Раздел 10. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ

§48. Роль ДНК в наследовании признаков

Наследственность и изменчивость — это общие свойства всех жи­вых организмов. Наследственность — это способность организмов быть похожими на своих предков. Изменчивость — это свойство жи­вых организмов отличаться от своих предков. Оба эти свойства при­сущи абсолютно всем формам жизни, начиная с одноклеточных бакте­рий и заканчивая цветковыми растениями и высокоорганизованными млекопитающими.

Хотя эти два понятия являются важнейшими научными термина­ми в биологии, вы, наверняка, и так имеете о них представление, ис­ходя из собственного опыта. Всем известно, что от собаки рождаются детеныши, похожие на родителей. По щенки при этом могут отличать­ся от одного или обоих родителей по цвету, росту, повадкам и т. д.

Если вы занимались выращиванием растений, то замечали те же закономерности. Из семян подсолнечника не вырастет хлопчатник или свекла.

В многодетных семьях у братьев и сестер всегда есть определенное сходство, но всегда есть и различия. Дети непременно чем-то будут похожи на своих родителей и в то же время чем-то обязательно будут отличаться.

Даже вирусы, больше нохожие на крупные молекулы и не прояв­ляющие свойств живого вне клеток, тоже обладают и наследственно­стью, и изменчивостью. Обеспечивает эти два чудесных свойства мо­лекула ДНК.

ДНК — нуклеиновая кислота. Это вещество наследственности. Пол ное ее название — дезоксирибонуклеиновая кислота. Молекула ДНК огромна. Ее строение очень сложное. Вы познакомитесь с ним в следу­ющих курсах биологии.

Молекула ДНК выглядит, как двойная спираль из двух перепле­тенных цепей (рис. 113). Структурную модель ДНК (двойную спираль) предложили ученые Дж. Уотсон и Ф. Крик (рис. 114) при содействии М. Уилкинса в 1953 г. За это выдающееся открытие они получили Но­белевскую премию (1962).

Строение, химический состав и обусловленные ими свойства моле­кулы ДНК очень сложные. Для их понимания понадобятся знания по химии и физике, которых у вас пока нет. Самое главное, что вы долж­ны уяснить сейчас, сводится к нескольким положениям:

1. ДНК — химическое вещество, которое обязательно есть в составе любой живой клетки.
2. ДНК (или похожее на нее вещество РНК) обязательно есть даже в неклеточных формах жизни — вирусах.
3. В ДНК записана вся наследственная информация организма. У многоклеточного организма (слон, дуб) все его клетки содержат одина­ковые молекулы ДНК. Неважно, какие это клетки: мышц, корня или листа стебля.
4. Чем более близкородственны организмы, тем больше похож со­став их молекул ДНК. Но у организмов одного вида и даже у близких родственников ДНК не будет абсолютно одинаковой¹.
5. ДНК не только сохраняет наследственную информацию, но и переносит ее в следующие поколения при размножении. Неважно, раз­множается одна клетка или целый организм. Размножение без ДНК невозможно.

¹ Исключение составляют однояйцевые близнецы. Они имеют абсолютно одинако­вую ДНК, так как образовались из одной клетки.

6. ДПК способна самоудваиваться (рис. 115). Благодаря этому про­цессу в организме она никогда не заканчивается. Перед каждым раз­множением образуется точная копия имеющейся молекулы ДПК. Она попадает в следующее поколение клеток.
7. Частицы ДНК могут изменяться. Такие изменения называются мутациями. Если они происходят, меняются какие-либо наследственные свойства организмов.
8. ДНК — химическое вещество. Из него состоят структуры — тельца, отвечающие за наследственность. Их называют хромосома­ми (рис. 116). Они находятся в ядре клеток, а у бактерий — в цитоплазме.

Наследственная информация. Это слово­сочетание очень часто используют журнали­сты, философы или психологи, не вникая в его биологический смысл. Чтобы понять, что такое наследственная информация, необхо­димо вспомнить химический состав клетки.

Как вы помните, в состав любой живой клет­ки входят белки, жиры и углеводы. Самыми сложными из них являются белки. Наследственная информация — это инструкция по производству белков орга­низма, записанная в ДНК.

 ДНК есть в каждой клетке организма, поэтому в каждой клетке записано, как делать все белки. Так, даже в ДНК клеток костей записан план создания белков мозга, и наоборот. Хотя белки, нужные клеткам мозга, в костях никогда не образуются, и наоборот.

Знание и понимание:

1. Как вы понимаете свойства живого: наследственность и изменчивость?  2. Можно ли из семечка подсолнечника вырастить свеклу? Ответ  обоснуйте.

Применение:

1. Что такое ДНК? Какие видимые в микроскоп тельца в ядре клеток состоят из этого вещества?
2. Кто и в каком году открыл структуру молекулы ДНК? Дайте полное название данного сложного вещества.
3. Опишите функции ДНК. Что такое мутации? Как связаны функции ДНК и мутации с понятиями изменчивости и наследственности.

Анализ:

1. Что такое наследственная информация?
2. Составьте схему основных положений о ДНК.

Синтез:

1. Опишите органические вещества, которые входят в состав клеток. Используя дополнительные источники информации и материал учебника, покажите, как все они взаимосвязаны.
2. Порассуждайте о том, как данная пословица связана с темой урока:

«Если от плохого родится хороший, то нет ему подобного. Если от хорошего родится плохой, то нет против него лекарства».

