ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПРИРОДЫ

Как вызывают мутации

В 1899 г. два ученых — русский С. И. Коржинский и голландец Гуго де Фриз описали явление наследственной изменчивости в естественных, природных условиях. У различных видов среди подавляющей массы нормальных организмов они обнаружили отдельные особи, резко отличавшиеся по своим внешним признакам. Эти формы де Фриз назвал мутациями или мутантами.

Характерной особенностью мутантов было то, что они передавали потомкам свои измененные признаки. Иначе говоря, природа изменчивости была наследственной. В короткий срок это явление было открыто у многих растений и животных. Стало ясно, что мутанты возникают у всех видов живых существ. Причем в среднем один мутант возникает среди 100 тыс. или 1 млн. особей.

Разительны отличия нормальных организмов от полиплоидных. Слева изображено обычное растение энотеры, справа — гигантская энотера, обнаруженная Гуго де Фризом в конце 90-х годов прошлого века. Де Фриз не знал, чему обязан этот экземпляр энотеры своим большим ростом, множеством стеблей, крупными цветками. Лишь через 30 лет генетики нашли, что это связано с увеличением набора хромосом в клетках гигантской энотеры. Рисунок гигантской энотеры был сделан самим де Фризом.

Естественно, что исследователей заинтересовал вопрос о природе мутаций и причинах их возникновения. Мутации - это изменения наследственных свойств организмов, значит, их природа связана с какими-то нарушениями в составе и строении хромосом, несущих наследственную, или генетическую, информацию (см. ст. «Наследственность»). Но что именно меняется в хромосомах при возникновении мутаций, узнать долгое время не удавалось. Более того, на протяжении почти четверти века ученые-генетики не могли вызвать мутации искусственно и находили мутантов только в природе.

Но вот в 1925 г. советскому ученому академику Г. А. Надсону и его ученику Г. С. Филиппову удалось облучением искусственно вызвать мутации у микроскопических грибов. Авторы впервые описали «индуцированный мутагенез» у дрожжей под действием рентгеновых лучей. Через два года в США Г. Мёллер показал мутагенное действие рентгеновых лучей на дрозофилу — небольшое насекомое, которое часто используют генетики в своих экспериментах. Так был открыт радиационный мутагенез, т. е. искусственное вызывание мутаций воздействием на живые организмы различного рода излучений. Сейчас известно, что практически все виды лучистой энергии способны изменять наследственность всех без исключения живых организмов — от вирусов до человека.

Долгое время не удавалось вызвать мутации с помощью химических воздействий. Т. X. Морган в США, Н. К. Кольцов в СССР и многие другие ставили такие опыты сами и поручали их своим ученикам, но безрезультатно.

В 1928 г. в той же лаборатории Г. А. Надсона, где впервые было установлено мутагенное действие излучения, открыли и химический мутагенез. М. Н. Мейсель доказал, что пары хлороформа вызывают мутации у дрожжей. В 1932 г. В. В. Сахаров провел эксперимент, в котором с помощью раствора иода сумел вызвать мутации у личинок дрозофилы. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутаций оказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых. Через некоторое время еще в нескольких советских лабораториях (С. М. Гершензоном, М. В. Лобашовым, И. А. Рапопортом) и в Англии (Ш. Ауэрбах) было доказано мутагенное действие ряда химических веществ. После второй мировой войны химический мутагенез стали изучать очень широко. Но наиболее значительных результатов ученые достигли после того, как была установлена структура вещества наследственности — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Это открытие позволило целенаправленно искать все новые и новые вещества, изменяющие наследственность. Теперь известно, что многие вещества, способные реагировать с составными частями ДНК (отрывать от них отдельные атомы или группы их или, напротив, передавать им свои части), могут изменять наследственную запись — генетический код. Сегодня открыто много различных химических мутагенов, т. е. веществ, вызывающих изменения в наследственности: гидроксиламин, гидразины, азотистая кислота, различные акридиновые красители, аналоги азотистых оснований, уретаны, многие ядовитые и отравляющие вещества (например, азотистый и серный иприт), а также изменения в кислотности среды.

Мутации можно вызвать в клетках покоящихся и делящихся. Есть мутагены, которые проявляют свою активность независимо от того, делится клетка или нет. Есть и такие вещества, которые могут изменять генетический код только в момент деления клеток, когда происходит удвоение молекул ДНК.

Изучение химии взаимодействия мутагенов с ДНК выявило важное правило. Оказалось, что большинство мутагенов взаимодействуют со строго определенными составными частями ДНК. ДНК составлена из двух сахаро-фосфатных цепей, к которым присоединены по их длине азотистые основания четырех типов — аденин, тимин, гуанин и цитозин. Оказалось, что некоторые мутагены взаимодействуют только с цитозином, а другие — только с аденином. Это позволяет использовать в некоторых случаях вполне определенные вещества, чтобы изменять те или иные части ДНК.

Исследования последних лет позволили обнаружить еще одну важную закономерность. Во время жизни клеток ее генетическая информация постоянно участвует в управлении химическими процессами внутри клеток, ведь именно в ДНК записана программа синтеза белков в клетках. Когда эта наследственная программа «переписывается» особыми ферментами с молекул ДНК на другие молекулы, могут случаться «ошибки», которые влекут за собой изменения наследственных свойств организма. Мутации появляются также в момент размножения молекул или во время обмена генетической информацией между хромосомами.

Итак, не только за счет искусственных и часто необычных воздействий на организм ядами или излучением происходят изменения в наследственности живых организмов на Земле. И в обычных условиях, при нормально протекающих в организмах ферментативных процессах, накапливаются ошибки в ДНК, в результате чего происходят мутации. Но это случается, конечно, реже, чем при воздействии сильно повреждающими агентами.

Изучение мутационного процесса стало важной отраслью современной генетики. Сейчас, как правило, мутагенные вещества испытывают сначала на микроорганизмах. Это и дешевле и проще. Лишь затем проверяют их на высших организмах. С помощью мутагенных веществ ученые получают нужные им организмы, которые затем используются в селекционной работе. Практически все микробы, которые дают нам антибиотики, аминокислоты, некоторые витамины и другие биологически активные вещества, получены с помощью мутагенной обработки.