Genetinis (citogenetinis) rūšies kriterijus kartu su kitais naudojamas elementarioms sisteminėms grupėms atskirti, rūšies būklei analizuoti. Šiame straipsnyje apžvelgsime kriterijaus ypatybes, taip pat sunkumus, su kuriais gali susidurti tyrėjas jį taikydamas.
Kas yra vaizdas
Įvairiose biologijos mokslo šakose rūšis apibrėžiama savaip. Žvelgiant iš evoliucijos perspektyvos, galima sakyti, kad rūšis yra visuma individų, kurie turi panašumų išorine sandara ir vidine organizacija, fiziologiniais ir biocheminiais procesais, gali neribotai kryžmintis, palikti vaisingus palikuonis ir genetiškai izoliuoti nuo panašių grupių.
Rūšį gali atstovauti viena ar kelios populiacijos ir, atitinkamai, jos gali turėti visą arba atskirtą arealą (buveinės plotas / vandens plotas)
Rūšių nomenklatūra
Kiekviena rūšis turi savo pavadinimą. Pagal dvejetainės nomenklatūros taisykles jis susideda iš dviejų žodžių: daiktavardžio ir būdvardžio. Daiktavardis yra bendrinis vardas, o būdvardis yra konkretus vardas. Pavyzdžiui, pavadinime "Dandelion officinalis" rūšis "officinalis" yra viena iš "Dandelion" genties augalų atstovų.
Gintinių rūšių individų išvaizda, fiziologija ir ekologiniai pomėgiai skiriasi. Bet jei jie yra per daug panašūs, tada jų rūšinę priklausomybę lemia genetinis rūšies kriterijus, paremtas kariotipų analize.
Kodėl rūšiai reikalingi kriterijai
Karlas Linėjus, pirmasis suteikęs šiuolaikinius pavadinimus ir apibūdinęs daugybę gyvų organizmų tipų, laikė juos nepakitusiais ir nekintamais. Tai yra, visi individai atitinka vienos rūšies vaizdą, o bet kokie nukrypimai nuo jo yra rūšies idėjos įkūnijimo klaida.
Nuo XIX amžiaus pirmosios pusės Charlesas Darwinas ir jo pasekėjai pagrindė visiškai kitokią rūšies sampratą. Pagal jį rūšis yra permaininga, nevienalytė ir apima pereinamąsias formas. Rūšies pastovumas yra santykinis, priklauso nuo aplinkos sąlygų kintamumo. Elementarus rūšies egzistavimo vienetas yra populiacija. Jis skiriasi reprodukciniu požiūriu ir atitinka genetinius rūšies kriterijus.
Atsižvelgiant į tos pačios rūšies individų nevienalytiškumą, mokslininkams gali būti sunku nustatyti organizmų rūšis arba jas paskirstyti tarp sisteminių grupių.
Morfologiniai ir genetiniai rūšies kriterijai, biocheminiai, fiziologiniai, geografiniai, ekologiniai, elgsenos (etologiniai) – visa taiskirtumų tarp rūšių kompleksai. Jie lemia sisteminių grupių izoliaciją, jų reprodukcinį diskretiškumą. Ir jie gali būti naudojami atskirti vieną rūšį nuo kitų, nustatyti jų santykio laipsnį ir padėtį biologinėje sistemoje.
Rūšies genetinio kriterijaus apibūdinimas
Šio bruožo esmė ta, kad visi tos pačios rūšies individai turi tą patį kariotipą.
Kariotipas yra savotiškas organizmo chromosomų „pasas“, jį lemia brandžiose kūno somatinėse ląstelėse esančių chromosomų skaičius, jų dydis ir struktūros ypatumai:
- chromosomų rankos ilgio santykis;
- centromerų padėtis juose;
- antrinių susiaurėjimų ir palydovų buvimas.
Asmenys, priklausantys skirtingoms rūšims, negalės kryžmintis. Net jei įmanoma susilaukti palikuonių, kaip su asilu ir arkliu, tigru ir liūtu, tarprūšiniai hibridai nebus vaisingi. Taip yra todėl, kad genotipo pusės nėra vienodos ir negali įvykti konjugacija tarp chromosomų, todėl gametos nesusidaro.
Nuotraukoje: mulas – sterilus asilo ir kumelės hibridas.
Tyrimo objektas – kariotipas
Žmogaus kariotipui atstovauja 46 chromosomos. Daugumoje tirtų rūšių atskirų DNR molekulių, sudarančių chromosomas, skaičius branduolyje patenka į 12–50. Tačiau yra ir išimčių. Vaisinė muselė Drosophila turi 8 chromosomas ląstelių branduoliuose, o mažame Lepidoptera šeimos atstove Lysandra – diploidinis chromosomų rinkinys.380.
