Родители, дети, внуки и правнуки

Пожалуй, один из интереснейших феноменов радиационной биохимии - генетический эффект ионизирующей радиации - дал интереснейшую информацию для размышлений целому поколению экспериментаторов и теоретиков. Генетики и биохимики, цитологи и врачи, специалисты по молекулярной биологии, физики, "ударившиеся" в биологию, и биологи, увлекающиеся методами математического моделирования биологических систем,- все они пытались ответить на вопрос: почему облучение родителей даже сравнительно невысокими дозами ионизирующей радиации может сказаться не только на детях, но и на внуках. Действительно, почему?

Чтобы ответить на этот вопрос, для начала попробуем провести эксперимент.

Сразу оговоримся, сделать это непросто. Чтобы получить достоверные данные, надо поставить опыт на тысячах экспериментальных животных. Да, да. Не на десятках, не на сотнях, а на многих тысячах, например, мышей. Если животных будет меньше, наши данные окажутся статистически недостоверными.

Сначала зайдем в современный виварий - целый комплекс сооружений, в которых живут экспериментальные животные. Совсем недавно, например, я детально знакомился с работой такого вивария. Это было в Бельгии, в радиобиологическом отделе атомного центра в маленьком городке Моле.

В сосновой роще, очень похожей на подмосковную, стоит большое одноэтажное здание. Это виварий.

В помещении вивария идеальная чистота. Совсем нет деревянных деталей: их трудно стерилизовать. Кругом только стекло, керамика, синтетические полимеры, анодированный дюраль, нержавеющая сталь. Одним словом, современные строительные материалы. Воздух кондиционированный, в помещении - автоматы, поддерживающие постоянную влажность и температуру. Красивые небольшие клетки для мышей сделаны из прозрачного термостойкого пластика. Это не случайно. Ведь клетки приходится не только мыть в моечных машинах, но и стерилизовать в автоклавах.

Животных кормят искусственными гранулированными кормами. В прессованных таблетках все необходимое для жизни: белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы. Подстилка для мышей, мелкая деревянная стружка, предварительно стерилизуется. В клетках - автопоилки. На стеллажах из нержавеющей стали тысячи и тысячи симпатичных сереньких, черных и пестрых зверьков.

Чтобы обнаружить генетические повреждения в потомстве облученных родителей, современные исследователи работают только с животными чистых линий, иными словами, на генетически однородном материале. Этих линий довольно-таки много. Они порой носят замысловатые названия, что-нибудь вроде "С-57-блек". Но названия линий международные, они понятны специалистам в разных странах, говорящим на разных языках.

В зависимости от задач, которые решают ученые, подбирается и соответствующая линия животных.

Придется провести длительный эксперимент. Он может растянуться или на много месяцев, или на несколько лет. И это закономерно. Мы хотим облучать родителей, например самок мышей, и наблюдать за появлением генетических отклонений в потомстве на мышиных детях и внуках. Заметить эти отклонения непросто: их сравнительно мало.

Изменения в наследственном материале генетики называют мутациями. Мутация - это какое-то отклонение от нормы. Если хотите, мутация - это ошибка, которая допущена при печатании копии с оригинала. Но именно с помощью мутаций вид может приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды.

Мутации наблюдают в живых организмах постоянно, но в очень небольшом количестве. Их вызывают различные химические вещества и ионизирующая природная, естественная радиация. Такие мутации называют естественными, или спонтанными, возникающими самопроизвольно. Если мы хотим выявить влияние дополнительных количеств проникающей радиации на потомство, то животные со спонтанными мутациями должны служить нам контролем.

Теперь возьмем 2 тысячи самок в контрольную группу, через определенный срок у них появятся мышата. Внимательно исследуем все многотысячное беспокойное потомство. Из 10 тысяч обследованных мышат у 100 обнаруживаются отклонения от нормы. Это результат так называемых спонтанных мутаций.

Другую группу из 2 тысяч самок" облучим в дозе 50 бэр. Затем обследуем 10 тысяч новорожденных мышат и обнаружим уже у двухсот из них отклонение от нормы. Таким образом, облучение самок мышей привело к увеличению генетических отклонений в потомстве.

Ученые считают, что доза, увеличивающая частоту спонтанных мутаций в половых клетках человека, может колебаться от 10 до 100 бэр. Но чтобы прийти к такому ответственному заключению, потребовалось провести опыты на многотысячной армии экспериментальных животных.

Если исследователи хотят обнаружить генетические отклонения от нормы у внуков и правнуков, чьи бабушки или прабабушки были облучены (речь идет, конечно, об экспериментах на мышах), число животных в опыте необходимо резко увеличить. Это объясняется довольно-таки просто. Говоря житейским языком, у внуков и правнуков пораженные гены все больше и больше будут "разбавляться" здоровыми генами. И чтобы статистически достоверно доказать влияние облучения прабабушки на правнуков, нужно провести грандиозные по числу особей эксперименты. И не один, не два, а десятки, иногда сотни исследований. Только после этого становится возможным перенести результаты опытов с животных на человека.

Вот любопытные расчетные цифры, взятые из одной интересной книги "Концепция биологического риска воздействия ионизирующего излучения", изданной в Советском Союзе в 1973 году. Если предположить такой случай, что большая масса людей подвергнется облучению в дозе 1 бэр, то в этом случае среди миллиона родившихся детей число видимых мутаций увеличится всего на 16 случаев. Еще раз следует подчеркнуть, что это данные расчетные. Они опираются только на эксперименты, проведенные на многотысячной армии мелких лабораторных животных.

Родители, дети, внуки и правнуки

16 случаев - увеличение, конечно, незначительное, но факт остается фактом.

Статистика - наука упрямая.

