§ 43. Причины возникновения мутаций. Искусственный мутагенез

Определения и обозначения

Мутагенез — процесс возникновения мутаций, то есть изменений генетического материала. Он охватывает изменения ДНК и, в некоторых случаях, структуры или числа хромосом. Этот термин нужен, чтобы говорить не об отдельной мутации, а о причинах и ходе появления изменений.

Мутаген — фактор, повышающий частоту мутаций по сравнению с обычным уровнем. Им может быть воздействие физической, химической или биологической природы. Понятие помогает выделить факторы, которые способны влиять на сохранность или копирование генетического материала.

Спонтанный мутагенез — возникновение мутаций без целенаправленного воздействия мутагена. Его причиной могут стать внутренние процессы клетки, например ошибки копирования ДНК, или естественные внешние факторы. Это понятие показывает, что для появления мутации не всегда нужен специально проведённый опыт.

Искусственный мутагенез — получение мутаций с помощью специально применяемых мутагенных воздействий. Исследователь или селекционер увеличивает вероятность изменений, но не выбирает заранее их точный вариант. Термин нужен, чтобы отличать намеренно вызванное повышение частоты мутаций от естественного процесса.

Как это устроено

При делении клетки ДНК копируется, чтобы дочерние клетки получили генетическую информацию. Копирующие молекулярные системы обычно работают точно, но иногда в последовательность ДНК попадает ошибка. Ошибка может сохраниться, если система восстановления ДНК её не исправит; тогда она станет изменением генетического материала. Кроме того, молекулы ДНК способны самопроизвольно претерпевать химические изменения, поэтому мутации возникают и без намеренного воздействия извне.

Внешние факторы могут повредить ДНК или помешать её правильному копированию. Физические мутагены, например ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, способны изменять молекулы ДНК или вызывать разрывы. Химические мутагены взаимодействуют с компонентами генетического материала либо влияют на процесс его копирования. Некоторые биологические агенты, например вирусы, могут встраивать свой генетический материал в ДНК клетки или нарушать её работу; однако не всякий вирус автоматически является мутагеном.

Мутагены увеличивают вероятность возникновения изменений, но не сообщают клетке, какой признак нужен организму. Повреждение может быть восстановлено, а если изменение закрепилось, оно может затронуть разные участки генетического материала. Поэтому у обработанных организмов появляются неодинаковые варианты признаков, а часть изменений вообще не заметна по внешнему виду. Последствия мутаций могут быть нейтральными, вредными или полезными в определённых условиях, но мутация не возникает «по запросу» среды.

При спонтанном мутагенезе изменения возникают из-за обычных процессов в клетке и естественных воздействий среды. При искусственном мутагенезе человек специально применяет фактор, чтобы повысить частоту появления мутаций. Различается прежде всего причина повышения частоты, а не особый тип получившихся изменений: мутации в обоих случаях возникают случайно. Поэтому искусственное воздействие позволяет получить больше вариантов для изучения, но не гарантирует появления конкретного свойства.

В исследованиях искусственный мутагенез помогает выяснять, как изменения генов влияют на признаки и работу клеток. В селекции его используют, чтобы расширить наследственное разнообразие и найти организмы с нужными свойствами. После воздействия проверяют, какие изменения возникли, проявляется ли признак и передаётся ли он потомству. Без такой проверки нельзя считать появившийся вариант полезным или устойчивым: изменение может оказаться вредным, нестабильным либо не наследоваться.

Причины и особенности мутагенеза

Сначала определите, было ли мутагенное воздействие специально организовано: это позволяет различить два вида мутагенеза. Затем сравните роль фактора и помните, что в обоих случаях конкретное изменение заранее не гарантировано. Последняя строка показывает, где используют каждый процесс.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Укажите, к какому виду мутагенеза отнести мутацию, возникшую из-за ошибки копирования ДНК при делении клетки. Дополнительное условие о намеренном воздействии мутагена не указано. Нужно классифицировать мутацию по причине её появления.

1. Определяем названную причину: ошибка возникла во время клеточного копирования.
2. Проверяем, было ли целенаправленное воздействие внешнего мутагена. В условии его нет.
3. Относим изменение к спонтанному мутагенезу, поскольку оно возникло в ходе обычного процесса клетки.

