Un ejemplo del funcionamiento de la ley de series homológicas de variabilidad hereditaria. Series homólogas en la ley de variabilidad hereditaria.

N.I. Vavilov, al estudiar la variabilidad hereditaria en las plantas cultivadas y sus antepasados, descubrió una serie de patrones que permitieron formular la ley de las series homológicas. variabilidad hereditaria: “Las especies y géneros genéticamente cercanos se caracterizan por series similares de variabilidad hereditaria con tal regularidad que, conociendo la serie de formas dentro de una especie, se puede predecir la presencia de formas paralelas en otras especies y géneros. Cuanto más cerca estén ubicados genéticamente los géneros y especies en el sistema general, más completa será la similitud en la serie de su variabilidad. Familias enteras de plantas se caracterizan generalmente por un cierto ciclo de variación que atraviesa todos los géneros y especies que componen la familia 30”.

Esta ley se puede ilustrar con el ejemplo de la familia Poa, que incluye trigo, centeno, cebada, avena, mijo, etc. Así, el color negro de la cariopsis se encontró en el centeno, el trigo, la cebada, el maíz y otras plantas, y la forma alargada de la cariopsis se encontró en todas las especies estudiadas de la familia. La ley de las series homológicas en la variabilidad hereditaria permitió al propio N. I. Vavilov encontrar varias formas de centeno, hasta ahora desconocidas, basándose en la presencia de estas características en el trigo. Estos incluyen: mazorcas con y sin aristas, granos de color rojo, blanco, negro y violeta, granos harinosos y vítreos, etc.

La ley descubierta por N. I. Vavilov es válida no solo para las plantas, sino también para los animales. Por lo tanto, el albinismo ocurre no sólo en diferentes grupos mamíferos, pero también aves y otros animales. La falta de dedos se observa en humanos, ganado vacuno, ovino, perros, aves, ausencia de plumas en las aves, escamas en los peces, lana en los mamíferos, etc.

La ley de series homólogas de variabilidad hereditaria es de gran importancia para la práctica de mejoramiento. Nos permite predecir la presencia de formas que no se encuentran en una especie determinada, pero sí características de especies estrechamente relacionadas, es decir, la ley indica la dirección de las búsquedas. Además, la forma deseada puede encontrarse en la naturaleza u obtenerse mediante mutagénesis artificial. Por ejemplo, en 1927, el genetista alemán E. Baur, basándose en la ley de las series homológicas, sugirió la posible existencia de una forma de altramuz libre de alcaloides, que podría utilizarse como alimento para animales. Sin embargo, tales formas no se conocían. Se ha sugerido que los mutantes libres de alcaloides son menos resistentes a las plagas que las plantas de altramuz amargo y la mayoría de ellas mueren antes de florecer.

Partiendo de estas suposiciones, R. Zengbusch inició la búsqueda de mutantes libres de alcaloides. Examinó 2,5 millones de plantas de altramuz e identificó entre ellas 5 plantas con bajo contenido de alcaloides, que fueron los antepasados ​​​​del altramuz forrajero.

Estudios posteriores demostraron el efecto de la ley de las series homológicas en el nivel de variabilidad de las características morfológicas, fisiológicas y bioquímicas de una amplia variedad de organismos, desde bacterias hasta humanos.

Mutaciones artificiales

La mutagénesis espontánea ocurre constantemente en la naturaleza. Sin embargo, las mutaciones espontáneas son raras. Por ejemplo, en Drosophila la mutación del ojo blanco se forma con una frecuencia de 1:100.000 gametos; en los humanos, muchos genes mutan con una frecuencia de 1:200.000 gametos.

En 1925, G.A. Nadson y G.S. Filippov descubrieron el efecto mutagénico de los rayos de radio sobre la variabilidad hereditaria en las células de levadura. De particular importancia para el desarrollo de la mutagénesis artificial fueron los trabajos de G. Meller (1927), quien no solo confirmó el efecto mutagénico de los rayos de radio en experimentos con Drosophila, sino que también demostró que la irradiación aumenta cientos de veces la frecuencia de las mutaciones. En 1928, L. Stadler utilizó rayos X para obtener mutaciones. Posteriormente también se demostró el efecto mutagénico de los productos químicos. Estos y otros experimentos demostraron la existencia de una gran cantidad de factores llamados mutagénico, capaz de provocar mutaciones en varios organismos.

Todos los mutágenos utilizados para producir mutaciones se dividen en dos grupos:

físico - radiación, alta y baja temperatura, impacto mecánico, ultrasonido;

químico- diversos compuestos orgánicos e inorgánicos: cafeína, gas mostaza, sales de metales pesados, ácido nitroso, etc.

