Влияние радиации на потомство

Каждый организм, даже самый совершенный и сложно устроенный, ведет свое начало от одной - единственной клетки, которая образовалась в результате слияния половых клеток,- гамет - родителей. В гаметах, а затем и в оплодотворенной яйцеклетке - зиготе - заложены все основные наследственные качества будущего организма. В объеме, равном одной таблетке аспирина, можно поместить около двух миллиардов мужских гамет - сперматозоидов. Этого количества в принципе достаточно для удвоения численности населения Земли. Такое чудесное "консервирование" наследственных задатков целого организма в рамках одной микроскопически малой клетки возможно только потому, что в клетке существует специальный механизм, код, хранящий в зашифрованном состоянии наследственную информацию.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что важнейшую роль в деятельности этого механизма играют биополимеры, особенно нуклеиновые кислоты. Полимерная структура нуклеиновых кислот представляет собой цепочку последовательно соединенных мономеров - нуклеотидов, каждый из которых состоит из молекулы сахара (рибозы или дезоксирибозы), молекулы фосфорной кислоты и азотистого основания. В состав нуклеиновой кислоты входят четыре основных азотистых основания, порядок расположения которых по цепочке кислоты вносит разнообразие в ее структуру и участвует в формировании генетического кода.

Главным хранителем информации является, очевидно, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), расположенная в ядрах клеток и входящая в состав сложной структуры хромосом. Как показали опыты английских исследователей Уотсона и Крика, молекула ДНК состоит из двух самостоятельных полинуклеотидных цепочек, связанных между собой водородными связями, но способных при определенных условиях разделяться. По последним данным, полученным профессором А. М. Кузиным и его учениками, молекулы ДНК способны объединиться в еще более сложные надмолекулярные структуры, имеющие немало общего со сложными хромосомными структурами. Молекулы ДНК служат как бы штампом, матрицей, на которой синтезируются, штампуются молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), передающие наследственную информацию дальше - молекулам белхов, в том числе ферментативных. В свою очередь синтез нуклеопротеидных структур осуществляется при участии ряда ферментов.

Отдельные участки молекулы ДНК, носящие название генов или цистронов, хранят в закодированном виде сведения, планы устройства отдельных белков. Чтобы эта зашифрованная схема превратилась в реальную белковую молекулу, необходим очень сложный, но точно работающий механизм реализации наследственной информации.

Как же работает этот удивительный, ни с чем не сравнимый механизм? В спирально изогнутой двойной цепочке ДНК азотистые основания, соединяющиеся в пары с помощью водородных связей, образуют нечто вроде ступенек винтовой лестницы. Чтобы "прочесть" скрытую в них наследственную информацию и передать схему производства белков на специальные фабрики белков- рибосомы, нужно сначала разделить нити ДНК, разорвать водородные связи между азотистыми основаниями. Связи эти очень непрочны и в условиях клетки в нужный момент разрываются. Азотистые основания - ступеньки лестницы - молекулы ДНК - имеются четырех видов: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Из них-то и состоят буквы наследственного кода. Простейшей единицей - мономером белка - является аминокислота. Чтобы сохранить в наследственной памяти клетки структуру белка, нужно располагать алфавитом минимум из 20 букв. Но азотистых оснований только четыре. Решение было найдено только в 1963 г. Оказалось, что каждой аминокислоте в будущем белке соответствует комбинация из трех азотистых оснований (триплет). А таких комбинаций из четырех оснований можно получить даже не 20, а 64.

Итак, первый вопрос ясен: триплеты азотистых оснований ДНК кодируют последовательность аминокислот в молекуле белка. Но ДНК находится в ядре клетки, а рибосомы - фабрики белка - в цитоплазме. Должен существовать, следовательно, какой-то посредник, переносчик информации от ДНК ядра к рибосомам цитоплазмы. Выполняет эту роль один из видов РНК - так называемая информационная РНК, или РНК переносчик. Размер ее молекулы точно соответствует размеру гена - участка ДНК, кодирующего структуру одной белковой молекулы. В пределах гена образование информационной РНК идет так, что каждому азотистому основанию гена соответствует определенное основание РНК. Следовательно, структура РНК полностью зависит от структуры гена, является ее зеркальным отражением. Наследственная информация вместе с самим зеркалом - молекулой информационной РНК -переходит из ядра в рибосому. А по другим каналам туда же доставляются строительные материалы - аминокислоты. Каждый вид сырья транспортирует специальный носитель. Эту роль исполняет другая форма РНК - транспортная, существующая в двадцати разновидностях (по числу аминокислот). В рибосомах проект будущей молекулы белка, доставленный РНК-переносчиком, встречается с потоками стройматериалов, доставленных транспортными РНК. Здесь проект облекается в плоть и кровь. Вдоль молекулы информационной РНК, в соответствии с порядком и структурой ее триплетов, выстраиваются аминокислоты. Они соединяются между собой, белковая цепь готова,

Вся эта, внешне простая схема передачи генетической информации от ДНК к белкам построена на основе длительных и кропотливых исследований. Особого внимания заслуживают фундаментальные работы лауреатов Нобелевской премии американских ученых Очоа, Корнберга, Ниренберга, советских академиков А. Н. Белозерского, А. С. Спирина и др.

