Тем, что умом, сложеньем крепким,
И тем, что в деле ты мастак,
Всем этим ты обязан предкам -
Не бывает просто так.
Существующий механизм сложных генетических перестроений не обеспечивает прямого структурного соответствия между триплетом ДНК и аминокислотой в белковой молекуле. В технологическом процессе синтеза белка принимает участие целый ряд клеточных структур: И-РНК, М-РНК, Т-РНК, рибосомы, необходимые белки-ферменты, а также молекулы АТФ. Каждая структура выполняет свою определенную функцию, направленную на синтез строго специфического белка данного организма.
Из всех органических веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки. Через белок реализуется информация измененного генома в фенотипе организма. Эта информация "списывается" с молекулы ДНК, молекулой И-РНК, которая и направляется к месту синтеза - рибосоме. Но прежде, чем И-РНК дойдет до рибосомы и станет матричной РНК, она претерпевает ряд существенных изменений - процессинг.
Эти изменения могут быть самые разные. В одних случаях к обоим концам цепи И-РНК могут присоединяться различные структуры, а определенные нуклеотиды подвергаются химической модификации. В отдельных случаях молекулы И-РНК даже разрезается на фрагменты и сшивается вновь.
Этот процесс получил название сплайсинг. В результате молекула М-РНК может оказаться короче первичного транскрипта.
Сплайсинг происходит несколькими различными способами, что приводит к формированию разных М-РНК, а следовательно, и разных белков. Вот один из этих способов.
В ядре клетки находятся небольшие частицы, в состав которых входят молекула РНК, считываемая с клеточной ДНК, и набор белковых молекул. Эти частицы получили название малые ядерные рибонуклеопротеиды (мя-РНП).
Существует множество разновидностей мя-РНП. Для некоторых из них установлены функции и показано, что они принципиально важны в жизнедеятельности клетки. Эти мя-РНП являются существенным компонентом сложного молекулярного комплекса, называемого сплайсосомой. Они непосредственно участвуют в сплайсинге информационной РНК. Сплайсинг И-РНК - тончайший процесс, в котором нужна исключительная надежность и точность. Поэтому и узкая специализация мя-РНП. Каждая из них выполняет свою особую задачу в ходе сплайсинга. Они действуют там, где необходимо "вырезать" интроны в молекуле И-РНК. В результате их деятельности только некоторая часть РНК, транскрибированная в ядре, попадает в цитоплазму. Значительное же ее количество деградирует через несколько минут после синтеза. Молекула И-РНК остается в клеточном ядре до тех пор, пока из нее не будет вырезан последний интрон. После этого сплайсосома разбирается. Сплайсинг одной и той же И-РНК на разных стадиях развития организма или же в разных тканях может происходить различными способами!
Возможность сплайсирования одной и той же И-РНК различными способами - это еще одна из форм генетической регуляции, направленной на более точное соответствие синтезируемых структур среде обитания организма. Это еще и доказательство того, что посттранскрипционный процессинг служит формой регуляции только для некоторых И-РНК, видимо, наиболее функционально необходимых. После такого преобразования срок жизни М-РНК может быть различным - от нескольких минут до месяцев. За это время на ней образуется некоторое количество молекул белка, а дальше будет новая М-РНК. соответствующая уже изменившимся условиям среды.
Предыдущее качество отрицается новым качеством, и старая молекула М-РНК деградирует под действием определенных ферментов и широкого спектра внешних факторов, которые прямо или опосредовано, сказываются на стабильности М-РНК.
Не остаются постоянными и рибосомные структуры - клеточные органеллы, где осуществляется синтез белка. Их синтезируемое количество всегда соответствует обеспечению метаболизма клетки в данных условиях среды. Это значит, что если клетка находится в среде, содержащей все необходимое для ее роста, то в таких условиях рибосом столько, чтобы обеспечить потребность в белке в данных условиях существования.
