Задание по генетике. Читательская грамотность
олимпиадные задания по биологии (10 класс)

Задача «Мексиканская тетра – модель эволюционной генетики»

Составитель Лойко Ирина Николаевна, учитель МБОУ г. Иркутска СОШ №10 им. П.А.Пономарева

Предмет  биология

Класс 10-11

Цель задачи. Применение естественнонаучных знаний для решения реальных задач.

Краткая характеристика задания:

Список информационных Интернет - источников.

https://elementy.ru/novosti_nauki/431900/Pishchevoe_povedenie_u_peshchernoy_ryby_nasleduetsya_epigeneticheski 

https://www.msau.ru/obnaruzhen-gen-otvetstvenny-za-poteryu-zreniya-u-slepoy-peshternoy-rb.html 

http://lib.rus.ec/b/363124         

Текст задачи.

Эволюция не играет дважды в одну и ту же игру.

Эрих фон Деникен

Astyanax mexicanus (мексиканская тетра, астинакс) – небольшая пресноводная рыба, достигающая в длину максимум 12 сантиметров. У неё две формы: зрячая и слепая. Рыба, обитающая в пещерах Пачон (Мексика), полностью потеряла глаза.

Слепые пещерные харацины (астианаксы) живут в глубоких пещерах и имеют очевидные приспособления. Обитая в условиях длительно стоячих вод и низкого содержания кислорода, они имеют более крупные эритроциты, чем у поверхностных рыб. Астианаксы - бледно-розовые, почти прозрачные из-за потери меланина, по сравнению со своими серебристыми собратьями. У поверхностных тетр - огромные круглые глаза, а у пещерных - едва заметные очертания рудиментарных глазниц, покрытых кожей. У мальков в первые недели жизни развиваются глаза, как не мало важное защитное приспособление от возможных хищников, которые видят их через отверстия в пещере. Слепота у A. mexicanus вызывает нарушение формирования нейромаста (рецепторов боковой линии), что в дальнейшем вызывает асимметрию в структуре черепной кости - изгиб. Такая мутация улучшает чувствительность от тока воды и пространственное ориентирование в темных водах пещер.

Примечательно, что отвечающий за зрение средний мозг у слепых тетр меньше, чем у зрячих, а  отсутствие зрения они компенсируют увеличением обонятельных долей, челюстей, большим количеством вкусовых рецепторов, зубов и всеядностью В отсутствии зрения астианаксы ориентируются благодаря боковым линиям, чувствительным к колебаниям давления воды. Они постоянно передвигаются. Спят меньше, чем поверхностные рыбы. Высокие аппетиты и непрерывное кормление позволяют набирать вес и откладывать жир в периоды изобилия пищи для использования в периоды голода. Пещерных тетр характеризует регенеративная способность сердца, циркадные ритмы и соеобразное пищевое поведение.

Слепую и зрячую формы можно легко скрестить в лаборатории и получить жизнеспособное потомство. И главное, у слепых особей появляется зрячее потомство! Это делает их хорошей моделью эволюционной генетики. Вид хорошо чувствует себя в неволе и поэтому не плохо изучен.

Недавние исследования показали, что механизмом развития регрессивных признаков может быть отбор посредством антагонистической плейотропии. Когда один ген контролирует более одного признака, при этом по крайней мере один из этих признаков полезен для приспособленности организма в раннем возрасте, и, по крайней мере, один из них ухудшает приспособленность организма позже из-за снижения силы воздействия естественного отбора.

Исследуя две популяции пещерных мексиканских рыб, американские биологи обнаружили, что пищевое поведение рыб из этих популяций контролируется различными генетическими механизмами. В одном случае это поведение наследуется по отцовской линии, в другом  — по материнской. Эпигенетическое наследование хорошо объясняет несоответствие ядерной и митохондриальной ДНК, характерное для одной из двух пещерных популяций. Один из эпигенетических механизмов — метилирование ДНК. Оказалось, что в процессе жизнедеятельности к молекулам ДНК в клетках, в том числе и в половых, специальные ферменты «пришивают» метильные группы (-CH3). Причем к одним генам метильных групп пришивают больше, к другим — меньше. Распределение метильных групп по генам зависит от того, насколько активно тот или иной ген используется. Активные гены метилируются слабо, неактивные — сильно.