Итак, наследственная информация в половых клетках хранится, размножается и передается благодаря существованию этого сложного, весьма точного и совершенного процесса, в котором роль главного хранителя информации и первичного штампа выполняют молекулы ДНК, расположенные в ядре клетки.

Важнейшая особенность генетических структур клетки - их уникальный характер. Молекулы ферментов и других биологически важных соединений всегда присутствуют в клетке в виде большего или меньшего количества одинаковых копий. Клеточные же структуры, ответственные за хранение наследственной информации, состоят из различных по составу и функции молекул. Даже в рамках одной полинуклеотидной цепочки ДНК, очевидно, существуют разнокачественные участки, несущие различную информацию.

Естественно, что даже минимальные повреждения генетических структур, ничтожные изменения их состава могут иметь самые серьезные последствия для клетки. Если же это клетка половая, печальные последствия могут быть как для всего будущего организма, так и для его потомков. Изменение устройства, "узора" первичного штампа повторяется, воспроизводится затем в сотнях и тысячах копий, передается через молекулы РНК молекулам белков, оказывает влияние на течение обменных процессов в клетке, нарушая их точную и совершенную координированность. Если описанное изменение "узора" матрицы произошло в половой клетке, оно воспроизводится во всех клетках организма, вырастающего из этой клетки, в том числе и в его половых клетках. Следовательно, это изменение может передаться по наследству и потомкам организма, по крайней мере некоторым из них. Большинство возникающих изменений структуры ДНК устраняется восстановительными системами клетки, о которых шла речь выше. Однако часть возникших изменений сохраняется и вызывает стойкое наследственное изменение того или иного признака организма. Такие стойкие и передающиеся по наследству изменения, наступающие в организме внезапно под влиянием определенной причины (в данном случае - действия ионизирующей радиации), получили в науке, по предложению голландского ученого де Фриза, название мутаций.

Ядерные излучения представляют собой один из самых мощных в природе мутагенных факторов. Вследствие неповторимости генетических структур клетки стойкое изменение наследственности - мутация - может возникнуть при попадании в половую клетку одной ионизирующей частицы или кванта. А это возможно при очень малом количестве ионизирующих лучей. Следовательно, мутации могут возникнуть (и они действительно возникают) даже под влиянием того ничтожного излучения, которое составляет радиоактивный фон и обусловлено действием космических лучей и естественной радиоактивностью воздуха, воды, почвы, окружающих предметов и нашего собственного тела. Естественный фон радиации существует постоянно и в любом месте земного шара, поэтому такое излучение наряду с другими природными мутагенными факторами, непрерывно воздействуя на весь органический мир, вызывает у его представителей периодическое появление новых стойких признаков, т. е. участвует в возникновении естественного мутационного процесса.

Вреден или полезен процесс образования мутаций? На этот вопрос невозможно ответить одним словом и даже одной фразой. Все зависит, согласно материалистической диалектике, от обстоятельств, места и времени. Прогресс органического мира, возникновение новых видов животных и растений, все более приспособленных к условиям изменяющейся среды, в которой они обитают, невозможны без изменения консервативной наследственной основы, без мутаций. Таким образом, в великом процессе эволюции органического мира мутации играют активную, революционную роль, создавая условия для появления новых органических форм.

Чем совершеннее устроен организм, чем более сложную совокупность признаков, структур и функций он собой представляет, чем лучше он приспособлен к условиям жизни, тем меньше возникает в таком организме полезных мутаций, способствующих дальнейшему прогрессу его организации. Наоборот, с усложнением организма резко увеличивается доля вредных мутаций, ослабляющих живое существо, снижающих его жизнеспособность и приспособленность к жизненным условиям. И это понятно: в сложнейшем механизме всякое, даже незначительное изменение почти наверняка означает поломку, и лишь в очень редких случаях такое изменение может оказаться полезным. Ведь излучения действуют на клетки хаотически, каждое отдельное повреждение генетических структур, каждая мутация случайны по отношению к общему процессу органической эволюции и к развитию данного организма и вида.

Но природа располагает миллионами индивидуумов и тысячами лет для осуществления своей творческой работы. Один-единственный новый полезный признак организма окупает миллионы неудачных попыток, появление сотен тысяч неполноценных особей, безжалостно устраняемых действием естественного отбора. Механизм образования мутаций, в том числе вызванных действием радиоактивного фона, играет в мастерской природы роль одного из важнейших инструментов прогресса.

