2). Мутационный груз, его биологическая сущность и значение. Антимутационные механизмы.

Причинами мутационной изменчивости являются мутации. Термин «мутации» принадлежит Де Фризу.

Мутации – это внезапные скачкообразные непредсказуемые и дискретные изменения наследственного материала.

В начале текущего столетия появление наследственных уклонений рассматривалось как явление полностью случайное и независимое от факторов внешней среды. Развитие генетики показало ошибочность теории автогенеза. Установлено, что появление мутаций детерминируется изменениями в молекулах ДНК, возникающими на основе нарушений в метаболизме организма и под прямым влиянием факторов среды. Эти принципы современной теории мутаций показывает всю опасность загрязнения среды мутагенами. в клетке, гены, как и все в мире, изменяются. Эти изменения получили название мутаций. Термин «мутации» принадлежит Де Фризу.

Мутации – это внезапные скачкообразные непредсказуемые и дискретные изменения наследственного материала.

Мутации, будучи новыми молекулярными состояниями генов, столь же стойки, как и гены, из которых они возникают. Путем ауторепродукции мутации передаются потомкам в бесчисленном ряду клеточных поколений.

Причины появления мутаций могут корениться в естественных условиях среды, в особенностях обмена веществ. Мутации, возникающие от этих причин, получили название естественных, или спонтанных, мутаций. В наше время обнаружено много факторов, с помощью которых мутации могут быть вызваны искусственно. Мощным мутагеном является действие разных видов радиации, химические мутагены и другое. Мутации, получаемые под их воздействием, называют индуцированными мутациями.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Факторы окружающей среды называются экзомутагены, а продукты метаболизма в организме, способные вызвать мутации, называются эндомутагенами.

Экзомутагены поступают в организм человека из атмосферы, с водой, пищей, с лекарственными препаратами. Ежедневно мы получаем около 2-3г. мутагенных соединений.

Экзомутагены классифицируются на физические, химические и биологические.

К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующего излучения (электромагнитные и корпускулярные), которые в малых дозах оказывают на организм вредное действие, а при большой дозе летальны. К электромагнитным (волновым) излучениям относятся ультрафиолетовые лучи, лучи Рентгена и гамма- излучения. К корпускулярным излучениям относятся нейтроны, дейтроны, протоны, - частицы, позитроны, быстрые электроны. Особенно велика мутагенная активность нейтронов, их проникающая способность в 25 раз выше, чем у электромагнитных излучений.

Ионизирующие излучения воздействуют на наследственный материал ядра двумя путями: непосредственно - ионизируя и возбуждая атомы и молекулы ДНК и через воздействие на них ионизированных молекул воды. При косвенном действии чаще возникают генные мутации, а при прямом - хромосомные перестройки.

К более слабым физическим мутагенам относятся колебания to, давления, ультразвук, инфразвук, вибрация, шум (производственный).

Химические мутагены характеризуются большим многообразием и имеют природное и антропогенное происхождение.

Особые опасения вызывают искусственно синтезированные химические соединения - ксенобиотики.

По данным мировой статистики, в настоящий момент существует свыше 3,5 млн химических веществ и около 3 млн находится в стадии разработки. Ежегодно синтезируется до 25 тыс новых химических препаратов, примерно 1000 из которых внедряется в практику

. Большое количество ксенобиотиков различного происхождения мы получаем с пищей.

Согласно заключению Международной организации по исследованию канцерогенного риска, пища давно уже перестала быть источником только белков, жиров, углеводов, витаминов и минералов. Она представляет собой сложную смесь мутагенов и канцерогенов различной природы: микотоксинов, нитрозосоединений, растительных алкалоидов, гетероциклических аминов, флавоноидов, отдельных ароматических углеводородов и т.д..

Возможно, несколько принципиально различных путей попадания потенциальных мутагенов в пищу.

Несколько десятков неорганических соединений накапливаются в объектах растениеводства и животноводства, загрязняя пищевые продукты. Ртуть аккумулируется в тканях рыб, в овощи из почвы переходят: до 37% марганца, до 32% меди, до 41% цинка, до 10% никеля. В зерновых и картофеле накапливаются соединения кадмия, никеля, свинца, цинка, хрома, кобальта, для которых доказан генотоксический эффект.

Более 50% пестицидов обладают генотоксической активностью (например, фосфорорганические, хлорорганические инсектициды и др.). Доказано, что у сельскохозяйственных рабочих, имеющих профессиональный контакт с пестицидами, значительно увеличивается уровень хромосомных аберраций и число микроядер в лимфоцитах периферической крови. Мутагенным эффектом обладают препараты, используемые для стимуляции роста и лечения животных.

