הגדרת גנוטיפ ופנוטיפ

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• משמעות הגנוטיפ והפנוטיפ
• דרווין ואחרים תגליות
• תיאוריות ירושה מתחרות
• אינטואיציה של מנדלס לגבי גנוטיפ
• התקדמות מודרנית

מושגי הגנוטיפ והפנוטיפ קשורים כל כך בצורה מורכבת עד שהם יכולים להיות קשים להבדיל זה מזה. הקשר המורכב בין הגנוטיפים והפנוטיפים של כל האורגניזמים היה תעלומה עבור המדענים עד 150 השנים האחרונות. המחקר הראשון שחשף במדויק את האופן בו שני הגורמים מתקשרים - במילים אחרות, כיצד עובדת התורשה - תרם לכמה מהפריצות דרך המשמעותיות ביותר בתולדות הביולוגיה, וסלל את הדרך לגילויים על אבולוציה, DNA, מחלה תורשתית, רפואה, מינים טקסונומיה, הנדסה גנטית ואינספור ענפי מדע אחרים. בזמן המחקר המוקדם, לא היו עדיין מילים לגנוטיפ או פנוטיפ, אם כי כל ממצא קירב את המדענים לפיתוח אוצר מילים אוניברסאלי לתיאור עקרונות התורשה שהם צפו בעקביות.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

המילה גנוטיפ מתייחסת לקוד הגנטי הכלול כמעט בכל האורגניזמים החיים, כמו כחול. המילה פנוטיפ מתייחסת לתכונות הניתנות לצפייה המתבטאות בקוד הגנטי של האורגניזם, בין אם זה ברמה מיקרוסקופית, מטבולית, או ברורה או התנהגותית.

משמעות הגנוטיפ והפנוטיפ

המילה גנוטיפ, בשימוש הנפוץ ביותר שלה, מתייחסת לקוד הגנטי הכלול כמעט בכל האורגניזמים החיים, שהוא ייחודי לכל פרט, למעט צאצאים או אחים זהים. לפעמים משתמשים בגנוטיפ בצורה שונה: במקום זאת הוא יכול להתייחס לחלק קטן יותר מהקוד הגנטי של האורגניזם. בדרך כלל שימוש זה קשור לחלק הרלוונטי לתכונה מסוימת באורגניזם. לדוגמה, כשמדברים על הכרומוזומים האחראים לקביעת המין בבני אדם, מדעני הגנוטיפים הם התייחסות לזוג הכרומוזומים העשרים ושלושה, במקום הגנום האנושי כולו. בדרך כלל זכרים יורשים את כרומוזומי ה- X וה- Y, ​​והנקבות יורשות שני כרומוזומים X.

המילה פנוטיפ מתייחסת לתכונות הניתנות לצפייה המתבטאות בכחול הגנטי של האורגניזם, בין אם זה ברמה מיקרוסקופית, מטבולית, או ברורה או התנהגותית. זה מתייחס למורפולוגיה של האורגניזם, בין אם ניתן לראותו בעין בלתי מזוינת (וארבע חושים אחרים) ובין אם נדרש ציוד מיוחד לראות. לדוגמה, פנוטיפ יכול להתייחס למשהו קטן כמו הסידור וההרכב של הפוספוליפידים בקרומי התא, או את הפרעון המעוטר ברכבת טווס הודית אינדיבידואלית. את המילים עצמן ביולוג ביולוג דני בשם וילהלם יוהנסן בשנת 1909, יחד עם המילה "גן", אף שהוא וגברים רבים אחרים חגגו על מספר רב של התקדמות תיאורטית בעשורים הקודמים לפני המילים "גנוטיפ" ו- " פנוטיפ "נאמרו אי פעם.

