Суммируя сказанное в предыдущих главах, можно составить упрощенную схему механизма наследования.
В этой схеме клетка заняла свое почетное место, клеточное ядро рассматривается как вместилище хромосом. Сами хромосомы состоят из линейно расположенных генов, а каждый ген занимает строго определенное место. Передача генов (единиц наследственности) от родителей детям осуществляется с помощью яйцеклетки и сперматозоидов. Оплодотворенная яйцеклетка получает два половинных набора хромосом от отца и матери и восстанавливает их количество до 46. По своему химическому составу хромосома представляет двуспиральную молекулу ДНК, а ген является лишь фрагментом большой молекулы ДНК. Информация, передающаяся по наследству, закодирована в генах, которые определяют структуру ферментов, белков и других веществ, образующихся в организме.
В то же время из предыдущих глав читатель мог сделать вывод о том, что гены обладают завидной выносливостью. Они не изменяются вопреки нашему желанию и не передают приобретенных в течение жизни навыков потомкам.
Если бы каждый из нас и, естественно, наши предки вели родословную семьи, мы смогли бы убедиться, как стойко передавались из поколения в поколение какие-либо специфические внешние признаки. В конце XIX в. при вскрытии семейного склепа графа Шрюсбери его потомок, присутствовавший при этом, обнаружил у себя и у умершего около 500 лет назад предка один и тот же внешний признак — сросшиеся фаланги пальцев руки.
Факты о том, что гены обладают значительной стойкостью к различным воздействиям и передаются из поколения в поколение, были известны давно. Только в 30-е годы XX столетия, т. е. относительно недавно, эта теория была поколеблена. В последующем было установлено, что гены могут изменяться. Причем этот процесс получил название мутагенеза, сами изменения — мутаций, а вещества, способные вызывать мутации, — мутагенов. Стало очевидным, что наследственная изменчивость всегда связана с изменением генотипа.
Эта проблема привлекла к себе внимание многих исследователей и особенно экспериментаторов, которые стали интенсивно изучать мутационный процесс. Они смогли прийти к выводу, что возникающие мутации оказывают неоднотипное воздействие на развитие тех или иных признаков организма. В одних случаях мутация приводит к отсутствию какого-либо признака. Например, имеется врожденный дефект по выработке одного из ферментов, и его отсутствие нарушает определенные звенья в обмене веществ и приводит к заболеванию (ферментопатии). В других случаях мутация может способствовать недоразвитию или же появлению нехарактерного признака. Наступающие при этом изменения могут стать причиной инвалидности или даже гибели такого индивидуума.
В то же самое время ученые пришли к мысли о том, что появление мутаций не всегда несет организму ухудшение его организации. Происходящие в процессе эволюции мутационные процессы способствовали созданию наиболее совершенных форм, лучше приспособленных к условиям среды, выживанию и сохранению вида.
Накопление и обобщение многочисленных фактов позволили прийти к выводу о том, что мутации могут наступать на разных уровнях организации наследственных структур.
Очень важным обстоятельством является то, в каких клетках произошла мутация. Читатель, видимо, помнит о делении клеток на соматические и половые (зародышевые). Если мутация наступила в соматических клетках, то возникшие в ней изменения не будут переданы от родителей детям. Передача мутантных клеток из поколения в поколение происходит только в том случае, если мутация возникла в зародышевых клетках.
Все возникающие мутации принято делить на две группы: спонтанные (самостоятельно возникающие) и индуцированные (вызванные) мутации. Как возникают спонтанные мутации? Истинные причины до сих пор остаются недостаточно ясными, хотя большинство ученых склоняются к мнению, что в обычных условиях жизни мутации могут возникать в результате нарушений обмена в организме и действия при этом на генетический аппарат клетки каких-то химических веществ. Одной из возможных причин допускается влияние естественного фона радиации земли.
Какова же частота спонтанных мутаций и в какой мере они могут представлять опасность для человеческого общества? До сих пор в распоряжении ученых не было достоверных методов для вычисления частоты мутаций. Поначалу исследователи использовали такой показатель, как летальные мутации (т. е. мутации, приводившие к гибели организма). В последующем для проведения такого рода подсчетов стали использоваться данные о доминантных мутациях, которые имели четко очерченную клиническую картину болезни при наличии гетерозиготного генотипа. В последние годы усиленное внедрение в медицинскую практику специальных биохимических программ (исследование мочи, крови и пр.), рассчитанных на обследование широких контингентов населения, позволяет обнаруживать наследственные нарушения обмена и эти данные использовать для определения частоты мутаций. Однако до сих пор сведения о частоте нужно рассматривать как приблизительные и несовершенные. Тем не менее, ученые считают, что спонтанные мутации — довольно редкое явление.
