האנושות עוסקת זה מכבר בבחירת צמחים ובעלי חיים המתאימים לענות על צורכי האוכלוסייה. ידע זה משולב למדע - סלקציה. הגנטיקה, בתורה, מספקת את הבסיס לבחירה וגידול קפדניים יותר של זנים וגזעים חדשים בעלי איכויות מיוחדות. במאמר, נשקול את התיאור של שני מדעים אלה ואת תכונות היישום שלהם.
מהי גנטיקה?
מדע הגנים הוא דיסציפלינה החוקרת את תהליך העברת המידע התורשתי ואת השונות של אורגניזמים לאורך הדורות. גנטיקה היא הבסיס התיאורטי של הברירה, שהמושג שלה מתואר להלן.
משימות המדע כוללות:
- מחקר של מנגנון אחסון והעברת מידע מאבות קדמונים לצאצאים.
- המחקר של יישום מידע כזה בתהליך ההתפתחות האישית של האורגניזם, תוך התחשבות בהשפעת הסביבה.
- לימוד הסיבות ומנגנונים של שונות של אורגניזמים חיים.
- קביעת הקשר בין סלקציה, שונות ותורשה כגורמים בהתפתחות העולם האורגני.
המדע מעורב גם בפתרון בעיות מעשיות, מה שמראה את חשיבות הגנטיקה לגידול:
- קביעת יעילות הבחירה ובחירת סוגי ההכלאה המתאימים ביותר.
- שליטה בהתפתחות של גורמים תורשתיים על מנת לשפר את החפץ להשגת איכויות משמעותיות יותר.
- השגת צורות שעברו שינוי תורשתי באמצעים מלאכותיים.
- פיתוח אמצעים שמטרתם להגן על הסביבה, למשל, מהשפעת מוטגנים, מזיקים.
- הילחם נגד פתולוגיות תורשתיות.
- מתקדם בשיטות גידול חדשות.
- חפש שיטות אחרות להנדסה גנטית.
מושאי המדע הם: חיידקים, וירוסים, בני אדם, בעלי חיים, צמחים ופטריות.
מושגים בסיסיים בשימוש במדע:
- תורשה היא המאפיין של שימור והעברת מידע גנטי לצאצאים, הטבוע בכל היצורים החיים, שלא ניתן לקחת ממנו.
- גן הוא חלק ממולקולת DNA שאחראית לאיכות מסוימת של אורגניזם.
- שונות היא היכולת של אורגניזם חי לרכוש תכונות חדשות ולאבד תכונות ישנות בתהליך של אונטוגנזה.
- גנוטיפ - קבוצה של גנים, הבסיס התורשתי של אורגניזם.
- פנוטיפ - קבוצה של תכונות שאורגניזם רוכש בתהליך הפרטפיתוח.
שלבי התפתחות של גנטיקה
התפתחות הגנטיקה והברירה עברה כמה שלבים. שקול את תקופות היווצרותו של מדע הגנים:
- עד המאה ה-20, המחקר בתחום הגנטיקה היה מופשט, לא היה להם בסיס מעשי, אלא התבסס על תצפיות. העבודה המתקדמת היחידה של אותה תקופה הייתה מחקרו של ג' מנדל, שפורסם בכתב העת Proceedings of the Society of Naturalists. אבל ההישג לא הפך לנפוץ ולא נתבע רק ב-1900, אז גילו שלושת המדענים את הדמיון בין הניסויים שלהם למחקר של מנדל. זו הייתה השנה שהחלה להיחשב לזמן הולדת הגנטיקה.
- בערך בשנים 1900-1912 נחקרו חוקי התורשה, שהתגלו במהלך ניסויים היברידיים שבוצעו בצמחים ובבעלי חיים. בשנת 1906 הציע המדען האנגלי ו. ווטסון את הכנסת המושגים "גן" ו"גנטיקה". ואחרי 3 שנים, V. Johannsen, מדען דני, הציע להציג את המושגים של "פנוטיפ" ו"גנוטיפ".
- בערך בשנים 1912-1925, המדען האמריקאי טי מורגן ותלמידיו פיתחו את תורת הכרומוזומים של תורשה.
