В генетике, как и в любой науке, методы исследования являются ключевым инструментом. Для заданий ЕГЭ важно не просто знать названия методов, но и четко понимать, какую задачу каждый из них решает и с каким объектом (признак, хромосома, ген) он работает. Понимание этой логики "Метод -> Задача -> Объект" является ключом к решению многих заданий.
Методы генетики можно условно разделить по уровням организации, которые они изучают:
- Организменный: Анализ наследования признаков у целых организмов (гибридологический, генеалогический). На этом уровне генотип является "черным ящиком", и исследователи судят о нем по фенотипу.
- Клеточный: Изучение материальных носителей наследственности на уровне клетки, в первую очередь — хромосом (цитогенетический).
- Молекулярный: Работа непосредственно с "текстом" ДНК и ее продуктами — белками и ферментами (биохимический, ПЦР, секвенирование).
1. Классические методы (Анализ признаков и их наследования)
Эти методы были разработаны первыми. Они не "смотрят" на ДНК или хромосомы, а анализируют внешние проявления генов — признаки (фенотип) и то, как они передаются потомкам.
Гибридологический метод
Суть: Скрещивание (гибридизация) организмов, отличающихся по определенным, четко выраженным признакам, и последующий математический (статистический) анализ характера наследования этих признаков в ряду поколений.
Кто ввел: Грегор Мендель. Это основа всей классической генетики. Успех его работы был во многом обусловлен удачным выбором объекта — гороха (Pisum sativum). Горох в норме самоопылитель (что позволяет получать чистые линии), легко перекрестно опыляется, имеет короткий цикл развития и множество четких, альтернативных признаков (желтый/зеленый, гладкий/морщинистый).
Ключевые условия:
- Тщательный подбор родительских пар (чистые линии). Это критически важно, так как чистые линии гомозиготны (AA или aa), что делает результаты первого поколения (F1) единообразными и предсказуемыми (проявление Закона единообразия).
- Индивидуальный анализ потомства от каждой пары (в F1, F2 и т.д.).
- Статистическая обработка данных (подсчет соотношений, что позволило Менделю увидеть Закон расщепления 3:1 в F2).
Что позволяет:
- Установить закономерности наследования признаков (доминантность, рецессивность, расщепление).
- Выяснить, сцеплены гены (лежат в одной хромосоме и наследуются преимущественно вместе, как в опытах Моргана) или наследуются независимо (локализуются в разных хромосомах, как в третьем законе Менделя).
- Определить генотип особи с доминантным признаком. Для этого проводят анализирующее скрещивание — скрещивание исследуемой особи (A_) с рецессивной гомозиготой (aa). Рецессивная особь дает только один тип гамет (a), "проявляя" скрытые аллели у исследуемого. Если в потомстве есть расщепление (1:1), то родитель был гетерозиготен (Aa). Если все потомство единообразно (Aa), то родитель был гомозиготен (AA).
Когда применять в ЕГЭ: Любая задача на законы Менделя, дигибридное скрещивание, анализирующее скрещивание, сцепленное наследование (закон Моргана).
Генеалогический метод (Метод анализа родословных)
Суть: Изучение наследования признака (чаще всего — заболевания или выдающейся способности) в ряду поколений семьи с графическим составлением родословной.
Объект: Человек (так как на людях запрещены гибридологические эксперименты).
Что позволяет:
1. Установить тип наследования признака. Для этого анализируют, как признак "ведет себя" в поколениях:
- Аутосомно-доминантный: Проявляется в каждом поколении, больные родители могут иметь здоровых детей.
- Аутосомно-рецессивный: Проявляется не в каждом поколении ("пропускает" поколения), у здоровых родителей (носителей) могут рождаться больные дети.
- Сцепленный с Х-хромосомой рецессивный: Встречается чаще у мужчин, сыновья никогда не наследуют его от больного отца, но могут получить от матери-носительницы.
- Сцепленный с Y-хромосомой (голандрический): Встречается только у мужчин, больной отец передает признак ВСЕМ своим сыновьям.
2. Определить генотипы членов семьи.
3. Рассчитать вероятность проявления признака у будущих потомков (важно для медико-генетического консультирования).
Когда применять в ЕГЭ: Задания с изображением родословной.
Близнецовый метод
Суть: Сравнение проявления признаков (конкордантности) у близнецов для оценки относительного вклада наследственности (генотипа) и среды в формирование признака. Метод предложен Фрэнсисом Гальтоном.
Объект: Два типа близнецов:
- Монозиготные (однояйцевые): Генотип 100% идентичен (развились из одной зиготы). Различия между ними — результат влияния среды.
- Дизиготные (двуяйцевые): Генотип совпадает на ~50% (развились из двух разных зигот), как у обычных братьев и сестер.
Что позволяет: Оценить пенетрантность гена (частоту его проявления) и степень влияния факторов среды (воспитание, питание, климат). Для этого сравнивают конкордантность — процент пар близнецов, у которых признак проявился у обоих.
- Пример 1: Группа крови. Конкордантность у монозиготных близнецов 100%. Вывод: признак определяется только генотипом.
