ИЗМЕНЧИВОСТЬ

ИЗМЕНЧИВОСТЬ — свойство организмов изменять свою морфофизиологическую организацию, обусловливающее разнообразие индивидов, популяций, рас и т. д. И. присуща всем организмам и наблюдается даже у генетически близкородственных особей, имеющих сходные или общие условия жизни и развития, напр, близнецов, членов одной семьи, штаммов микроорганизмов и вегетативно размножающихся особей. Измененная форма индивида, популяции, расы и т. д. получила обобщенное название варианта.
И. подвержены любые особенности организма, будь то морфол., физиол, или биохим, признаки. И. может затрагивать как количественные признаки, т. е, те, которые можно измерить или сосчитать (напр., число пальцев, позвонков, волос, вес и размеры тела), так и качественные (напр., цвет глаз и окраска кожных покровов). В основе И. лежит либо изменение реакции генотипа (см.) на факторы среды, либо изменение самого генотипа в результате мутаций генов (см. Ген) и (или) хромосом (см.) или рекомбинации (см.). В связи с этим общую (фенотипическую) И. подразделяют на наследственную и ненаследственную.

Рис. 1. Схематическое изображение водяного лютика при модификационной изменчивости формы надводных и подводных листьев (указаны стрелками).
Ненаследственная (средовая, паратипическая, модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. Факторы окружающей среды оказывают существенное влияние на проявление многих генов. Так, напр., если человек имеет наследственное предрасположение к полноте, то на ограниченной диете он может держать свой вес в нормальных пределах. В то же время люди, не имеющие такого предрасположения, но не ограничивающие себя в питании, могут набрать вес, значительно превышающий норму. Основной тезис генетики гласит, что фенотип (см. Генотип) представляет собой результат взаимодействия между генотипом и средой. Генотип определяет число возможных фенотипов при различных условиях окружающей среды. Диапазон возможных проявлений генотипа в зависимости от условий окружающей среды называют наследственной нормой реакции. Изменение того или иного признака под влиянием условий среды часто колеблется в пределах экологической нормы реакции данного вида и носит характер адаптации или приспособлений. Поэтому эту форму И. называют также модификационной. Следовательно, наследственность определяет пределы модификационной И. Примером такой пластичности фенотипа является формирование листьев у водяного лютика (Ranunculus aquatilis), у к-рого форма надводных листьев одного и того же растения сильно отличается от подводных (рис. 1).
Наследственная (генотипическая) изменчивость составляет ту часть общей фенотипической изменчивости, к-рая определяется генетическими различиями между особями или группами особей.
И. количественных (метрических) признаков характеризуется отсутствием скачков; ее называют постепенной (количественной, непрерывной). При количественной И. между особями как носителями признаков нельзя провести четкого разграничения, т. к. они связаны друг с другом множеством промежуточных форм. Количественные признаки контролируются большим числом генов, которые функционируют как единая система (так наз. полигены), и сильно варьируют под влиянием факторов окружающей среды. В таких случаях в первом поколении F1 потомство имеет промежуточный тип, а в F2 не наблюдается четкого менделевского расщепления на строго отличающиеся группы (см. Менделя законы).

Прерывистая И. (качественная, альтернативная, скачкообразная) характерна для качественных признаков. При качественной И. особи могут быть разделены на четко разграниченные неперекрывающиеся группы в соответствии с наличием или отсутствием данного признака.

Рис. 2. Проростки мутантов-альбиносов ячменя среди нормальных проростков.
