Генетическое действие ионизирующих излучений

Открыли его в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, опубликовавшие исследования, выполненные на дрожжах и плесневых грибах.

Тремя годами позже их результаты были подтверждены на растениях и мушке дрозофиле. В 1927 г. американский ученый и один из основоположников радиационной генетики Г. Меллер предложил методику количественной оценки частоты наследственных изменений, разработанную на дрозофиле. Затем эти исследования были перенесены на мышей и другие организмы. В последующем в связи с развитием атомной энергетики и внедрением источников излучения в промышленность, сельское хозяйство и другие отрасли производства вопросы действия ионизирующих излучений на наследственность приобрели громадное значение. В настоящее время исследованием их занимается специальный раздел науки - радиационная генетика.

Известно, что элементарной единицей наследственности является ген, который имеет строго определенную структуру и функцию. Все гены клетки организма создают общий генотип индивидуума и этим обеспечивают жизнедеятельность организма как целого.

По химической характеристике ген представляет собой участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Порядок соче­тания в гене азотистых оснований - аденина, тимина, цитозина и гуанина - определяет его специфичность и код. При помощи кода ген передает строго определенную информацию для развития той или иной функции или структуры клетки и организма в целом. Гены заложены в структуре хромосом. Каждая хромосома несет десятки и сотни генов. Число хромосом в клетках животных каждого вида постоянно. Так, у собак их насчитывается 78, у лошадей - 66, у коров - 60, у овец - 54, у свиней - 40, у человека - 46. Все хромосомы находятся в двух подобных, но неидентичных наборах, например у лошади по 33 хромосомы в наборе. Один из этих наборов наследуется от матери, другой - от отца. В процессе оплодотворения половые клетки сливаются в одну, ядро которой уже имеет два набора хромосом. Перед последующим делением каждая хромосома всегда образует свою точную копию. Поэтому дочерние клетки будут иметь совершенно одинаковые количества и структуры хромосом и генов, т. е. дочерние клетки будут копиями материнских, и это может повторяться в громадном числе поколений. Однако под действием различных внешних и внутренних факторов (ионизирующее излучение, химические вещества и др.) молекулярная структура хромосомы или гена может изменяться. В результате образуется ген с новыми признаками; он уже не будет являться абсолютным подобием старому, т. е. произойдет мутация.

Мутацией называют изменения в гене или хромосоме. Перед последующим делением клетки измененная хромосома воспроизводит копию самой себя, т. е. происшедшие в ней изменения передаются хромосомам последующих поколений клеток. Таким путем наследуется приобретающий постоянный характер мутировавший ген. Организм, в котором проявляются признаки мутировавшего гена, принято называть мутантом. Если же мутация произошла в половой клетке, то развивающийся организм будет иметь новые наследственные признаки.

У организмов каждого вида имеется огромное количество мутировавших генов, многие из которых произошли под влиянием естественного радиоактивного фона.

Различают генные, хромосомные и геномные мутации. Генные мутации - это мутации, возникающие в результате изменения лишь одного гена, их еще называют точковыми. Хромосомные мутации - это изменения в структуре хромосом. Данные мутации возникают путем: транслокации - перемещения участка хромосомы; дубликации - удвоения, утроения и т. д. отдельных участков хромосом; нехватки, или делеции, - потери участка хромосомы; инверсии - когда оторвавшийся участок хромосомы включается в ту же хромосому, но в перевернутом виде. Все виды хромосомных мутаций, связанных с нарушением структуры хромосом, называют хромосомными аберрациями. Геномные мутации, или мутации кариотипа, - это мутации, связанные с изменением числа хромосом.

Характер мутаций, вызываемых ионизирующим излучением, тот же, что и при действии других факторов, например химических веществ, ультрафиолетового облучения, и они не отличаются от само­произвольных естественных мутаций. Под действием ионизирующего излучения возникают в основном два вида мутаций: генные (точковые) и хромосомные (хромосомные аберрации). В некоторых случаях при хромосомных перестройках может произойти восстановление хромосомы, например при разрыве отделившиеся концы могут соединиться и восстановить целостность хромосомы. Частота мутаций при воздействии радиации имеет зависимость от видовой и индивидуальной радиочувствительности объекта и вида ионизирующего излучения, главным образом от величины линейной потери энергии (ЛПЭ).

