Причины развития раковых болезней. Объект исследования — раковые болезни.

6. Влияние микроорганизмов на человека. Объект исследования — некоторые виды микроорганизмов.

7. Сходства человека с разными видами животных. Объект исследования — отдельные черты человека, которые есть у других животных.

8. Влияние солнечного света на кожу человека. Объект исследования — солнечный свет.

9. Биотехнологии в жизни человека. Объект исследования — биотехнологии.

10. Генетически модифицированные продукты: часть нашего рациона. Объект исследования — генетически модифицированные продукты.

Вопрос 12. Чем схожи и чем отличаются друг от друга научное исследование и проект?

Исследование и проектирование — изначально принципиально разные по направленности, смыслу и содержанию виды деятельности. Исследование — бескорыстный поиск истины Проектирование — решение определённой, ясно осознаваемой задачи. В исследовании обнаруживается то, что уже есть. В проекте создаётся то, чего нет.

Сходства. 1.Оба вида деятельности в зависимости от цели могут быть подсистемами друг у друга. То есть, в случае реализации проекта в качестве одного из средств будет выступать исследование, а, в случае проведения исследования — одним их средств может быть проектирование. 2. В проекте, как и в исследовании, может присутствовать гипотеза.

Вопрос 13. Выберите одну из предложенных тем и обсудите её актуальность с учителем и/или одноклассниками:

1. Связь организма со средой — необходимое условие существования живых организмов.

2. Понятие «жизнь» необходимо рассматривать только в контексте биологии — доводы за и против.

3. Что такое жизнь с точки зрения физики?

Аргументируйте свою позицию.

Например, Вы взяли тему: «Понятие «жизнь» необходимо рассматривать только в контексте биологии — доводы за и против».

Такая тема вполне актуальна, т.к. ученые никак не могут прийти к единому мнению в определении этого понятия.

Доводы за:

1. Можно, если Вы исследуете «жизнь» в контексте биологии.

2. Можно, если проявление жизни связано с биологическими явлениями.

3. И др.

Доводы против:

1. Жизнь многогранна: это не только биологическая составляющая.

2. Не только биология изучает «жизнь», у каждой дисциплины своё понимание этого понятия.

3. И др.