Задание 27 ЕГЭ по биологии: цитология, Харди-Вайнберг, биосинтез белка, деление клеток

Что проверяет задание

Задание 27 — расчётная задача по цитологии и генетике популяций. Она проверяет умение применять теоретические знания, а не просто их воспроизводить. В разных вариантах встречается один из четырёх типов задач:

• расчёты по закону Харди-Вайнберга (частоты аллелей и генотипов в популяции);
• биосинтез белка (транскрипция и трансляция, работа с последовательностями нуклеотидов);
• деление клеток растений и животных (митоз, мейоз, изменение числа хромосом и хроматид по фазам).

В каждом конкретном варианте попадается только одна из этих тем, но готовиться нужно сразу ко всем четырём, потому что заранее не известно, какая выпадет.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка звучит так: «Известно, что... Определите... Объясните, как вы получили результат». Условие всегда содержит конкретные числовые данные: частоту аллеля, последовательность нуклеотидов ДНК, число хромосом в клетке. От решающего требуется не просто дать число, а показать ход рассуждений — записать формулу, применить правило комплементарности или назвать фазу деления.

Задание оценивается максимум в 3 балла. Баллы начисляются за каждый верно найденный и обоснованный элемент ответа. Если один из нескольких показателей найден неверно, а логика решения в целом правильная, часть баллов всё равно сохраняется. Поэтому важно расписывать решение подробно, а не давать только итоговый ответ.

Что нужно знать

Закон Харди-Вайнберга

• Сумма частот аллелей: $p+q=1$, где $p$ — частота доминантного аллеля, $q$ — частота рецессивного.
• Распределение генотипов: $p^2+2pq+q^2=1$, где $p^2$ — частота гомозигот AA, $2pq$ — частота гетерозигот Aa, $q^2$ — частота гомозигот aa.
• Закон действует только для идеальной популяции: большая численность, случайное скрещивание, отсутствие миграций, мутаций и селекции.

Биосинтез белка

• Транскрипция — синтез иРНК на матрице ДНК; комплементарность нуклеотидов: А–Т(У), Г–Ц.
• Цепи ДНК и РНК антипараллельны: если матрица читается $3'\to5'$, то синтезируемая цепь строится в направлении $5'\to3'$.
• Трансляция — синтез белка на рибосоме по иРНК; кодон иРНК из трёх нуклеотидов соответствует одной аминокислоте (используется таблица генетического кода).
• тРНК несёт антикодон, комплементарный и антипараллельный кодону иРНК.
• Число нуклеотидов иРНК, кодирующих белок из $n$ аминокислот, равно $3n$ (плюс стоп-кодон, если он учитывается отдельно).
• Длина участка ДНК: $l = N \cdot 0{,}34$ нм, где $N$ — число пар нуклеотидов.

Деление клеток (митоз и мейоз)

• Обозначения: $n$ — гаплоидный набор хромосом, $2n$ — диплоидный; $c$ — количество ДНК в одной хромосоме (одна хроматида = $1c$, две сестринские хроматиды = $2c$).
• Интерфаза (пресинтетический период, $G_1$): $2n2c$.
• После синтетического периода ($S$), когда ДНК удваивается: $2n4c$.
• Митоз, профаза–метафаза: $2n4c$ (хромосомы состоят из двух хроматид).
• Митоз, анафаза: хроматиды расходятся к полюсам и становятся самостоятельными хромосомами — временно $4n4c$ (то есть $4n$ хромосом, но количество ДНК не меняется).
• После телофазы митоза каждая дочерняя клетка получает $2n2c$ — то есть исходный диплоидный набор.
• Мейоз I (редукционное деление): в анафазе I расходятся не хроматиды, а целые гомологичные хромосомы (каждая из двух хроматид). После телофазы I клетка имеет набор $n2c$ — число хромосом уменьшилось вдвое, но каждая хромосома всё ещё состоит из двух хроматид.
• Мейоз II (эквационное деление): происходит как обычный митоз, только на гаплоидном материале. В анафазе II хроматиды расходятся, итоговые гаметы содержат $n1c$.

Методы решения

1. Метод расчёта по закону Харди-Вайнберга. Если дана частота одного аллеля или доля одного генотипа, остальные показатели находят через формулы $p+q=1$ и $p^2+2pq+q^2=1$. Мини-пример: если частота аллеля $a$ равна $q=0{,}3$, то $p=0{,}7$, доля гетерозигот $2pq = 2 \cdot 0{,}7 \cdot 0{,}3 = 0{,}42$.

