§ 2. Мутационная теория

Открытие прерывистых, внезапных, наследственных ненаправленных изменений - мутаций (от лат. mutation - изменение)^*, распределение которых носит чисто случайный характер, послужило толчком для еще более бурного развития классической генетики в начале 20-го века и для выяснения роли наследственных изменений в эволюции.

^* (Внезапно возникающие наследственные изменения еще издавно (в 17-м и 18-м веках) называли мутациями. Воскресил этот термин Г. Де Фриз.)

В 1898 г. русский ботаник С. И. Коржинский, а два года спустя голландский ботаник Де Фриз (один из тех, кто вторично открыл закон Менделя - см. главу IV, § 3) делают независимо друг от друга еще одно чрезвычайно важное генетическое обобщение, получившее название мутационной теории.

Сущность этой теории заключается в том, что мутации возникают внезапно и ненаправленно, но, раз возникнув, мутация становится устойчивой. Одна и та же мутация может возникать повторно.

Однажды, проходя мимо картофельного поля (близ голландской деревни Гилверсум), заросшего привезенным из Америки сорняком ослинником, ночной свечкой или энотерой (Oenothera Lamarckiana) из семейства кипрейных (в состав которого входит всем известный кипрей, или Иван-чай), Де Фриз заметил среди обычных растений экземпляры, резко от них отличающиеся. Ученый собрал семена этих исключительных растений и высеял их в своем опытном саду. В течение 17 лет Де Фриз наблюдал энотеру (тысячи растений). Вначале он обнаружил три мутанта: один из них был карликовым, другой гигантским - крупными оказались его листья, цветы, плоды, семена, длинными стебли (рис. 29), третий имел красные жилки на листьях и плодах. За 10 лет от нормальных растений Де Фриз получил много новых форм, отличающихся рядом признаков. Ученый внимательно следил за мутантами (так называются носители мутаций) и их потомками на протяжении нескольких лет. На основании наблюдений, дополняя учение Дарвина, он пришел к заключению о первостепенной важности резких наследственных уклонений - мутаций для возникновения новых видов. Мутации появляются в самых разных направлениях у представителей любого из видов. Так как не все мутации позволяют мутанту выжить (в определенной среде), то дальнейшее существование соответствующей формы решается дарвиновской борьбой за существование путем естественного отбора.

Рис. 29. Энотера Ламарка (Oenotera Lamarckiana) и ее мутанты: энотера карликовая (Oen. nanella) и энотера гигантская (Оеn. gigans)

Вскоре в научной литературе появилось множество описаний различных мутаций у животных и растений.

Не зная механизма возникновения мутаций, Де Фриз полагал, что все подобные изменения возникают самопроизвольно, спонтанно. Это положение справедливо лишь для части мутаций.

Неизбежность спонтанных мутаций следует из неизбежности движения атомов, при котором рано или поздно, но статистически неизбежно происходят переходы электронов с одной орбиты на другую. В результате изменяются отдельные атомы и целые молекулы даже при самых постоянных условиях среды. В появлении спонтанных мутаций и сказывается это неизбежное изменение любой физико-химической структуры (такой структурой являются и молекулы ДНК - хранители наследственной информации).

Спонтанные мутации постоянно обнаруживаются в природе с определенной частотой, сравнительно близкой у самых разнообразных видов живых организмов. Частота появления спонтанных мутаций колеблется по отдельным признакам от одной мутации на 10 тыс. гамет до одной мутации на 10 млн. гамет. Однако в связи с большим числом генов у каждой особи у всех организмов 10-25% всех гамет несут те или иные мутации. Примерно каждый десятый индивидуум является носителем новой спонтанной мутации.

Надо отметить, что большинство вновь возникающих мутаций находится обычно в рецессивном состоянии, увеличивая лишь скрытую, потенциальную, изменчивость, характерную для организмов любого вида. При изменении условий внешней среды, например при изменении действия естественного отбора, эта скрытая наследственная изменчивость может проявиться, так как особи, несущие в гетерозиготном состоянии рецессивные мутации, не будут в новых условиях уничтожаться в процессе борьбы за существование, а будут оставаться и давать потомство. Самопроизвольные, спонтанные мутации появляются без каких-либо вмешательств со стороны. Однако существует множество так называемых индуцированных мутаций. Факторами, вызывающими (индуцирующими) мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: температура, ультрафиолетовое излучение, радиация (как естественная, так и искусственная), действие различных химических соединений - мутагенов. Мутагенами называют агенты внешней среды, вызывающие те или иные изменения генотипа - мутацию, а сам процесс образований мутаций - мутагенезом.

