Мутация. Типы мутаций

Мутации (от лат. mutatio - изменение, перемена), внезапно возникающие естественные (спонтанные) или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетической информации. Способность давать М. (мутация) - мутировать - универсальное свойство всех форм жизни от вирусов и микроорганизмов до высших растений, животных и человека; оно лежит в основе наследственной изменчивости в живой природе. М. (мутация), возникающие в половых клетках или спорах (генеративные М. (мутация)), передаются по наследству; М. (мутация), возникающие в клетках, не участвующих в половом размножении (соматические мутации), приводят к генетическому мозаицизму: часть организма состоит из мутантных клеток, другая - из немутантных. В этих случаях М. (мутация) могут наследоваться только при вегетативном размножении с участием мутантных соматических частей организма (почек, черенков, клубней и т. п.)

Внезапное возникновение наследственных изменений отмечалось многими учёными 18 и 19 вв., было хорошо известно Ч. Дарвину, но углублённое изучение М. (мутация) началось лишь с зарождением на пороге 20 в. экспериментальной генетики. Термин «М. (мутация)» ввёл в генетику в 1901 Х. Де Фриз.

Рональд Фишер (Ronald Fisher) дал самое лучшее определение мутации: "Мутация есть источник любого наследуемого изменения". Он написал это в 1930 г., более чем за два десятилетия до того, как ученые узнали, что гены состоят из ДНК, и начали различать мутации, вызываемые изменениями во внутренней структуре генов, и мутации, вызываемые изменениями в структуре и числе хромосом. Несмотря на эти открытия, определение Фишера остается одним из лучших, потому что оно не зависит от какого-либо определенного механизма мутаций.

Мутации, помимо качественных свойств, характеризует и способ возникновения. Спонтанные (случайные) - мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали, что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций, которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.

Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно - клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глутамина - валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно - клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривании тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, "Молчащая мутация"- изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется.

Геномные мутации

Главная отличительная черта геномных мутаций связана с нарушением числа хромосом в кариотипе. Эти мутации так же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.

Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром впервые был лишь обнаружен в 60-ых годах. Вообще полиплодия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие), а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение ведет практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается еще реже, но так же зачастую приводит к летальному исходу.

Анеуплоидные же мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, некратное гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают особи с аномальным чипом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти еще на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе.

В целом же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.

Геномные мутации одни из самых страшных. Они ведут к таким заболеваниям, как синдром Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600 новорожденных), синдром Клайнфельтера и др.

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, поэтому их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся на внутри- и межхромосомные. К внутрехромосмным относятся:

Дубликация - один из участков хромосомы представлен более одного раза.

Делеция - утрачивается внутренний участок хромосомы.

Инверсия - повороты участка хромосомы на 180 градусов.

Межхромосомные перестройки (их еще называют транслокации) делятся на:

Реципрокные - обмен участками негомологичных хромосом.

Нереципрокные - изменение положения участка хромосомы.

Дицентрические - слияние фрагментов негомологичных хромосом.

Центрические - слияние центромер негомологичных хромосом.

Хромосомные мутации проявляются у 1% новорожденных. Однако интересно, исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распостраненный пример - синдром "Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяукание кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны - 24. Таким образом различие составляет всего одна хромосома. Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.

2. Причины мутаций и их искусственное вызывание.

По причине возникновения мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, появление которых не контролируется человеком. Строго говоря, назвать их случайными нельзя, так что формулировка "неконтролируемые человеком" корректнее. Как уже отмечалось выше, мутагенез бывает управляемым внутри- и трансклеточным самомутагенезом, программа которого заложена в первичной структуре ДНК (он опосредован центриолями и МГЭ), и истинно случайным, например, действие УФ-излучения или жестких рентгеновских лучей.

Причины индукции спонтанных мутаций не ясны. Долгое время полагали, что к числу индуцирующих факторов относится естественный фон ионизирующих облучений, образуемый доходящими до поверхности земли космическими лучами..., поступающими в малых количествах в организм из окружающей среды. Однако, как показали расчеты, у дрозофилы естественный радиационный фон может быть ответственен только за 0.1% спонтанных мутаций. Хотя, по мере увеличения продолжительности жизни организма воздействие естественного фона может накапливаться, и у человека от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций может быть отнесено за счет естественного фона радиации.

Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов в ходе нормальных метаболических (обменных) процессов, происходящих в клетке. По многочисленным данным спонтанные мутации возникают во время деления хромосом и репликации ДНК. Считают вероятным, что спонтанные мутации представляют чаще всего следствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.
Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию. По расчетам американского генетика Мелвина Грина около 80% спонтанных мутаций приходится на счет перемещений мобильных элементов.

Под индуцированными мутациями понимают мутации, вызванные искусственно, сознательными действиями человека. В отличии от управляемого мутагенеза (центриоли и МГЭ), в этом случае, по видимому, вероятность замены одного нуклеотида на другой не зависит от его локализации в молекуле ДНК. Это случай так называемого неуправляемого мутагенеза. Мутагенов весьма много: жесткие рентгеновские лучи, УФ и ИК-лучи, иприт, этиловый спирт, никотин, наркотики, гормоны, вырабатываемые при стрессе и т. д.

Итальянские учёные в течение 3 лет проводили опыты на животных и выяснили, что кокаин и экстази не только вызывают наркозависимоть, повышают риск возникновения рака, но и вызывают генетические мутации.
"Оказывается, экстази и кокаин более опасны, чем мы думали, — заявил Джорджио Бронзетти (Giorgio Bronzetti), главный учёный Национального центра биотехнологических исследований (Consiglio Nazionale delle Ricerche — CNR). — Эти наркотики на вершине их токсикологического воздействия атакуют ДНК, провоцируя мутации и изменения генетического материала".

Строго говоря, грань между индуцированными и спонтанными мутациями условна. Все живые организмы в какой-то мере подвергаются действию мутагенов, например, получают небольшие дозы природного (солнечного) УФ-излучения, вдыхают радон, что, по моему мнению, является одной из причин деградации первичной структуры ДНК, и, как следствие, старения.

Изучение мутагенного действия ионизирующих излучений показало, что у всех исследованных организмов они вызывают многочисленные генные мутации и перестройки хромосом и что частота индуцированных мутаций зависит в основном от дозы радиации.
При этом не имеет большого значения, в один ли прием дана та или иная доза или она разбита на дробные порции, разделенные во времени - мутагенный эффект в целом соответствует общей дозе облучения.

Комментарии - указанный эффект означает, например, что люди, получившие большую дозу облучения на Чернобыльской АЭС, и погибшие вследствие этого, и люди, умершие "естественной" смертью в преклонном возрасте, умерли от одной и той же причины - необратимого накопления мутаций первичной структуры молекул ДНК их клеток. Разница состоит лишь в том, что люди, облучившиеся на Чернобыльской АЭС, получили за несколько часов ту дозу, которую остальные получают за несколько десятков лет. Это грубый пример, не учитывающий управляемый самомутагенез, тем не менее, хорошо отражает качественную сторону явления.
В частности, это означает, что естественной смерти не бывает. Смерть от старости естественна не более, чем смерть от ДДП.

Свойства мутаций.

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации наследственны, то есть стойко передаются из поколения в поколение.

3. Мутации ненаправленные - мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

5. По своему проявлению мутации могут быть полезными и вредными, доминантными и рецессивными.

Способность к мутированию — одно из свойств гена. Каждая отдельная мутация вызывается какой-то причиной, но в большинстве случаев эти причины неизвестны. Мутации связаны с изменениями во внешней среде. Это убедительно доказывается тем, что путем воздействия внешними факторами удается резко повысить их число.

3. Мутагенные факторы

Являясь неотъемлемым свойством всех живых организмов, мутационный процесс, в том числе и у человека, может оказывать на жизнеспособность носителей вновь возникающих мутаций влияние как едва заметное, так и катастрофическое. Опасное влияние некоторых физических факторов и химических соединений на частоту мутаций у человека, стало восприниматься в полной мере лишь по прошествии весьма продолжительного периода времени с момента открытия радиационного и химического мутагенеза.