2. Метод комплементарности цепей. Для перехода от ДНК к иРНК или от иРНК к тРНК каждый нуклеотид заменяется комплементарным, при этом порядок нуклеотидов записывается в противоположном направлении (антипараллельность). Мини-пример: участок ДНК $3'\text{-ТАЦ-}5'$ даёт иРНК $5'\text{-АУГ-}3'$.

3. Метод расчёта количественных характеристик нуклеиновых кислот. Используется для подсчёта числа нуклеотидов, аминокислот, длины и массы молекулы. Мини-пример: если ген содержит 300 пар нуклеотидов, то он кодирует не более $300/3 = 100$ аминокислот (без учёта стоп-кодона).

4. Метод анализа фаз митоза по хромосомному набору. Нужно определить, что происходит с хромосомами (расходятся хроматиды или целые хромосомы) на конкретной стадии, и записать набор в форме $n$ и $c$. Мини-пример: клетка с $2n=6$ в анафазе митоза имеет $4n=12$ хромосом (временно, до разделения цитоплазмы).

5. Метод анализа фаз мейоза по хромосомному набору. Отличие от митоза — в мейозе I число хромосом уменьшается вдвое ещё до расхождения хроматид. Мини-пример: клетка с $2n=8$ после телофазы I имеет $n=4$ хромосомы, но каждая состоит из двух хроматид ($n2c$).

Алгоритм решения по шагам

1. Определить тип задачи по формулировке: генетика популяций, биосинтез белка или деление клеток.
2. Выписать все числовые и текстовые данные из условия отдельно, не упуская направление цепей ДНК/РНК или указание фазы деления.
3. Выбрать нужную формулу или правило (закон Харди-Вайнберга, принцип комплементарности, правило изменения хромосомного набора).
4. Провести расчёт последовательно, промежуточные результаты фиксировать письменно — это даёт баллы даже при ошибке в финальном ответе.
5. Проверить логическую согласованность: сумма частот должна равняться 1, цепи ДНК/РНК должны быть антипараллельны, число хромосом после деления должно соответствовать типу деления.
6. Сформулировать итоговый ответ с кратким обоснованием каждого пункта — именно объяснение оценивается наравне с числом.

Разбор примеров

Пример 1. Закон Харди-Вайнберга

Условие: в популяции, находящейся в равновесии Харди-Вайнберга, частота рецессивного аллеля $b$ составляет 0,2. Определите частоты генотипов BB, Bb, bb и долю гетерозигот в популяции.

Решение:

1. Обозначим частоту рецессивного аллеля $q=0{,}2$, тогда частота доминантного аллеля $p=1-q=0{,}8$.
2. По формуле $p^2+2pq+q^2=1$ находим доли генотипов:

• $p^2 = 0{,}8^2 = 0{,}64$ — доля гомозигот BB;
• $2pq = 2 \cdot 0{,}8 \cdot 0{,}2 = 0{,}32$ — доля гетерозигот Bb;
• $q^2 = 0{,}2^2 = 0{,}04$ — доля гомозигот bb.

3. Проверка: $0{,}64+0{,}32+0{,}04=1$ — сумма верна.

Ответ: доля BB — 64%, Bb — 32%, bb — 4%. Доля гетерозигот в популяции составляет 32%.

Пример 2. Биосинтез белка

Условие: участок одной из цепей ДНК имеет последовательность $3'\text{-АЦГ-ТТА-ГЦЦ-}5'$. Эта цепь служит матрицей для синтеза иРНК. Определите последовательность иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность синтезируемого полипептида (используйте таблицу генетического кода).

Решение:

1. Матрица ДНК читается в направлении $3'\to5'$, значит иРНК синтезируется комплементарно и антипараллельно, то есть в направлении $5'\to3'$.
2. Заменяем каждый нуклеотид на комплементарный (А↔У, Г↔Ц, Т↔А): цепь ДНК А-Ц-Г-Т-Т-А-Г-Ц-Ц даёт иРНК У-Г-Ц-А-А-У-Ц-Г-Г.
3. Записываем иРНК: $5'\text{-УГЦ-ААУ-ЦГГ-}3'$, разбитую на кодоны УГЦ, ААУ, ЦГГ.
4. Для каждого кодона находим комплементарный и антипараллельный антикодон тРНК:

• кодону УГЦ соответствует антикодон АЦГ (записан в направлении $3'\to5'$, что то же самое, что $5'\text{-ГЦА-}3'$);
• кодону ААУ соответствует антикодон УУА, то есть $5'\text{-АУУ-}3'$;
• кодону ЦГГ соответствует антикодон ГЦЦ, то есть $5'\text{-ЦЦГ-}3'$.

