Клетки, Развитие, Биоразнообразие и Охрана природы

Вы начинали как одна оплодотворённая яйцеклетка. В этом разделе объясняется, как эта клетка делилась, как копии перемешивались и уменьшались для образования гамет, как идентичные гены превращались в различные ткани, а также как разнообразие подсчитывается, классифицируется и — всё чаще — защищается. Это раздел микроскопов, вычислений и точных определений.

WBI12 Клетки, Развитие, Биоразнообразие и Охрана — вторая единица IAS: 1 час 30 минут, 80 баллов, всё обязательно. Она охватывает Темы 3 (Строение клеток, размножение и развитие) и 4 (Строение и функции растений, биоразнообразие и охрана). Ожидаются вопросы по подписи диаграмм, микроскопии и расчётам увеличения, индексу разнообразия и Hardy–Weinberg, а также развёрнутые ответы по оценке охраны природы.

Эукариотическая клетка представляет собой набор специализированных компартментентов:

Клетки объединяются в ткани (подобные клетки), органы (сотрудничающие ткани) и системы органов. Прокариотическая клетка лишена мембранных органоидов: имеет клеточную стенку, слизистую капсулу, одну кольцевую молекулу ДНК плюс плазмиды, рибосомы 70S и иногда жгутик.

Увеличение — во сколько раз изображение больше объекта; разрешающая способность — минимальное расстояние, при котором два объекта видны отдельно. Световые микроскопы разрешают около 200 нм; электронные пучки, имеющие гораздо более короткую длину волны, достигают разрешения в несколько нанометров — но требуют тонких окрашенных срезов (ТЕМ) или покрытых золотом поверхностей (СЭМ). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, сохраняя согласованность единиц измерения.

Worked check. A mitochondrion measures 14 mm on a photograph labelled ×20 000. Actual length $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$m. A nucleus that must be seen with its double membrane needs an electron microscope: the two membranes lie closer than a light microscope's resolution.

Мейоз — это два последовательных деления после одной репликации ДНК, в результате которых из одной диплоидной клетки образуются четыре генетически различные гаплоидные клетки. Два процесса создают изменчивость:

• Независимое наследование — каждая гомологичная пара выстраивается и разделяется случайно в мейозе I; каждый гамета получает по одной из каждой пары, случайно от любого родителя ($2^n$ комбинаций).
• Кроссинговер — в профазе I несестринские хроматиды гомологичной пары обмениваются участками, перемешивая аллели внутри пар хромосом.

Worked check. Independent assortment alone: a human ($n = 23$) makes $2^{23} \approx 8.4$ million genetically different gametes before any crossing over. And the machinery shows in one cross: $Aa \times Aa$ makes $A$ and $a$ gametes in equal proportion, so the Punnett square reads AA, Aa, Aa, aa — a 3:1 phenotype ratio and 1:2:1 genotypes, each outcome resting on every gamete's alleles being independent of every other's, which is exactly what meiosis I delivers.

Гаметы млекопитающих специализированы для доставки и питания: сперматозоид несёт акросому (пищеварительные ферменты), среднюю часть с митохондриями и жгутик; яйцеклетка вносит почти весь цитоплазму и зональную оболочку, которая блокирует проникновение лишних сперматозоидов после кортикальной реакции. У цветковых растений пыльцевая трубка доставляет два мужских ядра: одно оплодотворяет яйцеклетку, другое — полярные ядра — двойное оплодотворение.

Mitosis gives daughter nuclei the same chromosome number as the parent nucleus. After cytokinesis, a diploid parent normally produces two diploid daughter cells for growth, repair or asexual reproduction. Interphase ($G_1$, S — DNA replication, $G_2$) fills most of the cycle; mitosis itself is prophase (chromosomes condense, spindle forms), metaphase (chromosomes line at the equator), anaphase (spindle fibres pull chromatids to poles), telophase (nuclear membranes reform), then cytokinesis.

