XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Процесс передачи генетического материала в ходе деления клетки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Охрамец Б.С. 1Боброва А.А. 1

---

1МАОУ СШ №42

Набиулина В.Ф. 1

---

1МАОУ СШ №42

Работа в формате PDF

631.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Передача генетического материала в ходе деления клетки является фундаментальным механизмом, обеспечивающим преемственность признаков от одного организма к другому. Правильное и точное наследование признаков представляет собой сложный процесс, который необходим не только для стабильности генетического кода, но и для нормального развития, функционирования и размножения живых организмов. Несмотря на глубокую степень изученности общих принципов передачи наследственности, роль ДНК и хромосом в данных процессах требует более детального рассмотрения.

Проблема: в современной биологии существует разрыв между молекулярным и клеточным уровнями понимания наследственности, того, как носители генетической информации (ДНК) реализуются в конкретных клеточных структурах (хромосомах) в процессе деления. Также возникает вопрос о том, можно ли это проследить на доступном биологическом оборудовании.

Актуальность: Понимание процессов передачи генетической информации, механизмов митоза и мейоза имеет большое значение не только для создания общего представления о наследственности, но и для многих биологических исследований в различных прикладных областях, таких как медицина, селекция, биотехнологии.

Гипотеза: Процесс передачи наследственной информации можно проследить и подтвердить, наблюдая прямую связь между молекулярным (структура ДНК) и клеточным (поведение хромосом в мейозе) уровнями организации. Используя доступные методы (микроскопия и биохимическая экстракция), можно доказать, что именно ДНК является основной структурой хранения и передачи наследственного материала, а мейоз — ключевым механизмом, обеспечивающим генотипическое разнообразие потомства.

Цель: Используя простые методы (микроскопию и выделение ДНК), исследовать механизмы и особенности передачи генетического материала в ходе деления клетки, экспериментально подтвердить ключевые положения о наследовании признаков и проследить связь между молекулярной структурой (ДНК) и клеточным процессом (делением).

Задачи:

• Изучить такие понятия, как хромосома, ген, кроссинговер;

• Изучить процессы митоза и мейоза. Провести сравнительную характеристику;

• Узнать, как осуществляется передача наследственного материала;

• Самостоятельно извлечь молекулу ДНК из банана и клубники;

• Провести наблюдение за процессом мейоза и митоза в световой и электронный микроскопы;

• Рассмотреть внешние проявления наследственности. Провести опрос по классу.

Объект исследования: молекула ДНК и хромосомы как основные структуры хранения, передачи и реализации генетического материала.

Предмет исследования: процессы передачи генетического материала в ходе митотического и мейотического деления клетки.

Основное содержание

Глава I. Теоретическая часть

§1 Характеристика хромосом. Строение ДНК

Хромосомы - это нуклеопротеидные структуры ядра эукариотической клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации и которые предназначены для ее хранения, реализации и передачи. Хромосомы четко различимы в световом микроскопе только в период митотического или мейотического деления клетки. Набор всех хромосом клетки, называемый кариотипом, является видоспецифичным признаком, для которого характерен относительно низкий уровень индивидуальной изменчивости.

Эукариотическая хромосома образуется из единственной и очень длинной молекулы ДНК, которая содержит линейную группу множества генов.

Любая хромосома состоит из центромера, теломеров и точек инициации репликации. Последние 2 структуры находятся на разных концах хромосом и позволяют молекуле ДНК эффективно реплицироваться, в то время как в центромерах сестринские молекулы ДНК прикрепляются к веретену деления, обеспечивая их точное расхождение по дочерним клеткам в митозе.

Каждая клетка человека в нормальном состоянии содержит 23 пары хромосом, т.е. всего 46. Двадцать две из этих пар называются аутосомами и одинаковы как для женщин, так и для мужчин. Двадцать третья пара - это половые хромосомы, отвечающие за пол организма. Женщины имеют 2 копии X хромосомы, тогда как мужчины имеют одну X и одну Y хромосому.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это макромолекула, которая отвечает за хранение, передачу и реализацию генетической информации, необходимой для развития и функционирования живых организмов. В ДНК генетическая информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов, что позволяет ей выполнять свои функции.

В клетках эукариотических организмов ДНК располагается в ядре, а также в определённых клеточных органеллах, таких как митохондрии и пластиды. В клетках прокариотических организмов ДНК представлена в виде кольцевой или линейной структуры, называемой нуклеоидом.

С химической точки зрения, ДНК представляет собой длинную полимерную молекулу, состоящую из повторяющихся единиц — нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает азотистое основание, сахар (дезоксирибозу) и фосфатную группу. Нуклеотиды соединяются в полимерную цепь благодаря связям, которые образуются между дезоксирибозой и фосфатной группой.