Но если клетку перенести в среду, небогатую питательными веществами, то скорость синтеза белка уменьшится, и в клетке станет больше свободных рибосом, которые прямо или опосредовано, уменьшают синтез рибосомных и других РНК. Из-за отсутствия новых Р-РНК синтез рибосомных белков останавливается. Прекращается сборка и самих рибосом, и их концентрация постепенно падает. В результате наступает соответствие данной среде. Но стоит среду изменить в сторону усиления синтеза белка, как возникает всплеск синтеза Р-РНК, и в результате появляются новые рибосомы.
Этот механизм взаимодействия еще раз доказывает, что структурные изменения клетки зависят от среды ее обитания, что эта зависимость не прямая, а взаимообратная и что она взаимно влияет на две стороны одного процесса. Это и приводит к взаимозависимости структуры и функции, которые постоянно находятся в состоянии несоответствия, на основе которого и обеспечиваются лучшие варианты относительного приспособления организма к условиям среды обитания. Но так как процессы происходят в соматических клетках, в клетках функционирующих органов, где и возникают функционально-структурные модификации, то существуют ли механизмы передачи в последующие поколения новоприобретенных изменений в процессе жизни организма? Ответ на этот вопрос не менее важен, чем раскрытие механизма появления функционально-структурных модификаций, так как если отсутствует механизм наследования, то возникшие Функционально-структурные модификации теряют смысл в эволюционном процессе. Это связано с тем, что многие организмы не размножаются соматическими клетками.
Но мы знаем и большое количество примеров, особенно из растительного мира, когда организмы размножаются вегетативными способами. Эти способы хорошо известны и широко применяются в практике сельского хозяйства, особенно в садоводстве и овощеводстве.
Размножение высокоурожайных сортов путем прививок и отводков, с помощью черенков, усов и листьев, а также глазками-почками, клубнями дает возможность быстро распространять ценные качества растений, то есть передавать в последующие поколения их функциональные приобретения, непосредственно через соматические клетки.
Животные такими возможностями не обладают. Хотя и в животноводстве в процессе эксперимента уже удалось вырастить бычка из одной соматической клетки, но это пока еще эксперимент. Большинство растительных и, особенно, животных организмов, размножается половым путем. У этих организмов наследование признаков происходит не через клетки, в которых они возникли, а через клетки специализированные, называемые половыми.
Половые клетки созревают в половых железах, которые на первый взгляд, не выполняют никаких функциональных нагрузок в жизнеобеспечении организма, а являются только органами размножения. Считается, что все изменения, которые приобретают органы, состоящие из соматических клеток, при жизни организма никакой связи с половыми клетками не имеют, и что не существует механизмов прямого перехода фенотипической изменчивости в адекватную ей генотипическую. Но так как механизм изменения генома существует, то остается раскрыть механизм перехода измененного генома соматических клеток в клетки половые, то есть раскрыть механизм связи между ними.
Эта проблема стала камнем преткновения между ламаркизмом и дарвинизмом, поэтому не случайно, что ей уделяли большое внимание и Август Вейсман, и многие другие сторонники и противники ламаркизма. Все они пользовались разными методами, но цель у них была одна - наследование приобретенных признаков.
Разные методы давали и разные результаты. С результатами опытов А. Вейсмана мы уже знакомы, но следует сказать и о других выводах, может быть не так ярко доказанных, как это получилось у Вейсмана. Например, Г. Ф. Гаузе в 1941 году в книге "Экология и некоторые проблемы происхождения видов" отмечает, что "адекватные модификации прокладывают пути дальнейшей эволюция вида.
В ходе эволюции модификации могут замещаться сходными по фенотипическому проявлению мутациями". Для доказательства этого положения у Гаузе не было веских оснований. Сейчас нам известен механизм образования функционально-структурных модификаций, который следует рассматривать не как локальное проявление аномалий отдельных клеток, тканей, органов и даже их систем, а как изменения целостного организма.
