IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние факторов окружающей среды на численность и половую дифференциацию у организмов (на примере Drosophila melanogaster)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Блошкин Т.Ю. 1

---

1МБОУ "Абрамовская СШ им. А. И. Плотникова"

Гусенков С.В. 1

---

1МБОУ "Абрамовская СШ им. А. И. Плотникова"

Работа в формате PDF

751.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Среди многообразных проявлений жизнедеятельности размножению принадлежит особая роль. В известном смысле существование организма является подготовкой к выполнению им главной биологической задачи – участие в размножении. В основе способности организмов к размножению лежат определенные клеточные механизмы.

Продолжительность жизни особи короче продолжительности существования вида, к которому она принадлежит. Поэтому история вида – это история сменяющихся поколений организмов. Очередное поколение образуется в результате размножения особей предшествующего поколения. Способность к размножению является неотъемлемым свойством живых существ. С его помощью сохраняются во времени биологические виды и жизнь как таковая. Биологическая роль размножения состоит в том, что оно обеспечивает смену поколений. Различия, закономерно проявляющиеся в фенотипах особей разных поколений, делают возможным естественный отбор и, следовательно, эволюцию жизни.

Соотносительная роль наследственной программы и факторов среды в формировании фенотипа особи может быть прослежена на примере развития признаков половой принадлежности организма.

Пол организма представляет собой важную фенотипическую характеристику, которая проявляется в совокупности свойств, обеспечивающих воспроизведение потомства и передачу ему наследственной информации.

Под первичными половыми признаками понимают морфофизиологические особенности организма, обеспечивающие образование половых клеток – гамет, сближение и соединение их в процессе оплодотворения. Это наружные и внутренние органы размножения. Вторичными половыми признаками называют отличительные особенности того или другого пола, не связанные непосредственно с гаметогенезом, спариванием и оплодотворением, но играющие важную роль в половом размножении. Их развитие контролируется гормонами, синтезируемыми первичными половыми органами.

Важным доказательством в пользу наследственной детерминированности половой принадлежности организмов является наблюдаемое у большинства видов соотношение по полу 1 : 1.

У большинства видов развитие признаков пола осуществляется на основе наследственной программы, заключенной в генотипе. Однако известны примеры, когда половая принадлежность организма целиком зависит от условий, в которых он развивается.

У высших организмов значение среды в определении признаков пола, как правило, невелико. Вместе с тем даже для них известны примеры, когда в определенных условиях развития происходило переопределение пола на противоположный, несмотря на имеющуюся комбинацию хромосом в зиготе. Возможность переопределения пола обусловлена тем, что первичные закладки гонад у эмбрионов всех животных изначально бисексуальны. В процессе онтогенеза происходит выбор направления развития закладки в сторону признаков одного пола, включая дифференцировку половых желез, формирование половых путей и вторичных половых признаков. Первостепенная роль в развитии мужского или женского фенотипа принадлежит гормонам, образуемым гонадами.

Генотип особи заключает в себе информацию о возможности формирования признаков того или иного пола, которая реализуется лишь при определенных условиях индивидуального развития. Изменение этих условий может стать причиной переопределения признаков пола. При этом у организмов разных видов относительное значение генетических и средовых факторов не одинаково: у одних видов определяющим фактором является среда, у других – наследственная программа.

Актуальность данной работы состоит в том, что человек постоянно изменяет окружающую среду, воздействия которой оказывают большое значение на существование всех живых организмов. Неблагоприятная окружающая среда сказывается на численности особей в популяции и дифференциацию пола.

Цель работы: определить тенденцию влияния некоторых факторов среды человека на численность особей и формирование пола у организмов в первом поколении.

Задачи:

Изучить литературу по данной проблеме.

Выявить влияние R-лучей, излучения компьютера и мобильного телефона на дифференциацию пола у drosophila melanogaster.

Изучить влияние R-лучей, компьютера и мобильного телефона на дальнейшее потомство у drosophila melanogaster.

