Кижингинская школа - интернат среднего (полного) общего образования.
Проект «Популяционная генетика в модельном
эксперименте».
Выполнил (а): Балыкова Инга, 11кл
Дылыкова Елена, 11 кл
Найданова Светлана, 11 кл
Руководитель: , учитель
биологии
Кижинга 2009 г
Оглавление
1. Основная часть 1
1 .Теоретическая часть
- Закон Харди - Вайнберга
2.Практическая часть
- общая методика
- методика эксперимента 1
- методика эксперимента 2
- методика эксперимента 3
- методика эксперимента 4
III. Результаты и обсуждения.
IV. Выводы.
V. Заключение.
VI. Литература.
Введение.
Актуальность. В XIX в. Английский инженер Дженкин
высказал сомнение о том, что возникающие изменения признаков могут иметь значение для эволюции. Его сомнение базировалось на следующих рассуждениях: единичные особи, несущие полезные изменения, скрещиваются с нормальными, не имеющими уклонений. В результате число уклонений у потомков в первом поколении уменьшается по меньшей мере вдвое, во втором - вчетверо и т. д. Постепенно уклонение становится столь редким, что не может играть никакой роли в эволюции.
Последующие научные открытия учёных доказали несостоятельность данного мировоззрения. Исходя из закона Менделя о частоте гамет, находим, что уменьшение числа уклонений у потомства не означает, что уменьшилось число генов, вызывающих это уклонение. Особь, несущая полезное уклонение, передает своим потомкам не само уклонение, а гены, обеспечивающие это уклонение. Как правило, измененные гены рецессивны, а рецессивные гены могут не проявляться в гетерозиготе, но при этом они сами не изменяются и при последующих скрещиваниях они вновь могут проявиться в фенотипе рецессивной гомозиготы. Если возникающие мутации увеличивают возможности особей выжить в данных условиях и дать жизнеспособное потомство, то под действием естественного отбора происходит накопление в популяции мутантных генов, повышающих приспособленность особей к условиям, в которых действует отбор. Это положение представляется чрезвычайно важным. Сущность эволюционного преобразования в генетическом смысле сводятся, прежде всего, к изменению генного состава в популяции (как элементарной единице эволюции).
Цель: моделирование эволюционно-генетических процессов, происходящих в популяции.
Гипотеза: возникающие мутации имеют значение для эволюции органического мира.
Объект: популяционно-видовой уровень организации живой материи.
Предмет: моделирование процессов, происходящих в популяции.
Задачи:
- в доступной форме смоделировать закон Харди-Вайнберга;
- выяснить первичные преобразования, происходящие в
популяции.
- - выяснить за счёт чего мутации сохраняются в популяциях
- чем определяется соотношение частот мутантных и
нормальных генов; мутантных и нормальных фенотипов
Новизна проекта заключается в том, что нами использован метод моделирования, который редко используется в школьной практике при изучении генетических процессов в популяциях.
Практическая значимость проекта определяется тем, что результаты данного исследования позволяют понять глубинные процессы, происходящие на популяционно-видовом уровне.
Основная часть. Популяционная генетика изучает действие генетических законов на популяционном уровне и тесным образом связана с эволюционном учением.
Совокупность генотипов всех особей популяции составляет генофонд этой популяции. А под генетической структурой популяции понимают соотношение в ней различных генотипов и частот аллелей.
Частота аллеля - это фактически его доля в общей сумме аллелей данного гена. Сумма же частот всех аллелей одного гена равна единице. Так, для гена с двумя аллельными формами, если доля рецессивного аллеля b составляет 3/4, то все остальное количество (1/4) приходится на доминантный аллель В. Обычно частоты аллелей принято выражать в долях единицы. В нашем случае, обозначив частоту доминантного аллеля через р, а рецессивного-через g, можно записать:
р=0,25, q=0,75, p +q=l
Зная частоты аллелей, можно вычислить частоты генотипов (а следовательно, и относительную долю особей, имеющих данный генотип) в популяции (рис. 1). Соотношение между частотами генотипов было выведено независимо друг от друга английским математиком Дж. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом и получило название закона Харди - Вайнберга. В математическом
виде он выглядит так: (p+q)2 = р2 + 2pq+ q2 =1, где р и g - частоты доминантного и рецессивного аллелей соответственно, р2 - частота гомозиготного доминантного генотипа, 2pq - частота гетерозиготного генотипа, q2 - частота гомозиготного рецессивного генотипа.
Частота аллелей
( к закону Харди - Вайнберга)
Р(А) g(a)
(РР)АА | (Pg)Aa |
(Pg)Aa | (gg)aa |
Для генов, имеющих более двух аллелей, как, например, при наследовании групп крови системы АВО у человека, частоты генотипов можно рассчитать по формуле: (p+q+r)3 = 1, где p, q,r-соответствующие частоты аллелей.
