WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«ИЗБРАННЫЕ ТРУДЫ ИЗ ИСТОРИИ МЕДИЦИНСКОЙ мысли Н. В. Тимофеев-Ресовский Избранные трудь1 Генетика. Эволюция. Биосфера Москва ссМедицина)) 1996 ББК ...»

-- [ Страница 2 ] --

риментов данные о мутабильности аллеля [25]. Было найдено два различных, морфологически неотличимых ~нормальных~ аллеля серии white, которые сначала удалось различить лишь по разной мутабильности [26]. Однако в дальнейших опытах по исследова­ нию жизнеспособности и плодовитости разных аллелей white уда­ лось установить, что эти два ~нормальных~ аллеля white несколь­ ко отличаются друг от друга по своей относительной жизнеспо­ собности [27]. Таким образом, внутри известной серии white они представляли собой ~малые мутации жизнеспособности~ без ви­ димого морфологического эффекта.

Весьма вероятно также, что ~малые физиологические мута­ ции~ имеют и некоторые морфологические проявления в организ­ ме и формируют основу столь распространенных полимерных, ко­ личественных различий между разными родами. Чтобы прове­ рить это, было проведено сравнение вышеупомянутых культур N!!

(см. табл. с культурой штамма СlВ-В, хотя при R 204, R 132 7) этом на самом деле и найдены малые количественные различия по некоторым признакам, не следует придавать большого значения этому сравнению, поскольку практически невозможно точно дока­ зать, что найденные различия должны быть связаны с соответст­ вующими мутациями жизнеспособности. К группе ~малых физио­ логических мутаций~, вероятно, относятся также и многие от­ дельные большей частью не распознаваемые генетические ~моди­ фицирующие факторы~, которые мы так часто наблюдаем в рабо­ те над изменчивостью проявлений ~хороших~ мутаций.

Резюме: 1. Выведена чистая, инбредная СlВ-культура ( СlВ­ В), в которой числовое соотношение между самцами и нормаль­ ными самками (относительная жизнеспособность самцов) было генетически константным (раздел 2; рис. 1; табл. 1).

2. Нормальных самцов (+В) облучали и скрещивали с СIВ­ самками (СlВ-В-культуры); в F2 этих скрещиваний учитыва­ лось не только число летальных и сублетальных сцепленных с полом мутаций, но и число культур с отклоняющимся соотно­ шением полов (рис. табл.

2, 3; 2, 3). · В от облученных самцов наблюдался высокий процент

3. F2 культур с отклоняющейся (почти всегда в сторону снижения) относительной жизнеспособностью самцов. Установлено, что изменения жизнеспособности во всех исследованных случаях являются наследственными (и локализуются в Х-хромосоме) (см. табл. 4, 5).

4. Таким образом, рентгеновским облучением самцов дрозо­ филы в Х-хромосоме спермиев индуцируются мутации, которые изменяют жизнеспособность (в большинстве случаев снижают), не вызывая видимых морфологических изменений. Такие мута­ ции, изменяющие жизнеспособность мутации, индуцируются приблизительно в 2 раза чаще, чем известные сублетальные и летальные мутации (см. табл. 6).

S. Из полученных резу ль татов опыта сделаны выводы и про­ ведем о их обсуждение в свете радиационно-генетических и по­ пуляционно-генетических проблем (раздел Некоторые из 5).

индуцированных мутаций жизнеспособности исследованы при различных температурах, показама различная реакция жизне­ способности на температуру (см. табл. 7).

Литература

1. Timo(ee((-Ressovsky N. W. UЪer die Vitalitiit e1шger Genmutationen und ihrer Komblnationen bei Drosophila funebris und ihre Abhangigkeit vom genotypischen und vom iiusseren Milieu/ /Z. Ind. Abst. Vererb.- 1934.Bd 66, М 3, 4.- S. 319.

Muller Н.]. und Altenburg Е. The rate of chang of hereditary factors in 2.

Drosophila/ /Proc. Soc. ехр. Biol. Med.- 1919.- Bd 17.





Muller Н.]. The proЬ!em of genic modification/ /Verh. V. lntern. Congr.

3.

Vererb. 1928.- Bd 1.

Timo((ee((-Ressvsky N. W. Die bisherigen Ergebnisse der Strahlengenetik/ /Erg. med. Straglent.- 1931.- Bd 5.- S. 130.

Timo(ee(-Ressovsky N. W. Einige Versuche an Drosophila melanogaster iiber 5.

die Beziehungen zwischen Dosis und Art der Rontgenbestrahlung und der dadurch ausgelasten Mutationsrate/ /Strahlentherapie.- 1934.- Bd 49.- S. 463.

Timo(ee((-Ressovsky N. W. Experimental production of mutations/ /Вiol.

6.

Rev.- 1934.- Vol. 9, Nq 4.- Р. 411.

Muller Н.]. Radiation and Genetics/ / Amer. Nat.- 1930.- Vol. 64.

7.

8. Muller Н.]. The effects of Roentgen rays upon the hereditary material/ / The science ofradiology.- Springfield, 1934.

Oliver С.Р. An analysis of the effects of varying the duration of Х- rays 9.

treatment upon the frequency of mutation/ /Z. Ind. Abst. Vereb.Bd 61.

Baur Е. Die Bedeutung der Mutationen fiir das EvolutionsproЬ!em/ /Z.

10.

Ind. Abst. Vererb.- 1925.- Bd. 37.

Baur Е. Artumgrenzung und Artblldung in der Gattung Antirrhinum, Sektion Antirrhinastrum/ /Z. lnd. Abst. Vererb.- 1932.- Bd 63.

Fisher R.A. The genetic theory of natural siliction.- Oxford: Clarendon 12.

Press. 1930.

Fisher R.A. The evolutionary modification of genetic phenomena/ /Proc. 6 13.

lntern. Congr. Genet.- 1932.- Vol. 1.

Goldschmidt R. Genetik der geographischen Variation/ /Proc. 6 Intern.

14.

Congr. Genet.- 1932. Vol. 1.

Holdane ].B.S. The causes of evolution.- London; Langmanns, Green and 15.

Со.- 1932.

Holdane ].B.S. Сап evolution Ье explained in terms of known genetic 16.

facts? / /Proc. (i Intern. Congr. Genet.- 1932.- Vol. 1.

Muller Н.]./ /Mutation. Gent. Eugen.- 1923 - Vol. 1.

17.

Muller Н.]. The method of evolution/ /Sci. Monthly.- 1929.- Vol. 29.

19.

Timo(ee((-Ressovsky Н.А., Timo(ee((-Ressovsky N. W. Genetische Analyse 20.

einer freilebenden Drosophila meianogaster Population/ /Roux' Arch.

Entwmech.- 1927.- Bd 109.- S. 70.

Четвериков С.С. О некоторых моментах эволюционного процесса с 21.

точки зрения современной rенетики/ /Журн. эксперим. биол. Сер. А.Т. 2.- Выл. 1.- С. 1-54.

22. Wright S. The roles of mutation, inbreeding, crossbreeding and selection in evolution/ /Proc. 6 lntern. Congr. Genet.- 1932.- Vol. 1.

Kйhn А. Entwicklungsphysiologische Wirkungen einiger Gene von Ephestia/ /Naturwiss.- 1932.- Bd 20.

Timofeeff-Ressovsky N. W. ОЪеr die relative Vitalitiit von Drosophila 24.

melanogaster und Drosophila funebris unter verschiedenen Zuchtbedingungen in Zusammenhang mit den Verbreitungsarealen diesch Arten/ 1 Arch. f.

Naturg. N. F.- 1933.- Bd 2.- S. 285.

Тimofeeff-Ressovsky N. W. Mutations of the gene in the different directions/ /Proc. 6 Intern. Congr. Genet.- 1932.- Vol. 1.- Р. 307.

Timofeeff-Ressovsky N. W. Verschiedenheit der normalen Allele der whiteSerie aus zwei geographisch getrennten Populationen von Drosophila melanogaster / /Вiol. Z.- 1932. Bd 52, М 8.- S. 468.

Timofeeff-Ressovsky N. W. Riickgenmutationen und die Genmutabilitat in 27.

verschiedenen Richtungen/ /Z. Ind. Abst. Vererb.- 1933.- Bd 66.- S. 165.

О ПРИРОДЕ ГЕННЫХ МУТАЦИЙ

И СТРУКТУРЕ ГЕНА

ПРЕДИСЛОВИЕ

В этой работе будут подвергнуты анализу основания экспери­ ментальных исследований мутационного процесса на дрозофи­ ле, а также будет дан физический анализ предпосылок, поло­ женных в основу представлений о природе генов и мутационно­ го процесса. В отличие от прежних гипотез о природе генов и генных мутаций, поскольку мы хотим сделать здесь шаг вперед, будем основывать наши представления только на анализе мате­ риала, полученного при изучении мутаций, т.е. событий, затра­ гивающих собственно гены. Мы будем избегать переносить на проблему структуры и мутирования генов представления, бази­ рующиеся на работах в соседних областях; таких, например, как фенагенетика и физиология развития.

Мы надеемся, таким образом, построить теорию мутагенеза и структуры гена, опираясь только на анализ эксперименталь­ ных данных во всех деталях, а также следующих из них выво­ дов. Мы постараемся развить наши представления возможно полнее, тем более, что ценность их мы видим в том, что с пози­ ций этих физических представлений получает объяснение также целый ряд ранее известных факторов и положений.

Эта работа представляет собой кооперацию между генетикой и физикой. Она возникла из лекций и дискуссий в тесном не­ формальном кругу представителей генетики, биохимии, физи­ ческой химии и физики. За обсуждение вопросов кинетики хи­ мических реакций мы благодарим господина доктора К. Воля.

Часть работы была выполнена при поддержке Общества содей­ ствия немецкой науке в рамках программы изучения генетичес­ ких последствий действия излучений.

В.Л. Короrодина, перевод с немецкого, 1992.

© Часть 1 Некоторые результаты изучения мутаций Отдел генетики Института мозга имени Кайзера Вильгельма, Берлин-Бух

ВВЕДЕНИЕ

1.

Первоначальная формулировка понятия гена, основанная на ге­ нетических экспериментах, была достаточно формальной. В со­ ответствии с классическим исследованием Г. Менделя и затем его ~переоткрытием~, использовавшим большой материал экс­ периментальной генетики, ген можно определить как ~единицу расщепления~ или как ~нечто~, что остается после расщепления менделирующих признаков. Это позволяет нам: 1) заключать о существовании генов из результатов опытов по скрещиванию;

2) использовать только те гены, которые имеются в нашем рас­ поряжении по меньшей мере в виде двух разных аллелей или, другими словами, для которых известны мутации. Итак, ген, с одной стороны, представлен менделирующими признаками, с другой - связан с мутациями.

Первые исследования, дающие некоторые представления о том, что такое мутации, обращают наше внимание на нормаль­ ные и мутантные наследственные признаки. Так, известную гипотезу ~присутствия - отсутствия~. предложенную. В. Бэт­ соном, можно описать, представляя себе в доминантных (лучше сказать ~нормальных~) аллелях материальное ~нечто~. которое утрачивается при рецессивных мутациях.

Бэтсон исходил при этом из представления, отражающего лишь часть фактов, о том, что признак рецессивной мутации часто представляет собой в пекоторой степени отсутствие свойств нормального аллеля. По сходным путям (заключения о природе гена и генных мутаций по их проявлениям) развива­ ются и некоторые современные теории, в том числе такие, как чисто ~морфологическая~ теория А.С. Серебровского [1] и ~физиологическая~ Р. Гольдшмидта [2].

В предвоенные годы были, вероятно, окончательно доказаны представления о локализации и линейном расположении генов в хромосомах, интенсивно развивающиеся и сегодня, которые внесли существенный вклад в теорию гена. Теперь мы знаем, что геном имеет постоянный объем, определяемый расположе­ нием материальной системы, в которой отдельные материаль­ ные частицы, гены, занимают определенные места.

С накоплением различного фактического материала в облас­ ти генетики становится все более ясно, что из рассмотрения про­ явлений генов и генных мутации узнать можно лишь очень мало определенного. Действительно: 1) мы недостаточно знаем о дей­ ствии генов; 2) то, что мы об этом знаем, распространяется не на изолированное действие отдельных генов, а на видоизменен­ ные отдельными генными мутациями системы, в которых в ка­ честве элементарной единицы мы вынуждены рассматривать не ген, а клетку в целом, со всеми ее функциями; такое констру­ 3) ирование гена из феноменов его проявления логически недопус­ тимо, так как это означало бы воссоздание ~индивидуумов~, в которых разыгрываются действия генов, принципиально разли­ чающихся по строению в соответствии с различиями в каждом гене. В то же время сейчас происходит столь быстрое накопле­ ние наших знаний о мутагенезе, что сегодня по крайней мере для нескольких генетически хорошо изученных объектов мы можем количественно описать и проанализировать процесс му­ тирования отдельных генов. По-видимому, именно на этом пути мы можем надеяться быстрее всего приблизиться к уточнению природы генов и генных мутаций, о чем уже неоднократно упо­ минали представители школы Моргана и прежде всего Г. Дж.

Меллер [3-8].

2. АНАЛИЗ МУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

В этом разделе будут рассмотрены важнейшие факты, относя­ щиеся к мутационному процессу, в том числе резу ль таты изуче­ ния возникновения мутаций, на основании которых можно по­ пытаться построить теорию генных мутаций и структуры гена.

Здесь прежде всего будет использован материал, полученный на дрозофиле, так как, во-первых, дрозофила - объект наших ис­ следований; во-вторых, дрозофила представляет собой лучший объект для точного количественного изучения мутационного процесса.

2.1. Спонтанный мутагенез Среди громадного материала, накопленного генетиками-дро­ зофилистами в течение 25 лет, имеются и данные по спонтанно­ му возникновению многих мутаций. Можно считать, что спон­ танное мутирование у дрозофилы имеет ряд свойств, всеобщих для мутационного процесса. Прежде всего установлено, что среди наследственных вариаций можно выделить существенно различные типы. Не углубляясь особенно в этот вопрос, можно дать следующую классификацию наследуемых вариаций:

–  –  –

На рис. 1 представлены важнейшие типы генетических на­ следственных изменений.

Далее вас будут интересовать только генные мутации. О этих мутациях из исследований по спонтанному мутационному процессу мы знаем следующее. Показано, что генные мутации возникают всегда как гетерозиготы, т.е. что в диплоидном орга­ низме в момент мутирования изменяется всегда только один из двух аллелей данного гена. Показано, что благодаря мутациям могут возникать как доминантные, так и рецессивные свойства, различные морфологические признаки и физиологические изме­ нения, очень сильные или совсем слабые отклонения от нормы или исходного состояния; в отношении биологической ценнос­ ти - жизнеспособности мутантных форм - мы имеем все пере­ ходы (конечно относительно редко) от мутаций с повышенной жизнеспособностью до сильно пониженной, вплоть до (особен­ но часто) летальных мутаций, которые в гомозиготном состоя­ нии приводят к нежизнеспособности. Благодаря повторным му­ тациям многие гены имеют ряд аллелей; можно наблюдать по­ вторение точно таких же мутаций; число генов в ряду множест­ венных аллелей ограничено. У разных генов бывают различные частоты возникновения мутаций. Наконец, можно наблюдать обратные мутации, из чего можно заключить, что по крайней мере пекоторая часть мутаций способна к реверсии.

Таким образом, спонтанный мутагенез у дрозофилы прояв­ ляет многосторонность и хорошо отражает качественную кар­ тину процесса мутирования. Но для анализа из этого многое '11· •ll ' cl 1-'1·' А

–  –  –

воспроизводимое действие на частоту мутирования; во-вторых, излучения легко и точно дозируются; и, в-третьих, что особен­ но важно, потому, что, в противоположность многим другим причинам (например, температуре и химикалиям), которые мы также можем точно дозировать, но о которых мы, как правило, не знаем, по какому пути и в какой форме они дойдут до генов, коротковолновое излучение, вероятно, доходит до генов в хо­ рошо определяемой форме, при этом хорошо поставлен экспе­ риментальный биофизический анализ его непосредственного воздействия_ Качественная картина мутационного процесса, 2.2.

индуцированного облучением Начиная с первых успешных исследований по радиационной ге­ нетике дрозофилы, выполненных Г. Дж. Меллером [7, 9, 10], в этой области к настоящему времени накоплен столь обширный материал, что сегодня мы может разносторонне и полно обрисо­ вать общую картину осуществления индуцированного облучени­ ем мутационного процесса. Кроме пригодности дрозофилы как объекта для таких исследований, работе с ней существенно спо­ собствовало то, что для обнаружения мутаций у Drosophila melanogaster имеется ряд специальных методов скрещивания.

Два наиболее употребительных (предложенный Меллером метод и предложенный Л. Морган метод ~сцепленных Х­ CIB хромосом~) показаны на рис. 2.

Общие качественные свойства мутационного процесса, инду­ цированного облучением, коротко можно описать следующим образом.

Все виды излучений (от ультрафиолетового до жестких у-лучей) могут повышать частоту возникновения мутаций.

В дальнейшем мы ограничимся результатами, полученными для рентгеновских и у-лучей, так как радиобиологические исследо­ вания с ультрафиолетовыми лучами из-за технических труднос­ тей (сильная абсорбция в тканях) дают скудные и ненадежные результаты, и для них а priori можно ожидать, что физическое

–  –  –

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая методы скрещивания СlВ (слева) и •сцеп­ ленные Х-хромосомы• (справа).

