Ģenētiskais (citoģenētiskais) sugu kritērijs kopā ar citiem tiek izmantots elementāru sistemātisku grupu izšķiršanai, sugas stāvokļa analīzei. Šajā rakstā mēs apskatīsim kritērija īpašības, kā arī grūtības, ar kurām pētnieks var saskarties, to piemērojot.
Kas ir skats
Dažādās bioloģijas zinātnes nozarēs suga tiek definēta savā veidā. No evolūcijas viedokļa var teikt, ka suga ir indivīdu kopums, kam ir līdzības ārējā struktūrā un iekšējā organizācijā, fizioloģiskajos un bioķīmiskos procesos, kas spēj neierobežoti krustoties, atstājot auglīgus pēcnācējus un ģenētiski izolēti no līdzīgām grupām.
Sugu var pārstāvēt viena vai vairākas populācijas, un attiecīgi tai var būt vesels vai sadalīts areāls (biotopa/akvatorija)
Sugu nomenklatūra
Katrai sugai ir savs nosaukums. Saskaņā ar binārās nomenklatūras noteikumiem tas sastāv no diviem vārdiem: lietvārda un īpašības vārda. Lietvārds ir sugas vārds, un īpašības vārds ir konkrētais nosaukums. Piemēram, nosaukumā "Dandelion officinalis" suga "officinalis" ir viena no "Dandelion" ģints augu pārstāvjiem.
Ģints radniecīgo sugu indivīdiem ir dažas atšķirības pēc izskata, fizioloģijas un ekoloģiskām vēlmēm. Bet, ja tie ir pārāk līdzīgi, tad to sugu piederību nosaka sugas ģenētiskais kritērijs, pamatojoties uz kariotipu analīzi.
Kāpēc sugai ir nepieciešami kritēriji
Kārls Linnejs, kurš pirmais deva mūsdienu nosaukumus un aprakstīja daudzu veidu dzīvos organismus, uzskatīja tos par nemainīgiem un nemainīgiem. Tas ir, visi indivīdi atbilst vienam sugas attēlam, un jebkādas novirzes no tā ir kļūda sugas idejas iemiesojumā.
Kopš 19. gadsimta pirmās puses Čārlzs Darvins un viņa sekotāji ir pamatojuši pavisam citu sugu jēdzienu. Saskaņā ar to suga ir mainīga, neviendabīga un ietver pārejas formas. Sugas noturība ir relatīva, atkarīga no vides apstākļu mainīguma. Sugas eksistences elementārā vienība ir populācija. Tas ir reproduktīvi atšķirīgs un atbilst sugas ģenētiskajiem kritērijiem.
Ņemot vērā vienas sugas indivīdu neviendabīgumu, zinātniekiem var būt grūti noteikt organismu sugas vai sadalīt tās starp sistemātiskām grupām.
Sugas morfoloģiskie un ģenētiskie kritēriji, bioķīmiskie, fizioloģiskie, ģeogrāfiskie, ekoloģiskie, uzvedības (etoloģiskie) - tas visssugu atšķirību kompleksi. Tie nosaka sistemātisko grupu izolāciju, to reproduktīvo diskrētumu. Un tos var izmantot, lai atšķirtu vienu sugu no citām, lai noteiktu to attiecību pakāpi un stāvokli bioloģiskajā sistēmā.
Sugas ģenētiskā kritērija raksturojums
Šīs pazīmes būtība ir tāda, ka visiem vienas sugas indivīdiem ir viens un tas pats kariotips.
Kariotips ir sava veida organisma hromosomu "pase", to nosaka nobriedušajās ķermeņa somatiskajās šūnās esošo hromosomu skaits, to izmērs un struktūras īpatnības:
- hromosomu rokas garuma attiecība;
- centromēru novietojums tajos;
- sekundāro sašaurinājumu un satelītu klātbūtne.
Indivīdi, kas pieder pie dažādām sugām, nevarēs krustoties. Pat ja ir iespējams iegūt pēcnācējus, piemēram, ar ēzeli un zirgu, tīģeri un lauvu, starpsugu hibrīdi nebūs ražīgi. Tas ir tāpēc, ka genotipa puses nav vienādas un nevar notikt konjugācija starp hromosomām, tāpēc gametas neveidojas.
Fotoattēlā: mūlis - sterils ēzeļa un ķēves hibrīds.
Pētījuma priekšmets - kariotips
Cilvēka kariotipu attēlo 46 hromosomas. Lielākajā daļā pētīto sugu atsevišķu DNS molekulu skaits kodolā, kas veido hromosomas, ir robežās no 12 līdz 50. Taču ir arī izņēmumi. Augļu mušai Drosophila šūnu kodolos ir 8 hromosomas, un nelielai Lepidoptera dzimtas Lysandra pārstāvei diploīdā hromosomu kopa ir.380.
