Генотипическую, или наследственную, изменчивость принято делить на комбинативную и мутационную.
Комбинативная изменчивость. Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе. Достигается это в результате трех процессов: а) независимого расхождения хромосом при мейозе, б) случайного их сочетания при оплодотворении, в) рекомбинации генов благодаря кроссинговеру; сами наследственные факторы (гены) при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и фенотипом.
Дарвин установил, что многие сорта культурных растений и породы домашних животных были созданы благодаря гибридизации существовавших ранее пород. Он придавал большое значение комбииативной изменчивости, считая, что наряду с отбором ей принадлежит важная роль в получении новых форм как в природе, так и в хозяйстве человека.
Комбинативная изменчивость широко распространена в природе. У микроорганизмов, размножающихся бесполым путем, появились своеобразные механизмы (трансформация и трансдукция), приводящие к появлению комбинативной изменчивости. Все это говорит о большой значимости комбинативной изменчивости для эволюции.
Комбинативная изменчивость распространена в природе и может играть роль даже в видообразовании. Описаны виды цветковых растений и рыб, совмещающие признаки двух близких ныне существующих видов. Однако возникновение видов в результате только гибридизации - явление редкое.
К комбинативной изменчивости примыкает явление гетерозиса. Гетерозис (гр. heteroisis - видоизменение, превращение), или «гибридная сила», может наблюдаться в первом поколении при гибридизации между представителями различных видов или сортов. Проявляется он в форме повышенной жизнеспособности, увеличения роста и других особенностей. Ярко выражен гетерозис у кукурузы, гибридизация которой дает значительный экономический эффект.
Мутационная изменчивость. Мутацией (лат. mutatio-перемена) называется изменение, обусловленное реорганизацией воспроизводящих структур, изменением ее генетического аппарата. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих генотипа особи. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, что иногда резко отличает организм от исходной формы.
Растениеводам и животноводам такие изменения были известны давно. Ряд наследственных изменений описал Дарвин в труде «Изменение домашних животных я культурных растений» (1868). Мутационной изменчивости посвятил свои работы С.И. Коржинский (1899) и Г. де Фраз (1901). Последнему принадлежит термин «мутация».
В настоящее время известны мутации у всех классов животных, растений и вирусов. Существует много.мутаций в у человека. Именно мутациями обусловлен полиморфизм человеческих популяций: различная пигментация кожи, волос, окраска глаз, форма носа, ушей, подбородка и т.д. В результате мутаций появляются и наследственные аномалии в строении тела, и наследственные болезни человека. С мутационной изменчивостью связана эволюция- процесс образования новых видов, сортов и пород. По характеру изменений генетического аппарата различают мутации, обусловленные: а) изменением числа хромосом (геномные) б) изменением структуры хромосом (хромосомные аберрации); в) изменением молекулярной структуры гена (генные, или точковые мутации).
Геномная изменчивость. Гаплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоид-ном наборе хромосом, названы геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, получили название геномных. К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия (анэуплоидия).
Полиплоидия - увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза.
Вспомним, что половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (п),а для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный набор (2n). У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору:, 3n - триплоид, 4n - тетраплоид, 5n - пентаплоид, 6n - гексаплоид и т. д. По-видимому, эволюция ряда цветковых растений шла путем полиплоидизации. Культурные растения в своем большинстве - полиплоиды.
В селекционной практике, с целью получения полиплоидов, растения подвергаются действию критических температур, ионизирующей радиации,химических агентов. Из последних наиболее популярен алкалоид колхицин.
Формы, возникающие в результате умножения хромосом одного генома, носят название автоплоидных. Однако известна и другая форма полиплоидии - аллоплоидия, при которой умножается число хромосом двух разных геномов. Аллополиплоиды искусственно получены при гибридизации ряда видов растений и животных. Так, Г. Д. Карпеченко создал аллополиплоидный гибрид редьки и капусты. В данном случае каждый исходный вид имеет 18 хромосом, а гибридный - 36, так как является аллотетраплоидом.