Пищевое сырье может быть загрязнено мутагенами при хранении, например, в результате поражения плесневыми грибами - продуцентами микотоксинов.

При длительном хранении или приготовлении пищи, происходи окисление холестерина и промежуточные продукты, которые образуются при этом обладают мутагенными свойствами.

Термические воздействия приводят к образованию и накоплению в пищевых продуктах генотоксических полициклических ароматических углеводородов, гетероциклических аминов и других мутагенов.

Например, многие полуфабрикаты мясных блюд промышленного производства содержат гетероциклические амины, для которых доказан мутагенный эффект. (Например, гамбургеры, «hot dogs» и других виды «быстрой» пищи, которую обычно готовят при температуре 230оС).

Микробиологическими методами показана мутагенная активность бренди, некоторых ликеров, кофе.

Пищевые добавки (консерванты, красители, ароматизаторы, подсластители, загустители и др.), (всего насчитывается около 2500), в дозах превышающих физиологические потребности организма , могут представлять генотоксическую опасность. В процессе их метаболизма образуются промежуточные продукты, которые могут обладать тератогенными и канцерогенными свойствами, вплоть до повреждения молекул ДНК.

Негативное влияние на генетические структуры оказывает курение. В состав табачного дыма входят около 400 химических веществ, из которых около 50 (полициклические углеводороды, табачные смолы, нитрозамины и др) обладают генотоксическим и канцерогенным эффектами. У курящих лиц существенно повышен уровень хромосомных аберраций.

Таким образом, в условиях возрастающего антропогенного загрязнения окружающей среды и массового контакта населения с огромным количеством ксенобиотиков особую актуальность приобретает задача охраны наследственности человека от мутагенного действия химических факторов.

К биологическим мутагенам относятся вирусы, простейшие, бактерии, гельминты. Вирусы - «живые» мутагены, они приносят в клетки собственную генетическую информацию, изменяя хромосомный аппарат (онкогенные вирусы, ретровирусы оспы, гриппа, коревой краснухи). Ретровирусы например вызывают лейкозы у людей, увеличивают число аутоиммунных болезней (эритематозная волчанка, аутоиммунный гломерулонефрит).

Вирусы способны индуцировать хромосомные мутации в половых клетках и в соматических.

Слабый мутагенный эффект оказывают токсины биологического происхождения (продукты жизнедеятельности гельминтов и простейших, например, токсоплазма вызывает врожденный токсоплазмоз).

Существует несколько классификаций мутаций.

1. Спонтанные и индуцированные.

Спонтанные мутации возникают при обычных физиологических состояниях организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Индуцированные мутации – это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды.

Другая классификация предусматривает различие в зависимости от места возникновения мутаций (генеративные и соматические).

Генеративные мутации возникают в половых клетках и передаются потомкам.

Чем раньше возникает мутация при образовании яйцеклеток или сперматозоидов, тем большее число ее потомков будет нести эту мутацию. Мутация, возникшая на стадии зрелой яйцеклетки или сперматозоида, остается единичной. Последствием таких мутаций являются возникновения различных генных, геномных или хромосомных заболеваний

Соматические мутации возникают в соматических клетках и не передаются по наследству. В процессе эволюции соматические мутации не играют никакой роли, однако в индивидуальном развитии они влияют на формирование признака. Чем раньше в онтогенезе возникает соматическая мутация, тем большее число потомков несут данную мутацию. Такие особи называются мозаиками. Например, мозаиками являются люди, у которых разный цвет глаз, наличие родинок и родимых пятен, прядь волос другого цвета

Соматические мутации не всегда безвредные для организма. Они могут нарушать метаболизм, являются причинами старения и злокачественных опухолей.

Следующая классификация мутаций учитывает различный эффект мутантных генов по степени их неблагоприятного влияния на жизнедеятельность организма.

У человека обнаружены так называемые летальные гены ( доминантные или рецессивные), которые вызывают гибель плода во время беременности и в ранние сроки после рождения. Например, гибель зародыша на ранних стадиях развития обуславливается доминантным аллелем гена брахидактилии, который в гомозиготном состоянии вызывает развитие аномалии костной системы и внутренних органов, несовместимых с жизнью. В гетерозиготном состоянии этот ген не вызывает таких серьезных нарушений и приводит к развитию брахидактилии. Аналогично наследуется аненцефалия или отсутствие головного мозга. В гомозиготном состоянии развивается отсутствие головного мозга – уродство несовместимое с жизнью, а в гетерозиготном состоянии развивается незаращение задней стенки невральной пластинки.

