Почему взрывы атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки не привели к значительному росту наследственных отклонений? Больше всего мутагенов - веществ, повреждающих наследственность, - мы "съедаем" с пищей.

Знаменитая "габсбургская губа", наследовавшаяся в нескольких поколениях потомков австрийского королевского дома, - тоже результат мутации.

По сравнению со здоровыми людьми (1), у пациентов с заболеваниями легких (2) снижена работа системы защиты ДНК (белый столбик) и повышена чувствительность к мутациям (заштрихованный столбик).

Вскоре после того, как Антони ван Левенгук изобрел микроскоп, люди осознали: они живут в мире мельчайших живых существ - микробов. Только в одном человеческом организме их так много, что на каждую клетку приходится около десяти микробов. Среди них немало болезнетворных. Почему же человек не так уж часто болеет инфекционными заболеваниями? К счастью, у людей есть специальные механизмы, обеспечивающие защиту от микробов. Более того, выяснилось, что многие микроорганизмы необходимы для нормальной жизни и успешного развития каждого человека.

История открытия и исследования мутагенов - веществ, изменяющих наследственную природу клеток - очень похожа на историю взаимоотношений человека и микроорганизмов. Когда разработали методы обнаружения мутагенов, выяснилось, что они сопровождают людей повсюду: образуются при приготовлении пищи, входят в состав косметических и лекарственных средств, препаратов бытовой химии, обрушиваются на нас на улице в виде выхлопных газов автомобилей и промышленных выбросов, мы контактируем с ними на производстве. А уж как возрастает концентрация мутагенов в случаях аварий на химических комбинатах или атомных электростанциях, известно всем. Но после каждой аварии жизнь постепенно входит в колею. И даже ядерные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, не привели к заметному увеличению наследственных уродств у населения Японии.

Все это заставляет предположить, что в организме имеется особая система защиты наследственности, препятствующая чрезмерному увеличению частоты мутаций. Не будь ее, жизнь на Земле давно бы угасла.

Из чего же складывается эта система защиты?

Три уровня защиты

В каждом живом существе, от простейших до человека, работает особая система защиты генов. Она осуществляется на уровне клеток, организмов и популяций - природных сообществ.

На клеточном уровне работает система "починки" повреждений в генах. На уровне организма "выбраковку" клеток с мутацией осуществляет иммунная система. На уровне популяции включается иной механизм: особи с мутациями чаще всего погибают, выживают лишь те, которые обладают какими-то преимуществами.

Но прежде, чем начнется отсев, то есть вступит в действие "меч", организм выставляет вперед "щит": системы, которые не дают мутагенам проникнуть в организм. Эти системы задерживают передвижение мутагена и обезвреживают его до того, как он успевает "добраться" до молекул наследственности (ДНК).

Первый щит - кожа

Первыми встречают мутагены кожа или слизистые оболочки. В зависимости от своей химической структуры мутагены могут "просачиваться" между клетками кожи, проходить сквозь клетки глубокого слоя кожи - эпидермиса, потовые и сальные железы или через волосяные фолликулы. Поры кожи - специальные каналы, через которые кожа дышит - мало участвуют в этом процессе, так как их площадь очень невелика (10^-3 м²).

Уже в глубоких слоях кожи часть мутагенов оседает, задерживается - благодаря тому, что они соединяются с белками клеток эпидермиса или с клетками жировой ткани. Такое связывание играет двоякую роль: с одной стороны, продвижение мутагенов приостанавливается, и их концентрация в крови нарастает не столь стремительно. Но с другой стороны, в коже создается депо мутагенов, откуда они в течение длительного времени могут переходить в кровь. Некоторые заболевания или стрессы приводят к внезапному выбросу из такого депо большого количества мутагенов, и тогда организм уже не в состоянии противостоять их мощному натиску.

Водорастворимые мутагены проходят через кожу с трудом, жирорастворимые - сравнительно легко. Известно, что растительные масла по-разному проникают сквозь кожу: быстрее всех "просачивается" касторовое, потом подсолнечное, скипидарное, эвкалиптовое, грушевое, лимонное, сосновое, лавандовое, коричное и, наконец, масло перечной мяты. Если мутагены растворяются в маслах или жирах, они минуют первый "щит" легче.

Скорость прохождения веществ через кожу зависит во многом от ее физиологического состояния. Проницаемость кожи резко повышается при увеличении температуры, изменении кислотности, увлажнении, при облучении, смазывании кожи раздражающими препаратами, усиливающими кровоток.

По-разному работает "пропускная система" и на разных участках кожи. В так называемых активных точках, широко используемых в восточной медицине как точки для иглоукалывания, - она наибольшая. Попав в такую зону, мутагены гораздо легче проникают в организм.

