Текст книги "Мы и её величество ДНК"
Автор книги: Федор Полканов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 11 страниц)
Нельзя ли проверить самому?
Можно, мой дорогой друг, пытливый читатель, и очень легко, но только работать придется на дрозофиле.
С другими объектами на это потребуются годы, а на дрозофиле весь опыт займет двадцать – двадцать пять дней.
«Кёрли» трех типов.
Обратись в любую генетическую лабораторию и попроси дрозофил линии Cy («кёрли»). Концы крыльев у них изогнуты кверху, что связано с изменением, локализованным во второй хромосоме. А заодно попроси штук десять пробирок с питательной средой, чтоб не варить ее самому. Когда ты объяснишь, зачем тебе нужно, уверен, ни один генетик не пожалеет пробирок, а мух и подавно, ибо если они есть, то всегда в избытке. Лучше всего там же, в генетической лаборатории, рассадить мух по пробиркам, по две-три пары на каждую. Можно сделать это и не в лаборатории, но тогда тебе придется изготовить морилку. Ее детали и приборчик в собранном виде изображены на рисунке. Самое трудное тут – запаять, а потом проколоть раскаленную на огне стеклянную трубочку иглой; однако при наличии старания, газовой горелки или же примуса и это сделать довольно легко. В стакан морилки кладут комочек ваты, а потом, вынув пробку с воронкой, льют па вату совсем немножко эфира (его можно заменить эфирно-валерьяновыми каплями, которые продаются в аптеке).
Легонько постукав пробирку с мухами об ладонь, быстро вынь из нее ватную пробку и, перевернув, вытряхни мух в морилку. Сквозь отверстия стеклянной трубочки туда поступают из ваты пары эфира, и мухи под действием этих паров засыпают. Как только перестанут они шевелиться, вытряхни из морилки мух на стеклышко размером примерно 20 × 20 сантиметров и, действуя кисточкой для акварели, распредели их на две кучки, чтобы в одной были самцы, а в другой самки. Как их отличить, поймешь из рисунка в предыдущей главе. Затем открывай пробирки с новой питательной средой и сбрасывай туда (на стекло, но не на корм!) по две пары мух, сразу же после того затыкая пробирку ватной пробкой. Первое время, пока не пройдет у мух наркоз, нельзя ставить пробирку стоймя: мухи могут прилипнуть к корму.
Когда мухи окончательно оживут, пробирки нужно поместить в температуру 26—28 градусов. Это нормальная для дрозофил температура. Две пробирки оставь при этой температуре на все время опыта – это будет контроль. С остальными пробирками ты проведешь опыт. Он будет заключаться в том, что каждый день ты будешь брать по одной пробирке и на сутки выносить в прохладное помещение (с температурой 16—18 градусов). Отмечай, какую пробирку в какой день ты выносил.
Морилка: 1 – воронка, 2 – пробка, 3 – резиновый шланг, 4 – пробирка, 5 – вата, 6 – стеклянный цилиндр.
Когда мухи во всех пробирках вылупятся, ты сможешь просмотреть результаты опытов. Как в контроле, так и в пробирках, которые охлаждались на 2, 3, 6, 7, 8-е сутки, все мухи будут самыми обыкновенными «кёрли» – крылышки чуть-чуть загнуты. А вот в вариантах опыта, где охлаждение производилось на четвертые-пятые сутки, мухи будут различными. Найдешь ты здесь и нормальных «кёрли», но будут и такие, у которых крылья окажутся не только что загнутыми, но закрученными в трубочку. Значит, на четвертые-пятые сутки пониженная температура вызывает резкое усиление действия гена «кёрли». Иная картина будет при охлаждении на девятые-десятые сутки, перед вылупленном мух. Ты тут найдешь совсем прямокрылых. В отличие от типичных «кёрли», которые не летают, а «прыгают», эти мухи могут превосходно летать. Внешне они ничем не отличаются от обычных прямокрылых мух, лишенных гена «кёрли». Вроде бы ген пропал!
Однако если ты отнесешь в лабораторию использованные пробирки, а взамен попросишь хотя бы три новых, ты можешь продолжить опыт. В одну пробирку посади две пары мух из контроля, в другую трубчатокрылых, а в третью – тех, у которых ген «кёрли» «пропал». Теперь уже на холод пробирки не выноси, пусть мухи все время развиваются при 26—28 градусах. Когда вылупится второе поколение, ты убедишься: во всех трех пробирках мухи абсолютно одинаковые – все «кёрли».