Надо отметить ещё одну уникальность этих харацин, некоторые черты пещерных рыб напоминают болезни человека, предлагая новые модели для биомедицинских исследований.

Поначалу пещерные рыбы имели обычные глаза. Биологи исследовали геном астианакса мексиканского и не нашли выраженных мутаций, которые могли бы повлиять на такое аномальное развитие органов зрения. В результате дальнейшего исследования были выявлены случаи изменения экспрессии генов, которые не затрагивают последовательности ДНК. Этот процесс не изменяет генетический код, но при этом гены, отвечающие за развитие органов зрения этих лучеперых рыб, попросту «отключаются», не исполняя должной функции. Ученые обнаружили у тетр повышенное содержание белка DNMT3B, который синтезировался у них как ответ на долгое время жизни без света. Именно он влияет на гены, вынужденные «замолчать». Из них 26 идентичных генов, которые отвечают за развитие органов зрения и у человека, а еще 19 связаны с различными аномалиями зрительного аппарата. Исследователи увидели параллели между слепыми пещерными рыбами и людьми с гомоцистинурией – болезнью, которая вызывает нарушение зрения и может привести к кровоизлиянию, инсульту, сердечным приступам и преждевременной смерти. Известно, что за это заболевание у людей ответственен именно ген cbsa. Понимание того, как слепые пещерные рыбы выживают и процветают с мутировавшим геном cbsa, может помочь исследователям в будущем разработать методы лечения гомоцистинурии. Это исследование Университета Мэриленда (США) было опубликовано в журнале Nature Communications.

Таким образом, пещерные рыбы предлагают уникальные возможности для изучения генетической основы метаболических заболеваний человека

Задание 1.

Прочитайте внимательно текст и ответьте на вопрос: какие, по вашему мнению, положительные физиологические преимущества получают пещерные тетры, теряя глаза?

Задание 2.

Выскажите свои предположения, почему у этого вида пещерных рыб не появилась прозрачная кожа или веки, как у некоторых видов рептилий. 

Задание 3.

В поведении астианаксов замечена некоторая особенность: после перестановки предметов в аквариуме рыбы стали в четыре раза чаще засасывать в рот воду, выпуская её через жабры, и плавать намного быстрее. Выскажите предположение: с чем связано такое поведение пещерных рыб?

Задача 4.

Рыб скрестили со зрячей формой в обоих направлениях (то есть скрещивали и зрячую самку со слепым самцом, и, наоборот, зрячего самца со слепой самкой), в результате чего получили в общей сложности 256 потомков. И у родителей, и у детей исследовали не только пищевое поведение (подплывание к источнику вибрации и попытку схватить добычу), но и число и размер нейромастов на голове. У формы из пещеры Пачон гибридное потомство слепых отцов и зрячих матерей демонстрировало влечение к вибрации, тогда как потомство зрячих отцов и слепых матерей на вибрацию практически не реагировало. У данного признака нет сцепленности с полом. У потомства от пещерных отцов количество нейромастов было выше, чем у потомства от зрячих отцов. С исследованием реакции хватания добычи дети пещерных отцов также оказались активнее, даже чем их пещерные отцы. Какой тип эпигенетического наследования мы наблюдаем?

Задание 5.

При скрещивании самки мексиканской тетры открытого водоема, имеющей чешуйчатый тип покрова, с пещерным самцом со слабовыраженным чешуйчатым покровом, у мальков не произошло расщепления ни по чешуйному покрову, ни по генотипу. В потомстве получили 800 шт. мальков.

Определите возможные генотипы родителей.

Составьте схему скрещивания.

Дайте ответы на поставленные вопросы.

1. Сколько типов гамет продуцирует материнская форма?