Самки линии СlВ содержат в одной из Х-хромосом запиратель кроссинговера (С), один рецес­ сивный летальный фактор (1) и доминантный ген Ваг (В); половина их сыновей, которые по­ лучают СlВ-хромосомы, не развивается; в F2 после скрещивания облученных родительских самцов с самками СlВ выживающая половина самцов содержит облученные Х-хромосомы;

F2, культура которая содержит облученную Х-хромосому с вновь возникшим летальным фак­ тором, оказывается вообще без самцов. Самки со •сцепленными Х-хромосомами• содержат по две неразделенные Х-хромосомы (с аллелсм и нормальную У-хромосому. Их сыновья yellow) получают Х-хромосому от отцов; в случае скрещивания самцов с самками со сцепленными Х­ хромосомами все мутации, спепленные с полом, в том числе рецессивные, проявляются у сам­ F,.

цов Здесь четко выявляются все изменения, возникающие в облученных Х-хромосомах.

действие ультрафиолета на гены должно отличаться от действия коротковолнового излучения.

Генетическое действие излучений можно считать всеобщим, так как во всех объектах и тканях, для которых и в которых мож­ но установить возникновение мутаций, действительно с высокой частотой могут быть выявлены мутации, индуцированные облуче­ нием [11-15]. При этом все типы мутаций, известные прежде для 1, спонтанного мутационного процесса, приведеиные на рис. с вы­ сокой частотой возникают и в результате облучения. В опытах с облучением были также получены все типы генных мутаций. Это позволяет провести качественную параллель между спонтанными и радиационными мутациями. Эту параллель можно вести и даль­ ше: в обоих случаях наблюдается сходство типов мутаций с низ­ кими частотами (~большие~, сильно отличающиеся от нормы, особенно доминантные мутации; мутации с повышенной жизнеТ а б л и ц а 1. Индукция рентгеновским облучением ( 4800 и соответст­ венно 3900 Р) обратных мутаций рецессивных мутантных аллелей у Drosophila melanogaster. Облучались P-d' d' [16,17]

–  –  –

способностью) и с высокими частотами ( ~малые• мутации; мута­ ции с пониженной жизнеспособностью и летальные мутации).

Для каждого объекта типичный характер спонтанного мутацион­ ного процессасовпадает с индуцированным обучением. Поэтому мы не имеем оснований для того, чтобы делать принципиальные различия между ~спонтанными• и ~радиационными• мутациями.

Было установлено, что при облучении могут появляться об­ ратные мутации. В табл. 1 представлены обширные результаты исследований; они показывают, что для различных генов Х­ хромосомы и хромосомы рентгенов­ 111 Drosophila melanogaster ское облучение может индуцировать обратные мутации от ре

–  –  –

цессивных летальных аллелей к нормальным исходным доми­ нантным аллелям. На рис. 3 схематически изображены пары ал­ лелей, в которых в моих исследованиях прямые и обратные му­ тации возникали одни из других, т.е. случаи, когда при подоб­ ных лучевых воздействиях мутации могут происходить в двух противоположных направлениях. В группах множественных ал­ лелей при облучении могут возникать различные мутации в раз­ 4 для лучше всего ных направлениях, как это показано на рис.

изученного к настоящему времени аллеля white дрозофилы. Из этих резу ль татов исследований следует, что воздействия облу­ чения, проявляющиеся через мутации, как и сам мутационный процесс, не могут быть чисто ~разрушительными~. так как они способны к ревертированию (см. табл. 1).

–  –  –

покоя хромосом.

При действии рентгеновских лучей и лучей радия мутиро­ вание может происходить у дрозофилы обоих полов на разных Таблица 2. Частота возникновения сцепленных с полом мутаций у Drosophila melanogaster: 1) в необлученной контрольной культуре; 2) в культуре, несущей Х-хромосомы облученных спермиев, которые сразу после облучения не содержали мутаций (Р2 на рис. 5, слева); 3) в Х-хромосомах, находящихся в яйцеклетках, облученных перед скрещиванием (Р2 на рис. 5, справа); 4) в непосредственно облученных рентгеновскими лучами Х-хромо­ сомах спермпев (3000 Р) Р- о' d' были скрещены с СIВ- 'f 'f

–  –  –

стадиях развития и в различных тканях. Вопрос, вызывает ли одинаковое облучение повсюду одинаковое мутирование, не может быть точно и однозначно решен, так как наталкивается на ряд технических трудностей. Некоторые различия в частотах мутирования (зрелых и незрелых спермиев, женских и муж­ ских гамет), по свидетельству большинства авторов, работаю­ щих над этим вопросом обусловливаются гамети­ [21, 24-28], ческим отбором (или, по-другому, на выявление наблюдаемых мутаций оказывают влияние различные привходящие факто­ ры), а не различной физиологически обусловленной мутабиль­ ностью генов. Вероятности возникновения мутаций, индуциро­ ванных облучением, для разных особей дрозофилы одинаковы [29]; особей, особенно предрасположенных к возникновению мутаций, не существует. Оказывает ли влияние генатипическая среда (или раса), в которой находится определенный ген, на индуцированную облучением мутабильность этого гена, решить трудно. Единственный до сих пор исследованный случай (мута­ бильность нормального аллеля серии white) показал, что гено­ типическая среда не оказывает влияния на мутабильность опре­ деленных генов и что различия в этом случае могут быть обу­ словлены тем, что в двух расах были использованы разные ал­ лели. Определение частоты возникновения индуцированных об­ лучением соматических мутаций глаза у самцов чистой линии Drosophila simulaпs и гибридов Drosophila melanogaster х Drosophila simulans (т.е. в Х-хромосоме от Drosophila simulans один раз в чистом геноме второй раз в гибридном ге­ simulans, номе) дали лишь незначительные и статистически недостовер­ ные различия [30]. Вообще было замечено, что различия в му­ табильности родственных видов и рас могут проявляться через различные типы ~маскировки~ пекоторой части мутаций, а не быть обусловленными различиями собственно частот мутирова­ ния генов [14, 15], что всегда необходимо учитывать при обсуж­ дении этой проблемы.

Частота возникновения мутаций и доза облучения. Еще первые исследования, проведеиные Г. Дж. Меллером [9, 10], показали, что частота возникновения индуцированных облуче­ нием мутаций прямо пропорциональна использованной дозе.

Специальные исследования, выполненные разными авторами [ 14, 15, 31 - 39], имели своей целью установить форму связи между частотой возникновения мутаций и дозой облучения. Б табл. 3 приведены полученные мною данные, а на рис. 6 пред­ ставлен соответствующий график. Исследования всех вышеупо­ мянутых авторов охватываюl' очень большой интервал доз Р). Отклонение при большом числе мутаций в сто­ (350-9000 рону минуса от ожидаемой прямой пропорциональности объяс­ няется наступлением явления насыщения, которое обусловлено тем, что при использовании СlБ-метода появление двух (или большего числа) летальных мутаций в одной Х-хромосоме, ко­ торая выступает как единый носитель летальных факторов, в большинстве случаев различить не удается. Поэтому эмпиричес­ ки следует ожидать лучшего согласия результатов эксперимен­ тов с кривой насыщения, чем с кривой линейной пропорцио­ нальности, что и наблюдается в действительности [38, 40].

Так как в вышеупомянутых исследованиях облучение дозиро­ валось в Р-единицах, то можно констатировать, что в изученном широком диапазоне доз индуцированная частота мутаций прямо и линейно пропорциональна ионизационной дозе облучения.

Наконец, можно отметить, что такие же закономерности

–  –  –

Доза рентгеновеного облучения, Р б Рис. 6. Зависимость частоты возникновения сцепленных с полом мутаций от дозы облучения Dr.melanogaster.

а- результаты исследований, проведеиных Тимофеевым-Ресовским.

б- сопоставление результатов, полученных Эфроимсоном и Шехтманом, Оливером и Тимофеевым-Ресовским; приведены также средние значения. Не­ прерывная прямая линия соответствует прямой пропорциональности, пунк­ тирная линия соответствует кривой насыщения; вертикальные линии на верх­ нем рисунке показывают границы ошибок, допущенных в отдельных экспери­ ментах.

37-39, 41, 42]. Исследования, проведеиные Хансоном, Хейсом и Стантоном [42], Шехтманом [37] и Тимофеевым-Ресовеким [38], показали, что в области изменения длины волны рентгеновского излучения (от порогоного излучения до жестких рентгеновских лучей) у дрозофилы не существует зависимости частоты возник­ новения мутаций от длины волны. Напротив, в исследованиях Ханеона и Хейса [34]~сть указания, что излучение радия (Р) ока­ зывает на мутации большее влияние, чем эквивалентные дозы рентгеновских лучей. Так как дозирование у-лучей (Р) было до последнего времени технически трудно осуществимо, то эти ука­

–  –  –

(Р) вызывают одинаковую частоту возникновения мутаций.

В табл. 4 приведены результаты исследований, проведеиных Ти­ мофеевым-Ресовским с разными рентгеновскими лучами и Пик­ ханом с рентгеновскими и у-лучами. Одинаковые дозы (Р) всех Т а 6 л и ц а 4. Действие эквивалентных доз: 1) мягких и жестких рентге­ новских лучей; 2) достаточно мягких рентгеновских и жестких у-лучей на частоту возникновения сцепленных с полом мутаций у Dгosophila melanogasteг. Р- d' d' скрещивались с самками CIB- 'j? 'j?

–  –  –

рентгеновских и у-лучей оказывают одинаковое мутагенное дей­ ствие. Между тем исследования А. Пикхана различных доз рентгеновских и у-лучей показывают (рис. что излучения 7), различного качества дают одинаковую прямую линейную про­ порциональность (к дозе Р) числа возникающих мутаций.

Можно считать, что у дрозофилы частота возникновения му­ таций во всей области изменения длины волны рентгеновских и у-лучей не зависит от длины волны и является функцией только величины дозы.

Частота мутирования и фактор времени. Многие радиобио­ логические реакции проявляют известную зависимость от того, сконцентрирована или ~разбавлена~ полная (единовременная) и фракционированная (т.е. разделенная некоторыми промежут­ ками времени) доза облучения. Поэтому говорят о воздействии ~фактора времени~ или неправильности так называемого зако­ на 1 · t-const. Так как утверждение, что фактор времени оказы­ вает влияние на регистрируемый эффект, имеет громадное ана­ литическое значение, многими авторами были проведены специ­ альные исследования на дрозофиле, в которых доза облучения варьировала во времени.

–  –  –

совекого и Циммера [ 38,. 45] одинаковые дозы рентгеновских лучей были сконцентрированы во времени (300 Р /мин, 240 Р /мин); растянуты ( 10 Р /мин, 1 Р /мин), фракциониро­ ваны (6-10 фракций в течение 6-10 дней) и растянуrо фрак­ ционированы (табл. 5). В этих опытах процент выявившихся мутаций также был прямо пропорционален величине дозы и не зависел от фактора времени, несмотря на то что общее время облучения варьировалось в соотношении 1:1440. В исследовани­ ях Пикхана [43] мощность рентгеновского облучения варьиро­ валась в соотношении 1:19 (70,5 Р /мин и 3,7 Р /мин), но влия­ ния на частоту возникновения мутаций также не было обнару­ жено. Результаты всех исследований по фактору времени пред­ ставлены на рис. 8.

Итак, исследования на дрозофиле показали, что индуциро­ ванный излучениями мутагенез не зависит от фактора времени и пропорционален только общей дозе облучения. Это позволяет сделать несколько важных следствий. Во-первых, это дополни­ тельное доказательство прямого и пропорционального дозе дей­ ствия облучения на гены. Во-вторых, это основание для того, что нельзя ожидать минимальной или •пороговой~ дозы облу­ чения и что кривая прямой пропорциональности может быть экстраполирована сверху до нуля. И, в-третьих, из этого можно заключить, что процесс мутирования в противоположность мно­ гим другим радиобиалогическим реакциям на облучение осу­ ществляется без восстановления, т.е. что при облучении гены из одного стабильного состояния непосредственно переходят в другое.

Комбинированное действие облучения и других поврежде­ ний. Стадлер смог показать на семенах растений, что про­ [23] питывание семян солями тяжелых металлов, само по себе не вы­ зывающее мутаций, повышает эффективность последующего об­ лучения, что, вероятно, основывается на лучшей абсорбции из­ лучений в таких тканях. В последнее время это было подтверж­ дено на дрозофиле [ 46]; насекомые, получавшие корм с добав­ кой 1 % РЬ ( СНзСОО )2, давали после рентгеновского облуче­ ния больше мутаций, чем интактные насекомые после такого же облучения.

Кроме воздействия солей тяжелых металлов, на дрозофиле испытывали воздействие температурой во время облучения.

Меллер [ 11] облучал мух в одной и той же дозе рентгеновских лучей при температурах 8 и 34 ·с и не получил статистически значимых различий. В наших исследованиях [38] рентгеновски­ ми лучами (3000 Р) облучали самцов дрозофилы при темпера­ туре и 35 'С; статистически значимого различия также не об­ наружено (табл. 6).

–  –  –

Исследования, описанные в этом разделе, показывают, что об­ лучение оказывает прямое действие (а не через физиологический косвенный путь) на мутирование генов. Число выявляемых мута­ ций nрямо пропорционально использованной дозе и не зависит ни от длины волны, ни от распределения дозы во времени, ни от тем­ пературы во время облучения. На рис. приведены результаты всех наших исследований с различными дозами рентгеновских лучей, различными распределениями дозы во времени, различной длиной волн использованного излучения и разной температурой во время облучения. Результаты нормированы на частоту мутиро­ вания при Р. Во всех этих экспериментах выход мутаций (на

Р) распределяется случайно около среднего значения часто

<

Исследование пропорциональности Фантор времени Дпинв волны Темnература

Рис. Частота возникновения мутаций (в Х-хромосоме) на 1000 Р, рассчи­ 9.

танная по результатам различных опытов с облучением Dr. melanogaster.

Слева направо: дозы (750-6000 Р) одинаковых рентгеновских лучей (см. табл.З). Влияние фактора времени с острым, протрагирова1шым, фракционированным и протрагированно-фрак­ ционированным облучениями рентгеновскими лучами (см. табл.S); влияние длины волны при одинаковых дозах мягких и жестких рентгеновских лучей и одинаковых дозах рентгеновских и у-лучей (см. табл.4); облучение в одинаковых дозах рентгеновскими лучами нри низкой и высокой температурах (см. табл.6). Частота соноставляется с горизонтальной прямой, соответ­ ствующей общей средней для всех данных и равной 2,89 % на 1000 Р; вертикальные линии обозначают rранипы ошибок, доnущенных в отдельных опытах.

ты, без статистически значимых отклонений. На рис. 9 показано, что индуцированное облучением мутирование у дрозофилы ли­ нейно пропорционально дозе, выраженной в Р, и не зависит от других испытанных сопутствующих факторов. Оказалось, что единственный существенный сопутствующий фактор - это при­ месь к облучаемым тканям солей тяжелых металлов, что ясно из физических соображений и находится в сог ласин с остальными резу ль татами исследований.

2.4. Связь частоты спонтанного мутирования геновс временем и температурой

Существуют два вопроса, которые следует выяснить в связи со спонтанной мутабильностью генов: какова зависимость мута­ бильности от времени и температуры.

Вопрос о зависимости мутабильности от времени сразу же распадается на два отдельных вопроса. Сначала необходимо вы­ яснить, не зависит ли от времени мутационный процесс как та­ ковой, т.е. не зависит ли частота мутирования от ~возраста~ гена (т.е. от промежутка времени, в течение которого он суще­ ствует, не мутируя). Следует также решить, что если мы будем удалять все появляющиеся мутации, то оставшиеся еще не мути­ ровавшими гены будут со временем проявлять все более высо­ кую мутабильность или же их мутабильность останется кон­ стантной. Едва ли можно решить этот вопрос экспериментально, но прояснить указанную ситуацию можно. Вышеупомяну­ тый эксперимент удаление уже мутировавших генов по­

- стоянно осуществляется как в природных условиях, так и при непрерывном культивировании в лаборатории. Пусть ~продол­ жительность жизни~ аллеля ограничена и мутационный процесс зависит от времени. Тогда в природе (ввиду относительно очень больших возрастов современных видов) мутирование должно быть очень высоким, а в стареющих культурах должно постоян­ но увеличиваться. Мы, однако, не имеем никаких указаний на то, что это действительно так, и можем поэтому установить, что мутационный процесс как таковой от времени не зависит.

Второй вопрос, касающийся связи мутирования генов и факто­ ра времени, можно сформулировать так: следует ли определять мутабильность как процент мутаций на единицу времени или же - на биологическую единицу, например число генераций? На практике мутирование у дрозофилы определяют в расчете на гене­ рацию, но для самцов известного возраста и при постоянных усло­ виях частоту мутирования можно определять и по отношению к абсолютному времени. В этом случае интересующий нас вопрос можно решить, сравнивая через различные промежутки времени содержание мутаций в клетках, находящихся в стадии покоя. У дрозофилы для этого подходят зрелые спермин, еще не использо­ ванные для оплодотворения, у которых не произошел зародыше­ вый отбор В табл. приведены результаты наших опре­ [21, 47]. 7 делений спонтанной доли сцепленных с полом летальных факто­ ров в зрелых спермиях только что вылупившихся и 20-дневных самцов дрозофилы. Эти данные как будто означают, что мута­ бильность следует определять как процент мутирования в едини­ цу времени, хотя материал еще недостаточен, чтобы быть статис­ тически достоверным. Это представление согласуется с тем, что мы уже знаем о мутационном процессе.

Вопрос о связи спонтанного мутагенеза с температурой об­ суждался уже в первой работе Г. Дж. Меллера об определении регистрируемой частоты мутирования у дрозофилы [48]. Во 2-й

–  –  –

Разность 2-1 =О, 132 ± 0,072 Т а 6 л и ц а 8. Определение зависимости от температуры (в области нор­ мальных температур) частоты спонтанного возникновении летальных фак­ торов, сцепленных с полом, у самцов Dгosophila melanogaster

–  –  –

работе Меллер привел дополнительный материал о спон­ [ 49] танном мутагенезе при различных температурах. В обеих рабо­ тах было показано, что при повышении температуры мутабиль­ ность увеличивается. Приблизительно такие же результаты при­ веденыв табл. 8, содержащей итоги исследования влияния тем­ пературы. Спонтанное мутирование при повышении температу­ ры тоже повышается. Температурный коэффициент(t•Q") со­ ставляет приблизительно но в таком случае, принимая во 2, 5;

внимание представления о связи мутирования со временем, сле­ дует ввести поправку на ускорение развития и при более высо­ ких температурах, и тогда t"Q,. ~ 5. Из этого следует, как уже писал Меллер, что мутагенез подчиняется правилу Вант-Гоффа.