О чем говорит опыт? Степень проявления гена «кёрли» у дрозофилы сильно зависит от температуры, при которой проходило развитие. Тут есть два чувствительных периода: первый на четвертые-пятые сутки, второй на девятые. Если в первом случае пониженная температура вызывает усиление действия гена, то во втором, напротив, ведет к выпрямлению крыльев. А по наследству эти изменения не передаются. И не трудно понять почему. От гена к признаку ведет путь, состоящий из целой цепи реакций. Какие-то два из звеньев этой цепи зависят от температуры. Однако чтобы изменился при этом ген, нужно изменить все предыдущие реакции.
Спонтанные мутации
О внезапных изменениях наследственности знал еще Дарвин. Взгляните на рисунок, где изображены овцы. Слева овца нормальная, в центре и справа овца и баран с сильно укороченными ногами. Сперва появилось одно-единственное такое животное. Изменение оказалось наследственным, рецессивным. Оно заинтересовало селекционеров, его подхватили, и была создана анконская порода коротконогих овец. Эти овцы не в состоянии перепрыгнуть даже через сравнительно низкую изгородь, а это важно в английских условиях: там животные постоянно содержатся в загонах. Дарвин описывает эти изменения, а также другие подобные, называя их спортами. Изменения такого рода сыграли большую роль в формировании пород голубей, и Дарвин приводит очень много примеров из голубеводства (он был членом двух голубеводческих клубов).
В начале нашего века де Фриз, тот самый, что вторично открыл законы Менделя, работал с растением ослинником (энотерой). Он обнаружил у него много наследственных изменений. Они затрагивали самые различные органы, а иногда и растение в целом. Были здесь и карликовые и гигантские формы, и с измененными листьями, и с укороченными стеблями. Де Фриз назвал эти изменения мутациями. Они всегда возникали внезапно, по непонятным для исследователя причинам и внешне никак не были связаны с условиями среды. Надо сказать, что и спустя четверть века после де Фриза причины мутаций были еще неясны.
В центре и справа – коротконогие анконские овцы.
Есть крепости, которые нелегко одолеть. И именно такой оказался ген – первые его искусственные изменения получены только в 1925 году. Как это произошло, скоро будет рассказано.
А теперь посмотрите на рисунок в начале главы. Вы видите белок, обыкновенную и альбиноса. Это мутации. Так же мутантна по отношению к обычной пестрой окраске белая окраска павлинов. Тут известен и тип наследования: эта пара признаков менделирует, при скрещивании двух гетерозигот возникает соотношение 3:1.
Недавно в Африке, в стаде обычных зебр, была обнаружена зебра темная, почти черная. Позже у нее родился жеребенок такой же темный, как и она сама. В этом случае мутация доминантная. И находись зебры не в заповеднике, не под присмотром людей, эта мутация была бы обречена на гибель. Ведь обычная окраска зебр, полосатая, – приспособительный признак, окраска защитная. Темная зебра легко бы стала добычей хищников. А на другом рисунке (стр. 14) среди обычных жирафов изображен альбинос. Это рецессивная мутация. И именно благодаря атому она существует издавна. Животные гетерозиготные окрашены и пятнисты, как обычный жираф. А от скрещивания двух гетерозиготных животных время от времени появляются альбиносы. Эти животные больше подвержены истреблению: они, естественно, менее жизнеспособны. Но если предположить, что произойдут резкие изменения в условиях жизни, при которых жирафам будет выгодна светлая окраска, а не пятнистая, тогда естественный отбор отдаст предпочтение альбиносам, и они постепенно вытеснят пятнистых жирафов. Конечно, трудно представить, чтоб изменения условий были столь резкими, и все же пример верен в принципе. При изучении дико живущих дрозофил не раз наблюдали, как рецессивная мутация при изменении условий подхватывается отбором.
Темная зебра среди обычных зебр.
Известно это и для других существ, особенно бактерий и простейших.
Мутации вовсе не обязательно бывают хорошо заметными, бросающимися в глаза. Напротив, более часты мутации мелкие, незначительные. Мутация может затронуть любой признак любого организма. Бывает и так, что одна и та же мутация затрагивает несколько признаков.