Однако в применении к отдельным людям, равно как и ко всему человечеству, этот механизм оказывает в основном отрицательное влияние. Достигнув в условиях Земли наибольшего совершенства организации, вид Homo sapiens (человек разумный), естественно, больше других видов страдает от мутационного процесса. Даже редко встречающиеся положительные мутации не закрепляются естественным отбором и не служат прогрессу человеческого рода. Это происходит потому, что естественный отбор, имеющий решающее значение в эволюции всех диких органических форм, потерял ведущую роль в отношении людей и тех животных и растительных видов, которые культивируются и совершенствуются человеком. Судьбу отдельного человека (и целого человеческого коллектива) решает в обществе не сила мускулов, не крепость зубов и не быстрота бега. Главное значение для развития человечества имеют многочисленные факторы социальной жизни общества, действующие более быстро, интенсивно и однозначно и вызывающие несравненно более быстрые и серьезные изменения в жизни человека, чем естественные природные факторы. В этих условиях даже естественный мутационный процесс играет почти исключительно отрицательную роль, обусловливая появление врожденных уродств, наследственных; заболеваний у 2 - 3% рождающихся.

Совершенно ясно поэтому, что всякое увеличение скорости появления мутаций неблагоприятно и нежелательно. Вот почему так настойчиво и последовательно выступают все прогрессивные люди Земли за прекращение-испытаний ядерного оружия, ликвидацию его запасов и средств доставки. Повышение радиоактивного фона Земли вследствие выпадения радиоактивных изотопов - осколочных продуктов ядерных взрывов - способствует увеличению числа мутаций, оказывает незаметное на первый взгляд, но достаточно серьезное воздействие на всю живую природу. Особенно сильную опасность несет облучение такими долгоживущими радиоактивными продуктами, как цезий - 137 (период полураспада 33 года) и углерод - 14 (период полураспада 5600 лет).

Цезий - 137 распределяется в организме довольно равномерно и своим гамма-излучением повреждает половые железы. Углерод - 14 легко включается во все органические структуры и также может поражать половой аппарат. Что же касается стронция - 90, то он концентрируется в костях, и его бета-излучение, как правило, не достигает половых желез.

Неизбежным следствием увеличения радиоактивности на поверхности Земли является ускорение естественного темпа мутирования во всем органическом мире. Испытательные ядерные взрывы вызвали нарушение ряда природных закономерностей, положили начало процессам, последствия которых будут очень долго давать себя чувствовать, а размеры их возможного вреда для человечества пока не поддаются точному учету.

Мутационные изменения, как мы знаем, могут возникнуть в половых клетках млекопитающих под влиянием даже одной ионизирующей частицы. Это значит, что для мутагенного генетического действия радиации фактически нет предела, ниже которого оно не проявляется. С увеличением дозы облучения возрастает и опасность образования мутаций. Эта опасность весьма реальна для потомков лиц, перенесших тяжелую форму лучевой болезни, что побуждает врачей в некоторых случаях рекомендовать таким больным не иметь детей.

Рис. 9. Постепенное поседение шерсти у мышей после облучения

Генетические изменения, вызванные облучением в половых клетках млекопитающих, могут быть настолько серьезны, что плод, вырастающий из облученной клетки, оказывается нежизнеспособным и гибнет еще до рождения на свет. Это так называемые летальные мутации. В других случаях мутационные нарушения совместимы с жизнью, однако вызывают уродства, наследственные заболевания типа гемофилии и серповидноклеточной анемии.

Рис. 10. Доминантные и рецессивные мутации в потомстве мушки дрозофилы, облученной рентгеновскими лучами. Черная точка на брюшке указывает на присутствие рецессивного мутантного гена

Если один из родителей был облучен до зачатия ребенка, то мутационные изменения, возникшие в части его половых клеток, могут вообще не отразиться на состоянии здоровья потомка. Такой результат возможен при оплодотворении за счет здоровых гамет (рис. 10). Однако и в случаях оплодотворения мутировавшей гаметой последствия мутации могут сразу не проявиться. Это наблюдается в тех случаях, когда доминирует аналогичный мутировавшему признак здорового родителя. Такие мутации, не обладающие свойствами доминантных, называются рецессивными. В течение многих поколений рецессивные мутации могут скрыто сохраняться в генетическом аппарате потомков облученного организма и лишь при встрече с другой такой же рецессивной мутацией проявиться в виде гибели организма (рецессивные летали) или уродств, аномалий развития.

Увеличение радиоактивного фона, облучение ионизирующей радиацией значительных контингентов людей неизбежно ведут к накоплению рецессивных мутаций и создают серьезнейшую потенциальную угрозу для будущих поколений. Вот почему усилия Советского правительства, направленные на то, чтобы повсеместно и на вечные времена было запрещено применение и испытание ядерного оружия, наряду с огромным политическим и социальным имеют и общебиологическое значение.