297
з історії

132
учня

72
для 11 классу

244
відкореговано


Вашій увазі

415
кейсів
Останнє оновлення:
24.01.2017


Кейс-урок «Мутаційна мінливість»
Кейс-урок «Мутаційна мінливість»

Розділ: Науки, природа та людина

Рівень (клас): 10-11

Тема: Біологія

Мета: Засвоїти корисну та сучасну інформацію про мутаційні процеси на рівні ДНК, генів, геномів та каріотипу

Яка інформація мене тут чекає?

  • Як і чому відбуваються мутації?
  • Як проводять генну терапію?
  • Як проходить клонування і яких тварин вже було клоновано?
  • Чи слід боятися генетичної модифікації?
  • Які фундаментальні знання та практичні навички мені стануть у пригоді?
  • Що таке музика ДНК?
6 розгорток з предметів, явищ та практик:
Вступ

Інколи здається, ніби сучасний світ, з його науковими надбаннями, зійшов зі сторінок фантастичної книги. Адже ті технології, які вважалися неймовірними або неможливими, саме зараз стають реальними або навіть буденними. І генні технології, дослідження з біотехнології, генетики, біохімії – наочний приклад таких проривів. Саме тому варто навчитися критичному мисленню.

Потік складної, наукоємної інформації більшає, і сучасна людина просто має вміти її фільтрувати. А для цього їй потрібні актуальні знання про сучасний світ, знання «з прицілом» на майбутнє у поєднанні з вмінням фільтрувати інформацію, виділяти головне і відкидати зайве.

Надсучасні наукові дослідження дуже часто стають приводами для запальних наукових, етичних, філософських та соціальних дискусій. І для того, щоб не загубитися і не розгубитися серед думок та аргументів прихильників та противників таких технологій, потрібно виховувати самостійність мислення.

Інтерактивна частина: Розбийтеся на пари і подивіться одне на одного протягом 10 секунд. Тепер відверніться та скажіть, якого кольору очі у вашого «візаві»? Яка форма носа, колір волосся? Чи є ямочка на щоці чи підборідді? А волосся рівне чи хвилясте? Ну, і хто у вашій парі уважніший?

А чи знаєте ви, які з цих ознак є рецесивними, а які домінантними? Які з них як успадковуються та змінюються? Саме на такі запитання ми і відшукаємо відповіді у нашому кейс-уроці.

 

Тоді, отримавши інформацію та знаючи, як з нею ефективно працювати, маючи можливість і здатність сформувати власну обґрунтовану точку зору, і стає можливою відповідь на питання: чи має право людина використовувати генні технології, чи має людство право бути рушійною силою в мутаційній мінливості живих істот?

Загальна біологія

Здатність нащадків набувати ознак, які відмінні від тих, які є в їх предків, називається мінливістю. Мінливість може бути обумовлена різними факторами. З огляду на це, вчені виділяють декілька видів мінливості.

Якщо ознака, яка з’явилася в організмі, йде йому на користь, вона може закріплюватися, передаватися іншим поколінням. Саме на цьому базується еволюційна теорія.

Яка ж буває мінливість взагалі?

Крім того, можна проводити класифікацію ще за декількома ознаками:

 

Саме спадковою мінливістю пояснюється набуття дітьми ознак, які є комбінацією ознак батьків. Відбувається це за рахунок мутацій або перекомбінації генів під час злиття гамет, при заплідненні. Тому виділяють комбінативну і мутаційну мінливість.

Чим відрізняються спадкова та неспадкова мінливості?

 

Де ж саме відбуваються зміни? Зміни йдуть на таких рівнях:

 

Мутаційна мінливість зумовлює зміну структури спадкових одиниць (генів, хромосом) та успадкування цих змін.

Зміни кількості хромосом називаються геномними мутаціями і поділяються на поліплоїдію (потроєння, подвоєння тощо - 3n, 4n…) та гетероплоїдію (додавання «зайвих» хромосом до каріотипу - n+1, 2n+2 тощо). Використовується в сільському господарстві для створення нових культур з більшими плодами та іншими бажаними властивостями.

