327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
27.03.2017


Кейс-урок «Мутационная изменчивость»
Кейс-урок «Мутационная изменчивость»

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 10+

Тема: Биология

Цель: Усвоить полезную и современную информацию про мутационные процессы на уровне ДНК, гена, генома и кариотипа

Какая информация меня здесь ждет?

  • Как и почему происходят мутации?
  • Как проводят генную терапию?
  • Как происходит клонирование и какие животные уже клонированы?
  • Стоит ли бояться генетической модификации?
  • Какие фундаментальные знания и практические навыки мне пригодятся?
  • Что такое музыка ДНК?
6 разверток по предметам, явлениям и практикам:
Вступление

Иногда кажется, что современный мир с его научными достижениями сопел со страниц фантастической книги. Ведь те технологи, которые казались невероятными или невозможными, именно сей час становятся реальными или даже обыденными. И генныне технологи, исследования в области биотехнологии, генетики, биохимии – наглядный пример таких прорывов. Именно поэтому стоит научиться критически мыслить.

Поток сложной наукоемкой информации все растет, и современный человек просто обязан уметь ее фильтровать. А для этого ему необходимы современные знания про современный мир, знания «с прицелом на будущее» в сочетании с умением фильтровать информацию, выделять главное и отбрасывать лишенее.

Сверхсовременные научные исследования очень часто становятся поводом для горячих научных, этических, философских и социальных дискуссий. И для того, чтобы не потеряться и не растеряться в среди мнений и аргументов сторонников и противников таких технологий и исследований, не обходимо воспитывать самостоятельность мышления.

 

Тогда, владея информацией, зная как с ней эффективно работать, имея возможность и способность сформировать собственную аргументированную точку зрения, и становится возможным ответ на вопрос: имеет ли право человек использовать генные технологии, имеет ли право человек быть движущей силой мутационной изменчивости живых организмов?

Общая биология

Способность потомков приобретать признаки, отличные от тех, которые есть у их предков, называется изменчивостью. Изменчивость может быть обусловлена различными факторами. Учитывая это, ученые выделяют несколько видов мутационной изменчивости.

Если признак, появившийся у организма, идет ему на пользу, он может закрепляться, передаваться другим поколениям. Именно на этом базируется эволюционная теория.

Какой же бывает мутационная изменчивость?

 

Именно наследственной изменчивостью объясняется приобретение детьми признаков, которые являются комбинацией признаков родителей. Происходит это за сет мутаций или перекомбинации генов во время слияния гамет при оплодотворении. Поэтому выделяют комбинационную и мутационную изменчивость.

Чем отличаются наследственная и ненаследственная изменчивость?

 

Где же именно происходят изменения? Изменения идут на таких уровнях:

 

Мутационная изменчивость обуславливает изменение структуры наследственных единиц (генов, хромосом) и унаследование этих изменений.

Изменения количества хромосом называются геномными мутациями и делятся на полиплоидию (утроение, удвоение и т.д. - 3n, 4n ...) и гетероплоидия (добавление «лишних» хромосом в кариотип - n + 1, 2n + 2 и т.д.). Используется в сельском хозяйстве для создания новых культур с большими плодами и другими нужными свойствами.

 

Мутации на уровне отдельной хромосомы называются хромосомными. Среди них выделяют делецию (выпадение участки хромосом). При этом теряются некоторые наследственные признаки. Также существует дупликация (удвоение участка хромосомы), инверсия (поворот участка хромосомы на 180 градусов) и транслокация (перенос участка одной хромосомы на другую).

Интересным примером хромосомных мутаций (аберраций, как говорят специалисты) является делеция в гене, кодирующем рецептор CCR5. Этот рецептор используется вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) для распознавания своих Т-лимфоцитов. Продукт гена с делецией получил название CCR5-Δ32, этот вариант CCR5 не обнаруживается ВИЧ, и носители такой мутации к ВИЧ невосприимчивы!

Также мутации возможны на уровне структуры отдельного гена – мутона. Это такой участок, состоящий из двух нуклеотидов. При этом мутон будет наименьшей частью гена, изменение которой приводит к мутации.

Вот так изменения могут проявлять себя:

Мутация, которая идет на пользу носителю, может закрепляться – передаваться потомкам. Мутации, которые имеют негативные последствия, часто нивелируются процессами естественного отбора.

Но иногда мутации «закрепляет» сам человек. Так появляются новые породы животных, например, шотландские вислоухие кошки.

Генетика

Наследственные признаки наследуются не случайно. Они подчиняются законам. Даже если происходит мутация, ее «закрепление» и передача происходит по этим законам. И проявление зависит от того, рецессивным, или доминантным будет этот признак.

Даже некоторые хромосомные мутации, попадающие в рецессивный признак, не дают о себе знать в течение жизни человека. Человек может и не догадываться об этом нюансе. Но уже в следующих поколениях «коварная» мутация заявляет о своем существовании.

