Genetické (cytogenetické) druhové kritérium spolu s inými sa používa na rozlíšenie elementárnych systematických skupín, na analýzu stavu druhu. V tomto článku zvážime charakteristiky kritéria, ako aj ťažkosti, s ktorými sa výskumník môže stretnúť pri jeho uplatňovaní.
Čo je to zobrazenie
V rôznych odvetviach biologickej vedy je druh definovaný vlastným spôsobom. Z evolučného hľadiska môžeme povedať, že druh je súbor jedincov, ktorí majú podobnosť vo vonkajšej štruktúre a vnútornej organizácii, fyziologických a biochemických procesoch, sú schopní neobmedzeného kríženia, pričom zanechávajú plodné potomstvo a sú geneticky izolované od podobných skupín.
Druh môže byť zastúpený jednou alebo viacerými populáciami a podľa toho môže mať celý alebo rozčlenený areál (oblasť biotopu/vodnú oblasť)
Nomenklatúra druhov
Každý druh má svoje meno. V súlade s pravidlami binárnej nomenklatúry pozostáva z dvoch slov: podstatného mena a prídavného mena. Podstatné meno je rodové meno a prídavné meno je špecifické meno. Napríklad v názve "Dandelion officinalis" je druh "officinalis" jedným zo zástupcov rastlín rodu "Pandelion".
Jednotlivci príbuzných druhov v rámci rodu majú určité rozdiely vo vzhľade, fyziológii a ekologických preferenciách. Ak sú však príliš podobné, ich druhovú príslušnosť určuje genetické kritérium druhu založené na analýze karyotypov.
Prečo druh potrebuje kritériá
Carl Linné, ktorý ako prvý dal moderné mená a opísal mnohé druhy živých organizmov, ich považoval za nezmenené a nemenné. To znamená, že všetci jednotlivci zodpovedajú jednému druhovému obrazu a akékoľvek odchýlky od neho sú chybou v stelesnení idey druhu.
Od prvej polovice 19. storočia Charles Darwin a jeho nasledovníci zdôvodňovali úplne iný koncept druhu. V súlade s ním je druh premenlivý, heterogénny a zahŕňa prechodné formy. Stálosť druhu je relatívna, závisí od premenlivosti podmienok prostredia. Základnou jednotkou existencie druhu je populácia. Je reprodukčne odlišný a spĺňa genetické kritériá daného druhu.
Vzhľadom na heterogenitu jedincov toho istého druhu môže byť pre vedcov ťažké určiť druhy organizmov alebo ich rozdeliť medzi systematické skupiny.
Morfologické a genetické kritériá druhu, biochemické, fyziologické, geografické, ekologické, behaviorálne (etologické) – to všetkokomplexy rozdielov medzi druhmi. Určujú izoláciu systematických skupín, ich reprodukčnú diskrétnosť. A možno ich použiť na rozlíšenie jedného druhu od druhého, na stanovenie stupňa ich vzťahu a pozície v biologickom systéme.
Charakteristika genetického kritéria druhu
Podstatou tejto vlastnosti je, že všetci jedinci toho istého druhu majú rovnaký karyotyp.
Karyotyp je druh chromozomálneho „pasu“organizmu, je určený počtom chromozómov prítomných v zrelých somatických bunkách tela, ich veľkosťou a štrukturálnymi vlastnosťami:
- pomer dĺžky ramena chromozómov;
- poloha centromér v nich;
- prítomnosť sekundárnych zúžení a satelitov.
Jednotlivci patriaci do rôznych druhov sa nebudú môcť krížiť. Aj keď je možné získať potomstvo, ako u osla a koňa, tigra a leva, potom medzidruhové hybridy nebudú plodné. Je to preto, že polovice genotypu nie sú rovnaké a nemôže dôjsť ku konjugácii medzi chromozómami, takže sa netvoria gaméty.
Na fotografii: mulica - sterilný kríženec osla a kobyly.
Predmet štúdie – karyotyp
Ľudský karyotyp predstavuje 46 chromozómov. U väčšiny študovaných druhov spadá počet jednotlivých molekúl DNA v jadre, ktoré tvoria chromozómy, do rozsahu 12 – 50. Existujú však výnimky. Ovocná muška Drosophila má v jadrách buniek 8 chromozómov a u malého zástupcu z čeľade Lepidoptera Lysandra je diploidná chromozómová sada380.
Fotografia kondenzovaných chromozómov z elektrónového mikroskopu, ktorá umožňuje vyhodnotiť ich tvar a veľkosť, odráža karyotyp. Analýza karyotypu ako súčasť štúdia genetického kritéria, ako aj vzájomné porovnanie karyotypov pomáha určiť druhy organizmov.