Из приведеиных результатов и соображений следует, что спонтанную мутабильность следует определять как процент му­ таций на единицу времени, что частота мутирования, как тако­ вая, не зависит от времени, но зависит от температуры, подчи­ няясь правилу Вант-Гоффа.

Частота возникновения отдельных генных мутаций 2.5.

Во всех до сих пор Приводившихея исследованиях речь шла об оценке пекоторой доли общего мутационного процесса Drosophila melanogaster, о сумме различных генных мутаций. Однако с помощью радиобиологических методов можно количественно оценивать мутабильность отдельного гена, а также вклад в общий мутагенез отдельных, определенных мутационных собы­ тий. Для этого требуется обработка очень большого фактичес­ кого материала: к настоящему времени имеются лишь ограни­ ченные данные.

В табл. 9 приведены результаты изучения индуцированной рентгеновским облучением мутабильности лакуса white у Dr.

melanogaster [16, 50]. Видно, что внутри этого ряда множестТ а б ли ц а Сравнение различных, полученных при одинаковом рентге­ 9.

новском облучении (около 5000 Р) частот мутировання внутри серии мно­ жественных uлелей white у Dr. melanogaster

–  –  –

чаев, в которых имеют место только прямые мутации, через такие, в которых прямые и обратные мутации происходят с рав­ ными частотами, до случаев, в которых обратные мутации воз­ никают чаще, чем более редко встречающиеся или одиночные прямые мутации (от нормального к мутантному аллелю).

Наконец, в табл. приведены результаты исследований, в которых сравнивали частоту спонтанного и рентгениндуциро­ ванного мутирования двух разных генов (Тимофеев- Ресовский, не опубликовано). Частоты спонтанного мутирования обоих генов очень различны. Одна мутация от нормальной к белой ок­ раске г лаза ~ w), так же как и большинство мутаций у нор­ (W мальной Drosophila melanogaster, встречается очень редко, так что их вклад составляет не более 1 на 300 000. Другая мутация, от bobbed 1x к нормальному аллелю (ЬЬ 1 х ~ ВЬ), возникает спон­ танно относительно очень часто: приблизительно 1 на 12 000.

При равных дозах рентгеновского облучения обе мутации, столь различающиеся по частоте спонтанного возникновения, образуются приблизительно с одинаковой частотой и ( 1:2500 1: 1800).

Заканчивая анализ табл. 11, следует коротко упомянуть ре­ зультаты, полученные Демерецем [53, 54[ и Штуббе [55] на так называемых ~мутабильных~ или ~лабильных~ генах, т.е.

генах, часто мутирующих. М. Демерец подробно и детально изучил ~мутабильный~ аллель гена miniature Dr. virilis. Мута­ бильный мутантный аллель резко и сильно от личался от всех аллелей нормального типа необычно высокой мутабильностью, которая большей частью выражалась в появлении мутаций об­ ратных к нормальному, стабильному аллелю. Нормальные ал­ лели имели мутабильность 0,001-0,0001 %, а мутабильный ал­ лель мутировал с частотой около 1 %. Мутабильность ~мута­ бильного~ аллеля, правда, не будет так резко выделяться, если мы будем ее сравнивать не только с мутабильностью нормально­ го аллеля, но и с мутантными аллелями. Последнее известно лишь в немногих случаях, но, как показано в табл. 11, для спонтанной мутабильности мутантного ьь'х-аллеля, для различ­ ных мутантных аллелей можно найти различные переходы от ~стабильных~ к ~лабильным~ генам. Мы должны предполо­ жить, что аллели нормального типа высоко стабильны: тогда лабильные аллели с течением времени в результате естественно­ го отбора должны исчезнуть, если они не определяют признак с очень высоким селективным преимуществом: правда, в послед­ нем случае постепенно будут возникать стабильные гены, опре­ деляющие эквивалентный признак. Поэтому не только ~мута­ бильные~, но и вообще лабильные аллели мы постоянно нахо­ дим в мутантных линиях, а не в ~диком~ типе дрозофилы.

М. Демерец [54, 56- 60] провел серию превосходных иссле­ дований мутабильности лабильного аллеля. Нас особенно инте­ ресуют два обнаруженных им явления. В одном специальном исследовании Демерец [58] смог показать, что мутабильность ~мутабильного~ 3-аллеля miniature-3 очевидно не зависит от температуры: в каждом случае мутабильность этого аллеля при повышении температуры увеличивалась не более чем ускорение общего развития мух. В первом кратком сообщении Демерец [60] показал, что частота мутирования этих самых ~мутабиль­ ных~ аллелей Dr. virilis при рентгеновском облучении также мало изменяется: частота других мутаций у этих же облученных мух возрастает в несколько раз, а в ~мутабильном~ аллеле miniature наибольшее, чем можно наблюдать после облучения, это совсем небольшое, статистически недостоверное увеличение му­ табильности. Этот факт особенно интересен в сопоставлении с резу ль татами, приведеиными в табл. 11, и опять показывает, что действие облучения совсем необязательно пропорционально спонтанной мутабильности.

Как показывают приведеиные в этом разделе данные, структу­ ра разных аллелей и их мутабильность взаимосвязаны, но особен­ но лабильным генам не соответствует особенно высокая частота мутирования при облучении. Кроме того, можно считать, что му­ табильность в двух противоположных направлениях у разных ал­ лелей должна изменяться по-разному, причем существуют пере­ ходы от случаев с одинаковыми вероятностями возникновения обеих противоположных мутаций до крайних ситуаций, в кото­ рых реализуется только одно направление мутирования.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

3.

Общие итоги опытов 3.1.

Из всех до сих пор проведеиных наблюдений и исследований, посвященных мутационному процессу у Drosophila melanogaster, можно сделать следующие выводы.

1.

Спонтанно возникают самые различные мутации, но час­ тоты этих мутаций незначительны, и для суммы летальных и ~хороших~ видимых мутаций в Х-хромосоме равны приблизи­ %.

тельна О, 1 - О, 2

2. Спонтанная мутабильность не зависит от времени; это оз­ начает, что ~готовность~ мутировать еще не мутировавших генов со временем не повышается, но остается постоянной.

Спонтанная мутабильность определяется как процент от­ 3.

ношения числа мутаций ко времени {см. табл. 7).

Спонтанная мутабильность зависит от температуры и под­ 4.

чиняется правилу Вант-Гоффа, температурный коэффициент для 10 "С - около 5 (см. табл. 8).

5. Различные гены, а также различные аллели этих генов про­ являют разную мутабильность, откуда следует, что мутабиль­ ность связана со структурой аллеля. У мутантных аллелей более высокая мутабильность, нежели у нормальных аллелей, и имеется несколько особенно лабильных, ~мутабильных», аллелей.

6. При облучении рентгеновскими лучами и лучами радия му­ табильность резко возрастает. При этом возникают все те же типы мутаций, что и спонтанно: особых ~типов радиационных мута­ ций» не наблюдается. С этим связан дальнейший параллелизм между спонтанным мутагенезом и индуцированным облучением.

7. У дрозофил обоих полов в различных тканях облучение вызывает мутации через прямое действие на гены (а не опосре­ дованно, через физиологические изменения) (см. табл. 2). При этом облучение не полностью разрушает ген, а может вызывать в ряде случаев как прямые, так и обратные мутации, происхо­ дящие друг из друга (см. табл. рис. и 1, 3 4).

Проявляющаяся при облучении мутабильность прямо и ли­ 8.

нейно пропорциональна применяемой дозе (см. табл. 3, рис. 6).

9. От длины волны (в области от очень мягких рентгенов­ ских лучей до у-лучей радия) применяемого облучения не зави­ сят ни величина половинной дозы, ни форма кривой доза-эф­ фект. Частота мутирования также не зависит от длины волны излучений (см. табл. 4, рис. 7).

10. Распределение дозы облучения во времени (острое или протрагированное облучение, однократное или фракциониро­ ванное, или протрагированно-фракционированное) не оказыва­ ет влияния на процент возникающих мутаций. Частота мутиро­ вания зависит не от фактора времени, а только от общей сум­ марной дозы облучения (см. табл. рис.

5, 8).

Вызывающее мутации действие облучения не зависит от 11.

температуры во время облучения (см. табл. 6). Напротив, при включении в облучаемую ткань солей тяжелых металлов (кото­ рые сами по себе не оказывают мутагенного действия) влияние дозы облучения усиливается.

12. Частота индуцированных облучением мутаций отдельных генов, по-видимому, так же, как и спонтанная, связана со струк­ турой мутирующих аллелей (см. табл. При воздействии об­ 9).

лучения на прямые и обратные мутации отдельных пар аллелей наблюдаются все переходы от случаев равной вероятности обоих противоположных переходов до таких случаев, в кото­ рых может осуществляться мутирование только в одном направ­ лении (см. табл. 10).

13. Спонтанно особенно лабильные гены не проявляют соот­ ветственно высокую мутабильность при действии излучений (см. табл. 11).

14. Увеличение частоты мутирования ~мутабильных~ алле­ лей как при действии повышенной температуры, так и при дей­ ствии облучения минимально.

Задачи теории генных мутаций и структуры гена 3.2.

Описанные в этой первой генетической части нашей работы вза­ имосвязанные факты, относящиеся к мутационному процессу, должны дать основу для развивающейся теории генных мута­ ций и структуры гена (в четвертой части). Сначала следует рас­ смотреть один физический вопрос, лежащий в основе дальней­ шего анализа, а затем, как мы уже упоминали, биофизический подход к фактам из области радиационной генетики должен прояснить природу мутационного процесса.

Прежде всего следует выяснить, почему при действии облу­ чения мутационный эффект столь значителен. Или в качестве доминирующего сегодня в физике представления о попадании, что именно следует считать ~поцаданием~ при вызывании мута­ ций. Этот вопрос рассматривается во второй части.

Затем следует развить физическое модельное представление, которое согласовывало бы факты из области мутационного про­ цесса и определения частоты возникновения мутаций и теорию попадания. Эти модельные представления должны во всех дета­ лях объяснять особенности мутационного процесса, в котором они в качестве необходимых выводов должны согласовываться с результатами экспериментальных исследований. Это будет об­ суждаться в третьей части работы..

Идя таким путем, мы сформулируем физически, а также и генетически обоснованное общее представление о природе ген­ ных мутаций, из чего в дальнейшем мы сможем сделать выво­ ды, относящиесяк природе генов. Это составит содержание чет­ вертой части работы.

Час т ь 11 Теория попадания и ее следствия в приложении к проблеме мутагенеза Радиационный отдел Цецилиенхаузес, Берлин, Шарлопенбург

ВВЕДЕНИЕ

1.

Все описанные в первой части исследования, относящиеся к возникновению при облучении генных мутаций, а также прямые радиационно-генетические эксперименты имеют особое значе­ ние для построения представлений о механизмах мутирования генов. Для объяснения мутационного процесса генетические ис­ следования необходимо дополнить последовательным анализом действия облучения. Это будет осуществлено в рамках разрабо­ танной к настоящему времени теории биологического действия излучений, так называемой теории попадания.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПАДАНИЯ

2.

После проведеиных исследований по большому счету стало ясно, что не может быть общего решения вопроса о том, какое событие наиболее существенно для биологического действия из­ лучений:

а) логлощение кванта излучения (Хольвек и Лакассань, Уай­ коф); или

б) прохождение одного из вторичных электронов через био­ логическую структуру, так называемый чувствительный объем или область попадания (Глокер, Майнеорд); или

в) появление пар ионов, вызывающих возбуждение в области попадания (Дессауэр, Краузер), следует рассматривать как •эф­ фективное попадание•. С изменением определения попадания ме­ няется также область попадания (чувствительный объем). После всего, что было сказано об определении попадания, особенно важно установить, какие следствия вытекают из изменения вели­ чины половинной дозы (Dt;2) с длиной волны Л используемых из­ лучений*. Во всяком случае, Глокер показал, что:

–  –  –

(О")

в) Dt;:rconst**.

Здесь, кроме того, необходимо провести исследования, воз­ можно независимые от представлений, развитых в первой части, содержащей резу ль таты изучения генетического действия излучений. Только в заключение упомянутые представления будут сравниваться с теоретическим объяснением других реак­ ций на облучение.

Половинная доза - это такая доза, после применения которой половина • всех облученных особей проявляет определенную реакцию.

••это верно в случае, если область попадания мала в сравнении со средним рас­ стоянием между двумя ионизациями вдоль пути вторичного электрона [61 ].

ПОПАДАНИЕ В МУТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ

3.

Связь между дозой облучения и дополнительно возникающими мутациями (раздел может быть представлена в виде соотно­ 6) шения ( Циммер):

–  –  –

т.е. как и в случае а) эффект становится пропорциональным числу квантов излучения.

В обсуждаемых здесь радиобиологических исследованиях длина пробега жестких электронов не может быть учтена из-за малых размеров мух, благодаря чему отмеченные энергетичес­ кие потери компенсируются дополнительными электронами, об­ разующимися в стенках капсул, в которых облучают мух, изго­ товленных из материала приблизительно такой же плотности, как и мухи, толщина стенок которых соответствует максималь­

–  –  –

Таким образом, мы приходим к выводу, что если попаданием считать прохождение вторичного электрона, то половинная доза при действии у-лучей должна быть приблизительно в 8 раз меньшей, чем доза при воздействии рентгеновских лучей. Одна­ ко так как резу ль таты экспериментов не дают никаких указаний на зависимость величины половинной дозы от длины волны, прохождение вторичного электрона следует исключить из ряда возможных ~событий попадания~.

Т а б л и ц а 12. Некоторые физические характеристики рентгеновских и у-лучей в области длин волн, использованных в исследованиях, приведеи­ ных в табл. 4

–  –  –

13.

Т а блиц а Половинная доза рентгеновских и у-лучей для вызываиия мутаций у дрозофилы, расечитаиная с помощью уравнения (8), если за со­ бытие попадания принять прохождение вторичного электрона

–  –  –

В то же время найденная в опытах «независимость~ мутагенно­ го действия излучений от длины волны находится в полном со­ гласии с предположением, что событием попадания является возникновение пары ионов, и все эффекты должны быть про­ порцианальны дозе облучения, независимо от длины его волны*.

Наш анализ природы события попадания в случае раднаци­ онно-индуцированного мутагенеза можно коротко резюмиро­ вать следующим образом. Для того чтобы при действии рентге­ новского или. у-облучения вызвать мутацию гена, достаточно одного попадания, это попадание представляет собой возникно­ вение одной пары ионов или одного возбуждения. Этот вывод наряду с выделенными в третью часть работы положениями по­ зволил нам создать атомарную физическую модель мутирова­ ния генов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

4.

В обстоятельных дискуссиях и обсужде_ниях Глокер показал, что резу ль таты многих проведеиных радиобиологических иссле­ доваiшй лучше всего объясняются в том случае, если за событие попадания примимаются вторичные электроны, возникающие при прохождении одного кванта энергии. Этот вывод, однако, не приложим к вызыванию мутаций у дрозофилы. Это, по-ви­ димому, означает, что генетические реакции подчиняются дру­ гим законам действия излучений, чем негенетические. По при­ чинам, сформулированным выше, можно предположить, что генные мутации представляют собой превращения одной един­ ственной молекулы, т.е. являются скорее химической, чем био­ логической реакцией. Химические реакции, по расчетам Глоке­ ра, Риссе и Бертольда, не зависят от длины волны, иначе гово­ ря, они развиваются параллельна ионизационной дозе: тогда для обеих ситуаций определяющим фактором будет лишь кине­ тическая энергия фото- и Комптон-электронов. Поэтому приве­ деиные выше резу ль таты не противоречат тому факту, что мно­ гие негенетические реакции на облучение наилучшим образом объясняются, если в качестве события попадания принимать прохождение через «чувствительный объем~ вторичных элек­ тронов.

В заключение можно добавить, что при развитых нами под­ ходах попытки объяснить радиационно-генетические эффекты с позиций коллоидной химии не заслуживают внимания.

–  –  –

Отдел физики и радиоактивности Института химии имени Кайзера Вильгельма, Берлин-Далем

ВВЕДЕНИЕ

1.

Для удобства изложения обсуждение вопросов, связанных с атомно-физическими рассуждениями в области генетики, будет предшествовать анализу результатов наших исследований. Поэ­ тому мы и начнем со всех относящихся сюда ~за~ и ~против~.

Как известно, генетика - строгая, далеко идущая в своих логических заключениях наука. Она имеет количественный ха­ рактер, без использования физической системы мер. Почему здесь наблюдается такая независимость от физики и химии, ясно. Для химии такая независимость от физики невозможна.

Действительно, химия использует понятия массы и веса, что и превращает химию благодаря связи с физической системой мер из описательной науки в количественную. Аналогично происхо­ дит развитие электрохимии, где впервые после введения закона эквивалентности Фарадея стала возможной связь меры электри­ ческого заряда и меры веса, как основы количественного анали­ за. Это общее развитие и привело к атомной теории, как общим корням физики и химии, которые составляют единство в силу единых строго определенных и четко ограниченных понятий, используемых для описания результатов наблюдений. Это един­ ство явно выражается в абсолютной системе мер, охватывающей все области. Иначе говоря, основанием для этой всеобщей сис­ темы мер является существование жесткого масштаба и механи­ ческих неизменяющихся часов. Все это возможно лишь благода­ ря существованию стабильных и неизменных в своих свойствах атомов. Таким образом, физика и химия стали количественны­ ми науками благодаря существованию стабильного атома. К таким предст~влениям об атомах они продвигались в течение столетия: лишь длительный анализ общих понятий привел эти науки к заключению о том, что именно стабильность и неизмен­ ность лежат в основе своеобразия химической природы.

