Генетические структуры находятся в среде, из которой на них постоянно оказывают воздействие материальные частицы различной природы. Это прежде всего молекулы, находящиеся в состоянии хаотического теплового движения, которые соударяются с волокнами ДНК и могут стать причинами некоторых ошибок. Это, кроме того, могут быть кванты света, частицы ультрафиолетовых излучений или радиоактивных веществ.
В привычных для каждого конкретного вида условиях мутации, вызванные повреждениями конструкций нуклеиновых кислот крайне редки, поскольку у огромного большинства соударяющихся частиц недостаточно энергии для разрушения таких прочных конструкций, как связки нуклеиновых кислот. Но изредка молекулы или микрочастицы всё же разгоняются до очень высоких скоростей, причём последние вследствие квантовых скачков или туннельного эффекта.
Движение в микромире носит не динамический, а вероятностный характер и описывается соотношением неопределённостей Гейзенберга. Движение одиночных частиц заранее определить невозможно, поскольку они не имеют чётко выраженных телесных очертаний и траекторий перемещения. Поэтому в принципе невозможно предсказать, в каком направлении будет двигаться та или иная высокоэнергетичная частица и с каким из многих тысяч генов того или иного генома она может столкнуться, испортив тем самым продуцирование белков, исказив исходную информацию для выработки фенотипом определённых свойств организма.
Частота и сила вызванных внешними воздействиями мутаций многократно повышается при экспериментальном индуцировании мутагенеза человеком. Как уже отмечалось выше, индуцированные мутации осуществляются с помощью «бомбардировки» генетических структур дрозофил и других подопытных животных радиоактивными, рентгеновскими и другими высокоэнергетичными потоками частиц, а также посредством обработки химическими мутагенами.
Признанным первооткрывателем искусственного мутагенеза был Герман Мёллер, который долгое время был ассистентом Т. Моргана при проведении исследований над дрозофилами в знаменитой «мушиной комнате». Морган, как известно, работал со спонтанными мутациями, и за 15 лет кропотливой деятельности ему удалось выявить у огромного числа мух и исследовать только около 200 отклонений от нормального фенотипа, вызванных мутациями.
Мёллер же, перебравшись в Техасский университет и покинув своего патрона, в 1926 г. начал серию экспериментов по индуцированию мутаций рентгеновским облучением. Он облучал самцов, а затем спаривал их с необлучёнными самками. В результате он получил более 100 мутантов за несколько недель. Перед исследователями тогда открылись совершенно новые горизонты по изучению мутаций и их влияния на генетические структуры.
Со времён Мёллера интерес генетиков к получению индуцированных мутаций не только не угас, но и разгорелся с неистовой силой. Причиной этого явилось обретение возможностей для экспериментального воспроизведения мутационной изменчивости, служащего материалом для важных теоретических обобщений, а также для селекционной деятельности, направленной на получение полезных для человека жизнеспособных мутаций.
Следует подчеркнуть, что за всю историю селекционной деятельности человека от древних времён, когда искусственный отбор был спонтанным и бессистемным, и до наших дней, когда селекционеры вооружены самыми современными техническими средствами и генетическими представлениями, не было выведено ни одного нового вида животных и растений, только новые породы, сорта и разновидности (и штаммы микроорганизмов).
Мы помним замечание Дарвина о том, что многие породы, выведенные искусственным отбором, больше отличаются друг от друга, чем близкие виды. Но это, тем не менее, только породы, а не виды. Они не отделены друг от друга репродуктивными барьерами, то есть способны скрещиваться друг с другом, а главное – у них идентичные геномы. Уже это порождает сомнение в том, что новые виды возникают на основе мутаций, поддержанных отбором.
Повреждение генетических структур различных видов домашних растений и животных различными физическими и химическими средствами приводит к появлению самых разнообразных мутаций. Огромное большинство из них оказываются вредными или бесполезными. Из огромного разнообразия мутантов с весьма различной селекционной ценностью селекционеры отбирают немногие или даже единичные перспективные образцы и разводят их для получения полезного для человека потомства.