Keď sú dva druhy jeden
Spoločným znakom kritérií zobrazenia je, že nie sú absolútne. To znamená, že použitie len jedného z nich nemusí stačiť na presné určenie. Organizmy, ktoré sú navonok od seba nerozoznateľné, môžu byť zástupcami rôznych druhov. Tu morfologické kritérium prichádza na pomoc genetickému kritériu. Dvojité príklady:
- Dnes sú známe dva druhy čiernych potkanov, ktoré boli predtým identifikované ako jeden kvôli ich vonkajšej identite.
- Existuje najmenej 15 druhov malarických komárov, ktoré možno rozlíšiť iba cytogenetickou analýzou.
- 17 druhov cvrčkov nájdených v Severnej Amerike, ktoré sú geneticky odlišné, ale fenotypovo príbuzné rovnakému druhu.
- Verí sa, že medzi všetkými druhmi vtákov je 5% dvojčiat, na identifikáciu ktorých je potrebné použiť genetické kritérium.
- Zmätok v systematike horských turovcov bol odstránený vďaka karyologickej analýze. Boli identifikované tri varianty karyotypov (2n=54 pre muflóny, 56 pre argali a argali a 58 chromozómov pre urial).
Jeden druh čierneho potkana má 42 chromozómov, karyotyp druhého predstavuje 38 molekúl DNA.
Keď jeden pohľad je ako dva
Pre skupiny druhov s veľkou rozlohou areálu a počtom jedincov, keď v nich funguje geografická izolácia alebo jedinci majú širokú ekologickú valenciu, je charakteristická prítomnosť jedincov s rôznymi karyotypmi. Takýto jav je ďalším variantom výnimiek v genetickom kritériu druhu.
Príklady chromozomálneho a genómového polymorfizmu sú bežné u rýb:
- u pstruha dúhového sa počet chromozómov pohybuje od 58 do 64;
- dva karyomorfy s 52 a 54 chromozómami nájdené v bielomorskom slede;
- s diploidnou sadou 50 chromozómov majú zástupcovia rôznych populácií karasa striebristého 100 (tetraploidy), 150 (hexaploidy), 200 (oktaploidy) chromozómov.
Polyploidné formy sa nachádzajú v rastlinách (koza vŕba) aj v hmyze (nosatice). Domáce myši a pieskomily môžu mať rôzny počet chromozómov, nie násobok diploidnej sady.
Karyotyp dvojčiat
Zástupcovia rôznych tried a typov môžu mať karyotypy s rovnakým počtom chromozómov. Medzi zástupcami rovnakých čeľadí a rodov existuje oveľa viac takýchto náhod:
- Gorily, orangutany a šimpanzy majú 48-chromozómový karyotyp. Vo vzhľade rozdiely nie sú určené, tu je potrebné porovnať poradie nukleotidov.
- Mierne rozdiely v karyotypoch severoamerického bizóna a európskeho bizóna. Obaja majú 60 chromozómov v diploidnej sade. Ak budú analyzované iba podľa genetických kritérií, budú priradené k rovnakému druhu.
- Príklady genetických dvojčiat možno nájsť aj medzi rastlinami, najmä v rámci rodín. Medzi vŕbamidokonca je možné získať medzidruhové hybridy.
Na odhalenie jemných rozdielov v genetickom materiáli u takýchto druhov je potrebné určiť sekvenciu génov a poradie, v ktorom sú zahrnuté.
Vplyv mutácií na analýzu kritéria
Počet chromozómov karyotypu sa môže zmeniť v dôsledku genómových mutácií – aneuploidia alebo euploidia.
Keď sa v karyotype vyskytne aneuploidia, objaví sa jeden alebo viacero ďalších chromozómov a počet chromozómov môže byť tiež nižší ako u plnohodnotného jedinca. Dôvodom tohto porušenia je nedisjunkcia chromozómov v štádiu tvorby gamét.
Na obrázku je príklad ľudskej aneuploidie (Downov syndróm).