- בסביבות 1925-1940 התקבלו לראשונה דפוסי מוטציה. החוקרים הרוסים G. A. Nadson ו-G. S. Filippov גילו את השפעת קרינת גמא על הופעת גנים משתנים. S. S. Chetverikov תרם לפיתוח המדע על ידי הדגשת שיטות גנטיות ומתמטיות לחקר השונות של אורגניזמים.
- מאמצע המאה ה-20 ועד היום, שינויים גנטיים נחקרו ברמה המולקולרית. בסופו של דברבמאה ה-20 נוצר מודל DNA, נקבעה מהות הגן ופוענח הקוד הגנטי. בשנת 1969, גן פשוט סונתז לראשונה, ובהמשך הוא הוחדר לתא ונחקר השינוי בתורשה שלו.
שיטות למדע גנטי
גנטיקה, כבסיס התיאורטי לגידול, משתמשת בשיטות מסוימות במחקר שלה.
אלה כוללים:
- שיטת הכלאה. הוא מבוסס על חציית מינים בעלי קו טהור, הנבדלים זה מזה במאפיין אחד (מקסימום מספר). המטרה היא להשיג דורות כלאיים, מה שמאפשר לנו לנתח את אופי ההורשה של התכונות ולצפות להשיג צאצאים עם התכונות הנדרשות.
- שיטת גנאלוגיה. מבוסס על ניתוח אילן היוחסין, המאפשר להתחקות אחר העברת מידע גנטי בדורות, הסתגלות למחלות, וגם לאפיין את ערכו של הפרט.
- שיטת התאומים. מבוסס על השוואה של פרטים מונוזיגוטים, בשימוש כאשר יש צורך לקבוע את מידת ההשפעה של גורמים פאראטיפיים תוך התעלמות מהבדלים בגנטיקה.
- השיטה הציטוגנטית מבוססת על ניתוח הגרעין והרכיבים התוך-תאיים, תוך השוואת התוצאות לנורמה של הפרמטרים הבאים: מספר הכרומוזומים, מספר הזרועות ותכונותיהם המבניות.
- שיטת הביוכימיה מבוססת על חקר הפונקציות והמבנה של מולקולות מסוימות. לדוגמה, השימוש באנזימים שונים משמש בביוטכנולוגיה והנדסה גנטית.
- השיטה הביו-פיזיקלית מבוססת על חקר הפולימורפיזם של חלבוני פלזמה, כמו חלב או דם, המספק מידע על מגוון האוכלוסיות.
- שיטת המונוזום משתמשת בהכלאת תאים סומטיים כבסיס.
- השיטה הפנוגנטית מבוססת על חקר השפעתם של גורמים גנטיים ופראטיפיים על התפתחות תכונות האורגניזם.
- שיטה האוכלוסייה-סטטיסטית מבוססת על יישום ניתוח מתמטי בביולוגיה, המאפשר ניתוח מאפיינים כמותיים: חישוב ערכים ממוצעים, מדדי שונות, טעויות סטטיסטיות, קורלציה ועוד. השימוש בחוק הרדי-ויינברג מסייע בניתוח המבנה הגנטי של האוכלוסייה, רמת התפוצה של חריגות, וכן להתחקות אחר השונות של האוכלוסייה בעת יישום אפשרויות סלקציה שונות.
מה זה בחירה?
רבייה הוא מדע החוקר שיטות ליצירת זנים חדשים והכלאות של צמחים, כמו גם גזעים של בעלי חיים. הבסיס התיאורטי של הרבייה הוא גנטיקה.
מטרת המדע היא לשפר את תכונות האורגניזם או להשיג בו את התכונות הנחוצות לאדם על ידי השפעה על התורשה. הברירה אינה יכולה ליצור מינים חדשים של אורגניזמים. סלקציה יכולה להיחשב לאחת מצורות האבולוציה שבהן קיימת ברירה מלאכותית. בזכותה, האנושות מסופקת באוכל.
המשימות העיקריות של המדע:
- שיפור איכותי של מאפייני הגוף;
- עלייה בפריון ובתפוקה;
- הגברת העמידות של אורגניזמים למחלות, מזיקים, שינויים בתנאי האקלים.
