Наследственная изменчивость позволила существовать разным видам. Она бывает комбинативной и мутационной. Это изучает наука биология. Школьники знакомятся с мутационной изменчивость и ее видами, переходя в 11 класс. Поговорим о том, какая была эволюционная роль мутаций, ведь из-за них появилось так много разновидностей живых существ.

Определение мутации

Мутации — это эволюционные изменения, происходящие в генетическом материале особей. Есть три уровня, на которых они бывают:

1. Гены. Мутации происходят на уровне генов.
2. Хромосомы. Изменения возникают на хромосомном уровне.
3. Геном. Геномный уровень — это совокупность всех хромосом.

Мутация может сохраняться в генетической последовательности неограниченное количество времени. Если рассматриваются биологические системы, которые способны размножаться, это не означает, что изменения будут влиять на их потомство. Сначала необходимо понять, наследственные ли они. Есть мутации, которые не несут какой-то особой роли в эволюционном развитии для потомков, потому что оказывают влияние только на одну особь, которая является их носителем.

Эволюционная роль мутаций напрямую зависит от того, будут ли они передаваться следующим поколениям. Для того чтобы это случилось, они должны:

• оказать влияние на ДНК, которые содержат наследственную информацию особи;
• мутации должны возникнуть в клетках, которые отвечают за возникновение следующего поколения, т.е. потомства.

Разнообразие видов возникает из-за того, что мутационная изменчивость, как и комбинативная, взаимодействует с давлением окружающей среды.

Процесс мутаций относятся к изменению нуклеиновых кислот. Как можно вспомнить из уроков биологии, они в клеточных организмах выполняют роль строительных блоков, из которых состоит каждая молекула ДНК. В вирусах они также могут быть такими элементами для РНК. Обе эти молекулы — это носители, которые содержат всю информацию, которая нужна, чтобы воспроизвести такие же организмы.

Соматические мутации — это эволюционные изменения в других клетках особи. Они влияют только на носителя и не выполняют никакой роли для эволюционного процесса. Исключения — случаи, когда соматические мутации возникают систематически, оказывая важное влияние на фундаментальные особенности организма и его эволюционный процесс. Пример: изменяется способность вида к выживанию, продолжительность его жизни увеличивается.

Мутации подразделяются на:

• оказывающие положительный эффект;
• несущие негативные последствия;
• нейтральные.

Большая часть мутаций, которые возникают повторно, — это нейтральные изменения. Они не играют роли для эволюционного процесса, не влияют на организм и его приспособленность к условиям окружающей среды. Средние по частоте появления — негативные, а полезными можно назвать только малую часть мутаций, которые, в свою очередь, помогают приспосабливаться к внешнему миру.

Читайте статью: Что это такое хромосомная и геномная мутация

Какие типы мутаций существуют, как проявляются мутации?

Онтогенез — это огромный отрезок времени, который принято отмерять либо с момента зачатия, либо с момента рождения особи до конца ее жизни. Под ним подразумеваются все биологические и иные изменения организма. Мутации, играющие роль для эволюционного процесса, возникают на протяжении всего этого периода.

От того, на каком этапе онтогенеза возникает та или иная мутация, напрямую зависит степень ее воздействия на человека. Это означает, что изменения, возникающие в период вынашивания плода или в первые года жизни существенно влияют на дальнейшее эволюционное развитие.

Т. к. мутация — это процесс, связанный с изменением, которое происходит в геноме или гене, существуют два их типа. Их принято считать основными:

1. Крупномасштабные. Это эволюционные мутации, происходящие в определенных частях хромосом. Роль этого типа в эволюционном прогрессе связана с возникновением разных серьезных заболеваний или синдромов, которые способны не только передаваться потомству, но и привести к летальному исходу.
2. Носящие мелкий масштаб. Такие генетические мутации чаще имеют вид замен, хромосомных перестроек, а также это бывают вставки какого-либо количества нуклеотидов.

Полезность мутаций или их негативный эффект на особь никак не влияет на то, возникнет она или нет. С этой точки зрения такие эволюционные изменения происходят абсолютно случайно. Важно учитывать тот факт, что случайность мутаций может быть опровергнута. Для подтверждается не регулярным возникновением того или иного типа. Некоторым из них способствуют низкоуровневые биохимические реакции, происходящие в организме, поэтому они случаются чаще других.

Биологические системы стараются прилагать все возможные усилия, чтобы частота мутаций оставалась минимальной. Это связано с тем, что многие их последствия носят негативный характер и могут всячески навредить.

По характеру проявления мутации бывают двух типов:

• спонтанные;
• индуцированные.