Отличие генетики от названных выше наук заключается в том, что природную единицу для количественного, численного анализа она находит в отдельном живом организме. Это обстоя­ тельство делает генетику независимой от физической системы мер. Химия обретает такие естественные элементарные единицы в силу молекулярных представлений, которые в свою очередь стали возможны благодаря закону множественных пропорцио­ нальностей, одному из первых фундаментальных результатов количественной химии. Соответствующие этому представления, порожденные наблюдениями в области генетики, совершенно иные, более увлекательные. В то время как в физике все изме­ рения сводятся к измерениям пространства и времени, основные понятия генетики, различия в признаках логично выражать в абсолютных единицах измерения. Даже для таких признаков, как средняя длина или продолжительность жизни, в общем слу­ чае не следует иметь дело с абсолютными значениями этой длины или продолжительности, так как они зависят еще от мно­ гих сопутствующих условий.

Опираясь на эти положения, можно прийти к точке зрения, что генетика должна быть автономной наукой и ее постулаты не следует смешивать с физико-химическими представлениями. В частности, так можно думать, если считать, что случаи успеш­ ного использования в биологии физических и химических поня­ тий не дают никакого приближения к феномену генетики. Ус­ пешное использование таких подходов обычно наблюдается при изучении предварительно изолированных биологических про­ цессов, которые хотя и имеют физико-химическую природу, но представляют собой только частные случаи, отношение которых к общим жизненным явлениям остается проблематичным, если их распорядок не следует эвристической схеме, которая прин­ ципиально постулирует жизненный процесс как физико-хими­ ческий механизм.

Но в генетике ход развития привел к расширению круга представлений. Прежде всего обнаружилась связь генетики с цитологическими исследованиями, и ген, первоначально считав­ шийся лишь символическим представителем менделирующих единиц, теперь может быть локализован, его перемещения прослежены. Усовершенствование генетического анализа дрозо­ филы сделало. возможным оценить величину гена, которая ока­ залась сопоставимой с размерами огромнейшей из известных нам макромолекул со специализированной структурой. Исходя из этого, многие исследователи рассматривают ген просто как особый вид молекулы, чья структура пока еще не установлена.

Следует иметь в виду, что здесь имеется существенное разли­ чие с химическим определением молекулы. В химии об опреде­ ленном типе молекул мы говорим тогда, когда имеем дело с ве­ ществом, которое ведет себя единообразно при определенных воздействиях. В генетике, напротив, согласно определению в каждом живом существе, в каждой встречающейся генной моле­ кул е мы имеем единственного представите ля, находящегося в химически гетерогенной среде, и его идентичность с геном дру­ гого организма можно установить только на основании идентич­ ности его влияния на соответствующие признаки. Из единично­ го химического действия в мысленном эксперименте нельзя сде­ лать такое заключение; для этого из большого числа генетически однородных организмов с мысленно изолированными генами следует установить химические свойства этих изолированных и вместе с тем взаимосвязанных генов. Такой мысленный экспе­ римент до тех пор будет оставаться просто игрой, пока из при­ пятых нами допущений мы не сможем сделать выводы, которые можно было бы непосредственно сравнивать с резу ль татами опытов. Следовательно, для основополагающих идей, допуска­ ющих экспериментальную проверку, требуются другие форму­ лировки.

Незначительное число цитологически идентифицированных генов также можно отождествлять со стабильными молекулами, во всяком случае, на том основании, что они сохраняют свою ста­ бильность независимо от окружающей их среды, что следует из экспериментов по скрещиванию. Отсюда вполне допустимо де­ лать вывод, что эта стабильность непосредственно связана со ста­ бильностью молекулы. Поэтому, если мы говорим о генах как о молекулах, следует думать не столько об идентичности их поведе­ ния, сколько об общности их атомной структуры, т.е. о том, что идентичность двух генов сводится к тому, что у них одинаковые атомы стабильно упорядочены одинаковым неизменным спосо­ бом. Стабильность конфигурации должна быть особенно большой относительно химических реакций, обычно происходящих в живой клетке; в обмене веществ гены должны принимать участие только как катализаторы. При этом мы еще должны решить, представляет ли собой отдельный ген полимер, состоящий из идентичных повторяющихся атомных структур, или он лишен такой периодичности. Эта проблема, проходящая через все основ­ ные пункты молекулярной гипотезы, как мы увидим ниже, впол­ не доступна для экспериментальной проверки.

Прежде чем приступить к обсуждению основной проблемы, подчеркнем еще раз, что фундаментальное свойство гена - это точно удваивать самого себя во время митоза (причем это свой­ ство конвариантно при мутациях); наверное, это свойство не только самого гена, но результат взаимодействия гена с окру­ жающей его средой. Согласованность нашей модели с этим фак­ том до тех пор не будет доказанной, пока такое взаимодействие не будет включено в расширенную модель гена.

МОДЕЛЬ МУТИРОВАНИЯ ГЕНА

2.

Так как, с одной стороны, как уже было сказано, химическое определение атомного строения гена провести невозможно, ас другой стороны, о химическом способе действия гена как ката­ лизатора развития мы. почти ничего не знаем, то мы должны по­ пытаться решить проблему структуры гена более простым спо­ собом. Для этого прежде всего мы попытаемся найти вид и пре­ делы стабильности гена, а затем посмотрим, соответствует ли эта стабильность чему-нибудь, что мы знаем из атомной теории об определенных атомных свойствах.

Сначала мы обсудим, какие существуют виды изменения атомных свойств и каковы условия, при которых они происхо­ дят, а затем проведем их сопоставление с мутациями.

В нашей модели гена мы предполагали, что каждый атом со своими связями имеет в молекул е определенное среднее поло­ жение и что его электронные состояния строго определены.

Благодаря этому изменения такой модельной молекулы могут быть только скачкообразными. Эти изменения должны также складываться из элементарных переходов. С этого мы и начнем.

Атомные связи способны к следующим изменениям через элементарные переходы.

Изменение колебательных состояний при фиксированном среднем положении атома при нормальной температуре встреча­ ется очень часто, в этом отношении нет ни одной стабильной мо­ лекулы. Такое изменение колебательных состояний не изменяет химических свойств молекулы. Поэтому колебательное состоя­ ние вообще не принимает участия в определении атомных свя­ зей.

Изменение состояния электронов вследствие возбуждения одного или многих из них требует такого количества энергии, которое превышает энергию теплового движения. Если атомы получают энергию извне через кванты света или удары электро­ нов, то они или возвращаются в прежнее состояние, что может сопровождаться излучением энергии (вид восстановления элек­ тронной конфигурации)*, или инициируют какой-нибудь из следующих процессов.

Переход атомов в другое равновесное состояние** через флюктуацию тепловой энергии может осуществляться, если при случайной флюктуации энергии теплового движения размах ко­ лебаний атомных связей приобретет такую амплитуду, которая превышает пределы стабильности, и атом не возвращается боль­ ше к исходному состоянию. Этот предел стабильности должен соответствовать энергии, превышающей на степень свободы среднюю энергию теплового движения. В принциле таким спо­ собом можно преодолеть любую границу стабильности. Оце­ нить вероятность такого перехода можно следующим образом.

Энергию, которая требуется для перехода предела стабильнос­ ти, так называемую энергию активации, обозначим буквой ~u~;

среднюю энергию теплового движения на степень свободы, ко­ торая пропорциональна абсолютной температуре (Т), обозна

–  –  –

В данном случае нас интересует не то, какова вероятность, с которой одна степень свободы имеет энергию U, а то, каков в среднем интервал времени, в течение которого одна степень сво­ боды, имеющая в данный момент времени энергию, которая ниже, чем энергия U, приобретет энергию, которая выше, чем энергия U. Этот интервал времени определяет среднюю продол­ жительность жизни молекулы, т.е. ее относительную стабиль­ ность. Величина, обратная этому времени, т.е. частота перехо­ дов, определяет скорость происходящих реакций. Согласно из­ вестному утверждению теории вероятности, этот временной ин­ тервал не зависит от флюктуаций, которые произошли ранее, так что молекула, которая еще не активизировалась к опреде­ ленному времени, в будущем не имеет большую вероятность ис­ пытать активацию. Поэтому скорость реакции не зависит от вре­ мени. Для того чтобы найти ее величину, мы должны знать, как часто степень свободы изменяет свою энергию. Для грубой оценки этой величины можно использовать частоту атомных ко­ лебаний: выражение для частоты переходов берут, по существу, из формулы в которой знаком обозначают среднюю час­ ( 1), Z тоту колебаний атома в молекул е, чья величина несущественно зависит от температуры, и в общем случае имеет порядок 1О 14 в 1 с. Для того чтобы W (вероятность переходов) находилась в измеримом порядке величин, U должна быть, как мы уже отме­ тили, значительно выше, чем kT. В табл. 14 приведены некото­ рые данные, показывающие связь между скоростями реакций (их обратными величинами, половинным временем) и соотно­ шениями между и Кроме того, в четвертом столбце табли­ U kT.

цы мы привели абсолютное значение U при комнатной темпера­ туре*, а в пятом столбце - отношения скоростей реакций для двух температур, различающихся на 10 ·с. Для этого отноше­ ния, проявляющего незначительную температурную зависи­

–  –  –

Важнейшей особенностью этой зависимости, которая видна из табл. 14, является то, что очень незначительные изменения энергии активации приводят к очень большим изменениям ско­ ростей реакций. Например, при повышении энергии активации всщ·о лишь от 0,9 до 1,5 эВ (на 70 %) полувремя реакции изме­ няется от 1 с до 1 года. Поскольку известная энергия активации молекул лежит в еще более широких пределах, можно заведомо ожидать, что скорости реакций могут иметь любые значения.

Бывает даже так, что скорости реакций столь малы, что обыч­ ными в химии методами их уловить невозможно; хотя энергети­ чески эти реакции мало отличаются от тех, которые поддаются экспериментальной оценке. Четвертый столбец таблицы пока­ зывает, что фактор Вант-Гоффа возрастает в зависимости от увеличения энергии активации очень медленно. Для измеримых в химии скоростей реакций, как правило, фактор Вант-Гоффа лежит между 2 и 5. Известно также, что изменения скорости развития живого организма и течения реакций в живом организ­ ме управляются наимедленнейшими реакциями, которые также следуют правилу Вант- Гоффа.

Переход атомов в друrое равновесное состояние через передачу электрону энергии извне. Помимо передачи энергии через тепловые колебания, энергию активации можно переда­ вать извне, через излучения, удар электроном или через выде­ ляющую энергию химическую реакцию. Последний случай мы рассматривать не будем, так как, согласно нашей модели, ген непосредственно в химических реакциях не участвует. В двух первых случаях электрон сначала приводится в возбужденное состояние или удаляется при ионизации, как уже упоминалось выше. Возбужденному электрону точное определение места перехода не требуется. Возбуждение имеет следствием то, что силы, прежде удерживавшие соседние атомы в равновесии, вдруг резко изменяются. При этом соседние атомы начинают быстро колебаться, и их энергия колебания быстро распределяется между другими атомами, причем по мере того как энергия на степень свободы убывает, число атомов, принимающих учас­ тие в ее перераспределении, все более увеличивается. Таким об­ разом, энергия, появляющаяся вначале в определенном месте, все более диссипирует, пока не превращается в общее тепловое движение, если при этом не происходят изменения, способные вызвать дальнейшие переходы, для которых также требуется энергия активации.

Такие переходы, следовательно, можно разделить на два вида: или через случайно накопленную тепловую энергию, или через диссипацию энергии возбуждения электронов.

3. ПРОВЕРКА МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

После качественного обзора реакций переходов молекул по­ смотрим, как эти представления согласуются с тем, что мы знаем о мутациях генов.

–  –  –

и популяций. Эта стабильность должна устанавливаться каким­ либо способом через условия, при которых развивается жизнь, в которой естественный отбор играет роль решающего фактора для сохранения особенно стабильных форм. Мы должны ожидать также, что селекция на стабильность до тех пор будет действен­ ной, пока будут отсеиваться все изменения, происходящие наибо­ лее часто. При этом другие изменения, чья частота меньше про­ должительности жизни, должны сохраняться. Это мы находим у диких рас дрозофилы, у которых скорость таких реакций, или частоты возникновения мутаций, на несколько порядков меньше, чем скорость индивидуального развития. Соответственно этому фактор Вант- Гоффа для мутаций должен быть заметно большим, чем для развития (см. табл. 14), что хорошо согласуется с экспе­ риментом (см. табл. 8). Особенно существенно то, что такое от­ клонение фактора Вант-Гоффа от своего обычноrр_ значения может быть объяснено в рамках нашей модели без привлечения дополнительных допущений.

Ген дикой расы, испытавший перестройку в одном месте, спо­ собен иногда к дальнейшим изменениям в этом же месте. Сверху частота его мутирования не ограничивается условиями естествен­ ного отбора. Часто мутирующие гены могут встречаться и среди искусственно отобранных мутантов, что также согласуется с экс­ периментом (см. с. 125-127). Согласно нашей модели, такие часто мутирующие гены есть не что иное, как стабильные гены ди­ кого типа, более того, их возникновение возможно благодаря тому, что искусственные условия селекции отличаются от естест­ венных.

Для часто возникающих мутаций мы имеем скорости реак­ ции на несколько порядков большие, чем обычные. Эти скорос­ ти реакций уже сравнимы со скоростью развития. Для них фак­ тор Вант-Гоффа не должен существенно отличаться от фактора Вант-Гоффа для развития, что также хорошо согласуется с экс­ периментом (см. с. 125-127).

По нашему предположению, одна определенная мутация со­ ответствует определенной перестройке генной молекулы. Такие изменения можно вызывать искусственно всего лишь иониза­ цией или возбуждением. Облучим живое вещество рентгенов­ скими лучами; так как ионизация может происходить в любых местах, то вероятность появления соответствующих мутаций будет пропорциональна числу ионизаций на 1 см 3, т.е. будет за­ висеть только от плотности ионизации, что также находит под­

–  –  –

часто встречающихся мутаций. При рентгеновском облучении обе группы мутаций должны появляться одинаково часто, что также подтверждается экспериментом (см. табл. и с.

11 125-127).

Согласно нашей модели, мутации состоят в перестройке ста­ бильных атомных связей, и эта перестройка представляет собой один элементарный переход. К этому заключению нас приводит часто наблюдающаяся сходная частота прямых и обратных му­ таций. Если за первым элементарным переходом должны следо­ вать вторичные переходы, такую простую обратимость очень трудно себе представить. Естественно, остается предположить, что имеются различные типы генных мутаций, которые состоят из единичных элементарных или множественных переходов.

Если эти рассуждения применить к опытам по фотохимии, вто­ рой случай будет наблюдаться значительно чаще, так как для фотохимии является исключением, когда первичному фотохи­ мическому процессу не сопутствуют вторичные реакции. Мы должны, однако, иметь в виду, что способы управления хими­ ческими реакциями в живой клетке глубоко специфичны, встре­ чаются только в строго определенных местах и все еще далеко

–  –  –

гии, логлощенной в единичном объеме. Этот фундаментальный факт представляет собой лишь следствие из того, что мутации, согласно нашей модели (см. табл. рис. и с. воз­ 3, 133-134), никают в результате отдельных ионизаций или возбуждений.

Теперь можно провести сравнение с основными Представле­ ниями фото- и рентгенохимии. В фотохимии величина массь1, пре­ образованной в первичном процессе, согласно формуле Эйнштей­ на, определяется через число пог лощенных квантов света. В рент­ генохимии, когда с помощью рентгеновского облучения вызывают химические процессы, количество преобразованного вещества эк­ вивалентно не числу логлощенных квантов света, а энергии, по­ г лощенной в единице объема, как установлено экспериментально для ряда случаев [65]. Это обусловлено тем, что не логлощение кванта света имеет своим следствием элементарное химическое со­ бытие, а последующие ионизации и возбуждения, и тогда число элементарных химических превращений должно быть пропорцио­ нально логлощенной энергии, затраченной на ионизацию, мало флюктуирующую около среднего значения.

В нашей проблеме мы имеем дело в общем не столько с пре­ образованным веществом, сколько с определенным элементарным процессом, с изменениями атомных связей. Такие измене­ ния, как сказано выше, могут быть следствием ионизации или возбуждения; следует ожидать, что для этого не нужна иониза­ ция определенного атома, а что к данной реакции может привес­ ти и передача энергии соседним атомам при ее диссипации. Ио­ низация не может происходить на таких больших расстояниях, чтобы энергия в процессе диссипации выродилась до величины, меньшей чем В на степень свободы (энергия активации). Об 1,5 этом процессе диссипации в целом мы знаем очень мало. Поэто­ му мы не можем сделать определенное заключение об абсолют­ ном значении дозы, которая приводит к одной определенной мутации с вероятностью около единицы. Тем не менее после всего сказанного мы можем ожидать, что искомая доза, выра­

–  –  –

6000·7000=42 000 000 Рвызовет одну такую мутацию с вероят­ ностью около единицы. С другой стороны, единица дозы (Р) в 1 см 3 нормального воздуха создает 2·10 9 ионных пар, а в 1 см 3 воды или органического вещества в 1000 раз больше, а именно около 2·10 1 ионных пар; доза в 42·10 6 Р соответствует прибли­ зительно 1·1020 ионным парам с энергией 30 эВ. Тогда из содер­ жащихся в 1 см 3 1·10 23 атомов будет ионизироваться в среднем одна тысячная часть. Факт, что при этой дозе реакция происхо­ дит с почти единичной вероятностью, мы должны понимать так, что диссипация энергии осуществляется не с максимальной ско­ ростью. Это позволяет развивать различные модельные пред­ ставления, от чего мы в этом качественном обзоре проблемы пока воздержимся.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

4.