Радиоактивным мутагенезом начали заниматься в 20-х годах нашего столетия. В 1925 г. советские ученые Г. С. Филиппов и Г. А. Надсон впервые в истории генетики применили рентгеновские лучи для получения мутаций у дрожжей. Через год американский исследователь Г. Меллер (впоследствии дважды лауреат Нобелевской премии), длительное время работавший в Москве, в институте, руководимом Н. К. Кольцовым, применил тот же мутаген на дрозофиле.

Рис. 30. Мутации дрозофилы. А - зачаточные крылья (ген vestigial); Б - закрученные крылья (ген curled)

У дрозофилы обнаружены многочисленные мутации, две из них vestigial и curled изображены на рис. 30.

В настоящее время работы в этой области переросли в одну из наук-радиационную биологию, науку, имеющую большое практическое применение. Например, некоторые мутации грибов - продуцентов антибиотиков - дают в сотни и даже тысячи раз больший выход лекарственных веществ. В сельском хозяйстве благодаря мутациям получены высокоурожайные растения. Радиационная генетика имеет значение в изучении, освоении космических пространств.

Химический мутагенез впервые целенаправленно начали изучать сотрудник Н. К. Кольцова В. В. Сахаров в 1931 г. на дрозофиле при воздействии на ее яйца йодом, а позже М. Е. Лобашов.

К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества (алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотистая кислота и ее аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжелых металлов, красители, обладающие основными свойствами, вещества ароматического ряда), инсектициды (от лат. insecta - насекомые, cida - убийца), гербициды (от лат herba - трава), наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные вещества и многие другие.

За последние годы в нашей стране начаты работы по использованию химических мутагенов для создания новых пород животных. Интересные результаты достигнуты по изменению окраски шерсти у кроликов и увеличению длины шерсти у овец. Существенно, что эти достижения получены при таких дозировках мутагенов, которые не вызывают гибели подопытных животных. Широко используются сильнейшие химические мутагены (нитрозоалкилмочевины, 1,4-бисдиазоацетилбутан).

Одной из основных задач селекции сельскохозяйственных растений является создание сортов, устойчивых к грибковым и вирусным заболеваниям. Химические мутагены являются эффективным средством для получения форм растений, устойчивых к самым различным заболеваниям. У злаков (яровая и озимая пшеница, ячмень, овес) получены формы, устойчивые к мучнистой росе, с повышенной устойчивостью к различным видам ржавчины. Немаловажно то, что у отдельных мутантов увеличение количества белка не коррелирует с ухудшением его качества и возможно получение форм с повышенным содержанием белка и незаменимых аминокислот в нем (лизина, метионина, треонина).

Среди мутантов, индуцированных химическими мутагенами, большой интерес представляют формы с комплексом положительных признаков. Нередки случаи получения таких форм у пшеницы, гороха, томатов, картофеля и других культур. Мутации являются материалом как для естественного, так и для искусственного отбора (селекции).

В 1920 г. в то время еще молодой, но один из крупнейших генетиков 20-го века Николай Иванович Вавилов установил, что существует параллелизм изменчивости среди самых разнообразных систематических единиц живых существ. Это положение получило название правила гомологических (от лат. homologis - согласие, единое происхождение) рядов, которое до известной степени позволяет предсказать, какие мутации могут возникать у родственных (а иногда и у отдаленных) форм. Это правило заключается в том, что между различными систематическими группами (виды, роды, классы и даже типы) существуют повторяющиеся ряды форм, сходные по своим морфологическим и физиологическим свойствам. Это сходство обусловлено наличием общих генов и сходным их мутированием.

Так, среди сортов пшеницы и ржи встречаются сходные формы, озимые и яровые, обладающие остистостью, короткоостистостью или безостистостью колоса; и у тех и у других наблюдаются опущенные, гладкоколосные, красно-, бело- и черноколосные расы, расы с ломким и неломким колосом и другими признаками. Подобный же параллелизм между организмами, относящимися к разным видам, родам, семействам и даже к разным классам, наблюдается у животных. Примером могут служить гигантизм, карликовость или отсутствие пигментации - альбинизм у млекопитающих, птиц, а также у других животных и растений.

Обнаружив у одного биологического вида серию форм А, Б, В, Г, Д, Е и установив у другого родственного ему вида формы А₁, Б₁, Д₁, Е₁, можно предположить, что существуют еще не открытые формы В₁ и Г₁.

У человека частота мутирования составляет в естественных условиях 1:1 000 000, но если учесть огромное число генов, то не менее 10% гамет как мужских, так и женских, несет какую-либо вновь возникающую мутацию.