Определить влияние R-лучей, компьютера и мобильного телефона на численность особей в первом поколении.

Метод исследования: эксперимент.

Роль наследственных и средовых факторов в определении половой принадлежности организма.

Важным доказательством в пользу наследственной детерминации половой принадлежности организмов является наблюдаемое у большинства видов соотношение по полу 1 : 1.

Соотношение по полу у разных видов.

Такое соотношение может быть обусловлено образованием двух видов гамет представителями одного пола и одного вида гамет – особями другого пола. Это соответствует различиям в кариотипах организмов разных полов одного и того же вида, проявляющимся в половых хромосомах. У гомогаметного пола, имеющего имеющие одинаковые половые хромосомы ХХ, все гаметы несут гаплойдный набор аутосом плюс Х-хромосому. У гетерогаметного пола в кариатипе кроме аутосом содержатся две разные или только одна половая хромосома (ХY или ХО). Его представители образуют два вида гамет, различающиеся по гетерохромосомам: Х и Y или Х и О.

У разных видов организмов хромосомный механизм определения пола реализуется по-разному. У человека и других млекопитающих, а также у дрозофилы гомогаметным является женский пол (ХХ), а гетерогаметным – мужской (ХY).

Таким образом, хромосомный механизм определения половой принадлежности организмов обеспечивает равновероятность встречаемости представителей обоих полов. Это имеет большой биологический смысл, так как обусловливает максимальную вероятность встречи самки и самца, потомки получают более разнообразную наследственную информацию, поддерживается оптимальная численность особей в популяции.

Исследования, проведенные на дрозофиле, обнаружили незначительную роль Y-хромосомы в определении пола. Особи с кариотипом ХО внешне являются типичными самцами, но стерильными, а особи с кариотипом ХХY – плодовитые самки. Y-хромосома у дрозофилы по размеру близка к Х-хромосоме, однако она генетически инертна, так как состоит в основном из гетерохроматина. В связи с этим первичное определение пола у дрозофилы обусловлено не только сочетанием в зиготе Х- и Y- хромосом, сколько соотношений числа Х-хромосом и наборов аутосом (половой индекс).У нормальных самок половой индекс равен 1 (2Х:2А), у нормальных самцов – 0,5 (ХY:2А). Увеличение полового индекса более 1 при увеличении дозы Х-хромосомы (3Х:2А) приводит к развитию сверхсамок, а величина этого показателя ниже 0,5 (ХY:3А) обеспечивает появление сверхсамцов. При значении полового индекса более 0,5, но менее 1 (2Х:3А) развиваются интерсексы.

О значении дозы Х-хромосом в определении пола у дрозофилы свидетельствует развитие латерального гинандроморфизма у мух при утрате Х-хромосомы одной из клеток на стадии первого деления зиготы. В результате половина тела, развивающаяся из клетки с нормальным кариотипом (2АХХ), несет признаки самки, а другая половина, клетки которой лишены одной Х-хромосомы (2АХО), имеет признаки самца.

Обнаружение зависимости половой принадлежности развивающегося организма от дозы Х-хромосом у дрозофилы и некоторых других насекомых привело американского генетика С. Бриджеса к формулировке гипотезы генного баланса, в соответствии с которй организм изначально бисексуален, т.е. несет в себе задатки и мужского, и женского полов. Развитие признаков одного из них зависит от соотношения этих хромосом. У плодовой мухи Y-хромосома, будучи генетически инертной, в определении признаков пола не участвует.

У человека Y-хромосома играет важную роль в детерминации пола. Она содержит определенное количество генов, часто из которых гомологична генам Х-хромосомы, а часть не имеет в ней гомологов и наследуется только по мужской линии. Некоторые из этих генов непосредственно связаны с детерминацией мужского пола. Поэтому у человека присутствие y-хромосомы в кариотипе независимо от количества Х-хромосом (2АХХY, 2АХХХY) обеспечивает развитие мужского пола. Особи с кариотипом 2АХО являются женскими, несмотря на уменьшение дозы Х-хромосомы. Однако значение баланса генов в определении половой принадлежности организма подтверждается тем, что особи с кариотипами 2АХО, 2АХХХ, 2АХХY, 2АХХХYи т.д. отличаются наличием пороков развития и часто стерильны.