דרווין ואחרים תגליות

תגליות ביולוגיות אלה התרחשו באמצע שנות ה- 1800 ועד תחילת המאה העשרים, ובאותה עת, רוב המדענים עבדו לבד או בקבוצות שיתופיות קטנות, עם ידיעה מוגבלת מאוד על ההתקדמות המדעית המתרחשת במקביל לחבריהם. כאשר נודעו למושגים מושגי הגנוטיפ והפנוטיפ, הם נתנו אמון לתיאוריות האם קיים סוג כלשהו של חומר חלקיקי בתאי האורגניזמים שהועבר לצאצאים (זה אכן התגלה כ- DNA). ההבנה הגוברת והולכת של העולם ביחס לגנוטיפ ופנוטיפ לא ניתן להבחין בתפיסה הגוברת לגבי אופי התורשה והאבולוציה. לפני הזמן הזה, לא הייתה ידיעה מועטה או לא ידעה כיצד מועברים חומר מורשה מדור אחד לעבר, או מדוע העבירו כמה תכונות וחלקן לא.

הגילויים החשובים של המדענים על גנוטיפ ופנוטיפ היו כולם, בדרך זו או אחרת, על הכללים המסוימים עליהם מועברים תכונות מדור של אורגניזם לדור. באופן ספציפי, החוקרים היו סקרנים מדוע חלק מתכונות האורגניזם הועברו לצאצאיו בעוד חלקם לא היו, ואחרים עדיין עברו הלאה אך נראה כי הם נדרשים לגורמים סביבתיים לדחוף את הצאצאים לבטא את התכונה הנתונה שבאה לידי ביטוי בקלות הורה. פריצות דרך דומות רבות התרחשו בתקופות דומות, חופפות בתובנות שלהן והתקדמו באופן מצטבר לעבר שינויים מאסיביים בחשיבה על טבע העולם. התקדמות איטית ומעצרת זו כבר לא מתרחשת מאז כניסת התחבורה והתקשורת המודרנית. חלק גדול מהמצופה הגדול של תגליות עצמאיות הושק על ידי החיבור של דרווין בנושא הברירה הטבעית.

בשנת 1859 פרסם צ'ארלס דארווין את ספרו המהפכני, "על מוצא המינים." ספר זה הציג תיאוריה של בחירה טבעית, או "ירידה עם שינוי", כדי להסביר כיצד בני האדם וכל המינים האחרים באו להתקיים. הוא הציע שכל המינים ייצאו מאב קדמון משותף; כוחות הגירה וסביבה שהשפיעו על תכונות מסוימות בצאצאים הולידו מינים שונים לאורך תקופות זמן. רעיונותיו הולידו את תחום הביולוגיה האבולוציונית והם מקובלים כיום באופן אוניברסלי בתחומים מדעיים ורפואיים (למידע נוסף על דארוויניזם, עיין במקטע המשאבים). עבודתו המדעית דרשה קפיצות אינטואיטיביות גדולות שכן באותה תקופה הטכנולוגיה הייתה מוגבלת, והמדענים עדיין לא היו מודעים למתרחש בתוך תא. הם עדיין לא ידעו על גנטיקה, DNA או כרומוזומים. עבודתו נגזרה כולה ממה שיכול היה לצפות בשטח; במילים אחרות, הפנוטיפים של הפינקים, הצבים והמינים האחרים שהוא בילה איתם כל כך הרבה בסביבתם הטבעית.

תיאוריות ירושה מתחרות

במקביל אליו דרווין שיתף את רעיונותיו בנושא האבולוציה עם העולם, נזיר מעורפל במרכז אירופה בשם גרגור מנדל היה אחד מדענים רבים שעבדו באפלולית ברחבי העולם בכדי לקבוע בדיוק כיצד תורשה עובדת. חלק מהאינטרס שלו ואחרים נבע מבסיס הידע ההולך וגדל של האנושות ושיפור הטכנולוגיה - כמו מיקרוסקופים - וחלקו נבע מרצון לשפר גידול סלקטיבי של בעלי חיים וצמחים. בלט מתוך ההשערות הרבות שהועלו כדי להסביר את התורשה, המנדל היה המדויק ביותר. הוא פרסם את ממצאיו בשנת 1866, זמן קצר לאחר פרסום "על מוצא המינים", אך הוא לא זכה להכרה רחבה ברעיונות הפריצה שלו עד שנת 1900. מנדל נפטר הרבה לפני כן, בשנת 1884, לאחר שבילה את החלק האחרון של חייו התמקד בתפקידיו כמנזר המנזר שלו במקום מחקר מדעי. מנדל נחשב לאבי הגנטיקה.

