Ақпарат

12.2: Селективті және қоршаған орта қысымдары - Биология

12.2: Селективті және қоршаған орта қысымдары - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

үйрену мақсаттары

Экологиялық өзгерістер мен селективті қысымдар мутациялардың таралуына қалай әсер ететінін, эволюция процесіне ықпал ететінін түсіну

Табиғи сұрыптау популяцияның тұқым қуалайтын белгілеріне ғана әсер етеді: пайдалы аллельдерді таңдау және осылайша олардың популяциядағы жиілігін арттыру, ал зиянды аллельдерге қарсы таңдау және сол арқылы олардың жиілігін төмендету — процесс деп аталады. адаптивті эволюция. Табиғи сұрыптау жеке аллельдерге емес, тұтас организмдерге әсер етеді. Жеке адам, мысалы, көбею қабілетін (ұрықтылығын) арттыратын, нәтижесінде пайда болатын фенотипі бар өте пайдалы генотипті тасымалдауы мүмкін, бірақ егер сол жеке адам өлімге әкелетін балалық ауруға әкелетін аллельді де алып жүрсе, бұл ұрықтандыру фенотипі берілмейді. келесі ұрпаққа беріледі, өйткені адам репродуктивті жасқа жеткенше өмір сүрмейді. Табиғи сұрыптау жеке тұлға деңгейінде әрекет етеді; ол келесі ұрпақтың гендік қорына үлкен үлес қосатын жеке тұлғаларды таңдайды, бұл организмнің эволюциялық (дарвиндік) фитнес.

Фитнес жиі санмен сипатталады және оны осы саладағы ғалымдар өлшейді. Дегенмен, маңыздысы адамның абсолютті жарамдылығы емес, оның популяциядағы басқа организмдермен салыстырғандағы. Бұл тұжырымдама деп аталады салыстырмалы жарамдылық, зерттеушілерге қандай тұлғалар келесі ұрпаққа қосымша ұрпақ әкелетінін және осылайша популяцияның қалай дамитынын анықтауға мүмкіндік береді.

Таңдаудың популяцияның вариациясына әсер етуінің бірнеше жолы бар: тұрақтандырушы сұрыптау, бағытты таңдау, сұрыптауды әртараптандыру, жиілікке байланысты таңдау және жыныстық сұрыптау. Табиғи сұрыптау популяциядағы аллельдік жиіліктерге әсер ететіндіктен, жеке адамдар генетикалық жағынан азды-көпті ұқсас болуы мүмкін, ал көрсетілген фенотиптер ұқсас немесе әртүрлі болуы мүмкін.

Тұрақтандырушы таңдау

Табиғи сұрыптау орташа фенотипті қолдаса, экстремалды вариацияға қарсы таңдалса, популяция тұрақтандырушы таңдау (1а-сурет). Орманда өмір сүретін тышқандар популяциясында, мысалы, табиғи сұрыптау орман төсенішімен жақсы үйлесетін және жыртқыштардың көзіне түспейтін адамдарға қолайлы болуы мүмкін. Жерді қоңыр түстің жеткілікті дәйекті реңктері деп есептесек, жүні осы түске барынша сәйкес келетін тышқандар қоңыр пальтосына гендерін беріп, аман қалуы және көбеюі ықтимал. Ашық немесе сәл қараңғы ететін аллельдерді алып жүретін тышқандар жерге қарсы тұрып, жыртқыштың құрбаны болу ықтималдығы жоғары болады. Бұл таңдау нәтижесінде популяцияның генетикалық дисперсиясы азаяды.

Бағытты таңдау

Қоршаған орта өзгерген кезде популяциялар жиі ұшырайды бағытты таңдау (1б-сурет), ол бар вариация спектрінің бір шетіндегі фенотиптерді таңдайды. Таңдаудың бұл түрінің классикалық мысалы - он сегізінші және он тоғызыншы ғасырлардағы Англиядағы бұрышты көбелектің эволюциясы. Өнеркәсіптік революцияға дейін көбелектер негізінен ашық түсті болды, бұл оларға қоршаған ортадағы ашық түсті ағаштар мен қыналармен араласуға мүмкіндік берді. Бірақ зауыттардан күйе шыға бастағанда, ағаштар қараңғыланып, ашық түсті көбелектер жыртқыш құстарға оңай көріне бастады. Уақыт өте келе, көбелектің меланикалық түрінің жиілігі өсті, өйткені олардың ауаның ластануынан зардап шеккен мекендейтін жерлерде өмір сүру деңгейі жоғары болды, өйткені олардың қою түстері күйе ағаштармен араласқан. Сол сияқты, тышқандардың гипотетикалық популяциясы, егер бірдеңе олар тұратын орман қабатының түсін өзгертуіне себеп болатын болса, басқа түс алу үшін дамуы мүмкін. Таңдаудың бұл түрінің нәтижесі популяцияның генетикалық дисперсиясының жаңа, жарамды фенотипке қарай ығысуы болып табылады.

Ғылымда кейде нәрселер шындыққа сенеді, содан кейін біздің түсінігімізді өзгертетін жаңа ақпарат пайда болады. Бұрышталған көбелектің оқиғасы мысал болып табылады: жақында күңгірт көбелектерді таңдаудың артындағы фактілер күмән тудырды. Қосымша ақпарат алу үшін осы мақаланы оқыңыз.

Іріктеуді әртараптандыру

Кейде екі немесе одан да көп фенотиптердің әрқайсысының өз артықшылықтары болуы мүмкін және олар үшін табиғи сұрыпталу арқылы таңдалады, ал аралық фенотиптер орта есеппен аз сәйкес келеді. Әртараптандыратын іріктеу ретінде белгілі (1в-сурет), бұл бірнеше аталық формалары бар жануарлардың көптеген популяцияларында көрінеді. Ірі, басым альфа еркектері жұбайларды қатыгездікпен алады, ал кішкентай еркектер альфа еркектерінің аумағында ұрғашылармен жасырын түрде ұрып-соғуы мүмкін. Бұл жағдайда альфа аталықтары да, «жасырын» аталықтары да таңдалады, бірақ альфа аталықтарынан асып түсе алмайтын және жасырын қосындылар жасау үшін тым үлкен орта бойлы еркектер таңдалады. Әртараптандыратын іріктеу қоршаған ортаның өзгеруі фенотиптік спектрдің кез келген жағындағы адамдарға қолайлы болған кезде де орын алуы мүмкін. Тышқандар популяциясын елестетіп көріңізші, жағажайда биік шөптер кесілген ашық түсті құм бар. Бұл сценарийде құммен араласатын ашық түсті тышқандар, сондай-ақ шөпте жасырынатын қара түсті тышқандар қолайлы болады. Ал орташа түсті тышқандар шөпке де, құмға да араласпайды, сондықтан жыртқыштар жейтін болады. Таңдаудың бұл түрінің нәтижесі популяцияның әртүрлі болуына байланысты генетикалық дисперсияның жоғарылауы болып табылады.

Практикалық сұрақ

Соңғы жылдары зауыттар тазарып, қоршаған ортаға күйе аз бөлінді. Бұл популяциядағы көбелектің түсінің таралуына қандай әсер етті деп ойлайсыз?

[практика-аймақ жолдары=”2″][/практика-аймақ]
[ашу-жауап q=”173318″]Жауапты көрсету[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”173318″]Көбелектер ашық түске ауысты.[/hidden-answer]

Жиілікке тәуелді таңдау

Таңдаудың басқа түрі деп аталады жиілікке байланысты таңдау, жиі кездесетін (оң жиілікке тәуелді таңдау) немесе сирек (теріс жиілікке тәуелді таңдау) фенотиптерді қолдайды. Таңдаудың бұл түрінің қызықты мысалы Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы кесірткелердің бірегей тобында көрінеді. Кәдімгі бүйірлік кесірткелер үш жұлдыру түсті үлгіде келеді: қызғылт сары, көк және сары. Бұл формалардың әрқайсысында әртүрлі репродуктивті стратегия бар: қызғылт сары еркектер ең күшті және олардың аналықтарына қол жеткізу үшін басқа еркектермен күресе алады; көк ерлер орташа өлшемді және жұптарымен күшті жұптық байланыстар құрайды; және сары аталықтары (2-сурет) ең кішкентай және аналықтарға ұқсайды, бұл оларға жұптарды жасыруға мүмкіндік береді. Тас-қағаз-қайшы ойынындай қызғылт сары көкті, көк сарыды, сары түс қызғылт сарыны ұрғашылар сайысында ұрады. Яғни, үлкен, күшті қызғылт сары еркектер көк түстің жұп байланысқан аналықтарымен жұптасу үшін көк аталықтарды жеңе алады, көк еркектер өздерінің жұптарын сары кроссовкалардың еркектерінен қорғай алады, ал сары еркектер әлеуетті жұптардан жұптарды жасыра алады. ірі, көп әйелді қызғылт сары аталықтардың.