Полиплоидные формы известны и у животных. По-видимому, эволюция некоторых групп простейших, в частности инфузорий и радиолярий, шла также путем полиплоидизации. У некоторых многоклеточных животных полиплоидные формы удалось создать искусственно (тутовый шелкопряд).
Гетероплоидия. В результате нарушения мейоза и митоза число хромосом может изменяться и становиться не кратным гаплоидному набору. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается в тройном числе, получило название трисомии. Если наблюдается трисомия по одной хромосоме, то такой организм называется трисомиком и его хромосомный набор равен 2n+1 Трисомия может быть по любой из хромосом и даже по нескольким. Двойной трисомик имеет набор хромосом 2n+2, тройной- 2n+3 и т. д.
Явление трисомии впервые описано у дурмана. Известна трисомия и у других видов растений и животных, а также у человека. Трисомиками являются, например, люди с синдромом Дауна. Трисомики чаще всего либо нежизнеспособны, либо отличаются пониженной жизнеспособностью и рядом патологических признаков.
Явление, противоположное трисомии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называется моносомией, организм же - моносомиком; его кариотип – 2n-1. При отсутствии двух различных хромосом организм является двойным моносомиком (2n-2). Если из диплоидного набора выпадают обе гомологические хромосомы, организм называется нулисомиком. Он, как правило, нежизнеспособен.
Из сказанного видно, что анэуgлоидия, т. е. нарушение нормального числа хромосом, приводит к изменениям в строении и к снижению жизнеспособности организма. Чем больше нарушение, тем ниже жизнеспособность. У человека нарушение сбалансированного набора хромосом влечет за собой болезненные состояния, известные под общим названием хромосомных болезней.
Хромосомные аберрааии возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы, приводящего к образованию фрагментов, которые а дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают четыре основных типа хромосомных аберрации: нехватки, удвоения (дупликации), инверсии, транслокаций.
Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы приводят организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной из хромосом у кукурузы ее проростки лишены хлорофилла.
Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к проявлению новых признаков. Так, у дрозофилы ген полосковидных глаз (вместо круглых) обусловлен удвоением участка в одной из хромосом.
Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180°. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами. Н. П. Дубинин установил, что инверсии широко распространены, в частности у дрозофил, взятых из природы, и, по-видимому, могут играть роль в эволюции видов.
Транслокации возникают в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичиой хромосоме, т. е. хромосоме из другой пары Транслокация участка одной из хромосом (21-й) известна у человека; оно может быть причиной болезни Дауна. Большинство крупных хромосомных аберраций в зиготах у человека приводит к тяжелым аномалиям, несовместимым с жизнью, либо к гибели зародышей еще во время внутриутробного развития.
Генные мутации, или трансгенации, затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Его может составить только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК обусловливает изменение в последовательности триплетов и в конечном итоге изменяет программу синтеза белка. Следует помнить, что нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется репарация.
Большинство мутаций, с которыми связаны эволюция органического мира и селекция, - трансгенации. Вот несколько примеров мутаций, широко используемых при изучении закономерностей наследственности. У дрозофилы, имеющей в норме красные глаза, появились мутанты с глазами белого цвета, абрикосового цвета, цвета слоновой кости и т. д. Так возникла большая серия аллелей, включающая более 10 мутантных изменений окраски глаз.
Альбинизм животных - типичная генная мутация. В результате мутации гороха появились растения с желтыми и зелеными семенами, с гладкими и морщинистыми зернами, белыми и пурпурными цветками и т. д. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса как известно, являются аллельными. Появление мутации для каждого генного локуса - событие довольно редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутирования. Так, у человека мутация, приводящая к карликовости, встречается в 5-13 гаметах на миллион, мышечной дистрофии (мышечная слабость) в 8-11, микроцефалии (недоразвитие мозга) - в 27, ретинобластомы (опухоль сетчатки глаза) - в 3-12 гаметах на миллион и т. д. Для каждой аллели частота мутирования более или менее постоянна и колеблется в пределах 10-5-10-7. Однако ввиду огромного числа генов у каждого организма мутации довольно часты. Так, у высших растений в животных до 10% гамет несут какие-либо новые, спонтанно возникшие изменения.
