11 КЛАСС биология У 23.10

1.

Молекулярно-генетические,
биохимические и
математические методы
изучения эволюции
11 класс
(углубленный уровень)

2.

Классические методы изучения эволюции
• Палеонтологические – ископаемые остатки,
филогенетические ряды, переходные формы.
• Биогеографические – распространение организмов на
Земле.
• Эмбриологические – сравнение зародышевого
развития.
• Сравнительно-морфологические – гомологичные и
аналогичные органы.
Ограничение: для далёких эволюционных линий многие
признаки могут изменяться или утрачиваться, а
количественная оценка родства часто затруднена.

3.

Предпосылки появления новых методов
В XX веке развитие получили:
• молекулярная биология
• биохимия
• цитология
• генетика
• вычислительная техника (ЭВМ)
Результат: появились новые методы,
которые дополнили и обогатили
классические.

4.

Классификация современных методов
Молекулярнобиохимические
Молекулярногенетические
Математические

5.

Молекулярные методы изучения эволюции
Молекулярная эволюция – направление эволюционной биологии,
изучающее изменения генов, геномов, РНК и белков в ходе
исторического развития организмов.
Современные методы позволяют:
• сравнивать ДНК, РНК и белки разных организмов;
• выявлять общие и специфические участки
последовательностей;
• определять степень генетического родства;
• реконструировать историю возникновения и расхождения групп
организмов; оценивать время эволюционных расхождений.

6.

Что анализируют для реконструкции эволюции
Уровни
Что анализируют
Примеры / значение
ДНК
отдельные гены; мтДНК и
пластидная ДНК; участки
ядерного генома; полные
геномы
мтДНК – материнские линии;
пластидная ДНК – родство
растений; полные геномы –
максимальная информация
РНК
рРНК; некодирующие РНК;
транскрипты
рРНК – универсальна, удобна для
глубокой филогении; транскрипты
– оценка экспрессии генов
Белки
аминокислотные
последовательности;
строение белков; наличие и
замены аминокислот
цитохром c, гемоглобин –
классические объекты сравнения

7.

Молекулярно-генетические методы
• Секвенирование ДНК – определение последовательности
нуклеотидов.
• ПЦР – многократное копирование выбранного участка ДНК.
• Сравнительный анализ последовательностей – попарное
сравнение (поиск сходств и различий) и множественное
выравнивание (сопоставление многих последовательностей).
• Анализ геномов – сравнение целых геномов или крупных
участков.
• Анализ генетических маркеров – исследование определённых
участков ДНК, информативных для филогенетики.

8.

Секвенирование ДНК
Секвенирование – определение порядка расположения
нуклеотидов в молекуле ДНК.
Сравнивая последовательности одного и того же гена у разных
организмов, можно определить:
• какие участки сохранились;
• какие нуклеотиды изменились;
• где произошли вставки и выпадения нуклеотидов;
• какие изменения являются общими для определённых групп.
Одно нуклеотидное различие может
быть результатом мутации,
возникшей после расхождения
эволюционных линий.

9.

Полимеразная цепная реакция
ПЦР – полимеразная цепная реакция – метод
многократного копирования определённого
участка ДНК.
В эволюционных исследованиях ПЦР позволяет:
• получить большое количество нужного
фрагмента ДНК;
• исследовать конкретный ген;
• сравнить один и тот же участок у разных
организмов;
• работать с небольшим исходным количеством
ДНК.

10.

Сравнительный анализ последовательностей
Сравнительный анализ последовательностей – сопоставление
последовательностей ДНК или РНК у разных организмов для
выявления сходств и различий.
Эволюционное значение: сходства и различия между
гомологичными последовательностями позволяют выявлять
общие предковые линии и реконструировать историю расхождения
организмов.
Пример: сравнение одного и того
же участка ДНК у трёх видов:
Сравниваем позиции:
• A и B отличаются в 1 позиции;
• B и C отличаются в 1 позиции;
• A и C отличаются в 2 позициях.

11.

Пример сравнения митохондриальной ДНК
Митохондриальная ДНК (мтДНК):
• наследуется по материнской линии;
• обычно не участвует в рекомбинации;
• имеет высокую скорость мутирования.
Анализ мтДНК позволяет реконструировать филогенетические
связи между представителями гоминид.
Сравнение
митохондриальной ДНК
гоминид:
Гоминиды
Различия
Горилла — человек
10 %
Орангутан — человек
17 %
Вывод: различия обусловлены мутациями, накапливавшимися у
каждого вида в процессе эволюции.

