Внезапное возникновение наследственных изменений отмечалось многими учёными 18 и 19 вв., было хорошо известно Ч. Дарвину, но углублённое изучение М. началось лишь с зарождением на пороге 20 в. экспериментальной генетики. Термин «М.» ввёл в генетику в 1901 Х. .
Типы мутаций.По характеру изменения генетического аппарата М. делят на геномные, хромосомные и генные, или точковые. Геномные М. заключаются в изменении числа хромосом в клетках организма. К ним относятся: - увеличение числа наборов хромосом, когда вместо обычных для диплоидных организмов 2 наборов хромосом их может быть 3, 4 и т. д.; - вместо 2 наборов хромосом имеется лишь один; - одна или несколько пар гомологических хромосом отсутствуют (нуллисомия) или представлены не парой, а лишь одной хромосомой (моносомия) либо, напротив, 3 или более гомологичными партнёрами (трисомия, тетрасомия и т. д.). К хромосомным М., или , относятся: инверсии - участок хромосомы перевёрнут на 180°, так что содержащиеся в нём гены расположены в обратном порядке по сравнению с нормальным; транслокации - обмен участками двух или более негомологичных хромосом; делеции - выпадение значительного участка хромосомы; нехватки (малые делеции) - выпадение небольшого участка хромосомы; дупликации - удвоение участка хромосомы; фрагментации - разрыв хромосомы на 2 части или более. Генные М. представляют собой стойкие изменения химического строения отдельных и, как правило, не отражаются на наблюдаемой в микроскоп морфологии хромосом. Известны также М. генов, локализованных не только в хромосомах, но и в некоторых самовоспроизводящихся органеллах цитоплазмы (например, в митохондриях, пластидах; см. ).
Изменения признаков организма, вызываемые мутациями.В результате М. могут изменяться самые различные биохимические, физиологические и морфологические признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших М., - мутантов - могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначительные отклонения от среднего для данного вида значения признака (см. илл. ). Полиплоидные мутанты обычно характеризуются увеличением размеров клеток и всего организма. Если у полиплоида число наборов хромосом чётное (сбалансированные полиплоиды), то плодовитость обычно сохраняется или понижена не сильно; полиплоиды же, у которых число наборов хромосом нечётное (несбалансированные полиплоиды), бесплодны или обладают низкой плодовитостью (при созревании половых клеток хромосомы распределяются в них беспорядочно, что приводит к образованию анеуплоидных гамет, большей частью неспособных к оплодотворению или дающих нежизнеспособные зиготы). Гаплоидные мутанты имеют мелкие клетки, размеры организма уменьшены по сравнению с диплоидной нормой, наблюдается полное или почти полное бесплодие, т. к. лишь немногие гаметы содержат полный набор хромосом. Анеуплоиды характеризуются весьма значительными изменениями различных признаков организма, нередко столь сильными, что вызывают его гибель или бесплодие. Обычно менее резкие изменения наблюдаются в случае делеций, нехваток и дупликаций, причём степень изменения признаков в общем пропорциональна длине выпавшего или удвоенного участка хромосомы (крупные делеции могут вызывать гибель организма). Инверсии и транслокации сами по себе не вызывают изменений признаков организма (если не сопровождаются эффектом положения гена, т. е. изменением его фенотипического проявления вследствие соседства с иными, чем прежде, генами), но приводят к существенным генетическим последствиям, т. к. у гетерозигот по инверсиям затруднён обмен участками между нормальной и несущей инверсию хромосомой (см. ), а гетерозиготы по транслокациям дают частично анеуплоидные, часто нежизнеспособные, половые клетки. Это же происходит в случае фрагментации в результате утери фрагмента хромосомы, оставшегося без центромеры.
