Радиационная генетика

1. ПРЕДМЕТ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАДИАЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ.

Радиационная генетика — раздел генетики, посвященный изучению действия радиации на наследственные структуры.

Предметом изучения радиационной генетики является наследственность и изменчивость в результате действия радиации. Наследственность - это свойства организмов передавать свои признаки и особенности развития в ряду поколения, то есть наследственность обеспечивает материальную и функциональную преемственность между родителями и потомством. Изменчивость - это способность изменять наследственные зачатки или их проявления в ряду поколения. Причины и законы изменчивости также являются предметом изучения генетики.  

В результате воздействия ионизирующей радиации или ультрафиолетовых лучей в хромосомах возникают мутационные изменения, проявляющиеся в структурных перестройках хромосом и в точечных мутациях, изменяющих функциональные свойства генов. Частота мутаций зависит от дозы радиации, а также от условий облучения; например, присутствие в среде кислорода резко усиливает биологическую эффективность рентгеновских лучей. Радиационные мутации возникают в результате поражения хромосомной ДНК как непосредственно путем попадания в хромосомы квантов энергии, так и через образование различных активных продуктов в клетке. 
Мутации  возникающие в соматических клетках, могут вызывать изменения в облученном организме— приводить к лейкозам, злокачественным опухолям, ускорять процесс старения, а также вызывать временную или постоянную стерильность. Мутации в половых клетках могут проявляться в виде наследственных аномалий в последующих поколениях организмов. 

Задачей радиационной генетики является защита наследственных свойств человека, а также животных и растений от повреждающего действия излучений. В настоящее время существует целый ряд химических соединений, которые могут в значительной степени ослабить мутагенный эффект радиации при введении до или после облучения. 
В последние годы установлено, что в клетках животных и человека существуют специальные ферментные системы, которые могут устранить некоторую часть повреждений наследственных структур, вызываемых ионизирующей радиацией и ультрафиолетовыми лучами. Однако, эта проблема все еще остается неразрешенной. Радиационно-генетические исследования позволили реально оценить опасность для человечества увеличения фона излучения, связанного с испытанием ядерного оружия и тем более его возможным применением в военных целях. Повышение естественного фона излучения увеличивает объем мутаций, что ведет к увеличению числа людей, страдающих наследственными болезнями, пороками развития, злокачественными опухолями. Современная генетика присоединяет свои усилия в борьбе за сокращение, а затем и полное запрещение производства ядерного оружия. В последние годы успешно развивается космическая радиационная генетика. Изучаются закономерности совместного генетического действия на микроорганизмы, растения, животных и человека космического излучения и факторов космического полета (невесомость, перегрузки и пр.). 

Цели радиационной генетики.

Генетические исследования преследуют цели двоякого рода: познание закономерностей наследственности и изменчивости и изыскание путей практического использования этих закономерностей. То и другое тесно связано: решение практических задач основывается на заключениях, полученных при изучении фундаментальных генетических проблем, и в то же время предоставляет фактические данные, важные для расширения и углубления теоретических представлений.

От поколения к поколению передается (хотя иногда и в несколько искаженном виде) информация обо всех многообразных морфологических, физиологических и биохимических признаках, которые должны реализоваться у потомков. Исходя из такого кибернетического характера генетических процессов, удобно сформулировать четыре основные теоретические проблемы, исследуемые генетикой:

• Во-первых, проблема хранения генетической информации. Изучается, в каких материальных структурах клетки заключена генетическая информация и как она там закодирована.
• Во-вторых, проблема передачи генетической информации. Изучаются механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению.
• В-третьих, проблема реализации генетической информации. Изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влияниями окружающей среды, в той или иной мере изменяющей эти признаки, подчас значительно.
• В-четвертых, проблема изменения генетической информации. Изучаются типы, причины и механизмы этих изменений.

Заключения, полученные при изучении фундаментальных проблем наследственности и изменчивости, служат основой решения стоящих перед генетикой прикладных задач.

2. Основные разделы генетики.

Современная генетика представлена множеством разделов, представляющих как теоретический, так и практический интерес. Среди разделов общей, или «классической», генетики основными являются: генетический анализ, основы хромосомной теории наследственности, цитогенетика, цитоплазматическая (внеядерная) наследственность, мутации, модификации. Интенсивно развиваются молекулярная генетика, генетика онтогенеза (феногенетика), популяционная генетика (генетическое строение популяций, роль генетических факторов в микроэволюции), эволюционная генетика (роль генетических факторов в видообразовании и макроэволюции), генетическая инженерия, генетика соматических клеток, иммуногенетика, частная генетика — генетика бактерий, генетика вирусов, генетика животных, генетика растений, генетика человека, медицинская генетика и мн. др. Новейшая отрасль генетики — геномика — изучает процессы становления и эволюции геномов.