Зависимость половой принадлежности организмов от сочетания или количества половых хромосом в его кариотипе свидетельствует о том, что гены, определяющие пол, располагаются главным образом в этих хромосомах. Однако известен целый ряд примеров, указывающих на то, что в развитии признаков пола принимают участие также гены, локализованные в аутосомах. В частности, в геноме дрозофилы присутствует ген, называемый трансформатором. Рецессивный аллель этого гена в гомозиготном состоянии tt превращает женские зиготы 2Х в фенотипических самцов, которые оказываются стерильными. Самки XXt⁺t⁺ или XXt⁺t плодовиты, особи с кариотипом Xytt – нормальные самцы, организмы с кариотипом XXtt – превращенные стерильные самцы. Другие примером влияния аутосомных генов на развитие признаков пола может служить существование у кукурузы генов, мутантные аллели которых превращают ее из однодомного растения в двудомное, препятствуя развитию органов либо мужского, либо женского пола. Рецессивный аллель гена sk (silkless) в гомозиготном состоянии вызывает недоразвитие семяпочек и превращает растение в мужское. Мутантный аллель другого гена ts (tassel seed) в гомозиготном состоянии вызывает развитие семяпочек и семян в метелке, а пыльники не развиваются.

У человека развитие организма по мужскому типу обеспечивается не только геном, расположенным в Y-хромосоме и определяющим способность к синтезу мужского полового гормона – тестостерона, но и Х-сцепленным геном, контролирующим синтез белка-рецептора этого гормона. Мутация упомянутого Х-сцепленного гена приводит к развитию синдрома тестикулярной феминизации.

Доказательства роли факторов среды в развитии признаков пола

У большинства видов развитие признаков пола осуществляется на основе наследственной программы, заключенной в генотипе. Однако известны примеры, когда половая принадлежность организма целиком зависит от условий, в которых он развивается.

У высших организмов значение среды в определении признаков пола, как правило, невелико. Вместе с тем даже для них известны примеры, когда в определенных условиях развития происходило переопределение пола на противоположный, несмотря на имеющуюся комбинацию хромосом в зиготе. Возможность переопределения пола обусловлена тем, что первичные закладки гонад у эмбрионов всех животных изначально бисексуальны. В процессе онтогенеза происходит происходит выбор направления развития закладки в сторону признаков одного пола, включая дифференцировку половых желез, формирование половых путей и вторичных половых признаков. Первостепенная роль в развитии мужского или женского фенотипа пренадлежит гормонам, образуемым гонадами.

Ведущим началом в дифференцировке пола являются гены, контролирующие уровень мужских и женских половых гормонов. Соотношение этих гормонов в организме является особенно важным для формирования и поддержания соответствующих признаков. Так как у млекопитающих и человека дифференцировка пола начинается очень рано, то полное переопределение пола в эмбриогенезе у них невозможно.

Собственные исследования.

В данной работе нами была принята попытка выявить и охарактеризовать зависимость дифференциации пола у живых организмов (на примере Drjsjphila melanogaster) под влиянием R-лучей, под влиянием излучения компьютера и мобильного телефона.

Методики исследования.

Для работы мы взяли Drosophila melanogaster. Это двукрылое насекомое, вид плодовой мухи из рода дрозофил.

Дрозофилы имеют красные глаза и желто-коричневую окраску с поперечными черными кольцами поперек живота. Ярко выражен половой диморфизм: самки в длину около 2,5 мм, самцы же заметно меньше и задняя часть их тела темнее. Для новичка пытающегося найти разницу между полами с применением микроскопа, возможно, наиболее отличительной отметкой является группа остроконечных волос, окружающих анус и гениталии самца.

Жизненный цикл.