Обычно макромолекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух нуклеотидных цепей. В нуклеотидах присутствуют четыре азотистых основания: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Эти основания в одной цепи образуют водородные связи с основаниями другой цепи, обеспечивая связь между двумя цепями ДНК.

ДНК состоит из кодирующих и некодирующих участков: кодирующими участками являются гены, они несут роль кодирования одной и-РНК, т-РНК или р-РНК.

§2 Процесс митоза и мейоза.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза

Митоз - непрямое деление клетки, при которой из материнской клетки образуются 2 идентичные дочерние клетки. В митозе выделяют следующие фазы:

- профаза: хромосомы спирализуются, ядерная оболочка распадается, формируется веретено деления;

- метафаза: хромосомы прикрепляются к веретену, располагаются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку;

- анафаза: центромеры делятся, нити веретена растягивают хроматиды к полюсам, хроматиды становятся дочерними хромосомами;

- телофаза: дочерние хромосомы достигают полюсов, деспирализуются, формируются ядра, восстанавливаются ядрышки, происходит цитокинез, образуя две дочерние клетки с идентичным генетическим материалом.

Мейоз - процесс деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое, а из 1 материнской клетки образуется 4 дочерние клетки. Различают мейоз I и мейоз II.

Мейоз I:

- профаза I: конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер;

- метафаза I: биваленты выстраиваются на экваторе;

- анафаза I: биваленты делятся, хромосомы с двумя хроматидами расходятся к полюсам (редукция);

- телофаза I: хромосомы деспирализуются, формируется ядро.

Мейоз II:

- профаза II: конденсация хромосом, деление клеточного центра, разрушение ядра, образование веретена деления;

- метафаза II: двухроматидные хромосомы на экваторе;

- анафаза II: центромеры делятся, однохроматидные хромосомы расходятся;

- телофаза II: хромосомы деспирализуются, формируется ядро.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза:

§3 Кроссинговер

Кроссинговер — это процесс обмена участками между гомологичными хромосомами, который происходит при их тесном сближении (конъюгации). Он является частным случаем рекомбинации и может происходить как в митозе, так и в мейозе. В митозе частота кроссинговера значительно ниже, чем в мейозе.

Механизм кроссинговера основан на принципе «разрыв–воссоединение». Гомологичные хромосомы образуют биваленты, и в одной из хроматид происходит разрыв на участке А–В, а в прилежащей хроматиде другой хромосомы — на участке a–b. Затем клетка использует ферменты репарации–рекомбинации для исправления повреждений. В результате фрагменты хроматид могут присоединиться крест-накрест, образуя рекомбинантные хроматиды Ab и aB. Хроматиды, которые не участвовали в кроссинговере, сохраняют исходные сочетания аллелей, в то время как рекомбинантные хроматиды несут новые сочетания.

Виды кроссинговера:

- мейотический кроссинговер: приводит к обмену равноценными участками хроматид и регистрируется по наличию участков перекрёста (хиазм) в бивалентах.

- неравный кроссинговер: происходит редко и приводит к дупликации или утрате участков хромосом.

- межгенный кроссинговер: отмечается при анализе потомства гетерозигот и выявляет сцепленное наследование генов.

- внутригенный кроссинговер: обмен участками происходит в пределах одного гена, что приводит к появлению новых аллелей.

Частота кроссинговера прямо пропорциональна физическому расстоянию между генами. При большом расстоянии между генами возрастает вероятность множественного кроссинговера, что может имитировать независимое наследование.

Биологическое значение кроссинговера заключается в увеличении комбинативной изменчивости, что является важным материалом для естественного отбора. Кроссинговер также обеспечивает определённый уровень генотипической изменчивости и используется в генетическом анализе для составления генетических карт хромосом.

§4 Осуществление передачи наследственного материала

Передача наследственной информации осуществляется путём передачи хромосом, в которых в определённой последовательности расположены гены. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и передаются совместно, что нарушает закон Менделя о независимом наследовании. Для подробного изучения данной темы мы использовали исследования Томаса Моргана.

Основные положения хромосомной теории наследственности Т. Моргана:

- гены, которые отвечают за наследование признаков, находятся в хромосомах;

- гены в хромосоме расположены в линейной последовательности, каждый ген имеет свое место в хромосоме - локус;

У различных хромосом неодинаковое количество генов, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Аллели генов занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, вследствие чего происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или на один больше ( у гетерогаметного пола).

Сцепление нарушается в результате кроссинговера.

§5 Проявление наследственности у детей

Не все чётко понимают, какие именно характеристики родители передают своим детям по наследству. По этому поводу существует множество мифов и ложных утверждений.

Важно понимать, что от родителя ребёнку передаются не только внешние признаки (цвет волос, глаз, черты лица, особенности телосложения, рост), но и некоторые особенности организма (группа крови, работа метаболизма и иммунной системы). Также считается, что гены родителей влияют на умственные способности ребёнка, его характер, творческие предрасположенности (за счёт влияния на формирование нервной системы).