Говорят, испанский король Альфонс X Кастильский, живший в XIII веке, был не лишенным юмора монархом. Однажды под натиском навалившихся на него сложных государственных дел он высказал крамольную по тому времени мысль. "Если бы господь бог,- изрек король,- сделал мне честь спросить мое мнение при сотворении мира, я бы ему посоветовал сотворить его получше, а главное - попроще".

Пожалуй, пожелай Альфонс X Кастильский изучать современные проблемы радиационной биохимии и радиационной генетики, ему бы пришлось нелегко. Сокровенные механизмы действия ионизирующей радиации на генетический материал не назовешь простыми.

В ядре клетки ДНК упакована в специальных образованиях, которые называют хромосомами. Можно сказать и так: гены объединены в хромосомы. Деление клетки на две дочерние биологи называют митозом. Важную часть процесса митоза составляет расщепление хромосом на две части и последующее их расхождение к полюсам клетки (полюс в клетке - это, разумеется, условное название).

Для удобства изучения процесса митоза его разделяют на несколько стадий, или фаз, каждая из которых имеет собственное название. Следует, конечно, помнить, что разделение на фазы тоже условно. На самом деле митоз представляет собой непрерывный процесс.

Первая фаза характеризуется наибольшей активностью обмена веществ в клетке. Вторая фаза - это подготовка клетки к делению. Хромосомы удваиваются, потом закручиваются в спираль и поэтому становятся и потолще и покороче. Оболочка ядра, в котором были упакованы хромосомы, растворяется. В третьей фазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки, а потом расходятся к полюсам. В конце следующей фазы каждая хромосома уже имеет характерный для данного вида клеток внешний вид. Наконец последнюю фазу митоза можно назвать фазой восстановления. Хромосомы раскручиваются, становятся тоньше, вновь появляется оболочка ядра. Наконец клетка делится на две половинки, каждая из которых имеет собственное ядро.

Процесс размножения клетки идет именно таким путем. Сестринские хромосомы являются т.очными копиями. Именно поэтому дети похожи на родителей. Но при передаче наследственных признаков иногда возникают ошибки. В результате эволюционного процесса эти ошибки могут сохраниться. Но с этими генетическими ошибками - с этими мутациями - все обстоит не так-то просто, как может показаться с первого взгляда.

Ионизирующая радиация может вызывать мутации разного типа. Например, так называемые точковые мутации. Это конкретные физико-химические изменения в каком-то месте, в какой-то точке молекулы ДНК.

Другой важный вид мутаций связан с нарушением самой структуры хромосом, с изменением структуры нити.

И наконец, полезно познакомиться еще с одним видом мутаций. Она вызывается изменением числа хромосом. Их становится меньше или больше.

Всякая систематика, конечно, носит условный характер. Но в то же время только с ее помощью удается упорядочить наши знания. Она - нечто вроде морской карты для капитана, ведущего судно в безбрежном океане.

Генетики делят мутации еще на две группы. Одну группу они называют доминантными мутациями, другую - рецессивными. Если мутация доминантна, она выявится уже в ближайшем поколении. При облучении родителей изменения будут выявляться у детей. Рецессивные мутации могут появиться спустя одно или несколько поколений позже. Другими словами, при облучении будущих бабушек и дедушек результаты облучения могут проявиться на внуках и правнуках. Правда, дело облегчается тем, что рецессивные мутации могут вообще не проявиться ни в одном из следующих поколений. Как говорится, нет худа без добра.

Один из крупных современных биологов, Д. Мэзия, как-то шутливо заметил: "Благодаря размножению клеток жизнь ухитряется обвести вокруг пальца время. При наилучших условиях продолжительность жизни отдельных клеток измеряется днями, месяцами, самое большое - десятилетиями. И по мере того как идет время, все живое начинает стареть.

Однако благодаря размножению клеток время можно повернуть вспять и притом с двойным выигрышем - вместо одной клетки получить две".

Развивая эту мысль, можно добавить: благодаря ионизирующей радиации живая клетка приобрела ту дополнительную гибкость и способность меняться в зависимости от изменений окружающей среды, которая и позволяла ей выживать на протяжении миллионов лет.

И вот тут возникает один из самых трудных, самых притягательных и волнующих вопросов: а каков интимный механизм возникновения мутаций, которые вызывает ионизирующая радиация?

Несколько раньше мы уже рассказывали о так называемых точковых мутациях. Природа их стала понятной в последнее время.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты построена из простых составных частей, пуриновых и пиримидиновых оснований. Так вот, если ионизирующая радиация вызывает точковые мутации, это значит, что произошли химические изменения в строительных блоках - пуриновых и пиримидиновых основаниях. В силу особенностей своего строения пиримидиновые основания в два раза чувствительнее, чем пуриновые.

Ну а если мутация вызвана влиянием проникающей радиации на структуру хромосом?

В этом случае события развертываются в другом месте молекулы ДНК. В состав ее, как известно, входят остатки углевода и фосфорной кислоты, связанных в длинную цепочку. Так вот, если после облучения рвется эта цепочка, то имеют дело с изменением структуры хромосом. Цепочка рвется в тех местах, где связи ее послабее. Одним словом, как в старой пословице: "Где тонко, там и рвется".

Если мутация - это своего рода ошибка при снятии копии с оригинала, то ее, как и любую ошибку, можно исправить. Для этих целей в организме существует система починочных механизмов и биологических ускорителей реакций, ферментов.

Предположим, после облучения произошла подобная ошибка. Сейчас же в действие вступают починочные ферменты, механизмы восстановления начинают работать на полную мощность. От их активности зависит, сохранится ошибка в генетическом материале или нет. Если ошибка исправлена, то, как говорится, все в порядке. Если нет, не исключено, что изменения в организме могут быть обнаружены у внуков или правнуков.