Обучающий сайт "Эколого-генетические модели" был создан магистрантами 2 курса ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет» Денисовой Дарьей Сергеевной (https://vk.com/id146820564), Кормилицыной Ярославой Михайловной (https://vk.com/id229234059) и Лысцевой Алиной Алексеевной (https://vk.com/id156987340) для освоения студентами вопроса, входящего в раздел дисциплины "Экологическая генетика". Надеемся, что представленный материал поможет Вам более подробно изучить синэкологию и лежащие в ее основе отношения между сообществами живых организмов с точки зрения генетики, а также накопить определенный уровень знаний и умений для обмена полученной информацией со своими друзьями и коллегами.
Желаем успехов!
Генетический анализ синэкологических отношений
Синэкология — раздел экологии, изучающий многовидовые сообщества организмов — биоценозы, а также их взаимодействия с абиотическими и биотическими факторами среды. В настоящее время является одним из трёх главных разделов общей экологии (наряду с аутэкологией и демэкологией).
Аутэкология – раздел экологии, изучающий взаимодействие индивидуального организма или вида с факторами окружающей среды.
Демэкология – раздел экологии, изучающий взаимодействие популяций особей одного вида внутри популяции и с окружающей средой.
* Экологические отношения делят на аутэкологические (отношения между организмами) и синэкологические (отношения организмов с окружающей средой).
* При всей полезности такого деления следует признать его относительность, поскольку многие факторы окружающей среды имеют биотическое происхождение.
* Генетические подходы в экологической генетике базируются на двуединстве методологии генетического анализа, оперирующего понятиями наследственности и изменчивости.
Генетический анализ «вскрывает» гены, контролирующие все это разнообразие признаков, изучает их наследование и локализацию в геноме.
Важнейшей задачей генетического анализа является установление элементарных признаков, разложение более сложных признаков на составляющие их элементарные.
*
Прежде всего наследственность - это свойство сходства родственных организмов, их способность передавать определенные признаки из поколения в поколение. При этом в качестве признаков могут фигурировать наличие или отсутствие органов, их число, размер, цвет; способность проводить те или иные биохимические реакции; свойства нервной системы, тип поведения и т.д.
*
Следует особо остановиться на важном для генетики понятии элементарных признаков, то есть таких признаков, различия по которым наследуются в соответствии с менделевской моногибридной схемой как аллели одного гена. Очевидно, что в природе дело обстоит, как правило, значительно сложнее и мы сталкиваемся обычно с полигибридными схемами наследования.
Более того, именно этот подход и обусловил быстрый прогресс генетики в XX столетии.
* Применение методов генетического анализа, как уже было отмечено ранее, связано с выявлением элементарных признаков. Это же справедливо и для генетического анализа экологических отношений, которые обычно сложны. Поэтому необходима разработка специальных эколого-генетических моделей.
* Большую помощь в этих случаях оказывает знание пищевых цепей, особенно если в них организмы одной экосистемы выступают как продуценты и потребители каких-либо метаболитов.
Влияние различных факторов на генетические процессы (изменчивость)
1) Генетический анализ «вскрывает» причины изменчивости, то есть отвечает не только на вопрос: "Почему организмы имеют сходство между собой?" - но и на вопрос: "Почему организмы отличаются друг от друга?"
2) Особое внимание при этом уделяется причинам, механизмам и последствиям мутационной изменчивости, то есть наследуемых изменений генетического материала.
Как известно, мутации могут быть спонтанными, возникающими, казалось бы, без какой-либо внешней причины, а также индуцированными, возникающими под действием различных внешних агентов: физических, химических и т.д.
Не менее важен также вопрос о механизмах модификаций (не наследуемых изменений), которые хотя и не передаются из поколения в поколение, тем не менее часто имеют адаптивный характер и складываются в онтогенезе на основе наследуемых признаков.
Биологические факторы изменчивости
Особый интерес представляют биологические генетически активные факторы, поскольку их существование указывает на генетическую активность синэкологических отношений. В конце 1930-х годов С.М. Гершензон установил мутагенный эффект ДНК и вирусов.
Позже было выяснено, что хромосомные аберрации в соматических клетках вызывают вирусы оспы, кори, ветряной оспы, гриппа, гепатита.
* Известно, что запах во взаимоотношениях мышей выполняет функции своеобразного языка.
* Феромоны, летучие вещества, содержащиеся в моче этих животных, играют роль сигналов, вызывающих реакцию подчинения, агрессии и т.д. Пользуясь этими сигналами, старые самцы держат в подчинении самок и молодых самцов. Оказалось, что запах взрослого самца при однократном воздействии повышает частоту цитологических нарушений в сперматогенезе у молодых самцов, увеличивает частоту аномальных сперматозоидов и доминантных летальных мутаций, выявляемых после их спаривания с самками, не подвергавшимися воздействию.
* Д.К. Беляев и П.М. Бородин в Новосибирске показали, что стресс у мышей, вызываемый некоторыми физическими воздействиями, повышает у них частоту кроссинговера.
Влияние синэкологических отношений на генетические процессы
Синэкология исследует как отношения между организмами одного вида, так и отношения между организмами разных видов, объединяемых в экосистемы. Чаще всего эти отношения основываются на взаимозависимости разных видов, составляющих различные этапы пищевых цепей. Знание пищевых цепей в природе необходимо для прогнозирования последствий любых воздействий на экосистемы.
