Отбор на дурака. Часть I

Отбор на дурака. Часть I

, , ,

Двадцатый век оказался трагическим для всех стран Европы. К числу общих трагедий принадлежит и чернобыльская авария, случившаяся 29 лет назад. За это время многие научные группы, в том числе наша, изучали ее последствия. Полученные результаты позволяют сформулировать четыре основных закона Чернобыля. Эти законы не кажутся специфичными для радиоактивного загрязнения, напротив, они могут стать универсальными для любых глубоких экологических изменений, связанных с крупными природными и техногенными катастрофами.
1. После катастрофы рождаются не все, кто должен был родиться.
2. После катастрофы идет отбор против специализированных форм: преимущественно воспроизводятся менее специализированные, но обладающие более высокой устойчивостью к действию неблагоприятных факторов среды.
3. Ответ на одни и те же дозы ионизирующего облучения или токсичного агента зависит от его новизны для популяции.
4. Реальные последствия чернобыльской аварии для популяций человека будут доступны для анализа к 2026 году, так как поколение, попавшее под прямое воздействие аварии, только сейчас начинает обзаводиться семьями и рожать детей.
Рассмотрим, на каких экспериментальных факторах базируются эти выводы.

Лабораторные мыши и полевки

Когда публика обсуждает генетические последствия опасных воздействий, больше всего внимание привлекают чудовища-мутанты. К счастью, двухголовые лягушки и прочие существа, которыми любят пугать общественность, возникают нечасто и, как правило, не оставляют потомства. Другое дело — преобразование генетической структуры популяции в целом.
Зону отчуждения Чернобыльской АЭС можно использовать как полигон для исследований таких преобразований. На этой ограниченной территории резко изменились многие факторы окружающей среды, и живые организмы, в том числе высшие млекопитающие, должны были приспособиться к переменам. Ведь любая экологическая катастрофа уничтожает оптимальные условия существования одних видов и создает условия, благоприятные для других.
В наших исследованиях (их результаты подробно изложены в монографии «Популяционно-генетические последствия экологических катастроф на примере чернобыльской аварии», изданной в 2008 году в РГАУ-МСХА), мы получили данные по нескольким видам млекопитающих. Это были и лабораторные мыши чистых линий, и дикие полевки, и коровы, и люди. Начнем с мышей и полевок. Мелкие грызуны из-за высокой скорости размножения лучше всего подходят для того, чтобы исследовать длительное воздействие неблагоприятного фактора, ведь со времени аварии сменилось уже несколько десятков поколений подопытных животных. Мы взяли три лабораторные линии мышей: BALB/c, CC57W/Mv и C57BL/6J. Что это за линии? BALB/c — типичная лабораторная белая мышь, выведенная в 1920 году. В старости у таких мышей появляется склонность к образованию опухолей, поэтому их широко используют в иммунологии и исследованиях рака. Черная лабораторная мышь C57BL/6J была выведена в начале 70-х годов. У нее низкая склонность к внезапному образованию опухолей, но высокая — к потреблению спирта; таких мышей используют для изучения процессов старения, алкоголизма, ожирения. Линия CC57W/Mv выведена из потомства от скрещиваний первых двух.
Часть мышей жила в Киеве, другая часть — в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС, то есть подвергалась постоянному облучению. За год животные получали дозу 0,5–0,6 грея. У них изучали изменения в клетках костного мозга, вырабатывающих кровяные тельца.

О греях

Один грей соответствует поглощению дозы радиации в один джоуль на килограмм. Естественный фон дает дозу менее 0,002 Гр/год, а предельно допустимой дозой для человека считается 0,05 Гр/год.