В результате мутаций могут появляться доминантные (господствующие) и рецессивные (подавленные) гены. Если ген доминантный, то соответствующий признак, носителем которого он является, будет проявляться у потомства первого поколения независимо от того, присутствует данный ген у половой клетки одного или обоих родителей. Если ген рецессивный, то соответствующий признак, носимый этим геном, передаваясь из поколения в поколение, может проявиться первый раз только у правнуков и то в том случае, когда он имеется в половых клетках и отца, и матери.

При появлении хромосомных аберраций в одной половой клетке оплодотворенное яйцо обычно погибает при первых делениях. Это явление называется доминантной летальностью. В случаях же, когда летальность вызывается рецессивными летальными генами и выявляется в ряду последующих поколений, говорят о рецессивной летальности.

Появление мутаций в соматических клетках ведет к возникновению соматических эффектов радиации. Одно из проявлений соматических мутаций - злокачественный рост клеток. Мутации соматических клеток по наследству не передаются. Установление канцерогенного действия радиации побудило создать мутагенную теорию канцерогенеза.

Мутации в соматических клетках под действием радиации приводят к нарушениям иммуногенеза. В частности, после облучения животного в лимфоидной ткани обнаруживаются клетки с хромосомными аберрациями, т. е. они уже являются мутантами и могут вырабатывать антитела против нормальных антигенов хозяина. При появлении большого количества клеток-мутантов может наступить смерть организма.

В настоящее время не установлен дозовый порог, ниже которого излучение не вызывает мутаций. Одной из важных проблем является вопрос об удваивающей дозе радиации. Он имеет существенное значение, ибо дает возможность сопоставить относительный эффект радиации с последствиями протекания естественного мутационного процесса.

Удваивающая доза радиации - доза, влияние которой увеличивает количество мутаций в два раза по сравнению с естественным мутированием. По литературным данным, данная доза может быть для человека в пределах от 0,03 до 1,5 Гр. Научный комитет ООН, согласившись с доводами российского ученого Н. П. Дубинина, признал, что доза 0,1 Гр гамма- или рентгеновских лучей удваивает частоту мутаций.

Генетическое действие ионизирующих излучений может наблюдаться у животных при любой дозе облучения. Однако оно проявляется только при воздействии малыми и сублетальными дозами радиации. Причина этого заключается в том, что при облучении большими дозами радиации животные становятся бесплодными или погибают, поэтому в таких случаях генетические эффекты у них не проявляются. Иные последствия возникают при облучении малыми дозами, когда у животных не возникают какие-либо видимые изменения в организме, а также после перенесения лучевой болезни. У таких животных восстанавливается плодовитость, и они дают потомство за счет половых клеток, которые подвергались воздействию радиации.

Новые признаки, возникающие в связи с мутацией, могут быть положительными и отрицательными. Но в большинстве случаев они бывают отрицательными и могут проявляться повышенной восприимчивостью животных к заболеваниям, сокращением продолжительности жизни, возникновением злокачественных новообразований и другими патологическими состояниями.

Опасность генетических эффектов для сельскохозяйственных животных может быть значительно снижена путем постоянно осуществляемых отборов и подбора спариваемых пар.

Что касается диких животных, а также растений, микроорганизмов и вирусов, то здесь повышение уровня радиации будет иметь значение фактора, влияющего на темпы и формы эволюции. Попадая в условия повышенной радиоактивности, виды подвергаются широкому отбору, который идет на фоне повышенной изменчивости (радиомутабильности). В этих условиях отбор, уничтожая часть популяции, приводит к появлению свойств, нужных виду для обитания в новых условиях среды. Таковы выводы генетиков по осуществлению генетического приспособления видов к повышенному фону радиации.