Второй щит - слизистая

Через дыхательные пути в организм поступают выбросы химических и других промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей, распыляемые над полями пестициды, табачный дым, бытовые препараты в виде аэрозолей и просто бытовая пыль. В них содержатся разного рода газообразные мутагены, которые уже в носу начинают взаимодействовать со слизистой оболочкой. Слизистая оболочка носа хорошо снабжается кровью. Поэтому часть мутагенов проникает в кровь сразу из слизистой, а часть их попадает в легкие и только оттуда - в кровь.

Основные же ворота поступления в организм большинства мутагенов - желудочно-кишечный тракт. Остатки пестицидов, которыми обрабатывали сельскохозяйственные растения, токсины грибков, развивающиеся на пищевых продуктах, вещества, образующиеся при тепловой обработке, соли тяжелых металлов - все это попадает в организм вместе с пищей.

Мутагены, растворяясь в слюне, взаимодействуют с ее компонентами. В некоторых случаях слюна человека их обезвреживает, а в других - усиливает вредное действие. Всасывание мутагенов, так же как и лекарственных препаратов, может происходить и через слизистую рта. При этом концентрации препарата, эффективно влияющие на организм, оказываются меньшими, чем при поступлении из желудка или кишечника. Так, таблетку нитроглицерина при болях в сердце кладут под язык, а не глотают, чтобы лекарство быстрее достигло цели.

Спасительные бактерии

Когда мутаген попадает в желудок, с ним начинают взаимодействовать желудочный сок, ферменты панкреатического и кишечного сока, а также желчь. Желчь с нормальным соотношением желчных кислот обладает антимутагенным действием, а вот изменение соотношения содержащихся в ней кислот зачастую усиливает вред от мутагенов. Различия в составе желчи у разных людей - одно из объяснений, почему мы по-разному реагируем на загрязнение окружающей среды: у одних желчь обезвреживает мутагены, у других, наоборот, облегчает их губительное действие.

Бактериальная флора кишечника также активизирует одни и обезвреживает другие мутагены. Это стало ясно, когда ученые исследовали искусственно полученных в лаборатории безмикробных животных. Такие животные рождаются с помощью кесарева сечения, чтобы не происходило заражения материнскими микробами во время прохождения плода по родовым путям. Сразу после рождения детенышей помещают в строго стерильные условия, где они и живут в дальнейшем. Животных поят стерильной водой и кормят стерильной пищей. Они получают все необходимое для жизни и полноценного развития, но лишены микробов. В результате вырастают слабые, нежизнеспособные существа. Многие системы организма у них недоразвиты.

Отсутствие естественной микрофлоры сказывается уже на развитии животных, но не только. Безмикробные крысы беззащитны и перед мутагенами: вместо того, чтобы избавляться от вредных веществ в организме, животные накапливают их. Исследователи обнаружили, что обычные крысы выделяют продукты обмена веществ вместе с мутагенами, а безмикробные крысы - только безвредные вещества.

По кровеносному руслу

Кровеносная и лимфатическая системы служат той "судоходной рекой", по которой мутагены доставляются к клеткам органов и тканей. Во время передвижения вредные вещества активно соединяются с веществами крови, чаще всего с белками - альбуминами. В результате концентрация мутагена в крови снижается. Но соединяясь с альбуминами, мутаген защищает себя от разрушения, и иногда в такой "связке" он быстрее проходит через оболочку внутрь клетки. Преодолев плазматическую мембрану клетки, мутаген оказывается в жидкой среде - цитоплазме, где вступает в различные химические реакции, которые приводят к снижению либо к повышению его активности.

Дело в том, что многие химические соединения поступают в организм человека в виде инертных веществ, промутагенов. Но под влиянием особых ферментов клетки происходит их активизация и превращение в активные мутагены. Ферменты, получившие название цитохромов Р-450, осуществляют превращение промутагенов в очень активные соединения, которые обладают способностью взаимодействовать с белками и нуклеиновыми кислотами клетки и повреждать их.

Цитохромы Р-450 играют важную роль в обмене многих лекарственных препаратов, мутагенов и канцерогенов. Иногда продукты превращения таких веществ в организме оказываются более токсичными, чем исходные продукты.

Активность цитохромов Р-450, как и всех других ферментных систем организма, регулируют гены, но активность ферментов зависит и от условий жизни. Большую роль играют курение, алкоголизм и другие токсикомании, а также то, какими косметическими и лекарственными препаратами пользуется человек. Многие вещества не только сами по себе вызывают мутации, но и определяют "поведение" мутагенов в окружении других химических соединений. Например, табачный дым усиливает активность одного из генов цитохрома Р-450. А фенобарбитал, входящий в состав многих лекарственных препаратов, влияет на сам цитохром Р-450. Широко применяемые в современной медицине лекарства, влияющие на уровень внутриклеточного кальция (например, верапамил), также изменяют чувствительность человека к мутагенам, активизируя цитохромы Р-450.