У всех трех линий лабораторных мышей, которые обитали в относительно чистых условиях, были свои, присущие только этой линии, склонности к мутациям клеток костного мозга. Так, у мышей линии C57BL/6 с возрастом и при переходе к летнему сезону нарастает анеуплоидия — хромосомные потери. У линии CC57W/Mv при аналогичных обстоятельствах учащаются внутрихромосомные дефекты — хромосомные аберрации, а у линии BALB/c растет число полиплоидных клеток (то есть с дополнительными наборами хромосом).
У мышей, живших в зоне Чернобыля, новых мутаций обнаружить не удалось, а вот частота встречаемости перечисленных аномалий возрастала. Однако были нюансы, связанные с возрастом. Старые мыши линии CC57W/Mv в контрольных условиях отличались от юных более высокой частотой аномалий, в частности числом лейкоцитов с микроядрами (небольшими образованиями, состоящими из фрагментов хромосом; они образуются при нарушениях в делении клеток). В то же время у старых мышей чернобыльской группы частота таких аномалий оказалась меньше, чем у контрольных ровесников и у юных чернобыльских мышей. Кроме того, в костном мозгу старых чернобыльских мышей статистически достоверно увеличилось число делящихся клеток по сравнению с ровесниками из контроля. Получается, что у особей, живущих при повышенном уровне излучения, в отличие от контрольных, с возрастом не уменьшаются темпы клеточного деления в костном мозгу. Видимо, это и приводит к ускоренному удалению клеток с генетическими дефектами, и старые мыши оказываются более приспособленными к новым условиям.
Эти данные было интересно сравнить с дикими животными из чернобыльской зоны. Мы отлавливали представителей трех видов полевок: обыкновенной (Microtus arvalis), рыжей (Clethrionomys glareolus) и полевки-экономки (Microtus oeconomus). Эволюционно самый молодой вид из них — полевка обыкновенная, а самый старый — полевка-экономка.
В наименее загрязненных радионуклидами районах, где уровень излучения составляет менее 5 Ки/км2, у полевки обыкновенной обнаружена высокая частота встречаемости анеуплоидных клеток; у рыжей полевки — метафаз с межхромосомными слияниями по типу робертсоновских транслокаций (из двух хромосом образуется одна). Напротив, у полевок-экономок стабильность хромосомного аппарата повышена: мутировавших клеток у них оказалось гораздо меньше, чем у представителей молодых видов.

О кюри

Кюри — это внесистемная единица, а системная — беккерель, причем 1 Ки/км2 равен 37 кБк/м2. Она обозначает число распадов в секунду на единице площади, то есть для живых объектов представляет собой экспозиционную дозу облучения, которой они подвергаются. Средний уровень этого показателя на территории СССР за счет испытаний ядерного оружия составляет по цезию-137 около 0,13–0,19 Ки/км2 (5–7 кБк/м2).
На территории России есть несколько районов, сильно затронутых чернобыльской аварией. Они расположены в Тульской, Воронежской, Брянской и Орловской областях. Согласно данным Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, на 1997 год в Брянской области было 2,4 тыс. км2 с уровнем облучения более 15 Ки/км2, с уровнем же между 1 и 15 Ки/км2 по всем четырем областям — 55,2 тыс. км2.

Интересно, что у полевок, которые жили в местах с высоким уровнем радиации (Янов — около 200 Ки/км2; Чистогаловка — около 500 Ки/км2; «Рыжий лес» (так называют зону, в которой доза облучения была столь сильной, что в ней после аварии погибли все хвойные деревья, отчего лес и принял такой вид) — около 1000 Ки/км2), в клетках костного мозга накапливаются именно те аномалии, которые присущи животным, обитающим в относительно чистых условиях: у рыжей полевки — метафазы с робертсоновскими межхромосомными слияниями, у обыкновенной полевки — анеуплоиды. Полученные данные позволяют предполагать, что повышение уровня ионизирующего излучения (в пределах исследованных нами) и у лабораторных линий мышей, и у полевок только увеличивает частоту встречаемости тех аномалий, которые изначально свойственны данной линии или данному виду.

Облучение и гены

Генетические нарушения возникают в организме постоянно, но только малая их часть сохраняется дольше, чем два-три клеточных деления. У живого организма есть изощренные системы репарации; они защищают генетический аппарат от повреждений и размножения мутантных клеточных клонов. Поэтому мутации, которым удается уклониться от систем контроля генетического постоянства, редки, и, даже если нарушений возникает действительно много, опасными оказываются далеко не все.
Тот факт, что дозы ионизирующего излучения (подчеркнем еще раз, в пределах исследованных нами — от 0,2 до 1,0 Гр в год) у лабораторных линий мышей и полевок только увеличивают частоту встречаемости известных цитогенетических аномалий, позволяет предполагать, что все дело в генетически обусловленных дефектах соответствующих систем репарации. И если у организма в относительно «чистых» зонах имеется некоторый дефицит систем, контролирующих расхождение хромосом в митозе по дочерним клеткам, как, например, у мышей линии C57BL/6 или обыкновенных полевок, то именно такой тип аномалий и будет увеличиваться в первую очередь под влиянием неблагоприятных условий, например ионизирующего излучения. То, что мы наблюдаем, — не прямое проявление генетических повреждений, а следствия неэффективного ремонта.
Со временем (а животных мы регулярно отлавливаем, начиная с 1996 года), несмотря на сохранение высокого уровня радиоактивного загрязнения в местах отлова, постепенно уменьшается количество полевок с высокой частотой мутантных клеток в костном мозге. Важно подчеркнуть, что такое уменьшение, свидетельствующее о постепенном накоплении устойчивых к облучению особей, для рыжей полевки отчетливо наблюдается только у животных, отловленных в «Рыжем лесу», где очень высок уровень загрязнения радиоактивными элементами.

