Тема сегодняшнего урока посвящена интересной области знаний - смежной между экологией и генетикой. Самые первые, считающиеся классическими, исследования в области экологии относятся именно к изучению адаптаций, то есть приспособлений организмов к окружающей их среде. Теперь, когда известно, что приспособительные признаки во многом определяются генотипом, появление исследований на стыке экологии и генетики не кажется не обычным -- вполне естественно классические исследования адаптаций приобрели "генетический" оттенок.
С другой стороны, в связи с активной хозяйственной деятельностью человека в окружающей среде появилось много веществ и факторов (например, дополнительный, техногенный радиационный фон), являющихся генетически активными. По просту говоря, деятельность человека привела к тому, что в окружающей среде увеличилось количество факторов, вызывающих мутации. Это второе направление эколого-генетических исследований: изучение влияния факторов среды на генетический аппарат и наследственность.
Итак:
Экологическая генетика – область знаний, исследующая взаимовлияние генетических процессов и экологических отношений.
Выделяют два основных направления экогенетических исследований. Экологическая генетика изучает:
Проблемы оценки генетического риска, обусловленного факторами окружающей среды, - важнейшая задача экогенетики. Эти исследования сфокусированы на следующих вопросах:
Однако главный вопрос, на который ответ должны дать не генетики, а всё общество, -
Какова та степень увеличения числа мутационных повреждений, которую мы готовы терпеть в обмен блага цивилизации (применение рентгеновских лучей, использование ядерной энергии и производство атомного оружия, некоторые лекарства)?
Для исследования генетической активности различных агентов используются разнообразные тест-системы и специфические генетические методы. Как правило, в качестве лабораторных животных, на которых изучаются генетические эффекты, выступают мыши.
Тест-система для обнаружения рецессивных мутаций. Выведена линия мышей, гомозиготных по семи рецессивным мутациям. Иными словами, по каждому из семи признаков у мышей было по два рецессивных аллеля (гена).Эта линия называется тестерной, ее используют для изучения мутаций в природных или экспериментальных популяциях.
Затем мышей дикого типа (из природной популяции) скрещивают с тестерной линией. Если в исследуемой популяции имелась одна из семи рецессивных мутаций, которые есть у мышей тестерной линии, то эти мутации проявятся у потомства. Объясняется это очень просто - достаточно взять учебник биологии за 11 класс: рецессивные гены проявляются только, если в одном организме встречаются два рецессивных гена - один от мамы, другой от папы. Так как в тестерной линии по всем семи мутациям все гены рецессивные, то, встретясь с рецессивными генами природной популяции, они проявятся в признаках потомства. Обычно же такие мутации в природных популяциях не проявляются, так как редко встречаются два рецессивных гена.
Если мутации у потомства проявились, то можно сделать вывод о наличии мутаций в исследуемой популяции. Однако такой метод дает информацию только об ограниченном числе локусов (участков хромосом). Кроме того, надо иметь в виду, что частоты мутаций, индуцированных в разных хромосомах, могут обнаруживать значительные расхождения.
Для обнаружения точковых (генных) мутаций все шире применяются биохимические методы (в том числе, с использованием метода электрофореза). Эти методы позволяют обнаружить отличия в структуре белков, вызванные мутациями.
Тест-системы для соматических мутаций. Для выявления соматических мутаций используют анализ хромосом в культурах лимфоцитов или в клетках костного мозга. Лимфоцитарная система довольно часто применяется в исследованиях на человеке. Это действительно единственная система, позволяющая изучать группы людей, подверженных высокому риску, при минимальных отрицательных последствиях от генетических эффектов, вызванных воздействием мутагенных факторов.
Еще более простая тест-система основана на анализе хромосом, облученных ин витро. При таком тестировании в большинстве случаев используются культуры лимфоцитов человека. Этот метод используется для тестирования на мутагенность различных агентов – химических веществ и радиационного воздействия.
Цитогенетические методы позволяют обнаруживать хромосомные перестройки и нарушения митоза. Изучают дицентрические хромосомы, кольцевые хромосомы и другие эффекты.
Метафазный метод основан на анализе клеток в период метафазы. В метафазной клетке проще всего выявить различные хромосомные перестройки. Например, изучают хромосомные перестройки в клетках костного мозга мышей.
Широко используемым методом является метод микроядер. Микроядра формируются теми хромосомами или хромосомными фрагментами, которые оказались не связанными с митотическим аппаратом и не принимают участия в митозе как остальные хромосомы. Это сопровождается преждевременной конденсаций таких хромосом и их фрагментов. В метафазе микроядерные хромосомы конденсированы по типу профазных, поэтому их легко обнаружить под микроскопом. Иногда для этого даже не требуются специальные методы окраски. Количество микроядер изучают в различных системах: в клетках костного мозга лабораторных животных, в лимфоцитах и эритроцитах человека, в клетках эпителия.
Микроядра могут быть результатом как структурных, так и численных хромосомных аберраций. Используются в качестве индикатора этих нарушений, возникающих под воздействием антропогенных загрязнителей. Анализ микроядер может проводиться в различных пролиферирующих клетках человека, в частности в клетках ротовой полости, где их появление связывают с поступлением ксенобиотиков в организм либо через ротовую полость, либо ингаляционно.
Присутствие микроядер в клетках может свидетельствовать о недостаточной эффективности защитных свойств организма, так как в норме большинство таких цитогенетически аберрантных клеток элиминируется посредством иммунной системы.
Особенно сильно давлению неблагоприятных факторов среды подвержены дети в силу того, что у них еще не достаточно развиты эволюционно закрепленные формы адаптационной деятельности, способствующие выживанию индивида в условиях постоянно меняющейся среды. В связи с этим одним из достоинств детской группы населения как индикатора антропогенного загрязнения являются короткие, по сравнению со взрослыми, сроки проявления негативных эффектов, что повышает достоверность исследований, позволяя делать более объективные выводы об экологическом неблагополучии среды.
Одна из методик проведения микроядерного анализа среди детской группы населения. Соскобы слизистой оболочки полости рта берутся у детей в возрасте 3-7 лет.Собранный стерильным шпателем с внутренней стороны щеки материал переносится в склянки с этанол-уксусным фиксатором (3 части этанола: 1 часть ледяной уксусной кислоты). Для приготовления временных давленых препаратов кусочки ткани извлекались из склянок микробиологической петлей на предметное стекло. В качестве красителя используется ацетоорсеин. Анализ препаратов проводится на световых микроскопах. К микроядрам при микроскопировании относят округлые образования с ровными краями, размером 1/20 - 1/5 диаметра ядра клетки и окраской, соответствующей окраске основного ядра.