Внутри ядра

Мутаген становится по-настоящему опасен для организма после того, как он проник в ядро клетки, где хранится ее наследственное вещество. Сам мутаген, активные продукты его разрушения или возникшие под его влиянием свободные радикалы начинают повреждать ядерные структуры - как непосредственно ДНК, так и "обслуживающие" ее белки. Продоложив аналогию, мы можем сравнить мутаген со стрелой, которая наконец достигла цели и пробила брешь в доспехах. Но еще не все потеряно - при повреждении ДНК автоматически запускается служба ее защиты, так называемая система репарации.

Особые ферменты немедленно вырезают поврежденный участок, а на образовавшуюся брешь ставят "заплатку". Такая внутриклеточная "операция" сопровождается срочным синтезом ДНК, поставляющим материал для заплатки. У разных людей система репарации работает с неодинаковой эффективностью, что определяется специальными генами. Некоторые люди, например, страдают наследственными заболеваниями, связанными с дефектами в системе репарации ДНК. Наиболее известное среди них - пигментная ксеродерма. У больных повышена чувствительность к ультрафиолетовому излучению: при избытке солнечных лучей быстро появляются ожоги, приводящие к развитию рака кожи.

Не так давно доктор биологических наук Н. В. Умнова с соавторами показала, что у людей с хроническими воспалительными заболеваниями легких в иммунных клетках крови уровень репарации ДНК также снижен. Это свидетельствует об ослаблении системы защиты наследственности. Если такие люди лечатся антибиотиками, то число мутаций в их клетках возрастает.

Исследования доктора биологических наук Е. Ю. Москалевой с соавторами подтвердили, что пациенты с воспалительными заболеваниями, получавшие антибиотики, обладают повышенной чувствительностью ко многим химическим мутагенам, то есть составляют группу риска.

На скорость репарации у человека влияют неионизирующие и ионизирующие излучения, химическое загрязнение окружающей среды, а также состояние его иммунитета и тесно взаимосвязанной с ним гормональной системы гипоталамус-гипофиз-надпочечники. И, конечно, состояние его психики. Поэтому-то люди, имеющие различную наследственность и живущие в различных условиях, по-разному реагируют на одинаковую концентрацию загрязняющих веществ.

Завершив свой путь внутри организма, мутагены выделяются с каловыми массами или с мочой. Некоторые продукты необратимо связываются с мутагенами в кишечнике и не дают им всасываться в кровь. К таким продуктам относят отруби (в особенности кукурузные) и разнообразные пищевые волокна, содержащиеся в капусте, моркови, свекле и других овощах. Они существенно ослабляют действие многих мутагенов.

С мочой выделяются водорастворимые продукты обмена. Если у человека нарушена выделительная функция почек, то это замедляет выделение мутагенных продуктов, что делает его более уязвимым. В этом случае могут помочь мочегонные средства, которые действуют в качестве антимутагенов и очищают организм.

Иммунная система и мутагены

Иммунная система по-разному взаимодействует с другими системами, вовлеченными в превращения мутагенов внутри организма. Так, повышение активности цитохромов Р-450 приводит к снижению иммунитета. У людей с ослабленным иммунитетом действие мутагенов приводит к выбросу активных веществ - свободных радикалов, которые одновременно способствуют возникновению новых мутаций и снижают иммунитет. Порочный круг замыкается. Поэтому люди с пониженной активностью иммунной системы входят и в группу риска по чувствительности к мутагенам.

Установлено, что у людей с резко сниженным иммунитетом, например у больных спидом, повышается частота мутаций.

СПИД - наиболее грозная и поэтому наиболее известная форма иммунодефицита, которая, к счастью, пока встречается еще довольно редко. Другие же формы иммунодефицита связаны с загрязнением окружающей среды ионизирующими и неионизирующими излучениями, а также с разнообразными химическими мутагенами. В журналистских кругах возникло даже такое понятие, как "химический СПИД".

Лавинообразному нарастанию мутаций в условиях химического загрязнения противостоит механизм, открытый отечественными учеными доктором медицинских наук И. Е. Ковалевым и кандидатом медицинских наук О. Ю. Полевой. Ученые установили: загрязнение организма, с одной стороны, усиливает активность системы цитохрома Р-450, а с другой - "запускает" выработку свободных радикалов. Однако, когда определенный уровень концентрации свободных радикалов уже достигнут, они начинают повреждать различные "детали" клетки, в том числе и те, которые ответственны за выработку цитохромов Р-450. В результате активность цитохромов падает, и выработка свободных радикалов уменьшается, все возвращается на круги своя.