Kondensuotų chromosomų elektroninė mikrografija, leidžianti įvertinti jų formą ir dydį, atspindi kariotipą. Kariotipo analizė kaip genetinio kriterijaus tyrimo dalis, taip pat kariotipų palyginimas tarpusavyje padeda nustatyti organizmų rūšis.
Kai dvi rūšys yra viena
Bendras peržiūros kriterijų bruožas yra tai, kad jie nėra absoliutūs. Tai reiškia, kad tiksliam nustatymui gali nepakakti naudoti tik vieną iš jų. Išoriškai vienas nuo kito nesiskiriantys organizmai gali būti skirtingų rūšių atstovai. Čia morfologinis kriterijus ateina į pagalbą genetiniam kriterijui. Dvigubi pavyzdžiai:
- Šiandien žinomos dvi juodųjų žiurkių rūšys, kurios anksčiau buvo identifikuotos kaip viena dėl jų išorinės tapatybės.
- Yra mažiausiai 15 maliarinių uodų rūšių, kurias galima atskirti tik atlikus citogenetinę analizę.
- 17 Šiaurės Amerikoje aptiktų svirplių rūšių, kurios yra genetiškai skirtingos, bet fenotipiškai susijusios su ta pačia rūšimi.
- Manoma, kad tarp visų paukščių rūšių yra 5% dvynių, kurių identifikavimui būtina taikyti genetinį kriterijų.
- Sumišimas kalnų bovidų sisteminėje sistemoje buvo pašalintas kariologinės analizės dėka. Buvo nustatytos trys kariotipų atmainos (2n=54 muflonams, 56 argali ir argali ir 58 chromosomos urialams).
Viena juodųjų žiurkių rūšis turi 42 chromosomas, kitos kariotipas atstovauja 38 DNR molekulėse.
Kai vienas vaizdas yra kaip du
Rūšių grupėms, turinčioms didelį arealo plotą ir individų skaičių, kai jose veikia geografinė izoliacija arba individai turi platų ekologinį valentingumą, būdingas skirtingų kariotipų individų buvimas. Toks reiškinys yra dar vienas išimčių variantas pagal rūšies genetinį kriterijų.
Chromosomų ir genomo polimorfizmo pavyzdžiai yra dažni žuvyse:
- vaivorykštiniuose upėtakiuose chromosomų skaičius svyruoja nuo 58 iki 64;
- du kariomorfai su 52 ir 54 chromosomomis, rasti B altosios jūros silkėje;
- su diploidiniu 50 chromosomų rinkiniu, skirtingų sidabrinių karpių populiacijų atstovai turi 100 (tetraploidų), 150 (heksaploidų), 200 (oktaploidų) chromosomų.
Poliploidinės formos aptinkamos ir augaluose (ožkų gluosniuose), ir vabzdžiuose (graužtuose). Naminės pelės ir smiltpelės gali turėti skirtingą chromosomų skaičių, o ne diploidinio rinkinio kartotinį.
Kariotipo dvyniai
Skirtingų klasių ir tipų atstovai gali turėti kariotipus su tuo pačiu chromosomų skaičiumi. Tokių sutapimų tarp tų pačių šeimų ir genčių atstovų yra kur kas daugiau:
- Gorilos, orangutanai ir šimpanzės turi 48 chromosomų kariotipus. Išvaizda skirtumai nenustatyti, čia reikia palyginti nukleotidų tvarką.
- Šiaurės Amerikos ir Europos bizonų kariotipų skirtumai. Abi turi po 60 chromosomų diploidiniame rinkinyje. Jie bus priskirti tai pačiai rūšiai, jei bus analizuojami tik pagal genetinius kriterijus.
- Genetinių dvynių pavyzdžių taip pat galima rasti tarp augalų, ypač šeimose. Tarp gluosniųnetgi galima gauti tarprūšinių hibridų.
Norint atskleisti subtilius tokių rūšių genetinės medžiagos skirtumus, būtina nustatyti genų seką ir jų įtraukimo tvarką.
Mutacijų įtaka kriterijaus analizei
Kariotipo chromosomų skaičius gali būti pakeistas dėl genominių mutacijų – aneuploidijos arba euploidijos.
Kai kariotipo aneuploidija atsiranda, atsiranda viena ar daugiau papildomų chromosomų, o chromosomų skaičius taip pat gali būti mažesnis nei pilnaverčio individo. Šio pažeidimo priežastis – chromosomų neatsiskyrimas gametų formavimosi stadijoje.
Nuotraukoje parodytas žmogaus aneuploidijos (Dauno sindromo) pavyzdys.