Первые — это те, которые появляются естественным путем из-за воздействия условий окружающей среды. Вторые, наоборот, спровоцированы мутагенами.

Мутагенез и мутагены

Мутагенезом ученые называют процесс появления мутаций. Они образуются в половых или соматических клетках, что приводит к разным последствиям. В первом случае, это заболевания, носящие наследственный характер, во втором — разные опухоли, аутоиммунные болезни и старение, в целом.

Несмотря на определенную постоянность в появлении мутаций, есть некоторые причины, которые этому способствуют. Эти факторы называют мутагенами. Ими бывают химические вещества, воздействие температуры, вирусы, прочее.

Виды мутации

Чтобы понять, чем отличается один вид скачкообразных изменений в наследственном аппарате от другого с точки зрения эволюционной роли, необходимо разобрать особенности каждого из них. Всего их существует три.

Геномные мутации

Этот вид у людей не наблюдается, потому что тесно связан со смертельным исходом. При этом у предков человеческого индивидуума такие мутации были, но более 100 миллионов лет назад, т. е. еще до того, как возникли приматы. Рассматривать геномные мутации удобнее на примере животных и растений, потому что у них они случаются чаще.

Пример геномной мутации — удвоение наследственного материала. Есть два варианта, как это может осуществиться:

1. Если перед митозом клетка совершила удвоение генетической информации, но не поделилась. Когда речь идет о зародыше, гаметы получаются не гаплоидными, а диплоидными, т. е. у них двойной набор хромосом вместо одного. Условие: у индивидуума противоположного пола должна быть такая же мутагенная гомета. Только так может быть образована зигота.
2. Удвоение может случится из-за мейоза. Нормой считается, когда из диплоидных гамет после этого процесса возникают гаплоидные клетки с одним набором. Количество сокращается в два раза в процессе редукционного деления мейоза. Такого также может и не случиться, тогда потомок будет рожден с четырехкратным набором хромосом, полученным от обоих родителей. Встречается у растений, например, у кукурузы.

Рассмотрим, как протекает эволюционная полиплоидизация у растений и животных в отдельности.

Увеличение числа хромосом в ядре у растений

У растений увеличение числа хромосом в ядре, т. е. эволюционная полиплоидизация встречается чаще, чем у животных и наделена своими особенностями. Например, развивается чаще у маленьких таксономических групп вроде семейства, рода или вида.

Существуют два типа эволюционной полиплоидии:

1. Аутополиплоидия. Протекает внутри одного вида и означает, что наборы хромосом из-за мутации увеличивают кратно. 2n → 4n → 8n → 16n → 32n и т. д.
2. Аллополиплоидия. Протекает между двумя разными видами. Заключается в том, что геномы суммируются, а после кратно увеличиваются. 1n (14) + 1n (7) = 2n (21) — 4n (42). 

Многие культурные растения относятся к полиплоидам.

Гибридные растения, выведенные путем эволюционной автополиплоидии, образованы из-за кратного увеличения хромосом при мутации. Например, вот так выглядит диплоидный и тетраплоидный виноград. У октоплоидной земляники (8n) есть существенное внешнее отличие от диплоидного плода (2n) — это ее размер.

Путем длительных экспериментов учеными было выявлено, что многие растения появились из-за того, что скрещивались две разные линии предков. При этом обе из них к тому времени прошли процесс диплоидизации. Ярким примером является слива, образованная от терна и алычи, потому что такого растения в природе не существовало.

Триплоиды, в свою очередь, не могут давать потомство, но вполне могут существовать. Также это возможность получить бессемянные формы и увеличить урожайность. Такие растения в результате мутаций образовались с троекратным хромосомным набором. Семена они дают крайне редко — вероятность подобного явления близится к показателю один на миллион из-за большого количества условий, которые должны удачно совпасть. Пример триплоида — это все бананы, которые употребляются в пищу.

Читайте статью: Как генетические процессы влияют на популяции: какие способствуют, а какие нарушают стабильность

Рост числа хромосом у животных. Баланс генов.

Мужские и женские особи одного вида существуют с разным количеством X хромосом — у первых она всего одна, а у вторых — 2. Т. к. баланс важен, как у животных, так и у людей, одна из них у женских индивидуумов инактивируется. Это объясняет, почему близнецы всегда одного гендера: либо две девочки, либо два мальчика. Из-за того, что X-хромосома у мужчин всего одна, близнецы этого пола между собой более схожи, а девочки, в свою очередь, больше отличаются друг от друга.