По рецессивному типу наследуются несовместимые с жизнью заболевания, как ихтиоз и амовратическая идиотия Тея-Сакса. При ихтиозе верхние слои эпидермиса приобретают вид роговых чешуй, с кровоточащими трещинами. При идиотии Тея-Сакса в клетках мозга откладываются жироподобные вещества, больные обычно умирают в возрасте 2-3 лет.

Еще в одной классификации показана зависимость наследственных болезней от характера мутаций и их влияния на потомство.

А) заболевания с аутосомно-доминантным и Х-сцепленным рецессивным типам наследования, при которых во многих случаях резко понижается или вообще отсутствует способность оставлять потомство.

Например, мышечная дистрофия Дюшена, с Х-сцепленным рецесивным типом наследования. Среди новорожденных мальчиков она встречается с частотой 20-30 случаев на 100000 населения.

Заболевание проявляется уже в раннем возрасте в виде слабости в мышцах бедер и таза. Позже нарушается подвижность в суставах, появляются изменения в деятельности внутренних органов. При раннем начале заболевания прогноз для жизни неблагоприятный.

Б) заболевания с аутосомно-рецессивным типом наследования, при котором мутации в гетерозиготном состоянии себя не проявляет и не попадает под действие факторов отбора.

Суммарная частота аутосомно-рецессивных заболеваний составляет 2 на 1000 новорожденных. Отдельные заболевания встречаются еще реже.

Муковисцидоз – одна из наиболее частых форм наследственных генных заболеваний развивается у новорожденных или у детей раннего возраста. У таких больных в результате поражения желез внешней секреции образуется густой, вязкий секрет, накопление которого приводит к возникновению воспалительных процессов в органах желудочно-кишечного тракта, легких и т.д. Клинически заболевание обычно проявляется либо в легочной, либо в кишечной форме.

Еще одна классификация мутаций учитывает воздействие мутаций на наследственный аппарат. Это генные, геномные и хромосомные мутации, о которых более подробно мы поговорим на следующей лекции.

Для борьбы против мутагенов выработались

В процессе эволюции в организме выработались антимутагенные механизмы.

Антимутагенез –это подавление или снижении мутационного процесса.

Антимутагенные механизмы

Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: некоторые аминокислоты (гистидин, аргинин, метионин), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин), провитамины и ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза), комплексные соединения (растительного и животного происхождения), фармакологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена).

К антимутационным механизмам относят: диплоидный набор хромосом, двойная спираль ДНК, вырожденный генетический код, повторы некоторых генов, механизмы репарации или коррекции молекулярных нарушений структуры ДНК.

Фенокопирование – это появление признаков, болезней или пороков развития, развивающихся под воздействием определенных условий среды и копирующие наследственные заболевания. Например, слепота, обусловленная помутнением хрусталика глаза (катаракта), может быть вызвана механическими повреждениями, действием ионизирующего излучения, влиянием во внутриутробного периоде вируса краснухи, или может возникнуть в следствии мутации специфического гена без дополнительного внешнего воздействия. Другой пример, фенокопирования, слабоумие,( слайд № 2) может быть вызвано генной или геномной мутацией или может развиться при отсутствии йода в рационе беременной женщины, и у ребенка в постнатальном периоде. Рахит может возникнуть при недостатке витамина Д, или в результате наследственной витаминоустойчивой формы рахита. 3). Основные компоненты экологического кризиса. Последствия кризиса для здоровья человека.

Экологический кризис — особый тип экологической ситуации, когда среда обитанияодного извидовилипопуляцииизменяется так, что ставит под сомнение его дальнейшее выживание. Основные причины кризиса:

• Абиотические: качество окружающей среды деградирует по сравнению с потребностями вида после изменения абиотических экологических факторов(например, увеличение температуры или уменьшение количества дождей).

• Биотические: окружающая среда становится сложной для выживания вида (или популяции) из-за увеличенного давления со стороны хищниковили из-заперенаселения.

Кризис может быть:

• глобальным;

• локальным.