The mitotic index $=$ cells in mitosis $\div$ total cells counted. A high value means a large fraction of the counted cells are dividing. Healthy growing tissues can also have high values, so this alone does not diagnose cancer.

Разобранная проверка. Препарат верхушки корня показывает 36 из 450 клеток в митозе: индекс $= 36/450 = 0.08 = 8\%$. Если цикл длится 20 часов, митоз занимает $0.08 \times 20 = 1.6$ часов.

Тотипотентная стволовая клетка может образовать весь организм (первые деления зиготы); плюрипотентная клетка (внутренний бластоциста) может образовать любую ткань, но не весь организм. Дифференциация происходит благодаря дифференциальной экспрессии генов: большинство специализированных соматических клеток сохраняют одинаковый геном, но каждый тип экспрессирует другую подмножество генов. Один ген может давать несколько белков благодаря посттранскрипционной модификации — выбору сплайсинга пре-мРНК. Конечный фенотип также отражает влияние среды (рост требует как генов, так и питания) и, для многих признаков, действие нескольких генов одновременно (полигенное наследование, дающее непрерывную изменчивость).

Клетки растений имеют целлюлозовую клеточную стенку, соединённую с соседними через плазмодесмы. Целлюлозные цепи упаковываются в микрофибриллы, чья перекрёстная укладка придаёт прочность на разрыв; вторичное утолщение с лигнином укрепляет и водоотталкивает.

Вода и ионы важны не только для питья: нитрат строит аминокислоты, кальций связывает пектин в стенках и сигнализирует внутри клеток, магний находится в центре хлорофилла — его нехватка вызывает пожелтение листьев.

Классификация группирует жизнь по общим характеристикам; система трёх доменов (Бактерии, Археи, Эукариоты) основана на молекулярных доказательствах — последовательностях рибосомальной РНК — которые показали, что археи ближе к нам, чем к бактериям. Внутри биоценоза разнообразие имеет две меры:

• Видовое богатство — сколько видов.
• Индекс разнообразия — $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, где $N$ — все особи и $n$ — количество каждого вида. Чем выше $D$, тем более разнообразно.

Разобранная проверка. Биоценоз A: 3 видов с численностями 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. Биоценоз B: 3 видов, численности 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. Одинаковое видовое богатство, совершенно разный баланс — $D$ видит то, чего не видит видовое богатство.

В пределах одного вида индекс гетерозиготности $H =$ (количество гетерозигот) $\div$ (количество особей) отражает генетическое разнообразие. Вид, не встречающийся нигде больше, является эндемиком, и его островное место обитания делает его одновременно уникальным и уязвимым.

Экологическая ниша — это образ жизни вида: его роль, потребности и допустимые пределы переносимости факторов среды. Адаптации делятся на три уровня — анатомические (густой мех), физиологические (варианты ферментов) и поведенческие (время миграции).

Уравнение Харди–Вайнберга отслеживает частоты аллелей в крупной случайно скрещивающейся популяции без отбора, миграции или мутаций:

$q^2$ = частота гомозиготного рецессивного генотипа. Если 4 % популяции демонстрирует рецессивный фенотип, то $q^2 = 0.04$, следовательно $q = 0.2$, $p = 0.8$, носители $2pq = 0.32$.

Разбор примера. Из 500 лис 45 являются гомозиготными рецессивными: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. Ожидаемое количество носителей $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

Вопросы по охране природы требуют баланса. Зоопарки и банки семян спасают виды от вымирания и организовывают разведение в неволе, но занимают много места, лишают естественного поведения и охватывают малое число особей; защита мест обитания и коридоры сохраняют экосистемы в масштабе, но требуют земли, финансов и политической воли. Оценивайте конкретные аргументы, а не эмоции.