Причем для радиационного мутагенеза этот «лаг-период» продлился с момента открытия мутагенного действия рентгеновских лучей до 50-х г. XX века, когда уже нельзя было не замечать и не оценивать последствия испытаний ядерного оружия в атмосфере. Последствиям действия химических мутагенов на клетки человека также долгое время (до 60-х гт.) не уделялось должного внимания. И только после открытия химических супермутагенов эта проблема приобрела актуальность. С середины 70-х гт. XX века число работ, посвященных мутагенному действию химических веществ в среде обитания человека, стало нарастать лавинообразно.
Все это привело к появлению нового направления — генетической токсикологии, исследующей мутагенные эффекты факторов окружающей среды.

В повседневной жизни человек постоянно сталкивается с химическими мутагенами. Их источниками служат производственные вредности, сельскохозяйственные ядохимикаты, соединения бытовой химии, отдельные лекарства, но, прежде всего -продукты питания. Согласно опубликованному в 1990 г. заключению Международного агентства по исследованию канцерогенного риска при Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), пиша является источником сложной смеси мутагенов и канцерогенов различной природы. Это - нитрозосоединения, растительные алкалоиды, гетероциклические амины, флавоноиды, отдельные ароматические углеводороды и еще целый ряд химических соединений.
Кроме того, пищевое сырье может быть загрязнено мутагенами при хранении (они могут образоваться из немугагенных предшественников).

К настоящему времени накоплены сведения о генотоксических эффектах (мутагенной и/или ДНК-повреждающей активности) ртути и свинца, а также марганца, меди, мышьяка, кадмия, кобальта, олова, никеля, хрома и цинка в концентрациях, превышающих их физиологическое количество в живых тканях. Эти неорганические соединения поступают в организм человека с растительной и животной пищей. Реальную мутагенную опасность для человека могут представлять остаточные количества препаратов, используемых для стимуляции роста и при лечении сельскохозяйственных животных и птицы.

Образование мутагенов (полициклических ароматических углеводородов, нитрозаминов, гетероциклических аминов) неизбежно происходит в результате кулинарной обработки говядины, свинины, рыбы и птицы при температуре, превышающей 150 °С. Результаты, свидетельствующие о таких последствиях термической обработки пищевого сырья, были получены не только в модельных экспериментах, но и при непосредственном тестировании готовых блюд. В частности, положительный результат теста на мутагенность (как на микробиологических объектах, так и у животных) был получен для разных образцов так называемой «быстрой» пищи, которую готовят обычно при температуре 230 °С.

Ряд исследователей считает преувеличенными существующие представления о потенциальной опасности пищевых мутагенов, прежде всего, гетероциклических ароматических аминов, потребление которых на 5-6 порядков ниже доз, оказывающих повреждающее воздействие в экспериментальных тест-системах. Однако безоговорочно поддержать их здоровый скепсис мешают, в частности, корреляции, установленные между частотой употребления в пишу жареного мяса.уровнем гетероциклических ароматических аминов, выделяющихся с мочой, и вероятностью возникновения рака поджелудочной железы/ободочной кишки, а также другие, подобные указанным, факты.

Генотоксическое воздействие производственных загрязнителей на организм человека было продемонстрировано результатами множества независимых исследований, обобщенных в 1992 г. Н.П. Бочковым и ЛЛ. Катосовой. Значительное количество промышленных производств являются источниками мутагенов, активно воздействующих на людей, непосредственно в них занятых. Это — переработка каменного угля и нефтепродуктов, добыча и газификация бурого угля, используемая во многих отраслях электросварка, производство резины, древесно-стружечных плит, стирола, винилхлорида, цитостатиков, биостимуляторов, а также поставленное на промышленную основу производство свинины и кормов для крупного рогатого скота.

Кроме того, перечисленные отрасли могут быть потенциальными источниками генотоксических веществ, влияющих не только на персонал, непосредственно занятый в производстве, но и на не причастных к нему людей. Так, например, установлен повышенный уровень хромосомных перестроек у жителей окрестностей металлургических предприятий и алюминиевых производств.