Бороться с глобальным экологическим кризисом гораздо труднее, чем с локальным. Решение этой проблемы можно достигнуть только минимизацией загрязнений, произведенных человечеством до уровня, с которым экосистемы будут в состоянии справиться самостоятельно. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди,парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикантами и так называемыеозоновые дыры.ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

На начальных этапах существования человеческого общества интенсивность воздействия людей на среду обитания не отличалось от воздействия других организмов. Получая от окружающей среды средства к существованию в таком количестве, которое полностью восстанавливалось за счет естественных процессов биотического круговорота, люди возвращали в биосферу то, что использовали другие организмы для своей жизнедеятельности. Универсальная способность микроорганизмов разрушать органическое вещество, а растений — превращать минеральные вещества в органические обеспечивала включение продуктов хозяйственной деятельности людей в биотический круговорот.

В настоящее время человек извлекает из биосферы сырье в значительном и все возрастающем количестве, а современные промышленность и сельское хозяйство производят или применяют вещества, не только не используемые другими видами организмов, но нередко и ядовитые. В результате этого биотический круговорот становится незамкнутым. Вода, атмосфера, почвы загрязняются отходами производства, вырубаются леса, истребляются дикие животные, разрушаются природные биогеоценозы.

Нежелательные последствия неконтролируемой человеческой деятельности осознавали естествоиспытатели уже в конце XVIII — начале XIX в. (Ж.-Л.-Л. Бюффон; Ж.-Б. Ламарк). В настоящее время человечество стоит перед возможностью экологического кризиса, т. е. такого состояния среды обитания, которое вследствие произошедших в ней изменений оказывается непригодным для жизни людей. Ожидаемый кризис по своему происхождению является антропогенным, так как. к нему ведут изменения в природе Земли, развивающиеся в связи с воздействием на нее человека.

По своим последствиям воздействия человеческого общества на среду обитания могут быть положительными и отрицательными. Последние особо привлекают к себе внимание. Основные пути воздействия людей на природу заключаются в расходовании естественных богатств в виде минерального сырья, почв, водных ресурсов; загрязнении среды, истреблении видов, разрушении биогеоценозов.

Естественные богатства планеты делятся на невосполняемые и восполняемые. К первым, например, относят полезные ископаемые, запасы которых ограничены. Тенденцию в изменениях восполняемых природных ресурсов можно проследить на примере леса. В настоящее время лесом покрыта примерно треть суши (без Антарктиды), тогда как в доисторические времена им было занято не менее 70%. Особенно пострадал лес в районах древних цивилизаций. Оголение горных склонов Ливана началось 5000 лет назад, когда по приказу царя Соломона 80 000 дровосеков вырубили для строительства дворца и храмов рощи ливанских кедров на значительной территории. Густые леса Далмации начали интенсивно уничтожать при создании римского флота, а затем при строительстве Венеции. На большей части территории Китая и Индии леса были почти полностью вырублены уже в позапрошлом тысячелетии.

Уничтожение лесов прежде всего резко нарушает водный режим планеты. Мелеют реки, их дно покрывается илом, что приводит в свою очередь к уничтожению нерестилищ и сокращению численности рыб. Уменьшаются запасы грунтовых вод, создается недостаток влаги в почве. Талая вода и дождевые потоки смывают, а ветры, не сдерживаемые лесной преградой, выветривают почвенный слой. В результате возникает эрозия почвы. Древесина, ветви, кора, подстилка аккумулируют минеральные элементы питания растений. Уничтожение лесов ведет к вымыванию этих элементов из почв и, следовательно, падению ее плодородия. С вырубкой лесов гибнут населяющие их птицы, звери, насекомые-энтомофаги. Вследствие этого беспрепятственно размножаются вредители сельскохозяйственных культур. Лес очищает воздух от ядовитых загрязнений, в частности он задерживает радиоактивные осадки и препятствует их дальнейшему распространению, т. е. вырубка лесов устраняет важный компонент самоочищения воздуха. Наконец, уничтожение лесов на склонах гор является существенной причиной образования оврагов и селевых потоков.

Таким образом, из-за нерационального землепользования человечество потеряло вследствие эрозии почв обширные территории, ставшие практически непригодными для земледелия. Так, за период, равный примерно 150 годам, в США эрозия привела к резкому снижению плодородия почв на территории, равной 120 млн. га.

Промышленные отходы, пестициды, применяемые для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, радиоактивные вещества, образуемые, в частности, при испытании ядерного и термоядерного оружия, загрязняют природную среду. Так, только автомобили в крупных городах за год выбрасывают в атмосферу около 50 млн. м3 угарного газа, кроме того, каждый автомобиль ежегодно выделяет около 1 кг свинца. Обнаружено, что в организме людей, проживающих вблизи крупных магистралей, содержание свинца повышено. Из-за бесконтрольного использования количество инсектицида ДДТ (по данным 50-х годов), находящегося в распыленном состоянии на обширных территориях планеты и вредного для живых организмов, достигло 1 млн. т. Троекратная обработка в 60-е годы инсектицидом, сходным с ДДТ, района живописного оз. Клири в США привела к почти полному уничтожению популяции гагар, достигавшей 1000 пар. В среднем в организме жителя США в 1961 г. обнаружено около 925 мг хлорорганических соединений.