Сравнение нашей модели гена с результатами экспериментально­ го изучения мутационного процесса в большинстве отношений имеет, как показано выше, хорошее качественное соответствие.

Понимание мутирования гена как элементарного процесса в смыс­ ле квантовой теории, например, как определенных изменений в сложной атомной конфигурации, может считаться надежно уста­ новленным. Оно объясняет общий параллелизм как между спон­ танным и индуцированным облучением мутационным прон;ессом, так и многие отдельные факты. Обсудим на основе этой модели природу мутационного процесса и структуру гена.

–  –  –

Теория генных мутаций и структуры гена

1. ОБСУЖДЕНИЕ ПРОЦЕССА МУТИРОВАНИЯ ГЕНОВ

На основе изложенных выше исследований и предположений мы пришли к следующему представлению о мутационном про­ цессе.

~утации возникают при получении энергии извне или при колебаниях тепловой энергии, которые неизбежно связаны со статистической кинетической прирадой тепла и состоят в коле­ баниях атома в разных положениях равновесия внутри атомной связи. Если атомная связь определится структурно в определен­ ном атоме и месте, новая конфигурация окажется устойчивой.

При случайных колебаниях температуры появляются ~спон­ танные~ мутации; причем вероятность перехода через порог, после которого может начаться реакция, зависит от структуры затронутых атомных связей, на чем основано различие в часто­ тах возникновения спонтанных мутаций различных генов. Рас­ пространено мнение, что спонтанное мутирование обусловлено действием ~естественного~ ионизирующего излучения. Все рас­ четы [14, 41, 66], однако, показывают, что эффект этого облу­ чения слишком мал, чтобы обеспечить наблюдаемую частоту спонтанного мутирования. Учитывая изложенные выше поло­ жения, обращение к естественному облучению или другим ис­ точникам, вызывающим мутации, для объяснения спонтанного мутационного процесса становится излишним.

В экспериментах по радиационной генетике дополнительная энергия переносится квантами излучения. При этом анализ ре­ зультатов исследований с использованием разных излучений с различной длиной волн, а также различным распределением дозы во времени в полном соответствии с модельными представ­ лениями показывает, что в качестве вызывающего мутацию ~по­ падания~ следует рассматривать ионизацию или возбуждение атома. На рис. 10 дано схематическое изображение вторичных и третичных процессов, которыми завершается поглощение рент­ геновских лучей, приводящих к ионизациям атомов или воз­ буждению электронов.

Представление, согласно которому мутирование генов есть индивидуальный элементарный процесс в смысле квантовой теории, пригодно для того, чтобы объяснить как спонтанный, так и индуцированный облучением мутационные процессы.

В частности, мы можем ожидать, что дальнейший анализ ин­ дуцированного облучением мутагенеза позволит сделать выво­ ды, сближающие его с фотохимией. В обоих случаях первич­ ный процесс состоит в возбуждении или ионизации атомов. ~онохроматическое ультрафиолетовое облучение, которое в фото­ химии применяют в химически гомогенных системах с совер­ шенно определенным спектром поглощения, в мутационных ис­ следованиях может быть использовано для того, чтобы отбирать определенные группы мутаций, которые могут возникать только при поглощении излучения определенной длины волны. С по­ мощью примерных расчетов можно легко убедиться, что при электронных переходах вероятность перехода обычно бывает достаточно большой, чтобы ожидать изменения выхода мутаций при использовании обычного источника света.

Из фотохимии мы знаем, что первичный процесс по г лоще­ ния может включать очень многие виды вторичных реакций.

Первичный процесс может иметь простой переход к следующе­ му (например, превращение малеиновой кислоты в фумаровую и обратно). Поглощение кванта энергии может также привести к диссоциации определенных связей, после чего образуется ра­ дикал или способный к реакции атом. При этом на месте атома или радикала образуется новая группа атомов из окружающей среды, в резу ль тате чего размеры молекулы увеличиваются или уменьшаются. Фотохимические реакции, в ходе которых возни­ кают сложные вторичные реакции, в общем случае фотохими­ чески необратимы. Соответственно можно ожидать, что в экспе­ риментах по облучению могут возникать такие мутации, кото­ рые такженеобратимы при облучении.

Выше мы не рассматривали такие температурные эксперимен­ ты, в которых использовались температуры за пределами физио­ логически нормальных для дрозофилы, так называемые темпера­ турные шоки. Как показывает обсуждение результатов этого рода исследований, при таких температурах выход мутаций происхо­ дит иначе, чем в области физиологически нормальной температу­ ры. При объяснении этого феномена следует все-таки принимать во внимание то, что было сказано в начале первой части. Нельзя быть уверенным, есть ли прямая зависимость выхода мутаций от температуры или она опосредована, например через защитную ре­ акцию, передачей энергии всего организма. Это предположение подтверждается тем, что при воздействии холода было обнаруже­ но увеличение выхода мутаций [ 67].

В этой общей части, как уже говорилось, мы не будем ка­ саться вопроса репродукции гена. Большинство мутаций и, сле­ довательно, все исследования, положенные в основу наших представлений, не зависят от стадии, на которой происходит де­ ление или репродукция гена. Однако не исключено, как заме­ тил еще М. Демерец [58], что некоторые мутации, прежде всего у ~мутабильных$ аллелей, могут быть связаны с процессом реп­ родукции гена, представляя тем самым нарушение основного свойства гена - идентично себя дублировать, или, так сказать, ~неудачное рождение$ гена.

ТЕОРИЯ СТРУКТУРЫ ГЕНА

2.

Все до сих пор развитые представления непосредственно следу­ ют из изучения мутационного процесса, так как полученные здесь результаты и лежат в основе нашей модели мутагенеза.

Но они уже содержат, собственно, и наши представления о структуре гена.

Мутированне гена состоит в колебаниях, или диссоциации, связи в пределах (ранее определенной) атомной структуры.

Можно пойти далее и представить себе ген как эту атомную структуру. Сообразно с этим физико-химическое единство (атомная структура), внутри которого может происходить мута­ ционное событие, будет представлить собой структуру целого гена. Это представление кажется нам наиболее естественным из всех, основанных на известных нам фактах и посылках, и пол­ ностью соответствует генетическим требованиям, согласно кото­ рым ген далее обычным путем неделим и ведет себя как авто­ номная единица.

Против этого, конечно, можно возразить. Мутации означают именно изменения атомных связей; ген можно представить себе как определенное количество вещества, состоящего из несколь­ ких одинаковых атомов, связанных между собой. Тогда мута­ ция изменение (или поломка) одной атомной связи, вторая мутация означает изменение второй атомной связи и т. д. Про­ тив такого представления говорит, однако, следующее. Если предположить, что ген состоит из нескольких одинаковых еди­

–  –  –

вения прямых и обратных мутаций (см. табл. в таких слу­ 10);

чаях только что изложенное не может быть признало правиль­ ным без дополнительных допущений и фактов. Наконец, тако­ му представлению противоречит также следующее общее поло­ жение: с течением времени первоначально гомогенный кусочек вещества, представляющий собой ген, благодаря многократно повторяющемуел мутированию должен стать гетерогенным, если не принять вспомогательную гипотезу о каком-либо авто­ матическом процессе регулирования его структуры; таким обра­ зом, мы опять приходим к точке зрения, в принципе похожей на нашу, согласно которой ген, как состоящий из отдельных час­ тей, так и проявляющий определенную периодичность, пред­ ставляет собой единую цел:рную структуру, блок атомов.

Таким образом, мы представляем себе ген как блок атомов, в котором может произойти мутация - пересталовка атомов или диссоциация связей (вызываемые колебаниями тепловой энер­ гии или передачей энергии извне) и который совершенно авто­ номен в своих свойствах и действиях на другие гены. Пока что нет соображений, позволяющих далее конкретизировать эти представления. Мы должны сначала ответить на вопрос, пред­ ставляет ли собой ген цельный, от дельный комплекс атомных связей илиженезначительную часть огромной структурной еди­ ницы. Иначе говоря, представляет ли собой хромосома, подоб­ но нитке жемчуга, беспорядочный ряд различных генов или же единьJЙ физико-химический континуум [68]. Этот вопрос, как и проблема идентичного удвоения гена перед делением клетки, может быть решен только в будущем, после того, как будет по­ лучен материал, необходимый для соответствующего анализа.

Выводы. Из развитi;IХ выше положений следуют как поста­ новка практических вопросов для дальнейших мутационных ис­ следований, так и выводы, имеющие значение для некоторых общебиологических и генетических представлений.

Так, несомненную ценность для определения ~попадания~ имеют важнейшие радиобиологические исследования, позволив­ шие установить связь между частотой мутирования и дозой об­ лучения, длиной волны и распределением дозы во времени; осо­ бенно важно то, что здесь разными авторами, независимо про­ водившими серии таких исследований, получены очень хорошо со г ласующиеся между собой результаты. Частота мутирования генов у дрозофилы, индуцированного рентгеновскими лучами или лучами радия, в дальнейшем может быть использована в качестве известной и хорошо воспроизводимой реакции в опре­ деленных радиобиологических и, возможно, радиофизических исследованиях. Как уже упоминалось, можно ожидать много интересного от использования монохроматического у льтрафио­ летового излучения. Этим методом, возможно, удастся выявить определенную специфическую группу мутаций.

До сих пор еще очень мало известно о мутабильности отдель­ ных генов. В расширенных радиобиологических экспериментах необходимо исследовать связь между частотой мутирования от­ дельных генов, дозой и видом облучения. На этом пути могут быть получены результаты, которые или изменят наши нынеш­ ние представления, или усилят их ц углубят. Прежде всего должно быть выяснено, как ведут себя при облучении гены с высокой и очень низкой частотой спонтанного мутирования и удовлетворяют ли они правилу, сформулИрованному на с. 142 о сглаживании различий в частотах спонтанного мутирования при действии излучений. Материал, полученный к настоящему вре­ мени по данному вопросу, все еще очень скудный (см. с. 126, табл. 11).

На большом материале можно будет также окончательно ус­ тановить, удовлетворяется ли требование нашей модели, соглас­ но которому при рентгеновском облучении должны появляться некоторые мутации, не возникающие спонтанно.

На большом материале для отдельных генов должны быть установлены значения фактора Вант-Гоффа, что позволит про­ верить заключения, следующие из табл. 14 и сформулирован­ ные на с. 142, согласно которым факторы Вант-Гоффа для генов с повышенной частотой спонтанных мутаций должны быть меньше, чем для генов с пониженной частотой мутирова­ ния.

Важными будут также результаты изучения мутагенеза при варьировании химической среды, окружающей гены и оказы­ вающей влияние на индуцированную облучением мутабиль­ ность. Этим путем, возможно, удастся установить, участвуют ли и какие именно вторичные реакции в развитии процессов, вызы­ ваемых первичным возбуждением атомов. Весьма желательным было бы также общее точное изучение проблемы независимости частоты индуцированной облучением мутабильности от физио­ логического состояния облучаемой ткани; материал, получен­ ный до сей поры (см. с. 113-115), все еще недостаточен.

Наконец, было бы очень хорошо сравнить результаты радиа­ ционной генетики, полученные на известном материале и отве­ чающие определенным требованиям, со специальными фотохи­ мическими исследованиями, наиболее соответствующими нашим модельным построениям.

По Представлениям многих биологов, геном - это сложная физико-химическая структура, состоящая из ряда специф.ичес­ ких химических образований - отдельных генов. Используя мутации, модифицирующие ход развития, следовало бы изу­ чить, в какой степени деформированные таким образом сроки развития могут мысленно проецироваться на отдельные гены.

Такие гены представляются при этом неким началом цепей ре­ акций, из которых и слагаются процессы развития. С одной стороны, такое представление заставляет признать высокую слож­ ность структуры и функции гена и обсуждать проблему гена как основы физиологии развития. С другой стороны, такой подход может привести к сознательной или неосознанной критике тео­ рии клетки: до сих пор принимаемые за ~единицы жизни~ и блестяще оправдавшие себя в этой роли клетки могут быть за­ менены •элементарными единицами жизни~ генами.

Выше были изложены наши представления о гене. Гены есть физико-химические единицы; возможно, это представление опи­ сывает целую хромосому (собственно состоящую из участков, содержащих гены), представляющую собой большой комплекс атомов со многими отдельными автономными подгруппами.

Такие гены не могут непосредственно отображать морфагенети­ ческие особенности организма: они должны мыслиться лишь как ~стартовые точки~ развития. Такой геном, однако, вполне может мыслиться как основа наследственно обусловленного спе­ цифического морфогенеза, в котором вырисовываются постоян­ ные, определяющие форму и функцию, структуры клетки [68].

От изменений отдельных частей генома, (генных мутаций) будет зависеть специфическим образом общее функционирова­ ние клетки, а вместе с ним и ход развития. При этом можно не разлагать клетку на гены, и ~старт~ развития будет связан не с отдельным геном, а с функцией целой клетки или же будет скрыт во внутриклеточных процессах, последовательность кото­. рых контролируется геномом.

Эти последние рассуждения базируются на еще менее ороч­ ной основе, чем наша модель гена. Здесь то или иное общее представление зависит от конкретной постановки вопроса. И мы верим, что для смежных областей также будет целесообразно пользоваться представленнем о гене, которое основано, как мы уже отмечали выше, на адекватном обобщении фактического материала, полученного при изучении мутационного процесса.

Литература

1. Serebrovsky A.S. А general scheme for the origin of mutations/ 1 Amer.

Nat.- 1929.- Vol. 63.

2. Goldshmidt R. The gene/ /Quart. Rev. Вiol.- 1928.- Vol. 3.

3. Muller Н.]. Further changes in the white-eye series of Drosophila and their bearing Щl the manner of occurence of mutations/ /]. Ехр. Zool.- 1920.Vol. 31.

4. Muller Н.]. Variation due to change in the individual gene/ / Amer. Nat.Vol. 56.

5. Muller Н.]./ /Mutation. Eugen., Genet. and the Fam.- 1923.- Vol. 1.Р. 106..

6. Muller Н.]. Quantitative methods in genetic research/ / Amer. Nat.Vol. 61.

7. Muller Н.]. Artificial transmutation of the gene/ /Science. (N. У.) Vol. 66.

8. Muller Н.]. The gene as the basis of life//Proc. Int. Congr. Plant. Sci.Vol. 1.

9. Muller Н.]. The proЫem of genic modification//Verh. 5 Intern. Kongr.

Vererb.- 1928.- Vol. 1.

10. Muller Н.]. The production of mutations Ьу X-rays//Proc. Nat. Acad.

Sci. (USA).- 1928.- Vol. 14.

11. Muller Н.]. Radiation and genetics// Amer. Nat.- 1930.- Vol. 64.

12. Muller Н.]. The effects of Roentgen rays upon the hereditary material//The science of radiology.- Springfield.- 1934.

13. Stubbe Н. ProЫeme der mutationsforschung//Frankf. Wissensch. Woche.- 1934.- Bd 1.

14. Timofeeff-Ressvsky N. W. Die Ьisherigen Ergebnisse der Strahlengenetik//Erg. med. Strahlenf.- 1931.- Bd 5.

15. Timofeeff-Ressovsky N. W. The experimental production of mutations//Biol. Reviews.- 1934.- Vol. 9.

16. Timofeeff-Ressovsky N. W. Mutations of the gene in different directions//Proc. 6 lnt. Congr. Genet. 1932.- Р. 1.

17..]ohnston 0., Winchester А.М. Studies on reverse mutations in Drosophila melanogaster//Amer. Nat.- 1934.- Vol. 68.

18. Berg R.L. The relative mutation frequencies in Drosophila chromosomes//C. R. Acad. Sci. URSS (Russ.).- 1934.

19. Schapiro N., Serebrovskaja R. Relative mutaЬility of the Х- and second chromosomes of Drosophila melanogaster //С. R. Acad. Sci. URSS (Russ.).- 1934.

20. Timofeeff-Ressovsky N. W. Does X-ray treatment produce а genetic aftereffect?//Zurn. Eksper. Biol. (Russ.).- 1930.- Bd 6.

21. Timofeeff-Ressovsky N. W. Einige Versuche an Drosophila melanogaster iiber die Art der Wirkung der Rontgenstrahlen auf den Mutationspr.Qzess//Arc~. Entwmech.- 1931а.- Bd 124.

22. Grйneberg Н. Ober die seitliche Begrenzung genetischer Rontgenwirkungen bei Drosophila melanogaster 11 Biol. Z. - 1931. - Bd 51.

23. Stadler L.]. Some genetic effects of X-rays in plants//J. Hered.Vol. 21.

24. Moore W.G. А comparison of the frequency of visiЬle mutations produced Ьу Х- ray treatment in different developmental stages in Drosophila// Genetics.- 1934.- Vol. 19.

25. Neuhaus М. The mutaЬility of the locus of bobbed in Drosophila melanogaster//Biol. Zurn. (Russ.).- 1934.- Vol. 3.

26. Schapiro N., Neuhaus М. Versuch einer vergleichenden Analyse des Mutationsprozesses bei Miinnchen und Weibchen von Drosophila melanogaster//Вiol. Zurn. (Russ.).- 1933.- Vol. 2.

27. Sidorov B.N. Zur Frage uber die Wirkung der Х- Strahlen auf den Mutatinsprozess in unreifen Geschlechtsellen der Miinnchen von Drosophila melanogaster//Zurn. Eksper. Biol. (Russ.).- 1931.- Bd 7.

28. Timofeeff-Ressovsky N. W. Zur Frage uber das Funktionieren der Gene in den Кleimzellen//Zurn. Eksper. Biol. (Russ.).- 1930.- Bd 6.

