Мутації (від латів.(латинський) mutatio — зміна, зміна), раптово виникаючі природні (спонтанні) або такі, що викликаються штучно (індуковані) стійкі зміни спадкових структур живої матерії, відповідальних за зберігання і передачу генетичної інформації. Здатність давати М. — мутувати — універсальна властивість всіх форм життя від вірусів і мікроорганізмів до вищих рослин, тварин і людини; воно лежить в основі спадковою мінливості в живій природі. М., що виникають в статевих клітках або спорах (генеративні М.), передаються по спадку; М., що виникають в клітках, що не беруть участь в статевому розмноженні (соматичні мутації ), приводять до генетичного мозаїцизму: частина організму складається з кліток мутантів, інша — з немутантів. У цих випадках М. можуть успадковуватися лише при вегетативному розмноженні за участю соматичних частин мутантів організму (нирок, держаків, бульб і т. п.).
Раптове виникнення спадкових змін наголошувалося багатьма ученими 18 і 19 вв.(століття), було добре відомо Ч. Дарвіну, але поглиблене вивчення М. почалося лише із зародженням на порозі 20 ст експериментальної генетики. Термін «М-коду.» ввів в генетику в 1901 Х. Де Фриз .
Типи мутацій. По характеру зміни генетичного апарату М. ділять на геноми, хромосомні і генні, або точковиє. М. геномів полягають в зміні числа хромосом в клітках організму. До них відносяться: поліплоїдія — збільшення числа наборів хромосом, коли замість звичайних для диплоїдних організмів 2 наборів хромосом їх може бути 3, 4 і т. д.; гаплоїдія — замість 2 наборів хромосом є лише один; анеуплоїдія — одна або декілька пар гомологічних хромосом відсутні (нуллісомія) або представлені не парою, а лише однією хромосомою (моносомія) або, навпаки, 3 або більш гомологічними партнерами (трісомія, тетрасомія і т. д.). До хромосомним М., або хромосомним перебудовам, відносяться: інверсії — ділянку хромосоми перевернуть на 180°, так що гени, що містяться в нім, розташовані в зворотному порядку в порівнянні з нормальним; транслокації — обмін ділянками два або більш негомологічних хромосом; делециі — випадання значної ділянки хромосоми; браки (малі делециі) — випадання невеликої ділянки хромосоми; дуплікациі — подвоєння ділянки хромосоми; фрагментації — розривши хромосоми на 2 частини або більш. Генними М. є стійкі зміни хімічної будови окремих генів і, як правило, не відбиваються на спостережуваній в мікроскоп морфології хромосом. Відомі також М. генів, локалізованих не лише в хромосомах, але і в деяких органелах цитоплазми, що самовідтворюються (наприклад, в мітохондріях, пластидах; див.(дивися) Спадковість цитоплазматична ).
Зміни ознак організму, що викликаються мутаціями. В результаті М. можуть змінюватися самі різні біохімічні, фізіологічні і морфологічні ознаки організму. Зміни ці в організмів, що зазнали М., — мутантів — можуть бути різко вираженими або слабкими, представляючими лише незначні відхилення від середньої для даного вигляду значення ознаки (див. ілл. ). Поліплоїдниє мутанти зазвичай характеризуються збільшенням розмірів кліток і всього організму. Якщо в поліплоїда число наборів хромосом парне (збалансовані поліплоїди), то плодючість зазвичай зберігається або знижена не сильно; поліплоїди ж, в яких число наборів хромосом непарне (незбалансовані поліплоїди), безплідні або володіють низькою плодючістю (при дозріванні статевих кліток хромосоми розподіляються в них безладно, що приводить до утворення анеуплоїдних гамет, що переважно нездібних до запліднення або дають нежиттєздатні зіготи). Гаплоїдниє мутанти мають дрібні клітки, розміри організму зменшені в порівнянні з диплоїдною нормою, спостерігається повне або майже повне безпліддя, т. до. лишь небагато гамети містять повний набір хромосом. Анеуплоїди характеризуються вельми значними змінами різних ознак організму, незрідка настільки сильними, що викликають його загибель або безпліддя. Зазвичай менш різкі зміни спостерігаються в разі делеций, браків і дуплікаций, причому міра зміни ознак загалом пропорційна довжині випавшої або подвоєної ділянки хромосоми (крупні делециі можуть викликати загибель організму). Інверсії і транслокації самі по собі не викликають змін ознак організму (якщо не супроводяться ефектом положення гена, тобто зміною його фенотипічного прояву унаслідок сусідства з іншими, ніж раніше, генами), але приводять до істотних генетичних наслідків, т. до. у гетерозигот по інверсіях утруднений обмін ділянками між нормальною хромосомою (див. Кросинговер ), що несе інверсію, а гетерозиготи по транслокаціях дають частково анеуплоїдниє, часто нежиттєздатні, статеві клітки. Це ж відбувається у випадку фрагментації в результаті втрати фрагмента хромосоми, що залишився без центромери.