То, какие признаки проявятся у ребёнка, определяют гены родителей. Большинство генов обладают двумя вариациями, называемыми аллелями. Они могут быть доминантными и рецессивными. Если в паре оказываются разные гены, то преобладать будет доминантный ген. Соответственно, ребёнок унаследует признак именно доминантного гена.

Доминантными считаются гены, отвечающие за тёмный цвет глаз, тёмные вьющиеся волосы, полные губы, смуглую кожу, большой нос с горбинкой, широкий подбородок.

Рецессивные гены, передающиеся по наследству, несут в себе такие особенности внешности, как светлые глаза, светлые мягкие прямые волосы, тонкие губы, светлая кожа, узкий нос, узкий подбородок.

К сожалению, наследование также подразумевает передачу определённых заболеваний или предрасположенность к ним. Установлены конкретные гены, отвечающие за развитие той или иной болезни, их мутации и типы нарушений, ведущих к патологии. Таким образом, от родителей наследуются: дальтонизм, сахарный диабет первого типа, витилиго, наследственная кардиомиопатия, фенилкетонурия, бронхиальная астма, муковисцидоз, шизофрения и т. д.

Глава II. Экспериментальная часть

§1 Извлечение молекулы ДНК из банана и клубники

Оборудование и материалы:

• холодная чистая вода;

• банан;

• клубника;

• пищевая соль нейодированная (NaCl);

• этиловый спирт 95%;

• гель для душа;

• мерные стаканы, пробирки;

• воронка;

• ступка и пестик;

• марля для фильтрования.

Ход работы:

1. Измельчить банан и клубнику до кашеобразного состояния.

2. Приготовить солевой раствор - 25 г соли на 100 мл воды.

3. Добавить в солевой раствор ложку геля для душа и перетёртого банана или клубники. Довести до однородного состояния.

4. Над стеклянной ёмкостью поместить воронку с марлей для фильтрования.

5. Профильтровать смесь солевого раствора, геля для душа и банана (клубники).

6. Осторожно влить 10 мл этилового спирта по стенкам в полученную жидкость.

7) Собрать выпавшую в осадок молекулу ДНК на шпажку.

Вывод: в результате проведённого эксперимента нам удалось осадить молекулу ДНК банана и клубники. При изготовлении раствора гель для душа, выступая в качестве детергента, разрушил мембраны клеток растения и высвободил их содержимое. Поскольку молекула ДНК нерастворима в спирте, она легко выпадает в осадок (при низких температурах), а спирт заставляет нити ДНК слипаться и становиться видимыми невооружённым глазом.

§2 Наблюдение за клетками, делящимися мейозом, в микроскоп на примере спатифиллума

Оборудование и материалы:

• световой микроскоп с увеличением 20х, 80х, 350х;

• электронный микроскоп с увеличением 80х, 160х, 640х;

• вода;

• предметные стекла;

• фрагмент пыльника спатифиллума.

Ход работы:

1. Изготовить микропрепарат: сделать тонкий срез на пыльнике спатифиллума, положить на предметное стекло, добавить каплю воды для фиксации.

2. Подготовить микроскоп к работе: настроить свет, расположить фрагмент пыльника на предметном стекле на микроскопе.

3. Провести наблюдение за клетками пыльника на увеличении 20х, 80х, 350х.

4. Повторить эксперимент, используя электронный микроскоп.

5. Проанализировав полученные изображения, выявить фазы деления клетки.

§3 Наблюдение за клетками, делящимися митозом, в микроскоп на примере орхидеи

Оборудование и материалы:

• световой микроскоп увеличением 20х, 80х, 350х;

• электронный микроскоп с увеличением 80х, 160х, 640х;

• вода;

• предметные стекла;

• фрагмент корня орхидеи.

Ход работы:

1. Изготовить микропрепарат: сделать тонкий срез на корне орхидеи (зона деления корня), положить на предметное стекло, добавить каплю воды для фиксации.

2. Подготовить микроскоп к работе: настроить свет, расположить фрагмент корня на предметном стекле на микроскопе.

3. Провести наблюдение за клетками корня на увеличении 20х, 80х, 350х.

4. Повторить эксперимент, используя электронный микроскоп.

5. Проанализировав полученные изображения, выявить фазы деления клетки.

Вывод: нам удалось рассмотреть в микроскоп ядра клеток растений и, исходя из их расположения, определить фазы деления клетки. При наблюдении за мейозом было решено взять фрагмент пыльника, ведь именно там идёт процесс мейоза при образовании пыльцы. Когда мы перешли к наблюдению за митозом, мы взяли образец зоны деления корня, где клетки активно делятся митозом для его роста. Для точности эксперимента также было проведено сравнение с делением клеток кожицы лука - готового микропрепарата.