מנדל השתמש בעיקר במפעלים באפונה כדי לחקור את התורשה, אך ממצאי המנגנונים שבהם מועברים התכונות הוכללו לחלק גדול מהחיים על פני כדור הארץ. כמו דרווין, מנדל עבד רק ביודעין עם הפנוטיפ של צמחי האפונה שלו ולא עם הגנוטיפים שלהם, גם אם לא היו לו התנאים לשום מושג; כלומר, הוא היה מסוגל רק לחקור את התכונות הגלויות והמוחשיות שלהם מכיוון שהיה חסר לו הטכנולוגיה בכדי להתבונן בתאים שלהם וב- DNA, ולא ידע למעשה כי קיים DNA. תוך שימוש רק במודעות שלו למורפולוגיה גסה של צמחי האפונה שלו, ציין מנדל כי ישנן שבע תכונות בכל הצמחים שהתבטאו כאחת משתי צורות אפשריות בלבד. לדוגמה, אחת משבע התכונות הייתה צבע פרחים, וצבע הפרחים של צמחי האפונה תמיד יהיה לבן או סגול. אחת נוספת משבע התכונות הייתה צורת זרעים, שתמיד יהיו עגולות או מקומטות.

החשיבה השלטת בתקופה ההיא הייתה שתורשה כרוכה במיזוג תכונות בין הורים כשהם מועברים לצאצאים. לדוגמא, על פי תיאוריית המיזוג, אם אריה גדול מאוד ולביאה קטנה יתאימו, צאצאיהם עשויים להיות בגודל בינוני. תיאוריה נוספת בנושא התורשה הוצגה על ידי דארווין שהוא כינה "פנגנזה". על פי תורת הפנגנזה, חלקיקים מסוימים בגוף שונו - או לא השתנו - על ידי גורמים סביבתיים במהלך החיים, ואז חלקיקים אלה עברו דרך זרם הדם לתאי הרבייה של הגוף, שם הם יכולים להיות מועברים לצאצאים במהלך ההתרבות המינית. התיאוריה של דארווין, אף שהיא ספציפית יותר בתיאור החלקיקים והעברת הדם, הייתה דומה לתיאוריות של ז'אן-בפטיסט למרק, שהאמין בטעות שתכונות שנרכשו במהלך החיים ירשו על ידי צאצאיו. לדוגמה, האבולוציה הלמרקית הניחה שצוואר הג'ירפות התארך בהדרגה לאורך כל דור מכיוון שג'ירפות מתחו את צווארם ​​כדי להגיע לעלים, וצאצאיהם נולדו עם צווארים ארוכים יותר כתוצאה מכך.

אינטואיציה של מנדלס לגבי גנוטיפ

מנדל ציין ששבע התכונות של צמחי האפונה היו תמיד אחת משתי הצורות, ולעולם לא היה משהו בין לבין. מנדל גידל שני צמחי אפונה עם פרחים לבנים, למשל, על פרחים פרחים סגולים. לצאצאיהם פרחים סגולים. הוא היה מעוניין לגלות שכאשר דור הצאצאים פרחי הסגול פורסים עם עצמו, הדור הבא היה 75 אחוז פרחוני-סגול ו -25 אחוז פרחים לבנים. הפרחים הלבנים שכבו איכשהו בדור הסגול לחלוטין, כדי לצאת שוב. ממצאים אלה הפריכו למעשה את תיאוריית המיזוג, כמו גם את תורת הפנגנזה של דארווין ואת תורת הירושה של למרק, שכן כל אלה מחייבים קיום של תכונות המשתנות בהדרגה לצמחים. אפילו מבלי להבין את טיב הכרומוזומים, מנדל הציג את קיומו של גנוטיפ.