12.

Анализ геномов
Анализ геномов – изучение и
сравнительное сопоставление
полных или значительных
участков геномов разных
организмов для выявления
общих и различающихся
наследственных признаков.
Эволюционное значение: чем больше общих и сходно
расположенных наследственных элементов имеют геномы, тем
больше информации они дают об общем происхождении и
эволюционных расхождениях организмов.

13.

Сравнение геномов человека и шимпанзе
Сравнение геномов человека и шимпанзе показало, что
• значительная часть генов имеет общего предка;
• многие гомологичные гены расположены в сходных участках
хромосом;
• последовательности ДНК содержат большое количество сходных
участков;
• одновременно существуют различия в последовательностях,
регуляторных участках и структуре генома.
Геном человека и шимпанзе различается примерно на 1,2%.
Вывод: сходство геномов человека и шимпанзе является одним из
молекулярных свидетельств их общего эволюционного
происхождения.

14.

Гомологичные гены
Гомологичные гены – гены, происходящие от одного общего
предкового гена.
Ортологи – гомологичные гены
у разных видов, разделившиеся
при видообразовании.
Паралоги – гомологичные гены,
возникшие при дупликации
гена в пределах одного генома.

15.

Два типа гомологичных генов
Признак
Ортологи
Паралоги
Как возникли
при видообразовании
при дупликации гена
Где находятся
у разных видов
в одном геноме (или у
разных видов)
Функция
обычно та же самая
часто разная (или сходная)
Для чего
используют
для построения
филогенетических деревьев
для изучения эволюции
функций генов
Примеры
ген гемоглобина у человека и
гемоглобина у шимпанзе;
ген цитохрома c у человека и
у дрожжей
α- и β-цепи гемоглобина —
возникли при дупликации

16.

Гомологичные гены – летопись эволюции
Гомологичные гены – это фундамент эволюционной геномики: они
позволяют реконструировать филогенез, показывают сохранение
древних механизмов развития и служат источником эволюционных
новшеств.
Это молекулярная летопись эволюции: ортологи документируют
историю расхождения видов, а паралоги – историю появления новых
функций.

17.

Цитогенетические методы
Сравнение кариотипов – числа, формы и окраски хромосом – даёт
важные эволюционные свидетельства.
У шимпанзе в
соматических клетках 48 хромосом, у
человека – 46
хромосом. Уменьшение
числа хромосом в
кариотипе человека
связано со слиянием
двух негомологичных
хромосом предкового
вида.

18.

Биохимические методы
Биохимические методы исследуют:
• аминокислотные последовательности
белков;
• строение и свойства белков;
• изоферменты;
• особенности ферментативных реакций;
• состав некоторых метаболитов.
Белки особенно удобны для эволюционных сравнений, поскольку
последовательность аминокислот непосредственно связана со
строением и функцией белка.

19.

Сравнение аминокислотных последовательностей
Сравнение аминокислотных последовательностей – метод
изучения эволюционного родства белков по совпадениям и
различиям в порядке расположения аминокислот.
Эволюционное значение: чем больше совпадений в
гомологичных белках, тем больше информации они могут дать
о степени родства и общем происхождении организмов.
Сравнение последовательностей аминокислот цитохрома c (белка
дыхательной цепи большинства аэробных организмов) показало:
• у человека и шимпанзе различий нет;
• у человека и дрожжей различия значительны;
• чем дальше родство, тем больше различий.

20.

Сравнение белков
Сходство белков у разных систематических групп.
Примеры:
• хлорофилл и гемоглобин содержат сходные по
типу порфириновые структуры;
• многие гормоны позвоночных имеют сходное
строение;
• гормоны гипофиза найдены у всех групп
позвоночных;
• инсулин имеется у всех млекопитающих.
хлорофилл
Вывод: сходные по строению, составу и функциям
белки указывают на эволюционное родство.
гемоглобин

21.

Единство метаболических путей
Единство метаболических путей – сходство основных
биохимических процессов у организмов разных эволюционных
групп, являющееся свидетельством их общего происхождения.
Примеры:
• гликолиз
• цикл Кребса
• окислительное фосфорилирование
• синтез белка
• репликация ДНК
Эволюционное значение: сходные метаболические пути →
сходство ферментов и механизмов их регуляции →
свидетельство общего происхождения.

22.