Zigotos su sumažintu chromosomų skaičiumi, kaip taisyklė, nepradeda gniuždyti. Ir polisominiai organizmai (su „papildomomis“chromosomomis) gali būti gyvybingi. Trisomijos (2n+1) arba pentasomijos (2n+3) atveju nelyginis chromosomų skaičius parodys anomaliją. Tetrasomija (2n+2) gali sukelti tikrą klaidą nustatant rūšį pagal genetinius kriterijus.
| Mutacija | Mutacijos esmė | Įtaka rūšies genetiniam kriterijui |
| Tetrasomija | Kariotipe yra papildoma chromosomų pora arba dvi nehomologinės papildomos chromosomos. | Analizuojant vien pagal šį kriterijų, organizmas gali būti klasifikuojamas kaip turintis dar vieną chromosomų porą. |
| Tetraploidija | Kariotipeiš kiekvienos poros yra keturios chromosomos, o ne dvi. | Organizmą galima priskirti kitai rūšiai, o ne tos pačios rūšies poliploidinei veislei (augaluose). |
Kariotipo dauginimasis – poliploidija – taip pat gali suklaidinti tyrėją, kai mutantinis kariotipas yra kelių diploidinių chromosomų rinkinių suma.
Kriterijų sudėtingumas: sunkiai suprantama DNR
Nesuktos DNR grandinės skersmuo yra 2 nm. Genetinis kriterijus nulemia kariotipą laikotarpiu prieš ląstelių dalijimąsi, kai plonos DNR molekulės pakartotinai spiralizuojasi (kondensuojasi) ir reprezentuoja tankias lazdelės formos struktūras – chromosomas. Vidutinis chromosomos storis yra 700 nm.
Mokyklų ir universitetų laboratorijose dažniausiai įrengiami mažo didinimo (nuo 8 iki 100) mikroskopai, juose neįmanoma įžiūrėti kariotipo detalių. Be to, šviesos mikroskopo skiriamoji geba leidžia bet kokiu, net ir didžiausiu padidinimu, matyti objektus, ne trumpesnius nei pusė trumpiausios šviesos bangos ilgio. Mažiausias bangos ilgis yra violetinėms bangoms (400 nm). Tai reiškia, kad mažiausias objektas, matomas šviesos mikroskopu, bus nuo 200 nm.
Paaiškėjo, kad nudažytas dekondensuotas chromatinas atrodys kaip drumstos vietos, o chromosomos bus matomos be detalių. Elektroninis mikroskopas, kurio skiriamoji geba yra 0,5 nm, leidžia aiškiai matyti ir palyginti skirtingus kariotipus. Atsižvelgiant į siūlinės DNR storį (2 nm), ji bus aiškiai atskiriama naudojant tokį prietaisą.
Citogenetinis kriterijus mokykloje
Dėl aukščiau aprašytų priežasčių mikropreparatų naudojimas laboratoriniuose darbuose pagal genetinį rūšies kriterijų yra netinkamas. Užduotyse galite naudoti chromosomų nuotraukas, gautas elektroniniu mikroskopu. Kad būtų patogiau dirbti nuotraukoje, atskiros chromosomos sujungiamos į homologines poras ir išdėstomos eilės tvarka. Tokia schema vadinama kariograma.
Laboratorijos užduoties pavyzdys
Užduotis. Apsvarstykite pateiktas kariotipų nuotraukas, palyginkite jas ir padarykite išvadą apie individų priklausomybę vienai ar dviem rūšims.
Kariotipų nuotraukos laboratoriniam palyginimui.
Atlieka užduotį. Suskaičiuokite bendrą chromosomų skaičių kiekvienoje kariotipo nuotraukoje. Jei jie sutampa, palyginkite juos pagal išvaizdą. Jei kariograma nepateikta, abiejuose vaizduose suraskite trumpiausią ir ilgiausią tarp vidutinio ilgio chromosomų, palyginkite jas pagal centromerų dydį ir vietą. Padarykite išvadą apie kariotipų skirtumą / panašumą.
Užduoties atsakymai:
- Jei chromosomų skaičius, dydis ir forma sutampa, tai du individai, kurių genetinė medžiaga pateikta tirti, priklauso tai pačiai rūšiai.
- Jei chromosomų skaičius skiriasi du kartus, o abiejose nuotraukose yra vienodo dydžio ir formos chromosomų, tai greičiausiai individai yra tos pačios rūšies atstovai. Tai bus diploidiniai ir tetraploidiniai kariotipai.forma.
- Jei chromosomų skaičius nėra vienodas (skiriasi vienu ar dviem), bet apskritai abiejų kariotipų chromosomų forma ir dydis yra vienodi, kalbame apie normalias ir mutantines chromosomų formas. ta pati rūšis (aneuploidijos reiškinys).
- Turint skirtingą chromosomų skaičių, taip pat dydžio ir formos charakteristikų neatitikimą, pagal kriterijų pateikti individai bus priskirti dviem skirtingoms rūšims.
Išvedime būtina nurodyti, ar galima pagal genetinį kriterijų (ir tik jį) nustatyti individų rūšis.
Atsakymas: tai neįmanoma, nes bet kuris rūšies kriterijus, įskaitant genetinį, turi išimčių ir gali duoti klaidingą nustatymo rezultatą. Tikslumą galima užtikrinti tik taikant formos kriterijų rinkinį.