3. Влияние генетики на другие отрасли биологии.

Генетика занимает центральное место в современной биологии, изучая явления наследственности и изменчивости, в большей степени определяющие все главные свойства живых существ. Универсальность генетического материала и генетического кода лежит в основе единства всего живого, а многообразие форм жизни есть результат особенностей его реализации в ходе индивидуального и исторического развития живых существ. Достижения генетики входят важной составной частью почти во все современные биологические дисциплины. Синтетическая теория эволюции представляет собою теснейшее сочетание дарвинизма и генетики. То же можно сказать о современной биохимии, основные положения которой о том, как контролируется синтез главнейших компонентов живой материи — белков и нуклеиновых кислот, основаны на достижениях молекулярной генетики. Цитология главное внимание уделяет строению, репродукции и функционированию хромосом, пластид и митохондрий, т. е. элементам, в которых записана генетическая информация. Систематика животных, растений и микроорганизмов все шире пользуется сравнением генов, кодирующих ферменты и другие белки, а также прямым сопоставлением нуклеотидных последовательностей хромосом для установления степени родства таксонов и выяснения их филогении. Разные физиологические процессы растений и животных исследуются на генетических моделях; в частности, при исследованиях физиологии мозга и нервной системы пользуются специальными генетическими методами, линиями дрозофилы и лабораторных млекопитающих. Современная иммунология целиком построена на генетических данных о механизме синтеза антител. Достижения генетики, в той или иной мере, часто очень значительной, входят составной частью в вирусологию, микробиологию, эмбриологию. С полным правом можно сказать, что современная генетика занимает центральное место среди биологических дисциплин.

4. Этапы исторического развития радиационной генетики

 После открытия в 1895 г. немецким физиком К. Рентгеном  рентгеновского излучения и в 1896 г. француз физиком А. Беккерелем  явления радиоактивности было  начато исследование биологического действия излучений. Уже в 1896 г. отечественный ученый И. Р. Тарханов сообщил о влиянии рентгеновского излучения на живые организмы. В начале 20 века были получены данные о влиянии облучения на различные функции клеток и организмов (деление клеток, размножение, изменение форменных элементов крови и др.).

В 1925—1927 гг. советскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым и американским генетиком Мёллером была экспериментально доказана способность ионизирующего излучения вызывать наследственные изменения — мутации. Эти работы сыграли важнейшую роль в развитии генетики, т. к. с открытием возможности искусственного получения мутаций путем облучения организмов был получен ценный экспериментальный метод воздействия для изучения наследственности. Вызванные облучением мутации, с одной стороны, помогали обнаружить широкий спектр наследственных изменений, и это позволяло изучать наследственные потенции различных организмов, а с другой стороны — изучить воздействие радиации на наследственность, понять физический размер минимальных наследственных структур — генов. В 1946—1947 гг. английским ученым Д. Ли, советским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским и немецким ученым К. Циммером была сформулирована так называемая теория мишени. Согласно этой теории, в клетках имеются структуры, особенно чувствительные к облучению, — мишени, попадание в них квантов излучений приводит к биологическим последствиям. Для возникновения мутаций нужно, чтобы квант попал в один из генов. Используя теорию мишени, удалось получить первые оценки размера генов в хромосомах. Хотя эти расчеты были сделаны задолго до исследования химического строения генов, полученные результаты совпали с последующими расчетами.

Параллельно с теоретическими исследованиями в широких масштабах велись работы в области радиационной селекции с целью выведения новых сортов сельско-хозяйственных культур. Первые работы по радиационной селекции были выполнены еще в 1930 году советскими учеными А. А. Сапегиным и Л. Н. Делоне на пшенице, а первые радиационные сорта сельско-хозяйственных растений были получены в начале 50-х годов. К началу 70-х годов широкое распространение имели уже около 50 сортов различных сельско-хозяйственных культур, которые отличались высокой урожайностью, раннеспелостью злаков, устойчивостью к вредителям и болезням и др. В 1977 г. число таких сортов достигло 142.

Исключительно большое значение получили методы радиационной генетики в селекции промышленных микроорганизмов. С помощью этих методов были выведены многочисленные штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков и биологически активных соединений.

Во второй половине 20 в. огромное научное и практическое значение приобрели исследования влияния различных ионизирующих излучений на организм человека. Актуальными стали изыскания в области защиты организмов от повреждающего действия излучений (в т. ч. от воздействия на наследственный аппарат). Были открыты вещества, способные в некоторой степени уменьшать генетически повреждающее действие излучений (радиопротекторы). Кроме того, было установлено, что сами организмы способны устранять повреждения генетического аппарата с помощью так называемых репарирующих ферментов.