Наследованиe качественных признаков контролируется обычно генами одного или нескольких локусов, аллели которых обладают выраженным индивидуальным проявлением и распределяются в соответствии с законами Менделя. Для многих признаков человека характерно типичное менделевское наследование. В частности, одним из таких признаков является альбинизм, когда практически отсутствует пигмент в коже, волосах и глазах. Альбинизм обнаружен также у многих видов животных и растений (рис. 2). У человека примерно 30% изученных локусов составляют локусы с неидентичными аллелями (гетерозиготы). Если принять общее число структурных генов у человека равным 100 тыс., то тогда каждый индивид может быть гетерозиготным в среднем по 30 тыс. генам, чем и обусловлен чрезвычайно высокий генетический полиморфизм в популяциях. Напр., индивидуальные различия в реакциях на лекарственные препараты связаны с полиморфизмом ферментных систем, регулирующих скорость метаболизма того или иного лекарства и выведения продуктов его обмена из организма.
Ведущую роль в процессах генотипической И. играет изменение репродуцирующихся структурных элементов ядра (ДНК хромосом) и значительно меньше репродуцирующихся элементов цитоплазмы (митохондрии животных и растений, пластиды растений). Мутации (см. Мутация) могут быть вызваны также целым рядом физ., хим. и биол, факторов. Изменения генотипа приводят к изменению характера развития того или иного признака в данных условиях окружающей среды, изменению наследственной нормы реакции и появлению различных отклонений (наследственные аномалии развития). Наряду с мутациями источником генетической И. являются рекомбинации генов, так наз. рекомбинационная И. Генотипы — не что иное, как комбинации генов. При половом размножении происходит объединение двух гаплоидных наборов хромосом, образованных из диплоидных наборов родительских особей (или клеток), в многочисленные зиготы, каждая из которых практически уникальна. Число возможных комбинаций даже для небольшого числа генов огромно. Одна пара родителей, отличающихся друг от друга только по аллелям 100 локусов, может дать величину сочетаний генов, равную 2100. Биол, значение полового размножения заключается именно в том, что продуцирование разнообразных генотипов при таком размножении значительно ускоряется. На степень генетической И. в популяции влияет также поток генов из других популяций. Факторами, уменьшающими степень И., в основном являются естественный отбор (см.) и случайные воздействия.
При модификационной И. наследственные структуры половых клеток не изменяются; наблюдается лишь изменение проявления генов в соматических клетках, что выражается во внешних признаках (фенотипе) организма. Если же воздействие факторов окружающей среды значительно превышает границы, в которых возможно существование организма, или же вызывается агентом, не свойственным той среде, к к-рой шла приспособительная эволюция вида, то в таких случаях происходит нарушение развития, появляются врожденные пороки развития (уродства) или возможна даже гибель организма. Факторы окружающей среды, вызывающие аномалии развития зародыша человека или животных, называют тератогенами (см. Тератогенез). К ним относятся физ. факторы (рентгеновские лучи, альфа-, бета- и гамма-излучения, гравитационные перегрузки, вибрации), хим. факторы (ядохимикаты, лекарственные вещества и т. п.) и биол, факторы (некоторые вирусы, микробы, простейшие). Для многих тератогенов описана прямая зависимость типов врожденных пороков развития от стадии эмбриогенеза, на к-рой зародыш подвергался действию данного фактора. Под влиянием различных классов тератогенов возникают одинаковые изменения органов, причем эти пороки развития сходны с наследственными аномалиями, обусловленными мутантными генами или хромосомными аберрациями. Вызываемые тератогенами уродства, которые сходны с наследственными аномалиями, называют фенокопиями (см. Генотип).
Сходство врожденных пороков развития, возникающих в результате действия повреждающих факторов окружающей среды, и наследственных аномалий объясняется тем, что при мутациях и под влиянием тератогенов в клетках формирующихся тканей и органов нарушаются одни и те же звенья биохим, процессов.