В течение последних 25 лет проводится обязательная проверка на генотоксичность лекарственных препаратов с целью выявления среди них соединений, повреждающих структуру ДНК. Результаты этих исследований, были обобщены в монографии А.Д.Дурнева и С. Б, Середенина, опубликованной в 1998 г.

Таким образом, существует множество соединений, с которыми неизбежно приходится контактировать человеку, и которые потенциально опасны для его здоровья и наследственности. Однако заключение о реальной мутагенной активности каждого из них и, как следствие, предупреждение нежелательного контакта может быть сделано только на основании результатов специальных комплексных исследований.

4. Роль мутаций в эволюционном процессе.

Мутации служат сырьем для естественного отбора. Иначе говоря, они являются источником разнообразия живых организмов. Без мутаций естественный отбор не существовал бы; не было бы альтернативных фенотипов и, следовательно, не было возможности выбора. В процессе эволюции мутации приводят к наследственным изменениям, а естественный отбор "подхватывает" те из них, которые увеличивают приспособленность организмов, и "отбрасывает" остальные. На основе этой концепции Фишер сделал вывод, что чем выше наследственная изменчивость в популяции, тем быстрее отбор увеличивает среднюю приспособленность. Так принято считать сегодня, но не всегда мутацию связывали с естественным отбором для объяснения эволюции.

С конца 1700-х годов был выдвинут целый ряд эволюционных теорий. Многие ученые полагали, что эволюция происходит только в результате мутаций, или в виде адаптивной эволюции, которая увеличивает приспособленность, или в виде случайной эволюции, которая представляет собой случайное изменение, не связанное с приспособленностью. Согласно первой из этих теорий мутации возникают потому, что они необходимы для увеличения приспособленности. Теория адаптивной эволюции имела два варианта в зависимости от того, считалось ли учеными, что приобретенные признаки наследуются или нет.

Ламаркизм - теория эволюции, названная по имени o французского палеонтолога Жана Батиста де Ламарка (Jean Baptiste de Lamarck) (1744-1829), основывалась на том, что приобретенные признаки наследуются. Эта теория предполагает эволюцию в результате мутаций, потому что приобретение нового наследуемого фенотипа эквивалентно мутации. Ламаркисты полагали, что такие изменения увеличивали приспособленность, и любили иллюстрировать это на примере жирафы. Предки жираф, считали они, вытягивали свои шеи для того, чтобы достать листья с верхушек деревьев. Каждое последующее поколение, следовательно, рождалось с более длинной шеей. Этот процесс продолжался до тех пор, пока пропала необходимость вытягивать шею.

Такое утверждение вызвало несогласие многих ученых, и один из них провел эксперимент, в котором он отрезал хвосты у мышей на протяжении нескольких последовательных поколений, однако, как он и предполагал, ему не удалось получить мышей, бесхвостых от рождения. Ни один из наследуемых признаков не может модифицироваться в потомстве приобретенными признаками родителей. Однако приобретенный признак - пересадка парамеции дополнительного ротового отверстия - можно передать негенетическим путем.

Другой вариант теории адаптивной эволюции, как результата мутаций, был более сложным, чем ламаркизм, и сохранился до XX в. Возьмем в качестве примера эволюцию бактериальных штаммов, устойчивых к антибиотикам. Сторонники мутационной эволюции утверждали, что до того, как стали использоваться антибиотики, не было резистентных бактерий, но когда в окружающей их среде появился подобный препарат, он вызвал мутации, которые привели к устойчивости бактерий.

Дарвинисты не были с этим согласны. Они утверждали, что мутации устойчивости к антибиотикам существовали уже до того, как появился пенициллин. Но под воздействием новых условий среды изменилась относительная приспособленность бактерий и бактерии, устойчивые к пенициллину, стали весьма распространенными.

В своем эксперименте С. Лурия (S. Luria) и М. Дельбрук М Delbriick) доказали, что дарвинисты были абсолютно правы. Позднее Дж. и Е. Ледерберги (J. и Е. Lederberg) разработали методику, которую они назвали "методом отпечатков", и подтвердили эти результаты. Оба эксперимента заслуживают подробного описания, но, поскольку второй более прост для объяснения, мы остановимся на нем.

