Genetika a kríženie: Sledovanie dedičnosti znakov
Dedičnosť je fascinujúci proces, ktorý určuje, ako sa vlastnosti prenášajú z rodičov na potomkov. Môžeme ju definovať ako schopnosť organizmu uchovávať súbor génov, ktoré určujú rôzne vlastnosti, a prenášať tento súbor génov na potomstvo. Je samozrejmé, že zo semien duba vyrastie dub a z mačiatka mačka. Potomkovia sa však môžu od svojich rodičov aj líšiť, čo sú prejavy dedičnosti. Každý rodič odovzdáva svojim potomkom vlastnosti svojich predkov, a keď sa tieto vlastnosti kombinujú, vznikajú rozdiely medzi potomkami.
Skúmaním dedičnosti sa v 19. storočí intenzívne zaoberal prírodovedec Johan Gregor Mendel. V kláštornej záhrade v Brne strávil desať rokov štúdiom prenosu dedičných vlastností siateho hrachu, pričom vykonal viac ako 30 000 pokusov. Pri pestovaní hrachu sa zameral na dve konkrétne vlastnosti a sledoval ich prenos na potomkov. Mendelove práce znamenali prepojenie biológie a matematiky, keďže si starostlivo viedol záznamy, ktoré odhalili základné zákonitosti dedičnosti. Tieto zákonitosti sú dnes známe ako Mendelove zákony. Okrem základov dedičnosti položil Mendel základy modernej genetiky.
Čo je genetika?
Genetika je veda, ktorá sa zaoberá dedičnosťou (hereditou) a premenlivosťou (variabilitou) organizmov. Základnou jednotkou dedičnosti je gén. Gén je úsek molekuly DNA, ktorý nesie genetickú informáciu o konkrétnom znaku. Gény sú umiestnené na chromozómoch, ktoré sú štruktúrami bunkového jadra zloženými z nukleoproteínových vlákien, pričom ich základom je DNA (deoxyribonukleová kyselina). Každý organizmus má v bunkovom jadre určitý počet chromozómov - človek má napríklad v každej telovej bunke 46 chromozómov (s výnimkou pohlavných buniek).
Molekula DNA má v chromozómoch tvar dvojzávitnice, ktorá sa správa ako zips. Kopírovaním DNA vznikajú nové molekuly DNA. Zhluky génov tvoria genotyp, ktorý predstavuje celkovú genetickú výbavu organizmu. Okrem genotypu poznáme aj fenotyp, ktorý je vonkajším prejavom génov a je ovplyvnený aj okolitým prostredím a vonkajšími faktormi. Haplotyp je tiež zhluk génov, ale jeho gény sa nenachádzajú vedľa seba na jednom chromozóme.
Konkrétna forma génu, ktorá určuje jeho štruktúru a funkciu, sa nazýva alela. Ak sa vyskytujú dve rovnaké alely génu, hovoríme o homozygotovi. Ak sú alely dve rôzne, jedinec je heterozygot. Genetická informácia môže byť napríklad v prípade štrbavosti prítomná vo forme AA (dve dominantné alely) alebo aa (dve recesívne alely). Veľké písmeno (napr. A) označuje dominantnú alelu, ktorá sa prejaví fyzicky (napr. tmavé oči, tmavé vlasy). Malé písmeno (napr. a) označuje recesívnu alelu.
Kríženie a dedičnosť
Kríženie (hybridizácia) je spôsob pohlavného rozmnožovania, pri ktorom sa sleduje výskyt foriem určitých znakov u rodičov a ich potomkov. Pomocou kríženia sa zisťuje spôsob dedičnosti skúmaného znaku, či je znak kvalitatívny alebo kvantitatívny, a aké alely ho určujú.
Podľa Mendelovho zákona, pri krížení homozygotného jedinca s dominantnými alelami (AA) s homozygotným jedincem s recesívnymi alelami (aa) vznikne v prvej generácii potomkov heterozygotný jedinec (Aa), u ktorého sa prejaví dominantný znak. Ak by sme skrížili dvoch heterozygotných jedincov (Aa x Aa), v ďalšej generácii by vznikol potomok s genotypom aa, u ktorého sa recesívny znak neprejaví.
Typy dedičnosti
Dedičnosť sa delí podľa kvalitatívnych znakov na autozomálnu a genozomálnu. Kvalitatívne znaky sú tie, ktoré sú ovplyvnené jedným génom, preto sa nazývajú aj monogénne znaky. Príkladom sú farba očí, vlasov či pleti.