Соматические и генеративные мутация. Мутации возникают в любых клетках, поэтому их делят на соматические и генеративные. Биологическое значение их неравноценно и связано с характером размножения организмов.
При делении мутировавшей соматической клетки новые свойства передаются ее потомкам. Если у растения мутирует клетка, из которой образуется почка, а затем побег, то последний приобретает новые свойства. Так, на кусте черной смородины может появиться ветка с белыми ягодами. При вегетативном размножения новый признак, возникший в результате соматической мутации, сохраняется у потом» ков. Это применяется в селекции растений.
При половом размножении признаки, появившиеся в результате соматических мутаций, потомкам не передаются и в процессе эволюции никакой роли не играют. Однако в индивидуальном развитии они могут влиять на формирование признака: чем в более ранней стадии развития возникнет соматическая мутация, тем больше участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Например, мозаиками являются люди, у которых цвет одного глаза отличается от цвета другого, или животные определенной масти, у которых на теле появляются пятна другого цвета, и т. п. Не исключено, что соматические мутации, влияющие на метаболизм, являются одной из причин старения и злокачественных новообразований.
Если мутация происходит в клетках, из которых развиваются гаметы, или в половой клетке, то новый признак проявится в ближайшем или последующих поколениях. Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма. Это объясняется тем, что функционирование каждого органа сбалансировано в отношении как других органов, так и внешней среды. Нарушение существующего равновесия обычно ведет к снижению жизнедеятельности «ли гибели организма. Мутации, снижающие жизнедеятельность, называются полулетальными. Мутации, ее совместимые с жизнью, носят название летальных (лат. letalis - смертельный). Однако некоторая часть мутаций может оказаться полезно». Такие мутация являются материалом для прогрессивной эволюция, а также для селекции ценных пород домашних животных и культурных растений. По-видимому, чаще всего «полезные» мутации в сочетании с отбором лежат в основе эволюции.
Индуцированным мутагенез. Мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием нензвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК. Индуцированные мутация вызваны специально направленными воздействиями, повышающими мутационный процесс.
Наследственные различия у микроорганизмов, растений, животных и человека, в том числе наследственные болезни и уродства, появились в результате мутаций. Если спонтанные мутации - явление довольно редкое (частота - 10-6-10-7), то применение мутагенных агентов значительно повышает частоту их.
Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили название мутагенных. Установлено, что любые факторы внешней и внутренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мутацию. Главнейшими мутагенами являются: химические соединения, различные виды излучений, биологические факторы.
Химический мутагенез. Еще в 1934 г. М.Е. Лобашев отметил, что химические мутагены должны обладать тремя качествами; высокой проникающей способностью; свойством изменять коллоидное состояние хромосом; определенным действием на состояние гена или хромосомы.
Приоритет открытия химических мутагенов принадлежит советским исследователям. В 1933 г. В. В. Сахаров получил мутации путем действия йода, в 1934 г. М. Е. Лобашев - применяя аммоний. В 1946 г. советский генетик И. А. Рапопорт обнаружил сильное мутагенное действие формалина и этиленимина, а английская исследовательница Ш. Ауэрбах - иприта. Позже были открыты многие другие химические мутагены. Некоторые из них усиливают мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанным; они получили название супермутагенов (лат. super - сверх), т. е. оказывающих сверхмутагенное действие. Многие; из супермутагенов, в частности использованные для получения высокоактивных штаммов микроорганизмов -продуцентов антибиотиков, открыл И. А. Рапопорт.
Химические мутагены используются для получения мутантных форм плесневых грибов, актиномицетов, бактерий, вырабатывающих в большом количестве пенициллин, стрептомицин и другие антибиотики. Химическими мутагенами повышена ферментативная активность грибов, применяемых для спиртового брожения. Разработаны десятки перспективных мутаций культурных растений.