29. Serebrosky A.S. Erzeugung von Mutationen durch Rontgenbestrahlung Bei Drosophila melanogaster //Zurn Eksp. Biol. (Russ.).- 1928.Vol. 4.

30. Belgovskij М. Effect of hybridization оп the mutaЬility of the white gene in Drosophila simulans//C. R. Acad. Sci. URSS (Russ.).- 1934.

31. Demerec М. What is а gene?//J. Hered.- 1933.- Vol. 24.

32. Demerec М. The effect of Х- ray dosage on sterility and number of lethals in Drosophila melanogaster//Proc. Nat. Acad. Sci. (USA).- 1933.- Vol.

19.

33. Hanson F.B., Heys F. An analysis of the effects of the different rays of radium in producing lethal mutations in Drosophila// Amer. Nat.- 1929.Vol. 63.

34. Hanson F.B., Heys F. Radium and lethal mutations in Drosophila// Amer. Nat.- 1932.- Vol. 66.

35. Oliver С.Р. The effect of varying the duration of X-ray treatment upon the frequency of mutation//Science.- 1930.- Vol. 71.

36. Oliver С.Р. An analysis of the effect of varying the duration of Х- ray treatment upon the frequency of mutations//Z. Ind. Abst. Vererb.Bd 61.

37. Schechtmann ]. Der Mutationseffekt und die quantitative Gesetzmiissigkeit der Rontgenstrahlenwirkung//Zurn. Eksper. Biol. (Russ.).- 1930.- Bd 6.

38. Timofeeff-Resovsky N. W. Beziehungen zwischen der Mutationsrate und der Dosis und Art der Bestrahlung//4 Int. Radiologenkongr.- 1934.- Bd 49.

39. Timofeeff-Ressovsky N. W. Beziehungen zwischen der Mutationsrate und der Dosis und Art der Bestrahlung/4 Int. Radiologenkongr.- 1934.- Bd 2.

40. Zimmer K.G. Ein Beitrag zur Frage nach der Beziegung zwischen Rontgenstrahlendosis und dadurch ausgeloster Mutationsrate//Strahlentherapie.- 1934.- Bd 51.

41. Efroimson W.P. Die transmutierende Wirkung der Х- Strahlen und das ProЫem der genetischen Evolution//Biol. ZЫ.- 1931.- Bd 51.

42. Hanson F.B., Heys F., Stanton Е. The effect of increasing X-ray voltages on the production of lethal mutations in Drosophila// Amer. Nat.Vol. 65.

43. Pickhan А. Vergleich der mutationsauslosenden Wirkung von gleichen Dosen Rontgen und Gammastrahlen//4 Intern. Radiologenkongr.Bd 2.

44. Patterson ]. Т. Continuous versus interupted irradiation and the rate of mutation in Drosophila//Вiol Bull.- 1931.- Vol. 61.

45. Timofeeff-Ressovsky N. W., Zimmer К. G. Strahlengenetische Zeitfaktorversuche an Drosophila melanogaster //Strahlentherapie.- 1935.- Bd 53.

46. Medvedev N.N. The production of mutations in Drosophila melanogaster Ьу the comblned influence of X-rays and salts of heavy metals//C. R.

Acad. Sci. URSS (Russ.).- 1933.

47. Harris В.В. The effects of aging of X-rayed males upon mutation frequency in Drosophila//J. Hered.- 1929.- Vol. 20.

48. Muller Н.]., Altenburg Е. The rate of change of hereditary factors in Drosophila//Proc. Soc. Ехр. Biol. Med.- 1919.- Vol. 17.- Р. 10.

49. Muller Н.]. The measurement of gene mutation rate in Drosophila//Genetics.- 1928.- Vol. 13.

50. Timofeeff-Ressovsky N. W. Ruckgenmutationen und die GenmutabllШit in verschiedenen Richtungen. IV. Rontgenmutationen in verschiedenen Richtigen am white-Locus von Drosophila melanogaster//Z. lnd. Abst.

Vererb.- 1933Ь.- Bd 65.

51. Patterson ].Т., Muller Н.]. Are progressive mutations produced Ьу Xrays//Genetics.- 1930.- Vol. 14.

52. Timofeeff-Ressovsky N. W. Ruckmutationen und die GenmutaЬilШit in verschiwedenen Rechfungen. 111. Rontgenmutationen in entgegengesetzten Richtungen am forked- Locus von Drosophila melanogaster /1 Z. Ind.

Abst. Vererb.- 1933а.- Bd 64.

53. Demerec М. The behavior of mutaЫe genes//Verh. 5 Int. Kongr. Vererb.- 1928.- Bd 1.

54. Demerec М. MutaЫe genes in Drosophila virilis//Proc. Int. Congr. Plant Sci.- 1929.- Vol. 1.

55. Stubbe Н. Lablle Gene/ /ВiЬliogr. Genet.- 1933.- Vol. 10.

56. Demerec М. Changes in the rate of mutabllity of the mutaЫe miniature gene of Drosophila virilis/ /Proc. Nat. Acad. Sci (USA).- 1929.- Vol. 15.

57. Demerec М. Genetic factors stimulating mutabllity of the miniature-gamma wing- character of Drosophila virilis/ /Proc. Nat. Acad. Sci (USA).Vol. 15.

58. Demerec М. Effect of temperature on the rate of change of the unstaЬ!e miniature-3-gamma gene of Drosophila virilis/ /Proc. nat. Acad. Sci.

(USA).- 1932.- Vol.18.

59. Demerec М. Effect of X-rays on the rate of change in the unstaЬ!e miniature-3-gene of Drosophila virilis/ /Proc. nat. Acad. Sci. (USA).Vol. 20.

61. Dessauer F. Uber einige Wirkungen von Strahlen Internat/ /Z. angew.

Phys.- 1922.- Bd 12.- S. 38.

62. Friedrich W., Zimmer К. ProЬ!eme der Dosismessung in der Praxis/ /Strahlentherapie.- 1934.- Bd 51.

63. Bonhoeffer K.F., Harteck Р. Grundlagen der Photochemie.- Dresden.

1933.

64. Eggert ]. Lehrbuch der physikalischen chemie.- Leipzig, 1929.

65. Gunther Р. Reaktionsanregung durch Rontgenstrahlen und durch Ionen/ / Erg. d. techn. Rontgenkunde.- 1934.- Bd 4.

66. Muller Н.]., Mott-Smith L. В. Evidence that natural radioactivity is inadequate to explain the frequence of natural mutations/ /Proc. nat. Acad.

Sci. (USA).- 1930.- Vol. 16.

67. Gottschewski G. U ntersuchungen an Drosophila melanogaster iiber die U mstimmbarkeit des Phanotypus und Genotypus durch Temperatureinfliisse/ 1 Z. Ind. Abst. Vererb.- 1934. Bd. 67.

68. Koltzoff N.K. Physikalisch-chemische Grundlage der Morphologie/ / Biol. ZЬI.- 1928.- Bd 48.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ

О СТАТИСТИЧНОСТИ И ПРИНЦИПЕ УСИЛИТЕЛЯ

В БИОЛОГИИ* Биофизическая лаборатория Института биологии Уральского филиала АН СССР (Свердловск) И Физический институт Берлинского университета Одним из важных вопросов кибернетики является изучение циркуляции наследственной информации от поколения к поко­ лению и в процессе онтогенеза. Замечательно то, что при этом происходит далеко идущее изменение природы материальных носителей этой информации.

На уровне взрослого животного, выросшего в опрер;еленных условиях, эта информация кодируется его фенотипом. На уров­ не клетки - ее химизмом. На уровне клеточного ядра или гаме­ ты - набором генов или особенностями строения небольюого числа молекул ДНК. Следует обратить особое внимание на то, что в начальный момент развития организма индивидуальные особенности отдельных молекул играют определяющую роль в формировании макроскопических свойств будущего организма.

Рассмотрение индивидуальных молекул требует учета ста­ тистических флюктуаций. При этом, с одной стороны, имеет значение уровень энергии молекулы, так как от него зависит ве­ роятность перехода молекулы в новое устойчивое состояние, с другой стороны, в случае наличия достаточной энергии имеет значение вероятность перехода в то или иное индивидуальное состояние.

Для изучения распределения молекул по уровням энергии достаточно методов классической физики. В то же время, для суждения о возможности тех или иных индивидуальных пере­ ходов имеют значение законы квантовой механики. Наконец, для перекодирования наследственной информации в макроскоДоложено 16.11.1956 г. на семинаре по кибернетике (механика-математичес­ • кий факультет МГУ). В основу положены соображения, возникшие в связи с физическим анализом механизма биологических действий излучения малой плотности; в разработке этих вопросов принимали участие многие наши со­ трудники, особенно же Ф. Меглих. За критический просмотр рукописи вы­ ражаем благодарность С.В. Вонсовскому, Г.А. Курсаиову и А.А. Ляпунову.

пические свойства организмов необходим специальный физи­ ческий процесс - механизм ~усилителя~.

Впервые эти явления подверг ли экспериментальному изуче­ нию в 30-х годах Н.В. Тимофеев-Ресовский, Р.Ромпе, М. Дель­ брюк и др. В настоящее время дальнейшие исследования стро­ ения наследственной информации и способов ее кодирования в живом организме на биохимическом уровне ведутся Ф. Криком, Дж. Уотсоном и др. Однако сводного изложения результатов, полученных в области физической генетики, и их взаимодейст­ вия с эволюционной биологией в русской литературе до сих пор не было.

Публикуемая ниже работа Н.В. Тимофеева-Ресовского и Р. Ромпе в значительной мере подытоживает комплекс работ, установивших тот рубеж, на котором элементарные биологичес­ кие акты оказываются одновременно элементарными физичес­ кими актами, и проливает свет на строение потоков информа­ ции, управляющих онтогенезом, и те физические процессы, с помощью которых осуществляется перекодирование этой ин­ формации.

Таким образом, круг вопросов·, рассмотренных в данной ста­ тье, представляет существенный интерес для развития совре­ менной кибернетики.

В заключение заметим, что предложенная в начале статьи трактовка основных принцилов микрофизики встречала серьез­ ные возражения ряда крупных физиков, в том числе таких ко­ рифеев, как А. Эйнштейн и Л. де Бройль. Однако эта критика касалась не столько самих принципов, сколько их истолкова­ ния. Внимательный читатель заметит, что та или другая интер­ претация указанных принцилов влияет лишь на форму изложе­ ния, а не на существо основных идей статьи.

ВВЕДЕНИЕ

1.

Более четверти века назад Нильс Бор [ 1, 2] указал на возмож­ ность использования в некоторых областях биологии новых общих принцилов современной атомной физики. Эти соображе­ ния Н. Бора основывались на двух основных положениях. Во­ первых, поскольку в организмах имеют мес:rо микрофизические процессы, при их изучении должны быть применены новые принцилы атомной физики (в первую очередь здесь имеются в виду явления дополнительности и основанная на них статистич­ ность в протекании отдельных элементарных микрофизических процессов). И, во-вторых, как можно было предполагать на ос­ новании общих соображений, в тех случаях, когда в биологии анализ доходит до собственных биологических элементарных структур и явлений, по отношению к ним должно обнаружиться влияние сходных с микрофизикой общих принципов. Как известно, эти идеи Н. Бора оказали большое, плодотворное влия­ ние на развитие современного естествознания.

Несмотря на очевидность подобного рода соображений, они, однако, пока еще практически очень далеки от эксперименталь­ ной повседневной работы биологов. Объясняется это преимуще­ ственно тем, что в. биологии только в очень немногих случаях научный анализ и эксперимент затрагивают действительно эле­ ментарные структуры и явления. Конечно, принципы микрофи­ зики могут иметь непосредственное применение только в тех случаях, когда биологические элементарные единицы и явления являются таковыми же в микрофизике.

Одной из немногих областей биологии, в которой это уже имеет место, является анализ механизма мутационного процес­ са. Поэтому в дальнейшем мы будем касаться преимущественно этой области биологии, поскольку сейчас она является особенно актуальной в связи с развитием некоторых общих идей в кибер­ нетике [3, 4] и созданием первых конкретных теорий строения и редупликации генов [5, 6].

Для того чтобы с самого начала избежать возможных недора­ зумений и неясностей, необходимо указать на следующее. В даль­ нейшем речь идти будет о влиянии микрофизики и ее принципов в биологии. Но при этом нельзя ни в коем случае упускать из виду, что живые организмы являются макрофизическими объектами, на которые (поскольку мы их изучаем с физической стороны) рас­ пространяются принципы классической макрофизики. Мы пре­ красно знаем, что некоторые биологические процессы протекают в рамках обычных представлений классической физики. Только исходя из этого общего положения, можно ставить вопрос о значе­ нии микрофизических явлений, статистичности и ~принципа уси­ лителя~ в биологии. Другими словами, при рассмотрении вопроса о микрофизических явлениях нельзя забывать макрофизические объекты, в которых они протекают.

НЕКОТОРЫЕ СУЩЕСТВЕННЫЕ ЧЕРТЫ МИКРОФИЗИКИ

2.

Прежде чем приступить к дальнейшему рассмотрению собствен­ но биофизической проблематики, необходимо вкратце напо­ мнить о некоторых особенностях микрофизики.

Классическая макрофизика занимается, как известно, тела­ ми, состоящими из очень большого числа одинаковых элемен­ тарных частиц, и явлениями, в которых суммируется очень большое число одинаковых и при равных условиях протекаю­ щих элементарных процессов. В качестве общеизвестного и ти­ пичного примера макрофизической закономерности можно при­ вести закон ускорений Ньютона.

В микрофизике, занимающейся явлениями, связанными с от­ дельными квантами, электронами или атомами, как раз в связи с тем, что она занимается отдельными физическими элементар­ ными частицами и процессами, господствуют своеобразные за­ кономерности. В качестве типичного примера микрофизическо­ го явления можно привести радиоактивный распад, в основе ко­ торого лежат скачкообразные статистические явления.

ДJiя того чтобы было понятно дальнейшее, нам, однако, не­ обходимо несколько глубже затронуть эту проблему.

Задачей теоретических естественно-исторических исследова­ ний является создание моделей или схематических представле­ ний, логические следствия из которых наилучшим образом со­ гласуются с природными явлениями реального внешнего мира.

Модели и схематические представления, которые мы создаем и употребляем, строятся из понятий, вытекающих из прежнего опыта; именно поэтому они обладают вполне обозримыми и точно определенными свойствами. Так как большая часть наше­ го опыта в области физики связана с механикой твердых тел, то большинство наших понятий в микрофизике заимствовано из схематических представлений в этой области; поэтому они и об­ ладают свойствами, хорошо согласующимися со всем нашим опытом в области макрофизических явлений.

Совершенно новая ситуация создалась, однако, с появлением квантовой теории. Исследования в области физики атомов пока­ зали, что в пределах размеров порядка атомных величин мы часто встречаемся со свойствами явлений внешнего мира (или, вернее, соответствующих им понятий), которые никогда не на­ блюдаются в макрофизике. Эти особенности микрофизических явлений объединяются обычно в понятии ~двойственной приро­ ды~, или ~дуализма~, этих явлений. Под этим разумеется сле­ дующее. Описание всех свойств физического явления, протека­ ющего в масштабах атомных величин, требует построения двух, макрофизически взаимно друг друга исключающих, схематичес­ ких представлений или моделей. В макроскопическом мире вещь или явление никогда не может обладать каким-либо свой­ ством и одновременно с этим ~комплементарным~ иzш дополни­ тельным к нему другим; в микрофизическом же мире это поло­ жение об исключении двух взаимно дополнительных свойств не имеет более силы. Макрофизическое явление может, например, быть либо корпускулой, либо волной: летящий снаряд является корпускулой, а производимый им в воздухе процесс волной.

Свойства волны и корпускулы являются взаимно исключающи­ ми и дополнительными в пределах любых разумных макрофи­ зических понятий. В области же эЛементарных физических еди­ ниц дело обстоит иначе: одно и то же тело или явление вполне может обладать как корпускулярными, так и волновыми свойст­ вами. Конечно, дополнительные свойства атомов не могут быть обнаружены одновременно; появление того или другого из них зависит от характера поставленного эксперимента или, вернее, от употребляемой в эксперименте аппаратуры. Этот принцип двойственности, или дуализма, атомных явлений основан на опыте микрофизики. Из этого принцила вытекает, что тела и явления в атомной физике не могут быть точно описаны в поня­ тиях, вытекающих из опыта макрофизики. Тела и явления в микрофизике только частично обладают свойствами, наблюдае­ мыми нами на телах в макрофизике; однако, поскольку через макропроявления мы можем исследовать свойства явления в об­ ласти атомных величин, классическая физика сохраняет свою полную значимость. Принцип дуалитета, таким образом, только указывает на максимум того, что вообще может быть установле­ но по отношению к объекту атомной физики в тех случаях, когда путь классической физики оказывается неприменимым.

Дуалитет с точки зрения квантовой механики стоит в связи с принцилом неопределенности. Этот же последний вносит с собой неизвестную классической физике статистичность. В из­ вестном смысле подобная ситуация не является вполне новой и неожиданной и для классической физики. Развитие статисти­ ческой термодинамики и теория флюктуаций показали, что уже в рамках классической физики могут встретиться случаи статис­ тической закономерности. Классическая статистическая термо­ динамика учит, что все физические системы, состоящие из мно­ гих элементарных частиц, находятся в состоянии пространет­ венных и временных флюктуаций, определяющих данную сис­ тему параметров (например, энергии, импульса, плотности и т.д.). Осуществление определенного количественного значения одного из этих параметров, отклоняющегося от средней величи­ ны, характерной для данной системы, может быть предсказано только с определенной долей вероятности.