В биологическом плане закон Харди - Вайнберга отражает распределение генотипов и популяциях и означает, что рекомбинация не изменяет соотношения различных аллелей в популяции, так как установившиеся после второго скрещивания частоты аллелей остаются одинаковыми из поколения в поколение, если соблюдаются следующие условия:
1) популяция велика;
2) в популяции осуществляется панмиксия – свободное скрещивание;
3) различные генотипы одинаково жизнеспособны и способны к размножению, т. е. отсутствует отбор;
4) мутаций не происходит или они элиминируют друг друга;
5) нет оттока или притока новых генотипов в популяцию. Очевидно, что популяций, удовлетворяющих этим условиям в течение длительного времени, в природе не существует. Мутации происходят всегда, а меняющиеся условия среды также обычно оказывают предпочтение определенным фенотипам. Несмотря на эти ограничения, формулой Харди - Вайнберга удобно пользоваться для описания некоторых генетических явлений.
Методика.
Для проведения эксперимента используют шашки, например черного и белого цвета, символизирующие аллельные гены. Шашки черного цвета условно обозначают доминантный ген А, белого - рецессивный ген а. Шашки помешаются в непрозрачный мешок. Манипуляции с этими шашками позволяют иллюстрировать процессы, происходящие в некой абстрактной популяции. Частота встречаемости генов в эксперименте может быть любой (в данном случае в мешок помещают 80 черных и 20 белых шашек), но при этом нельзя забывать, что сумма частот генов А и а должна равняться единице:
р+ q=l.
Эксперимент 1. Имитация свободного скрещивания в популяции, как одно из условий выполнения условий закона Харди-Вайнберга. Этапы работы.
1. Из мешка вслепую достаются по одной шашке и выставляются на стол попарно одна на другую. Шашки в данном случае представляют собой 2 типа гамет. Их случайное объединение имитирует процесс случайного объединения брачных пар - свободное скрещивание.
2. Подсчёт количества особей каждого типа: аа; АА; Аа.
3. Определение частоты встречаемости генов.
4. Сравнение наблюдаемой частоты с той, которая д. б. при условии выполнения уравнения Харди-Вайнберга.
5. Частота генов определяется по формуле.
Р=
Где р - частота аллеля А;
g - частота аллеля а;
N - общее количество особей;
D - количество доминантных гомозигот; Н - количество гегерозигот;
R - количество рецессивных гомозигот.
D+H+R=N
6. Заполнение таблицы 1 «Распределение генотипов в модельной популяции при выполнении условий уравнения Харди-Вайнберга »
Эксперимент 2. Наблюдение смены поколений в модельной популяции.
1. Представим, что «особи», полученные в эксперименте 1
должны дать потомство, т. е. следующее поколение.
2.ГТусть каждая из «особей» формирует по 2 гаметы. Нижние шашки (гаметы) и верхние шашки (гаметы) собираем в отдельные мешки.
3. Повторяем эксперимент.
4. Результаты вносим в таблицу 1.
Эксперимент 3. Моделирование первичных эволюционных преобразований на примере промышленного меланиша у берёзовой пяденицы (естественный отбор). 1.Состав популяции остаётся прежним:
- частота гена А = 0.80
- частота гена а = 0.20
- ген А-доминантный, определяет чёрную окраску бабочек.
- ген а-рецессивный, определяет белую окраску бабочек.
- в результате скрещивания образуются генотипы АА; Аа; аа.
2. В ходе эксперимента убираем из популяции в каждом поколении белых бабочек (бело-белые комбинации шашек ) и выводим эти шашки из опыта. В данном случае имитируется процесс естественного отбора, направленный против бабочек, имеющих белую окраску, заметную на тёмных стволах берёз.
3. Подсчёт числа оставшихся чёрных и белых шашек.
4.Вычисление частоты генов А и а
5. Повторить эксперимент до 4 поколений
6. Заполнение таблицы 2. «Распределение генотипов в модельной популяции при отборе против генотипа аа» Эксперименте Моделирование влияния количества особей на выполнение условий уравнения Харди-Вайнберга.
1. Исходим из того, что не все особи в популяции участвуют в формировании следующего поколения.
2. Для формирования следующего поколения используем 5 пар случайно вынутых шашек, т. е.5 пар гамет.
3. Пусть каждая из пяти особей сформирует теперь не по паре гамет, а по 10, т. е. чёрно-чёрная даст 10 чёрных гамет. чёрно-белая 5 чёрных и 5 белых, бело-белая - 10 белых. Вернём их в мешки и вновь вынем в слепую только 5 пар шашек.
4. Результаты занесём в таблицу 3 «Распределение генотипов в модельной популяции при низкой численности (N=5)»
Эксперимент 5. Распределение генотипов в модельной популяции при гомогенном подборе пар.
1. В каждом поколении идёт гомогенный подбор пар. Белые скрещиваются с белыми, чёрные с чёрными, чёрно-белые с чёрно-белыми.
2. Вычисление частоты генов А и а.