- Пример 2: Шизофрения. Конкордантность у монозиготных ~50%, у дизиготных ~15%. Вывод: у болезни есть мощный генетический компонент, но среда также играет решающую роль (иначе у МЗ было бы 100%).
Когда применять в ЕГЭ: Вопросы о роли среды и генотипа в формировании фенотипа, вопросы о конкордантности.
2. Цитогенетические методы (Анализ хромосом)
Эти методы фокусируются на "упаковке" ДНК — хромосомах. Их можно увидеть в световой микроскоп. Развитие этих методов стало возможным в 1950-х годах после изобретения методов окрашивания хромосом и (что важно) использования колхицина.
Цитогенетический метод (Кариотипирование)
Суть: Изучение числа (геномные мутации), формы и размеров (хромосомные мутации) хромосом — кариотипа — в клетках организма.
Процесс:
- Клетки (обычно лимфоциты крови) стимулируют к делению в питательной среде.
- Добавляют колхицин — вещество, которое разрушает нити веретена деления (является "митотическим ядом").
- Это останавливает деление клетки на стадии метафазы, когда хромосомы максимально спирализованы (конденсированы) и хорошо видны.
- Клетки обрабатывают гипотоническим раствором (чтобы они "разбухли", и хромосомы отделились друг от друга), фотографируют под микроскопом.
- Хромосомы на фото вырезают и систематизируют (раскладывают по парам гомологичных хромосом от самой большой к самой маленькой) — получают идиограмму.
Что позволяет: Диагностировать хромосомные и геномные мутации:
- Геномные (изменение числа): Синдром Дауна (трисомия по 21-й паре), Синдром Патау (трисомия по 13-й), Синдром Шерешевского-Тернера (X0), Синдром Клайнфельтера (XXY).
- Хромосомные (изменение структуры): Синдром "кошачьего крика" (делеция, т.е. утрата, участка 5-й хромосомы), инверсии, транслокации.
Современная версия: Метод FISH (Флуоресцентная in situ гибридизация). Использует специальные флуоресцентные "метки" (ДНК-зонды), которые прилипают только к определенным участкам хромосом. Позволяет увидеть "поломку" (например, транслокацию) гораздо точнее.
Когда применять в ЕГЭ: Диагностика синдрома Дауна и других хромосомных аномалий, любые вопросы, связанные с кариотипом, пренатальная (внутриутробная) диагностика.
Популяционно-статистический метод
Суть: Изучение частоты встречаемости генов (аллелей), генотипов и фенотипов в популяциях (больших группах особей).
Основа: Закон Харди-Вайнберга, который описывает равновесное состояние в "идеальной популяции".
Условия идеальной популяции (когда закон работает):
- Большая численность (нет дрейфа генов).
- Отсутствие отбора (все генотипы одинаково жизнеспособны).
- Отсутствие мутаций.
- Отсутствие миграций (нет притока/оттока генов).
- Случайное скрещивание (панмиксия).
Формула: p^2 + 2pq + q^2 = 1, где:
- p — частота доминантного аллеля (A)
- q — частота рецессивного аллеля (a)
- p^2 — частота доминантных гомозигот (AA)
- 2pq — частота гетерозигот (Aa)
- q^2 — частота рецессивных гомозигот (aa)
Что позволяет: Рассчитать генетическую структуру популяции, в частности, частоту встречаемости гетерозиготных носителей рецессивных аллелей. Зная частоту q^2 (например, долю больных фенилкетонурией), можно легко рассчитать q (корень из q^2) и p (1 - q), а затем и 2pq.
В эволюции: Если реальные частоты в популяции отличаются от расчетных по Харди-Вайнбергу, это значит, что популяция неидеальна и в ней происходит эволюция (например, действует отбор).
Когда применять в ЕГЭ: Задачи на закон Харди-Вайнберга (встречаются в сложных вариантах и олимпиадах, реже — в стандартном ЕГЭ).
3. Молекулярно-генетические и Биотехнологические методы
Эти современные методы работают непосредственно с "текстом" наследственности — молекулами ДНК и белками. Их появление произвело революцию в диагностике и медицине.
Биохимический метод
Суть: Анализ биологических жидкостей (крови, мочи) или тканей для выявления нарушений обмена веществ, вызванных "поломкой" гена, кодирующего определенный фермент.
Логика: Основан на концепции "Один ген — один фермент" (впервые предложена Арчибальдом Гарродом для алкаптонурии). Если ген "сломан" (мутировал) → фермент не работает или работает плохо → вещество (субстрат) накапливается до токсичных уровней, а продукт не образуется.
Пример:
- Фенилкетонурия: Ген, кодирующий фермент для превращения фенилаланина в тирозин, неисправен. Фенилаланин накапливается в крови, отравляя нервную систему. Метод: анализ крови младенца на избыток фенилаланина (входит в обязательный неонатальный скрининг - "пяточный тест").
- Серповидно-клеточная анемия: Генный сбой в белке гемоглобина. Метод: гель-электрофорез — разделение белков в электрическом поле. Мутация в гене гемоглобина (HbS) меняет заряд белка, и он движется с другой скоростью, чем нормальный (HbA).