Существование термодинамических флюктуаций можно было бы на первый взгляд попытаться объяснить вполне тривиально атомной структурой материи, ибо несомненно, что атомная струк­ тура связана с чуждой классической физике прирадой квантовых сил. Но на ~амом деле роль квантовой механики в описании этих явлений оказывается значительно более глубокой.

Дело в следующем. В классической физике физическая сис­ тема поддается описанию благодаря дифференциальным урав­ нениям, с помощью которых при точном знании исходных вели­ чин может быть однозначно и точно определено состояние дан­ ной системы в любой момент времени. В дальнейшем под отли­ чительным принцилом системы в макрофизике мы будем пони­ мать только возможность точного описания ее состояния в любой момент времени. Упомянутая выше неопределенность яв­ лений флюктуации параметров в классической статистическо­ динамической системе хотя и противопоставляется только что сформу лираванному принцилу, но не находится в противоречии с ним, а лишь практически ограничивает его действия: если известна только вероятность тех или иных значений исходных ве­ личин, то, конечно, и состояние системы может быть определе­ но лишь с пекоторой вероятностью. Существование в микрофи­ зике принципа неопределенности показывает, что в природных явлениях имеется определенный порог неточиости исходных данных. В силу этого состояние микрофизических объектов может быть вычислено только с ограниченной точностью, благо­ даря чему определенное значение в микрофизике придается не­ которому ~вероятностному~ закону.

Необходимость введения статистических принципов в микро­ физике связана, с одной стороны, с открытием новых качеств природных явлений в области атомных величин, а с другой - с открытием новых общих принципов в физике. Эта ситуация в настоящее время хорошо известна и во всех деталях разработана в соответствующей специальной литературе, на которую мы и можем теперь сослаться [7 -10].

Таким образом, в области физических явлений мы встреча­ емся со статистичностью двух видов: с ~классически термодина­ мической~ и с ~принципиально квантовой~ статистичностью.

Необходимо отметить, что в физике, как известно, они редко дают о себе знать. Этим, между прочим, объясняется и то, что так долго и с таким большим успехом мог л а неограниченно при­ меняться указанная выше возможность точного описания мак­ рафизической системы. Это связано с тем, что относительные отклонения от средних величин уменьшаются при возрастании числа элементарных частиц, участвующих в физическом про­ цессе (закон больших чисел). Например, излучение отдельного атома происходит, по теории квантов, в заранее не определимом направлении; излучение же большого числа одинаковых атомов суммируется в сферическую симметрию, при которой все на­ правления равнозначны. Квантовая статистичность в этом слу­ чае, таким образом, исчезает по ~принципу корреспонденции~ (соответствия) при возрастании числа частиц. Таким же обра­ зом дело обстоит и во всех других случаях квантовой статичнос­ ти: она проявляется лишь тогда, когда наше внимание концент­ рируется на отдельных элементарных частицах или явлениях.

То же самое по существу касается и классически термодинами­ ческих флюктуаций. Кинетика химических реакций и физичес­ кая химия могут в значительной мере строиться без учета явле­ ния статистичности; только в особых случаях, аналогичных на­ блюдению броуновских молекулярных движений, статистич­ ность классической термодинамики дает о себе знать: но и здесь обычно при достаточном числе элементарных частиц отклоне­ ния от средней величины сравнительно невелики.

Мы пришли, таким образом, к следующим заключениям, важным для последующего изложения. В макрофизике явления могут быть описаны вполне определенно и однозначно. В отличие от этого для индивидуальных микрофизических явлений ти­ пичен принципиальный дуалитет, на котором основывается принципиальная квантовая статистичность явлений и процес­ сов, происходящих при участии отдельных физических элемен­ тарных частиц. Наряду с этим мы установили, что и в рамках понятий классической макрофизики может иметь место класси­ ческая статистичность в тех случаях, когда статистически:е (на­ пример, термодинамические) процессы протекают при участии недостаточного числа частиц.

РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ В ФИЗИКЕ И БИОЛОГИИ

3.

Для дальнейших рассуждений необходимо отдавать себе пол­ ный отчет в различиях между объектами физики и биологии, а также между условиями физического и биологического экспери­ мента. Как физики мы можем с полной уверенностью утверждать, что все атомы определенного изотопа действительно и во всех от­ ношениях, связанных с их излучением, вполне идентичны. Далее можно с такой же уверенностью утверждать, что точно определи­ мые объекты физики неизменны во времени, т.е. что, например, атом натрия в текущем году обладает всеми теми же свойствами, какими обладал натрий испокон веков. Наконец, в физике мы располагаем практически бесконечным числом подобных иден­ тичных и константных элементарных частиц. Это имеет особенно большое значение при изучении любых статических явлений.

Биологические же объекты даны нам в форме комплексных и иерархически-архитектонических, исторически обусловлен­ ных структур, индивидуумов. Для биологических индивидуу­ мов характерна комплексная природа и временная взаимообу­ словленность протекающих в них реакций. Далее для них ха­ рактерна ограниченная продолжительность жизни; и даже за время своей индивидуальной жизни они подвергаются различ­ ным существенным изменениям. Наконец, по сравнению с объ­ ектами физики число биологических объектов очень ограниче­ но; особенно таких, которые хотя бы в отношении нескольких признаков могли бы считаться идентичными.

Кроме того, в области биологии следует различать два рода явлений. С одной стороны, мы имеем дело с явлениями, проте­ кающими и отражающимися в жизни отдельного индивидуума, т.е. с онтогенетическими процессами. С другой стороны, мы встречаемся с элементарными явлениями и процессами, кото­ рые не затрагивают физиологического и морфологического со­ стояния индивидуума, в котором они возникли, но которые вле­ кут за собой явные макрофизические изменения в цепи его по­ томков, т.е. мы имеем здесь дело с процессами, протекающими в филогенетическом плане. Мы должны, таким образом, в био­ логических явлениях до известной степени различать онтогенетический и филогенетический планы. Само собой разумеется, что нельзя упускать из виду наиболее характерную особенность живых организмов - их способность к размножению.

Еще в большей степени проявляется различие между физи­ ческими и биологическими элементарными частицами и явле­ ниями по отношению к условиям экспериментирования с ними.

Элементарная частица в физике определяется как атом, атомное ядро, элементарная частица, квант. Они образуют лишь небольтое число архитектонических структур высшего порядка, лишь незначительно отличающихся друг от друга.

Биологические же элементарные частицы и явления значи­ тельно труднее точно определить, и в связи с иерархически-ар­ хитектонической структурой биологических индивидуумов их принципиальное разнообразие больше, чем в физике. Кроме того, они значительно крупнее, чем элементарные частицы в об­ ласти физических явлений; в большинстве случаев элементар­ ные биологические явления связаны с крупными молекулами или мицеллами. Они обладают способностью конвариантно реп­ родуцироваться либо также конвариантно или в определенной форме быть репродуцированными содержащей их биологичес­ кой архитектонической структурой высшего порядка (напри­ мер, клетка). Они, далее, способны прерывисто варьировать (например, мутации генов); при этом такие скачкообразные ва­ риации благодаря типИчной для биологических индивидуумов способности к размножению могут дать начало целой цепи соот­ ветственно измененных потомков. Кроме того, в большинстве случаев биологические частицы входят в состав структур выс­ шего порядка (например, клеток или многоклеточных индиви­ дуумов) в различных комбинациях; при этом отнюдь не безраз­ лично, в каких комбинациях находятся отдельные элементар­ ные частицы в таких случаях. Благодаря этому число идентич­ ных и тем самым точно и строго сравнимых элементарных час­ тиц, которые можно было б:ы положить в основу установления статистических закономерностей, еще более уменьшается.

Мы видим, таким образом, что между объектами в физике и биологии наблюдаются существенные и частично принципиаль­ цые различия, с которыми приходится считаться при всех даль­ нейших рассуждениях.

ПЛЮРАЛИТЕТ, СТАТИСТИЧНОСТЬ И ПРИНЦИП УСИЛИТЕЛЯ В4.БИОЛОГИИ

Для микрофизики, как мы видим, характерен дуализм основ­ ных явлений, вызванный наличием у элементарных частиц до­ полнительных свойств. Мы должны теперь разобраться в том, каково значение новых принцилов квантовой механики для ин­ тересующих нас здесь биологических проблем.

Следует ожидать, что как раз в области элементарных био­ логических процессов влияние экспериментального вмешатель­ ства должно сильно сказываться; вмешательство физических приемов исследования, несомненно, должно модифицировать элементарные биологические частицы и явления. Поэтому в об­ ласти элементарных биологических явлений мы встречаемся с теми же затруднениями, что и в атомной физике. Необходимо выяснить, к каким следствиям это ведет.

Прежде всего мы должны рассчитывать встретиться в облас­ ти биологических элементарных явлений с тем же дуализмом, что и в квантовой физике, поскольку биологические элементар­ ные частицы часто являются таковыми же в физическом смыс­ ле: а ряд биологических элементов частиц и явлений, несмотря на их сравнительно большую величину (большие молекулы), несомненно, относится к области макрофизики.

Следует считаться с тем, что так же, как мы должны исполь­ зовать два различных, дополнительных представления для пол­ ного описания атомных явлений, для описания жизненного про­ цесса нам необходимо использовать две модели или более. При­ менение лишь одной, именно физической модели, показывает только физико-химическую сторону биологического процесса, оставляя в стороне, например, историческую. Благодаря этому чисто биологическому дуализму в биологии в общей сложности следует считаться с наличием плюралитета явлений. Это стано­ вится еще яснее из следующего. Физико-химические закономер­ ности, насколько мы можем проверить, имеют универсальное значение и в живой природе. При их изучении мы, однако, не можем одновременно наблюдать биологический процесс в его целом и неизменном виде, особенно, если дело касается изуче­ ния элементарных биологических частиц и явлений. Таким об­ разом, мы вынуждены физико-химическое изучение биологи­ ческих явлений и нормальный общий ход жизненного процесса рассматривать как два допо,лнительных представления, подобно корпускулярной и волновой моделям микрофизических явле­ ний. Эта биологическая дополнительность не стоит ни в какой связи с виталистическими представлениями; при более глубо­ ком анализе, которого мы здесь касаться не можем, она даже в корне исключает возможность построения виталистических тео­ рий жизненного процесса. Так как в физико-химическом изуче­ нии биологического процесса уже содержится микрофизический дуализм, то прибавление биологической дополнительности ведет к представлению об общем плюралитете в биологии. Сле­ дует заметить при этом, что подобные рассуждения пока срав­ нительно примитивны, основаны на макрофизических представ­ лениях, в соответствии с которыми, например, к определенному понятию обычно создается только одно ему дополнительное;

теоретически же вполне возможно, что эта макрофизическая трактовка дополнительности должна быть расширена, как это, например, имеет место уже в математике (вопрос о принциле исключенного третьего). На практике, однако, плюралитет будет обычно упрощаться и сводиться к дуализму; в тех случа­ ях, когда мы имеем дело с крупными макрофизическими тела­ ми, по отношению к которым дуализм квантовой физики прак­ тически сводится к нулю, а также в тех случаях, в которых мы концентрируем свое внимание на физико-химических законо­ мерностях, оставляя в стороне биологическую дополнитель­ ность. Наконец, необходимо указать еще на две особенности биологического плюралитета. Физический дуализм свойствен всем телам, распространяется и на макрофизические; но здесь он становится практически незаметным благодаря большому числу идентичных частиц, подлежащих рассмотрению. Биоло­ гический же принцип дуализма распространяется отнюдь не на все тела, а насколько мы может судить на основании имеющих­ ел данных, он связан с определенными архитектонически-мор­

–  –  –

ных невозможно, и мы лично в этом сомневаемся. С другой сто­ роны, необходимо указать на то, что в то время как физический дуализм при переходе из микрофизики в макрофизику практи­ чески сходит на нет, с биологическим плюралитетом этого, по­ видимому, не происходит ввиду ограниченного числа идентич­ ных единиц.

Мы можем рассмотреть вопрос о принципиальных возмож­ ностях проявления статистичности в биологии.

В физике, как мы видели выше, имеются два вида статистич­ ности. Во-первых, мы имеем здесь принципиальную квантовую статистичность, обусловленную дуализмом элементарных физи­ ческих явлений; во-вторых, на основе неиасыщенной статисти­ ки термодинамических явлений может практически проявляться классическая статистичность.

В биологии дело обстоит несколько сложнее. В физическом анализе биологических явлений следует ожидать проявления обеих вышеупомянутых форм физической статистичности наря­ ду со смешанными случаями. В связи с биологическим плюра­ литетом надо, кроме того, ожидать возможности проявления именно биологической статистичности, эквивалентной кванто­ вой статистичности в микрофизике и основанной на собственно биологическом дуализме явлений; практически, однако, эта ста­ тистичность не будет играть никакой роли во всех случаях, в которых мы концентрируем свое внимание на физико-химичес­ ких закономерностях.

Наконец, особое значение в биологии должна иметь чисто классическая статистичность, эквивалентная классически термодинамической в физике, основанная на недостаточном числе идентичных биологических объектов в природе. Все виды ста­ тистичности в биологии могут, кроме того, проявляться как в онтогенетическом, так и в филогенетическом плане.

Остановимся несколько подробнее на сказанном.

С точки зрения статистических закономерностей число иден­ тичных единиц в биологических опытах следует считать незначи­ тельным. Это ведет к тому, что в биологии даже в тех случаях, когда математическое ожидание числа прореагировавших элемен­ тарных частиц приближается к единице и когда, кроме того, мы имеем еще дело с одновременным протеканием нескольких конку­ рирующих реакций, результат опыта явлЯется практически неоп­ ределенным и не может быть предсказан с достаточной вероятнос­ тью. Эта неопределенность распространяется при физическом анализе биологических явлений на обе формы физических статис­ тичностей. На первый взгляд подобная ситуация кажется своеоб­ разной; но нельзя забывать, что и в физике мы встречаемся с по­ добным же положением вещей, если в опыте внимание концентри­ руется, например, на судьбе отдельных атомов, находящихся под каким-нибудь внешним воздействием: и здесь результат опыта яв­ ляется неопределенным. Однако в физике в большинстве случаев мы практически имеем возможность исследовать достаточное ко­ личество идентичных частиц одновременно или друг за другом, что в биологии обычно представляется невозможным; но с подоб­ ными положениями мы, несомненно, встретимся и в кинетике фи­ зика-химических реакций, например в реакциях, протекающих в сильно разреженных газах или в больших комплексных белковых молекулах.

Особенно существенное значение имеет для нас вопрос о том, в каких случаях при физико-химическом изучении биоло­ гических процессов мы наряду с классически термодинамичес­ кой статистичностью можем рассчитывать встретиться с прин­ ципиальной квантовой. По этому поводу можно сказать следую­ щее. Мы, несомненно, будем иметь дело лишь с классически термодинамической статистичностью во всех тех случаях, в ко­ торых изучаемые единицы не являются физически элементар­ ными; например, если изучаются клетки или клеточные ядра как таковые. Но и в тех случаях, когда изучаемые биологичес­ кие единицы являются элементарными с точки зрения физики (например, гены, вирусы или антитела), классически-термоди­ намическая статистичность также может иметь место, она может даже затемнять одновременно квантовую. Рассмотрим в качест­ ве примера химическую реакцию, протекающую по правилу Вант- Гоффа, при которой скорость реакции зависит от темпера­ туры. Скорость реакции при этом определяется статистически термодинамической вероятностью появления энергии активации данной реакции и, с другой стороны, вероятностью перехода из одного состояния в другое (или поперечным сечением удара), определяемой квантовой механикой. При этом необходимо раз­ личать два случая. Если энергия активации мала по отношению к температуре, то достаточная для активации энергия будет по­ являться достаточно часто; частота действительного реагирова­ ния будет тогда практически всецело зависеть от квантовой ве­ роятности перехода из одного состояния в другое. В этом слу­ чае решающее значение имеет, таким образом, вероятность, ос­ нованная на квантовой теории, и в связи с этим следует ожидать соответственного проявления принципиальной квантовой ста­ тистичности. Если же, наоборот, энергия активации по отноше­ нию к температуре высока, то ее порог будет достигаться только сравнительно очень редко, если в то же время вероятность пере­ хода из одного состояния в другое тоже высокаf то можно пред­ положить, что наступление реакции зависит от энергии актива­ ции. В этих случаях решающую роль будет играть классически термодинамическая статистичность, хотя каждая отдельная ре­ акция определенной молекулы остается элементарным актом по теории квантов. Отношение между биологическими элементар­ ными единицами таково, что следует ожидать реализации и тех и других крайних случаев со всеми переходами между ними. С одной стороны, несомненно существуют реакции, связанные с колебаниями термического равновесия между биологической частицей и ее средой. В этих случаях классически термодинами­ ческая статистичность будет превышать и заглушать принципи­ ально квантовую. С другой стороны, имеются процессы, в кото­ рых участвует очень небольтое число частиц; сюда относится, например, случай взаимодействия между элементарными биоло­ гическими частицами и какими-либо излучениями небольшой плотности (рентгеновские лучи, а.-, ~-, у-излучения, нейтроны, протоны и т. д.); сюда же, вероятно, относятся многие случаи действия ядов (именно те, действие которых сводится к случай­ ному ~попаданию~ отдельных молекул яда в какие-нибудь су­ щественные элементарные биологические структуры). В этих случаях, как и всюду, где элементарные биологические процес­ сы вызываются микрофизическими факторами малой плотнос­ ти, следует ожидать доминирующего значения принципиально квантовой статистичности. При этом совершенно безразлично, локализуется ли причина статистичности в самих биологичес­ ких элементарных частицах или во влияющих на них факторах, так как интересующее нас конечное явление является следстви­ ем взаимодействия тех и других.

В конце этой г лавы мы должны еще затронуть вопрос о зна­ чении принцила усилителя в биологии.