Генні М., складові основну долю всіх М., викликають надзвичайно всілякі зміни ознак організму, причому зміна одного гена зазвичай приводить до зміни декількох ознак (див. Плейотропія ). Генні М. можуть бути домінантними, напівдомінантними і рецесивними (див. Домінантність, Рецесивність ). В результаті М. ген може переходити в різні стани (множинні аллелі одного і того ж гена), що по-різному впливають на контрольованих даним геном ознаки організму. Гени мутантів можуть відрізнятися від відповідних нормальних тим, що специфічний для даного гена продукт (найчастіше фермент) не утворюється зовсім; утворюється в меншій або такій, що перевищує норму кількості; утворюється продукт, інактівірующий або гальмівний продукт гена немутанта; замість нормального утворюється інший, продукт, що не взаємодіє з ним, відсутній у особин немутантів. М., що зазнав, ген зазвичай настільки ж стабільний, як немутант, з якого він стався; унаслідок нової М. він може повернутися до вихідного стану (зворотні М.). Генні М., як правило, шкідливі для організму, вони порушують життєві процеси, що протікають в організмі, знижують його життєздатність і плодючість; незрідка ген мутанта обумовлює загибель організму, що розвивається (летальні М.). Рідше виникають генні М., що порівняно мало впливають на життєздатність і плодючість організму, ще рідше — поліпшуючі ті або інші його властивості. Ета остання категорія генних М., не дивлячись на свою відносну рідкість, має величезне значення, т. до. дает основний матеріал як для природного відбору, так і для штучного відбору, будучи необхідною умовою еволюції і селекції.
Причини мутацій і їх штучне викликання. Поліплоїдія частіше виникає, коли хромосоми на початку клітинного ділення — мітоза — розділилися, але ділення клітки чого-небудь не сталося. Штучно поліплоїдію удається викликати, впливаючи на клітку, що вступила в мітоз, речовинами, цитотомію, що порушують. Рідше поліплоїдія буває наслідком злиття 2 соматичних кліток або участі в заплідненні яйцеклітини 2 сперміїв. Гаплоїдія — переважно наслідок розвитку зародка без запліднення (див. Партеногенез ). Штучно її викликають, обпилюючи рослини убитим пилком або пилком ін. вигляду (віддаленого). Основна причина анеуплоїдії — випадкове нерозходження пари гомологічних хромосом при мейозі, внаслідок чого обидві хромосоми цієї пари потрапляють в одну статеву клітку або в неї не потрапляє жодна з них. Рідше виникають анеуплоїди з тих, що небагатьох виявилися життєздатними статевих кліток, що утворюються незбалансованими поліплоїдамі.