Подтверждением жизнеспособного потомства при размножении индивидуумов с разным количеством хромосом считаются и некоторые животные. Например, мул. Это животное появилось путем скрещивания осла и лошади. Они обитают в одной окружающей среде и наделены схожими внешними чертами.

Их геномы также очень похожи между собой. Необходимое количество генов позволяет эволюционировать и воспроизводить потомков, которые способны полноценно жить. Разница у них только в хромосомном расположении — они устроены по-разному. Это один из примеров того, как выполняется роль мутаций в эволюционном прогрессе человечества, возникает новый вид живых существ. 

К такому же скрещиванию относится и возникновение лошака. Он, в отличие от мула, произошел от коня и ослицы, а не наоборот. Диплоидный набор лошади и осла разный — 64 и 62. Поэтому при скрещивании получается по 63 у каждого вида образованных существ.

Важно также заметить, что на этой хромосоме расположилось большое количество генов. Все они оказывают влияние на зародышевую ткань, помогая ей правильно функционировать. Бесплодие некоторых индивидуумов связано с этими генами. Из-за того, что они неправильно функционируют, около 5% живых существ не способны давать потомство. Частота этого явления одинаковая как для мужчин, так и для женщин.

Гипотеза Лайон

Мэри Лайон в 1961 году, независимо от другого ученого Лиана Рассела, выдвинула предположение, что инактивация происходит на разных стадия развития эмбриона. Гипотеза о женском мозаицизме объясняла то, насколько большой жизнеспособностью наделен женский организм.

Инактивация происходит примерно на 16 день зародышевого развития организма, т. е. на третьей неделе. У 50 процентов клеток активной остается та, что отвечает за материнство, у другой половины активна отцовская. При этом стоит учитывать, что у мужчин нет инактивации X, но частично это происходит с Y.

Хромосомные мутации

Эти мутации отличают от других тем, что при них изменяется отдельная хромосома или сразу несколько, преобразуется их количество или структура. Они существенно влияют на эволюционный процесс человечества. Чтобы выявить их, необходимо использовать специальное окрашивание.

Так в пробирках оказываются ДНК, которые соответствуют определенным частям хромосом. В дальнейшем их красят красителями, предназначенными для этого. Путем еще ряда действий, которые носят название «гибридизация», каждая частичка ДНК в пробирке получается разного цвета. После этого нехватку чего-то для эффективного эволюционного прогресса можно определить по специальной карте. Такая методика возникла более 20 лет назад, одновременно с проектом «Геном человека».

Если этим мутациям подвергается зародыш, то ни о какой эволюции речи быть не может, потому что это приведет только к смертельному исходу. В большинстве случаев они появляются у людей, болеющих опухолевыми заболеваниями, а точнее на их конечных стадиях. Образуются мутации в соматических клетках тела.

Что такое синдром Дауна?

Синдром Дауна возникает у новорожденного из-за того, что хромосомы неправильно распределились в процессе мейоза у матери. Это связано с тем, что половая клетка или ооцит способна находится в состоянии деления около 50 лет, а за это время на нее может оказывать воздействие много разных мутаций. Бывают случаи, которые приводят к смерти малыша еще на ранних этапах своего развития. 

Шанс выносить и родить здорового ребенка уменьшается с возрастом женщины. Расхождения, возникающие в 21 паре, являются синдромом Дауна. С ним возможна жизнедеятельность человека, но она усложняется.

Современная медицина способна путем диагностики выявить синдром Дауна на ранних этапах развития плода внутри утроба матери. Для этого используют либо цитогенетические методы, либо ПЦР. Не всегда за этот синдром отвечает сбой в 21 паре, иногда роль играет ген, который находится в лишней хромосоме.

В науке встречались случаи, когда ген переносился на другие и их количество составляло три. Определить транслокацию можно только, используя ПЦР.

Виды внутренних изменений

Есть ряд мутаций, которые выполняют роль фактора, изменяющего структуру отдельной хромосомы. Они тоже помогают человечеству добиться эволюционного прогресса. Всего их четыре:

1. Дупликация. Это процесс, при котором какой-либо сегмент любого размера удваивается. В зависимости от ситуации, может как привести к смерти, так и не привести к ней.
2. Инверсия. Переворот какого-либо сегмента, при котором гены, расположенные по его краям, могут потерять свое изначальное функционирование из-за того, что разрыв находится под ними. Работа остальных генов в этом участке также видоизменяется. Этот тип мутации не играет эволюционной роли в плане выживания, но остается важным для переноса информации с одной клетки на другую путем прямого контакта между ними.
3. Делеция — это потеря сегмента. Также считается типом мутации, которая может закончится смертью плода. Если делеция касается половой клетки, то такого исхода можно избежать. Есть последствия: способность размножаться снижается, а ментальные функции ухудшаются.
4. Транслокация. Перенос сегмента на другую молекулу ДНК. Чаще это случается у людей с раковыми заболеваниями. Этот процесс могут выполнять отдельные гены. Транслокацию легко заметить, особенно если это последние стадии болезни.