Методы изучения
Анализ природы И. и передачи измененных признаков из поколения в поколение служит главным средством изучения механизма наследственности (см.). Внешне неразличимые фенотипы в одинаковых условиях среды в одних случаях могут быть результатом изменения генотипа, а в других— результатом ненаследственных модификаций. Без генетического анализа (см.) нельзя определить, какая доля фенотипической И. обусловлена ненаследственными модификациями и какая генетическими факторами. Если популяция состоит из особей с идентичными генотипами, то искусственный отбор (см.) в такой популяции будет бесперспективен, т. к. вся наблюдаемая фенотипическая И. обусловлена влиянием среды. Некоторые ламаркисты ошибочно полагали, что негенетические модификации, так наз. благоприобретенные признаки, могут превращаться в наследственные изменения. Такая точка зрения не была подтверждена и представляет сейчас лишь исторический интерес. Данные 60— 70-х гг. 20 в. показывают, что превращение модификаций в наследственные изменения совершенно невозможно. По мере развития генетики (см.) стало ясно, что противопоставление мутаций (крупных качественных изменений признаков) флюктуациям (мелким количественным вариациям) совершенно ошибочно. Мутации могут затрагивать любые признаки организма, на любой стадии его развития, и притом самого различного таксономического значения. Анализ причин и развитие точных количественных вариационно-статистических способов оценки И. показали, что мутации могут лежать в основе ничтожных количественных отклонений, внешне ничем не отличимых от ненаследственных модификаций. Для выявления относительной роли среды и генотипа в формировании того или иного признака используют два основных взаимодополняющих метода: один из них заключается в исследовании генотипически различных особей в как можно более одинаковой окружающей среде, а другой — в изучении генетически идентичных особей в разных условиях среды. Оба метода легко применить к таким организмам, как бактерии и дрожжи, которые в результате многократно повторяющихся делений образуют генетически идентичные клоны. У многих высших растений клоны можно получить путем бесполого размножения (клубнями, луковицами, черенками и т. п.). Напр., все растения одного сорта картофеля генетически идентичны, и поэтому различия между ними обусловлены внешними факторами. Если же два разных сорта картофеля выращивать в одинаковых условиях, то различия между растениями будут связаны с различиями в их генотипах. У животных клоны генетически идентичных особей можно получить в результате тесного и продолжительного инбридинга (см.). Для выявления роли наследственности и среды в формировании различных признаков у человека с успехом используют близнецовый метод (см.). Исследования на монозиготных близнецах, имеющих идентичную наследственность и воспитывающихся порознь, дают ценные сведения о влиянии среды на развитие наследственных признаков. При анализе прерывистой (качественной) И., обусловленной аллелями одного генного локуса, определить характер наследования и вклад в общую И. наследственных и средовых факторов обычно не представляет большого труда. В случае непрерывной (количественной) И. исследователь сталкивается со значительными трудностями. При изучении какого-либо количественного признака проводят анализ возможно большего числа различающихся между собой особей и полученные данные группируют в ряд размерных классов. Представив эти величины в виде графика распределения частот, можно исследовать характер И. Обычно бывает трудно разделить генетические и средовые компоненты изменчивости и исследовать отдельно ту ее часть, к-рая обусловлена генетически. Для изучения этих компонентов разработаны различные математико-статистические методы (см. Биометрия).

Значение
Изменчивость и наследственность — две стороны одного и того же круга явлений. Передающиеся по наследству изменения представляют материал для отбора. И., наследственность и отбор организмов, наиболее приспособленных к условиям данной среды, составляют основные движущие силы эволюционного процесса. Огромной заслугой Ч. Дарвина и Уоллеса (A. R. Wallace) является открытие эволюционного значения отбора и разработка теории этого вопроса (см. Эволюционное учение).

Рис. 3. Типичная (внизу) и меланическая (вверху) формы бабочек — Biston betularia.
