Мутации
Разнообразие не только приятная штука, возможно, это важнейшее свойство природы. Источник разнообразия - мутации. Позитивные или негативные, изменения ДНК создают вариации, обеспечивающие эволюцию путем естественного отбора.
Сама идея эволюции была принята научным сообществом после публикации в 1859 году «Происхождения видов» Дарвина. Но хотя многие считали, что этот трактат убедительно доказывает факт «происхождения в результате изменения» (т. е. существование эволюции), описанный Дарвином механизм естественного отбора ставился под сомнение. И в период «затмения дарвинизма» (1880-1930-е гг.) появилось несколько альтернативных теорий.
Одна из них — теория мутаций, главным сторонником которой был голландский ботаник Хуго де Фриз, который помог заново открыть труды Менделя. Более тринадцати лет де Фриз занимался скрещиванием примулы вечерней и обнаружил множество гибридов настолько отличных от «чистопородных» родителей, что их легко было принять за представителей другого вида. Он предположил, что виды формируются не плавным изменением под действием естественного отбора, а за счет резких внезапных переворотов, или «мутаций». Позднейшие исследования выявили изменения в хромосомах этих гибридов, но в 1900-м причина мутаций была непонятна.
Генетическая изменчивость
Само слово «мутация» стало ассоциироваться с генетической изменчивостью, после того как Томас Хант Морган в 1910 году доказал, что гены расположены на хромосомах. В начале своего пути генетика развивалась медленно, поскольку естественные мутации обнаруживались редко. Этот барьер преодолел ученик Моргана, Герман Меллер, первый генетик, которому удалось вызвать мутацию искусственно. В 1927 году Меллер получил более сотни мутантов, облучив семя мух рентгеновскими лучами, что привело к повторению естественных мутаций, таких как исследованные Морганом белоглазые дрозофилы, а также других измененных фенотипов. Меллер заметил, что у мутантов изменяется порядок генов на хромосоме и, хотя радиация часто оказывалась смертельной или вела к бесплодию, выжившие передали мутации следующему поколению.
Движущей силой эволюции, несомненно, была генетическая изменчивость, и к 1930-м годам без ответа оставался лишь один важный вопрос: мутации происходят до или после естественного отбора? В теории отбор мог либо действовать на уже мутировавшие организмы, либо стимулировать новые мутации. В 1943 году биологи Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк проверили обе версии экспериментально. Они пришли к выводу, что мутации происходят случайно, а не в результате действия естественного отбора.
Изменения ДНК
Мутации отличаются от повреждения ДНК одной важной чертой — относительной стабильностью результата, которая позволяет мутациям передаваться по наследству. Изменения могут быть как небольшими, так и очень значительными. Мутации в примулах де Фриза и дрозофилах Моргана были хромосомными — они возникли в результате переворачивания участков ДНК или их перемещения на другие хромосомы (инверсий и транслокаций). Участки хромосом могут теряться или, наоборот, удваиваться, что ведет к сокращению или увеличению числа генов и соответственно снижению или повышению концентрации определенных белков в клетке.
Изменение одной «буквы» в ДНК называется «точечной мутацией». Хотя такие мутации кажутся незначительными, их последствия могут оказаться весьма заметными. Гены считываются группами по три нуклеотида, так что добавление или удаление всего одного приводит к мутации со сдвигом «рамки считывания», который превращает всю «инструкцию» в набор бессмысленных символов, так же как исчезновение всего одной буквы превращает «кот ест сыр» в «оте стс ыр». При замене одного нуклеотида другим может произойти «нонсенс-мутация», которая включит сигнал «стоп» в процессе синтеза, или, наоборот, вместо стоп-сигнала считывание может продолжаться, в результате чего будет синтезирован неправильный, да еще и слишком длинный белок.
И, разумеется, замена одного нуклеотида может привести к производству неверной аминокислоты. Такая «опечатка» может, например, произойти в гене, отвечающем за синтез гемоглобина человека: вместо гидрофобной молекулы синтезируется гидрофильная, молекулы белка слипаются в сгусток, а красные кровяные тельца вместо нормальной формы диска приобретают форму полумесяца — в результате возникает серповидно-клеточная анемия, тяжелое заболевание. Если у индивида оказываются две копии мутантного гена, его кровяные клетки переносят меньше кислорода и забивают сосуды, что повышает риск сердечного приступа или инсульта. Впрочем, в определенных условиях анемия может оказаться даже полезной: наличие только одного мутантного гена защищает от малярии, так что в популяциях, живущих в районах, где распространена малярия, естественный отбор работает в пользу серповидно-клеточной анемии.
Мутагены
Мутации можно стимулировать физическими, химическими или биологическими средствами. Одно из самых распространенных — тепло. Другое — ультрафиолетовое облучение, которое приводит к замене Ц на Т и нарушает структуру двойной спирали. Механизм восстановления ДНК в клетках кожи может бороться с этими мутациями, но люди, страдающие от пигментной ксеродермы, редкого заболевания, нарушающего работу этого механизма, заболевают раком кожи в 100% случаев, если попадают на солнце. Естественные мутагены, такие как активные формы кислорода («свободные радикалы»), производятся и выводятся в процессе нормальной жизнедеятельности клетки, что предотвращает повреждение ДНК. Канцерогены — вещества, повышающие риск развития раковых заболеваний, — самые известные химические мутагены. Первым искусственным мутагеном был горчичный газ, использовавшийся как химическое оружие в Первой мировой войне. Его мутагенные свойства обнаружили в 1942 году генетики Шарлотта Ауэрбах и Дж.М. Робинсон.
«Мутации генов создают фундамент эволюции органической жизни и, следовательно, невиданного разнообразия живых существ» Герман Меллер
Самые важные с точки зрения эволюции мутации вызываются воздействием организмов и генетических паразитов. Вирусы, например, могут переносить участки ДНК в другое место. Мутации также возникают в результате ошибок при репликации. Спонтанные мутации необходимы для эволюции, но могут оказаться опасны или даже смертельны для индивида — именно поэтому в клетках существует механизм исправления и «гарантийного обслуживания» ДНК.
Эксперимент Лурия—Дельбрюка
Действует ли естественный отбор на уже случившиеся мутации или вызывает их? Если мутации происходят до воздействия отбора, колонии бактерий, иммунных к вирусу (черные), должны быть распределены случайно и их количество в разных пробирках будет сильно различаться. Если мутации происходят уже после отбора, распределение устойчивых бактерий должно быть более неоднородным. Эксперимент Сальвадора Лурия и Макса Дельбрюка доказывает спонтанность мутаций.
Частота мутаций у человека
Как часто возникают новые мутации? Сравнив ДНК членов одной семьи, генетики выяснили, что частота точечных мутаций составляет 0,000000012 на нуклеотид на поколение, - иными словами, мутирует одна из 83 миллионов «букв». Учитывая, что в геноме человека их более 3 миллиардов, можно достаточно уверенно сказать, что, помимо уникальной комбинации хромосом, вы унаследовали по меньшей мере 40 новых мутаций. Мутации наследуются, только если происходят в половых клетках, а не в клетках самого организма. (Вот почему соматические гипермутации - изменения в генах антител, обеспечивающие приобретенный иммунитет, - не передаются по наследству.) В 1947 году британский биолог Дж. Б. С. Холдейн предположил, что у самцов мутации происходят чаще. В сперматозоидах мутаций в три-четыре раза больше, чем в яйцеклетках, потому что в отличие от яйцеклеток сперматозоиды постоянно делятся, что приводит к появлению новых мутаций при репликации ДНК.