Такие перестройки чаще встречаются в эволюции у растений, но стоит учитывать, что любой новый вид существ отличается от других своим набором молекул ДНК. Это проявляется не столько в разности генов, сколько в отличиях их расположения.

Генные мутации

В человеке существует огромное множество отличий материнского набора молекул от отцовского — больше двух миллионов позиций на три миллиарда нуклеотидов. У людей с обезьянами таких различий еще больше — около 20 млн. Половина возникла по линии животных, а половина по линии нам подобных существ.

Роль мутаций в эволюции проявляется позже, но они протекают либо на стадии онтогенеза, либо в поколениях. Перемены осуществляются или в генах, или в геноме. Есть также исключения — это случаи, когда мутации носят регулярный характер. Примером является инфузория, у нее молекулы ДНК в процессе образования клетки распадаются на отдельные части, при этом каждый относится к своему гену.

У инфузорий ядра разные. В одном виде находится обыкновенная наследственная информация, а в другом ее фрагментированная версия. На стадии зародыша участие принимают только ядра первого вида.

Есть существа, у которых большая часть генома исчезает в то время, пока формируется организм. Примером является циклоп. Генетический материал в их соматических клетках практически полностью исчезает, оставляя около 10%. При этом у зародыша геном не мутирует.

Генные мутации могут быть исправлены путем применения системы репарации. Они есть у всех живых существ, потому что генетическая информации в клетке предка играет важную роль в эволюции видов.

Когда мутация переходит к потомству, их организм воспринимает их как свои собственные. Бывают летальные случаи подобных изменений, а другие, в свою очередь, продолжают передаваться другим поколениям, выполняя свою роль для эволюционного процесса.

Причины мутаций и их искусственное вызывание

Мутации, играющие роль в эволюционном прогрессе, возникают из-за воздействия мутагенов. Этому способствуют ошибочные делеции, вставки нуклеотидов в генетической информации в последовательности ДНК.

Искусственное вызывание мутаций или искусственный мутагенез позволяет особям эволюционировать. Преимуществом этого метода — это контроль. Применяют его в процессе селекции флоры или других микроорганизмов. Частота таких мутаций значительно выше, чем у естественных.

Из-за ненаправленного характера этих изменений, путем отбора необходимо выбрать те организмы, которые наделены полезными свойствами. Эту задачу селекционер выполняет самостоятельно.

Искусственный мутагенез выполняет важную эволюционную роль. Он вызывается разными типами излучения, например, рентгеновским излучением или радиацией. Также воздействие осуществляется химическими веществами и прочим.

Впервые такую методику применяли советские ученые-селекционеры Делоне и Сапегин. Это было сделано в период с 1928 по 1930 гг. С тех пор стал возможен серьезный скачок эволюционный скачок.

Эволюционная роль мутаций

Мутации—  один из основных материалов для эволюционного процесса. Эта изменчивость выполняет роль поставщика, предоставляя наследственные изменения. Эволюционные преобразования осуществляются на основе мутаций.

Эволюция — это бесконечный процесс, который происходит по сей день вокруг нас. Лишь изредка человек способен заметить ее, потому что это очень маленькие мгновения. Приспособленность разных видов живых организмов к специфической среде обитания до сих пор заставляет естествоиспытателей ощущать удивление и восхищение.

Эволюция — это скрещивание и отбор, поэтому мутации выполняют свою роль и образуются путем размножения. Каждый существующих потомок — это видимый результат роли количеств разных мутаций в эволюции, не приводящих его к смерти. Медленными шагами существо привыкало к мельчайшим условиям, которые диктовала окружающая среда, рискуя жизнью.

Мутанты, которые с трудом могли существовать в одной обстановке, становятся лидерами, если она изменяется. Из-за этого иногда новые потомки, выведенные путем мутаций, вытесняют своих предков с территории.

Мутации выполняют важную эволюционную роль — помогают существовать более жизнеспособным существам. Мутанты рождаются с таким набором свойств, от которых меняется продолжительность жизни. Не все из них несут пользу, большинство смертельно опасны. Что думаете об эволюционной роли мутаций? Сохраняйте статью в закладках, ведь она может пригодиться!