Бұл сценарийде популяцияда көгілдір еркектер басым болған кезде қызғылт сары еркектерге табиғи сұрыптау ұнайды, популяция негізінен сары аталық болған кезде көк еркектер өркендейді, ал сарғыш еркектер ең көп қоныстанған кезде сары еркектер таңдалады. Нәтижесінде, бүйірлік дақтары бар кесірткелердің популяциялары осы фенотиптердің таралуы бойынша айналым жасайды - бір ұрпақта апельсин басым болуы мүмкін, содан кейін сары аталықтардың жиілігі жоғарылай бастайды. Сары еркектер популяцияның көпшілігін құраса, көк еркектер таңдалады. Ақырында, көгілдір еркектер кең таралған кезде, қызғылт сары еркектер тағы да ұнайды.

Теріс жиілікке тәуелді таңдау сирек кездесетін фенотиптерді таңдау арқылы популяцияның генетикалық дисперсиясын арттыруға қызмет етеді, ал оң жиілікке тәуелді таңдау әдетте жалпы фенотиптерді таңдау арқылы генетикалық дисперсияны азайтады.

Жыныстық таңдау

Белгілі бір түрлердің аталықтары мен аналықтары көбінесе репродуктивті органдардан тыс тәсілдермен бір-бірінен айтарлықтай ерекшеленеді. Мысалы, еркектер көбінесе үлкенірек болады және павлиннің құйрығы сияқты көптеген әшекейленген түстер мен әшекейлерді көрсетеді, ал әйелдер кішірек және безендіруде күңгірт болады. Мұндай айырмашылықтар ретінде белгілі жыныстық диморфизмдер (3-сурет), бұл көптеген популяцияларда, әсіресе жануарлар популяцияларында аналықтарға қарағанда аталықтардың репродуктивті жетістігінің әртүрлі болуымен байланысты. Яғни, кейбір еркектер - көбінесе үлкенірек, күштірек немесе көбірек безендірілген еркектер - жалпы жұптасудың басым көпшілігін алады, ал басқалары ешқайсысын алмайды. Бұл еркектердің басқа еркектермен күресуде жақсы болуы немесе аналықтардың үлкенірек немесе көбірек әшекейленген еркектермен жұптасуды таңдауына байланысты болуы мүмкін. Кез келген жағдайда, репродуктивті табыстылықтағы бұл вариация ерлер арасында осы жұптауларды алу үшін күшті таңдау қысымын тудырады, нәтижесінде аналықтардың назарын аудару үшін үлкен дене өлшемдері мен әшекейленген әшекейлер пайда болады. Әйелдер, керісінше, бірнеше таңдалған жұптасуға бейім; сондықтан олар көбірек қалаулы еркектерді таңдайды.

Жыныстық диморфизм түрлер арасында кеңінен өзгереді, әрине, кейбір түрлер тіпті жыныстық рөлді өзгертеді. Мұндай жағдайларда аналықтардың репродуктивті жетістігі еркектерге қарағанда көбірек өзгереді және сәйкесінше әдетте еркектерге тән үлкен дене өлшемі мен күрделі белгілер үшін таңдалады.

Еркектер мен аналықтардың жұптасуды алу үшін жасайтын таңдау қысымы жыныстық сұрыптау деп аталады; бұл жеке адамның өмір сүру ықтималдығына пайда әкелмейтін, бірақ оның репродуктивті табыстылығын арттыруға көмектесетін қайталама жыныстық белгілердің дамуына әкелуі мүмкін. Жыныстық іріктеу соншалықты күшті болуы мүмкін, ол адамның өмір сүруіне нақты зиян келтіретін белгілерді таңдайды. Тағы бір рет тауыс құйрығы туралы ойланыңыз. Бұл әдемі және ең үлкен, ең түрлі-түсті құйрығы бар еркек әйелді жеңу ықтималдығы жоғары болса да, бұл ең практикалық қосымша емес. Жыртқыштарға көбірек көрінумен қатар, бұл еркектердің қашу әрекетін баяулатады. Бұл тәуекел, шын мәнінде, бірінші кезекте аналықтардың үлкен құйрықтарды ұнататыны туралы кейбір дәлелдер бар. Болжам бойынша, үлкен құйрықтар тәуекелге ұшырайды және бұл тәуекелге тек ең жақсы еркектер аман қалады: құйрық неғұрлым үлкен болса, соғұрлым еркек соғұрлым жарамды болады. Бұл идея ретінде белгілі мүгедектік принципі.

The жақсы гендер гипотезасы Бұл әсерлі әшекейлерді ерлердің тиімді метаболизмін немесе аурумен күресу қабілетін көрсету үшін жасайтынын айтады. Содан кейін әйелдер ең әсерлі қасиеттері бар еркектерді таңдайды, өйткені бұл олардың генетикалық артықшылығын көрсетеді, содан кейін олар ұрпақтарына өтеді. Әйелдердің таңдамалы болмауы керек, өйткені бұл олардың ұрпақтарының санын азайтуы мүмкін деп айтуға болады, егер еркектердің әкесі жақсырақ ұрпақ әкелсе, бұл пайдалы болуы мүмкін. Көптеген, әлсіз ұрпақтарға қарағанда, аз, дені сау ұрпақ өмір сүру мүмкіндігін арттыруы мүмкін.

Гандикап принципінде де, жақсы гендер гипотезасында да қасиет а деп аталады адал сигнал еркектердің сапасы, осылайша әйелдерге ең жақсы жұптарды - ұрпақтарына ең жақсы гендерді беретін еркектерді табуға мүмкіндік береді.

Мінсіз организм жоқ

Табиғи сұрыптау эволюцияның қозғаушы күші болып табылады және өз орталарында өмір сүруге және сәтті көбеюге жақсы бейімделген популяцияларды жасай алады. Бірақ табиғи сұрыптау мінсіз организмді жасай алмайды. Табиғи сұрыптау популяциядағы бар вариацияны ғана таңдай алады; ол нөлден ештеңе жасамайды. Осылайша, ол популяцияның бар генетикалық дисперсиясымен және мутация мен ген ағыны арқылы пайда болатын кез келген жаңа аллельмен шектеледі.

Табиғи сұрыптау да шектеулі, өйткені ол аллельдер емес, жеке адамдар деңгейінде жұмыс істейді, ал кейбір аллельдер геномдағы физикалық жақындығына байланысты байланысқан, бұл олардың бірге берілуін арттырады (байланыс тепе-теңдігі). Кез келген жеке адамда кейбір пайдалы аллельдер және кейбір қолайсыз аллельдер болуы мүмкін. Бұл табиғи іріктеу әрекет ете алатын осы аллельдердің таза әсері немесе ағзаның жарамдылығы. Нәтижесінде, жақсы аллельдер жоғалуы мүмкін, егер оларды бірнеше өте нашар аллельдері бар адамдар алып жүрсе; сол сияқты, жаман аллельдерді жалпы фитнес пайдасы үшін жеткілікті жақсы аллельдері бар адамдар алып жүрсе, сақтауға болады.

Сонымен қатар, табиғи сұрыптау әртүрлі полиморфизмдер арасындағы қарым-қатынастармен шектелуі мүмкін. Бір морф екіншісіне қарағанда жоғары фитнесті бере алады, бірақ жиілігі жоғарыламауы мүмкін, себебі пайдалылығы азырақтан тиімдірек қасиетке өту үшін пайдалы емес фенотиптен өту қажет болады. Жағажайда өмір сүретін тышқандарды еске түсіріңіз. Кейбіреулері ашық түсті және құммен араласады, ал басқалары қараңғы және шөптердің дақтарымен араласады. Қара түсті тышқандар, жалпы алғанда, ашық түсті тышқандарға қарағанда қолайлы болуы мүмкін және бір қарағанда, ашық түсті тышқандар күңгірт түске таңдалады деп күтуге болады. Бірақ есіңізде болсын, аралық фенотип, орташа түсті пальто тышқандар үшін өте зиянды - олар құммен де, шөппен де араласа алмайды және жыртқыштарға көбірек жеуге болады. Нәтижесінде, ашық түсті тышқандар қою түс үшін таңдалмайды, себебі сол бағытта қозғала бастағандар (қараңғы пальто үшін таңдала бастады) ашық болып қалатындарға қарағанда аз жарамды болады.