Генные М., составляющие основную долю всех М., вызывают чрезвычайно разнообразные изменения признаков организма, причём изменение одного гена обычно приводит к изменению нескольких признаков (см. ). Генные М. могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными (см. , ). В результате М. ген может переходить в разные состояния (множественные одного и того же гена), по-разному влияющие на контролируемые данным геном признаки организма. Мутантные гены могут отличаться от соответствующих нормальных тем, что специфический для данного гена продукт (чаще всего фермент) не образуется вовсе; образуется в меньшем или превышающем норму количестве; образуется продукт, инактивирующий или тормозящий продукт немутантного гена; вместо нормального образуется иной, не взаимодействующий с ним продукт, отсутствующий у немутантных особей. Претерпевший М. ген обычно столь же стабилен, как немутантный, из которого он произошёл; вследствие новой М. он может вернуться к исходному состоянию (обратные М.). Генные М., как правило, вредны для организма, они нарушают жизненные процессы, протекающие в организме, снижают его жизнеспособность и плодовитость; нередко мутантный ген обусловливает гибель развивающегося организма (летальные М.). Реже возникают генные М., сравнительно мало влияющие на жизнеспособность и плодовитость организма, ещё реже - улучшающие те или иные его свойства. Эта последняя категория генных М., несмотря на свою относительную редкость, имеет огромное значение, т. к. даёт основной материал как для , так и для , являясь необходимым условием эволюции и селекции.
Причины мутаций и их искусственное вызывание.Полиплоидия чаще возникает, когда хромосомы в начале клеточного деления - - разделились, но деления клетки почему-либо не произошло. Искусственно полиплоидию удаётся вызвать, воздействуя на вступившую в митоз клетку веществами, нарушающими цитотомию. Реже полиплоидия бывает следствием слияния 2 соматических клеток или участия в оплодотворении яйцеклетки 2 спермиев. Гаплоидия - большей частью следствие развития зародыша без оплодотворения (см. ). Искусственно её вызывают, опыляя растения убитой пыльцой или пыльцой др. вида (отдалённого). Основная причина анеуплоидии - случайное нерасхождение пары гомологичных хромосом при , в результате чего обе хромосомы этой пары попадают в одну половую клетку или в неё не попадает ни одна из них. Реже возникают анеуплоиды из немногих оказавшихся жизнеспособными половых клеток, образуемых несбалансированными полиплоидами.
Причины хромосомных перестроек и наиболее важной категории М. - генных - долгое время оставались неизвестными. Это давало повод для ошибочных автогенетических концепций (см. ), согласно которым спонтанные генные М. возникают в природе якобы без участия воздействий окружающей среды. Лишь после разработки методов количественного учёта генных М. выяснилась возможность вызывать их различными физическими и химическими факторами - . Первые данные о влиянии излучений радия на наследственную изменчивость у низших грибов были получены в СССР (Г. А. и Г. С. Филиппов, 1925). Убедительные доказательства возможности искусственно вызывать М. были приведены в 1927 Г. , обнаружившим в опытах на дрозофиле сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем работами по на различные организмы была установлена универсальная способность всех ионизирующих излучений вызывать не только генные М., но и хромосомные перестройки. Мутагенное действие некоторых химических веществ было впервые обнаружено в СССР М. Н. Мейселем (1928), В. В. (1933) и М. Е. (1934); первый сильный химический мутаген (чужеродная ДНК) был открыт в 1939 С. М. Гершензоном с сотрудниками; в 1946 сильное мутагенное действие формалина и этиленимина было установлено советским генетиком И. А. Рапопортом, иприта - английскими генетиками Ш. Ауэрбах и Д. Робсоном. Позже были открыты сотни других химических мутагенов. Сильные физические и химические мутагены увеличивают частоту возникновения генных М. и хромосомных перестроек во много десятков раз, а наиболее мощные химические мутагены (так называемые супермутагены, многие из которых открыты и изучены советским генетиком И. А. Рапопортом с сотрудниками) - даже в сотни раз по сравнению с частотой возникающих естественно спонтанных М. В опытах на культурах клеток и на лабораторных животных обнаружено мутагенное действие многих вирусов. Мутагеном у вирусов, по-видимому, служит их нуклеиновая кислота. Т. о., вирусы - не только возбудители многих болезней животных и человека, растений и микроорганизмов, но и один из источников их наследственной изменчивости. Все мутагены вызывают генные М., прямо или косвенно изменяя молекулярную структуру , в которой закодирована генетическая информация.