Жизненный цикл дрозофилы при 25 ^оС – 10 дней, при 18 ^оС – примерно в два раза больше. Самки откладывают в загнивающий фрукт или другой органический материал около 400 яиц (эмбрионов), каждое из которых порядка 0,5 мм в длину. Яйца раскрываются через 24 часа. Вылупившиеся личинки растут на протяжении 5 дней, дважды линяя за это время: через 24 и 48 часов после рождения. В течение этого времени они питаются микроорганизмами, разлагающими фрукт, а также и самим сахаром из фрукта. Наконец, личинки закупориваются в пупарий и претерпевают пятидневную стадию метаморфоза, в результате которого возникают взрослые особи.

Первое спаривание у самки происходит не ранее чем через 12 часов после появления из кокона. Самки сохраняют сперму от самцов, с которыми они спариваются, для позднего использования. Именно по этой причине генетики должны отобрать муху женского пола до ее первого спаривания и убедится, что она спаривается только с конкретным самцом, выбранным для эксперимента. Оплодотворенная самка может быть «возвращена в девственницу» путем длительной инкубации при температуре 10 ^оС, что убивает сперму.

В пробирку с «пищей» для мух (бананом) помещались две мушки (1 самка и 1 самец). Две пробирки облучались R-лучами, две были оставлены в кабинете информатики (около компьютеров), еще две постоянно находились рядом с мобильным телефоном. Две пробирки были контрольными.

Анализ результатов.

В данной работе нами была предпринята попытка выявить и охарактеризовать динамику изменений показателей численности потомства и половую дифференциацию под влиянием R-лучей, компьютеров и мобильных телефонов.

Полученный материал свидетельствует о влиянии приведенных факторов на численность и половую дифференциацию потомства.

Влияние факторов на численность потомства.

В каждую из групп были определены по 3 пробирки с drosophila melanogaster. По обработанным данным видно, что число особей в первом поколении, при различных факторах, разные. Контрольная группа – 1538 особей, группа подвергающаяся воздействию R- лучей – 903, компьютера – 794, мобильного телефона – 608.

Соотношение самцов и самок в контрольной группе составляет 761 и 777 соответственно. При воздействии R-лучей: самцов – 261, самок – 642; компьютера: самцов – 193, самок – 601; мобильного телефона: самцов – 162, самок – 446.

Заключение.

В современных условиях резкого обострения экологических проблем численность видов сокращается. Человек постоянно находится под воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды. Возможно это сказывается на деторождение у людей.

Согласно современной литературе половая дифференциация у многих организмов зависит от условий окружающей среды. Это послужило теоретической основой для формирования цели и задач исследования.

Исходя из полученных данных, под влиянием неблагоприятных факторов численность особей в потомстве уменьшается и преобладают самки, что позволяет, по нашему мнению, поддержать популяцию.

Выводы.

Исследования показали, что факторы окружающей среды человека снижают численность особей в потомстве. Причем наиболее мощным фактором является мобильный телефон, используемый человеком ежедневно.

Половая дифференциация так же зависит от факторов окружающей среды. При неблагоприятных воздействиях в потомстве наблюдаются увеличения числа самок.

Преобладание самок в популяции при неблагоприятных условиях позволяет существовать организмам во времени.

Литература

Основы биологии: Курс для самообразования/ С. Г. Мамонтов, В. Б. Захаров, Т. А. Козлова. – М.: Просвещение, 1992.

Энциклопедия для детей. Т.2.Биология. / Глав. ред. М. Д. Аксенова. – М.: Аванта+, 2003.

Биология. В 2 кн. Учеб. для медиц. Спец. вузов / В. Н. Ярыгин, В. И. Васильева, И. Н. Волков, В. В. Синельщикова; Под ред. В. Н. Ярыгина. – М.: Высшая школа, 2001.

Бродский А. К. Общая экология. – М.: Академия, 2006.

Чернова Н. М. Общая экология: учебное пособие для студентов пединститутов по биологическим специальностям. – М.: Просвещение, 1986.