В конечном счете любое свойство и любой признак любого организма имеет мутационное происхождение. Конечно, не надо думать, что, к примеру, хобот у слона разом возник как мутация.
Безусловно, возникновение признаков такой сложности явилось результатом многократных мутаций, сложной перекомбинации мутантных генов.
А творцом здесь был естественный отбор, подхватывающий то, что полезно, отбраковывающий, выбрасывающий все вредное.
Открытие и дальнейшее изучение мутаций дало дарвинизму надежную базу. Существенную роль сыграл здесь советский исследователь С. С. Четвериков, основатель новой ветви генетики – эволюционной.
Почему в заголовке я написал не просто «Мутации», а «Спонтанные мутации»? Спонтанными (неожиданными, непроизвольными) называют мутации, возникающие помимо воли человека. В отличие от них, есть индуцированные мутации, их получают искусственно, в результате сознательного воздействия на наследственность – на хромосомы и гены.
Индуцированные мутации. Дрозофила летит в космос
Получить искусственные мутации, изменить своими руками наследственность – об этом генетики мечтали данно. Но не так-то легко было подобрать ключик! Наследственность всего живого надежно защищена от внешних воздействий. Не будь этого, не могли бы организмы сохранить информацию, накопленную в наследственном аппарате за миллионы лет эволюции. И не мудрено, что долгое время не удавалось найти пути изменения хромосом и генов.
Впервые это удалось в 1925 году советским ученым Г. А. Надсону и Г. С. Филиппову. Они работали на дрожжах. У дрожжевых грибков есть четко выраженная и передающаяся по наследству форма так называемых гигантских колоний. Чем-то эти колонии, состоящие из множества клеток, напоминают цветы. Эти колонии обнаруживают поразительное постоянство. И немало перепробовали Надсон п Филиппов способов воздействий, прежде чем наткнулись на лучи радия. Оказалось, что чудодейственные лучи, проникая в живое, вызывают изменения в хромосомах, а эти изменения, в свою очередь, сказываются на свойствах дрожжей, в том числе на форме и размерах гигантских колоний.
Форма и величина колоний – самые показательные признаки, видные на глаз, но изменения затрагивали и другие свойства, например способность сбраживать сахарозу.
Статья Надсона и Филиппова была первой ласточкой. Вслед за ней появилось множество других работ, которые привели к созданию специальной отрасли науки – радиогенетики.
Было выяснено, что не только лучи радия, но и любые другие источники ионизирующей, проникающей радиации ведут к образованию мутаций. Это, прежде всего, рентген, с которым в дальнейшем больше всего работали; это гамма-лучи различных источников, в частности от радиоактивного кобальта; это нейтроны, протоны и даже ультрафиолетовые лучи солнечного спектра. Вызывают мутации и космические лучи.
Когда имеешь дело с тем или иным фактором, очень важно точно измерить силу его воздействия. Именно поэтому целую революцию в генетике произвела работа Г. Меллера, проведенная в 1927 году в Америке.
Этот ученый нашел способ точного количественного учета мутаций.
Муха с глазами – «Бар».
Первоначально работа велась на дрозофиле – любимом объекте генетиков, а затем на микробах, растениях, животных различных классов. Однако дрозофила до сих пор служит превосходной моделью. В частности, когда нужно исследовать новую космическую трассу, на нее посылают дрозофилу и но уровню ее мутабильности, то есть по количеству возникших у нее мутаций, судят о повреждающем действии космических лучей.
Разработанный Меллером метод называется CLB (си-эль-би).
CLB – Х-хромосома дрозофилы, специально сконструированная Меллером. C («си») – запиратель кроссинговера; эта хромосома не обменивается участками со своими партнерами. L – деталь, рецессивный летальный ген, не меняющий жизнеспособность мух в гетерозиготном состоянии, однако приводящий гомозигот к летальному – смертельному – исходу. Следовательно, не может быть самца с хромосомой CLB, не может быть и самки, гомозиготной по CLB-хромосомам. Почему в опыте мы не обнаружим гомозиготных по CLB самок, понятно из сказанного. А самцов мы не обнаружим потому, что Y-хромосома дрозофилы лишена доминантных генов, подавляющих рецессивы в Х-хромосоме. И, наконец, B («бар») – доминантный ген, вызывающий сужение глаз у мух. «Бар»-мухи имеют глаза в виде щелок. Этот ген в CLB-хромосоме просто необходим: он служит маркером. Это метка, клеймо, по которому исследователь отличает в опыте гетерозиготных по CLB самок.