Давайте разберемся с этими законами и закономерностями «по порядку».

Попытки разобраться с механизмами наследования начались еще в XIX веке. Дж. Госс, экспериментируя с горохом, доказал, что при скрещивании растений с зеленовато-голубыми горошинами и с желтовато-белыми, в первом поколении получали желтовато-белые горошины. Но уже у гибридов первого поколения зеленовато-голубая окраска появлялось вновь (вот где они, рецессивные признаки, хитро «затаились»!).

Разобраться в картине помогли опыты Менделя, они и легли в основу законов наследственности.

Первый закон Менделя гласит:

 

Но если скрестить гибриды, полученные в результате первого опыта, то картина изменится, и в силу вступит второй закон Менделя:

 

Если же рассматривать не один признак, а два, то картина будет соответствовать третьему закону Менделя:

 

Какие же признаки у человека являются рецессивными или доминантными? Среди примеров вас ждет несколько сюрпризов:

 

Конечно же это лишь небольшая часть из всего «перечня»!

Вопрос:


А какие рецессивные или доминантные признаки из перечисленных есть у вас?
Информатика

Термин «мутация» можно применять не только к биологическим объектам. Ведь в программировании применяют мутационное тестирование! Иногда его называют мутационным анализом или мутацией программ.

В чем же он заключается? При этом методе, тестируя программное обеспечение, тестировщик определяет небольшие изменения в коде программы. Эти изменения и называют мутациями. Операторы, которые имитируют типичные ошибки программистов, называют мутационными. Типичным считают использование неверной операции или имени переменной.

Мутационное тестирование предложил Томас Липтон еще в 1971 году. Метод требует большого математического аппарата, поэтому сначала не получил большой популярности. Но сейчас наблюдается «всплеск» интереса к нему.

Мутационное тестирование проводится так:

 

Существует целая система мутационных операторов, выбор которых зависит от языка программирования.

 

Технология
Одна из базовых технологий, использующая генные мутации и даже сама их вызывающая – генная инженерия. Ее развитие началось во второй половинеХХ века, а особый толчок в развитии она получила после 1980 года. Что же вызвало этот толчок?

Именно в этом году английский ученый Ф. Сэнгер и американский ученый У. Гилберт завершили попытку прочитать ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. За это они получили Нобелевскую премию. А генная инженерия – базу для становления и развития.

Генная инженерия использует методы введения в клетку новых определенных генов, отвечающих за нужный признак.

Для этого проводят следующие операции:

 

Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, в память которых загружают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100-120 азотистых оснований (олигонуклеотидов).

Открытия науки в расшифровке ДНК пригодились для развития ДНК-экспертизы, в том числе для судмедэкспертизы. Используют ДНК крови, кожи, слюны, волос. Процесс идентификации по ДНК называется фингерпринтинг – установление профиля ДНК. Еще одной технологией, которая перешагнула грань между фантастикой и обыденностью, стала технология клонирования. Клонирование – получение нескольких генетически идентичных организмов путем бесполого размножения. Получение нескольких копий наследственных молекул – тоже клонирование, только молекулярное.

Технология клонирования схематично может быть передана так:

 

Овца Долли стала первым, но далеко не единственным животным, которого удалось клонировать.

 

Именно благодаря возможности внесения изменений в ДНК животных, можно восстановить вымершие виды. Для этого дополняют их ДНК фрагментами ДНК «родственников», сохранившихся до наших дней. Это также мутация, хотя и искусственная, внесенная специально. Затем такая отредактирована ДНК дуплицируется клонированием.

Вопрос:


Как вы думаете, имеет ли перспективы клонирование для воспроизведения вымерших или вымирающих видов? Подумайте, как еще могут использоваться такие технологии?
Философия/Этика

Методы, которые берут на вооружение технологии работы с ДНК, геномом и кариотипом, вызывают много этических вопросов и провоцируют возникновение новых философских концепций.

К таким течений в современные философии можно отнести трансгуманизм. К его основателям можно отнести Макса Мора. Эта концепция предусматривает использование достижений науки и технологии (прежде всего биологии, биотехнологии, информационных и нанотехнологий) для повышения умственных способностей человека и для преодоления страданий, болезней, старения и даже смерти.

Предполагается использование технологий не только для компенсации недостаточных функций (например, вследствие инвалидности), но и для улучшения человека, создание человека с сверхспособностями.

В современном трансгуманизме уже выделилось несколько направлений:

 

Но при этом, активное использование технологических достижений для изменения человеческой природы, создание человека со сверхвозможностями имеет и серьезных противников. Их доводы основаны как на религиозных убеждениях, так и на представлениях о доминантность именно естественного пути эволюции.