 

Мутації на рівні окремої хромосоми називаються хромосомними. Серед них виділяють делецію (випадання ділянки хромосом). При цьому втрачаються деякі спадкові ознаки. Також існує дуплікація (подвоєння ділянки хромосоми), інверсія (поворот ділянки хромосоми на 180 градусів) та транслокація (перенесення ділянки однієї хромосоми на іншу).

Цікавим прикладом хромосомних мутацій (аберацій, як кажуть спеціалісти) є делеція в гені, що кодує рецептор CCR5. Цей рецептор використовується вірусом імунодефіциту людини (ВІЛ) для розпізнавання своїх Т-лімфоцитів. Продукт гену з делецією отримав назву CCR5-Δ32, цей варіант CCR5 не розпізнається ВІЛ, і носії такої мутації до ВІЛ несприйнятливі!

Також мутації можливі на рівні структури окремого гена – мутону. Це така ділянка, що складається з двох нуклеотідів. При цьому мутон буде найменшою частинкою гену, зміна якої призводить до мутації.

Ось так зміни можуть проявляти себе:

Мутація, яка йде на користь носію, може закріплюватися – передаватися нащадкам. Мутації, які мають негативні наслідки, часто нівелюються процесами природного відбору.

Але інколи мутації «закріплює» сама людина. Так з’являються нові породи тварин, наприклад, шотландські висловухі коти.

Генетика

Спадкові ознаки наслідуються не випадково. Вони підкорюються законам. Навіть якщо відбувається мутація, її «закріплення» і передача відбувається за цими законами. І проявлення залежатиме від того, чи рецесивною, чи домінантною буде ця ознака.

Навіть деякі хромосомні мутації, які потрапляють до рецесивної ознаки, не дають про себе знати протягом життя людини. Людина може і не здогадуватися про такий нюанс. Але вже в наступних поколіннях «підступна» мутація заявляє про своє існування.

Давайте розберемося з цими законами і закономірностями «по порядку».

Спроби розібратися з спадковими механізмами почалися ще в ХІХ сторіччі. Дж. Госс, експериментуючи з горохом, довів, що при схрещуванні рослин із зеленкувато-блакитними горошинами та з жовтувато-білими, в першому поколінні отримували жовтувато-білі горошини. Але вже в гібридів першого покоління зеленкувато-блакитне забарвлення з’являлося знов (ось вони рецесивні ознаки, які хитро «зачаїлися»!).

Розібратися в картині допомогли досліди Г.Менделя, вони й лягли в базу законів спадковості.

Перший закон Менделя каже:

 

Але якщо схрестити гібриди, отримані в результаті першого досліду, то картина зміниться, і в силу вступить другий закон Менделя:

 

Якщо ж розглядати не одну ознаку, а дві, то картина буде відповідати третьому закону Менделя:

 

Які ж ознаки в людини є рецесивними або домінантними? Серед прикладів на вас чекає кілька сюрпризів:

 


 

Звичайно ж, що це лише невеличка частинка з переліку!

Питання:


А які рецесивні або домінантні ознаки з цього переліку є у вас?
Інформатика

Термін "мутація" можна застосовувати не лише до біологічних об’єктів, адже в програмуванні застосовують мутаційне тестування! Інколи його називають мутаційним аналізом або мутацією програм.

В чому полягає його сутність? При цьому методі, тестуючи програмне забезпечення, тестувальник визначає невеличкі зміни в коді програми. Ці зміни і називають мутаціями. Оператори, які імітують типові помилки програмістів, називають мутаційними. Типовими вважають використання невірної операції або імені змінної.

Мутаційне тестування запропонував Томас Ліптон ще у 1971 році. Метод потребує великого математичного апарату, тому спочатку не набув великої популярності. Але зараз відбувається «сплеск» зацікавлення ним.

Мутаційне тестування проводиться так:

 

Існує ціла система мутаційних операторів, вибір яких залежить від мови програмування.

 

Технологія
Одна з базових технологій, що використовує генні мутації і навіть сама їх спричинює – генна інженерія. Її розвиток розпочався в другій половині ХХ сторіччя, а особливого розвитку набув після 1980 року. Що ж спричинило цей поштовх?