- Autozomálna dedičnosť: gény pre tieto znaky sú umiestnené v autozómoch, teda v chromozómoch, ktoré neurčujú pohlavie.
- Genozomálna dedičnosť: gény pre tieto znaky sú umiestnené v gonozómoch, teda v pohlavných chromozómoch, ktoré určujú pohlavie. Podľa Morganovho pravidla kríženia platí: dcéry dedia znaky po otcovi a synovia po matke.
Okrem kvalitatívnych znakov sa dedičnosť delí aj podľa kvantitatívnych znakov. Tieto znaky, ako napríklad telesná výška či rasa človeka, sú ovplyvnené viacerými génmi s malým účinkom, ktoré sa navzájom ovplyvňujú a vytvárajú polygénny systém. Tieto systémy sa skladajú z neutrálnych alel (neovplyvňujú kvantitatívny znak) a aktívnych alel (kvantitatívne znaky zvyšujú alebo znižujú).
Pohlavné rozmnožovanie
Pohlavné rozmnožovanie (iné názvy: pohlavné množenie, sexuálne rozmnožovanie, generatívne rozmnožovanie, sexuálna reprodukcia, generatívna reprodukcia, amfigónia) je proces, pri ktorom vzniká potomok, ktorý nesie kombináciu genetického materiálu dvoch rodičovských organizmov. Pri pohlavnom rozmnožovaní vzniká organizmus s novou, unikátnou genetickou výbavou, ktorá sa nikdy celkom nezhoduje s genetickou výbavou rodičov.
V širšom zmysle zahŕňa pohlavné rozmnožovanie každý typ rozmnožovania, pri ktorom sa nový jedinec vyvíja z gamét (pohlavných buniek), nie zo somatických (telových) buniek. V najbežnejšom prípade, eugamii, je nevyhnutné splynutie dvoch špecializovaných buniek - gamét. Ich splynutím vzniká zygota (oplodnené vajíčko), ktorá sa ďalej delí a vyvíja sa z nej embryo. Gaméty zvyčajne nesú polovičnú (haploidnú) sadu chromozómov. Splynutím dvoch gamét vzniká opäť úplná (diploidná) chromozómová sada.
Keďže pri bežnom delení buniek je genetická výbava materských a dcérskych buniek zvyčajne rovnaká, pohlavné bunky vznikajú špecifickým procesom nazývaným redukčné delenie - meióza. Meióza je typ delenia, pri ktorom z jednej bunky vznikajú štyri dcérske bunky, každá s haploidným počtom chromozómov. Meióza je základným spôsobom vzniku pohlavných buniek.
Genetická informácia a pohlavie
Vlastnosti každého živého organizmu sú určené jeho deoxyribonukleovou kyselinou - DNA. Určité úseky DNA sa nazývajú gény. DNA je v bunkovom jadre rozdelená do samostatných úsekov, ktoré sú v spojení s bielkovinami formované do hmoty nazývanej chromatín. V čase delenia bunky sa chromatín mení na zreteľné útvary - chromozómy.
Počet chromozómov je u rôznych organizmov rôzny. Pri delení buniek sa celé chromozómy prenášajú do dcérskych buniek, a teda aj gény umiestnené na jednom chromozóme. Pohlavné rozmnožovanie umožňuje tvoriť potomstvo s unikátnou genetickou výbavou, a to buď výmenou génov medzi dvoma organizmami, alebo spojením gamét dvoch organizmov.
Haploidný počet je minimálny počet génov, ktoré môže živý organizmus vo svojich bunkách obsahovať. Väčšina eukaryotických organizmov je však diploidných, čo znamená, že majú dve chromozómové sady. Možná je aj polyploidia (viac ako 2 chromozómové sady), ktorá je však všeobecne nežiaduca. Spojenie dvoch diploidných gamét by viedlo k vzniku tetraploidného jedinca, preto je dôležité, aby spájajúce sa bunky mali len haploidnú sadu chromozómov.
Pohlavie je vlastnosť, ktorá zabraňuje spojeniu gamét rovnakého pohlavia. Väčšinou je dané geneticky, ale môže sa vyvinúť alebo zmeniť aj počas života. Ak je jedinec schopný tvoriť samčie aj samičie pohlavné bunky, hovoríme o obojpohlavnosti (hermafroditizme).
