CC BY
29УДК 575.167
Проблемы
генетической изменчивости человека в замкнутой экосистеме
Юницкий А.Э.1 2 Пятакова Т.И.2 Налётов И.В.2
Рассмотрены особенности существования человека в замкнутой экосистеме, лишённой взаимообмена веществами и энергией с внешней средой. При изучении учтены популяционные показатели динамики развития человека в условиях изоляции. Проанализированы теоретические аспекты процессов, протекающих внутри обособленной популяции (панмиксия, дрейф генов). Предложены возможные программы по искусственному поддержанию популяционных динамик в замкнутой экосистеме ЭкоКосмоДома (ЭКД).
1 ООО « Астроинженерные Ключевые слова:
технологии», замкнутая экосистема, популяция человека, полиморфизм,
г. Минск, Беларусь изменчивость, наследственные болезни, генофонд,
2 ЗАО «Струнные технологии», популяционная структура, наследственное разнообразие, г. Минск, Беларусь криоконсервация, ЭкоКосмоДом (ЭКД).
Введение
Одна из рассматриваемых концепций пребывания человека в ЭкоКосмоДоме (ЭКД) связана с постоянным проживанием в условиях замкнутой экосистемы, что в свою очередь приводит к возникновению изолированной популяции людей.
Популяция предполагает экологическую, морфофизио-логическую, генетическую целостность особей вида. В эволюционном процессе она считается единой, т. е. является независимой развивающейся структурой, элементарной эволюционной единицей.
Обычная популяция человека стремится к накоплению гетерозиготных признаков [1]. Подобное состояние признаков позволяет приобретать устойчивость к генетическим заболеваниям.
В настоящее время предоставляется всё больше научных обоснований, подтверждающих, что в будущем (в связи с необратимыми изменениями биосферы Земли) человеку придётся долгий период проводить в изоляции [2-4]. Это может происходить вследствие длительного пребывания в космических экспедициях или при необходимости жизни в замкнутых экосистемах (например, в ЭКД) в пределах земной орбиты, но вне земной биосферы [5].
При продолжительном существовании в замкнутых экосистемах люди столкнутся с рядом генетических факторов, таких как наследственные заболевания, дрейф генов, адаптация, изменчивость, и другими эволюционными процессами.
Научная новизна исследования - предложение создать генетический банк во избежание близкородственного скрещивания и для стремления популяции к гетерозиготному состоянию, т. е. к такому же развитию численности людей и их генетическому разнообразию, как и в условиях Земли.
Существование человека в рамках замкнутой экосистемы будет связано с двумя фундаментальными свойствами -наследственностью и изменчивостью.
Геномы всех людей имеют минимальные различия. Выраженное популяционное, этническое и индивидуальное разнообразие геномов обусловлено всевозможными рекомби-нантными изменчивостями, приводящими к генетическому полиморфизму.
Вариации первичной структуры наследственной информации, вызванные полиморфизмом, составляют основу уникального генетического портрета каждого человека и определяют его особый биохимический профиль. Крайними выражениями наследственной изменчивости
человека выступают наследственные болезни. Результатом полиморфизма, а также вариабельностью является предрасположенность каждого человека к тем или иным хроническим заболеваниям.
Цель данного исследования - изучение проблематики существования человека в условиях замкнутой экосистемы на уровне генетической информации и её наследственности; представление программы по эффективному поддержанию здоровой популяции в условиях замкнутой экосистемы.
Обзор литературы
Основная концепция полиморфизма
в популяции человека
Полиморфизм человека возникает в единой панмикс-ной популяции; он возможен при двух и более разных фенотипах. Фенотипические признаки популяции могут быть нормальными или аномальными.
Проявление полиморфизма внутри численности населения ЭКД будет проходить по четырём основным процессам: геномному, хромосомному, переходному и сбалансированному (рисунок 1) [6, 7].
На планете Земля численность населения характеризуется небольшими генетическими различиями как на уровне
популяции, так и для индивидуальных геномов. Генетическая вариабельность проявляется в виде кластеризации географически близких совокупностей родов, расселённых по всей территории земной суши [8].