Саме в цьому році англійський вчений Ф. Сенгер та американський вчений У. Гілберт завершили спробу прочитати ту біологічну інформацію, яка «записана» в генах. За це вони отримали Нобелівську премію. А генна інженерія – базу для становлення та розвитку.

Генна інженерія використовує методи введення в клітину нових визначених генів, що відповідають за потрібну ознаку.

Для цього проводять наступні операції:

 

Процес синтезу генів в наш час розроблений дуже добре і навіть значною мірою автоматизований. Існують спеціальні апарати, в пам’ять яких завантажують програми синтезу різних нуклеотидних послідовностей. Такий апарат синтезує відрізки ДНК довжиною до 100-120 азотистих основ (олігонуклеотиди).

Надбання науки в розшифруванні ДНК стали в нагоді для розвитку ДНК-експертизи, в тому числі для судмедекспертизи. Використовують ДНК крові, шкіри, слини, волосся. Процес ідентифікації за ДНК називається фінгерпринтинг – встановлення профілю ДНК.

Ще однією технологією, яка переступила межу фантастики і буденності, стала технологія клонування. Клонування – одержання декількох генетично ідентичних організмів шляхом безстатевого розмноження. Одержання декількох копій спадкових молекул – теж клонування, тільки молекулярне.

Технологія клонування схематично може бути передана так:

 

Вівця Доллі стала першою, але далеко не останньою твариною, яка була клонована.

 

Саме завдяки можливості внесення змін до ДНК тварин можна відновити вимерлі види. Для цього доповнюють їх ДНК фрагментами «родичів», які збереглися до наших днів. Це також мутація, хоч і штучна, внесена спеціально. Потім така відредагована ДНК дублюється клонуванням.

Питання:


Як ви думаєте, чи має перспективи клонування для відтворення вимерлих чи вимираючих видів? Подумайте, як ще можуть використовуватися такі технології?
Філософія/Етика

Технології, які беруть на озброєння техніку роботи з ДНК, геномом та каріотипом, викликають багато етичних питань та спричиняють виникнення нових філософських концепцій.

До таких течій в сучасні філософії можна віднести трансгуманізм. Його засновником вважається Макс Мора. Ця концепція передбачає використання досягнень науки та технології (насамперед біології, біотехнології, інформаційних та нанотехнологій) для підвищення розумових здібностей людини та для усунення страждань, хвороб, старіння та навіть смерті.

Передбачається використання технологій не тільки для компенсації недостатніх функцій (наприклад, внаслідок інвалідності), але й для покращення людини, створення людини з надможливостями.

В сучасному трансгуманізмі вже виокремилося кілька напрямків:

 

Але при цьому активне використання технологічних надбань для зміни людської природи, створення людини з надможливостями має і серйозних супротивників. Їх аргументи базуються як на релігійних переконаннях, так і на уявленнях про домінантність саме природнього шляху еволюції.

Питання:


Як ви особисто ставитеся до можливості використання методів біотехнології та генної інженерії для розширення людських можливостей чи вирішення проблеми хвороб, старіння чи смерті?
Наука/Футурологія

Якщо людина навчилася змінювати ДНК рослин, тварин та інших організмів, то чому б не «поправити» свої ДНК, які зазнали негативних змін і спричинюють генетичні захворювання?

Для тварин застосовують технології, які вже можна назвати стандартними:

 

Що ж до «виправлення» геному людини, то на перший погляд, це має бути завдання, не складніше від тих, що вже вирішила генна інженерія. Але між виправленням ДНК нащадків і зміною в ДНК дорослої людини є значна технічна різниця. Адже потрібно змінити геном багатьох клітин цілого організму, який ВЖЕ СФОРМОВАНО. А не тільки окрему яйцеклітину.

Для вирішення такої складної задачі вчені пропонують використовувати віруси в якості векторів. Віруси мають здатність проникати до більшості клітин нашого організму, при цьому вбудовуючи свою спадкову інформацію. А розмноження вірусів в організмі цілком піддається контролю. Але розробка генно-інженерних вірусів сприймається певними спільнотами як загроза усьому людству.

 

Ці методи, які одержали назву генна терапія, в наш час знаходяться на етапі тестування на приматах. Приклад – дорослий самець мавпи, якого в 2009 році вилікували від дальтонізму. В цьому ж році генетично модифікований примат (ігрунка звичайна) дав нащадків.