Экспериментальные исследования спонтанных и индуцированных М. (наиболее изучены М. у кукурузы, дрозофилы, а также ряда микроорганизмов) вскрыли ряд важных особенностей мутирования генов. Частота возникновения спонтанных М. неодинакова для разных генов и различных организмов, составляя для отдельного гена от 1:10 5до 1:10 7в поколение; немногие, так называемые мутабильные, гены характеризуются значительно более высокой частотой мутирования. Частота прямых и обратных М. одного и того же гена нередко различна. Мутагены повышают частоту М. примерно одинаково для всех генов, так что соотношение более часто и сравнительно редко мутирующих генов («спектр» М.) остаётся приблизительно одинаковым как при спонтанном, так и при индуцированном мутационным процессе (в случае химических мутагенов могут наблюдаться небольшие различия в спектрах вызываемых ими М.). Лишь у микроорганизмов некоторые химические мутагены сильнее повышают частоту мутирования определённых генов, чем остальных («горячие точки» хромосом). Сходное явление обнаружено при мутагенном действии нуклеиновых кислот и вирусов на многоклеточные организмы. Соотношение общего числа генных М. и хромосомных перестроек различно при действии физических и химических мутагенов - для вторых характерна бо'льшая доля генных М., чем для первых; те или иные различия имеются и в действии разных химических мутагенов.
Далеко не все изменения, вызываемые мутагенами в ДНК клетки, реализуются в М. Во многих случаях поврежденный участок ДНК удаляется в процессе или «вырезается» имеющимися в клетке так называемыми репарирующими ферментами, восстанавливающими структуру ДНК, и при дальнейшей ДНК замещается соответствующим нормальным участком (см. ). Частота любых М. зависит от многих внешних и внутренних факторов - температуры, парциального давления кислорода, возраста организма, фазы развития и физиологического состояния клетки и др. Большое значение имеют особенности генотипа: даже в пределах одного вида генетически разнящиеся линии могут обладать различной мутабильностью. У ряда организмов описаны так называемые гены-мутаторы, резко повышающие частоту М. Благодаря зависимости мутабильности от генетических факторов, её удаётся повышать или понижать искусственным отбором. Неодинаковая мутабильность разных видов - следствие аналогичного действия естественного отбора в ходе их эволюции.
Значение мутаций для эволюции, селекции и медицины.Основы понимания роли М. в эволюции были заложены в 20-х гг. 20 в. работами советского генетика С. С. , английских учёных Дж. Холдейна и Р. Фишера и американского учёного С. Райта, положивших начало развитию эволюционной генетики. Было показано, что все наследственные изменения, служащие материалом для эволюции, обязаны М. (комбинативная изменчивость, возникающая путём образования новых сочетаний генов при скрещивании, в конечном счёте, тоже есть следствие М., обусловливающих генетические различия скрещивающихся особей). В отличие от , М. не являются однозначной реакцией на вызывающее их воздействие: один и тот же мутагенный фактор приводит к возникновению разнообразных М., затрагивающих те или иные признаки организма и изменяющих их в разных направлениях. Поэтому сами по себе М. не имеют адаптивного характера. Однако постоянно возникающие у любого вида живых существ М., многие из которых к тому же длительно сохраняются в популяции в скрытом виде (рецессивные М.), служат резервом наследственной изменчивости, который позволяет естественному отбору перестраивать наследственные признаки вида, приспосабливая его к меняющимся условиям среды (изменению климата или биоценоза, переселению в новый ареал и т. п.). Т. о., адаптивность эволюционных изменений - следствие сохранения естественным отбором носителей тех М. и их сочетаний, которые оказываются полезными в данной обстановке. При этом М., бывшие в одних условиях вредными или нейтральными, могут оказаться полезными в изменившихся условиях. Наибольшее значение для эволюции имеют генные М. Несмотря на относительную редкость М. каждого гена, общая частота спонтанных генных М. весьма значительна, т. к. генотип многоклеточных организмов состоит из десятков тысяч генов. В результате ту или иную генную М. несёт большая доля образуемых организмом гамет или спор (у высших растений и животных эта доля достигает 5-30%), что создаёт предпосылки для эффективного действия естественного отбора. Хромосомные перестройки, затрудняющие рекомбинацию, - инверсии и транслокации - способствуют репродуктивной отдельных групп организмов и их последующей дивергенции (см. ); дупликации ведут к увеличению числа генов в генотипе и возрастанию их разнообразия вследствие происходящей затем дифференциации генов в дуплицированных участках хромосом. Полиплоидия играет большую роль в эволюции растений; при этом, помимо репродуктивной изоляции, она в ряде случаев восстанавливает плодовитость бесплодных межвидовых гибридов.
С разработкой способов искусственного мутагенеза открылась возможность значительного ускорения селекции - селекционерам стал доступен гораздо больший исходный материал, чем при использовании редких спонтанных мутаций. В 1930 советские учёные А. А. Сапегин и Л. Н. Делоне впервые применили ионизирующую радиацию в селекции пшеницы. В дальнейшем методами радиационной селекции были выведены новые высокоурожайные сорта пшеницы, ячменя, риса, люпина и др. с.-х. растений, ценные штаммы микроорганизмов, используемых в промышленности. В селекции с хорошими результатами применяются и химические мутагены.
Геномные М., хромосомные перестройки и генные М. - причина многих и врождённых уродств у человека. Поэтому ограждение человека от действия мутагенов - важнейшая задача. Огромное значение в этом отношении имело осуществлённое по инициативе СССР запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере, загрязняющих окружающую среду радиоактивными веществами. Очень важно тщательное соблюдение мер защиты человека от радиации в атомной индустрии, при использовании радиоактивных изотопов, рентгеновских лучей и т. п. Необходимо изучение возможного мутагенного действия различных новых лекарственных средств, пестицидов, химических препаратов, применяемых в промышленности, и запрещение производства тех из них, которые окажутся мутагенными. Профилактика вирусных инфекций имеет значение и для защиты потомства от мутагенного действия вирусов. См. также , , , , .
Лит.:Супермутагены. Сб. ст., М., 1966; Лобашев М. Е., Генетика, 2 изд., Л., 1967, гл. 11, 14; Гершкович И., Генетика, пер. с англ., М., 1968, гл. 11-14, 30, 31; Сойфер В. Н., Молекулярные механизмы мутагенеза, М., 1969; Дубинин Н. П., Общая генетика, М., 1970, гл. 17, 20; Ратнер В. А., Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов, Новосиб., 1972, гл. 3; Serra J. A., Modern genetics, v. 3, L.-N. Y., 1968, ch. 20-22; Auerbach C., Kilbey B. J., Mutation in Eukaryotes, «Annual Review of Genetics», 1971, v. 5, p. 163; Banks G. R., Mutagenesis: a review of some molecular aspects, «Science Progress», 1971, v. 59, № 236.
С. М. Гершензон.
Мутантные формы ячменя: поздняя полегающая (слева) и ранняя неполегающая (справа).
Соматические мутации, вызванные у растений ионизирующей радиацией (рентгеновские или гамма-лучи): появление белой окраски в красных цветках табака (1) и двух сортов львиного зева (2 и 3); на рис. 3 (слева) - нормальный цветок, справа - мутировавший после облучения.