5. По таблице генетического кода определяем аминокислоты: УГЦ — цистеин, ААУ — аспарагин, ЦГГ — аргинин.

Ответ: иРНК — УГЦ-ААУ-ЦГГ; антикодоны тРНК — ГЦА, АУУ, ЦЦГ; полипептид — цистеин–аспарагин–аргинин.

Пример 3. Деление клеток

Условие: диплоидная клетка животного содержит $2n=8$ хромосом. Определите число хромосом и количество молекул ДНК (в хромосомном выражении) в клетке в анафазе митоза, анафазе мейоза I и анафазе мейоза II.

Решение:

1. В интерфазе после репликации клетка имеет $2n4c$, то есть 8 хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид (16 хроматид/молекул ДНК).
2. В анафазе митоза центромеры расщепляются, сестринские хроматиды расходятся к полюсам и становятся самостоятельными хромосомами. Число хромосом временно удваивается до $4n=16$, при этом каждая хромосома теперь состоит из одной хроматиды — общее количество ДНК остаётся тем же (16 молекул).
3. В мейозе I гомологичные хромосомы (не хроматиды) расходятся к разным полюсам в анафазе I. Число хромосом уменьшается вдвое: $n=4$, но каждая хромосома всё ещё состоит из двух хроматид, поэтому набор клетки на этой стадии — $n2c$, то есть 4 хромосомы и 8 молекул ДНК.
4. В мейозе II происходит расхождение хроматид, как в обычном митозе, но на гаплоидном материале. В анафазе II число хромосом временно удваивается до $2n=8$ (за счёт расхождения хроматид), при этом количество ДНК не изменяется — 8 молекул.

Ответ: анафаза митоза — 16 хромосом, 16 молекул ДНК; анафаза мейоза I — 4 хромосомы, 8 молекул ДНК; анафаза мейоза II — 8 хромосом, 8 молекул ДНК.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают $p$ и $q$ — забывают, какая буква обозначает доминантный, а какая рецессивный аллель; из-за этого переставляют значения генотипов.
• Забывают проверять, что сумма частот генотипов равна 1 — это простой способ выявить арифметическую ошибку.
• При работе с ДНК и РНК не учитывают антипараллельность цепей и записывают иРНК в том же направлении, что и матрицу, получая перевёрнутую последовательность.
• Путают кодон и антикодон, забывая, что антикодон комплементарен и одновременно направлен в противоположную сторону.
• Смешивают понятия «хромосома» и «хроматида»: в анафазе митоза число хромосом временно увеличивается, но это не означает удвоение генетического материала.
• Не различают редукционное деление (мейоз I, расходятся хромосомы) и эквационное (мейоз II, расходятся хроматиды) — из-за этого неправильно определяют набор клетки после первого деления.
• Забывают указывать обоснование, ограничиваясь только числовым ответом — при потере логической цепочки снимаются баллы, даже если итоговое число верное.

Как готовиться

Для уверенного решения задания 27 нужно твёрдо знать формулы закона Харди-Вайнберга, таблицу генетического кода и последовательность фаз митоза и мейоза с точным описанием, что происходит с хромосомами и хроматидами на каждой стадии. Полезно самостоятельно рисовать схемы деления клетки с указанием набора $n$ и $c$ на каждом этапе — зрительная память хорошо закрепляет материал.

При тренировке задач по биосинтезу белка стоит каждый раз явно обозначать направление цепей ($5'$ и $3'$-концы) и проверять комплементарность построчно, а не «на глаз». Для задач на популяционную генетику полезно решать вариации с разными исходными данными: иногда дана частота генотипа, а не аллеля, и тогда сначала нужно извлечь корень для нахождения $p$ или $q$.

Регулярно решайте задачи всех четырёх типов вперемешку, чтобы быстро определять тему по формулировке условия. Полезно вести короткий справочник с формулами и типовыми обозначениями — перед экзаменом достаточно его перечитать, чтобы восстановить в памяти весь алгоритм действий.