В экспериментах мутации индуцируются разнообразными химическими агентами. Этот факт свидетельствует о том, что, по-видимому, и в естественных условиях подобные факторы также служат причиной появления спонтанных мутаций у различных химических веществ и даже некоторых лекарственных препаратов. Это говорит о необходимости изучения мутагенного действия новых фармакологических веществ, пестицидов и других химических соединений, все шире используемых в медицине и сельском хозяйстве.
Радиационный мутагенез. Индуцированные мутации, вызванные облучением, впервые были экспериментально получены советскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым, которые в 1925 г. наблюдали мутационный эффект на дрожжах после воздействия на них ионизирующей радиации. В 1927 г. американский генетик Г. Меллер показал, что рентгеновы лучи могут вызвать множество мутаций у дрозофилы, а позже мутагенное воздействие рентгеновых лучей подтвердилось на многих объектах. В дальнейшем было установлено, что наследственные изменения обусловливаются также всеми другими видами проникающей радиации.
Для искусственных мутаций часто используются гамма-лучи, источником которых в лабораториях обычно является радиоактивный кобальт (60Со). В последнее время для индуцирования мутаций все шире применяются нейтроны, обладающие большой проникающей способностью. При этом возникают как разрывы хромосом, так и точковые мутации. Изучение мутаций, связанных с действием нейтронов и гамма-лучей, представляет собой интерес по двум причинам. Во-первых, установлено, что генетические последствия атомных взрывов связаны прежде всего с мутагенным влиянием ионизирующей радиации. Во-вторых, физические методы мутагенеза применяются для получения ценных в хозяйственном отношении сортов культурных растений. Так, советские исследователи, используя методы воздействия физическими факторами, вывели стойкие к ряду грибных заболеваний и более урожайные сорта пшеницы и ячменя.
Облучение индуцирует как генные мутации, так и структурные хромосомные перестройки всех описанных выше типов: нехватки, инверсии, удвоения и транслокации, т.е. все структурные изменения, связанные с разрывом хромосом. Причиной этого являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучений. Излучения вызывают в тканях ионизацию, в результате которой одни атомы теряют электроны, а другие присоединяют их: образуются положительно или отрицательно заряженные ионы. Подобный процесс внутримолекулярной перестройки, если он происходил в хромосомах, может привести к их фрагментации.
В последнее время доказано, что связь между облучением и мутационными изменениями может носить и непрямой характер. По-видимому, энергия излучения может вызвать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуцированию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах. Так, у бактерий и грибов можно увеличить частоту мутаций, даже не облучая их, а лишь воспитывая на облученной среде. Следовательно, мутации могут индуцироваться и пострадиационными химическими изменениями, происшедшими в среде.
Одним из самых опасных последствий облучения является образование свободных радикалов ОН или НО, из находящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реактивной способностью и могут расщеплять многие органические вещества, в том числе нуклеиновые кислоты.
Научным комитетом ООН по радиации установлено, что для человека дозой рентгеновых и гамма-лучей, удваивающих количество естественных мутаций, является доза 0,5-1,5 Гр (50-150 рад.).
При всех недостатках современной оценки радиогенетического эффекта не остается сомнений в серьезности генетических последствии, ожидающих человечество в случае бесконтрольного повышения радиоактивного фона в окружающей среде. Опасность дальнейших испытаний атомного и водородного оружия очевидна.
В то же время применение атомной энергии в генетике и селекции позволит создать новые методы изменения наследственности растений, животных и микроорганизмов, глубже понять процессы генетической адаптации организмов.
Другие мутагенные факторы. Первые исследователи мутационного процесса недооценивали роль факторов внешней среды в явлениях изменчивости. В начале XX в. некоторые исследователи даже считали, что внешние воздействия не имеют никакого значения для процесса мутирования. В дальнейшем эти представления были отвергнуты благодаря искусственному воспроизведению мутаций с помощью различных факторов внешней среды. В настоящее время можно предполагать, что нет таких факторов внешней среды, которые в какой-то мере не сказались бы на изменении наследственных свойств. Из физических факторов на ряде объектов установлено мутагенное действие ультрафиолетовых лучей, фотонов света и температуры. Повышение температуры увеличивает число мутаций. Однако температура относится к числу тех агентов, в отношении которых у организмов существуют защитные механизмы, вследствие чего гомеостаз нарушается незначительно. В связи с этим температурные воздействия дают небольшой мутагенный эффект по сравнению с другими агентами.