Оценка:

1. Щенок унаследовал от одного из родителей цвет и размер, а от друго­го — характер. Предположите, почему так произошло.
2. Возможно ли. что ребенок ученого пойдет по его стопам, а ребенок военного обязательно станет патриотом? будет ли это зависеть только от химического состава клеток? Аргументируйте свои предположения.

§49. ДНК. гены и хромосомы. Их организация

ДНК → гены → хромосома. ДИК — сложное химическое вещество. Хромосомы — мельчайшие органоиды, которые находятся в ядрах эукариотных клеток. Их можно увидеть и сфотографировать в электронном микроскопе (рис. 117). Хромосомы имеют палочковидную форму. Состоят они из ДНК, так же как гвозди, например, состоят из железа.

Ген — это участок молекулы ДНК, в котором записана наследствен ная информация об одном белке. Ген является как бы кусочком хро­мосомы. Гены в хромосомах не видны даже в самый совершенный микроскоп, потому что никаких физических структур, отделяющих один ген от другого, не существует. Между генами находится только особое сочетание компонентов ДНК. Поэтому определить, где один ген заканчивается, а другой ген начинается, можно только химическими или молекулярно-биологическими методами.

Можно сказать, что гвоздь состоит из железа. А можно также ска­зать, что гвоздь состоит из стержня и шляпки. Оба эти утверждения верны и не противоречат друг другу. Так как железо — это химическое вещество, а стержень и шляпка являются частями целого гвоздя. Точно так же соподчиняются понятия ДНК → гены → хромосомы. ДНК — это химическое вещество, из которого состоят хромосомы. А гены — это ча­сти хромосомы, из которых она состоит.

Количество генов в хромосоме огромно (рис. 118). У человека всего 46 хромосом, а белков в организме более миллиона. Каждый ген находится у нас в организме в двух экземплярах: один — от отца, а другой — от ма­тери. Получается, что в 23 хромосомах будет находиться более миллиона генов. Все хромосомы человека не одинаковы по размерам и форме. Одни из них длиннее и содержат больше генов, другие короче и генов в них поменьше. И все-таки в любой хромосоме содержится множество генов.

Иногда ученые-генетики говорят: «Один ген — один признак». Это устаревшее утверждение. Существуют признаки, которые контролиру­ются только одним геном. По гораздо чаще для развития признаков должно сработать множество генов. Поэтому правильнее было бы говорить: «Один ген — один белок».

Модель ДНК представлена Дж. Уотсоном и Ф. Криком в разверну­том состоянии. Но в реальных хромосомах в таком виде она находиться не может. Как же удается поместить ДНК хромосом внутри ядра? На самом деле это просто. Так же, как легко поместить в карман 100-ме­тровую нитку, намотанную на катушку. Вы когда-нибудь задумыва­лись, какой длины нить намотана на катушке? А ведь пока она в та­ком скрученном состоянии, ее можно спрятать даже в кулаке. Конечно, хромосома — это не катушка с ниткой, но принцип «упаковки» ДНК в хромосоме схожий.

В состав хромосомы входят не только ДНК, но и белки. Они укла­дываются в хромосоме в виде шариков (катушек), на которые наматы­вается ДНК. Дальше эти шарики собираются в структуру, укладыва­ясь группами. Затем эти структуры из уложенных шариков с намотан­ными на них витками ДПК объединяются и образуют непосредственно хромосому (рис. 119).

Таким образом, правильнее будет говорить, что хромосома состоит из молекулы ДНК и белков. Часто используется такая формулировка: «Хромосома — это молекула ДНК в белковой оболочке».

Но ДНК не механически удерживается на белках. Между веще­ствами в составе хромосомы существуют химические взаимодействия.

Для обозначения соединения, образующего хромосомы и состоящего из ДНК и белков, используется термин хроматин. Самое верное определение будет звучать так: хромосома состоит из хроматина.

Знание и понимание:

1. Где расположены органоиды клетки — хромосомы? Из каких веществ они состоят?
2. Какую форму имеет хромосома? Каковы ее функции?

Применение:

1. В каком порядке можно расставить понятия: «ген», «хромосома», «хроматин», «ДНК», «белки»?
2. Объясните сходство и отличия в понятиях: «ген», «хромосома», «хроматин», «ДНК», «белки».

Анализ:

Объясните, как вы понимаете выражение: «Один ген — один признак». Синтез:

1. Гвоздь состоит из железа. При этом он состоит из шляпки и стержня. Но эти качества описывают разные его аспекты. Выявите закономерность и на ее основе сопоставьте понятия: «ген», «хромосома». «ДНК», «хроматин».
2. Составьте схему, в которой будет отражено соподчинение понятий: ДНК, белки в составе хромосом, гены, хромосома, хроматин.

Оценка:

Известно, что общая длина всех 46 хромосом одной клетки человека сос­тавляет 2 см. Обсудите, как помещаются эти 2 см внутри ядра клетки, не видимой без микроскопа.

Дискуссия:

Используя интернет-ресурсы, найдите ответы на заинтересовавшие вас вопросы относительно строения, свойств и функций молекулы ДНК. Обратите внимание своих одноклассников на найденные вами интересные факты.