Метод хорош тем, что позволяет изучить мутабильность Х-хромосомы самцов любой линии. Предположим, что нам с вами предложили изучить мутабильность, возникшую во время полета какой-то ракеты. Как мы будем работать?
Начнем с того, что размножим выбранную для этого линию и отсадим, ну скажем, двести самцов. Рассадив их попросторнее, штук по двадцать в пробирку, мы половину пробирок оставим на земле (это будет контроль), другую половину отправим в космос. К тому времени как мухи вернутся, нам следует отсадить штук 400—500 девственных самок СЬВ. Делается это так: из культуры, где только началось вылупление, выбрасывают всех мух до единой (вытряхивают в керосин). Часов через шесть в пробирках вылупится уже много новых мух, и все самки в это время будут еще девственными, виргннными, как говорят генетики. В культуре будут по фенотипу В («бар») и не В-самки. Нас интересуют только лишь B, то есть CLB-самки, и мы легко их отличим по щелевидным глазам. Пусть они посидят в отдельных пробирках, подождут, пока вернутся на землю дрозофилы-космонавты. А когда те вернутся, мы начнем изучать мутабильность. Обозначим Х-хромосому, побывавшую в космосе через XK, а CLB-хромосому через XCLB. Тогда наше скрещиванпе будет выглядеть так:
В первом поколении нас будут интересовать только самки. Их окажется два типа: ХXK и XCLBXK. Первые самки нам не нужны, у них будет идти кроссинговер, а это значит, что часть наследственных изменений мы обязательно прозеваем. Поэтому обратим свое внимание только на CLB-самок. Их нужно рассадить по одной, причем с любыми самцами. Каждая из CLB-самок будет представлять собой одну, подвергшуюся воздействию хромосому, потому что произошла она от одного побывавшего в космосе спермия. Чем больше мы поставим по втором поколении скрещиваний, тем большей будет точность нашего опыта. Триста скрещиваний уже дадут некоторое представление о мутабильности, 500 позволят судить о ней строже, а 1000 – это уже хорошо. Поставим-ка мы, читатель, тысячи полторы-две скрещиваний. В данном случае перестраховаться ох как не вредно: ведь по новой трассе полетит человек!
Одновременно с опытом все то же самое проделаем и в контроле. Наш контроль ничем не должен отличаться от опыта, кроме того, что исходные самцы тут не летали в космос. Нужно помнить: принцип равноправия контроля и опыта нерушим!
Во втором поколении, в отличие от первого, мы будем смотреть только самцов. Выше я писал, что CLB-самцов не бывает, они гибнут на ранних стадиях, и в опыто мы их не обнаружим. Поэтому неизбежно окажутся такие пробирки, где не будет вовсе ни одного самца.
Следовательно, условия космического полета в данном случае оказали на хромосому повреждающее действие, вызвали у нее возникновение рецессивного летального гена!
Именно по этому показателю– по числу возникших рецессивных летальных генов – принято судить о мута-бильностн. Предположим, на две тысячи культур у нас возникло 24 летальных гена. Это составит 1,2% летальных мутаций. А в контроле возникло всего две летали (0,1%). Вычтем из 1,2% мутабельность в контроле. Получим 1,1% леталей, возникших за счет воздействия космических лучей. «Многовато! – скажем мы конструкторам корабля. – Обеспечьте более надежную защиту». И конструкторы наши данные, несомненно, учтут. Иначе и быть не может: исследователи космоса с генетиками всегда были дружны.
Но вернемся к Меллеру. В 1927 году о полетах в космос помышляли разве что писатели-фантасты, и Меллер – автор метода CLB – изучал иные факторы.
Меллер воздействовал на мух рентгеном. Уже первые опыты показали, что увеличение дозы воздействия увеличивает число возникающих мутаций. Меллер был первым, кто на основе строгих опытов смог вычертить дозовую кривую – график, показывающий зависимость возрастания числа мутаций от дозы облучения в рентгенах. Уже тогда было ясно, что генетические повреждения пропорциональны дозе. Позднее это подтвердилось, однако выяснилось: зависимость здесь сложная.