Представляет несомненный интерес и тот факт, что частота мутаций имеет определенную связь с возрастом. Доказано, например, что дети с болезнью Дауна чаще родятся у женщин в возрасте 36 лет и старше, а дети с хондродистрофией — от пожилых отцов. Причем чем старше возраст, тем больше вероятность возникновения мутации в половых клетках. Поэтому можно считать оправданной и научно обоснованной точку зрения о том, что для рождения детей наиболее благоприятен молодой возраст родителей.
Выясняя причины возникновения мутаций, исследователи выделили, помимо спонтанных, и индуцированные мутации (индуцированный мутагенез). Данные, которыми располагали ученые, в основном были получены в условиях эксперимента на животных. Оказалось, что мутации могут быть вызваны ионизирующим излучением, химическими веществами, применяемыми в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. Количество потенциально опасных для генетического аппарата человека мутагенов резко увеличилось — до нескольких сотен.
Представленные научные факты свидетельствуют, что мутации, помимо положительной роли, которую они имели и имеют в эволюции животного и растительного мира, обладают также вредным влиянием и могут нарушать состояние здоровья человека. В чем же состоит вред произошедших мутаций? Для того чтобы ответить на этот вопрос, читателю следует напомнить, что ген является единицей наследственности и «отвечает» за определенный признак организма. Для здорового человека необходимо очень четкое взаимодействие многочисленных генов между собой. Это должна быть гармония взаимодействия, когда работа одного очень тесно «увязана» с работой другого, и нарушение этой гармонии ведет к отклонению в состоянии здоровья. Эта взаимообусловленность «работы» генов в какой-то мере может напоминать работу на конвейере.
С точки зрения биохимиков, наступившая в организме мутация даже одного гена может вести к нарушению веками отлаженного процесса обмена веществ, изменять ход биохимических реакций. В одних случаях благодаря мутации происходит недостаточная выработка определенного фермента, нарушается или прекращается вовсе синтез того или иного белка и т. п. При возникновении наследственных заболеваний, обусловленных дефектом генов, и, как следствие этого, отсутствием определенного фермента, организм новорожденного человека не в силах адаптироваться к обычным условиям среды. Так, например, при наследственной непереносимости фруктового сахара (фруктозы) речь, прежде всего, идет о недостаточности фермента альдолазы, образующейся в печени и необходимой для нормального обмена фруктового сахара. Исключение фруктозы из питания приводит к нормализации обмена у ребенка и его выздоровлению. Приведенный нами пример показывает, что в данном случае генетический дефект выявляется сразу, с первых дней жизни ребенка. Естественно, может возникнуть вопрос: всегда ли наступившая генная мутация дает о себе знать? Нет, не всегда. Иногда для ее проявления необходимы определенные условия.
Видный английский ученый профессор Г. Харрис, специалист по биохимической генетике человека, показывает зависимость наследственности от факторов среды на ряде ярких примеров. На Ближнем Востоке, а также в Южной Европе довольно часто встречается тяжелая гемолитическая анемия (малокровие), получившая название фавизма. Давно было замечено, что приступы малокровия провоцируются приемом с пищей, так называемых конских бобов. В то же время было известно, что фавизм возникает далеко не у всех людей, питавшихся этими бобами. Биохимикам удалось установить, что непереносимость этого растительного продукта генетически детерминирована и связана с недостаточностью фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Следовательно, для развития этого заболевания необходимо сочетание двух факторов — наследственного и средового, т. е. человек должен быть носителем определенного «больного» гена и в то же время принимать в пищу особый сорт продуктов.
Таким образом, Г. Харрис предлагает условно разделить все заболевания, свойственные человеку, на три группы:
1) болезни наследственной природы, при которых имеются дефекты хромосом или генов (болезнь Дауна, фенилкетонурия, галактоземия и др.);
2) болезни, возникновение которых в основном обусловлено влиянием вредных факторов внешней среды (травмы, ожоги и др.);
3) болезни, для которых характерно определенное наследственное предрасположение и действие провоцирующих факторов внешней среды. К таким заболеваниям относят шизофрению, сахарный диабет, язвенную болезнь желудка и пр.