For the microbiology here (and Unit 4's): grow bacteria on nutrient agar or in broth, using aseptic technique — use approved teaching cultures, sterilised equipment and the school’s supervised handling, incubation and disposal procedures. Secure lids as specified by that procedure. Lower incubation temperatures reduce some risks; they do not guarantee that pathogens cannot grow. Count colonies on spread or pour plates (each colony from one cell or a clump: colony-forming units), or count cells with a haemocytometer, or follow turbidity in broth.

Разбор примера. В экспоненциальной фазе константа скорости роста $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. От $1 \times 10^4$ до $4 \times 10^7$ клеток за 4 часов: разница $\log$, равна $= 3.602$, значит $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ делений в час — примерно время поколения 20 минут.

Типичные ошибки.

• Использование значения 4% особей с рецессивным фенотипом как $q$. Значение 4% соответствует $q^2$ (гомозиготному рецессивному генотипу); извлечение квадратного корня даёт $q = 0.2$.
• Забытый 2 в $2pq$. Гетерозиготы могут возникать двумя способами ($Aa$ и $aA$), поэтому носители составляют $2pq$, а не $pq$.
• Утверждение о том, что количество комбинаций хромосом при независимом расхождении равно $2n$. Оно равно $2^n$, где $n$ — число пар гомологичных хромосом: $2^{23}$ у человека.
• Утверждение о том, что кроссинговер происходит между сестринскими хроматидами. Он происходит между несестринскими хроматидами гомологичной пары; сестринские хроматиды идентичны, поэтому обмен ничего не изменил бы.
• Использование только высокого митотического индекса для диагностики рака. Растущие ткани, например кончики корней, также имеют высокие значения; необходимо сравнивать со нормальным показателем для данной ткани.

1. Вычислите реальную ширину ядра, которая на изображении составляет 24 мм при увеличении ×4 000. Дайте ответ в мкм.
2. Назовите два процесса в мейозе, которые создают генетическое разнообразие, и укажите, когда каждый из них происходит.
3. Клетка содержит 2 ед. ДНК в G1. Нарисуйте схему изменения содержания ДНК через S-фазу, мейоз I и мейоз II.
4. Объясните, почему все клетки бластоцисты могут стать любой тканью, но зрелая мышечная клетка нет.
5. Объясните два способа адаптации ксилемы к ее функции: один структурный и один химический.
6. Два местообитания содержат одинаковое число 5 видов растений. Объясните, почему индекс разнообразия может отличаться между ними.
7. В популяции из 1 000 человек 16 имеют рецессивное заболевание. Рассчитайте q, p и ожидаемое количество носителей.
8. Вид улиток эндемичен для одного острова. Объясните, почему эндемичные виды подвержены более высокому риску вымирания.
9. Назовите три условия, которым должна отвечать популяция для выполнения уравнения Харди–Вайнберга.
10. Назовите одно преимущество и один недостаток банков семян по сравнению с охраной местообитаний.

Ответы: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$ м; 2 кроссинговер в профазе I, независимое расхождение в метафазе/анафазе I (и II); 3 возрастает до 4 в S-периоде, уменьшается вдвое до 2 после мейоза I, уменьшается вдвое до 1 после мейоза II, восстанавливается до 2 при оплодотворении; 4 клетки бластоцисты плюрипотентны — все гены остаются активными; мышечная клетка на обычных условиях навсегда выключает другие пути; 5 полые, одревесневшие мёртвые клетки образуют непрерывные водные столбы без цитоплазмы для сопротивления потоку; лигнин водоотталкивает и укрепляет стенки против коллапса; 6 D оценивает равномерность обилия, а не только количество видов; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, носители $2pq \approx 0.22$, около 220 человек; 8 одно местное событие (шторм, болезнь, инвазивный хищник, потеря среды обитания) устраняет весь вид одновременно; 9 большая популяция, случайное скрещивание, отсутствие отбора/мутаций/миграции; 10 семенные банки хранят генетическое разнообразие дёшево и безопасно от потери среды обитания (преимущество), но виды существуют вне своей экологии — нет взаимодействий, нет эволюции на месте, и реколонизация uncertain (ограничение).