Отбор наследственно измененных форм является основным фактором видообразования. За последние 130 лет в некоторых областях Северной Европы и Северной Америки в связи с загрязнением окружающей среды появились темные формы бабочек, причем во многих из этих областей такие формы стали преобладать. Такого рода изменения цвета бабочек отмечены гл. обр. в р-нах с сильно развитой промышленностью, в частности в Англии. В 1848 г. темная форма бабочки Biston betularia составляла примерно 1% популяции, а в 1894 г. в том же р-не ее относительная численность уже превышала 99%. Такое явление «индустриального меланизма» связано, очевидно, с загрязнением лесов копотью в промышленных р-нах: типичные формы бабочек (светлые, с мелкими пятнышками) резче выделяются на покрытых копотью деревьях по сравнению с меланическими формами и чаще поедаются птицами. Следовательно, в загрязненных р-нах меланическая окраска оказывается защитной (рис. 3).
Высокая численность популяций насекомых — вредителей с.-х. растений обеспечивает достаточный резерв И. для того, чтобы у этих насекомых могли появиться линии, устойчивые к используемым против них ядам. При этом сплошная обработка инсектицидами обширных территорий создает мощный фактор отбора немногих устойчивых мутантов. Так, ДДТ и другие инсектициды в широких масштабах начали применять в 1944 г., а уже к 1960 г. было обнаружено более 120 видов насекомых, в т. ч. ок. 60 видов, имеющих мед. значение, которые обладали устойчивостью к ДДТ или другим инсектицидам. Описано много примеров физиол, устойчивости, связанной с выработкой разнообразных механизмов, препятствующих проникновению в организм насекомого инсектицида или его действию. Известно появление ряда штаммов микроорганизмов, высокоустойчивых к антибиотикам (см. Лекарственная устойчивость микроорганизмов). Это, в частности, связано с тем, что врачи нередко злоупотребляют антибиотиками, прописывая их в недостаточных дозировках в тех случаях, когда другие средства могли быть более эффективными.
Определение признака многими генами, т. е. полигенной системой, обусловливает высокую стабильность фенотипа. Напр., единичная мутация вряд ли серьезно нарушит проявление признака, зависящего от аддитивных эффектов генов 30 и более локусов. Отбор благоприятствовал выработке подобных систем, т. к. они уменьшают вредные последствия таких незначительных событий, как замена одной пары оснований в ДНК. С другой стороны, полигенные системы, характеризующиеся сравнительно малой И., обладают огромной потенциальной способностью к И. в результате различных комбинаций генов. Под действием отбора может происходить увеличение числа организмов с такими генотипами, которые при отсутствии отбора никогда не стали бы массовыми.
Полигенные системы являются важным механизмом поддержания равновесия между приспособленностью к условиям данного времени и гибкой приспособляемостью к медленным, длительным изменениям окружающей среды.
Основные категории И.— наследственная и модификационная — всегда присутствуют в гармоническом сочетании и важны для существования живых организмов. Если на основе первой из них отбор создает приспособительную норму реакции, то посредством второй категории И. наследственная норма реакции реализуется в конкретных условиях окружающей среды, обеспечивая целесообразное реагирование индивида на те или иные воздействия внешних факторов. Противники генетики в свое время навязывали биологии ламаркистское учение, согласно к-рому главным в развитии организмов является окружающая среда. Эта концепция подменяла внутренние причины развития внешними воздействиями среды.

Рис. 4. Изменение окраски гималайского кролика при различных температурных условиях: а — кролик, выращенный при температуре выше 30°; б — кролик, выращенный в нормальных условиях при температуре 25°; в — после помещения белого гималайского кролика в холодное помещение на месте выщипанных белых волос вырастают черные.