Ответ. Это спонтанный мутагенез. Ошибки копирования ДНК могут возникать и без специально применённого мутагенного фактора.

Задача 2

Условие. Разделите перечисленные воздействия на физические, химические и биологические мутагены и объясните, почему каждое может повышать частоту мутаций. Рассмотрим ультрафиолетовое излучение, вещество, взаимодействующее с ДНК, и вирус, способный встраивать свой генетический материал в ДНК клетки. Важно назвать природу фактора и связать её с возможным изменением наследственного материала.

1. Ультрафиолетовое излучение относится к физическим факторам. Оно способно повреждать ДНК, из-за чего при копировании может закрепиться ошибка.
2. Вещество, взаимодействующее с ДНК, — химический фактор. Оно может изменить молекулу ДНК или помешать точному копированию её последовательности.
3. Вирус, способный встраивать генетический материал в ДНК клетки, — биологический фактор. Встраивание может изменить работу участка генетического материала или нарушить его структуру.

Ответ. Излучение — физический мутаген, вещество — химический, вирус — биологический. В каждом случае фактор способен повредить ДНК или изменить процесс её копирования, поэтому вероятность мутаций возрастает.

Задача 3

Условие. Семена обработали мутагеном, но у проростков проявились разные признаки. Требуется объяснить, почему результаты различаются, и предложить действия для отбора полезного варианта. Одного наличия необычного признака недостаточно, чтобы признать его ценным. Нужно учесть, что именно мутаген меняет вероятность появления изменений.

1. Обработка повышает частоту мутаций, но не задаёт точный участок ДНК или конкретный признак.
2. Разные изменения генетического материала могут по-разному влиять на признаки, поэтому проростки не обязаны быть одинаковыми.
3. Следует сравнить растения с целью селекции, проверить их состояние и устойчивость нужного признака.
4. Перспективные растения проверяют в потомстве, чтобы выяснить, наследуется ли признак, и затем отбирают подходящие варианты.

Ответ. Различия объясняются случайным характером мутаций. Для отбора полезного варианта нужно проверить проявление и наследование признака, оценить организм и оставить подходящие растения для дальнейшей селекции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что мутаген вызывает только один заранее заданный вариант. Такое представление возникает, если смешать повышение вероятности мутации с выбором её результата. Проверка: спросите себя, сообщает ли фактор клетке, какой признак нужен; мутаген этого не делает.

Ошибка: отождествлять мутацию с искусственным воздействием. Её допускают, когда чаще вспоминают лабораторные опыты и забывают об ошибках клеточных процессов. Проверка: приведите пример мутации, возникшей при копировании ДНК без намеренной обработки, — это спонтанный мутагенез.

Ошибка: считать любую мутацию полезной. Иногда изменения рассматривают только как источник нужных селекционеру признаков, хотя последствия бывают разными. Проверка: спросите, помогает ли изменение организму именно в данных условиях; оно может быть нейтральным или вредным.

Ошибка: объявлять мутагеном любой внешний фактор. Причина ошибки — путаница между воздействием на организм и воздействием, повышающим частоту наследственных изменений. Проверка: выясните, способен ли фактор повредить генетический материал или нарушить его копирование и увеличить число мутаций.

Связь с другими темами

Для понимания мутагенеза нужно знать, как устроены ДНК и гены, а также как генетический материал копируется и передаётся при делении клетки. Тема связана с генными и хромосомными мутациями, восстановлением повреждений ДНК и наследственной изменчивостью. Эти знания помогают объяснить, какие изменения могут возникнуть и сохраниться. Понимание искусственного мутагенеза пригодится при изучении селекции и способов получения наследственно изменённых организмов.

Что запомнить

• Мутации могут возникать спонтанно или под действием мутагенов.
• Мутаген повышает вероятность мутаций, но не задаёт их точный результат.
• Мутагены бывают физическими, химическими и биологическими.
• Искусственный мутагенез основан на целенаправленном применении мутагенных воздействий.
• Возникающие мутации случайны по отношению к потребностям организма.
• Результаты искусственного мутагенеза необходимо проверять и отбирать.