Mechanizmy rozmnožovania a dedičnosti
Existujú rôzne mechanizmy, ktoré zabezpečujú stretnutie pohlavných buniek. Niektoré druhy rozptyľujú svoje pohlavné bunky do okolia a ich vzájomné stretnutie je ponechané na náhodu. Táto stratégia si vyžaduje obrovskú nadprodukciu pohlavných buniek. Väčšina druhov však vyvinula ďalšie mechanizmy, často s účasťou rodičovských jedincov alebo iných organizmov (napr. hmyzom opeľované rastliny).
Pri pohlavnom rozmnožovaní vzniká potomstvo s novou, unikátnou genetickou výbavou. Výhodou je rôznorodosť potomstva, ktorá umožňuje jedincom rovnakého druhu rozdiferencovať svoje životné nároky a obsadiť širšiu ekologickú niku. Taktiež spôsobuje, že jednotlivci populácie reagujú na rovnaké faktory prostredia odlišne, čo znižuje pravdepodobnosť, že by celý druh podľahol rovnakému patogénu. Ďalšou výhodou je diploidný stav genómu, kde druhá funkčná kópia génu môže kompenzovať prípadnú mutáciu.
Nevýhodou pohlavného rozmnožovania je jeho relatívna pomalosť v porovnaní s nepohlavným. Jedince sa môžu pohlavne rozmnožovať až po dosiahnutí pohlavnej dospelosti, čo môže trvať určitý čas. Často tiež produkuje menší počet jedincov a vyžaduje zložitejší aparát, ktorý môže jedince robiť zraniteľnejšími.
Imbredná línia je generačný sled jedincov získaných príbuzenským krížením (imbrídingom). Ak sa jedinci v takomto rade krížia medzi sebou, trvalo sa udržiava kombinácia želaných znakov a získava sa čistá línia, čiže čistokrvné jedince.
Rozmnožovanie v rôznych organizmoch
Prokariotické organizmy (archae a baktérie) sa vo väčšine prípadov rozmnožujú nepohlavne delením. Baktérie však majú mechanizmy na prenos genetického materiálu (konjugácia, transdukcia, transformácia), hoci to nie je pohlavné rozmnožovanie v pravom zmysle slova.
U eukaryotických organizmov je často prítomné pohlavné aj nepohlavné rozmnožovanie. Nepohlavné rozmnožovanie sa zvyčajne odohráva v stabilných podmienkach, zatiaľ čo pri zhoršených podmienkach organizmy prechádzajú k pohlavnému rozmnožovaniu.
Prvoky (jednobunkové organizmy) sa rozmnožujú väčšinou nepohlavne delením, ale vyskytujú sa aj tri typy pohlavného rozmnožovania: gametogamia, gamontogamia a autogamia.
Rastliny sú vo veľkej väčšine schopné pohlavného rozmnožovania. U mnohých nižších rastlín, machorastov, rias a húb je typické striedanie pohlavnej a nepohlavnej generácie (rodozmena). U cievnatých rastlín je fáza nepohlavnej generácie (gametofytu) potlačená.
Živočíchy, od najprimitívnejších po najvyspelejšie, sú pravdepodobne schopné pohlavného rozmnožovania. Pohlavné bunky (gaméty) sa tvoria v špeciálnych žľazách - gonádach. Samičie pohlavné bunky sú vajíčka, samčie spermie. Oplodnenie môže byť vonkajšie (vo vode) alebo vnútorné (v tele samice).
Vzdelávací obsah, od oplodnenia až po pôrod | 3D lekárska animácia | od tímu Dandelion
Pri nepriamom vývine vzniká z vajíčka larva, ktorá sa neskôr premení na dospelca. Pri priamom vývine sa jedinec hneď po narodení podobá na dospelého.
Hermafroditi sú jedince schopné produkovať samčie aj samičie pohlavné bunky, ale zvyčajne nedochádza k samooplodneniu, pretože ich pohlavné bunky nedozrievajú súčasne. Gonochoristi produkujú iba samčie alebo iba samičie pohlavné bunky.
Pohlavné rozmnožovanie je umožnené až v štádiu dospelosti a často prebieha len za priaznivých vonkajších podmienok. Naopak, jednobunkové organizmy, najmä baktérie, sa za priaznivých podmienok rozmnožujú nepohlavne a pri zhoršených prechádzajú na pohlavný cyklus, aby našli vhodnú kombináciu génov.
tags: #sposob #pohlavneho #rozmnozovanie #pri #ktorom #sa