המוזרות היא המורכבות של המדע. זה קשור קשר הדוק לאנטומיה, פיזיולוגיה, מורפולוגיה, טקסונומיה, אקולוגיה, אימונולוגיה, ביוכימיה, פיטופתולוגיה, ייצור יבולים, גידול בעלי חיים ומדעים רבים אחרים. ידע בנושאי הפריה, האבקה, היסטולוגיה, אמבריולוגיה וביולוגיה מולקולרית הם משמעותיים.
הישגים של גידול מודרני מאפשרים לך לשלוט בתורשה ובשונות של אורגניזמים חיים. חשיבות הגנטיקה לגידול ולרפואה באה לידי ביטוי בשליטה מכוונת על רצף האיכויות ובאפשרויות השגת הכלאות של צמחים ובעלי חיים כדי לענות על צורכי האדם.
שלבי פיתוח מבחר
מאז ימי קדם, האדם מגדל ובוחר צמחים ובעלי חיים למטרות חקלאיות. אבל עבודה כזו התבססה על התבוננות ואינטואיציה. התפתחות הרבייה והגנטיקה התרחשה כמעט במקביל. שקול את שלבי פיתוח הבחירה:
- במהלך הפיתוח של גידול יבולים וגידול בעלי חיים, הסלקציה החלה להיות מאסיבית, והיווצרות הקפיטליזם הובילה לעבודה סלקטיבית ברמה התעשייתית.
- בסוף המאה ה-19, המדען הגרמני F. Achard ערך מחקר והנחיל לסלק סוכר את האיכות של הגדלת היבולים. המגדלים האנגלים P. Shiref ו-F. Gallet חקרו זני חיטה. ברוסיה נוצר שדה הניסוי של פולטבה, שםמחקרים על ההרכב הזני של החיטה.
- התרבות כמדע החלה להתפתח מאז 1903, כאשר אורגנה תחנת גידול במכון החקלאי של מוסקבה.
- עד אמצע המאה ה-20 התגלו התגליות הבאות: חוק השונות התורשתית, תורת מוקדי המקור של צמחים למטרות תרבותיות, עקרונות אקולוגיים וגיאוגרפיים של ברירה, ידע על חומר המקור של צמחים וחסינותם. המכון הכל-איחוד לבוטניקה יישומית ותרבויות חדשות נוצר תחת הנהגתו של N. I. Vavilov.
- המחקר מסוף המאה ה-20 ועד היום הוא מורכב, הברירה מקיימת אינטראקציה הדוקה עם מדעים אחרים, במיוחד עם גנטיקה. נוצרו כלאיים עם הסתגלות אגרו-אקולוגית גבוהה. המחקר הנוכחי מתמקד בקבלת הכלאיים להיות פרודוקטיביים ביותר ולעמוד בלחץ ביוטי ואביוטי.
שיטות בחירה
Genetics בוחנת את דפוסי העברת המידע התורשתי ואת הדרכים לשלוט בתהליך כזה. גידול משתמש בידע שנצבר מגנטיקה ומשתמש בשיטות אחרות להערכת אורגניזמים.
העיקריים שבהם:
- שיטת בחירה. הבחירה משתמשת בבחירה טבעית ומלאכותית (לא מודעת או שיטתית). ניתן לבחור גם אורגניזם ספציפי (ברירה אינדיבידואלית) או קבוצה מהם (ברירה המונית). הגדרת סוג המבחר מבוססת על מאפייני הרבייה של בעלי חיים וצמחים.
- הכלאה מאפשרת לך לקבל גנוטיפים חדשים. בשיטה מבחינים בין-ספציפיים (הצלבה מתרחשת בתוך מין אחד) והכלאה בין-ספציפית (הצלבה של מינים שונים). ביצוע הכלאה מאפשר לך לתקן תכונות תורשתיות תוך הפחתת הכדאיות של האורגניזם. אם גידול outbreed מבוצע בדורות השניים או הבאים, אז המגדל מקבל כלאיים בעלי תשואה גבוהה ועמידים. הוכח שעם חצייה מרוחקת, הצאצאים סטריליים. כאן מתבטאת משמעות הגנטיקה לרבייה באפשרות לחקור גנים ולהשפיע על פוריות האורגניזמים.
- פוליפלואידיה הוא תהליך של הגדלת מערכי כרומוזומים, המאפשר להגיע לפוריות בהכלאות לא פוריות. נצפה שלכמה צמחים תרבותיים לאחר פוליפלואידיות יש פוריות גבוהה יותר מהמינים הקשורים אליהם.