Мутации окраски и формы глаз у плодовой мушки - дрозофилы: 1 - дикий тип - тускло-красные глаза; мутантные формы: 2 - розовые глаза, 3 - белые глаза, 4 - уменьшенные, «плосковидные».
Мутации окраски шерсти у домовой мыши: 1 - дикий тип - серая окраска; мутантные формы: 2 - белая, 3 - желтая, 4 - чёрная, 5 - коричневая, 6 - мелкокрапчатая.
Мутации окраски у канареек: 2 - дикий тип - зелёная; мутантные формы: 1 - жёлтая, 3 - пятнистая.
Мутации Ваагена
Мута'ции Ва'агена,разновидности одного и того же вида животных, сменяющие друг друга во времени. Термин введён в палеонтологию немецким учёным В. Ваагеном (W. Waagen; 1869) для обозначения форм одного и того же вида аммонитов, последовательно сменяющих друг друга в слоях разного возраста (в качестве примера им взята Oppelia subradiata из юрских отложений Германии). Смена этих форм, по Ваагену, определяется внутренними факторами развития вида; внешние условия могут только незначительно влиять на скорость этого процесса. Дальнейшее развитие учение о М. В. получило в работах австрийского учёного М. Неймайра (1875, 1880, 1889) по плиоценовым моллюскам Юго-Восточной Европы. Позже, для обозначения постепенного изменения какого-либо признака в популяциях или видах, сменяющих друг друга во времени, стали применять близкий по значению термин хроноклин (предложен американским учёным Дж. Симпсоном, 1943).
Мутационизм
Мутациони'зм,концепция в биологии, рассматривающая эволюцию как скачкообразный процесс, происходящий в результате крупных единичных наследственных изменений. Согласно М., подобные изменения, называются макромутациями, или сальтациями, возникая у особей исходного вида, сразу создают новые жизненные формы, которые при наличии благоприятных условий среды становятся родоначальниками новых видов. Рассматривая в качестве движущей силы эволюции внутренний по отношению к организму фактор - изменения наследственности, М. отрицает творческую роль , отводя ему значение фактора, ограничивающего разнообразие жизненных форм (посредством устранения вариантов организации, не соответствующих окружающей среде). В этом М. близок к , от которого отличается отрицанием непрерывности эволюции. М. не представляет собой единой теории - это течение эволюционизма поддерживали разные авторы и с различных позиций. Основателем М. является Х. , создавший эволюции. Подобные взгляды лежат в основе теории (французский биолог Л. Кено), сальтационной теории (немецкий биолог Р. ) и ряда менее известных концепций.
Лит.:Современные проблемы эволюционной теории, Л., 1967; Шмальгаузен И. И., Проблемы дарвинизма, 2 изд., Л., 1969; Goldschmidt R., The material basis of evolution, New Haven - L., [1944]; Cuenot L., L'йvolution biologique, P., 1951.
А. С. Северцов.
Мутационная теория
Мутацио'нная тео'рия,теория изменчивости и эволюции, созданная в начале 20 в. Х. . Согласно М. т., из двух категорий изменчивости - непрерывной и прерывистой (дискретной), только последняя наследственна; для её обозначения Де Фриз ввёл термин . По Де Фризу, мутации могут быть прогрессивными - появление новых наследственных свойств, что равнозначно возникновению новых элементарных видов, или регрессивными - утрата какого-либо из существующих свойств, что означает возникновение разновидностей. Новые элементарные виды, или жорданоны (см. ), возникают путём прогрессивных мутаций внезапно, без переходов и обычно сразу наследственно постоянны. Массовое появление мутаций приурочено к особым редким мутационным периодам, чередующимся в жизни каждого вида с длительными периодами покоя. Выводы Де Фриза опирались главным образом на наблюдения, сделанные им на растении энотера (Oenothera lamarkiana), и в своё время существенно ускорили анализ явлений изменчивости, однако развитие уже в первые два десятилетия 20 в. опровергло все основные положения М. т.