2. Сколько типов гамет продуцирует отцовская форма?

3. Сколько генотипов у мальков при такой схеме скрещивания?

4. Сколько среди потомков со слабовыраженным чешуйчатым покровом?

5. Сколько среди потомков чешуйчатых тетр?

Лист ответов

Задание 1.

Деятельность. Работа с текстом. Выписать положительные физиологические преимущества тетр при отсутствии зрения.

Критерии оценивания  - 1 балл.

Задание 2.

Деятельность. Поисковая учебная деятельность. Решение проблемы самостоятельным логическим разрешением.

Ответ. В темной среде пещеры глаза не являются ни выгодными, ни невыгодными, и, следовательно, любые генетические факторы, которые могут повлиять на глаза (или их развитие), могут иметь место без каких-либо последствий для вида. Поскольку в этой среде нет давления отбора на зрение, любое количество генетических аномалий, которые приводят к повреждению или потере зрения, могут распространяться среди популяции, не влияя на приспособленность популяции.

Или 

Поддержание здоровья глаз требует усилий и энергии от тела. Таким образом, из-за того, что они в основном бесполезны из-за постоянной темноты, в результате естественного отбора у них больше нет глаз, но им нужна энергия. Органы чувств взаимозаменяемы, в отсутствии зрения, усиливаются другие органы чувств. При этом максимально редуцированное зрение, способствует максимально развитому, например, вкусу, обонянию.

Критерии оценивания

Дан утвердительный ответ и приведено два и более обоснований– 2 балла.

Дан утвердительный ответ, приведено одно обоснование – 1 балл.

Ответа нет, ответ неверный – 0 баллов

Задание 3.

Деятельность. Используя текст, привести логическое обоснование вопроса. 

Ответ. Астианаксы прощупывают окружающее пространство, специально создавая волны в воде. Всасывая воду ртом и выпуская её через жабры, рыба формирует нечто вроде сонарного сигнала, который, отразившись от предмета в воде, сообщает рецепторам боковой линии информацию о том, что находится вокруг. Вообще говоря, все рыбы чувствуют движения волн с помощью боковой линии, и все рыбы могут пропускать воду через рот и жабры. Получаемый астианаксами сигнал оказывается в 60 раз сильнее, чем если бы они ловили отражения обычных волн, порождённых движениями тел.

Критерии оценивания  - 1 балл.

Задание 4.

Деятельность. Работа с текстом. Найти решение в тексте.

Ответ . Отцовсуий тип доминирования или доминирование по отцовской линии.

Критерии оценивания  - 1 балл

Задание 5.

Деятельность. Решение генетической задачи, определение типов гамет, составление скрещивания

Решение.

Дано: ♀ – чешуйчатый тип покрова может иметь два генотипа: РРnn или Ррnn. Но только при условии гомозиготности родительских форм у потомства не будет наблюдаться расщепления.

Гомозиготной по чешуйчатому типу покрова будет самка с генотипом РРnn; ♂ – разбросанный тип покрова может иметь только один генотип – ррnn;  F – 800 шт.

Схема скрещивания:

P1 ♀ РРnn × ♂ ррnn;

G – Рn × рn.

Гомозиготные формы дают по одному типу гамет – 1 × 1 = 1: F1 – Ррnn. У потомства получаем один генотип (Ррnn) и один фенотип – мальков с чешуйчатым типом покрова

1. Материнская форма продуцирует один тип гамет (Рn).

2. Отцовская форма продуцирует один тип гамет (рn).

3. При такой схеме скрещивания мальки имеют один генотип (Ррnn).

4. У потомков в F1 нет тетр со слабовыраженным чешуйчатым покровом.

5. У потомков в F1 все тетры чешуйчатые – это 800 шт., или 100 %

Критерии оценивания:

Определены возможные генотипы родителей (за каждый генотип – 1 балл) - 2 балла

Составлена схему скрещивания – 1 балл

Даны ответы на поставленные вопросы (за каждый вопрос 1 балл) – 5 баллов