Ақырында, барлық эволюция бейімделгіш емес екенін түсіну маңызды. Табиғи сұрыптау ең жарамды адамдарды таңдап, көбінесе жалпы популяцияның қолайлы болуына әкелсе де, эволюцияның басқа күштері, соның ішінде генетикалық дрейф пен гендік ағым, көбінесе керісінше жасайды: популяцияның генофондына зиянды аллельдерді енгізу. Эволюцияның мақсаты жоқ — ол популяцияны алдын ала ойластырылған идеалға айналдырмайды. Бұл жай ғана осы тарауда сипатталған әртүрлі күштердің қосындысы және олардың популяцияның генетикалық және фенотиптік ауытқуына қалай әсер ететіні.

үйрену мақсаттары

Табиғи сұрыптау зиянды қасиеттердің жиілігін азайта отырып, пайдалы аллельдер мен белгілердің жиілігін арттыруға әсер ететіндіктен, бұл адаптивті эволюция. Табиғи сұрыптау популяцияның қалған бөлігімен салыстырғанда жалпы жарамдылығы жоғары адамдарды таңдай отырып, жеке адам деңгейінде әрекет етеді. Егер сәйкес фенотиптер ұқсас болса, табиғи сұрыптау селекцияны тұрақтандыруға және популяцияның вариациясының жалпы төмендеуіне әкеледі. Бағытты таңдау популяцияның дисперсиясын жаңа, қолайлы фенотипке ауыстыру үшін жұмыс істейді, өйткені қоршаған орта жағдайлары өзгереді. Керісінше, әртараптандыру екі немесе одан да көп фенотиптерді таңдау арқылы генетикалық дисперсияның жоғарылауына әкеледі.

Таңдаудың басқа түрлеріне жиілікке тәуелді таңдау жатады, онда жалпы (жиілікке тәуелді таңдау) немесе сирек (теріс жиілікке тәуелді таңдау) фенотиптері бар даралар таңдалады. Ақырында, жыныстық іріктеу бір жыныстың репродуктивті жетістігінің екіншісіне қарағанда көбірек өзгеруінен туындайды. Нәтижесінде ерлер мен әйелдер әртүрлі селективті қысымды бастан кешіреді, бұл көбінесе екеуінің арасындағы фенотиптік айырмашылықтардың немесе жыныстық диморфизмдердің эволюциясына әкелуі мүмкін.


Таңдамалы қысым - Биология әлемінің зерттеу мақаласы

Селективті қысым - бұл белгілі бір ортадағы тірі организмдердің мінез-құлқы мен жарамдылығын өзгертетін кез келген құбылыс. Ол эволюция мен табиғи сұрыпталудың қозғаушы күші және оны қысымның екі түріне бөлуге болады: биотикалық немесе абиотикалық.

Ағзаға әсер ететін биотикалық қысым - бұл бір экожүйедегі, зардап шеккен организммен әрекеттесетін тірі организмдер. Абиотикалық қысымды жарық, жел және топырақ сияқты организмнің қоршаған ортасындағы тірі емес факторлар жасайды. Осы факторлардың барлығы организммен әрекеттесіп, оның үздіксіз тіршілігіне қарсы тұрады. Кейбір сипаттамалар белгілі бір жағдайлар жиынтығымен өмір сүруге жақсырақ сәйкес келеді және бұл жағдайлар организмнің эволюциясын басқаратын селективті қысымдар болып табылады. Кейбір селективті қысым бейтарап болып табылады және тұрақтандырушы таңдаудың мысалы. Ағзаның дамуына әсер ететін басқа қысымдар бағытты таңдау және бұзушы таңдау мысалдары болып табылады.


Аннотация

Қауымдастық пен инвазия экологиясы негізінен дербес өсті. Екі өрістегі әртүрлі модельдер түсірген процестерде айтарлықтай сәйкестік бар және бұл артықшылықты азайту және ақпарат мазмұнын синтездеу үшін әртүрлі құрылымдар әзірленді. Қауымдастық пен инвазия экологиясы өзара байланысты екенін кеңінен мойындағанымен, осы екі өрістегі модельдерді синтездейтін процеске негізделген құрылым жетіспейді. Мұнда біз 65 өкілдік қауымдастық пен инвазия моделін қарастырамыз және алты процестің (дисперсиялық, дрейф, абиотикалық өзара әрекеттесулер, гильдия ішіндегі өзара әрекеттесулер, кросс-гильдиялық өзара әрекеттесулер және генетикалық өзгерістер) төңірегінде тұжырымдалған жалпы құрылымды ұсынамыз. Құрылым екі саланың мазмұнын синтездеуге, олардың дамуының жалпы перспективасын қамтамасыз етуге және оларды салыстыруға мүмкіндік беруге арналған. Бұл құрылымды және желілік теорияға негізделген жаңа әдісті қолдану кейбір тарихи ұқсастықтарға қарамастан, екі өріс арасындағы кейбір үйлесімділіктің жоқтығын көрсетеді. Қауымдастық экологиясының модельдері негізінен өзара әрекеттесу процестеріне сүйене отырып, қауымдастықтың жиналысы мен құрылымын түсіндіру үшін жалпы теорияны іздеуді көрсететін, сонымен қатар негізінен басқа процестерді есепке алатын көптеген процестердің үйлесімімен сипатталады. Керісінше, инвазия экологиясындағы модельдердің көпшілігі азырақ процестерді шақырады және енгізілген түрлер мен олардың жаңа биотикалық және абиотикалық ортасы арасындағы өзара әрекеттесуге көбірек назар аударады. Екі өрістегі өзара әрекеттесу процестерінің және олардың тәуелсіз дамуының тарихи үстемдігі дисперсиялық, дрейфтік және генетикалық өзгерістерді қамтитын модельдермен салыстырғанда өзара әрекеттесуді қамтитын модельдер үшін когеренттіктің төменгі деңгейінде де көрінеді. Инвазия экологиясына қарағанда ұзақ тарихы бар қауымдастық экологиясы процестердің механикалық түрде өзара әрекеттесу жолын зерттеу үшін табиғатта байқалатын заңдылықтардың біртұтас түсіндірмелерін іздеуден, осылайша гипотезаларды жасау және сынау үшін көшкен сияқты. Біздің шеңберіміз күрделі қауымдастықтарға енгізілген көптеген бөтен түрлердің динамикасын жақсырақ түсіру үшін инвазия экологиясындағы ұқсас өтуге жол ашады. Өзара, инвазиядан алынған түсініктерді қауымдастық экологиясына қолдану адам әрекеті түрлердің табиғи шекараларын әлсіретіп жатқан антропоцендегі экологиялық қауымдастықтардың болашағын түсінуге және болжауға көмектеседі. Сайып келгенде, екі кен орнының сәтті интеграциясы тез өзгеретін әлемде шұғыл қажет болатын болжамды экологияны алға жылжытуы мүмкін.


Оқуға арналған практикалық жұмыс

Демонстрация

Жолақты ұлулар жағдайы – Cepaea nemoralis және Cepaea hortensis – табиғи сұрыпталудың белгілі мысалы. Бұл ұлу түрлерінің популяцияларының қоршаған ортаның әртүрлі жағдайларына бейімделуі әрекеттегі эволюцияның жағдайлық зерттеуі ретінде пайдаланылады. Мұғалімдер пайдалана алады Cepaea түрлердің қалай өзгеретіні туралы талқылауды ынталандыру және түрлердің өзгеруіне әкелетін табиғи процестер туралы түсінбеушіліктерді түсіндіру.

Сабақты ұйымдастыру

Парақтарды таратып, ұсынылған деректерді талқылаңыз.

Evolution Megalab хаттамасын орындасаңыз, бір сабақта зерттеу үшін бірнеше ұлуларды жинап, зертханадағы кілттерді (қолдау үшін бейнемен) пайдаланып жаттығыңыз, содан кейін келесі сабақта ұлуларды жинап, деректерді сайтқа жіберіңіз. Evolution Megalab сайтындағы ауқымды деректерді қарап, тағы бір сабақты немесе үй тапсырмасын бөлуді өткізіңіз.