Хорошо известен пример того, к чему привело игнорирование структуры пищевых цепей при попытке уничтожить комаров на озере Клир-Лэйк в США. После использования для этой цели инсектицида ДДТ (4,4-дихлор-дифенилтрихлорэтана) его концентрация в воде составила 0,02 части на 106, в планктоне - 10 на 106, в рыбах, питающихся планктоном, - 903 на 106, в хищных рыбах - 2690 на 106, а в рыбоядных птицах - 2134 на 106.
Таким образом, концентрация ДДТ увеличилась в 100 тыс. раз по мере продвижения вверх по пищевой цепи, что привело к сокращению численности птиц на озере Клир-Лэйк.
Главная опасность применения ДДТ заключается в сочетании его токсичности и стабильности, характерных для хлорорганических соединений, к которым он относится.
Направления симбиогенетики
Симбиогенетика – это отрасль генетических исследований, предметом которой являются надорганизменные генетические системы, образующиеся в результате взаимодействия неродственных организмов и обеспечивающие у них формирование новых признаков, расширяющих экологические возможности партнёров.
Направление возникло в начале XXI века
1. Сигнальные взаимодействия в симбиозе
Изучение на этапе узнавания специфичного партнёра по симбиозу. Узнавание происходит по наличию характерных отличительных признаков, называемых сигнальными.
Nod-факторы ризобий
• Представляют собой липохитоолигосахариды.
• Гены, отвечающие за синтез Nod-факторов, локализованы в симбиотических плазмидах
• Запуск работ эти генов индуцируется флавоноидами.
2. Гены, контролирующие симбиоз
* Это гены, разрешающие симбиоз и определяющие его степень его проявления.
* Без такого контроля симбиоз очень быстро перерастёт в паразитизим.
* В зависимости от количества азота в почве определяется , будут ли бобовые участвовать в симбиозе.
* Также, есть гены, определяющие количество клубеньков. Информация о количестве клубеньков поступает в надземную часть корня, вызывая ответные сигналы.
| 3. Метаболическая интеграция организмов в системах симбиоза Это приобретение новым метаболических функций и формирование межорганизменных биохимических путей в системах симбиоза. Пример: для осуществления универсальных реакций (цикл азота и углерода) растение использует особые формы ферментов, специфические для клубеньков, гены этих ферментов расположены в органеллах, имеющих бактериальное проихождение. |
4. Эволюция симбиотических систем
* Симбиоз представляется одну из стратегий адаптивной эволюции, которая обеспечивает становление высших форм жизни и сложноорганизованных систем.
* Симбиоз может приводить к преобразование надорганизменной системы в единый организм, обладающий принципиально новыми возможностями.
Проблемы управления численностью организмов в рамках единой экологической системы
Популяцией называют совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией.
*
Каждая популяция, обитающая в том или ином месте, имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности.
Структура популяции, ее численность и динамика численности определяется экологической нишей данного вида, а именно: соответствием условий местообитания (т.е. режима факторов среды) требованиям (т.е. толерантности), слагающих популяцию организмов.
Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам экологических факторов. В ряде случаев это может привести к гибели популяции
Популяции бактерий или простейших в активном иле аэротенков (устройство для чистки сточных вод) состоят из миллиардов особей.
Численность бактерий в аэротенке или в биофильтре определяет качество работы этих сооружений.
В сельском и лесном хозяйстве от численности растительноядных видов зависит наносимый ими ущерб. Не зная фактической численности и состояния популяций редких и исчезающих видов, невозможно вести работу по их охране и воспроизводству.
Для того, чтобы сравнить численность одной и той же популяции в разные отрезки времени, например, в разные годы, пользуются таким относительным показателем, как плотность популяции.
Плотность популяции - численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади или объема.
Так, плотность популяции лося и других теплокровных животных определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га, население почвенных беспозвоночных соотносится с квадратным метром.
Зная изменение плотности во времени или пространстве, можно установить, увеличивается или уменьшается численность особей.
*
Численность и плотность популяции предопределены не только режимами экологических факторов в данное время, но и всем предшествующим развитием данной популяции, предыдущих поколений в том или ином сообществе. Принято говорить, что объем популяции определяется стациальной (стация - местообитание) емкостью экосистемы для представителей популяции данного вида или емкостью места локализации экологической ниши.
Факторы, влияющие на управление численностью в экологической системе:
1) Абиотические факторы: низкие и высокие температуры, ливневые осадки и град, избыточная и недостаточная влажность и др.
2) Биотические факторы: отсутствие корма, инфекционные заболевания
3) Антропогенные факторы: загрязнение окружающей среды, уничтожение животных, вырубка деревьев и др.
Для оптимизации отношений человека с природой важно учитывать численность популяции, принимать во внимание то, что на численность популяции может повлиять истощение нужных ей ресурсов из-за сокращения кормовой базы, конкуренция со стороны домашних животных, вытаптывание почвы и ухудшение ее аэрации, снижение кислорода в воде при загрязнении и эвтрофировании.
Человек может искусственно регулировать численность популяций, например, животных путем запрещения охоты или ограничения ее сроков на некоторые виды, ввода лицензий. Это уже дало положительные результаты – предотвратило от истребления ряд видов, в частности, лося, бобра, зубра. Ведя борьбу с вредителями сельского и лесного хозяйств, опасными для жизни видами, человек ограничивает численность их популяций.
В целом, численность популяции, скорость ее роста (в более общем смысле – скорость ее изменения, динамика численности) являются весьма лабильными параметрами, высокочувствительными к воздействию абиотических, биотических, антропических факторов. Поэтому человек должен хорошо представлять все особенности той популяции, которая эксплуатируется, чтобы обеспечить воспроизводство, стабильное длительное ее существование. Сложность этой задачи увеличивается в силу многочисленных связей между популяциями разных видов, населяющих одну территорию.