Существуют два основных способа выращивания бактерий в лаборатории - в чашке с желеобразной средой, называемой агаром, и в жидкой среде в пробирке. Каждая среда содержит питательные вещества, но бактерии в чашке с агаром растут на поверхности среды и остаются в фиксированном положении. В любую из сред можно добавить пенициллин, стрептомицин или другой антибиотик, и тогда все нерезистентные бактерии погибнут.

Обычно бактериологи перемещают бактерии с одной чашки с агаром на другую с помощью платиновой петли. Петлей подбирают несколько клеток и переносят их на новую поверхность для продолжения роста.

Новшество Ледербергов заключалось в использовании куска бархата размером с чашку вместо платиновой петли. Бархатный ворс заменил тысячи маленьких игл, каждая из которых захватывала несколько клеток, чтобы перенести их на новую поверхность.

Поскольку бактерии не передвигаются по чашке с агаром, каждое скопление клеток представляет собой генетически чистую колонию, выросшую из одной бактерии. Когда бархат касался поверхности новой агаровой среды, он оставлял отпечаток с предыдущей чашки, т. е. переносил отдельные клетки из каждой колонии, сохраняя их расположение по отношению друг к другу. Благодаря этому Ледерберги могли установить происхождение каждой бактерии в любом месте на новой чашке по положению исходной колонии на предыдущей чашке.

Ледерберги попытались доказать, что мутация устойчивости к антибиотикам произошла до их воздействия на бактерии. Они вырастили бактерии Е. coli на простом агаре и сделали отпечаток на чашке со стрептомицином. При этом выжило только несколько бактерий. Ледерберги определили местоположение их родительских колоний на исходной чашке с агаром. Затем из этих родительских колоний, т. е. из тех точек на исходной чашке, где были получены резистентные бактерии, с помощью петли часть бактерий переносили в пробирки с жидкой средой для быстрого роста. После этого их пересевали на чашки с новой средой, не содержащей антибиотика. Следует помнить, что эти бактерии и их прямые предки никогда не подвергались воздействию стрептомицина. Отпечатки этих новых посевов были сделаны на чашках со стрептомицином. В этот раз погибло гораздо меньше бактерий, чем при первом отпечатке, т. е. не подвергавшиеся воздействию антибиотика родительские формы резистентных бактерий имели мутацию.

Затем со второй чашки, где отсутствовал антибиотик, с помощью петли Ледерберги захватывали бактерии из тех колоний, которые соответствовали местоположению резистентных бактерий на второй чашке со стрептомицином. Эти захваченные бактерии содержали гораздо большую долю резистентных форм, чем в первом случае. Ледерберги размножали их в жидкой среде и вновь высевали на чашки. При третьем отпечатке на чашке с токсической средой количество резистентных бактерий оказалось еще больше по сравнению с предыдущими отпечатками: чашка была заполнена ими, хотя их предки никогда не вступали в контакт со стрептомицином, т. е. мутация произошла до того, как возникло новое давление окружающей среды. К четвертому посеву методом отпечатков все бактерии оказались резистентными.

Каждый этап этого эксперимента обогащал популяцию бактерий резистентными аллелями. Фактически Ледерберги заменили естественный отбор искусственным, производимым человеком. Они также провели опыты с другими антибиотиками и получили аналогичные результаты.

Мутации не только не возникают, когда организму необходимо стать более приспособленным, но, даже если они возникают, они обычно бывают вредными. Менее 1% из сотен наблюдаемых мутаций у ячменя были полезными, а у человека из 10 типов мутаций с известной частотой 8 обусловливают низкую относительную приспособленность. Влияние же остальных двух типов мутаций, альбинизма и аниридии (отсутствия радужной оболочки глаза), на приспособленность неизвестно. В эксперименте с лабораторными популяциями Dro-sophila melanogaster, в которых частота мутаций увеличивалась с помощью действия рентгеновских лучей, 95% мух даже не дожило до взрослого возраста и очень малое количество мух дало плодовитое потомство.