Құрылғылар және химиялық заттар

Әр топ студенттері үшін:

Жолақты ұлулар мен жазбалар парағының кілті (егер сіз Evolution Megalab протоколын орындасаңыз)

Денсаулық және қауіпсіздік және техникалық ескертулер

Табиғатта ұлуларды зерттейтін болсаңыз, ашық ауада жұмыс істеу үшін толық тәуекелді бағалауды жүргізіңіз және ұлулармен жұмыс істегеннен кейін тиісті гигиеналық сақтық шараларын сақтаңыз.

Этикалық мәселелер

Мұғалімдер ұлуларды жай ғана аспаптық емес, оларға жақсы этикалық қатынасты насихаттайтындай етіп таныстыруға мұқият болуы керек. Олар қарапайым организмдер болса да, олар жоғары сатыдағы жануарлар сияқты «зардап шегуі» мүмкін емес, олар әлі де құрметке лайық. Жануарлар сәйкестендірілген және есептеліп болғаннан кейін оларды табиғи ортаға немесе қолайлы ұстауға тез арада қайтару керек. Бұл бақылаулар жүргізілгеннен кейін жануарлар мекендеу орындарына қайтарылатын далалық жұмыстағы этикалық тәсілдерді қолдайды.

Процедура

Тергеу

а Оксфордтың жанындағы ормандағы белгілі бір көгершіннің анвилінде әртүрлі айларда жиналған қабықтың түсі туралы деректер туралы ойланыңыз.

б Түрлі мекендеу орындарында жүргізілген бақылаулар негізінде сары ұлулардың және бір немесе бірнеше жолағы бар ұлулардың пайыздық графигін зерттеңіз.

в Сұрақтарға жауап беріңіз және бұл ақпараттың табиғи сұрыпталу туралы не көрсететінін бағалаңыз.

Оқу жазбалары

Ұлулар қабығын жарып, ұлудың жұмсақ денесін жеу үшін босатып алу үшін белгілі бір тастарға («анулар» деп аталады) ұрады. Ұлудың қабығын молочницадан жинау молочницаның жылдың әр мезгілінде тапқан және жейтін түрлі түсті және өрнекті ұлулардың үлесін анықтауға мүмкіндік береді.

Сары түсті жиналған қабықтар (%)

Деректер көрсеткендей, белгілі бір жылы жиналған қабықтың 42% сәуірде сары түсті, ал маусымда жиналған қабықтың 22% сары түсті болды. Қарапайым, жолағы жоқ сары ұлу қабықшалары көктемде (сәуірде) жаңа шөптер мен жапырақтарға жақсырақ жабылған сияқты. Жолақсыз немесе бір жолақсыз қабықшалар орманды жерлерде, ал бірнеше жолақтары бар раковиналар шабындықтар мен қоршауларда жиі кездеседі. Сары ұлулардың пайызы қоршаулар мен шабындықтарда жоғары. Бұдан шығатын қорытынды, егер орман алқаптары азайса, сары ұлулардың саны көбейер еді.

Жолақты ұлулар айтарлықтай өзгерістерді көрсетеді. Оң жақта 2009 жылдың қазан айында Уэльстегі бақшада қолға түскен алғашқы төрт ұлу.

Бұл популяцияға кем дегенде үш селективті қысым әсер етуі мүмкін. Жолақтардың түсі мен дәрежесі әртүрлі мекендеу орындарындағы камуфляжға әсер етеді. Бұл адамдар қоршаған ортаға өзгерістер енгізген кезде, мысалы, орман алқаптарын тазарту арқылы популяция сипаттамалары өзгеруі мүмкін дегенді білдіреді. Бұл түрлердің негізгі жыртқыштарының бірі - молочница, ол оңай көретіндерді таңдайды. Соңғы жылдары молочница популяциясы айтарлықтай азайды, бұл кейбір камуфляж үлгілерінің оң әсерлері азаюы мүмкін дегенді білдіреді. Раковиналар неғұрлым қараңғы болса, күндізгі жарықта ұлулар соғұрлым тез қызады. Жылы ұлулар белсендірек болады және тамақ табуда артықшылыққа ие болуы мүмкін. Егер британдық климат жалпы алғанда айтарлықтай жылынса, бұл бірнеше онжылдықтар бұрынғыға қарағанда қазір артықшылығы аз болуы мүмкін.

Денсаулық және қауіпсіздік тексерілді, қазан 2009 ж

Жүктеулер

Студенттік парақты жүктеп алу Іс-әрекеттегі таңдау – жолақты ұлулар (187 КБ) сұрақ-жауаптары бар.

Веб сілтемелері

www.evolutionmegalab.org
Бұл жоба Ұлыбританиядағы жолақты ұлуларды зерттеуді үйлестіреді. Ол ұлулар туралы негізгі ақпаратты, сіздің аймағыңыздағы ұлуларды қалай жинауға және анықтауға болатынын көрсететін бейнені, әртүрлі сорттарды дәл анықтауға мүмкіндік беретін кілттерді ұсынады. Cepaea, және нәтижелеріңізді жинайтын парақтарды жазыңыз. Evolution Megalab компаниясы молочница аз болған жерде қабықтың түстері мен жолақтары өзгеретінін және жылыну климатымен қабықтың түсі өзгеретінін анықтауға тырысады. Жобаға қатысу үшін тіркелсеңіз, деректеріңіз басқа қатысушылардың деректерімен жинақталады.

(Веб-сайтқа 2011 жылдың қазанында қол жеткізілді)

© 2019, Royal Society of Biology, Naoroji Street 1, London WC1X 0GB тіркелген қайырымдылық ұйымы № 277981, Корольдік Хартиямен біріктірілген


Ген ағыны

Сурет 4. Ген ағыны индивид бір географиялық орыннан екіншісіне саяхат жасағанда пайда болуы мүмкін.

Тағы бір маңызды эволюциялық күш – гендер ағыны: даралар немесе гаметалардың миграциясына байланысты аллельдердің популяцияның ішіне және одан шығуы (4-сурет). Кейбір популяциялар айтарлықтай тұрақты болғанымен, басқалары көбірек ағынды сезінеді. Көптеген өсімдіктер, мысалы, бір түрдің басқа популяцияларын біршама қашықтықта тозаңдандыру үшін тозаңдарын жел немесе құс арқылы алысқа жібереді. Тіпті бастапқыда тұрақты болып көрінетін популяция, мысалы, арыстандардың мақтанышы, иммиграция мен эмиграцияның әділ үлесін сезінуі мүмкін, өйткені дамып келе жатқан еркектер аналарын генетикалық тұрғыдан туыс емес әйелдермен жаңа мақтаныш іздеу үшін тастап кетеді. Топтағы және топтан тыс индивидтердің бұл ауыспалы ағыны популяцияның гендік құрылымын өзгертіп қана қоймайды, сонымен қатар әртүрлі геологиялық орындар мен мекендеу орындарындағы популяцияларға жаңа генетикалық вариацияны енгізе алады.