Для организации ответной реакции на раздражитель из окружающей среды организм, в зависимости от силы действующего фактора, не ограничивается усилением метаболистических реакций одной группы клеток, а мобилизует для этой цели деятельность и других органов и систем организма.
Все мы прекрасно знаем, что занятия спортом способствуют развитию не только мышечных тканей отдельных органов, но и повышают функциональную активность других органов и систем всего организма.
В результате тренировок более активно функционируют органы дыхания, кровообращения, пищеварения и т д. По существу весь организм через нервную и гуморальную регуляцию подключается к этой деятельности, и возникающие на этой основе функционально-структурные модификации захватывают все его органы. Перестраивается геном всего организма с отдельными аномалиями по тканям и органам. Не случайно, что любая клетка организма дублирует все основные клеточные структуры других его органов. Организм, в этой связи, представляет симбиоз клеток. Каждая из них обладает индивидуальностью и специализированностью, но все они соединены в единое целое. Так что функционально-структурные модификации изменяют геном всех клеток организма, в том числе и клеток, из которых состоят половые железы. А они состоят из обычных соматических клеток, из которых образуются клетки половые.
Потовые клетки отличаются от соматических только тем, что несут не диплоидный, а гаплоидный набор хромосом, то есть набор половинный. Для образования нового организма две гаплоидные клетки сливаются, и опять образуется диплоидная клетка. Процесс образования половых клеток начинается с обычного митотического деления соматических клеток.
В результате количество клеток возрастает. Клетки растут, увеличивается их масса. Выросшие клетки вступают в период созревания. Во время этого процесса клетки делятся два раза. В результате из одной клетки образуется четыре, из которых и формируются половые клетки. Такое деление ведет к уменьшению числа хромосом. Но для того, чтобы уменьшить число хромосом с диплоидного до гаплоидного набора, достаточно и одного деления. Эта редукция достигается в результате второго деления мейоза.
Первое деление мейоза с его растянутой профазой не приводит к уменьшению плоидности, а лишь возвращает хромосомы на их диплоидный уровень.
Давно стало ясно, что одна из функций первого мейотического деления состоит в генетической рекомбинации хромосом. Процесс этот начинается с того, что парные гомологичные хромосомы тесно сближаются по всей длине и временно соединяются в гомологичных районах. Известны случаи негомологичного спаривания и спаривания между отдельными участками одной и той же хромосомы. После сближения хромосом формируется синаптонемальный комплекс, который состоит из трех главных компонентов. С двух сторон располагаются боковые элементы, они ограничивают центральную область, по середине которой проходит центральный элемент. Каждый боковой элемент контактирует с хромотином только одной из гомологичных хромосом.
Общий план строения комплекса характерен для всех организмов растительного и животного мира, но вариации имеют место. Следует признать, что наука очень мало знает о механизме спаривания хромосом - конъюгации, благодаря которому гомологи оказываются тесно сближенными по всей длине, а соединены только в отдельных местах.
Это видно, когда хромосомы отталкиваются одна от другой при расхождении. Но то, что здесь перестраивается структура генов, чтобы наилучшим образом обеспечить функциональное приспособление нового организма к данным условиям среды, сомнений не вызывает. Происходит в этот момент и незначительный синтез ДНК и белка для образования дополнительных структур, и исключительно активный синтез молекул РНК. У амфибий, например, в овогенезе синтезируется РНК, почти в 3900 раз больше массы ДНК хромосом. Она состоит из самых различных типов, включая молекулы М-РНК и Т-РНК. Это необходимо для развития нового организма на первом этапе, пока он не начнет самостоятельно воспринимать Факторы среды и активизировать соответствующие гены.
Вторым важным событием мейотической профазы является кроссинговер, когда происходит перекрест генетического материала в "любом" месте хромосом. Кроссинговер включает разрывы молекулы ДНК, а затем синтез ДНК, необходимый для того, чтобы соединить разорванные молекулы, за которыми следует формирование "гибридных" молекул ДНК.