Хотя обычно мутации бывают вредными, все же, когда возникает мутация, способствующая вопроизведению организмом потомства в своем поколении, естественный отбор приводит к увеличению той части популяции, которая несет данный аллель. Этот же механизм сдерживает распространение вредных аллелей. Именно благодаря тому, что естественный отбор увеличивает приспособленность и приводит к образованию популяций хорошо адаптированных особей, большинство мутационных изменений оказываются вредными. Например, если вы почти в совершенстве играете в теннис, тогда попытка использовать новые приемы почти наверняка помешает успешной игре. Случайные мутации являются одним из факторов эволюции, но этот фактор играет меньшую роль по сравнению с естественным отбором. Мутации возникают независимо от того, увеличивают они приспособленность или уменьшают ее. Однако часто они приводят к изменению фенотипа и, таким образом, вовлекаются в эволюционный процесс. Тогда что же такое эволюционное давление, производимое мутацией? (Мы будем говорить о генной мутации, но те же принципы можно отнести к молекулярной и хромосомной мутациям или любому другому типу мутаций.)

Предподожим, что в локусе имеются два аллеля: В и Y. Существует шанс, что вредный аллель В превратится в полезный Y, a Y мутирует в В. Этот шанс может быть невелик, даже близок к нулю, но он существует. Каким же может быть конечный результат эволюции, обусловленный этими мутациями (в отсутствие отбора)?

Представьте себе фантастический эксперимент с двумя сосудами, содержащими аллели В и аллели Y. Представьте также, что в нем участвуют два джина (наподобие джинов из сказок "Тысяча и одна ночь"): один из них вынимает из сосуда аллели В, изменяет их в Y и бросает в сосуд с аллелями У. Другой джин делает обратное. Единственным правилом является то, что джин В->Y должен изменить точно X процентов генов В за поколение; за это время джин Y->В из меняет Z процентов генов F. Который из джинов выигрывает? Ни тот, ни другой. Если начнет выигрывать джин Y->B, он исчерпает свой собственный набор генов Y. Это даст джину B->Y преимущество в дальнейшей игре. Фактически, когда число превращенных генов Y равняется числу превращенных генов В, достигается равновесие.

Генетики выяснили, что фактическая частота генных мутаций очень низка: от пяти на миллион до восьми на сто тысяч или около этого. Поскольку большинство мутаций бывают вредными, то их низкие частоты сами по себе факт благоприятный. Многие эволюционисты полагают, что частоты генных мутаций стали такими низкими в процессе эволюции, так как организмы с высокой частотой мутаций менее приспособлены. (Известны гены, влияющие на частоту мутаций.) Мы уже отмечали, что во всех случаях, исключая гетерозис, один из двух аллелей данного признака элиминируется в результате отбора, направленного против него. Но элиминация аллеля не является полной, потому что существует возможность восстановления частоты этого аллеля. Когда аллель полностью исчезает, он возникает из другого аллеля в результате мутации. Хотя силы отбора и мутации не равны, между ними устанавливается равновесие. Обычно отбор доминирует, и мутации едва удается предотвратить полное исчезновение вредных аллелей.

Примером является аллель карликовости у человека. Люди с одним нормальным аллелем и одним аллелем карликовости являются хондродистрофиками (рис. 21-2). (Люди с двумя аллелями карликовости нежизнеспособны.) Хотя в результате отбора хондроди-строфики должны были бы исчезнуть, мутации поддерживают сохранение этого аллеля.

Рис. 21-2. Три типа карликовых взрослых людей. Два карлика слева от взрослого человека нормального роста являются хондродистрофиками. Всем этим лицам было более 20 лет в момент фотографирования. (Из: And Replenish the Earth. 1974, Michael L. Rosenzweig.)