12.2: Селективті және қоршаған орта қысымдары - Биология

Өсімдіктер біздің адамның өмір сүру формасын әу бастан қалыптастырды. Дүние жүзіндегі халықты азықтандырудың, климаттың жаһандық өзгеруінің және қазбалы отынмен шектелген энергия ресурстарының танылуымен өсімдіктер биологиясы мен биотехнологиясының өзектілігі күрт маңызды болып отыр. Негізгі мәселелердің бірі - шектеулі жер көлеміне және қоршаған орта қысымының артуына байланысты ауыл шаруашылығында өсімдік өнімділігін және абиотикалық/биотикалық стресске төзімділікті арттыру. Тағы бір аспект - КО дамуы2- талшық/биомасса және биоотын үшін бейтарап өсімдік ресурстары: қант қамысы, жүгері және басқа да маңызды қоректік дақылдар сияқты бірінші ұрпақ өсімдіктерінен екінші және үшінші ұрпақ энергетикалық дақылдарға көшу, мысалы Мискантус және лигноцеллюлоза үшін ағаштар мен биомасса мен жем үшін балдырлар, сутегі мен липидті өндіру. Сонымен бірге біз жер бетіндегі өміріміздің негізі ретінде табиғи әртүрлілік пен түрлердің байлығын сақтау және қорғауымыз керек. Мұнда биоәртүрлілік банктері қазіргі және болашақ өсімдіктер селекциясының зерттеулерінің негізі ретінде талқыланады. Демек, өсімдіктер биологиясы мен экологиясы біздің өміріміздің барлық әлеуметтік-экономикалық аспектілерінде бұрынғыдан да маңызды болашақ рөлдерге ие болады деп болжауға болады. Сондықтан бізге практикалық қолдану үшін, сондай-ақ бұл білімді күрделі табиғи және антропогендік экожүйелерге аудару үшін бір өсімдік түрлерінің физиологиясын терең түсіну қажет. Биологиялық және биоаналитикалық зерттеулердегі соңғы әзірлемелер организмдерді жүйелік деңгейде және олардың экожүйелік контекстінде түсінуге тырысатын парадигманың өзгеруіне әкеледі: (i) шолақ мылтық және келесі ұрпақ геномының секвенциясы, гендерді қайта құру және аннотациялау, (ii) геномдық масштаб OMICS технологияларын қолдану арқылы молекулалық талдау және (iii) компьютер көмегімен биологиялық деректерді талдау, модельдеу және интерпретациялау. Жүйелік биология осы молекулалық деректерді, генетикалық эволюцияны, қоршаған ортаның белгілерін және түрлердің өзара әрекеттесуін бүкіл түр популяцияларына дейін белсенді биохимиялық желілерді түсіну, модельдеу және болжаумен біріктіреді. Бұл процесс молекулалық деректерді, әсіресе геномика, метаболомика және протеомика деректерін талдаудың жаңа технологияларын дамытуға негізделген. Бұл мақсатты емес «омика» технологияларының өршіл мақсаты - дәстүрлі редукционистік гипотезаға негізделген тәсілдерге қарағанда, жүйенің бөлінген бөліктерін талдаудан тыс біздің түсінігімізді кеңейту. Генотиптеу, фено/морфотиптеу және метаболомика, протеомика және транскриптомика арқылы молекулалық фенотипті талдаудың нәтижелі интеграциясы өсімдіктердің метаболизмі мен оның қоршаған ортамен әрекеттесуінің жаңа түсінігін ашады. Өсімдіктердің, саңырауқұлақтардың, жануарлардың және бактериялардың біртұтас модельдік жүйелерін талдау өсімдіктер мен басқа да организмдердің популяцияларын талдауда және олардың экологиялық тауашаға бейімделуінде пайда болады. Сонымен қатар, экофизиологияның бұл жаңа түсінігі өсімдік өсімдіктерінің биотехнологиясындағы білімге негізделген тәсілдерге және маркер немесе геном арқылы өсіру тәсілдеріне айналады. Бұл шолуда жасыл жүйелер биологиясының негіздері сипатталған және экожүйелерді зерттеудегі қолданбалар ұсынылған. Экология мен эволюцияның іргелі драйверлері ретінде табиғи вариация, биоәртүрлілік және генотип-фенотиптік ортаның қарым-қатынасы принциптеріне негізделген экожүйелерді зерттеу және жасыл биотехнологияны жасыл жүйелерге біріктіру бойынша білім алмасу болжанады.


№139 Табиғи сұрыпталу

Ағзалардың популяциялары ұрпақтардың көп санын шығаруға мүмкіндігі бар, бірақ олардың саны жылдан жылға айтарлықтай тұрақты болып қалады.


Табиғи сұрыптау популяциялардың көптеген ұрпақтар шығаруға қабілеттілігі болғандықтан жүреді --> жарысады ресурстар үшін --> жеке тұлғалар ең жақсы бейімделген тұқымды сақтау және өту олардың аллельдер .
Вариация популяциядағы кейбір даралар оларға мүмкіндік беретін ерекшеліктерге ие болады дегенді білдіреді артықшылығы «тіршілік үшін күресте».

Қоршаған орта факторлары
- биотикалық : басқа организмдерден туындаған
мысалы: жыртқыштық, азық-түлік бәсекесі, қоздырғыштармен инфекция
- абиотикалық : қоршаған ортаның жансыз компоненттерінен туындаған
мысалы: сумен қамтамасыз ету, топырақтың қоректік деңгейі

Таңдау қысымдары кейбір аллельдердің келесі ұрпаққа берілу мүмкіндігін бақылау.
мысалы: жыртқыштар - өздерін жақсы камуфляж жасай алатын адамдар көбірек өмір сүреді, аллельдерді береді
Мұндай таңдау қысымының популяциядағы аллельдердің жиілігіне әсері деп аталады табиғи сұрыпталу . Пайдалы аллельдердің жиілігі артады, қолайсыз аллельдердің жиілігі төмендейді.

Таңдаудың түрлері
Тұрақтандырушы таңдау: статус-кво сақталады, өйткені организмдер қоршаған ортаға жақсы бейімделген
- әрекеттер экстремалдарға қарсы
- қоршаған ортаға қолайлы жағдай туғызады
- мысалы: туу салмағы


Бағытты таңдау: организмнің ең көп тараған сорттары популяция ерекшеліктерінің --> өзгеруіне қарсы таңдалады
- нұсқаларын ұнатады 1 экстремалды жаңа аллель пайда болғанда немесе жаңа экологиялық фактор пайда болғанда
- мысалы: бұрышты көбелектер

Бұзатын таңдау: вариация диапазонындағы 2 түрлі нүктеде даралардың өмір сүруін қолдайды, нәтижесінде 2 түрлі фенотип пайда болады
- қолайлы жағдайлар екі экстремалды --> популяцияда әртүрлі фенотиптерді сақтайды
- мысалы: Галапагос мүсіндері

Генетикалық дрейф
- а аллель жиілігінің өзгеруі аз халық
- кездейсоқ пайда болады, өйткені әр ұрпақтың кейбір ағзалары ғана көбейеді.
Құрылтайшы әсері шағын, оқшауланған популяцияларда кездеседі
- нәтижелері отарлау аздаған адамдар жаңа орналасу
- кіші популяцияда одан әрі генетикалық дрейф пайда болады
- бұл популяцияның эволюциясы үлкен популяциядан басқа бағытты алуы мүмкін


Харди-Вайнберг принципі
- белгілі бір фенотиптік белгі бір геннің 2 аллелімен бақыланатын кезде А/а
- генотиптері: АА, Аа, аа
- кездейсоқ жұптасатын үлкен популяциядағы осы генотиптердің үлесін есептеңіз


Табиғи сұрыпталу

Дарвин және модификациямен шығу

Сурет 1. Дарвин тұмсық пішіні фин түрлерінің арасында әртүрлі екенін байқады. Ол ата-баба түрінің тұмсығы мүсіндерді әртүрлі қорек көздерін алу үшін жабдықтау үшін уақыт өте бейімделген деп тұжырымдады.

Чарльз Дарвин табиғи сұрыпталуды ашқанымен танымал. Он тоғызыншы ғасырдың ортасында эволюцияның нақты механизмін екі натуралист: Чарльз Дарвин мен Альфред Рассел Уоллес ойлап тапты және сипаттады. Маңыздысы, әрбір натуралист тропиктерге экспедицияларда табиғат әлемін зерттеуге уақыт бөлді. 1831-1836 жылдар аралығында Дарвин дүние жүзін аралап шықты H.M.S. Бигл, соның ішінде Оңтүстік Америка, Австралия және Африканың оңтүстік шетіндегі аялдамалар. Уоллес Бразилияға 1848 жылдан 1852 жылға дейін Амазонка орманындағы жәндіктерді жинау үшін және 1854 жылдан 1862 жылға дейін Малай архипелагына барды. Дарвиннің саяхаты, мысалы Уоллестің кейінірек Малай архипелагына жасаған саяхаты, бірнеше аралдағы аялдамаларды қамтиды. Эквадордың батысындағы Галапагос аралдары. Бұл аралдарда Дарвин әртүрлі аралдардағы организмдердің бір-біріне ұқсас, бірақ айқын айырмашылықтары бар түрлерін байқады. Мысалы, Галапагос аралдарын мекендейтін мүсіндер тұмсық пішіні ерекше бірнеше түрді қамтыды (1-сурет).

Аралдардағы түрлердің тұмсық өлшемдері мен пішіндерінің сатылы сериясы болды, олардың арасында өте аз айырмашылықтар болды. Ол бұл мүсіндердің Оңтүстік Американың материгіндегі басқа мүсін түріне ұқсайтынын байқады. Дарвин арал түрлері бастапқы материктік түрлердің бірінен өзгертілген түрлер болуы мүмкін деп ойлады. Әрі қарай зерттей келе, ол әр фишканың әртүрлі тұмсықтары құстарға белгілі бір тағам түрін алуға көмектесетінін түсінді. Мысалы, тұқыммен қоректенетін мүсіндердің тұмсықтары күштірек, тұқымды жару үшін жуанырақ, ал жәндіктермен қоректенетін мүсіндердің олжасын шаншу үшін найза тәрізді тұмсықтар болған.