Несостоятельность доктрины «о решающей роли внешней среды» в развитии организмов сейчас очевидна. Однако неправильно было бы считать, что среда не играет никакой роли в развитии организма. Факторы окружающей среды нередко оказывают заметное влияние на проявление контролируемых генами признаков, что приводит к их усилению или ослаблению. При изучении влияния внешних факторов с целью управления развитием организмов следует прежде всего выявить те условия, в которых наиболее полно реализуются наследственные возможности. Так, типичная окраска гималайского кролика — белый с черным носом, ушами, хвостом и кончиками лапок — развивается при выращивании животного в помещении с температурой примерно 25° (рис. 4, б), а при температуре выше 30° кролик вырастает полностью белым (рис. 4, а). Если выщипать белые волосы и поместить кролика в холодное помещение, то вновь выросшие волосы будут черного цвета (рис. 4, в). Образование пигмента у сиамской кошки контролируется геном со сходной температурной зависимостью, т. е. этот ген обеспечивает продукцию пигмента при пониженной температуре. Поэтому, как и у гималайского кролика, у этого животного окрашены только наиболее выступающие части тела. Сиамские котята, растущие на холоде, темнее котят, развивающихся в теплом помещении. Если определенную разновидность Primula sinensis с красными цветками перенести в оранжерею и выращивать при высокой температуре и большой влажности, то через определенное время вновь расцветающие цветки будут белыми; если температуру понизить до 15—20°, то на этом же растении вновь появляются красные цветки.
Об отсутствии наследственных изменений в ходе данного опыта говорит тот факт, что семена от белых и красных цветков одинаково развиваются в растения, образующие красные цветки при низкой и белые цветки при высокой температуре. Следовательно, гены, контролирующие образование пигмента, не проявляют свои эффекты при высокой температуре. Особенно чувствительны к влиянию факторов окружающей среды культурные высокопродуктивные формы животных и растений. И. В. Мичурин в своей селекционной работе придавал этому большое значение. Гены, контролирующие так наз. количественные признаки (напр., рост, вес, частоту сердечных сокращений, величину артериального и венозного давления и т. п.), очень «отзывчивы» на факторы окружающей среды. Примером взаимодействия генотипа и экзогенных факторов в этиопатогенезе заболеваний человека может служить эмфизема легких, к-рая первично обусловлена наследственной недостаточностью альфа-антитрипсина. У гомозиготных людей развиваются эмфизематозные изменения в легких, и они, как правило, погибают в среднем возрасте. Ранее полагали, что гетерозиготные индивиды, выявляемые биохимически, не болеют. Однако позднее было установлено, что у гетерозиготных людей эмфизема все же возникает в тех случаях, когда их легкие подвергаются вредному воздействию (никотин, промышленные отходы в воздухе и т. п.).
Для определения этиологии тех или иных заболеваний и врожденных пороков развития у человека прежде всего необходимо выяснить, являются ли эти отклонения от нормы наследственными или они обусловлены тератогенами, т. е. ненаследственны. В случае наследственной природы того или иного дефекта следует определить соотносительное значение генетических факторов и среды в проявлении данного дефекта, т. к. для разработки методов терапии и профилактики наследственных аномалий важно знать не только их патогенез, но и возможности изменения проявления мутантного гена. Для изучения механизмов развития и для разработки методов лечения наследственных болезней могут быть с успехом использованы мутантные линии животных, имеющих с человеком сходные аномалии. Многие мутантные гены переведены на инбредные линии животных, что значительно облегчает выяснение роли наследственности и окружающей среды в возникновении той или иной аномалии. Проявление эффектов мутантных генов у высших организмов во многих случаях поддается изменению; это открывает большие возможности для разработки эффективных методов исправления наследственных аномалий на фенотипическом уровне, т. е. нормализация развития организма без изменения генотипа. С другой стороны, учитывая, что проявление эффектов генов зависит в большой степени от влияния средовых факторов, следует защитить развивающийся зародыш человека от повреждающего действия тератогенов, что может значительно снизить частоту ненаследственных врожденных уродств.
Изменчивость бактерий — см. Бактерии (генетика).
См. также Наследование, Наследственные болезни.
Библиография: Бочков Н. П. Генетикачеловека, М., 1978; Вавилов Н. И. Избранные сочинения, Генетика и селекция, М., 1966; Дубинин Н. П. Общая генетика, М., 1976, библиогр.; Конюхов Б. В. Биологическое моделирование наследственных болезней человека, М., 1969, библиогр.
Б. В. Конюхов.