Причини хромосомних перебудов і найбільш важливої категорії М. — генних — довгий час залишалися невідомими. Це давало привід для помилкових автогенетичних концепцій (див. Автогенез ), згідно з якими спонтанні генні М. виникають в природі нібито без участі дій довкілля. Лише після розробки методів кількісного обліку генних М. з'ясувалася можливість викликати їх різними фізичними і хімічними чинниками — мутагенами . Перші дані про вплив випромінювань радію на спадкову мінливість в нижчих грибів були отримані в СРСР (Р. А. Надсон і Г. С. Філіппов, 1925). Переконливі докази можливості штучно викликати М. були приведені в 1927 Р. Меллером, що виявив в дослідах на дрозофіле сильна мутагенна дія рентгенівських променів. Надалі роботами по генетичній дії випромінювань на різні організми була встановлена універсальна здатність всіх іонізуючих випромінювань викликати не лише генні М., але і хромосомні перебудови. Мутагенна дія деяких хімічних речовин було вперше виявлено в СРСР М. Н. Мейселем (1928), Ст Ст Сахаровим (1933) і М. Е. Лобашевим (1934); перший сильний хімічний мутаген (чужорідна ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота)) був відкритий в 1939 С. М. Гершензоном із співробітниками; у 1946 сильна мутагенна дія формаліну і етилениміну була встановлена радянським генетиком І. А. Рапопортом, Іприту — англійськими генетиками Ш. Ауербах і Д. Робсоном. Пізніше були відкриті сотні інших хімічних мутагенів. Сильні фізичні і хімічні мутагени збільшують частоту виникнення генних М. і хромосомних перебудов в багато десятків разів, а найбільш потужні хімічні мутагени (так звані супермутагени, багато хто з яких відкритий і вивчений радянським генетиком І. А. Рапопортом із співробітниками) — навіть в сотні разів в порівнянні з частотою тих, що виникають природно спонтанних М. В дослідах на культурах кліток і на лабораторних тваринах виявлена мутагенна дія багатьох вірусів. Мутагеном у вірусів, мабуть, служить їх нуклеїнова кислота. Т. о., віруси — не лише збудники багатьох хвороб тварин і людини, рослин і мікроорганізмів, але і одне з джерел їх спадкової мінливості. Всі мутагени викликають генні М., прямо або побічно змінюючи молекулярну структуру нуклеїнових кислот, в якій закодована генетична інформація.
Експериментальні дослідження спонтанних і індукованих М. (найбільш вивчені М. в кукурудзи, дрозофіли, а також ряду мікроорганізмів) розкрили ряд важливих особливостей мутації генів. Частота виникнення спонтанних М. неоднакова для різних генів і різних організмів, складаючи для окремого гена від 1:10 5 до 1:10 7 в покоління; небагато, так звані мутабільниє, гени характеризуються значно вищою частотою мутації. Частота прямих і зворотних М. одного і того ж гена незрідка різна. Мутагени підвищують частоту М. приблизно однаково для всіх генів, так що співвідношення частіше і порівняно генів («спектр» М.), що рідко мутують, залишається приблизно однаковим як при спонтанному, так і при індукованому мутаційним процесі (у випадку хімічних мутагенів можуть спостерігатися невеликі відмінності в спектрах М., що викликаються ними). Лише у мікроорганізмів деякі хімічні мутагени сильніше підвищують частоту мутації певних генів, чим останніх («гарячі точки» хромосом). Схоже явище виявлене при мутагенній дії нуклеїнових кислот і вірусів на багатоклітинні організми. Співвідношення загального числа генних М. і хромосомних перебудов різне при дії фізичних і хімічних мутагенів — для других характерна велика частка генних М., чим для перших; ті або інші відмінності є і у дії різних хімічних мутагенів.
Далеко не всі зміни, що викликаються мутагенами в ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) клітки, реалізуються в М. Во багатьох випадках пошкоджена ділянка ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) віддаляється в процесі рекомбінації або «вирізується» наявними в клітці так званими репарірующимі ферментами, поновлюючими структуру ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), і при подальшій реплікації ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) заміщається відповідною нормальною ділянкою (див. Репарація ). Частота будь-яких М. залежить від багатьох зовнішніх і внутрішніх чинників — температури, парціального тиску кисню віку організму, фази розвитку і фізіологічного стану клітки і ін. Велике значення мають особливості генотипу: навіть в межах одного вигляду лінії, що генетично різняться, можуть володіти різною мутабільністю. В ряду організмів описані так звані гени-мутатори, що різко підвищують частоту М. Благодаря залежності мутабільності від генетичних чинників, її удається підвищувати або знижувати штучним відбором. Неоднакова мутабільність різних видів — слідство аналогічної дії природного відбору в ході їх еволюції.