Датский исследователь Е. Т. Морч (Е. Т. Morch) провел анализ в семьях 108 карликов и выяснил, что, хотя у карликов родилось только 27 живых детей, у их 457 нормальных братьев и сестер родилось 582 ребенка. Ясно, что отбор работал против карликовости. Затем Морч измерил частоты мутаций, изучив записи 94 075 новорожденных в Копенгагенской больнице. Только 10 из всех этих детей были карликами - хондродистрофиками. Но 2 из 10 были рождены родителями карликами, т. е. их карликовость не была обусловлена новой мутацией. Таким образом, из 94 073 потенциально нормальных новорожденных у 8 была мутация" карликовости. Поскольку каждый из 94 073 детей имеет два гена этого локуса, то общее число локусов было 188 146. В восьми произошла мутация, следовательно, мутационная частота (х) равна 8/188146, или 42,5 мутаций на миллион генов. Такая низкая частота вовсе неудивительна. Мутаций же в сторону нормализации не наблюдалось. Между отбором, направленным против карликовости, и мутацией, образующей 8 аллелей карликовости на 188 146 нормальных аллелей, установилось равновесие. Равновесие, которое наблюдал Морч, выражалось в том, что частота аллеля карликовости составляла 10/188150.

Заключение

Мутации являются первичными переменами, на которых строятся эволюция и селекция. Естественное проявление мутаций - это процесс, постоянно идущий у всех организмов. В его базе лежат конфигурации в химии генов, разные структурные преобразования в хромосомах, конфигурации в числе хромосом.
Мутационная изменчивость лежит в базе всякого исходного материала для селекции, ибо исходное, первичное наследственное обилие возникает лишь на базе мутаций. Возможность управления действием мутаций приводит к самым суровым изменениям во всей дилемме исходного материала для селекции.
Управление действием мутаций может осуществляться различными способами. С одной стороны, резкое усиление общих действий изменчивости приводит к получению в большом количестве наибольшего контраста генов и хромосом. С иной стороны, важное значение имеет внедрение таковых причин, которые владеют способностью вызывать специфичное мутирование. В этом случае возникает возможность дифференцированно управлять действием мутаций, вызывая ограниченный круг подходящих мутаций, а в конце концов получать лишь нужные мутации.
Естественный мутационный процесс зависит от наружных причин. Причины наружной среды составляют базу появления естественных мутаций. Частота мутаций в естественной среде может возрастать под действием температуры, ультрафиолетового света, ионизирующих измерений, химических мутагенов.
Сейчас существует возможность, используя причины наружной среды, вмешиваться в химическую структуру генов, вызывая в любом подходящем количестве мутации генов и хромосом. Сиим заново решается неувязка исходного материала для селекции. Способы индуцированного мутагенеза коренным образом дополняют все другие разделы учения об исходном материале. Только пройдя строгую селекцию, а в ряде всевозможных случаев и скрещивание, мутации могут положить начало новым сортам. Сама же селекция идет классическими генетическими способами, т. к. мутации - это лишь сырой материал для сотворения сорта.
Естественный мутационный процесс является основой эволюционных преобразований видов, и в течение всей прошлой селекции был основой отбора при разработке видов растений. В итоге деяния естественного и искусственного отбора наследственные конфигурации - мутации, в зависимости от их адаптивной либо хозяйственной ценности, закрепляются при половом либо вегетативном размножении либо не подвергаются под влиянием конфигураций наружной среды мутациям, генетическим изменениям.

Использованная литература

1. Гуляев С.А., Жуковский В.М., Комов С.В. «Основы естествознания», Екатеринбург, 1997 г.

2. Дубнищева Т.Я. «Концепции современного естествознания», Новосибирск, «Изд-во ЮКЭА», 1997 г.

3. Петровский Б.В. «Популярная медицинская энциклопедия», М., «Советская энциклопедия», 1997 г.

4. Айала, Франциско Дж. Современная генетика – М., 1988.

5. Гуляев Г. В. Генетика – М., Колос, 1984.

6. Дубинин Н. П. Общая генетика: изд. 2-е, перераб. и доп. – М., 1976.

7. Иорданский Н. Н. Эволюция жизни: Учеб. Пособие для вузов – М. Академия, 2001

8. Мюнтцинг А. Генетика. Общая и прикладная – М., 1967

9. Приходченко Н. Н., Шкурат Т. П. Основы генетики человека – Ростов-на-Дону, Феникс, 1997

10. Рапопорт И. А. Гены, эволюция, селекции: Избр. труды – М., Наука, 1996

Поиск по сайту: