Cilvēce jau sen nodarbojas ar augu un dzīvnieku selekciju, kas piemērota iedzīvotāju vajadzībām. Šīs zināšanas tiek apvienotas zinātnē – atlasē. Ģenētika savukārt dod pamatu rūpīgākai jaunu šķirņu un šķirņu, kam piemīt īpašas īpašības, atlasei un audzēšanai. Rakstā aplūkosim šo divu zinātņu aprakstu un to pielietojuma iezīmes.
Kas ir ģenētika?
Gēnu zinātne ir disciplīna, kas pēta iedzimtas informācijas pārnešanas procesu un organismu mainīgumu paaudžu garumā. Ģenētika ir atlases teorētiskā bāze, kuras jēdziens ir aprakstīts tālāk.
Zinātnes uzdevumos ietilpst:
- Pētījums par informācijas glabāšanas un nodošanas no senčiem uz pēcnācējiem mehānismu.
- Pētījums par šādas informācijas ieviešanu organisma individuālās attīstības procesā, ņemot vērā apkārtējās vides ietekmi.
- Cēloņu izpēte undzīvo organismu mainīguma mehānismi.
- Attiecību noteikšana starp atlasi, mainīgumu un iedzimtību kā faktoriem organiskās pasaules attīstībā.
Zinātne ir iesaistīta arī praktisku problēmu risināšanā, kas parāda ģenētikas nozīmi audzēšanā:
- Selekcijas efektivitātes noteikšana un piemērotāko hibridizācijas veidu izvēle.
- Iedzimšanas faktoru attīstības kontrole, lai pilnveidotu objektu, lai iegūtu nozīmīgākas īpašības.
- Iedzimti modificētu formu iegūšana ar mākslīgiem līdzekļiem.
- Pasākumu izstrāde, kas vērsti uz vides aizsardzību, piemēram, no mutagēnu, kaitēkļu ietekmes.
- Cīņa pret iedzimtām patoloģijām.
- Panākt progresu jaunu audzēšanas metožu izstrādē.
- Meklēt citas gēnu inženierijas metodes.
Zinātnes objekti ir: baktērijas, vīrusi, cilvēki, dzīvnieki, augi un sēnītes.
Zinātnē lietotie pamatjēdzieni:
- Iedzimtība ir ģenētiskās informācijas saglabāšanas un tālāknodošanas īpašība pēcnācējiem, kas raksturīga visiem dzīvajiem organismiem un kuru nevar atņemt.
- Gēns ir DNS molekulas daļa, kas ir atbildīga par noteiktu organisma kvalitāti.
- Mainība ir dzīva organisma spēja ontoģenēzes procesā iegūt jaunas īpašības un zaudēt vecās.
- Genotips - gēnu kopums, organisma iedzimtais pamats.
- Fenotips - īpašību kopums, ko organisms iegūst indivīda procesāattīstība.
Ģenētikas attīstības posmi
Ģenētikas un selekcijas attīstība ir izgājusi vairākus posmus. Apsveriet gēnu zinātnes veidošanās periodus:
- Līdz 20. gadsimtam pētījumi ģenētikas jomā bija abstrakti, tiem nebija praktiska pamata, bet tie balstījās uz novērojumiem. Vienīgais tā laika progresīvais darbs bija G. Mendeļa pētījums, kas publicēts Proceedings of the Society of Naturalists. Taču sasniegums nekļuva plaši izplatīts un tika apgalvots tikai 1900. gadā, kad trīs zinātnieki atklāja savu eksperimentu līdzību ar Mendela pētījumiem. Tieši šo gadu sāka uzskatīt par ģenētikas dzimšanas laiku.
- Aptuveni 1900.-1912.gadā tika pētīti iedzimtības likumi, kas atklājās hibridoloģiskajos eksperimentos, kas tika veikti ar augiem un dzīvniekiem. 1906. gadā angļu zinātnieks V. Vatsons ierosināja ieviest jēdzienus "gēns" un "ģenētika". Un pēc 3 gadiem dāņu zinātnieks V. Johannsens ierosināja ieviest jēdzienus "fenotips" un "genotips".
- Aptuveni 1912.–1925. gadā amerikāņu zinātnieks T. Morgans un viņa studenti izstrādāja hromosomu iedzimtības teoriju.
- Aptuveni 1925.–1940. gadā pirmo reizi tika iegūti mutāciju modeļi. Krievu pētnieki G. A. Nadsons un G. S. Filippovs atklāja gamma starojuma ietekmi uz mutējošo gēnu parādīšanos. S. S. Četverikovs sniedza ieguldījumu zinātnes attīstībā, izceļot ģenētiskās un matemātiskās metodes organismu mainīguma pētīšanai.
- No 20. gadsimta vidus līdz mūsdienām ģenētiskās izmaiņas ir pētītas molekulārā līmenī. Beigās20. gadsimtā tika izveidots DNS modelis, noteikta gēna būtība un atšifrēts ģenētiskais kods. 1969. gadā pirmo reizi tika sintezēts vienkāršs gēns, vēlāk tas tika ievadīts šūnā un tika pētītas tā iedzimtības izmaiņas.
Ģenētiskās zinātnes metodes
Ģenētika kā selekcijas teorētiskais pamats savos pētījumos izmanto noteiktas metodes.
Tie ietver:
- Hibridizācijas metode. Tas ir balstīts uz sugu krustošanu ar tīru līniju, kas atšķiras ar vienu (maksimāli vairākām) pazīmēm. Mērķis ir iegūt hibrīda paaudzes, kas ļauj analizēt pazīmju pārmantojamības raksturu un cerēt iegūt pēcnācējus ar nepieciešamajām īpašībām.
- Ģenealoģijas metode. Pamatojoties uz ciltskoka analīzi, kas ļauj izsekot ģenētiskās informācijas pārnesei pa paaudzēm, pielāgošanās spējām slimībām, kā arī raksturot indivīda vērtību.
- Dvīņu metode. Pamatojoties uz monozigotu indivīdu salīdzinājumu, izmanto, ja nepieciešams noteikt paratipisko faktoru ietekmes pakāpi, ignorējot ģenētikas atšķirības.
- Citoģenētiskā metode ir balstīta uz kodola un intracelulāro komponentu analīzi, salīdzinot rezultātus ar normām šādiem parametriem: hromosomu skaits, to roku skaits un struktūras pazīmes.
- Bioķīmijas metodes pamatā ir noteiktu molekulu funkciju un struktūras izpēte. Piemēram, tiek izmantota dažādu fermentu izmantošanabiotehnoloģija un gēnu inženierija.
- Biofizikālās metodes pamatā ir plazmas proteīnu, piemēram, piena vai asiņu, polimorfisma izpēte, kas sniedz informāciju par populāciju daudzveidību.
- Monosomu metode par pamatu izmanto somatisko šūnu hibridizāciju.
- Fenoģenētiskā metode balstās uz ģenētisko un paratipisko faktoru ietekmes uz organisma īpašību attīstību izpēti.
- Populācijas statistikas metode ir balstīta uz matemātiskās analīzes pielietojumu bioloģijā, kas ļauj analizēt kvantitatīvos raksturlielumus: vidējo vērtību aprēķinu, mainīguma rādītājus, statistiskās kļūdas, korelācijas un citus. Hārdija-Veinberga likuma izmantošana palīdz analizēt populācijas ģenētisko struktūru, anomāliju izplatības līmeni, kā arī izsekot populācijas mainīgumam, izmantojot dažādas atlases iespējas.
Kas ir atlase?
Audzēšana ir zinātne, kas pēta jaunu augu šķirņu un hibrīdu, kā arī dzīvnieku šķirņu veidošanas metodes. Audzēšanas teorētiskais pamats ir ģenētika.
Zinātnes mērķis ir uzlabot organisma īpašības vai iegūt tajā cilvēkam nepieciešamās īpašības, ietekmējot iedzimtību. Atlase nevar radīt jaunas organismu sugas. Atlasi var uzskatīt par vienu no evolūcijas formām, kurā pastāv mākslīgā atlase. Pateicoties viņai, cilvēce tiek nodrošināta ar pārtiku.
Zinātnes galvenie uzdevumi:
- ķermeņa īpašību kvalitatīva uzlabošana;
- ražīguma un ražas pieaugums;
- organismu izturības paaugstināšana pret slimībām, kaitēkļiem, klimatisko apstākļu izmaiņām.
Īpatnība ir zinātnes sarežģītība. Tas ir cieši saistīts ar anatomiju, fizioloģiju, morfoloģiju, taksonomiju, ekoloģiju, imunoloģiju, bioķīmiju, fitopatoloģiju, augkopību, lopkopību un daudzām citām zinātnēm. Zināšanas par apaugļošanu, apputeksnēšanu, histoloģiju, embrioloģiju un molekulāro bioloģiju ir nozīmīgas.
Mūsdienu selekcijas sasniegumi ļauj kontrolēt dzīvo organismu iedzimtību un mainīgumu. Ģenētikas nozīme selekcijā un medicīnā izpaužas kā mērķtiecīga īpašību pēctecības kontrole un iespējas iegūt augu un dzīvnieku hibrīdus cilvēka vajadzību apmierināšanai.
Atlases izstrādes posmi
Kopš seniem laikiem cilvēks ir audzējis un selekcionējis augus un dzīvniekus lauksaimniecības vajadzībām. Bet šāds darbs bija balstīts uz novērojumiem un intuīciju. Selekcijas un ģenētikas attīstība notika gandrīz vienlaikus. Apsveriet atlases izstrādes posmus:
- Laukkopības un lopkopības attīstības laikā selekcija sāka būt masīva, un kapitālisma veidošanās izraisīja selektīvu darbu rūpnieciskā līmenī.
- 19. gadsimta beigās vācu zinātnieks F. Ačards veica pētījumu un ieaudzināja cukurbietēm ražas palielināšanas kvalitāti. Angļu selekcionāri P. Širefs un F. Gallets pētīja kviešu šķirnes. Krievijā tika izveidots Poltavas eksperimentālais lauks, kurkviešu šķirnes sastāva pētījumi.
- Audzēšana kā zinātne sāka attīstīties kopš 1903. gada, kad Maskavas Lauksaimniecības institūtā tika izveidota selekcijas stacija.
- Līdz 20. gadsimta vidum tika veikti šādi atklājumi: iedzimtības mainības likums, augu izcelsmes centru teorija kultūras vajadzībām, ekoloģiskie un ģeogrāfiskie selekcijas principi, zināšanas par augu izcelsmes izejmateriālu. augi un to imunitāte. N. I. Vavilova vadībā tika izveidots Vissavienības Lietišķās botānikas un jauno kultūru institūts.
- Pētījumi no 20. gadsimta beigām līdz mūsdienām ir sarežģīti, atlase cieši mijiedarbojas ar citām zinātnēm, īpaši ar ģenētiku. Ir izveidoti hibrīdi ar augstu agroekoloģisko adaptāciju. Pašreizējie pētījumi ir vērsti uz to, lai hibrīdi būtu ļoti produktīvi un izturētu biotiskus un abiotiskus stresa faktorus.
Atlases metodes
Ģenētika aplūko iedzimtas informācijas pārraides modeļus un veidus, kā kontrolēt šādu procesu. Selekcija izmanto ģenētikā iegūtās zināšanas un izmanto citas metodes organismu novērtēšanai.
Galvenie ir:
- Atlases metode. Atlasē tiek izmantota dabiskā un mākslīgā (neapzinātā vai metodiskā) atlase. Var atlasīt arī konkrētu organismu (individuālā selekcija) vai to grupu (masu selekcija). Selekcijas veida definīcija balstās uz dzīvnieku un augu vairošanās pazīmēm.
- Hibridizācija ļauj iegūt jaunus genotipus. Metodē izšķir intrasugu (krustošanās notiek vienas sugas ietvaros) un starpsugu hibridizāciju (dažādu sugu krustošanās). Inbrīdinga veikšana ļauj fiksēt iedzimtības īpašības, vienlaikus samazinot organisma dzīvotspēju. Ja izaudzēšana tiek veikta otrajā vai nākamajās paaudzēs, selekcionārs saņem augstražīgus un izturīgus hibrīdus. Konstatēts, ka ar attālu krustošanu pēcnācējs ir sterils. Šeit ģenētikas nozīme audzēšanai izpaužas kā iespēja pētīt gēnus un ietekmēt organismu auglību.
- Poliploīdija ir hromosomu kopu palielināšanās process, kas ļauj sasniegt auglību neauglīgos hibrīdos. Ir novērots, ka dažiem kultivētajiem augiem pēc poliploidijas ir augstāka auglība nekā to radniecīgajām sugām.
- Inducētā mutaģenēze ir mākslīgi izraisīts organisma mutācijas process pēc tā apstrādes ar mutagēnu. Pēc mutācijas beigām selekcionārs saņem informāciju par faktora ietekmi uz organismu un ar to jaunu īpašību iegūšanu.
- Šūnu inženierija ir izstrādāta, lai izveidotu jauna veida šūnas, kultivējot, rekonstruējot un hibridizējot.
- Gēnu inženierija ļauj izolēt un pētīt gēnus, manipulēt ar tiem, lai uzlabotu organismu īpašības un audzētu jaunas sugas.
Augi
Augu augšanas, attīstības un derīgo īpašību selekcijas izpētes procesā ģenētika un selekcija ir savstarpēji cieši saistītas. Ģenētika augu dzīves analīzes jomā nodarbojas arto attīstības pazīmju un gēnu, kas nodrošina normālu organisma veidošanos un darbību, izpētes jautājumi.
Zinātne pēta šādas jomas:
- Viena konkrēta organisma attīstība.
- Iekārtas signalizācijas sistēmu kontrole.
- Gēnu izteiksme.
- Augu šūnu un audu mijiedarbības mehānismi.
Selekcionēšana, savukārt, nodrošina jaunu radīšanu vai esošo augu sugu īpašību uzlabošanu, pamatojoties uz ģenētikā iegūtajām zināšanām. Zinātni pēta un veiksmīgi izmanto ne tikai zemnieki un dārznieki, bet arī selekcionāri pētniecības organizācijās.
Ģenētikas izmantošana selekcijā un sēklu ražošanā ļauj ieaudzināt augos jaunas īpašības, kas var būt noderīgas dažādās cilvēka dzīves jomās, piemēram, medicīnā vai kulinārijā. Tāpat zināšanas par ģenētiskajām īpašībām ļauj iegūt jaunas kultūraugu šķirnes, kas var augt citos klimatiskajos apstākļos.
Pateicoties ģenētikai, audzēšanā tiek izmantota krustošanas un individuālās selekcijas metode. Gēnu zinātnes attīstība ļauj pielietot tādas metodes kā poliploīdija, heteroze, eksperimentālā mutaģenēze, hromosomu un gēnu inženierija.
Dzīvnieku pasaule
Dzīvnieku selekcija un ģenētika ir zinātnes nozares, kas pēta dzīvnieku pasaules pārstāvju attīstības iezīmes. Pateicoties ģenētikai, cilvēks iegūst zināšanas par iedzimtību, ģenētiskajām īpašībām un mainīgumuorganisms. Un atlase ļauj atlasīt lietošanai tikai tos dzīvniekus, kuru īpašības ir nepieciešamas cilvēkiem.
Ilgu laiku cilvēki atlasa dzīvniekus, kas, piemēram, ir piemērotāki izmantošanai lauksaimniecībā vai medībās. Audzēšanai liela nozīme ir ekonomiskajām iezīmēm un eksterjeram. Tādējādi lauksaimniecības dzīvniekus vērtē pēc to pēcnācēju izskata un kvalitātes.
Ģenētikas zināšanu izmantošana audzēšanā ļauj kontrolēt dzīvnieku pēcnācējus un to nepieciešamās īpašības:
- vīrusu rezistence;
- izslaukuma pieaugums;
- individuāls izmērs un ķermeņa uzbūve;
- klimata tolerance;
- auglība;
- pēcnācēja dzimums;
- iedzimtu traucējumu novēršana pēcnācējiem.
Dzīvnieku audzēšana ir kļuvusi plaši izplatīta ne tikai tādēļ, lai apmierinātu cilvēka primārās uztura vajadzības. Mūsdienās var novērot daudzas mājdzīvnieku šķirnes, mākslīgi audzētas, kā arī grauzējus un zivis, piemēram, gupijas. Selekcija un ģenētika lopkopībā izmanto šādas metodes: hibridizācija, mākslīgā apsēklošana, eksperimentālā mutaģenēze.
Selekcionāri un ģenētiķi bieži saskaras ar sugas nevairošanās problēmu pirmās paaudzes hibrīdu vidū un būtisku pēcnācēju auglības samazināšanos. Mūsdienu zinātnieki aktīvi risina šādus jautājumus. Zinātniskā darba galvenais mērķis ir dzimumšūnu, augļa un mātes ķermeņa saderības modeļu izpēte ģenētiskā līmenī.
Mikroorganismi
Mūsdienu zināšanas audzēšanas unģenētika ļauj apmierināt cilvēku vajadzības pēc vērtīgiem pārtikas produktiem, ko galvenokārt iegūst no lopkopības. Taču zinātnieku uzmanību piesaista arī citi dabas objekti – mikroorganismi. Zinātne jau sen ir uzskatījusi, ka DNS ir individuāla iezīme un to nevar pārnest uz citu organismu. Taču pētījumi ir parādījuši, ka baktēriju DNS var veiksmīgi ievadīt augu hromosomās. Ar šo procesu baktērijām vai vīrusiem raksturīgās īpašības iesakņojas citā organismā. Tāpat jau sen ir zināma vīrusu ģenētiskās informācijas ietekme uz cilvēka šūnām.
Ģenētikas izpēte un mikroorganismu selekcija tiek veikta īsākā laikā nekā ar augkopību un lopkopību. Tas ir saistīts ar mikroorganismu straujo vairošanos un paaudžu maiņu. Mūsdienu selekcijas un ģenētikas metodes - mutagēnu izmantošana un hibridizācija - ir ļāvušas radīt mikroorganismus ar jaunām īpašībām:
- Mikroorganismu mutanti spēj pārmērīgi sintēzēt aminoskābes un palielināt vitamīnu un provitamīnu veidošanos;
- slāpekli fiksējošo baktēriju mutanti var ievērojami paātrināt augu augšanu;
- Ir izaudzēti rauga organismi - vienšūnas sēnes un daudzas citas.
Selekcionāri un ģenētiķi izmanto šos mutagēnus:
- ultraviolets;
- jonizējošais starojums;
- etilēnimīns;
- nitrozometilurīnviela;
- nitrātu uzklāšana;
- akridīna krāsas.
Mutācijas efektivitāteitiek izmantota bieža mikroorganisma ārstēšana ar nelielām mutagēna devām.
Medicīna un biotehnoloģija
Izplatīts ģenētikas izpratnē audzēšanai un medicīnai ir tas, ka abos gadījumos zinātne ļauj pētīt organismu iedzimtību, kas izpaužas to imunitātē. Šādas zināšanas ir svarīgas cīņā pret patogēniem.
Ģenētikas pētījums medicīnas jomā ļauj:
- novērstu bērnu ar ģenētiskām novirzēm piedzimšanu;
- novērstu un ārstē iedzimtas patoloģijas;
- pētīt vides ietekmi uz iedzimtību.
Tam tiek izmantotas šādas metodes:
- ģenealoģiskā - ciltskoka izpēte;
- dvīņi - atbilstošs dvīņu pāris;
- citoģenētiskā - hromosomu izpēte;
- bioķīmisks - ļauj identificēt mutantu alejas DNS;
- dermatoglyphic - ādas modeļa analīze;
- modelēšana un citi.
Mūsdienu pētījumi ir identificējuši aptuveni 2000 iedzimtu slimību. Pārsvarā garīgi traucējumi. Ģenētikas izpēte un mikroorganismu atlase var samazināt saslimstību iedzīvotāju vidū.
Ģenētikas un selekcijas sasniegumi biotehnoloģijā ļauj izmantot bioloģiskās sistēmas (prokariotus, sēnītes un aļģes) zinātnē, rūpnieciskajā ražošanā, medicīnā un lauksaimniecībā. Ģenētikas zināšanas sniedz jaunas iespējas šādu tehnoloģiju attīstībai: enerģiju un resursus taupošas, bezatkritumu, zināšanu ietilpīgas, drošas. Biotehnoloģijātiek izmantotas šādas metodes: šūnu un hromosomu atlase, gēnu inženierija.
Ģenētika un selekcija ir zinātnes, kas ir nesaraujami saistītas. Vaislas darbs lielā mērā ir atkarīgs no sākotnējā organismu skaita ģenētiskās daudzveidības. Tieši šīs zinātnes sniedz zināšanas lauksaimniecības, medicīnas, rūpniecības un citu cilvēka dzīves jomu attīstībai.