Уоллес пен Дарвин екеуі де басқа организмдерде ұқсас заңдылықтарды байқады және олар мұндай өзгерістердің қалай және неліктен орын алуы мүмкін екендігі туралы бірдей түсініктемелерді дербес әзірледі. Дарвин бұл механизмді табиғи сұрыпталу деп атады. Табиғи сұрыпталу, сондай-ақ “ең мықтының аман қалуы” деп аталады, бұл эволюциялық өзгерістерге әкелетін осы қасиеттердің арқасында қоршаған ортаның өзгеруіне төтеп беретін қолайлы қасиеттері бар даралардың неғұрлым өнімді көбеюі.

Мысалы, Галапагос архипелагынан табылған алып тасбақалар популяциясының мойындары құрғақ ойпаттағы басқа аралдарда өмір сүретіндерге қарағанда ұзынырақ екенін Дарвин байқаған. Бұл тасбақалар “таңдалған”, өйткені олар қысқа мойындармен салыстырғанда көбірек жапырақтарға жетіп, көбірек тамаққа қол жеткізе алатын. Жапырақтары аз болатын құрғақшылық кезінде көбірек жапырақтарға жететіндердің тамақ көзіне жете алмайтындарға қарағанда жеуге және өмір сүруге жақсы мүмкіндіктері болды. Демек, ұзын мойынды тасбақалар ұрпақ өрбітуде табысты болады және олардың ұрпақтарына ұзын мойындық қасиет береді. Уақыт өте келе халық арасында тек ұзын мойын тасбақалар ғана болатын.

Дарвиннің пікірінше, табиғи сұрыпталу табиғатта әрекет ететін үш принциптің сөзсіз нәтижесі. Біріншіден, организмдердің көптеген белгілері тұқым қуалайды немесе ата-анадан ұрпаққа беріледі. Дарвин мен Уоллесті қоса алғанда, ешкім оның сол кезде қалай болғанын білмесе де, бұл жалпы түсінік болды. Екіншіден, өмір сүруге қабілетті ұрпақтардан көбірек ұрпақ шығады, сондықтан өмір сүру және көбею үшін ресурстар шектеулі. Барлық организмдердің көбею қабілеті олардың санын қамтамасыз ететін ресурстардың қолжетімділігінен асып түседі. Осылайша, әрбір ұрпақта сол ресурстар үшін бәсекелестік бар. Дарвиннің де, Уоллестің де бұл принципті түсінуі экономист Томас Мальтустың осы принципті адам популяциясына қатысты талқылаған эссесін оқудан алды. Үшіншіден, ұрпақтар ерекшеліктеріне қарай бір-бірінен ерекшеленеді және бұл өзгерістер тұқым қуалайды. Дарвин мен Уоллес шектеулі ресурстар үшін жақсы бәсекелесуге мүмкіндік беретін тұқым қуалайтын сипаттамалары бар ұрпақтар бәсекеге қабілеттілігі төмен вариациялары бар адамдарға қарағанда аман қалады және көп ұрпақ алады деп есептеді. Сипаттамалар тұқым қуалайтындықтан, бұл қасиеттер келесі ұрпақта жақсырақ көрінеді. Бұл Дарвин модификациямен шығу деп атаған процесте популяциялардың ұрпақтар бойына өзгеруіне әкеледі. Сайып келгенде, табиғи сұрыптау популяцияның жергілікті ортаға көбірек бейімделуіне әкеледі, бұл адаптивті эволюция үшін белгілі жалғыз механизм.

Дарвин мен Уоллестің (2-сурет) табиғи сұрыптау идеясын ұсынған еңбектері 1858 жылы Лондондағы Линней қоғамының алдында бірге оқылды. Келесі жылы Дарвиннің кітабы, Түрлердің шығу тегі туралы, жарияланды. Оның кітабында табиғи сұрыпталу арқылы біртіндеп өзгерістерге және бейімделгіш өмір сүруге қатысты дәлелдері егжей-тегжейлі сипатталған.

Сурет 2. (а) Чарльз Дарвин де, (б) Альфред Уоллес та 1858 жылы Линней қоғамының алдында бірге ұсынылған табиғи сұрыпталу туралы ғылыми еңбектер жазды.

Табиғи сұрыптау арқылы эволюцияны көрсету көп уақытты қажет етеді және оны алу қиын. Ең жақсы мысалдардың бірі Дарвиннің теориясын шабыттандыруға көмектескен құстарда көрсетілді: Галапагос мүсіндері. Питер мен Розмари Грант және олардың әріптестері 1976 жылдан бері жыл сайын Галапагос мүсіндерінің популяциясын зерттеп, табиғи сұрыпталудың маңызды көрсетілімдерін көрсетті. Гранттар Галапагостағы Дафна-Майор аралында орташа жер қыртысы бар тұмсық пішіндерінің таралуында ұрпақтан ұрпаққа өзгерістерді тапты. Құстардың шот пішінінің әртүрлілігі тұқым қуалайды, кейбір құстардың шоттары кең, ал басқаларының жіңішке шоттары бар. Эль-Ниньо салдарынан жауын-шашын қалыптыдан жоғары болған кезеңде ірі тұмсықты құстар жейтін үлкен қатты тұқымдар азайып кетті, бірақ ұсақ тұмсық құстар жейтін ұсақ жұмсақ тұқымдар көп болды. Сондықтан, тіршілігі мен көбеюі кейінгі жылдары ұсақ тұмсық құстар үшін әлдеқайда жақсы болды. Осы Эль-Ниньодан кейінгі жылдары Гранттар популяциядағы тұмсық өлшемдерін өлшеп, орташа есепшот мөлшерінің кішірек екенін анықтады. Шот мөлшері тұқым қуалайтын қасиет болғандықтан, шоттары кішірек ата-аналардың ұрпақтары көп болды және шоттар мөлшері кішірек болып дамыды. 1987 жылы жағдай жақсарып, үлкенірек тұқымдар қол жетімді болған сайын, орташа вексельдердің кішірейу үрдісі тоқтады.


Биосенсорлар: ерекшеліктері, принципі және түрлері (диаграммамен)

Биосенсор – құрамында иммобилизацияланған биологиялық материал (фермент, антидене, нуклеин қышқылы, гормон, органелла немесе тұтас жасуша) бар аналитикалық құрылғы, ол талданатын затпен арнайы әрекеттеседі және өлшенетін физикалық, химиялық немесе электрлік сигналдар шығара алады. Талданатын зат – концентрациясы өлшенетін қосылыс (мысалы, глюкоза, мочевина, дәрілік зат, пестицид).

Биосенсорлар негізінен әртүрлі заттардың биологиялық әрекеттерін өлшенетін сигналдарға түрлендіру арқылы олардың сандық талдауын қамтиды. Биосенсорлардың көпшілігінде иммобилизацияланған ферменттер бар. Биосенсорлардың өнімділігі көбінесе ферменттің тұрақтылығынан басқа, биологиялық реакцияның ерекшелігі мен сезімталдығына байланысты.

Биосенсорлардың жалпы ерекшеліктері:

Биосенсордың екі түрлі құрамдас бөлігі бар (21.13-сурет).

1. Биологиялық компонент—фермент, жасуша т.б.

2. Физикалық құрамдас — түрлендіргіш, күшейткіш және т.б.

Биологиялық компонент түрлендіргіш арқылы анықталатын физикалық өзгерісті (сигнал) жасау үшін талданатын затты таниды және онымен әрекеттеседі. Іс жүзінде биологиялық материал түрлендіргішке тиісті түрде иммобилизацияланады және осылайша дайындалған биосенсорлар ұзақ уақыт бойы (көп айлар) бірнеше рет (шамамен 10 000 рет болуы мүмкін) қайталануы мүмкін.

Биосенсордың жұмыс істеу принципі:

Қажетті биологиялық материал (әдетте белгілі бір фермент) дәстүрлі әдістермен (физикалық немесе мембраналық ұстау, ковалентті емес немесе коваленттік байланыстыру) иммобилизацияланады. Бұл иммобилизацияланған биологиялық материал түрлендіргішпен тығыз байланыста болады. Талданатын зат биологиялық материалмен байланысып, байланыстырылған аналитті құрайды, ол өз кезегінде өлшеуге болатын электронды жауап береді.