§4 Проведение опроса по классу

Как уже было сказано, кроссинговер - процесс обмена участками гомологичных хромосом во время их конъюгации в профазе мейоза I, обеспечивающий рекомбинацию генов и появление новых признаков. Можно задаться вопросом: как подобный процесс может внешне отразиться на ребёнке?

Предположим, что в генотипе отца преобладают доминантные признаки (тёмные волосы и карие глаза), а в генотипе мамы - рецессивные признаки (светлые волосы и голубые глаза). Тогда, если у бабушки и дедушки по отцовской линии так же были тёмные волосы и карие глаза, то ребёнку передадутся эти признаки, ведь за них отвечает доминантный ген. Но если произойдёт кроссинговер, то может получиться так, что ребёнок родится с тёмными волосами и голубыми глазами, или наоборот: с светлыми волосами и карими глазами.

Чтобы закрепить теорию практикой, мы провели опрос среди нашего школьного класса.

Ход работы:

1. Подготовить бланки для опроса по следующему формату:

2. Раздать бланки одноклассникам.

3. Получив бланки с ответами обратно, определить, у скольких одноклассников наблюдается проявление доминантных и рецессивных признаков, а у скольких - кроссинговер.

4. Составить процентное соотношение по полученным результатам.

5. Охарактеризовать тех, у кого проявился кроссинговер.

9,7%

51,6%

38,7%

В нашем классе 31 ученик. Из них:

16 человек (51,6%) - с проявлением рецессивных генов;

12 человек (38,7%) - с проявлением доминантных генов;

3 человека (9,7%) - с проявлением кроссинговера.

Таким образом, людей с проявлением рецессивных признаков в классе больше, чем с проявлением доминантных. При этом на весь класс приходится лишь 3 человека с кроссинговером:

Опрошенный №1 - имеет карие глаза и светлые русые волосы. В данном случае гены матери (голубые глаза и русые волосы) «перемешались» с генами отца (карие глаза, брюнет). Так мы можем наблюдать яркое проявление кроссинговера.

Опрошенный №2 - брюнет с зелёными глазами. При этом у мамы карие глаза и русые волосы, а у папы голубые глаза и русые волосы. Зелёные глаза - довольно редкий признак. Он является рецессивным по отношению к карим глазам, но доминантным по отношению к голубым. Ни у одного из родителей нету зелёных глаз. Это может означать, что у ребёнка проявился «скрытый» ген, т.е. зелёные глаза были у кого-то из его предков (например, бабушки или дедушки).

Опрошенный №3 - имеет чёрные волосы и светло-голубые глаза. У мамы ребёнка серо-голубые глаза и русые волосы, а у папы - тёмные волосы и карие глаза.

Заключение

В ходе нашей научно-исследовательской работы была достигнута поставленная цель: мы подробно изучили процесс деления клетки митозом и мейозом, определили ключевую роль ДНК и хромосом, как молекулярной основы наследственности и главных носителей генетической информации, в обеспечении точного наследования признаков.

Изучение хромосомной теории Т. Моргана и явления кроссинговера подтвердило, что сцепленное наследование и рекомбинация генов имеют большое значение в эволюции, поскольку предоставляют материал для естественного отбора.

Проделанные нами опыты и наблюдения подтвердили выдвинутую гипотезу: в ходе эксперимента по извлечению молекулы ДНК из растительных объектов (банан и клубника) удалось наглядно продемонстрировать материальную природу наследственности. Наблюдение агрегированных нитей ДНК подтвердило, что генетический материал существует в виде физической структуры, которую можно выделить и визуализировать даже в домашних условиях.

Наблюдение за делящимися клетками с использованием световой и электронной микроскопии позволило в реальном времени проследить за поведением хромосом, а также идентифицировать ключевые фазы деления. Это визуально подтвердило теоретические положения о поведении хромосом как носителей ДНК.

Таким образом, нам удалось установить связь между молекулой ДНК и реальным клеточным процессом. Мы экспериментально проследили логическую цепь: молекула ДНК упакована в хромосомы, поведение которых в мейозе и митозе обеспечивает точную передачу наследственной информации.

Список использованных источников и литературы:

1. Момыналиев К. Азбука генетики: основы медицинской генетики для непрофессионалов. - ТОО «Триген», 60 с.

2. Хромосомная теория наследственности // Skysmart URL: Skysmart.ru (дата обращения: 20.02.2026).

3. Игумнова А. К. Что и как передаётся по наследству от родителей?// Полезные статьи. - Genetico, 2024. - с. 1-5.

4. В. С. Рохлов, С. Б. Трофимов, А. В. Теремов Биология, 9-й класс: учебник. - Москва: Просвещение, 2022.

5. Кроссинговер // Википедия URL: ru.wikipedia.org (дата обращения: 20.02.2026).