Генетичен (цитогенетичен) критерий за видовете, заедно с други, се използва за разграничаване на елементарни систематични групи, за анализиране на състоянието на даден вид. В тази статия ще разгледаме характеристиките на критерия, както и трудностите, които един изследовател може да срещне при прилагането му.
Какво е изглед
В различните клонове на биологичната наука видът се дефинира по свой собствен начин. От еволюционна гледна точка можем да кажем, че един вид е съвкупност от индивиди, които имат сходства във външната структура и вътрешна организация, физиологични и биохимични процеси, способни на неограничено кръстосване, оставяйки плодородно потомство и генетично изолирани от подобни групи.
Един вид може да бъде представен от една или няколко популации и съответно да има цял или разчленен ареал (област на местообитание/водна площ)
Номенклатура на видовете
Всеки вид има свое собствено име. В съответствие с правилата на бинарната номенклатура, тя се състои от две думи: съществително и прилагателно. Съществителното е родовото име, а прилагателното е конкретното име. Например в наименованието „Глухарче officinalis“видът „officinalis“е един от представителите на растенията от рода „Глухарче“.
Индивидите от сродни видове в рамките на рода имат някои разлики във външния вид, физиологията и екологичните предпочитания. Но ако са твърде сходни, тогава принадлежността им към вида се определя от генетичния критерий на вида въз основа на анализа на кариотипите.
Защо един вид се нуждае от критерии
Карл Линей, който е първият, който дава съвременни имена и описва много видове живи организми, ги смята за непроменени и непроменливи. Тоест всички индивиди съответстват на един вид изображение и всякакви отклонения от него са грешка при въплъщението на идеята за вида.
От първата половина на 19-ти век Чарлз Дарвин и неговите последователи обосновават напълно различна концепция за видовете. В съответствие с него видът е променлив, разнороден и включва преходни форми. Постоянството на вида е относително, зависи от променливостта на условията на околната среда. Елементарната единица за съществуване на един вид е популацията. Той е репродуктивно различен и отговаря на генетичните критерии на вида.
Като се има предвид хетерогенността на индивидите от един и същи вид, за учените може да е трудно да определят видовете организми или да ги разпределят между систематични групи.
Морфологични и генетични критерии на вида, биохимични, физиологични, географски, екологични, поведенчески (етологични) - всичко товакомплекси от различия между видовете. Те определят изолацията на систематичните групи, тяхната репродуктивна дискретност. И те могат да се използват за разграничаване на един вид от друг, за установяване на степента на тяхната връзка и позиция в биологичната система.
Характеристика на генетичния критерий на вида
Същността на тази черта е, че всички индивиди от един и същи вид имат един и същ кариотип.
Кариотипът е вид хромозомен "паспорт" на организма, той се определя от броя на хромозомите, присъстващи в зрелите соматични клетки на тялото, техния размер и структурни характеристики:
- съотношение на дължината на рамото на хромозомата;
- позицията на центромерите в тях;
- наличието на вторични стеснения и сателити.
Индивиди, принадлежащи към различни видове, няма да могат да се кръстосват. Дори ако е възможно да се получи потомство, както при магаре и кон, тигър и лъв, тогава междувидовите хибриди няма да бъдат плодовити. Това е така, защото половинките на генотипа не са еднакви и конюгирането между хромозомите не може да се случи, така че гаметите не се образуват.
На снимката: муле - стерилен хибрид на магаре и кобила.
Обект на изследване - кариотип
Човешкият кариотип е представен от 46 хромозоми. При повечето изследвани видове броят на отделните ДНК молекули в ядрото, които образуват хромозоми, попада в диапазона от 12 до 50. Но има изключения. Плодовата муха Drosophila има 8 хромозоми в ядрата на клетките, а в малък представител на семейство Lepidoptera Lysandra диплоидният хромозомен набор е380.
Електронната микрография на кондензирани хромозоми, която позволява да се оцени тяхната форма и размер, отразява кариотипа. Анализът на кариотипа като част от изследването на генетичния критерий, както и сравнението на кариотипите един с друг, помага да се определи видовете организми.