Процессы усиления в тривиальном смысле этого слова, если их определить очень общо (т.е. что они являются усилением первичных, частично микрофизических явлений до явно макрофизических, ясно отличимых следствий или конечных призна­ ков), встречаются в биологии очень часто. Это вполне понятно, если вспомнить, что особенно характерным для биологического материала является рост и связанный с ним онтогенез, а также размножение и связанный с ним филогенез.

Основное ядро проблемы об усилителе в области биологии со­ ставляет вопрос о том, в какой мере статистические исходные еди­ ничные явления усиливаются до макрофизических эффектов (ко­ торые, таким образом, являются также в основе своей статисти­ ческими) и в какой степени такие процессы играют роль в управ­ лении развитием онтогенеза и филогенеза. Несомненно, значи­ тельная часть тривиальных биологических явлений усиления может быть вполне удовлетворительно описана чисто классичес­ ки, так же как, например, усилитель высокой частоты в технике;

несомненно, и здесь встречаются колебания и отклонения от сред­ ней, ведущие к некоторой статистичности, но существенной роли они не играют. С другой стороны, поскольку мы должны считать­ ся с частичной статистичностью элементарных биологических яв­ лений, следует признать статистичность и ряда усиленных конеч­ ных макрофизических эффектов; если мы, например, будем облу­ чать у-лучами ряд макрофизически одинаковых индивидуумов, то невозможно предсказать, в каком из этих индивидуумов возник­ нет определенная мутация, которая в свою очередь может послу­ жить исходным микрофизическим явлением для целой цепи мак­ рофизических следствий - потомков; это будет в полном смысле слова случайным явлением.

Насколько велика роль таких первично-случайных и усилен­ ных, регулирующих биологических процессов в жизни организ­ мов, мы пока еще судить не можем, ибо наши знания об элемен­ тарных биологических явлениях, особенно в онтогенетическом плане, еще очень отрывочны и недостаточны. Поэтому мы счи­ таем дискуссии на эту тему в слишком общей форме пока мало­ плодотворными; с другой стороны, конкретизированные дис­ куссии, ведущие к поискам биологически элементарных струк­ тур и явлений и их точному физическому анализу, являются, несомненно, весьма полезными для дальнейшего развития ис­ следовательской работы.

РОЛЬ СТАТИСТИЧНОСТИ В МУТАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ5.И ФИЛОГЕНЕЗЕ

Теперь мы попытаемся рассмотреть подробнее роль статистичнос­ ти в биологическом процессе на определенном конкретном приме­ ре, для которого уже сейчас имеются данные. Мы уже ранее упо­ минали, что в биологии до сих пор только в очень немногих случа­ ях анализ продвину лея до действительно элементарных структур и явлений. Одним из этих немногих случаев является мутационный процесс (появление мутаций генов, локализованных в хромо­ сомах клеточных ядер); поэтому сейчас мы рассмотрим, в какой мере и в каких формах статистичность играет роль в мутационном процессе, а в связи с этим - и в филогенезе.

Вполне ясно положение в области радиационной генетики, т.е. в тех опытах, в которых мутации вызываются излучениями малой плотности [11-13]. Здесь речь идет о взаимодействии между излучениями малой плотности и определенными элемен­ тарными биологическими единицами (генами), причем дейст­ вующий извне фактор (излучение) и реагирующие единицы (гены) являются элементарными образованиями в смысле мик­ рофизики. В связи с приведеиными в предыдущей главе сообра­ жениями, здесь определенно должна иметь место принципиаль­ но квантовая статистичность отдельных мутационных актов, так как мы здесь всегда имеем дело со взаимодействием сравнитель­ но немногих элементарных единиц, а не тел с достаточной в макрофизическом смысле массой. Мы, следовательно, не мо­ жем точно и однозначно предсказать, произойдет ли вообще и, если да, какая именно, мутация в совершенно определенном ин­ дивидуальном гене после соответствующего облучения.

Такие процессы, как вызывание мутаций рентгеновскими или подобными лучами, происходят, однако, в природе сравни­ тельно редко. Мы поэтому рассмотрим вопрос о так называе­ мых спонтанных мутациях, возникающих у живых организмов без нашего экспериментального вмешательства. Соответствую­ щие опыты и расчеты показали [12-16], что явление спонтан­ ных мутаций не связано с космическими лучами или какими­ либо другими сходными факторами, которые можно было бы назвать дискретными процессами в смысле квантовой физики;

расчеты показали, что не более одной тысячной всех мутаций {спонтанных) может быть обусловлено воздействием 4природ­ ных ионизирующих излучений~. С другой стороны, процент спонтанных мутаций пропорционален времени и зависит от тем­ пературы, следуя правилу Аррениуса- Вант-Гоффа. Мы имеем здесь, таким образом, дело с мутациями, вызываемыми терми­ ческими флюктуациями. И в этом случае, несомненно, статис­ тичность играет известную роль. Но эта статистичность не обя­ зательно должна быть принципиально квантовой, ибо, как было показано в предыдущей главе, в данном случае она должна быть замаскирована классически термодинамической (так как в случае спонтанных мутаций энергия активации, по-видимому, сравнительно высока по отношению к температуре). С другой стороны, у нас нет никаких данных предполагать, что кванто­ вые вероятности перехода из одного состояния в другое, с кото­ рыми связаны изменения, ведущие к определенной мутации, в данном случае особенно малы. В таком случае частота возник­ новения спонтанных мутаций в значительной степени должна зависеть от статистически термодинамической частоты появле­ ния энергии активации, и, следовательно, классически термоди­ намическая статистичность должна здесь играть соответственно большую роль. Но наряду с частотой реакций большое значение имеет и качество реакции (т.е. в данном случае характер возни­ кающих мутаций). Это же в свою очередь зависит от того, како­ ва величина энергии акт1,1ваций различных конкурирующих процессов и их поперечное сечение ударов, т.е. от типично квантовых величин. В этом смысле и спонтанный мутационный процесс подлежит воздействию принципиально квантовой ста­ тистичности. Это может быть кратко выражено так. В спонтан­ ном мутационном процессе самый факт мутирования определя­ ется преимущественно классически термодинамическими, а то, что при этом получается, - квантовыми факторами. В спонтан­ ном мутационном процессе, таким образом, известную роль должна играть как классически термодинамическая, так и кван­ товая статистичность. И в некоторых других биологических процессах, по-видимому, придется встретиться с подобными смешанными случаями, в которых термические флюктуации (в смысле случайного достижения оптимального состояния) и квантовый механизм реакции действуют совместно как факто­ ры, вызывающие интересующие нас реакции.

Спонтанные мутации образуют, как известно, элементарный материал для эволюционного процесса, служа, так сказать, кир­ пичами (элементарными единицами наследственной изменчи­ вости) для процессов видовой дифференциации и явлений адап­ тации [12, 13, 17 -19]. Мы выше установили, что мутационный процесс является в основе своей случайным. Можно сказать, что в связи с этим и элементарный материал эволюционного процесса является в основе своей случайным. Интересно, что мы, таким образом, совершенно иными и новыми путями воз­ вращаемся к классическому утверждению Дарвина о случайнос­ тииненаправленности вариаций, служащих материалом для ес­ тественного отбора и связанного с ним эволюционного процесса.

При ближайшем специальном рассмотрении будет также, несо­ мненно, установлено, что и в протекании самого эволюционного процесса, связанного с действием ряда элементарных эволюци­ онных факторов (волны жизни и связанные с ними генетико­ автоматические процессы, изоляция, естественный отбор), био­ логическая статистичность начальных данных играет значитель­ ную роль в связи с недостаточным для осуществления статисти­ ческих закономерностей числом идентичных объектов [ 12, 18, но здесь мы не будем подробнее касаться этих вопро­ 20 - 23];

сов, так как рассмотрению их посвящена отдельная статья.

В заключение этой г лавы мы теперь вкратце рассмотрим не­ которые общие положения, связанные с отношением квантовых закономерностей физики к некоторым вопросам биологии.

Ген может, как известно, в результате какого-либо энергети­ ческого воздействия мутировать, т.е. изменять свою структуру. С физической точки зрения такая мутация заключается, на основа­ нии наших современных данных, по-видимому, в переходе одной определенной стабильной молекулярной структуры в другую.

Биологически при этом один или несколько определенных при­ знаков организма заменяются другими. Число аллелей определен­ ного гена (т.е. различных, возникших в результате мутаций форм одного и того же гена) может, как известно, быть сравнительно очень велико; но число это в каждом отдельном случае вполне оп­ ределенно. Наследственная изменчиiюсть, несомненно, дискретна (прерывиста) и не образует континуума (непрерывного ряда); на­ блюдается только конечное, ограниченное число наследственных вариаций. Это обстоятельство указывает на то, что в основе раз­ личных аллелей лежат различные состояния образующих их ги­ гантских молекул. Это положение подкрепляется также тем, что процент спонтанных мутаций следует правилу Аррениуса- Вант­ Гоффа и что самый процесс мутации, следовательно, является переходом от одного определенного квантового состояния к дру­ гому. Конечному и дискретному числу состояний молекул долж­ но, таким образом, соответствовать такое же число определенных аллелей; так как число возможных структурных изменений опре­ деленной молекулы конечно и ограничено, то таковым должно быть и число аллелей. Практически число аллелей даже сравни­ тельно очень невелико, что, по-видимому, связано как со свойст­ вами образующих их молекул (приобретенными в результате дли­ тельного естественного отбора), так и с ограничением вариацион­ ных возможностей, летальным эффектом и потерей способности к конвариантной редупликации. Наблюдаемая часто непрерывная изменчивость признаков должна поэтому быть связана с модифи­ цирующим влиянием среды; таким образом, и с физической точки зрения становится понятным различие между мутационной и мо­ дификационной изменчивостью.

Только что сказанное приводит к заключению, что, несмотря на ранее нами подчеркнутую историчность и индивидуальность биологических объектов (связанную со сравнительно незначи­ тельным числом индивидуумов по сравнению с числом возмож­ ных комбинаций элементарных единиц), они в то же время в большей степени, чем это можно было бы ожидать на первый взгляд, оказываются сравнимыми с объектами физики. Может быть, с этим обстоятельством связана вообще возможность ко­ личественного биофизического изучения биологических явле­ ний. И в этом можно также усмотреть некоторую параллель с квантовыми состояниями атома и тем самым с основами всей химии. Наличие дискретных групп среди живых организмов во всяком случае является своеобразным, грубым и в то же время ярким отражением квантовой природы структуры вещества.

б. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В заключение мы можем высказать несколько общих замечаний по поводу изложенного выше.

Мы видели, что, несомненно, в ряде элементарных биологи­ ческих явлений статистичность должна играть большую роль.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

Похожие работы:

«РОССЕЛЬХОЗНАДЗОР ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ЭПИЗООТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ В СТРАНАХ МИРА №136 03.07.15 Официальная информация: МЭБ Ботсвана: ящур Намибия: ящур Страны мира Фермеры Польши требуют введения чрезвычайног...»

«Утвержден решением Совета директоров ОАО "Колымаэнерго" Протокол № 8 от 03.08.2012 года КОДЕКС КОРПОРАТИВНОЙ ЭТИКИ ОАО "КОЛЫМАЭНЕРГО" 2012 год Термины и определения В Кодексе корпоративной этики ОАО "Колымаэнер...»

«1.2016 СОДЕРЖАНИЕ CONTENTS АГРОЭКОЛОГИЯ AGROECOLOGY Санжарова Н. И., Молин А. А., Козьмин Г. В., Ко Sanzharova N. I., Moline A. A., Koz’min G. V., Ko бялко В. О. Радиационные агробиотехнологии: byalko V. O. Radiation agricultural biotechnologies: приоритетные направления разви...»

«АДМИНИСТРАЦИЯ АКСАЙСКОГО РАЙОНА ПОСТАНОВЛЕНИЕ № 12. 10. 2016 459 г. Аксай Об утверждении административного регламента по предоставлению муниципальной услуги "Устранение технических ошибок в правоустанавливающих документах о предоставлении земельного участка, принятых органами местного самоуправления" В соотв...»

«Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта, № 9 (91) – 2012 год учебное пособие / Д.Н. Давиденко, А.И. Зорин, В.Е. Борилкевич ; отв. ред. Д.Н. Давиденко ; С.-Петерб. гос. ун-т. – СПб. : Изд-во СПб ГУ, 2001. – 208 с.3. Данилин, Д.А. Из...»

«1 Уважаемый Сергей Ефимович, Уважаемые коллеги. Особое внимание Службой уделяется работе по обеспечению природоохранного законодательства в районе строительства олимпийских объектов г. Сочи. Результаты нашей текущей деятельности взаимоувязаны с основными экологическими обязательствами в рамках заявочной книги "СочиВ связи с...»

«Федеральная целевая программа Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы· экология Под редакцией докт. техн. наук, проф. Г В. Тягунова, докт. техн. наук, проф. Ю. Г Ярошенко Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве у...»

«ISSN 2224-5308 АЗАСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ЛТТЫ ЫЛЫМ АКАДЕМИЯСЫНЫ ХАБАРЛАРЫ ИЗВЕСТИЯ NEWS НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN БИОЛОГИЯ ЖНЕ МЕДИЦИНА СЕРИЯСЫ СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ SERIES OF BIOLOGICAL...»

«Устав зеленых Европы Руководящие принципы Партии зеленых Европы Принят на 2-ом съезде ПЗЕ Женева, 13-14 октября 2006 года Коротко о нас Зеленые Европы с гордостью заявляют, что они сторонники устойчивого развития человечества на Земле, развития, которое основывается на принципах уважения прав человека, экологической ответственности, свободы, с...»

«Динозавры: назад в прошлое, предсказывая будущее. Тема урока: Назад в прошлое, предсказывая будущее"Цели урока: Образовательные формировать представления детей о далеком прошлом Земли;пополнить знания учащихся об эпохе динозавров;уметь сравнивать две эпохи;познакомить с видами...»

«Приказ Минздрава России от 15.11.2012 N 927н Об утверждении Порядка оказания медицинской помощи пострадавшим с сочетанными, множественными и изолированными травмами, сопровождающимися шоком (Зарегистрировано...»

«RU 2 378 624 C2 (19) (11) (13) РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (51) МПК G01F 23/296 (2006.01) ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ (21), (22) Заявка: 2008111535/28, 27.03.2008 (72) Автор(ы): Казинцев Владимир Александрович (RU),...»

«Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. Самарская Лука. 2009. – Т. 18, № 1. – С. 119-126. УДК 591.5:598.113.6 ЖИВОРОДЯЩАЯ ЯЩЕРИЦА, LACERTA VIVIPARA, КАК ИНТЕГРАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ БИОЛОГИЧ...»

«Приложение к основной образовательной программе основного общего образования муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения "Средняя общеобразовательная школа №5", принятой на заседании педа...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКИА НАУЧНЫА ЦЕНТР ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЕДЕНИЯ ЖИВОТНЫХ СВЕР ДЛОВСК 1980 УДК 591.5 Экологические асnекты nоведения животных: [Сб. статей]. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1980. Статьи сборника выполнены на основе из...»

«ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2015 №1(14), С. 86–92 КУЛЬТУРА БЕЗОПАСНОСТИ И СОЦИАЛЬНО-ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ТЕРРИТОРИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ УДК 341.1/8 РОЛЬ И ПРАВОВОЕ ПОЛОЖЕНИЕ МЕЖДУНАРОДНОГО ЯДЕРНОГО ПРАВА В СИСТЕМЕ ОТРАСЛЕЙ...»

«Пояснительная записка Данная рабочая программа разработана в соответствии с законом "Об образовании в Российской Федерации" от 29.12.12г. №273-ФЗ; федеральным базисным учебным планом и примерными учебными планами для общеобразовательных учреждени...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "Кемеровский государственный университет" Институт биологии, экологии и природных ресурсов Рабочая программа дисциплины БОЛЬШОЙ...»

«МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ "УРАЛЬСКАЯ ГОРНАЯ ШКОЛА – РЕГИОНАМ" 8-9 апреля 2013 года ГЕОЛОГИЯ, ГЕОФИЗИКА И ГЕ ОЭКОЛОГИЯ УДК 553. 411 ' 44 (598) СТРУКТУРНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОЛОВОРУДНОГО РАЙОНА НАМПАТЕН (НДР ЛАОС) Суваннудом Б.1, Слободчиков Е. А.2 Народно-демократическая респу...»

«Ворошилова Татьяна Михайловна КЛИНИКО-ЛАБОРАТОРНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БИСФОСФОНАТОВ И АНТИСЕПТИКА НА РЕЗИСТЕНТНОСТЬ ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ К КАРБАПЕНЕМАМ 14.03.10 – клиническая лабораторная диагностика 03.02.03 – микробиология Автореферат диссертации на соискание у...»

«Программа дисциплины "Фонд космических снимков" Авторы: в.н.с. В.И. Кравцова, н.с. А.И. Михеева Цели освоения дисциплины: познакомить с накопленным к настоящему времени фондом космических снимков, историей его формирования, дать фунда...»

«ПОЧИНКОВСКИЙ МУНИЦИПАЛЬНЫЙ РАЙОН МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ РИЗОВАТОВСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА ПРИНЯТО УТВЕРЖДЕНО на заседании педагогического совета приказом директора Протокол от 29.08.2016 № 8 от 29.08.2016 № 168 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО ПРЕДМЕТУ БИОЛОГИЯ ДЛЯ 9 КЛАССА Составитель...»

«Сведения об участнике конкурса на замещение должности научно-педагогического работника ФИО (полностью) _Григорьева Виктория Васильевна 1. Замещаемая должность, доля ставки _ старший преподаватель (1,0 ставка) 2. Кафедра (подразделение) _ Кафедра экологической бе...»

«Якимова Татьяна Николаевна Эпидемиологический надзор за дифтерией в России в период регистрации единичных случаев заболевания 14.02.02 эпидемиология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Москва 2015 Работа выполнена в Федеральном бюджетном учреждении науки "Московский научно исследователь...»























 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.