Такая «классификация» болезней очень важна для практической деятельности, так как при выяснении роли наследственного и средового факторов для каждого отдельного заболевания позволит в последующем разработать систему мероприятий по направленному изменению условий внешней среды для лиц, имеющих генетическую предрасположенность. По словам Г. Харриса, мы приходим к примечательному парадоксу. Оказывается, изучение генетики многих болезней может привести к разработке методов их предотвращения или лечения, сводящихся исключительно к изменениям среды.
Для врачей при анализе родословных очень важно иметь в виду возможность мутирования как доминантного, так и рецессивного генов. Если наступило мутирование к доминантному гену, то изменения внешних признаков или состояния здоровья могут быть обнаружены уже у первого потомка, получившего «больной» ген с яйцеклеткой матери или сперматозоидом отца. Несколько иная ситуация может быть в том случае, когда мутирование наступило к рецессивному гену. Здесь следует иметь в виду, что болезнь не всегда проявляется сразу, а спустя несколько поколений. Именно в таких случаях при медико-генетических консультациях у родителей больного ребенка возникает недоумение: «Наследственное заболевание? У нас в роду не было таких болезней!» Недоумение обусловлено «проскоком» болезни в поколениях, плохим знанием собственной родословной и невозможностью диагностики многих наследственных заболеваний в прошлом.
Итак, изменчивость генов доказана. Известно также, что мутации, произошедшие в зародышевых клетках, передаются по наследству. А возникает ли при этом накопление мутаций в генофонде человека за прошедшие века? Ведь существует же понятие «генетический груз» человечества, под грузом и подразумевается накопление мутаций. По этому вопросу, естественно, существуют разные точки зрения. Одни ученые высказываются пессимистически, другие обосновывают свой оптимизм научными фактами. Представим себе такое положение, при котором из года в год происходит постоянное накопление мутантных генов в популяции человека. Если даже допустить, что отдельные формы заболевания встречаются редко, то за многомиллионную историю человечества все равно носителей мутантных генов накопилось бы великое множество и, следовательно, наследственные заболевания были бы широко распространены. Однако врачи хотя и считают, что наследственные недуги и предрасположенность к ним в целом составляют значительный процент, тем не менее, отмечают относительную редкость отдельных форм заболеваний. Так, согласно статистическим данным, частота отдельных форм заболеваний составляет от 1:7000 новорожденных до 1:200 000 или даже 1:1 000 000. Ученые объясняют это тем, что процесс накопления вредных мутантных генов испытывает определенное противодействие. К факторам, снижающим процент больных к здоровым, относят: повышенную смертность (внутриутробную, раннюю детскую), сниженную плодовитость или же бесплодие у носителей «больного» гена и у лиц с наследственными заболеваниями. Таким образом, происходит естественный отбор, направленный к снижению частоты «больных» генов в популяции человека, т. е. как бы наступает динамическое равновесие между мутационным процессом и отбором.
С другой стороны, известно, что под влиянием достижений науки постоянно совершенствуется медицинская помощь населению. Это касается не только борьбы с инфекционными, но и с врожденными заболеваниями. Детям уже с первых минут рождения может быть оказана эффективная медицинская помощь (реанимация, интенсивная терапия). Все это радует, вызывает чувство оптимизма и надежду на последующий прогресс в борьбе с болезнями человека. Но в то же время следует признать, что биологическая и социальная эволюция поставила человека в особое положение в отличие от мира животных и растений. В человеческом обществе резко сократилось действие естественного отбора. В связи с этим некоторые ученые считают, что согласно законам популяционной генетики, постоянно происходящий спонтанный и индуцированный мутагенез будет способствовать увеличению нежелательного «генетического груза» человечества. Чтобы ослабить его давление, генетики предлагают целую программу по охране генофонда человека. Эта программа предусматривает поиски веществ антимутагенов, устранение из сферы деятельности человека мутагенных факторов, используемых в промышленности, медицине и быту (пестициды, гербициды и пр.), совершенствование контроля за новыми синтетическими препаратами, будь то лекарства, одежда или посуда, разработку действенных мер защиты от ионизирующих излучений и многое другое. Если признать, что состояние здоровья человека определяется наследственным потенциалом организма и факторами внешней среды, то станет очевидным, что измененный в результате мутации генотип также находится в тесной взаимосвязи со средой и ее изменения могут, как выявлять генетические дефекты, так и ослаблять их.