Kompensēto hromosomu elektronu mikrogrāfs, kas ļauj novērtēt to formu un izmēru, atspoguļo kariotipu. Kariotipa analīze kā daļa no ģenētiskā kritērija izpētes, kā arī kariotipu salīdzināšana savā starpā palīdz noteikt organismu sugas.
Kad divas sugas ir viena
Skata kritēriju kopīgā iezīme ir tāda, ka tie nav absolūti. Tas nozīmē, ka precīzai noteikšanai var nebūt pietiekami izmantot tikai vienu no tiem. Organismi, kas ārēji neatšķiras viens no otra, var būt dažādu sugu pārstāvji. Šeit morfoloģiskais kritērijs nāk palīgā ģenētiskajam kritērijam. Dubultie piemēri:
- Mūsdienās ir zināmas divas melno žurku sugas, kuras iepriekš tika identificētas kā viena to ārējās identitātes dēļ.
- Ir vismaz 15 malārijas odu sugas, kuras var atšķirt tikai ar citoģenētisko analīzi.
- 17 Ziemeļamerikā atrastas circeņu sugas, kas ir ģenētiski atšķirīgas, bet fenotipiski saistītas ar vienu un to pašu sugu.
- Tiek uzskatīts, ka starp visām putnu sugām ir 5% dvīņu, kuru identificēšanai nepieciešams piemērot ģenētisku kritēriju.
- Apjukums kalnu govju sistemātikā ir novērsts, pateicoties karioloģiskām analīzei. Ir identificētas trīs kariotipu šķirnes (2n=54 mufloniem, 56 argali un argali un 58 hromosomas urialiem).
Vienai melno žurku sugai ir 42 hromosomas, otras kariotipu pārstāv 38 DNS molekulas.
Kad viens skats ir kā divi
Sugu grupām ar lielu areāla platību un īpatņu skaitu, ja tajās darbojas ģeogrāfiskā izolācija vai indivīdiem ir plaša ekoloģiskā valence, ir raksturīga īpatņu klātbūtne ar dažādiem kariotipiem. Šāda parādība ir vēl viens izņēmumu variants sugas ģenētiskajā kritērijā.
Hromosomu un genoma polimorfisma piemēri ir izplatīti zivīm:
- varavīksnes forelēm hromosomu skaits svārstās no 58 līdz 64;
- divi kariomorfi ar 52 un 54 hromosomām, atrasti B altās jūras siļķēs;
- ar diploīdu 50 hromosomu komplektu, dažādu sudrabkarpu populāciju pārstāvjiem ir 100 (tetraploīdi), 150 (heksaploīdi), 200 (oktaploīdi) hromosomas.
Poliploīdās formas ir sastopamas gan augos (kazas vītols), gan kukaiņos (smīkleņos). Mājas pelēm un smilšu smiltīm var būt atšķirīgs hromosomu skaits, nevis diploīdu kopas daudzkārtnis.
Kariotipa dvīņi
Dažādu klašu un tipu pārstāvjiem var būt kariotipi ar vienādu hromosomu skaitu. Šādu sakritību starp vienu un to pašu dzimtu un dzimtu pārstāvjiem ir daudz vairāk:
- Gorilām, orangutāniem un šimpanzēm ir 48 hromosomu kariotips. Pēc izskata atšķirības nav noteiktas, šeit ir jāsalīdzina nukleotīdu secība.
- Nelielas atšķirības Ziemeļamerikas bizonu un Eiropas bizonu kariotipos. Abiem ir 60 hromosomas diploīdā komplektā. Tie tiks piešķirti vienai un tai pašai sugai, ja tos analizēs tikai pēc ģenētiskiem kritērijiem.
- Ģenētisko dvīņu piemēri ir sastopami arī starp augiem, īpaši ģimenēs. Starp kārkliemir iespējams iegūt pat starpsugu hibrīdus.
Lai atklātu smalkas atšķirības šādu sugu ģenētiskajā materiālā, ir jānosaka gēnu secība un to iekļaušanas secība.
Mutāciju ietekme uz kritērija analīzi
Kariotipa hromosomu skaits var mainīties genoma mutāciju - aneuploidijas vai euploidijas - rezultātā.
Kad kariotipa aneuploidija parādās, parādās viena vai vairākas papildu hromosomas, un hromosomu skaits var būt arī mazāks nekā pilnvērtīgam indivīdam. Šī pārkāpuma iemesls ir hromosomu nesadalīšanās gametu veidošanās stadijā.
Attēlā parādīts cilvēka aneuploidijas (Dauna sindroma) piemērs.