Вначале происходит образование одноцепочных разрывов в специфических участках молекулы ДНК. Затем возникают одноцепочные участки ДНК и в конце все молекулы ДНК, вовлеченные в кроссинговер, соединяются с помощью репарирующих механизмов.
Такая информация получена уже на нескольких объектах. А в некоторых экстремальных случаях хромосомы вообще исчезают. Перестраивается весь геном клетки. И что характерно. Для того, чтобы происходил кроссинговер, необходимо присутствие синаптонемального комплекса. Если он отсутствует в силу внутренних или внешних причин, то кроссинговер не происходит. Значит, кроссинговер происходит тогда, когда все возможные варианты изменения структуры генома, с целью обеспечения функциональной согласованности организма с факторами среды, исчерпаны. В результате такого глубокого перестроения генома формируются новые генотипы, имеющие такую структуру, которая способна обеспечить организму функциональную приспособленность к потребностям среды.
Такой механизм дает возможность новому организму наилучшим образом адаптироваться к действию факторов среды, в которой он находится. Рекомбинация генома, при образовании половых клеток из клеток соматических, происходит на основе возникших функционально-структурных модификаций в соматических клетках.
Этот вывод согласуется с данными эксперимента, проведенного на мышах, о котором сообщил в журнале "Знание - сила" N° 1, 1983 г. И. Бородин, в статье "Кистеперые на берегу". Суть эксперимента заключается в следующем: "Брали самцов мышей, у которых во второй хромосоме находятся два гена. Первый ген контролирует густоту меха, а второй - ответственный за его окраску. Экспериментаторы оценивали частоту взаимных комбинаций по этим аллелям признаков.
Оказалось, что у самцов, живущих "нормальной" мышиной жизнью (хотя "нормальная" в данном случае понятие относительное, так как в условиях клетки и наблюдения экспериментатора, жизнь мышей уже является не нормальной, но по сравнению с другой группой ее можно считать в норме), так вот, у самцов этой группы частота обмена этими генами была равна 24 процентам.
Другую группу самцов, как раз в тот же период, когда должен идти кроссинговер, помещали в "городские" условия, то есть вызывали стресс. Ночь они проводили в тесных клеточках с плохой звуко- и запахоизоляцией, а весь рабочий день - в клетке, имитирующей ситуацию в переполненном автобусе. В этих условиях мыши вели себя вполне по-человечески: очень нервничали, кричали друг на друга, толкались.
После анализа оказалось, что у них частота кроссинговера возросла и достигла 31 процента. В этом опыте стресс вызвал приращение частоты рекомбинаций на 7 процентов от контрольного уровня. В результате получены колоссальные изменения, и только из-за того, что животные немного понервничали".
Можно ли считать такое хромосомное "землетрясение" мутацией?
Точного определения термина мутации, с использованием современных достижений молекулярной биологии, еще нет. Мы до сих пор все еще пользуемся дарвиновским определением - "Форма изменчивости, меняющая генотипы".
В данном опыте генотип изменился почти на треть от нулевой отметки. Следует иметь в виду, что при абсолютно соответствующих условиях жизни мышей, он остался бы постоянным, то есть без изменений. (Закон Харди-Вайнберга). Но то, что мыши жили в клетках, то уже до постановки опыта частота обмена генами была равна 24 процентам. При создании дополнительных неудобств этот процент вырос до 31. Значит, перестроения в половых клетках, в процессе мейоза, зависят от нарушения структур генома во всех соматических клетках организма. В них, под влиянием измененных структур генома, меняется метаболизм, а это влияет на формирование структуры тканей, органов и их систем.
Если измененные условия среды будут продолжаться длительно, то организм приобретет существенные фенотипические изменения, так как формообразование - это количественное накопление структур, которые в своем взаимодействии способны приобретать новое качество, то есть соответствующую новую форму.