Быки и коровы

Как мы уже рассказывали восемь лет назад, чернобыльские коровы позволили поставить уникальный опыт по изучению влияния облучения на крупных млекопитающих. Напомним, что после катастрофы и отселения людей большинство животных было забито. Однако один бык и три коровы (их потом назвали Уран, Альфа, Бета и Гамма) спаслись, дав начало экспериментальному стаду. Впоследствии стадо было увеличено за счет завезенных из относительно чистых зон коров голштинской породы (эта порода выведена специально для получения молока). Далее были получены четыре поколения телят, рожденных и растущих при дозе облучения 0,6–0,8 Гр в год, что позволяет сделать выводы о последствиях длительного воздействия облучения и на организмы, и на популяцию в целом.
На уровне организмов выявлены изменения в синтезе ферментов, причем особенно ярко они выражены в сердце и почках. Основное направление — увеличение синтеза тех форм ферментов, которые характерны для менее специализированной ткани.
На уровне популяции проявился аналогичный эффект. У быков и коров, как и у полевок, в череде поколений возрастала устойчивость к радиации. Так, число лейкоцитов с микроядрами в периферийной крови уже во втором поколении телят оказалось ниже, чем у их родителей. В третьем поколении оно стало еще ниже. Изменилось и генетическое разнообразие потомства: буквально на глазах у новых поколений исчезали определенные варианты генов. Например, у потомков чаще всего наследовался лишь один вариант гена из трех кодирующих белок трансферрин, который управляет обменом железа. Причем этот вариант типичен не для голштинов, а для менее специализированных, но более устойчивых к неблагоприятным условиям пород, например, таких, как древний серый украинский скот. По некоторым генам преимущественно рождались гетерозиготы: разные варианты гена как будто стремились объединиться в одном организме, чтобы он мог более успешно противостоять внешним воздействиям. Это тоже играет против специализации животного.
Мы оценивали генетическую близость популяций животных разных поколений, рожденных в чернобыльском экспериментальном стаде, к другим породам по структурным генам, фрагментам ДНК, фланкированным различными микросателлитными локусами, по полиморфизму ферментов и транспортных белков. Эти данные подтвердили догадку: черно-пестрый скот, рожденный и живущий при постоянном облучении в низкой дозе, оказывается ближе к серой украинской породе, нежели к черно-пестрому скоту из относительно «чистой» зоны.
Возникает вопрос: как это происходит? Основным механизмом может быть увеличение гибели эмбрионов и телят, уменьшающее рождаемость животных с определенным генотипом. И в первом, и во втором поколении плодовитость коров за 7–9 лет исследований снизилась примерно в два раза по сравнению с родительским поколением. Так, 16 коров родительского поколения (F0) экспериментального стада, рожденных в «чистой» зоне, суммарно дали 96 телят (0,93±0,03 теленка на корову в год); 20 из них (21%) умерло в возрасте до трех месяцев. Первое дочернее поколение, F1, родившееся при облучении около 200 Ки/км2, существенно отличалось от родителей по этому показателю. Так, среди 36 коров F1 21 корова (58%) оказались стерильными; только 15 коров F1 принесли потомство поколения F2 (0,73±0,06 на корову в год); 13 из этих телят умерли до трехмесячного возраста после рождения (26%). Оставшиеся четыре коровы F2 за 2–4 года родили 10 телят F3 (0,94±0,06 теленка на корову в год). При этом среди 20 погибших телят F1 преобладали самцы (6 телочек и 14 бычков), а у 13 погибших телят F2 соотношение полов было приблизительно одинаковым (7 телочек и 6 бычков). Такое уменьшение рождаемости и увеличение смертности животных позволяют предполагать наличие отбора против наиболее радиочувствительных особей, причем отбор наиболее интенсивен в поколении F1. К сожалению, эксперимент закончен — к 2005 году стадо было ликвидировано.
Полученные данные свидетельствуют о том, что небольшие увеличения доз ионизирующего излучения относительно среднего мирового уровня могут приводить к увеличению гибели потомства у таких видов млекопитающих, как крупный рогатый скот, и соответственно к изменению генетической структуры, поскольку часть генофонда уходит с погибшими особями. К этому стоит добавить еще и внутриутробный отбор — эмбрионы с «плохими» наборами генов погибают на начальных стадиях первых делений.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


× 5 = двадцать

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>