Кейбір жағдайларда талданатын зат жылу, газ (оттегі), электрондар немесе сутегі иондарының бөлінуімен байланысты болуы мүмкін өнімге айналады. Түрлендіргіш өніммен байланысты өзгерістерді күшейтуге және өлшеуге болатын электрлік сигналдарға түрлендіре алады.

Биосенсорлардың түрлері:

Сенсорлық құрылғылар мен қолданылатын биологиялық материалдардың түріне негізделген биосенсорлардың бірнеше түрі бар. Олардың кейбіреулері төменде талқыланады.

Электрохимиялық биосенсорлар:

Электрохимиялық биосенсорлар – биоэлектродтар арқылы жүзеге асырылатын электр тогын, иондық немесе өткізгіштік өзгерістерін өлшеуге негізделген қарапайым құрылғылар.

Амперометриялық биосенсорлар:

Бұл биосенсорлар фермент-катализделген тотығу-тотықсыздану реакциялары нәтижесінде электрондардың қозғалысына (яғни электр тогын анықтауға) негізделген. Әдетте электродтар арасында тұрақты кернеу өтеді, оны анықтауға болады. Орындалатын ферментативті реакцияда субстрат немесе өнім тотықтырылатын немесе тотықсызданатын электрод бетімен электронды тасымалдай алады (21.14-сурет).

Бұл өлшеуге болатын ток ағынының өзгеруіне әкеледі. Токтың шамасы субстрат концентрациясына пропорционал. О-ның тотықсыздануын анықтайтын Кларк оттегі электроды2, амперометриялық биосенсордың қарапайым түрі болып табылады. Глюкозаны глюкоза оксидазасымен анықтау жақсы мысал болып табылады.

Бірінші буынның амперометриялық биосенсорларында (жоғарыда сипатталған) электродқа шығарылатын электрондардың тікелей тасымалдануы бар, бұл кейбір практикалық қиындықтарды тудыруы мүмкін. Екінші буын амперометриялық биосенсорлар жасалды, онда медиатор (мысалы, ферроцендер) электрондарды қабылдайды, содан кейін оларды электродқа береді. Бұл биосенсорлар әлі танымал бола қойған жоқ.

Қандағы глюкоза биосенсоры:

Бұл қант диабетімен ауыратын науқастар бүкіл әлемде кеңінен қолданылатын амперометриялық биосенсорлардың жақсы мысалы. Қандағы глюкоза биосенсоры сағат қаламына ұқсайды және глюкоза оксидазасы және ферроцен туындысы (медиатор ретінде) бар бір реттік электродқа (Ag/AgCI анықтамалық электродынан және көміртегі жұмыс электродынан тұрады) ие. Қан тамшысының біркелкі таралуы үшін электродтар гидрофильді тормен қапталған. Алюминий фольгамен жабылған бір рет қолданылатын сынақ жолақтарының жарамдылық мерзімі шамамен алты ай.

Балықтың балғындығын бағалауға арналған амперометриялық биосенсор жасалды. Басқа нуклеотидтерге қатысты ионозин мен гипоксантиннің жинақталуы балықтың балғындығын көрсетеді - қанша уақыт өлгенін және сақталғанын көрсетеді. Осы мақсат үшін электрод үстінде иммобилизацияланған нуклеозид-фосфорилаза мен ксантиноксидазаны пайдаланатын биосенсор жасалды.

Потенциометриялық биосенсорлар:

Бұл биосенсорларда иондық концентрациялардың өзгеруі ион-селективті электродтарды қолдану арқылы анықталады (21.15-сурет). рН электроды ең жиі қолданылатын ион-селективті электрод болып табылады, өйткені көптеген ферментативті реакциялар сутегі иондарының шығарылуын немесе сіңірілуін қамтиды. Басқа маңызды электродтар аммиак-селективті және CO2 селективті электродтар.

Потенциометриялық электрод пен анықтамалық электрод арасында алынған потенциалдар айырмасын өлшеуге болады. Ол субстрат концентрациясына пропорционал. Потенциометриялық биосенсорлардың негізгі шектеуі ферменттердің H + және NH + сияқты иондық концентрацияларға сезімталдығы болып табылады. 4.

Ионды-селективті өріс эффектісі транзисторлары (ISFET) потенциометриялық биосенсорларды миниатюризациялау үшін қолданылатын арзан құрылғылар болып табылады. Жақсы мысал - ашық жүрекке операция кезінде миокард ішілік рН бақылау үшін пайдаланылатын ISFET биосенсоры.

Метрикалық биосенсорларды өткізу:

Биологиялық жүйелерде иондық түрлердің өзгеруіне әкелетін бірнеше реакциялар бар. Бұл иондық түрлер өлшеуге болатын электр өткізгіштігін өзгертеді. Өткізгіштік метрикалық биосенсордың жақсы мысалы иммобилизацияланған уреазаны пайдаланатын мочевина биосенсоры болып табылады. Уреаза келесі реакцияны катализдейді.

Жоғарыда аталған реакция мочевина концентрациясын бақылау үшін пайдаланылуы мүмкін иондық концентрацияның күрт өзгеруімен байланысты. Шын мәнінде, мочевина биосенсорлары диализ және бүйрек хирургиясы кезінде өте сәтті қолданылады.

Термометриялық биосенсорлар:

Бірнеше биологиялық реакциялар жылу өндірісімен байланысты және бұл термометриялық биосенсорлардың негізін құрайды. Олар көбінесе термиялық биосенсорлар немесе калориметриялық биосенсорлар деп аталады. Термиялық биосенсордың диаграммалық көрінісі 21.16-суретте бейнеленген. Ол жылу алмастырғышпен (алюминий цилиндрі) жабдықталған жылу оқшауланған қораптан тұрады.

Реакция ферменті бар шағын қабаттағы реакторда жүреді. Субстрат төсекке кірген кезде ол өнімге айналады және жылу пайда болады. Субстрат пен өнім арасындағы температура айырмашылығы термисторлармен өлшенеді. Тіпті температураның шамалы өзгеруін термиялық биосенсорлар арқылы анықтауға болады.

Қан сарысуындағы холестеринді анықтау үшін термометриялық биосенсорлар қолданылады. Холестерин холестерин оксидаза ферментімен тотыққанда, өлшеуге болатын жылу пайда болады. Сол сияқты глюкозаны (фермент-глюкозаоксидаза), мочевина (фермент-уреаза), несеп қышқылын (фермент-уриказа) және пенициллин G (фермент-Р-лактамаза) осы биосенсорлар арқылы бағалауға болады. Жалпы, олардың пайдалылығы шектеулі. Термометриялық биосенсорлар ферментпен байланысты иммундық талдаудың (ELISA) бөлігі ретінде пайдаланылуы мүмкін және жаңа әдіс термометриялық ИФА (TELISA) деп аталады.

Оптикалық биосенсорлар:

Оптикалық биосенсорлар – оптикалық өлшемдер принципін қолданатын құрылғылар (абсорбция, флуоресценция, хемилюминесценция т.б.). Олар талшықты оптика мен оптоэлектрондық түрлендіргіштерді пайдаланады. Оптикалық және электрод сөздерінің конденсациясын білдіретін оптрод сөзі жиі қолданылады. Оптикалық биосенсорлар түрлендіруші элементтер ретінде ең алдымен ферменттер мен антиденелерді қамтиды.

Оптикалық биосенсорлар материалдарды қауіпсіз электрлік емес қашықтықтан зондтауға мүмкіндік береді. Тағы бір артықшылығы мынада, бұл биосенсорлар әдетте анықтамалық сенсорларды қажет етпейді, өйткені салыстырмалы сигналды сынама алу сенсоры сияқты бірдей жарық көзі арқылы жасауға болады. Кейбір маңызды оптикалық биосенсорлар төменде қысқаша сипатталған.

Талшықты-оптикалық лактат биосенсоры:

21.17-сурет талшықты-оптикалық лактат биосенсорын көрсетеді. Оның жұмысы молекулалық О өзгерістерін өлшеуге негізделген2 О-ның сөндіру әсерін анықтау арқылы концентрация2 флуоресцентті бояуда. Келесі реакция лактатмонооксигеназа ферментімен катализденеді.

Боялған пленка тудыратын флуоресценция мөлшері О-ға тәуелді2. Себебі, О2 флуоресценцияға сөндіргіш (азайту) әсері бар. Реакциялық қоспадағы лактат концентрациясы жоғарылаған сайын О2 пайдаланылады, демек, сөндіргіш әсердің пропорционалды төмендеуі байқалады. Нәтиже – өлшеуге болатын флуоресценттік шығыстың жоғарылауы.