3. Заполнение таблицы 4. «Распределение генотипов в модельной популяции при гомогенном подборе пар»
Результаты и обсуждение:
таблица 1 «Распределение генотипов в модельной популяции при выполнении условий уравнения Харди-Вайнберга »
поколение | АА | Аа | аа | А 0.80 0.83 | а |
0 | 32 | 16 | 2 | 0,80 | 0.20 |
1 | 34 | 15 | 1 | 0,83 | 0.17 |
2 | 29 | 18 | 3 | 0.76 | 0.24 |
3 | 33 | 15 | 2 | 0.81 | 0.19 |
4 | 30 | 16 | 4 | 0.76 | 0.24 |
итого | 158 | 80 | 12 | 0.79 | 0.21 |
Вывод:
1. Свободное скрещивание, т. е. случайное объединение гамет, приводит к тому, что в популяции устанавливается генетическое равновесие - распределение генотипов соответствует уравнению Харди-Вайнберга.
2. При соблюдении условий уравнения Харди-Вайнберга соотношение частот генотипов будет воспроизводиться из поколения в поколение.
3. От опыта к опыту мы наблюдаем не большие изменения частот генотипов что обусловлено отступлением от первого условия(популяции малочисленная).
4. При свободном скрещивании в популяции в гетерозиготном состоянии сохраняется резерв мутантных генов, которые в случае необходимости могут быть использованы отбором.
таблица 2. «Распределение генотипов в модельной популяции при отборе против генотипа аа»
Пок. | АА | Аа | аа | А | А |
0 | 32 | 16 | 2 | 0.80 | 0.20 |
1 | 33 | 14 | 1 | 0.83 | 0.17 |
2 | 34 | 12 | 1 | 0.85 | 0.15 |
3 | 35 | 10 | 1 | 0.87 | 0.13 |
4 | 36 | 9 | 0 | 0.90 | 0.10 |
Выводы.
1. Наблюдаемая в опыте 1 частота генотипов не соответствуют уравнению Харди- Вайнберга. В данном эксперименте не выполняется третье условие уравнения отсутствие отбора в популяции.
2. Изменяется генофонд популяции: падает частота гена а, растёт частота гена А в результате отбора популяция приспосабливается к изменившимся условиям среды обитания.
3. Явление изменения частот генов - элементарное эволюционное событие.
4. Эволюционирует не особь, а популяция: в популяции увеличивается частота «приспособленных» фенотипов
5. Благодаря гетерозиготности и свободному скрещиванию в популяции всегда сохраняется резерв рецессивных генов, что обеспечивает популяции возможность выживания и приспособления при изменении условий среды и, значит, изменении направления отбора.
таблица 3 «Распределение генотипов в модельной популяции при низкой численности (N=5)»
АА | Аа | аа | А | а | |
32 | 16 | 2 | 0.80 | 0.2 | |
2 | 3 | 0 | 0.70 | 0.31 | |
4 | 0 | 1 | 0.80 | 0.21 | |
3 | 1 | 1 | 0.70 | 0.3 | |
4 | 1 | 0 | 0.90 | 0.1 | |
5 | 0 | 0 | 1.00 | 0 |
выводы:
1. В первом поколении наблюдаем резкое изменение генных частот.
2. Элементарное эволюционное событие произошло вследствие малочисленности выборки.
3. Популяция с каждым поколением уходит всё дальше от исходного соотношения частот генов.
4. Вероятностные события в эволюционном процессе играют важную роль.
таблица 4 «Распределение генотипов в модельной популяции при гомогенном подборе пар»
АА | Аа | аа | А | а 0.20 | |
32 | 16 | 2 | 0.80 | 0.20 | |
36 | 8 | 6 | 0.80 | 0.20 | |
38 | 4 | 6 | 0.80 | 0.20 ~~ 0.20 | |
39 | 2 | 9 | 0.80 | 0.20 | |
40 | 0 | 10 | 0.80 | 0.20 |
Выводы:
1. В популяции резко снижается частота гетерозигот.
2. Частота гомозигот возрастает.
3. В популяции нарушается 2 условие: скрещивание между особями происходит не свободно, не случайно, а направленно.
4. В конце концов популяция приходит к состоянию, когда в ней представлены только 2 гомозиготных класса.
5. Популяция дивергировала на 2 чистые линии.
Заключение
Предметом изучения является обмены популяционно - видового уровня организации, конкретное моделирование генетических законов действует на популяционном уровне.
В ходе эволюции не каждая особь становится все более и более приспособленной, а в популяции растет частота более приспособленных особей. В этом принципиальное отличие дарвинизма от ламаркизма и других эволюционных гипотез.
Но если в популяции не действует естественный отбор, не происходят мутации и популяция достаточно велика, то она находится в состоянии генетического равновесия, так как соотношения числа генотипов в ней постоянно. Оно выражается математическим уравнением Харди - Вайнберга:
Р2АА : 2pq Aa: q2aa.
В популяциях при определенных условиях сохраняется постоянство генотипического состава из поколения в поколение.
Согласно уравнению Харди - Вайнберга, частоты генотипов в популяции однозначно определяются частотами генов. Если частота гена А равна р, а частота гена a - q, то частота генотипа АА равна р2 , аа – q2 и Aa - 2pq.