Вопрос:


Как вы лично относитесь к возможности использования методов биотехнологии и генной инженерии для расширения человеческих возможностей или решения проблемы болезней, старения или смерти?
Наука/Футурология

Если человек научился изменять ДНК растений, животных и других организмов, то почему бы не «поправить» свои ДНК, подвергшиеся негативным изменениям и вызывающие генетические заболевания?

Для животных применяют технологии, которые уже можно назвать стандартными:

 

Что же касается «исправления» генома человека, то на первый взгляд, это должна быть задача, не сложнее тех, что уже решила генная инженерия. Но между исправлением ДНК потомков и изменением ДНК взрослого человека существует значительная техническая разница. Ведь нужно изменить геном многих клеток всего уже сложившегося организма. А не только отдельную яйцеклетку.

Для решения такой сложной задачи ученые предлагают использовать вирусы в качестве векторов. Вирусы обладают способностью проникать в большинство клеток нашего организма, при этом встраивают свою наследственную информацию. А размножение вирусов в организме вполне поддается контролю. Но разработка генно-инженерных вирусов воспринимается определенными сообществами как угроза всему человечеству.

 

Эти методы, которые получили название «генная терапия», в наше время находятся на этапе тестирования на приматах. Пример – взрослый самец обезьяны, которого в 2009 году вылечили от дальтонизма. В этом же году генетически модифицированный примат (игрунка обыкновенная) дал потомство.

В определенной степени, генная инженерия используется для преодоления бесплодия у женщин. Для этого используют яйцеклетку здоровой женщины. В результате ребенок получает генотип от одного отца и двух матерей.

Генные технологии используют и для выращивания отдельных органов и органоидов.

Еще одним перспективным направлением использования ДНК-технологий и мутационной изменчивости является создание ДНК-компьютера. Они имеют преимущества по сравнению с обычными компьютерами, ведь имеют меньшую энергоемкость, занимают меньше места и будут более эффективным, так как смогут реализовать параллельные расчеты. Ученые очень заинтересованы в использовании таких машин. В частности для криптографии и решения многих очень специфических и сложных задач (задача коммивояжера, булевых формул и т.п.).

 

И самым необычным способом использования ДНК можно считать ДНК-музыку. Используя последовательность ДНК, музыканты могут написать музыкальную композицию. В основе этого музыкального направления лежит то, что на основе ДНК можно построить фрактал, который соответствует принципу повторяемости звуков в музыке.

Кроме того, отдельные физические характеристики нуклеотидов можно перевести в область звука, которую способно распознать наше ухо.

Первым ДНК-музыку создал Дэвид Димер, американский биолог, который разработал алгоритм написания музыки на основе характеристики поглощения света нуклеотидами в инфракрасном спектре. В настоящее время в этом направлении работают: трио HUGO, композиторы Сьюзен Александр, Стюарт Митчелл и Тод Бартон.

Вопрос:


А вы бы хотели услышать музыку своего ДНК?
Подведение итогов кейс-урока

Наименование

Содержание

1

Результаты кейс-урока можно дополнить такими находками учеников:

 

2

Какие 3 сайта помогли найти наиболее значимую информацию?

http://edufuture.biz/

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%96%D0%BD%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D1%96%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B1%D1%96%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA_%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B8_%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B2_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F)

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%96%D0%BD%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D1%96%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B1%D1%96%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5

http://nosovetz.ucoz.ru/index/teorija_i_terminy/0-91

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B8_%D0%9C%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA_%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B8_%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B2_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F)

http://coolsci.ru/klonirovanie/

http://facepla.net/the-news/nature-news-mnu/1843-9-less-known-clones.html

http://www.3dnews.ru/186481

5

Локация проведения кейс-урока

Кейс-урок проходит в классе 

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил ....

Задача одна: Выберите один из вариантов мутации и сделайте ее описание: в чем она заключается, к какой группе мутаций принадлежит, ккакое имеет значение для эволюции, используется ли в гений инженерии, биотехнологии? Может ли эта мутация привести к негативным последствиям? Попробуйте свои ответы оформить в виде креативного, творческого проекта или презентации. Та команда, ответ которой была полнее, аргументированее, интереснее, побеждает.

7

Домашнеезадание:

Составьте 10 вопросов по матеріалам розверток кейс-урока

8

Продолжительность

90 мин. (спаренный урок)

 

9

Возможность проведения учеником-дублером

возможно

10

Полученные результаты и наработанные компетенции:

Получить полезную современную информацию по биохимии, генетике, биологии, философии и т.д.

Научиться критически оценивать технологические достижения современной науки, уметь увидеть их с позиции разных людей и групп.

Приобрести навыки творческого видения научных исследований, неожиданного и креативного использования их результатов.

«Раздвинуть» горизонты биотехнологий и возможностей их применения.

11

Теги:

Ген, ДНК, хромосома, геном, кариотип, вектор, изменчивость, мутация, редупликация, модификация, клонирование

12

Авторы:

Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в разработке кейса:

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середнього розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!