Певною мірою, генна інженерія використовується для подолання безпліддя у жінок. Для цього використовують яйцеклітину здорової жінки. В результаті дитина наслідує генотип від одного батька і двох матерів.

Генні технології використовують і для вирощування окремих органів та органоїдів.

Ще одним перспективним напрямком використання ДНК-технологій і мутаційної мінливості є створення ДНК-комп’ютера. Він має переваги порівняно із звичайним комп’ютером, адже має меншу енергоємність, займатиме менше місця і буде більш ефективним, тому що зможе реалізувати паралельні розрахунки. Вчені дуже зацікавлені у використанні таких машин. Зокрема для криптографії та вирішення багатьох дуже специфічних та складних завдань (завдання комівояжера, мулевих формул тощо).

 

І найособливішим способом використання ДНК можна вважати ДНК-музику. Використовуючи послідовність ДНК, музиканти можуть написати музичну композицію. В основі цього музичного напряму знаходиться те, що й на основі ДНК можна побудувати фрактал, що відповідає принципу повторюваності звуків у музиці.

Крім того, окремі фізичні характеристики нуклеотидів можна перевести в область звуку, яку здатне розпізнати наше вухо.

Першим ДНК-музику створиви Девід Димер, американський біолог, який першим розробив алгоритм написання музики на основі характеристики поглинання світла нуклотидами в інфрачервоному спектрі. В наш час в цьому напрямі працюють: тріо HUGO, композитори С’юзен Олександер, Стюарт Мітчел та Тод Бартон.

Питання:


А ви б хотіли почути музику свого ДНК?
Акселеративні та інтерактивні методи
«Запам'ятай зовнішність»

Суть завдання: Розбийтеся на пари і подивіться одне на одного протягом 10 секунд. Тепер відверніться та скажіть, якого кольору очі у вашого «візаві»? Яка форма носа, колір волосся? Чи є ямочка на щоці чи підборідді? А волосся рівне чи хвилясте? Ну, і хто у вашій парі уважніший? А чи знаєте ви, які з цих ознак є рецесивними, а які домінантними? Які з них як успадковуються та змінюються?

МЕТА: Тренувати увагу, дати уявлення про спадкові ознаки, які відображаються у зовнішності, мобілізувати дітей та налаштувати на дружній, позитивний лад.

Підведення підсумків кейс-уроку

Найменування

Зміст

1

Результати кейс-уроку можно доповнити такими знахідками учнів:

 

2

Які 3 сайти допомогли знайти важливу інформацію?

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 допомогу учню та 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

Де брати інформацію для кейсу:

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

Локація проведення кейс–уроку:

Кейс-урок проходить в класі 

6

Змагання:

Команди хлопчиків та дівчаток.

Рахунок склав:….

Завдання для них: Оберіть один із варіантів мутації і зробіть її опис: в чому вона полягає. До якої групи мутацій належить, яке має значення для еволюції, чи використовується в геній інженерії, біотехнології? Чи має вона значення для еволюції? Чи може привести до  негативних наслідків? Спробуйте свої відповіді оформити у вигляді креативного, творчого проекту, презентації. Та команда, відповідь якої була повіншою, аргументованішою, цікавішою – перемагає.

7

Домашнє завдання

Складіть 10 запитань до розгорткок кейс-уроку

8

Тривалість:

 

90 хв. (спарений урок)

 

9

Можливість проведення учнем-дублером:

можливо

10

Отримані результати і напрацьовані компетенції:

Отримати корисну сучасну інформацію з біохімії, генетики, біології, філософії тощо.

Навчитися критично оцінювати технологічні надбання сучасної науки, вміти побачити їх з позиції різних людей та груп.

Набути навички творчого бачення наукових досліджень, несподіваного та креативного використання їх результатів.

«Розсунути» горизонти біотехнологій та можливостей їх застосування.

11

Теги:

Ген, ДНК, хромосома, геном, каріотип, вектор, мінливість, мутація, редуплікація, модифікація, клонування

12

Автори:

Грабовська Лариса Леонідівна

13

Брали участь в розробці кейсу

 

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середньго 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!