Что позволяет: Диагностировать генные мутации, связанные с нарушением метаболизма (болезни обмена веществ).
Когда применять в ЕГЭ: Фенилкетонурия, сахарный диабет, альбинизм (отсутствие фермента тирозиназы), серповидно-клеточная анемия.
Методы генной и клеточной инженерии (Биотехнология)
Это не столько методы анализа, сколько методы конструирования и синтеза.
1. Генная инженерия (Технология рекомбинантной ДНК):
Суть: Целенаправленное создание новой комбинации генов (рекомбинантной ДНК), которую в природе не встретить.
Инструменты:
- Рестриктазы: "Молекулярные ножницы", ферменты, которые разрезают ДНК в строго определенных местах (сайтах рестрикции).
- Лигазы: "Молекулярный клей", ферменты, которые "сшивают" фрагменты ДНК.
- Векторы: "Транспорт" для гена (чаще всего плазмида — кольцевая ДНК бактерии). Плазмиды удобны тем, что они малы, легко размножаются и часто несут гены-маркеры (например, устойчивости к антибиотику), что позволяет легко отбирать бактерии, которые "приняли" плазмиду.
Результат: Создание ГМО (генетически модифицированных организмов) или рекомбинантных белков.
Пример: Производство человеческого инсулина. Ген инсулина человека вырезают, встраивают в плазмиду, плазмиду возвращают в бактерию (кишечную палочку). Бактерия размножается и "штампует" инсулин, который затем очищают.
Другие примеры: Создание трансгенных растений (Bt-кукуруза, устойчивая к вредителям; "Золотой рис", производящий бета-каротин).
Когда применять в ЕГЭ: Вопросы о ГМО, создании инсулина, вакцинах, лечении наследственных заболеваний.
2. Клеточная инженерия:
Суть: Работа с отдельными клетками, их культивирование на питательных средах (in vitro) или "конструирование" из них.
Примеры:
- Клонирование (овечка Долли): Пересадка ядра соматической (обычной) клетки в яйцеклетку, из которой удалили собственное ядро (метод трансплантации ядер).
- Гибридизация соматических клеток: Слияние клеток разных видов (например, человека и мыши) для картирования генов.
- Культура тканей (микроклональное размножение): Выращивание целого растения из одной клетки (например, меристемы), используется для быстрого размножения ценных сортов и получения безвирусного материала.
Когда применять в ЕГЭ: Вопросы о клонировании, гибридизации соматических клеток, выращивании тканей.
Секвенирование
Суть: Установление точной последовательности нуклеотидов (А, Т, Г, Ц) в участке ДНК или во всем геноме.
Что позволяет: "Прочитать" ген и найти точное место мутации (например, замену Г на А). Это самый точный метод диагностики наследственных заболеваний.
Методы: Классический метод — по Сэнгеру (использует "обрывающие" цепь дидезоксинуклеотиды). Современные методы (NGS - Next-Generation Sequencing) позволяют "читать" миллионы фрагментов ДНК параллельно, что удешевило и ускорило процесс.
Применение:
- Медицинская диагностика (поиск мутаций).
- Филогенетика: Сравнение геномов разных видов позволяет строить точные эволюционные деревья и устанавливать степень родства (например, человек и шимпанзе).
Когда применять в ЕГЭ: Вопросы о "расшифровке" генома, поиске конкретных мутаций, установлении эволюционного родства (сравнивая геномы).
Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Суть: Многократное избирательное копирование (амплификация) небольшого, нужного нам, участка ДНК в лабораторных условиях (в приборе-амплификаторе).
Специфичность: Главное достоинство ПЦР — высокая специфичность. Она достигается за счет праймеров — коротких, искусственно синтезированных ДНК-затравок, которые комплементарно "находят" и связываются только с началом и концом нужного участка (например, гена вируса), игнорируя всю остальную ДНК в пробирке.
Процесс: Основан на циклическом изменении температуры:
- Денатурация (95°C): Двойная спираль ДНК "расплавляется" и расходится на две нити.
- Отжиг (55-65°C): Праймеры связываются с комплементарными им участками на нитях ДНК.
- Элонгация (72°C): Термостабильный фермент Taq-полимераза (от бактерий из горячих источников) достраивает вторую цепь, начиная с праймеров.
За 20-30 таких циклов из одной молекулы ДНК получаются миллиарды копий.
Что позволяет: Получить из ничтожно малого количества ДНК (одной молекулы!) количество, достаточное для анализа.
Анализ результата: Результат ПЦР (т.е. наличие или отсутствие скопированного продукта) обычно смотрят с помощью гель-электрофореза. Если в геле видна полоска ДНК нужного размера — тест положительный.
Когда применять в ЕГЭ: Установление отцовства, криминалистика (ДНК-дактилоскопия, основанная на анализе уникальных микросателлитных повторов), диагностика вирусных (ВИЧ, COVID-19) и бактериальных инфекций, поиск ГМО в продуктах.
Успехов на экзамене! Ставьте лайк, если статья была полезной и подписывайтесь на канал.