Zigoti ar samazinātu hromosomu skaitu, kā likums, nesāk drupināt. Un polisomiskie organismi (ar "papildu" hromosomām) var būt dzīvotspējīgi. Trisomijas (2n+1) vai pentasomijas (2n+3) gadījumā nepāra hromosomu skaits norāda uz anomāliju. Tetrasomija (2n+2) var izraisīt faktisku kļūdu, nosakot sugu pēc ģenētiskiem kritērijiem.
| Mutācija | Mutācijas būtība | Ietekme uz sugas ģenētisko kritēriju |
| Tetrasomija | Kariotipa sastāvā ir papildu hromosomu pāris vai divas nehomologas papildu hromosomas. | Analīzē tikai pēc šī kritērija, organismu var klasificēt kā tādu, kam ir vēl viens hromosomu pāris. |
| Tetraploīdija | Kariotipāno katra pāra ir četras hromosomas, nevis divas. | Organisms var tikt piešķirts citai sugai tās pašas sugas poliploīdās šķirnes vietā (augos). |
Kariotipa pavairošana - poliploīdija - var arī maldināt pētnieku, ja mutanta kariotips ir vairāku diploīdu hromosomu kopu summa.
Kritēriju sarežģītība: nenotverams DNS
DNS virknes diametrs nesavītā stāvoklī ir 2 nm. Ģenētiskais kritērijs nosaka kariotipu periodā pirms šūnu dalīšanās, kad plānās DNS molekulas atkārtoti spirālē (kondensējas) un attēlo blīvas stieņa formas struktūras - hromosomas. Vidējais hromosomas biezums ir 700 nm.
Skolu un augstskolu laboratorijas parasti ir aprīkotas ar mikroskopiem ar mazu palielinājumu (no 8 līdz 100), tajos nav iespējams redzēt kariotipa detaļas. Turklāt gaismas mikroskopa izšķirtspēja ļauj jebkurā, pat lielākā palielinājumā redzēt objektus, kas nav mazāki par pusi no īsākā gaismas viļņa garuma. Vismazākais viļņa garums ir violetajiem viļņiem (400 nm). Tas nozīmē, ka mazākais objekts, kas redzams gaismas mikroskopā, būs no 200 nm.
Izrādās, ka iekrāsotais dekondensētais hromatīns izskatīsies kā duļķaini apgabali, un hromosomas būs redzamas bez detaļām. Elektronu mikroskops ar 0,5 nm izšķirtspēju ļauj skaidri redzēt un salīdzināt dažādus kariotipus. Ņemot vērā pavedienveida DNS biezumu (2 nm), tas būs skaidri atšķirams zem šādas ierīces.
Citoģenētiskais kritērijs skolā
Iepriekš aprakstīto iemeslu dēļ mikropreparātu izmantošana laboratorijas darbos atbilstoši sugas ģenētiskajam kritērijam nav piemērota. Uzdevumos varat izmantot hromosomu fotogrāfijas, kas iegūtas elektronu mikroskopā. Lai ērtāk strādātu fotoattēlā, atsevišķas hromosomas tiek apvienotas homologos pāros un sakārtotas secībā. Šādu shēmu sauc par kariogrammu.
Laboratorijas uzdevuma piemērs
Uzdevums. Apsveriet dotās kariotipu fotogrāfijas, salīdziniet tās un izdariet secinājumus par indivīdu piederību vienai vai divām sugām.
Kariotipu fotoattēli laboratorijas salīdzināšanai.
Strādā pie uzdevuma. Saskaitiet kopējo hromosomu skaitu katrā kariotipa fotoattēlā. Ja tie sakrīt, salīdziniet tos pēc izskata. Ja kariogramma nav uzrādīta, abos attēlos atrodiet īsāko un garāko no vidēja garuma hromosomām, salīdziniet tās pēc centromēru izmēra un atrašanās vietas. Izdariet secinājumu par kariotipu atšķirību/līdzību.
Uzdevuma atbildes:
- Ja hromosomu skaits, izmērs un forma sakrīt, tad divi indivīdi, kuru ģenētiskais materiāls ir iesniegts izpētei, pieder vienai sugai.
- Ja hromosomu skaits ir divas reizes atšķirīgs un abās fotogrāfijās ir vienāda izmēra un formas hromosomas, tad visticamāk indivīdi ir vienas sugas pārstāvji. Tie būs diploīdi un tetraploīdi kariotipi.forma.
- Ja hromosomu skaits nav vienāds (atšķiras par vienu vai diviem), bet kopumā abu kariotipu hromosomu forma un lielums ir vienādi, runa ir par hromosomu normālām un mutantajām formām. tā pati suga (aneuploidijas fenomens).
- Ar atšķirīgu hromosomu skaitu, kā arī lieluma un formas īpašību neatbilstību kritērijs uzrādītos indivīdus attiecinās uz divām dažādām sugām.
Izvadā jānorāda, vai pēc ģenētiskā kritērija (un tikai tā) iespējams noteikt īpatņu sugu.
Atbilde: tas nav iespējams, jo jebkuram sugas kritērijam, arī ģenētiskajam, ir izņēmumi un tas var dot kļūdainu noteikšanas rezultātu. Precizitāti var garantēt, tikai piemērojot veidlapas kritēriju kopu.