- מוטגנזה מושרה הוא תהליך המושרה באופן מלאכותי של מוטציה של אורגניזם לאחר טיפול שלו עם מוטגן. לאחר סיום המוטציה, המגדל מקבל מידע על השפעת הגורם על האורגניזם ורכישת תכונות חדשות על ידו.
- הנדסת תאים נועדה לבנות סוג חדש של תאים באמצעות טיפוח, בנייה מחדש והכלאה.
- הנדסת גנים מאפשרת לך לבודד ולחקור גנים, לתמרן אותם על מנת לשפר את איכויות האורגניזמים ולהתרבות מינים חדשים.
צמחים
בתהליך לימוד הצמיחה, הפיתוח והבחירה של תכונות שימושיות של צמחים, הגנטיקה והברירה קשורים זה בזה. גנטיקה בתחום ניתוח חיי צמחים עוסקתנושאים של לימוד תכונות ההתפתחות שלהם והגנים המבטיחים היווצרות ותפקוד תקינים של הגוף.
מדע לומד את התחומים הבאים:
- פיתוח של אורגניזם אחד ספציפי.
- בקרת מערכות איתות מפעלים.
- ביטוי גנים.
- מנגנוני אינטראקציה בין תאי צמחים ורקמות.
רבייה, בתורה, מבטיחה יצירת תכונות חדשות או שיפור של תכונות של מיני צמחים קיימים בהתבסס על הידע שנצבר באמצעות גנטיקה. המדע נחקר ומשמש בהצלחה לא רק על ידי חקלאים וגננים, אלא גם על ידי מגדלים בארגוני מחקר.
השימוש בגנטיקה בגידול ובייצור זרעים מאפשר להנחיל לצמחים איכויות חדשות שיכולות להועיל בתחומים שונים בחיי האדם, כמו רפואה או בישול. כמו כן, ידע במאפיינים גנטיים מאפשר להשיג זנים חדשים של גידולים שיכולים לצמוח בתנאי אקלים אחרים.
הודות לגנטיקה, הרבייה משתמשת בשיטת ההצלבה והברירה הפרטנית. התפתחות מדע הגנים מאפשרת ליישם שיטות כמו פוליפלואידיות, הטרוזיס, מוטגנזה ניסיוני, הנדסה כרומוזומלית והנדסה גנטית בגידול.
עולם החי
מבחר וגנטיקה של בעלי חיים הם ענפי מדע החוקרים את תכונות ההתפתחות של נציגי עולם החי. הודות לגנטיקה, אדם צובר ידע על תורשה, מאפיינים גנטיים ושונותאורגניזם. והבחירה מאפשרת לך לבחור לשימוש רק את בעלי החיים שתכונותיהם הכרחיות לבני אדם.
במשך זמן רב אנשים בוחרים בחיות שמתאימות, למשל, יותר לשימוש בחקלאות או בציד. לתכונות כלכליות וחוץ יש חשיבות רבה לגידול. לפיכך, חיות משק נשפטות לפי המראה והאיכות של צאצאיהם.
השימוש בידע של גנטיקה בגידול מאפשר לך לשלוט בצאצאי בעלי החיים ובאיכויותיהם הדרושות:
- התנגדות לנגיף;
- עלייה בתנובת החלב;
- גודל ומבנה גוף אישיים;
- סובלנות אקלים;
- fertility;
- offspring gender;
- חיסול הפרעות תורשתיות בצאצאים.
גידול בעלי חיים הפך לנפוץ לא רק כדי לענות על הצרכים העיקריים של האדם לתזונה. כיום ניתן לצפות בגזעים רבים של בעלי חיים ביתיים, שגדלו באופן מלאכותי, וכן במכרסמים ודגים, כגון גופי. גידול וגנטיקה בגידול בעלי חיים משתמשים בשיטות הבאות: הכלאה, הזרעה מלאכותית, מוטגנזה נסיונית.
מגדלים וגנטיקאים מתמודדים לעתים קרובות עם הבעיה של אי-התרבות של מינים בקרב הדור הראשון של הכלאיים וירידה משמעותית בפוריות הצאצאים. מדענים מודרניים פותרים שאלות כאלה באופן פעיל. המטרה העיקרית של העבודה המדעית היא לחקור את דפוסי התאימות של גמטות, העובר וגוף האם ברמה הגנטית.