Биохимические доказательства эволюции
Единство химического состава
Химический анализ клеток показал:
• все организмы имеют сходный элементарный состав;
• в клетках встречаются одни и те же белки, углеводы, липиды,
нуклеиновые кислоты;
• в состав белков всех организмов входят 20 стандартных
аминокислот.
Вывод: биохимическое единство жизни — свидетельство
общности происхождения.

23.

Биохимические доказательства эволюции
Универсальность генетического кода
• генетический код универсален для всех организмов Земли.
Вывод: универсальность генетического кода свидетельствует о
глубоком эволюционном родстве всех современных организмов и их
общем происхождении.
Универсальность источника энергии
• АТФ – универсальный источник энергии для всех живых
организмов.
Вывод: единый способ запасания и передачи энергии
свидетельствует об общем происхождении жизни.

24.

Математические методы
Современная филогенетика невозможна без математической
обработки данных.
Математические методы позволяют:
• измерять генетические расстояния;
• оценивать количество замен;
• строить филогенетические деревья;
• учитывать вероятности различных эволюционных изменений.
Молекулярные
данные
Математическая
модель
Филогенетическая
гипотеза

25.

Компьютерное моделирование эволюционного процесса
Вывод: компьютерное моделирование показало, что ход эволюции
непредсказуем и неповторим, а природные катаклизмы могут влиять
на неё, но не являются её причиной.

26.

Измерение генетического расстояния
Генетическое расстояние — количественная оценка различий
между последовательностями ДНК у разных организмов.
Его можно определить по числу различающихся нуклеотидов, доле
несовпадающих позиций, количеству замен с учётом повторных
мутаций.
Простой расчёт:
• если из 100 позиций ДНК различаются 8,
то генетическое расстояние = 8 / 100 = 0,08 (8 %)
Вывод: чем меньше генетическое расстояние между гомологичными
последовательностями, тем ближе предполагаемое эволюционное
родство.
Генетические расстояния используют для построения
филогенетических деревьев.

27.

Филогенетическое дерево
Филогенетическое дерево – графическая модель
предполагаемых эволюционных связей между организмами,
генами или другими таксонами.
узлы
Основные элементы:
• ветви — эволюционные линии;
• узлы — предполагаемые общие предки;
ветви
Дерево отражает гипотезу родства, а не фотографию реально
происходившего эволюционного процесса.

28.

Кладистический подход
Клада – группа организмов,
включающая общего предка и
всех его потомков.
Современная филогенетика
широко использует
кладистический подход.
общий предок
клада
Ящерицы и змеи
Крокодилы
Птицетазовые
динозавры
Ящеротазовые
динозавры
Птицы

29.

Синапоморфии — маркеры эволюционных линий
Синапоморфии – общие производные признаки, которые
унаследованы от общего предка данной группы.
Молекулярными синапоморфиями могут быть:
• определённые замены нуклеотидов;
• вставки или делеции;
• изменения аминокислот.
Синапоморфии позволяют выделять эволюционные линии и
группы.
Есть синапоморфия → организмы в одной кладе (ветви).
Вывод: именно синапоморфии, а не любые сходства, используют для
построения кладограмм.

30.

Выводы
Молекулярные и математические методы позволяют:
• реконструировать происхождение групп организмов;
• выявлять скрытое родство и уточнять систематику;
• определять время эволюционных расхождений;
• сравнивать геномы и изучать происхождение и дупликацию
генов, исследовать распространение генов между
организмами;
• объединять генетические, биохимические и
палеонтологические данные.

31.

Метод
Что изучает
Преимущество
Ограничение
Палеонтологический
ископаемые остатки
прямые свидетельства
неполнота летописи
Биогеографический
распространение
закономерности
расселения
не даёт точных
датировок
Эмбриологический
зародышевое
развитие
повторение филогенеза
не универсален
Сравнительноморфологический
гомологичные и
аналогичные органы
наглядность
субъективность
Биохимический
белки
количественная
оценка, сравнение
далёких организмов
требует лабораторий
Генетический
ДНК, РНК
точность родства
ограничен близкими
видами
Математический
модели эволюции
прогнозирование
зависит от исходных
данных

32.

Итоговые выводы
Абсолютных и совершенных методов изучения эволюции нет.
Для получения наиболее точной картины филогенеза
необходимо:
• использовать все имеющиеся в арсенале современной науки
методы;
• подходить к изучению эволюционного процесса комплексно.
Синтез классических и современных подходов – основа
современной эволюционной биологии.