Она различна для разных типов мутаций. Так число генных изменений (иначе их называют точковыми мутациями) примерно прямо пропорционально дозе. Кривая начинается от нуля и плавно нарастает до больших доз. Очень важно, что начинается она с пуля: значит, нет таких малых доз, которые были бы безвредны для хромосомного аппарата. И в самом деле: чтобы поразить точку, достаточно одной лучевой частицы. Иная зависимость для сложных хромосомных перестроек. Здесь разрывы должны произойти, как минимум, в двух точках, п по теоретическим ожиданиям результат должен быть пропорционален не просто дозе воздействия, а квадрату дозы. Для ряда объектов получен именно такой результат.
Лучистая энергия даст широкий спектр изменений. Тут и летальные и полулетальные мутации и видимые мутации – такие, которые можно обнаружить на глаз. Можно при помощи лучей получать и хозяйственно важные мутации. Сейчас уже есть так называемые радиационные сорта растений, множество хозяйственно важных штаммов микроорганизмов.
Попробуем улучшить сорт
Только что мы были космическими генетиками, а теперь превратимся в радиогенетиков, работающих с растениями, ну скажем, с пшеницею. Объект этот удобен: пшеница – строгий самоопылитель. Наша задача состоит в том, чтобы улучшить сорт. Прежде всего нам нужно выбрать дозу воздействия. Тут нам повезло. Если 700 рентгенов абсолютно летальная (смертельная) доза для человека, мыши, кролика и многих других животных, то для семян растений и несколько тысяч рентгенов не предел. Ученые рекомендуют для сухих семян ячменя дозу в 10 000—20 000 рентгенов. Они люди опытные – прислушаемся к их мнению. Пусть наша доза будет 10000 рентгенов.
А облучать будем при помощи рентгеновского аппарата или же гамма-пушки – установки, заряженной радиоактивным кобальтом Co60. Это вовсе не значит, что нельзя облучать, скажем, нейтронами на атомном реакторе. Просто для наших целей применим не в меньшей степени кобальт или рентген.
Высеяв облученные семена, мы сразу же обнаружим, что взойдут не все из них, а некоторые из взошедших окажутся слабыми и погибнут. Это произойдет не за счет генетических изменений. Семя – зародыш растения, довольно сложно устроенный организм; под влиянием лучей происходит гибель за счет самых различных причин.
Однако не все растения погибнут. Часть из них вырастет и в свою очередь даст семена. Мы их высеем и получим от облученных семян первое поколение. Тут уже могут проявиться доминантные мутации, и мы их с легкостью обнаружим. Прежде всего это будут доминантные уродства, приводящие к гибели на разных стадиях. Они нас не интересуют. Но вовсе не исключено появление видимых доминантных мутаций. Скажем, исходная пшеница была безостой, а в первом поколении вырос остистый колос – появилась доминантная мутация, вызывающая остистость. Чтобы не ошибиться, не принять за новую мутацию случай выщепления рецессива из исходного материала, просмотрим посевы контроля – пшеницы, не подвергавшейся облучению.
Вряд ли в первом поколении мы найдем то, что нужно нам, а поэтому высеем семена для получения второго поколения. И здесь, и во втором поколении будет масса уродств – обесцвеченные, лишенные хлорофилла растения, растения со щуплым, уродливым колосом и «замухрышки» всяких иных типов. Это не должно нас пугать. Быть может (и даже наверняка!), нам придется просмотреть много тысяч растений, плохих или просто неизмененных по сравнению с контролем. Что из этого? Для нас важно другое: найти хорошие, лучшие, чем исходный сорт, формы. А при тщательной работе, старании и упорстве такие формы непременно найдутся. Их нужно выделить, чтобы в дальнейшем продолжить с ними работу.
Так получают хозяйственно важные радиомутации.
Именно радиомутации, а не сорта. Без воздействия лучистой энергии мутации составляют обычно сотые, редко десятые доли процента. Действуя лучами, мы можем увеличить их число в сотни раз. Однако радиомутации, как правило, – лишь материал для дальнейшей селекционной работы. Получение их вовсе не исключает, а напротив, подразумевает отбор лучших, подбор пар, скрещивания, снова отбор на основе менделевских расщеплений и все другие приемы селекционной работы.