מיקרואורגניזמים
ידע מודרני בגידול והגנטיקה מאפשרת לספק את צרכי האדם למוצרי מזון יקרי ערך, המתקבלים בעיקר מגידול בעלי חיים. אבל תשומת הלב של מדענים נמשכת גם על ידי אובייקטים אחרים של הטבע - מיקרואורגניזמים. המדע האמין זמן רב ש-DNA הוא תכונה אינדיבידואלית ואי אפשר להעביר אותו לאורגניזם אחר. אבל מחקר הראה שניתן להחדיר בהצלחה DNA חיידקי לכרומוזומים של צמחים. באמצעות תהליך זה, התכונות הטמונות בחיידק או בנגיף משתרשות באורגניזם אחר. כמו כן, השפעת המידע הגנטי של וירוסים על תאים אנושיים ידועה זה מכבר.
חקר הגנטיקה ובחירת המיקרואורגניזמים מתבצעים בזמן קצר יותר מאשר בייצור יבול וגידול בעלי חיים. זאת בשל רבייה מהירה ושינוי של דורות של מיקרואורגניזמים. שיטות מודרניות של רבייה וגנטיקה - שימוש במוטגנים והכלאה - אפשרו ליצור מיקרואורגניזמים בעלי תכונות חדשות:
- מוטנטים של מיקרואורגניזמים מסוגלים לסינתזה יתר של חומצות אמינו והיווצרות מוגברת של ויטמינים ופרוביטמינים;
- מוטנטים של חיידקים מקבעי חנקן יכולים להאיץ משמעותית את צמיחת הצמח;
- הגדלו אורגניזמים של שמרים - פטריות חד-תאיות ורבים אחרים.
מגדלים וגנטיקאים משתמשים במוטגנים הבאים:
- אולטרה סגול;
- קרינה מייננת;
- ethyleneimine;
- nitrosomethylurea;
- יישום של חנקות;
- צבעי אקרידין.
ליעילות מוטציותנעשה שימוש בטיפולים תכופים במיקרואורגניזם במינונים קטנים של המוטאגן.
רפואה וביוטכנולוגיה
הנפוץ במשמעות של גנטיקה לגידול ולרפואה הוא שבשני המקרים, המדע מאפשר לך לחקור את התורשה של אורגניזמים, המתבטאת בחסינות שלהם. ידע כזה חשוב במאבק נגד פתוגנים.
לימוד הגנטיקה בתחום הרפואה מאפשר לך:
- למנוע לידת ילדים עם מומים גנטיים;
- למנוע ולטפל בפתולוגיות תורשתיות;
- למד את השפעת הסביבה על התורשה.
לכך נעשה שימוש בשיטות הבאות:
- גנאלוגי - חקר אילן היוחסין;
- twin - זוג תאומים תואם;
- cytogenetic - חקר כרומוזומים;
- ביוכימיקל - מאפשר לזהות סמטאות מוטציות ב-DNA;
- dermatoglyphic - ניתוח דפוסי עור;
- דוגמנות ואחרות.
מחקר מודרני זיהה כ-2,000 מחלות תורשתיות. בעיקר הפרעות נפשיות. חקר הגנטיקה ובחירת המיקרואורגניזמים יכולים להפחית את השכיחות בקרב האוכלוסייה.
התקדמות הגנטיקה והברירה בביוטכנולוגיה מאפשרת להשתמש במערכות ביולוגיות (פרוקריוטות, פטריות ואצות) במדע, בייצור תעשייתי, ברפואה ובחקלאות. הידע בגנטיקה מספק הזדמנויות חדשות לפיתוח טכנולוגיות כאלה: חסכון באנרגיה ומשאבים, ללא פסולת, עתיר ידע, בטוח. בתחום הביוטכנולוגיהנעשה שימוש בשיטות הבאות: בחירת תאים וכרומוזומים, הנדסה גנטית.
גנטיקה וברירה הם מדעים שקשורים זה לזה בל יינתק. עבודת הגידול תלויה במידה רבה במגוון הגנטי של המספר הראשוני של האורגניזמים. המדעים הללו הם שמספקים ידע לפיתוח חקלאות, רפואה, תעשייה ותחומים אחרים בחיי האדם.