Когато два вида са един
Общата характеристика на критериите за преглед е, че те не са абсолютни. Това означава, че използването само на един от тях може да не е достатъчно за точното определяне. Организмите, които са външно неразличими един от друг, могат да бъдат представители на различни видове. Тук морфологичният критерий идва на помощ на генетичния критерий. Двойни примери:
- Днес са известни два вида черни плъхове, които преди бяха идентифицирани като един поради външната им идентичност.
- Има най-малко 15 вида маларийни комари, които могат да бъдат разграничени само чрез цитогенетичен анализ.
- 17 вида щурци, открити в Северна Америка, които са генетично различни, но фенотипно свързани със същия вид.
- Смята се, че сред всички видове птици има 5% близнаци, за идентифицирането на които е необходимо да се приложи генетичен критерий.
- Объркването в систематиката на планинските говеда е премахнато благодарение на кариологичния анализ. Идентифицирани са три разновидности на кариотипове (2n=54 за муфлони, 56 за архали и аргали и 58 хромозоми за уриали).
Един вид черен плъх има 42 хромозоми, кариотипът на другия е представен от 38 ДНК молекули.
Когато един изглед е като два
За видове групи с голяма площ на ареала и броя на индивидите, когато в тях действа географска изолация или индивидите имат широка екологична валентност, е характерно наличието на индивиди с различни кариотипове. Такъв феномен е друг вариант на изключения в генетичния критерий на вида.
Примери за хромозомен и геномен полиморфизъм са често срещани при рибите:
- в дъговата пъстърва броят на хромозомите варира от 58 до 64;
- два кариоморфа, с 52 и 54 хромозоми, открити в беломорската херинга;
- с диплоиден набор от 50 хромозоми, представители на различни популации на толстолобите имат 100 (тетраплоиди), 150 (хексаплоиди), 200 (октаплоиди) хромозоми.
Полиплоидни форми се срещат както в растенията (козя върба), така и в насекомите (дъжконоси). Домашните мишки и джербилите могат да имат различен брой хромозоми, а не кратно на диплоидния набор.
Кариотип близнаци
Представители на различни класове и типове може да имат кариотипове със същия брой хромозоми. Има много повече такива съвпадения сред представители на едни и същи семейства и родове:
- Горилите, орангутаните и шимпанзетата имат 48-хромозомен кариотип. На външен вид разликите не са определени, тук трябва да сравните реда на нуклеотидите.
- Леки разлики в кариотиповете на северноамериканския и европейския бизон. И двете имат по 60 хромозоми в диплоиден набор. Те ще бъдат причислени към същия вид, ако се анализират само по генетични критерии.
- Примери за генетични близнаци също се срещат сред растенията, особено в семействата. Сред върбитедори е възможно да се получат междувидови хибриди.
За да се разкрият фини разлики в генетичния материал при такива видове, е необходимо да се определи последователността на гените и реда, в който те са включени.
Влияние на мутациите върху анализа на критерия
Броят на кариотипните хромозоми може да бъде променен в резултат на геномни мутации - анеуплоидия или еуплоидия.
Когато в кариотипа се появи анеуплоидия, се появяват една или повече допълнителни хромозоми, като броят на хромозомите също може да бъде по-малък от този на пълноправен индивид. Причината за това нарушение е неразпадането на хромозомите на етапа на образуване на гамети.
Снимката показва пример за човешка анеуплоидия (синдром на Даун).