Найдены биологические мутагены, к которым относятся вирусы и токсины ряда организмов, особенно плесневых грибов. В 1958 г. советский генетик С. И. Алихаиян показал, что вирусы вызывают мутации у актиномицетов. Далее в ряде отечественных и зарубежных лабораторий было установлено появление большого числа хромосомных аберраций и культурах микроорганизмов и клеток животных и человека, пораженных вирусами. Оказалось также, что вирусы вызывают мутации у растений и животных. При этом мутагенным действием обладают не только те вирусы, к которым восприимчив организм, в котором они размножаются и вызывают заболевание, но и непатогенные для него вирусы. Так, у дрозофилы получен ряд мутаций действием вируса лейкоза мышей. По-видимому, причина кроется в способности их глубоко изменять метаболизм клетки. Таким образом, роль вирусов в природе заключается в том, что они являются не только возбудителями многих болезней растений, животных и человека, но и виновниками многих спонтанных мутаций.
Гомологические ряды в наследственной изменчивости (закон Вавилова). Известно, что мутнрование происходит в различных направлениях. Однако это многообразие подчиняется определенной закономерности, обнаруженной в 1920 г. Н. И. Вавиловым. При сравнении признаков различных сортов культурных растений и близких к ним дикорастущих видов обнаружилось много общих наследственных изменений. Это позволило Н. И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов».
Подтвердим это примером. У колосовых злаков - мягкой и твердой пшеницы и ячменя - известны формы с длинными и короткими остями, вздутиями вместо остей, безостые. У пшеницы, ячменя и овса встречаются три основные окраски колоса - белая, красная и черная.
Н.И. Вавилов указал, что гомологические ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств. Короткопалость отмечена у представителей многих отрядов млекопитающих: у крупного рогатого скота, овец, собак, человека. Альбинизм наблюдается во всех классах позвоночных животных. Закон гомологических рядов позволяет предвидеть возможность появления мутаций, еще не известных науке, которые могут использоваться в селекции для создания новых ценных для хозяйства форм.
В 1920 г., когда был сформулирован закон гомологических рядов, еще не знали озимой формы твердой пшеницы, но существование ее было предсказано. Через несколько лет такую форму обнаружили в Туркмении. У злаков - пшеницы, ячменя, овса, кукурузы - существуют голые и пленчатые зерна. Голозерный сорт проса не был известен, но существование такой формы следовало предполагать. И она была найдена.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека. Вопросы лечения и профилактики наследственных заболеваний не могут быть решены без исследований на животных с наследственными аномалиями, подобными встречающимся у человека.
Согласно закону Н. И. Вавилова, мутации, аналогичные наследственным болезням человека, должны встречаться у животных. Действительно, многие мутации, обнаруженные у животных, могут служить моделями наследственных болезней человека. Так, у собак наблюдается гемофилия, сцепленная с полом. Альбинизм зарегистрирован у многих видов грызунов, кошек, собак, у ряда видов птиц. Моделями для изучения мышечной дистрофии могут служить мыши, крупный рогатый скот, лошади; эпилепсии - кролики, крысы, мыши, аномалии в строении глаза - многие виды грызунов, собаки, свиньи и другие животные. Наследственная глухота существует у морских свинок, мышей и собак. Пороки развития в строении лица, гомологичиые «заячьей губе» (несращение боковых ветвей верхней губы) и «волчьей пасти» (несращеиие верхней челюсти с твердым небом), бывают у мышей, собак, свиней. Наследственными болезнями обмена, такими, как ожирение и диабет, страдают мыши. Этот список можно продолжить. Кроме уже известных мутаций путем воздействия мутагенных факторов можно получить у лабораторных животных много новых аномалий, сходных с теми, которые встречаются у человека.