הוא תיאר כי ישנם שני "גורמים" הפועלים לכל תכונה בתוך צמחי האפונה, וכי חלקם היו דומיננטיים, וחלקם רצסיביים. הדומיננטיות הייתה זו שגרמה לפרחים הסגולים להשתלט על הדור הראשון של הצאצאים, ו 75 אחוז מהדור הבא. הוא פיתח את עקרון ההפרדה, בו כל אלל של זוג כרומוזומים מופרד במהלך ההתרבות המינית, ורק אחד מועבר על ידי כל אחד מההורים. שנית, הוא פיתח את העיקרון של מבחר עצמאי, בו האלל המועבר נבחר במקרה. באופן זה, באמצעות תצפית ומניפולציות של פנוטיפ בלבד, פיתח מנדל את ההבנה המקיפה ביותר של הגנוטיפ שעדיין ידוע לאנושות, יותר מארבעה עשורים לפני שתהיה אפילו מילה לאף אחד מהמושגים.

התקדמות מודרנית

בסוף המאה העשרים, מדענים שונים, הבנויים על דרווין, מנדל ואחרים, פיתחו הבנה ואוצר מילים עבור הכרומוזומים ותפקידם בירושה של תכונות. זה היה הצעד העיקרי האחרון בהבנתו המוחשית של הקהילה המדעית לגבי גנוטיפ ופנוטיפ, ובשנת 1909 השתמש הביולוג וילהלם ג'והנסן במונחים אלה כדי לתאר את ההוראות המקודדות בכרומוזומים, ואת התכונות הגופניות וההתנהגותיות שבאו לידי ביטוי כלפי חוץ. במאה וחצי שלאחר מכן, הגדלה והרזולוציה של המיקרוסקופ השתפרו באופן דרסטי. בנוסף, שופר מדע התורשה והגנטיקה בעזרת סוגים חדשים של טכנולוגיה לבחינה בחללים זעירים מבלי להפריע להם, כמו קריסטלוגרפיה של רנטגן.

תיאוריות אודות מוטציות המעצבות את התפתחות המינים הוצבו כמו גם על כוחות שונים שהשפיעו על כיוון הבחירה הטבעית, כמו העדפה מינית או תנאים סביבתיים קיצוניים. בשנת 1953 הציגו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, שנבנו על עבודתו של רוזלינד פרנקלין, מודל למבנה סלילי כפול של DNA שזכה בשני הגברים בפרס נובל ופתח שדה שלם של מחקר מדעי. כמו מדענים לפני יותר ממאה שנה, מדענים מודרניים לעתים קרובות מתחילים בפנוטיפ ומבצעים מסקנות לגבי גנוטיפ לפני שהם נחקרים לעומק. אולם בניגוד למדענים משנות ה- 1800, מדענים מודרניים יכולים כעת לחזות בנוגע לגנוטיפים של אנשים המבוססים על פנוטיפים ואז להשתמש בטכנולוגיה כדי לנתח את הגנוטיפים.

חלק ממחקר זה הוא מטבעו הרפואי, המתמקד בבני אדם הסובלים ממחלה תורשתית. ישנן מחלות רבות הפועלות במשפחות, ומחקרי מחקר ישתמשו לרוב בדגימות רוק או דם כדי למצוא את חלק הגנוטיפ הרלוונטי למחלה על מנת למצוא את הגן הלקוי. לפעמים התקווה היא התערבות או ריפוי מוקדמים, ולפעמים הידיעה מוקדם יותר תמנע מאנשים הנגועים להעביר את הגנים לצאצאים. לדוגמה, מחקר מסוג זה היה אחראי לגילוי הגן BRCA1. לנקבות עם מוטציות של גן זה יש סיכון גבוה מאוד לפתח סרטן שד ושחלות, ולכל האנשים עם המוטציה יש סיכונים גבוהים יותר לסרטן מסוג אחר. מכיוון שזה חלק מהטיפוס הגנוטי, קרוב לוודאי שיש אילן יוחסין עם הגנוטיפ BRCA1 המוטציה, פנוטיפ של נשים רבות הסובלות מסרטן, וכאשר בודקות יחידים, יתגלה הגנוטיפ וניתן לדון באסטרטגיות מניעה.