Зиготите с намален брой хромозоми, като правило, не започват да се смачкват. А полизомните организми (с "допълнителни" хромозоми) могат да бъдат жизнеспособни. В случай на тризомия (2n+1) или пентазомия (2n+3), нечетен брой хромозоми ще покаже аномалия. Тетразомията (2n+2) може да доведе до действителна грешка при определяне на вида по генетични критерии.
| Мутация | Същност на мутацията | Влияние върху генетичния критерий на вида |
| Тетрасомия | Допълнителна двойка хромозоми или две нехомоложни допълнителни хромозоми присъстват в кариотипа. | Когато се анализира само по този критерий, един организъм може да бъде класифициран като притежаващ още една двойка хромозоми. |
| Tetraploidy | В кариотипаима четири хромозоми от всяка двойка вместо две. | Организъм може да бъде причислен към друг вид вместо полиплоиден сорт от същия вид (в растения). |
Умножаването на кариотипа - полиплоидията - също може да подведе изследователя, когато мутантният кариотип е сбор от няколко диплоидни набора от хромозоми.
Сложност на критерия: неуловим ДНК
Диаметърът на ДНК веригата в неусукано състояние е 2 nm. Генетичният критерий определя кариотипа в периода, предхождащ клетъчното делене, когато тънките ДНК молекули многократно спират (кондензират) и представляват плътни пръчковидни структури - хромозоми. Средната дебелина на хромозомата е 700 nm.
Училищните и университетските лаборатории обикновено са оборудвани с микроскопи с малко увеличение (от 8 до 100), в тях не е възможно да се видят детайлите на кариотипа. Разделителната способност на светлинния микроскоп освен това позволява при всяко, дори най-голямо увеличение, да се видят обекти не по-малко от половината от дължината на най-късата светлинна вълна. Най-малката дължина на вълната е за виолетовите вълни (400 nm). Това означава, че най-малкият обект, видим в светлинен микроскоп, ще бъде от 200 nm.
Оказва се, че оцветеният декондензиран хроматин ще изглежда като облачни зони и хромозомите ще се виждат без подробности. Електронен микроскоп с разделителна способност от 0,5 nm ви позволява ясно да видите и сравнявате различни кариотипи. Като се има предвид дебелината на нишковидната ДНК (2 nm), тя ще бъде ясно различима под такова устройство.
Цитогенетичен критерий в училище
По причините, описани по-горе, използването на микропрепарати в лабораторната работа според генетичния критерий на вида е неуместно. В задачите можете да използвате снимки на хромозоми, получени под електронен микроскоп. За удобство на работа на снимката отделните хромозоми се комбинират в хомоложни двойки и се подреждат в ред. Такава схема се нарича кариограма.
Примерно лабораторно задание
Задание. Разгледайте дадените снимки на кариотипите, сравнете ги и направете заключение за принадлежността на индивидите към един или два вида.
Снимки на кариотипове за лабораторно сравнение.
Работа по задача. Пребройте общия брой хромозоми във всяка снимка на кариотип. Ако съвпадат, сравнете ги на външен вид. Ако не е представена кариограма, намерете най-късата и най-дългата сред хромозомите със средна дължина в двете изображения, сравнете ги според размера и местоположението на центромерите. Направете заключение за разликата/приликата на кариотипите.
Отговори на задачата:
- Ако броят, размерът и формата на хромозомите съвпадат, тогава двата индивида, чийто генетичен материал е представен за изследване, принадлежат към един и същи вид.
- Ако броят на хромозомите е два пъти различен и на двете снимки има хромозоми с еднакъв размер и форма, тогава най-вероятно индивидите са представители на един и същи вид. Това ще бъдат диплоидни и тетраплоидни кариотипове.форма.
- Ако броят на хромозомите не е един и същ (различава се с една или две), но като цяло формата и размерът на хромозомите и на двата кариотипа са еднакви, говорим за нормални и мутантни форми на същия вид (феномен анеуплоидия).
- С различен брой хромозоми, както и несъответствие в характеристиките на размера и формата, критерият ще причисли представените индивиди към два различни вида.
В изхода се изисква да се посочи дали е възможно да се определи вида на индивидите въз основа на генетичния критерий (и само той).
Отговор: това е невъзможно, тъй като всеки вид критерий, включително генетичен, има изключения и може да даде грешен резултат от определянето. Точността може да се гарантира само чрез прилагане на набор от критерии от формуляра.