Если в чашку Петри поместить культуру хламидомонад, то они способны образовывать древовидный рисунок, так же, как и завершенная белковая цепь способна приобретать наивную структуру и выполнять соответствующую функцию.
Новая структура всегда порождает и новую функцию. Форма тела рыбы всегда соответствует ее движению в толще воды. А морфофункциональные различия между акулами и тунцами отражают глубокие экологические различия между этими двумя группами рыб.
Но так как любое, самое незначительное, изменение в организме связано с изменением генома, то мутацией следует считать те модификации, которые получены по наследству или переданы в последующие поколения.
Такое уточнение определения необходимо потому, что возникшие перестроения в геноме могут возвращаться в прежнее состояние при прекращении действия фактора среды. Перестроенный геном возвращается в норму за счет деятельности репарирующих систем.
Такое временное изменение в организме следует считать модификацией. Но резкой границы между ними нет. Кратковременные модификации если они возникли в момент размножения организма, могут быть переданы в последующее поколение и закреплены как мутации. Поэтому не случайно, что вступающим в брак во все времена не разрешали употреблять спиртное.
Одноразовый прием, особенно обоими родителями, может вызвать серьезные мутации у потомства. У родителей эти нарушения могут исчезать и в отличие от первого, второй ребенок обычно рождается здоровым.
Значит, определение модификации следует считать правильной не по Дарвину, - изменчивость, не связанная с изменением генотипа, а по Га-узе, когда модификации прокладывают пути мутациям, а соответственно и дальнейшей эволюции вида.
Эта эволюция может пойти в разных направлениях. Если новый организм унаследовал от родителей не существенные изменения в геноме, то у него проявится только предрасположенность к данной деятельности, которая может доминировать в определенных соответствующих условиях среды. Если этих условий нет, то она может перейти в рецессивную форму и не проявляться в фенотипе. Но полученные изменения могут быть настолько сильными, что способны обеспечить новорожденному различной степени уродства и даже летальный исход.
Летальный исход может наступить у живого организма не только за счет полученных по наследству мутаций, но за счет образования своих, то есть за счет возникновения и накопления модификаций в течение жизни индивида.
Видимо, нет необходимости называть все эти изменения, получаемые организмом в течение жизни, мутациями. Это все модификации, полученные организмом в различных условиях среды. Они имеют как общебиологическую закономерность, так и хорошо выраженную индивидуальность. Но когда индивидуальные модификации прошли через механизм наследования, то их следует считать мутациями.
Наследственные изменения имеют способность проявиться в фенотипе организма сразу или через несколько поколений, а могут и вообще не проявиться, когда их гены перейдут в глубокую рецессивность.
Проявление и не проявление мутаций в фенотипе - результат действия среды. Есть в них потребность - проявится, а если нет, то скроются на многие поколения и могут проявиться только в виде отдельных атавизмов, доказывая тем самым, что эти признаки в организме есть.
Геном организма хранит информацию всего филогенеза вида, к которому он относится, разумеется, по самым существенным, определяющим признакам. Все они возникали и накапливались за счет функционально-структурных модификаций, которые постоянно создают резерв для мутационных изменений в последующих поколениях.
С возрастом в организме накапливается больше модификаций биологического и социального происхождения. Биологические модификации с возрастом становятся нежелательными для следующего поколения, а социальные несут ему высокую предрасположенность к социальной деятельности, которая в соответствующих условиях среды способна к реализации.
В этой связи имеет немаловажное значение возраст родительских организмов для воспроизводства следующего поколения. Хорошие результаты может дать такая возрастная группа, которая еще не сильно насыщена биологическими изменениями, но уже достаточно накопила модификаций социальных.
Подходить к решению этого вопроса необходимо сугубо индивидуально, так как функционально-структурные модификации, несмотря на их кажущуюся всеобщность, имеют высокую дифференциацию. И, несмотря на то, что известен механизм их возникновения и наследования, тем не менее, необходимо дать им философское обоснование.