La mutagénesis inducida es de gran importancia. Permite crear material de partida valioso para el mejoramiento, cientos de variedades altamente productivas de plantas y razas de animales, aumentar de 10 a 20 veces la productividad de varios productores de sustancias biológicamente activas y también revela formas de crear medios de protección. humanos de la acción de factores mutagénicos.

Estudio de la variabilidad hereditaria en diferentes grupos sistemáticos las plantas permitieron a N.I. Vavilov formular ley de series homológicas.

Esta ley establece:

"1. Las especies y géneros genéticamente cercanos se caracterizan por series similares de variabilidad hereditaria con tal regularidad que, conociendo la serie de formas dentro de una especie, se puede predecir la presencia de formas paralelas en otras especies y géneros. Cuanto más cerca estén ubicados genéticamente los géneros y las especies (especies) en el sistema general, más completa será la similitud en la serie de su variabilidad.

2. Familias enteras de plantas se caracterizan generalmente por un cierto ciclo de variabilidad que atraviesa todos los géneros y especies que componen la familia.”

N. I. Vavilov expresó su ley con la fórmula:

GRAMO 1 (a + b + c +… +),

GRAMO 2 (a + b + c +… +),

G 3 (a + b + c +… +),

donde G 1, G 2, G 3 denotan especies y a, b, c... son varias características variables, por ejemplo el color, la forma de los tallos, las hojas, las semillas, etc.

Una ilustración de la ley puede ser una tabla que muestra la homología de la variabilidad hereditaria de algunos rasgos y propiedades dentro de la familia de cereales. Pero esta lista de signos y propiedades podría ampliarse significativamente.

En la actualidad, podemos decir con razón que se producen mutaciones similares en especies relacionadas que tienen un origen común. Además, incluso entre representantes de diferentes clases y tipos de animales encontramos paralelismo: series homólogas de mutaciones en caracteres y propiedades morfológicos, fisiológicos y especialmente bioquímicos. Así, por ejemplo, se producen mutaciones similares en diferentes clases de animales vertebrados: albinismo y falta de pelo en los mamíferos, albinismo y ausencia de plumas en las aves, ausencia de escamas en los peces, patas con dedos cortos en el ganado vacuno, ovino, perros, pájaros, etc. .

Las series homólogas de variabilidad mutacional de características bioquímicas se encuentran no solo en organismos superiores, sino también en protozoos y microorganismos. Se presentan datos sobre mutantes bioquímicos que pueden interpretarse como una serie homóloga. La tabla muestra datos sobre mutantes bioquímicos que pueden interpretarse como una serie homóloga.

Como vemos, la acumulación de sustancias similares (triptófano o quinurenina), determinada por los genes, se produce en grupos de animales muy distintos: dípteros, himenópteros y mariposas. En este caso, la biosíntesis de pigmentos se consigue de forma similar.

Con base en la ley de las series homológicas, se debe aceptar que si se encuentran varias mutaciones espontáneas o inducidas en una especie de animal o planta, entonces se puede esperar una serie similar de mutaciones en otras especies de este género. Lo mismo se aplica a las categorías sistemáticas superiores. La razón de esto es el origen común de los genotipos.

La explicación más probable del origen de series homólogas de variabilidad hereditaria se reduce a lo siguiente. Las especies relacionadas dentro de un género, géneros dentro de un orden o familia podrían surgir mediante la selección de varias mutaciones beneficiosas de genes comunes individuales, la selección de formas con varios reordenamientos cromosómicos beneficiosos. En este caso, especies relacionadas que divergieron en la evolución debido a la selección de diferentes reordenamientos cromosómicos podrían portar genes homólogos, tanto originales como mutantes. Las especies también podrían surgir mediante la selección de poliploides espontáneos que contengan conjuntos homogéneos de cromosomas. La divergencia de especies basada en estos tres tipos de variabilidad hereditaria asegura la comunidad de material genético en grupos sistemáticos relacionados. Pero en realidad la situación es, por supuesto, más complicada de lo que ahora imaginamos.

Quizás los estudios bioquímicos de los cromosomas, el estudio de su estructura y el papel del ADN como portador material. información hereditaria levantará el velo sobre este fenómeno aún desconocido de homología y analogía de las vías de desarrollo de las formas orgánicas.

Si los ácidos nucleicos en complejo con proteínas son el sustrato principal que proporcionó la programación de la evolución de los sistemas vivos desde las primeras etapas, entonces la ley de las series homológicas adquiere un significado universal como ley del surgimiento de series similares de mecanismos y procesos biológicos que ocurren. en la naturaleza orgánica. Esto se aplica tanto a la morfología de los tejidos, sus propiedades funcionales, procesos bioquímicos, mecanismos de adaptación etc., y a los mecanismos genéticos de todos los organismos vivos. Se observa una analogía para todos los fenómenos genéticos importantes:

• división celular,
• mecanismo de mitosis,
• mecanismo de reproducción cromosómica,
• mecanismo de meiosis,
• fertilización,
• mecanismo de recombinación
• mutaciones, etc

En el proceso de evolución, la naturaleza viva fue, por así decirlo, programada según una fórmula, independientemente del momento de origen de un tipo particular de organismo. Por supuesto, tales consideraciones hipotéticas requieren una confirmación basada en la síntesis de muchos conocimientos, pero es obvio que la solución a este fascinante problema es obra del siglo actual. Debería obligar a los investigadores a buscar no tanto las diferencias particulares que caracterizan la divergencia de las especies, sino más bien sus características comunes, que se basan en mecanismos genéticos similares.

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Al comparar las características de diferentes variedades de plantas cultivadas y especies silvestres cercanas a ellas, M. I. Vavilov descubrió muchos cambios hereditarios comunes. Esto le permitió formular en 1920 ley de series homológicas en variabilidad hereditaria: las especies y géneros genéticamente cercanos se caracterizan por series similares de variabilidad hereditaria con tal regularidad que, habiendo estudiado varias formas dentro de una especie o género, se puede suponer la presencia de formas con combinaciones similares de caracteres dentro de especies o géneros cercanos.

Ejemplos que ilustran este patrón son: en el trigo, la cebada y la avena hay colores de espiga blancos, rojos y negros; en los cereales se conocen formas con aristas largas y cortas, etc. METRO. I. Vavilov señaló que las series homólogas a menudo se extienden más allá de los límites de los géneros e incluso de las familias. Se ha observado patas cortas en representantes de muchos mamíferos: ganado vacuno, ovejas, perros y humanos. El albinismo se observa en todas las clases de vertebrados.

La ley de las series homológicas permite prever la posibilidad de aparición de mutaciones, aún desconocidas para la ciencia, que pueden utilizarse en el mejoramiento genético para crear nuevas formas valiosas para la economía. En 1920, cuando se formuló la ley de las series homológicas, aún no se conocía la forma de invierno del trigo duro, pero se preveía su existencia. Unos años más tarde, se descubrió una forma similar en Turkmenistán. En los cereales (trigo, cebada, avena, maíz) hay granos desnudos y con película. No se conocía la variedad desnuda del mijo, pero era de esperar que existiera tal forma y se encontró. Las series homólogas se basan en la similitud fenotípica, que surge como resultado de la acción de alelos idénticos del mismo gen y de la acción de diferentes genes que determinan cadenas similares de reacciones bioquímicas secuenciales en el cuerpo.

La ley de las series homológicas proporciona la clave para comprender la evolución de grupos relacionados, facilita la búsqueda de desviaciones hereditarias para la selección y, en sistemática, permite encontrar nuevas formas esperadas. La ley se refiere directamente al estudio de las enfermedades hereditarias humanas. Las cuestiones del tratamiento y la prevención de enfermedades hereditarias no pueden resolverse sin la investigación en animales con anomalías hereditarias similares a las observadas en humanos. Según la ley M. I. Vavilova, también se pueden encontrar en animales fenotipos similares a las enfermedades humanas hereditarias. De hecho, muchas condiciones patológicas identificadas en animales pueden ser modelos de enfermedades humanas hereditarias. Entonces, en los perros existe la hemofilia, que está ligada al género. Se ha registrado albinismo en muchas especies de roedores, gatos, perros y varias aves. Para estudiar la distrofia muscular, se utilizan ratones, ganado vacuno, caballos, epilepsia: conejos, ratas, ratones. La sordera hereditaria existe en cobayas, ratones y perros. En la parte facial del cráneo de ratones, perros y cerdos se observan defectos en la estructura del rostro humano, homólogos al “labio leporino” y al “paladar hendido”, que padecen enfermedades metabólicas hereditarias, como la obesidad y diabetes mellitus Además de las mutaciones ya conocidas, la exposición a factores mutagénicos puede provocar en animales de laboratorio muchas anomalías nuevas similares a las encontradas en humanos.

En 1920 N.I. vavílov describe las ideas principales de la Ley de Series Homólogas en un informe sobre III toda Rusia Congreso de selección en Saratov. Idea principal: las especies de plantas relacionadas tienen espectros de variación similares (a menudo un número fijo de variaciones estrictamente definidas).

“Y Vavilov hizo tal cosa. Recogió todas las características hereditarias conocidas de las plantas mejor estudiadas, como ya dije, de entre los cereales cultivados, las ordenó en un orden determinado en tablas y comparó todas las subespecies, formas y variedades que conocía en ese momento. Se compilaron muchas tablas y, por supuesto, había una gran cantidad de material. Al mismo tiempo, en Saratov, añadió legumbres a los cereales: varios guisantes, arvejas, frijoles, frijoles, etc. - y algunas otras plantas cultivadas. Y en muchos casos hubo paralelismo en muchas especies. Por supuesto, cada familia, género y especie de plantas tenía sus propias características, su propia forma, su propia forma de expresión. Por ejemplo, el color de las semillas variaba de casi blanco a casi negro en casi todas las plantas cultivadas. Esto significa que si los cereales mejor estudiados con una gran cantidad de variedades y formas ya conocidas y estudiadas tienen varios cientos de características diferentes descritas, pero otros parientes menos estudiados o silvestres de especies cultivadas no tienen muchas características, entonces pueden, por así decirlo, , ser predicho. Se encontrarán en el material grande correspondiente.

Vavilov demostró que, en general, la variabilidad hereditaria de todas las plantas varía en gran medida en paralelo. A esto lo llamó serie homóloga de variabilidad vegetal. Y señaló que cuanto más cercanas están las especies entre sí, mayor es la homología de las series de variabilidad de caracteres. Se han identificado varios patrones generales diferentes en estas series homólogas de variabilidad hereditaria en las plantas. Y Vavilov tomó esta circunstancia como una de fundamentos esenciales Mayor selección y búsqueda de rasgos económicamente útiles en plantas introducidas en cultivo. El estudio de series homólogas de variabilidad hereditaria, primero en plantas cultivadas y luego en animales domésticos, es ahora una cuestión de rutina y una de las bases para una mayor selección. necesitado por una persona variedades de determinadas especies de plantas que se estudian. Este fue quizás uno de los primeros logros importantes de Vavilov a escala mundial, que muy rápidamente creó su nombre mundial. El nombre de, si no el primero y mejor, sí uno de los primeros y mejor botánicos aplicados del mundo.

Paralelamente, Vavilov actuó en todo el mundo: en toda Europa, en la mayor parte de Asia, en gran parte de África, en el norte, centro y Sudamerica- un gran número de expediciones con recogida de material enorme, principalmente de plantas cultivadas. Creo que en 1920 Vavilov fue nombrado director de la Oficina de Botánica Aplicada y Nuevos Cultivos. Esta Oficina fue ligeramente modificada y convertida en Instituto de Botánica Aplicada y Nuevos Cultivos, luego Instituto de Botánica Aplicada, Genética y Fitomejoramiento. Y a finales de los años 30 ya se había convertido en el Instituto de Cultivo de Plantas de toda la Unión. Este nombre aún se conserva, aunque su participación mundial, por supuesto, cayó considerablemente después de la muerte de Vavilov. Pero aún así, muchas tradiciones de Vavilov aún se mantienen, y parte de la enorme colección mundial viva de variedades, subespecies y formas de plantas cultivadas de literalmente todos los grupos de plantas cultivadas en el mundo se conserva en Pushkin, el antiguo Detskoye Selo, el antiguo Tsarskoye. Selo. Se trata de un museo viviente, replantado cada año, creado por Vavilov. Lo mismo ocurre en innumerables estaciones experimentales repartidas por toda la Unión Soviética.

Durante sus numerosos viajes, Vavilov nuevamente logró no ahogarse en el enorme material, en este caso la diversidad geográfica de formas de varios tipos de plantas cultivadas. Trazó todo en mapas a gran escala con lápices de colores, al principio jugando, como niños pequeños, mapas geograficos, y luego traducir todo esto en pequeñas tarjetas relativamente simples con íconos negros de varios tipos para diferentes formas plantas cultivadas. Así descubrió en el mundo, en el globo, en la biosfera de nuestro planeta, varios centros de diversidad cultural de plantas. Y mostró, simplemente en mapas, la expansión y distribución en la Tierra no solo de especies individuales, sino también de ciertos grupos de especies, domesticadas, aparentemente, por primera vez en un lugar determinado, bueno, digamos, en el norte o centro de China o en la parte montañosa África del Norte, o, digamos, en la región de Perú, en América del Sur, en las montañas, en los Andes. A partir de ahí, generalmente no solo una especie de alguna planta cultivada, sino un grupo de especies económicamente relacionadas que surgieron como plantas cultivadas y echaron raíces como plantas cultivadas en un lugar determinado, se extendieron por toda la Tierra. Algunos no están lejos, a poca distancia, mientras que otros han conquistado la mitad del mundo, como suele decirse, como el mismo trigo o los guisantes.

Vavilov estableció así centros de diversidad y origen de diversas formas de plantas cultivadas en diferentes lugares. globo. Y creó toda una teoría sobre el origen de las plantas cultivadas en varias épocas de la antigüedad y mundo antiguo. Este fue el segundo gran logro Vavilov, de nuevo de talla mundial. Ahora es imposible desarrollar más la historia de la agricultura mundial y la historia de los centros de origen de las plantas cultivadas sin la base creada por Vavilov. Hay intentos, por así decirlo, de cierta reforma y modificación de las opiniones de Vavilov, pero podemos decir que se trata de particularidades en comparación con la imagen general del mundo creada por Vavilov.

Esto significa que ya he enumerado tres grandes logros: la inmunidad de las plantas, la ley de series homológicas y la teoría de los centros agrícolas y el surgimiento de diversas formas de plantas cultivadas. Quizás lo último que me gustaría mencionar de los logros generales de Vavilov es una gran cantidad de sus obras y esfuerzos, principalmente esfuerzos en el sentido de propaganda en varios congresos, internacionales y de toda la Unión, escribiendo artículos de divulgación científica sobre el problema de la promoción de la agricultura. al norte en primer lugar y en zonas ocupadas por desiertos y tierras baldías, combinado con la conservación de la naturaleza en un sentido completamente moderno e incluso pensado para el futuro próximo: la promoción de la cultura junto con una actitud razonable hacia las comunidades de organismos vivos del biosfera. En estas áreas, Vavilov es absolutamente excepcional, yo diría, un científico excepcionalmente grande a escala global”.

El procesamiento de un extenso material de observación y experimentación, un estudio detallado de la variabilidad de numerosas especies de Linneo (Linneons), una gran cantidad de datos nuevos obtenidos principalmente del estudio de plantas cultivadas y sus parientes silvestres, permitieron a N.I. Vavilov combinará todos los ejemplos conocidos de variabilidad paralela en un solo todo y formulará ley común, que llamó "La ley de las series homólogas en la variación hereditaria" (1920), sobre la que informó en el Tercer Congreso de Criadores de toda Rusia, celebrado en Saratov. En 1921 N.I. Vavilov fue enviado a Estados Unidos para el Congreso Internacional sobre agricultura, donde realizó una presentación sobre la ley de las series homológicas. La ley de variabilidad paralela de géneros y especies cercanas, establecida por N.I. Vavilov y asociado a una comunidad de origen, desarrollando doctrina evolutiva C. Darwin, fue apreciado por la ciencia mundial. Los oyentes lo percibieron como el evento más grande del mundo. ciencia biológica, que abre los más amplios horizontes para la práctica.

La ley de series homólogas, en primer lugar, establece la base para la sistemática de la enorme diversidad de formas vegetales en las que el mundo orgánico es tan rico, permite al criador tener una idea clara del lugar de cada una, incluso la unidad sistemática más pequeña del mundo vegetal y juzgar la posible diversidad de material fuente para la selección.

Las principales disposiciones de la ley de las series homológicas son las siguientes.

"1. Las especies y géneros genéticamente cercanos se caracterizan por series similares de variabilidad hereditaria con tal regularidad que, conociendo la serie de formas dentro de una especie, se puede predecir la presencia de formas paralelas en otras especies y géneros. Cuanto más cerca estén ubicados genéticamente los géneros y los linneones en el sistema general, más completa será la similitud en la serie de su variabilidad.

2. Familias enteras de plantas se caracterizan generalmente por un cierto ciclo de variabilidad que atraviesa todos los géneros y especies que componen las familias.”

Incluso en el III Congreso de Selección de toda Rusia (Saratov, junio de 1920), donde N.I. Vavilov informó por primera vez sobre su descubrimiento, todos los participantes del congreso reconocieron que "al igual que la tabla periódica (sistema periódico)", la ley de las series homológicas permitirá predecir la existencia, propiedades y estructura de formas y especies de plantas aún desconocidas y animales, y apreció mucho el conocimiento científico y significado práctico esta ley. Los avances modernos en biología celular molecular permiten comprender el mecanismo de la existencia de variabilidad homológica en organismos estrechamente relacionados (cuál es exactamente la base de la similitud de formas y especies futuras con las existentes) y sintetizar de manera significativa nuevas formas de plantas que no existen en la naturaleza. Ahora se añade nuevo contenido a la ley de Vavilov, al igual que la apariencia. Teoría cuántica dio nuevo contenido más profundo tabla periódica Mendeleev.