Считая с 1600 г., человеком было истреблено более 160 видов и подвидов птиц и около 100 видов млекопитающих. В настоящее время около 600 видов позвоночных животных находятся на грани полного истребления. К ним относятся киты, австралийские сумчатые (кенгуру), крокодилы, бегемоты, носороги, ряд крупных хищников.

Отдельные виды животных исчезают не только в результате их непосредственного истребления человеком. Между естественными и искусственными биоценозами все время идет борьба за территорию. Но человеческий труд оказывается фактором настолько мощным, что искусственные биоценозы, сами по себе малоустойчивые, тем не менее теснят естественные биоценозы.

Деятельность человека изменяет структуру земной поверхности, отчуждая под сельскохозяйственные угодья, строительство населенных пунктов, коммуникаций, водохранилищ территорию, занимаемую природными биогеоценозами. К настоящему времени указанным образом преобразовано около 20% суши.

К числу отрицательных влияний относится нерегулируемый промысел рыбы, млекопитающих, беспозвоночных, водорослей, изменение химического состава вод, воздуха, почвы в результате сбросов отходов промышленности, транспорта и сельскохозяйственного производства.

Положительное влияние человека выражается в выведении новых пород домашних животных и сортов сельскохозяйственных растений, создании культурных биогеоценозов, а также в разработке новых штаммов полезных микроорганизмов как основы микробиологической промышленности, развитии прудового рыбного хозяйства, интродукции полезных видов в новых условиях обитания.

Прогнозы будущего человечества с учетом экологических проблем, стоящих перед ним, представляют непосредственный интерес для всего населения планеты. По мнению экспертов, экологическая ситуация, складывающаяся на Земле, таит в себе опасность серьезных и, возможно, необратимых нарушений биосферы в том случае, если деятельность человечества не приобретет планомерный, согласующийся с законами существования и развития биосферы характер. Вместе с тем расчеты показывают, что человеческое общество не использует значительные резервы биосферы.

Одной из наиболее острых проблем современности является проблема быстрого роста населения Земли. Ежегодный прирост населения в абсолютном исчислении достигает 60—70 млн. человек, или примерно 2%. К 2000 г. численность населения достигла 6 млрд. человек. Площадь поверхности суши на планете равна 1,5 • 1014 м2, что достаточно для размещения 15—20 млрд. человек со средней плотностью 300—400 человек на 1 км2, имеющей место в настоящее время в Бельгии, Нидерландах, Японии.

Растущее население Земли должно быть обеспечено пищей. Известно, что производство продовольствия на душу населения растет медленнее, чем производство энергии, одежды, различных материалов. Многие миллионы людей в слаборазвитых странах испытывают нехватку продуктов. Вместе с тем из всей территории суши, пригодной для земледелия, в среднем по Земному шару под сельскохозяйственные угодья занято лишь 41%. При этом на используемой территории, по мнению разных экспертов, получают от 3—4 до 30% от возможного при современном уровне развития агротехники количества продуктов. Причины этого отчасти заключаются в недостаточной энерговооруженности сельского хозяйства. Так, в Японии, получая урожай, в 5 раз больший, чем в Индии (с 1 га сельскохозяйственных угодий), затрачивают в 20 раз больше электроэнергии и в 20—30 раз больше удобрений и пестицидов.

Уже сейчас 30% металлоизделий изготовляют из вторичного сырья. При существующей технологии из месторождений нефти извлекается лишь 30—50% запасов. Выход полезных ископаемых, таким образом, может быть увеличен путем разработки прогрессивных способов добычи. Около 95% энергии получают в настоящее время за счет сжигания ископаемого топлива, 3—4% за счет энергии речного стока и только 1—2% за счет атомного горючего. Использование атомной энергии в мирных целях решает проблему энергетического кризиса.

Преобразующая деятельность людей неизбежна, так как с ней связано благосостояние населения. Современное человечество располагает исключительно мощными факторами воздействия на природу планеты, которое по своим последствиям может быть и отрицательным, и положительным. Следование принципу научно обоснованного рационального природопользования позволяет получить в целом позитивный итог.