Zygoty so zníženým počtom chromozómov sa spravidla nezačnú drviť. A polyzomické organizmy (s "extra" chromozómami) môžu byť životaschopné. V prípade trizómie (2n+1) alebo pentazómie (2n+3) bude nepárny počet chromozómov indikovať anomáliu. Tetrasómia (2n+2) môže viesť k skutočnej chybe pri určovaní druhu podľa genetických kritérií.
| Mutácia | Esencia mutácie | Vplyv na genetické kritérium druhu |
| Tetrasomia | V karyotype je prítomný ďalší pár chromozómov alebo dva nehomologické extra chromozómy. | Pri analýze len podľa tohto kritéria možno organizmus klasifikovať ako organizmus s jedným párom chromozómov navyše. |
| Tetraploidy | V karyotypez každého páru sú štyri chromozómy namiesto dvoch. | Organizmus možno priradiť k inému druhu namiesto polyploidného kultivaru toho istého druhu (v rastlinách). |
Množenie karyotypu - polyploidia - môže tiež zavádzať výskumníka, ak je mutantný karyotyp súčtom niekoľkých diploidných sád chromozómov.
Kritérium zložitosti: nepolapiteľná DNA
Priemer vlákna DNA v neskrútenom stave je 2 nm. Genetické kritérium určuje karyotyp v období pred delením bunky, kedy tenké molekuly DNA opakovane špirálovito špiralizujú (kondenzujú) a predstavujú husté tyčinkovité štruktúry - chromozómy. Priemerná hrúbka chromozómu je 700 nm.
Školské a univerzitné laboratóriá sú zvyčajne vybavené mikroskopmi s malým zväčšením (od 8 do 100), nie je v nich možné vidieť detaily karyotypu. Rozlišovacia schopnosť svetelného mikroskopu navyše umožňuje pri akomkoľvek, dokonca aj najväčšom zväčšení, vidieť objekty, ktoré nie sú menšie ako polovica dĺžky najkratšej svetelnej vlny. Najmenšia vlnová dĺžka je pre fialové vlny (400 nm). To znamená, že najmenší objekt viditeľný vo svetelnom mikroskope bude od 200 nm.
Ukazuje sa, že zafarbený dekondenzovaný chromatín bude vyzerať ako zakalené oblasti a chromozómy budú viditeľné bez podrobností. Elektrónový mikroskop s rozlíšením 0,5 nm umožňuje jasne vidieť a porovnávať rôzne karyotypy. Vzhľadom na hrúbku vláknitej DNA (2 nm) bude pod takýmto zariadením jasne rozlíšiteľná.
Cytogenetické kritérium v škole
Z vyššie popísaných dôvodov je použitie mikropreparátov v laboratórnych prácach podľa genetického kritéria druhu nevhodné. V úlohách môžete použiť fotografie chromozómov získané pod elektrónovým mikroskopom. Pre pohodlie práce na fotografii sú jednotlivé chromozómy spojené do homológnych párov a usporiadané v poradí. Takáto schéma sa nazýva karyogram.
Príklad laboratórneho zadania
Zadanie. Zvážte uvedené fotografie karyotypov, porovnajte ich a urobte záver o príslušnosti jedincov k jednému alebo dvom druhom.
Fotky karyotypov na porovnanie v laboratóriu.
Práca na úlohe. Spočítajte celkový počet chromozómov na každej fotografii karyotypu. Ak sa zhodujú, porovnajte ich vzhľadom. Ak nie je prezentovaný karyogram, nájdite na oboch obrázkoch najkratší a najdlhší medzi chromozómami strednej dĺžky, porovnajte ich podľa veľkosti a umiestnenia centromér. Urobte záver o rozdiele / podobnosti karyotypov.
Odpovede na úlohu:
- Ak sa počet, veľkosť a tvar chromozómov zhodujú, potom dvaja jedinci, ktorých genetický materiál je predložený na štúdium, patria k rovnakému druhu.
- Ak je počet chromozómov dvakrát odlišný a na oboch fotografiách sú chromozómy rovnakej veľkosti a tvaru, potom sú jednotlivci s najväčšou pravdepodobnosťou zástupcami rovnakého druhu. Pôjde o diploidné a tetraploidné karyotypy.formulár.
- Ak počet chromozómov nie je rovnaký (líši sa o jeden alebo dva), ale vo všeobecnosti sú tvar a veľkosť chromozómov oboch karyotypov rovnaké, hovoríme o normálnych a mutantných formách rovnaký druh (fenomén aneuploidie).
- S rôznym počtom chromozómov, ako aj nesúladom v charakteristikách veľkosti a tvaru, kritérium priradí prezentovaných jedincov dvom rôznym druhom.
Vo výstupe je potrebné uviesť, či je možné určiť druh jedincov na základe genetického kritéria (a iba jeho).
Odpoveď: je to nemožné, pretože akékoľvek druhové kritérium, vrátane genetického, má výnimky a môže viesť k chybnému výsledku určenia. Presnosť môže byť zaručená iba použitím súboru kritérií formulára.