Значення мутацій для еволюції, селекції і медицини. Основи розуміння ролі М. в еволюції були закладені в 20-х рр. 20 ст роботами радянського генетика С. С. Четверікова, англійських учених Дж. Холдейна і Р. Фішера і американського ученого С. Райта, що поклали почало розвитку еволюційної генетики. Було показано, що всі спадкові зміни, службовці матеріалом для еволюції, зобов'язані М. (комбінатівная мінливість, що виникає шляхом утворення нових поєднань генів при схрещуванні, кінець кінцем, теж є наслідок М., що обумовлюють генетичні відмінності особин, що схрещуються). На відміну від модифікацій, М. не є однозначною реакцією на зухвалу їх дію: один і той же мутагенний чинник приводить до виникнення всіляких М., що зачіпають ті або інші ознаки організму і що змінюють їх у різних напрямах. Тому самі по собі М. не мають адаптивного характеру. Що проте постійно виникають в будь-якого вигляду живих істот М., багато з яких до того ж тривало зберігаються в популяції в прихованому вигляді (рецесивні М.), служать резервом спадкової мінливості, який дозволяє природному відбору перебудовувати спадкові ознаки вигляду, пристосовувавши його до змінних умов середовища (зміні клімату або біоценозу, переселенню в новий ареал і т. п.). Т. о., адаптивність еволюційних змін — наслідок збереження природним відбором носіїв тих М. і їх поєднань, які виявляються корисними в даній обстановці. При цьому М., що були в одних умовах шкідливими або нейтральними, можуть виявитися корисними в умовах, що змінилися. Найбільше значення для еволюції мають генні М. Не дивлячись на відносну рідкість М. кожного гена, загальна частота спонтанних генних М. вельми значительна, т. до. генотип багатоклітинних організмів складається з десятків тисяч генів. В результаті ту або іншу генну М. несе велика частка утворюваних організмом гамет або спор (у вищих рослин і тварин ця доля досягає 5—30%), що створює передумови для ефективної дії природного відбору. Хромосомні перебудови, що утрудняють рекомбінацію, — інверсії і транслокації — сприяють репродуктивною ізоляції окремих груп організмів і їх подальшій дивергенції (див. Відообразованіє ); дуплікациі ведуть до збільшення числа генів в генотипі і зростання їх різноманітності унаслідок диференціації генів, що відбувається потім, в дупліцированних ділянках хромосом. Поліплоїдія грає велику роль в еволюції рослин; при цьому, окрім репродуктивної ізоляції, вона у ряді випадків відновлює плодючість безплідних міжвидових гібридів.
З розробкою способів штучного мутагенезу відкрилася можливість значного прискорення селекції — селекціонерам став доступний набагато більший вихідний матеріал, чим при використанні рідких спонтанних мутацій. У 1930 радянські учені А. А. Сапегин і Л. Н. Делоне вперше застосували іонізуючу радіацію в селекції пшениці. Надалі методами радіаційної селекції були виведені нові високоврожайні сорти пшениці, ячменю, рису, люпину і ін. з.-х.(сільськогосподарський) рослин, коштовні штами мікроорганізмів, використовуваних в промисловості. У селекції з добрими результатами застосовуються і хімічні мутагени.
М. Геномів, хромосомні перебудови і генні М. — причина багато спадкових захворювань і природженої потворності у людини. Тому обгороджування людини від дії мутагенів — найважливіше завдання. Величезне значення в цьому відношенні мало здійснену за ініціативою СРСР заборону випробувань ядерної зброї в атмосфері, що забруднюють довкілля радіоактивними речовинами. Дуже важливе ретельне дотримання заходів захисту людини від радіації в атомній індустрії, при використанні радіоактивних ізотопів, рентгенівських променів і т. п. Необхідне вивчення можливої мутагенної дії різних нових лікарських засобів, пестицидів, хімічних препаратів, вживаних в промисловості, і заборона виробництва тих з них, які виявляться мутагенними. Профілактика вірусних інфекцій має значення і для захисту потомства від мутагенної дії вірусів. Див. також Генетика, Генетика мікроорганізмів, Мінливість, Молекулярна генетика, Радіобіологія .
Літ.: Супермутагени. Сб. ст., М., 1966; Лобашев М. Е., Генетика, 2 видавництва, Л., 1967, гл.(глав) 11, 14; Гершковіч І., Генетика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968, гл.(глав) 11—14, 30, 31; Сойфер Ст Н., Молекулярні механізми мутагенезу, М., 1969; Дубінін Н. П., Загальна генетика, М., 1970, гл.(глав) 17, 20; Ратнер Ст А., Принципи організації і механізми молекулярно-генетичних процесів, Новосиб., 1972, гл.(глав) 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, р. 163; Banks G. R., Mutagenesis: а review of some molecular aspects, «Science Progress», 1971, v. 59 № 236.