Қандағы глюкозаға арналған оптикалық биосенсорлар:

Қандағы глюкозаны бағалау қант диабетін бақылау үшін өте маңызды. Бұл үшін реагенттермен сіңдірілген қағаз жолақтарын қамтитын қарапайым әдіс қолданылады. Жолақтарда глюкоза оксидазасы, жылқы шалғамының пероксидазасы және хромоген (мысалы, толуидин) бар. Келесі реакциялар пайда болады.

Бояғыш түсінің қарқындылығын портативті шағылыстыру өлшегішінің көмегімен өлшеуге болады. Глюкоза таспасының өндірісі бүкіл әлем бойынша өте үлкен сала болып табылады.

Colorimetric test strips of cellulose coated with appropriate enzymes and reagents are in use for the estimation of several blood and urine parameters.

Luminescent biosensors to detect urinary infections:

The microorganisms in the urine, causing urinary tract infections, can be detected by employing luminescent biosensors. For this purpose, the immobilized (or even free) enzyme namely luciferase is used. The microorganisms, on lysis release ATP which can be detected by the following reaction. The quantity of light output can be measured by electronic devices.

Other Optical Biosensors:

Optical fibre sensing devices are in use for measuring pH, pCO2 and pO2 in critical care, and surgical monitoring.

Piezoelectric Biosensors:

Piezoelectric biosensors are based on the principle of acoustics (sound vibrations), hence they are also called as acoustic biosensors. Piezoelectric crystals form the basis of these biosensors. The crystals with positive and negative charges vibrate with characteristic frequencies. Adsorption of certain molecules on the crystal surface alters the resonance frequencies which can be measured by electronic devices. Enzymes with gaseous substrates or inhibitors can also be attached to these crystals.

A piezoelectric biosensor for organophosphorus insecticide has been developed incorporating acetylcholine esterase. Likewise, a biosensor for formaldehyde has been developed by incorporating formaldehyde dehydrogenase. A biosensor for cocaine in gas phase has been created by attaching cocaine antibodies to the surface of piezoelectric crystal.

Limitations of Piezoelectric Biosensors:

It is very difficult to use these biosensors to determine substances in solution. This is because the crystals may cease to oscillate completely in viscous liquids.

Whole Cell Biosensors:

Whole cell biosensors are particularly useful for multi-step or cofactor requiring reactions. These biosensors may employ live or dead microbial cells. A selected list of some organisms along with the analytes and the types of biosensors used is given in Table 21.8

Advantages of microbial cell biosensors:

The microbial cells are cheaper with longer half-lives. Further, they are less sensitive to variations in pH and temperature compared to isolated enzymes.

Limitations of microbial cell biosensors:

The whole cells, in general, require longer periods for catalysis. In addition, the specificity and sensitivity of whole cell biosensors may be lower compared to that of enzymes.

Immuno-Biosensors:

Immuno-biosensors or immunochemical bio­sensors work on the principle of immunological specificity, coupled with measurement (mostly) based on amperometric or potentiometric bio­sensors. There are several possible configurations for immuno-biosensors and some of them are depicted in Fig. 21.18, and briefly described hereunder.

1. An immobilized antibody to which antigen can directly bind (Fig. 21.18A).

2. An immobilized antigen that binds to antibody which in turn can bind to a free second antigen (Fig. 21.18B).

3. An antibody bound to immobilized antigen which can be partially released by competing with free antigen (Fig. 21.18C).

4. An immobilized antibody binding free antigen and enzyme labeled antigen in competition (Fig. 21.18D).

For the biosensors 1-3, piezoelectric devices can be used. The immuno-biosensors using enzymes (4 above, Fig. 21.18D) are the most commonly used. These biosensors employ thermometric or amperometric devices. The activity of the enzymes bound to immuno-biosensors is dependent on the relative concentrations of the labeled and unlabeled antigens. The concentration of the unlabeled antigen can be determined by assaying the enzyme activity.


The Making of the Fittest: Natural Selection and Adaptation

1. Is the following statement true or false? Justify your answer in one or two sentences: “The appearance of dark-colored volcanic rock caused the mutation for black fur to appear in the rock pocket mouse population.” This is false because the pocket rock mice adapted to the black rock by breeding with the randomly mutated black genes.

2. Near the end of the video, Dr. Sean Carroll states that “While mutation is random, natural selection is not.” In your own words, explain how this is possible. This is accurate as widespread mutations can originate from singular gene mutations, however, if this mutation is beneficial to the environment and survival then the gene will spread to the population further and become a more prominent trait.

3. You are studying a recently discovered population of rock pocket mice with dark-colored fur that lives on a volcanic rock. You take a DNA sample from a member of this new population and determine the DNA sequence of a gene known to play a role in fur color. The sequence you get is identical to that of the same gene in another rock pocket mouse population with dark-colored fur that lives on a different patch of volcanic rock. Which of the following could explain this observation?

(a) The mice in the two populations evolved from the same ancestral population.

(b) The volcanic rock caused the same mutation in each rock pocket mouse population, resulting in dark coloration.

(c) The same mutation spontaneously arose in the two different populations.

(d) Both a) and c) are possible.

(e) All of the above are possible.

4. You are studying a new population of rock pocket mice in Arizona. These mice live on a recently discovered patch of dark-colored volcanic rock. This environment does not have nearly as many visual predators as in previously studied areas in New Mexico. You observed the following numbers of light- and dark-colored mice on this new patch of rock:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graph.

The population of light mice has been inconsistently falling and rising while the population of dark mice has stayed consistent throughout the presented years. However, the population has remained approximatley the same.

b) Provide one possible hypothesis that would explain the observed data. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). The selective nature of the survival of the dark mice is constant as on the rock, the trait of dark fur is fit for the best survival over the light colored mice, however, when visual predators are decreased then the populations remain equallt fit.

5. You next decide to move 160 of these newly discovered light-colored rock pocket mice from Arizona to a colony in New Mexico (Graph A) that also lives on the dark-colored volcanic rock. You also move 160 dark-colored mice from the New Mexico colony to the Arizona colony (Graph B). You monitor the populations for five years and observe the following:

a) In one or two sentences, summarize the data presented in the graphs above.

In Graph A the data shows that dark mice have had a positive increase of population in New Mexico in comparison to the population of light colored mice. In Graph B the population of dark-colored mice has consistently stayed larger than the light colored population in Arizona.

b)Provide an explanation for these observations. Be sure to include the following keywords in your answer: selection (or selective), fitness (or fit), survival (or survive). Тhese observations of mice on dark, volcanic rock in separate environments are an example of how dark-colored mice have been bred selectively as the fittest example of survival when visual predators are present. In Graph A this is present as balck mice eventually overtake the light mice based on visual predators hunting patterns. However, in Graph B fur plays no dominance on mortality rates of mice populations.

6. Prior to your experiment above, you take a DNA sample from one dark-colored mouse in each population and sequence a gene known to play a role in making mice dark colored. You discover that the dark-colored mice from Arizona have a different allele of this gene than the dark-colored mice from New Mexico. Бұл қалай мүмкін? This difference in allele is a result of the fact that separate genes are able to modify the color of fur and that separate populations of mice have developed separate genes to modify. In short, there is more than one mutation that results in dark fur.

7. CONSIDER: How would you design an experiment to test which population of dark-colored mice is more evolutionarily fit in an environment of your choice? You may want to use the above experiments as a guide. Be sure to state your hypothesis, as well as what type of data you will record.

I would design an experiment that would test the mice’s ability to find safety based completely on their ability to use their given useful camouflage to hide from predators. I would do this by placing both populations in an environment which was separated into a third of dark, rocky and mountainous terrain, a third light and sandy strip, and a third sandy dark flat area. By dumping these two populations in the middle (the light sandy area) and introducing an airbron predator one can gather what population is more likely to survive based on survival skills and given camouflage. Since both groups are equally dark colored they have the same camouflage, however, one can infer that after a set time for the predator to hunt, the population of the more successful environment will be substantially greater. Therefore by creating a discerning “fittest” survival trait that is based on survival, the two groups can be surveyed. The data would then be collected following the number from each group to hide in each environment. The environment with the greatest survival rate would then be subdivided to discern which group of dark-colored mice was in fact fittest to survive in the dark colored environment.


Бейнені қараңыз: Табиғатты пайдалану түрлерінің қоршаған ортаға әсерін бағалау. 10-сынып (Қазан 2022).