Так возникают «перспективные уроды», которые маложизнеспособны или вообще нежизнеспособны в дикой природе, но поставляют человеку высокоурожайные или стойкие к неблагоприятным воздействиям среды сорта растений и животных, обладающих преимуществами не для биологической работы по выживанию и победе в борьбе за существование, а для питания человека и получения сырья для пищевой и кожевенной промышленности.
Методы индуцирования каскада мутаций весьма разнообразны. Для получения мутантов применяются источники ионизированных излучений, включая рентгеновское, альфа, бета и гамма излучения, быстрые и медленные нейтроны, протоны, а также неионизирующие ультрафиолетовые лучи. Последние имеют значительно большую длину волны и меньшую энергию, чем ионизирующие излучения, но их энергия передаётся структурам ДНК и нарушает их связи, приводя к неправильной репликации.
Ионизирующие же излучения своей энергией приводят к смещению электронов в атомах с их орбит, ионизации тканей, в клетках появляются высокоэнергетичные соединения – свободные радикалы. Возникают разрывы хромосом, сшиваются нити двойной спирали ДНК, образуются нити с изменённой последовательностью нуклеотидов, то есть новые варианты генов. Использование ионизирующих излучений позволило получить мутации плесневых грибов, продуцирующих более сильные антибиотики, создать высокоурожайные сорта ячменя и т. д.
Внося путаницу в нити ДНК, невозможно вызвать появление новых видов даже при самом тщательном отборе с помощью человека. Новые формы, появляющиеся на основе индуцированной человеком мутационной изменчивости, не выходят за пределы вариационной изменчивости, описанной Дарвином. Такие формы не смогут стать новыми видами и через миллионы лет, поскольку у них снижена жизнеспособность и они нуждаются в опеке, уходе и вложениям труда человека, которые во многом заменяют им их собственную биологическую работу по выживанию и оптимизации жизнедеятельности.
Использование химических мутагенов началось в 1932–1934 гг. с опытов российских генетиков В. Сахарова и М. Лобашова, которые вызывали мутации у дрозофил с помощью йода. Индуцирование мутаций было значительно меньшим по сравнению с лучами рентгена и осталось почти незамеченным научной общественностью. Затем в 1937 г. А. Блексли стал использовать колхицин, выделенный из ядовитого растения безвременника (по-латински – колхикум) и препятствующий расхождению хромосом во время деления.
В 1946 г. российский генетик И. Раппопорт использовал формальдегид и создал мутагены, вызывавшие мутации у всех обработанных ими особей, а Ш. Ауэрбах и Дж. Робсон в США обнаружили сходный эффект у иприта, отравляющего вещества, использовавшегося в качестве химического оружия в первую мировую войну.
Долгое время особых успехов химический мутагенез не приносил. В больших дозах отравляющие вещества приводили к гибели клеток, а в малых – недостаточно стимулировали возникновение мутаций. Однако генетики надеялись, что применение химических мутагенов позволит определять вещества – ускорители тех или иных явлений мутагенеза, и по возникающим реакциям анализировать химический состав генетических структур.
Если излучения своей энергетикой, превосходящей пределы нормального энергосбережения генетических структур, просто травмируют эти структуры, то химические мутагены вступают во взаимодействие с ДНК, которая также представляет собой химическое вещество – особую кислоту. С течением времени генетики научились использовать преимущества химических мутагенов, которые в некоторых отношениях оказались эффективнее излучений.
В искусстве индуцирования мутаций всегда важна доза: передозировка приводит к гибели клеток, а недостаточная активность – к резкому снижению эффективности мутагенеза. Подбирая оптимальные дозы химических мутагенов, генетики добились получения от 30 до 60 % жизнеспособных мутантов сельскохозяйственных растений, тогда как генетики, применяющие излучения, отстали: у них выход жизнеспособных мутантов составляет всего лишь 10–15 %.
Значительно расширился в настоящее время спектр химических мутагенов, применяемых в генетике, их сейчас известно более десяти. Среди них особой эффективностью обладают так называемые супермутагены – вещества, которые способны индуцировать системные изменения организмов в очень широких пределах и производить в 5-50 раз больше мутаций, чем они возникают в природной среде.