Как известно, главная роль в регуляции всех функций организма принадлежит нервной системе. Поэтому логично предположить, что и она влияет на активность процессов мутагенеза. Это подтверждается исследованиями доктора медицинских наук А. Д. Дурнева и его коллег, которые изучали антимутагенное действие некоторых транквилизаторов. Оказалось, что у детей, которые по медицинским показаниям принимали сильный мутаген - диоксидин, успокаивающие препараты существенно уменьшали появление мутаций. Транквилизаторы, по мнению ученых, снижают уровень свободных радикалов в организме. Однако в лаборатории доктора медицинских наук Ю. А. Ревазовой наблюдали другую закономерность: умеренный стресс у экспериментальных животных снижал частоту мутаций. Так что зависимость мутаций от стресса не так проста, как кажется на первый взгляд.

***

В современной литературе все чаще употребляют термин "экология человека", правда, вкладывают в него различный смысл. На наш взгляд, чрезвычайно важно рассматривать человека как постоянно существующее сообщество макроорганизма с населяющими его микроорганизмами, тесно взаимодействующее с окружающей средой. Мутагены, влияющие на человека, каким-то образом изменяют и живущие внутри него микроорганизмы. А от этого влияния воздействие мутагена тоже может усиливаться и ослабляться.

Мутаген может вызвать мутации как в клетках макроорганизма, так и в клетках микроорганизмов. Микроорганизмы же своей жизнедеятельностью так изменяют иммунологические и обменные процессы в макроорганизме, что это существенно сказывается на процессах мутагенеза. Все взаимосвязано, все организовано в единую стройную систему. Если рассматривать человеческий организм как маленькую вселенную, то вспоминаются слова Т. Элиота: "Не тронь цветок, чтоб не качнуть звезду и не обрушить мирозданье..."

Из истории мутагенов

В начале ХХ века многие генетики стали высказывать предположения о том, что можно искусственно вызывать изменения в наследственном аппарате - мутации. Американский ученый Меллер, удостоенный Нобелевской премии в 1937 году, показал, что рентгеновское излучение увеличивает частоту мутаций у плодовой мушки дрозофилы. В сороковые годы И. А. Рапопорт в нашей стране и Ш. Ауэрбах в Великобритании открыли, что мутагенным действием обладают и многие химические соединения.

Известно, что мутации могут возникать как в половых клетках, так и в клетках тела - соматических. Значимость соматических и половых мутаций для организма и его потомков различна.

Мутации в соматических клетках могут быть уничтожены иммунными силами организма или с помощью "клеточного самоубийства", апоптоза (см. "Наука и жизнь" № 12, 1996 г.). Но иногда такие мутации сохраняются, что приводит либо к появлению мозаицизма (например, у человека один глаз голубой, а другой карий), либо к развитию опухолей. Такие мутации играют важную роль в жизни одной особи, но безразличны для потомков.

Напротив, мутация, возникшая в половой клетке, как правило, проходит бесследно для ее владельца. Но она может привести к бесплодию или врожденным уродствам и сокращению продолжительности жизни его потомков.

Ваше здоровье

КАК ОБЕЗВРЕДИТЬ МУТАГЕНЫ

Употребляйте больше натуральных продуктов, избегайте мясных консервов, копченостей, сладостей, соков и газированной воды с синтетическими красителями.

Ешьте больше капусты, зелени, круп, хлеба с отрубями.

Если у вас есть признаки дисбактериоза, принимайте бифидумбактерин, лактобактерин и другие препараты с "полезными" бактериями. Они обеспечат вам надежную защиту от мутагенов.

Если у вас не в порядке печень, регулярно пейте желчегонные сборы.

Поменьше употребляйте бытовой химии. С моющими средствами работайте в перчатках.

Не откладывайте в "долгий ящик" лечение хронических воспалительных заболеваний, это ослабляет ваш иммунитет и открывает дорогу мутагенам.

Не принимайте без совета с врачом незнакомые лекарственные препараты, особенно антибиотики.

Словарик

Мутагены - химические вещества, вызывающие изменения в наследственном веществе (мутации).

Антимутагены - вещества, подавляющие действие мутагенов.

Мутагенез - процесс появления мутаций.

Промутагены - неактивные вещества, которые в результате химических реакций в организме могут превратиться в мутагены.

Репарация - исправление повреждений в наследственном веществе.

Геном - совокупность всех генов организма.

Ядро - клеточная структура, в которой хранится наследственное вещество.

См. в номере на ту же тему

Т. ПОЧЕЧУЕВА - Что мы едим .

№9, 1998