Сходную систему представлений об изменчивости и эволюции разработал С. И. (1899), описавший большое число доказанных случаев внезапного возникновения единичных (не связанных с предшествующими скрещиваниями или влиянием условий произрастания) дискретных наследственных изменений у растений. Такие изменения он назвал гетерогенными вариациями, построив теорию эволюции путём гетерогенеза. Гетерогенные вариации Коржинского по смыслу ближе к современному содержанию термина «мутации», чем мутации Де Фриза. Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Ч. Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях. Это противоречие было преодолено после создания современных представлений о наследственности и их синтеза с эволюционным учением, осуществленного С. С. (1926). См. также , .
Лит.:Коржинский С., Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов, СПБ, 1899 (Записки АН. Серия 8. Отдел физико-математич., т. 9, №2): Фриз Г. де, Избр. произв., пер. [с франц.], М., 1932; Четвериков С. С., О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики, «Бюлл. Московского общества испытателей природы. Отдел биологический», 1965, т. 70, в. 4; Шмальгаузен И. И., Проблемы дарвинизма, 2 изд., Л., 1969; Vries Н. de, Die Mutationstheorie. Versuche und Beobachtungen ьber die Entstehung von Arten im Pflanzenreich, Bd 1-2, Lpz., 1901-03.
Н. В. Тимофеев-Ресовский, В. И. Иванов.
Мутационный груз
Мутацио'нный груз,снижение средней приспособленности вследствие непрерывного возникновения вредных наследственных изменений (см. ). М. г. - часть общего генетического груза. Помимо М. г., на приспособленность популяций влияет иммиграция из соседних популяций особей с , менее приспособленными к новым условиям, чем коренные обитатели (иммиграционный груз), неодинаковая приспособленность гомо- и гетерозигот и др. факторы.
Лит.:Muller Н. J., Our load of mutations, «American Journal of Human Genetics», 1950, v. 2, p. 111.
Мутация (генетич.)
Мута'ция(генетическая), см. .
Мутация (музык.)
Мута'ция,1) перелом голоса в юношеском возрасте: см. . 2) В средневековой музыкальной теории переход из одного в другой; см. .
Мутизм
Мути'зм(от лат. mutus - немой), отказ от речевого общения при отсутствии органических поражений речевого аппарата. В основе М. лежит реакция организма на резкий психический раздражитель (испуг, обида, конфликт, непосильное требование). Наблюдается главным образом в детском возрасте и чаще возникает у застенчивых, робких, физически ослабленных детей. М. встречается также при и . Истерический М. бывает обычно полным, т. е. больной не произносит ни одного слова, не вступает в устный контакт, но не уклоняется от общения посредством письма; способность говорить исчезает внезапно, и так же неожиданно речь возвращается. У детей чаще встречается элективный (избирательный) М.: ребёнок не отвечает на вопросы в школе, а дома и на улице говорит нормально; иногда он не отвечает на вопросы одного педагога, но вступает в обычное речевое общение с др. учителями. М. носит временный характер и длительность его различна; иногда он может продолжаться годами и в таком случае вызывает задержку психического развития. Лечение: устранение факторов, травмирующих нервную систему, лечение основного заболевания, общеукрепляющие процедуры, психотерапия. Профилактика: укрепление нервной системы ребёнка, правильное воспитание (стимулирование самостоятельности, активности, общительности).
Особую форму М. представляет собой сурдомутизм (от лат. surdus - глухой) - функциональное нарушение слуха и речи. В отличие от , обусловленной стойким органическим нарушением слуха, сурдомутизм носит временный характер. Чаще наблюдается в военное время как одно из проявлений . Речь и слух при сурдомутизме обычно быстро восстанавливаются под влиянием растормаживающей терапии, а иногда - и без специального лечения. В отдельных случаях заболевание принимает затяжной характер и требует комплексного воздействия врачей (психоневрологов и оториноларингологов) и педагогов (логопедов, сурдопедагогов).
Л. В. Нейман.