Между собой люди в популяции различаются на 10-15 %. В ходе расселения под действием миграций, дрейфа генов и резких изменений эффективной численности биологических видов сформировались структуры генетического разнообразия [9, 10].
Помимо этого, естественный отбор определил генетическое разнообразие в мировом масштабе на протяжении всего времени существования человечества. Не менее важную роль сыграла и адаптация популяции к локальной среде обитания.
Многообразие и изменчивость
генофонда человека в замкнутой экосистеме
В популяцию входят особи как с доминантными, так и с рецессивными признаками, не находящимися под контролем естественного отбора. Согласно закону Г. Менделя доминантные признаки подавляют рецессивные; при расщеплении по фенотипу у потомков второго поколения, т. е. условно чистых линий, наблюдается превосходство по численности преобладающих показателей, что составляет 3/4 части. Однако в популяции, стремящейся к накоплению
Рисунок 1 - Стремление популяции человека к гетерозиготному состоянию: А - доминантный признак; а- рецессивный признак; Р- родители (р, Рп и т. д.)
гетерозиготных особей, доминантная аллель не может полностью вытеснить рецессивную. Данная закономерность рассматривается законом Харди - Вайнберга. Такая популяция характеризуется большой численностью, свободным скрещиванием (панмиксией), отсутствием мутаций и естественного отбора [11].
Проблема популяции, находящейся в замкнутой среде обитания, заключается в том, что закон Харди - Вайнберга имеет ряд исключений. Например, численность должна быть достаточно большой, теоретически - неограниченного размера. В популяции ЭКД это не представляется возможным. Значит, в небольшой замкнутой популяции нарушится соотношение особей с доминантными и рецессивными признаками; как следствие, постепенно будет происходить переход к гомозиготному состоянию.
Влияние элементарных эволюционных факторов на изменение генофонда численности человеческого населения сводится к действию мутационного процесса, миграциям, дрейфу генов, естественному отбору [8].
Рассматриваемые проблемы связаны с бесконечно долгим существованием человека в ЭКД. Человеческая популяция в замкнутой экосистеме будет изолированной. Такая обособленность приводит к родственным бракам, инбридингу и дрейфу генов, что влечёт за собой проявление рецессивных патологических генов в гомозиготном состоянии и способствует увеличению смертности.
В популяциях земной биосферы этого удаётся избежать за счёт миграции и ряда других факторов.
Миграцию рассматривают как один из основных факторов динамики, изменяющих уровень генетического разнообразия в популяционной генетике [12]. Особо близкая к ЭКД модель популяционной структуры - «островная» - представляет собой совокупность частично изолированных популяций, обменивающихся мигрантами (модель «изоляты»). Схожим способом объединён с демографическими параметрами показатель инбридинга. Следовательно, с одной стороны, усиление миграции между субпопуляциями понижает уровень межпопуляционного разнообразия, а с другой - путём сокращения частоты аутосомно-рецессивных патологий понижает инбридинг и уровень генетического багажа в популяции, не касаясь частностей.
Если рассматривать городские популяции, большое влияние на них оказывает такой фактор, как переселение в отдалённые города, которого жители ЭКД будут лишены. Миграция увеличивает не только численность, но и наследственное разнообразие популяции. Интенсивность перемещений и качественный состав мигрантов влияют на изменения генофонда, происходящие за одно поколение. Чем выше доля мигрантов и чем больше различия между ними и коренным населением, тем значительнее генетический эффект.
В замкнутой популяции ЭКД число мигрантов можно заменить генетическим материалом из генбанка (рисунок 2).
+
О
п
Ооциты
+
Сперматозоиды
Рисунок 2 - Схема движения генетической информации в замкнутой популяции ЭКД
Отбор генетического материала в каждом поколении популяции человека позволит сохранить равновесие доминантных и рецессивных признаков, а также тенденцию к поддержанию гетерозиготного состояния численности. Для того чтобы избежать близкородственного скрещивания и получить наиболее разнообразные генотипы, отобранный генетический материал можно задействовать только после сотого поколения. До момента применения отобранного генетического материала всех предыдущих поколений ЭКД предполагается использование заранее созданного генбанка, взятого (согласно определённым критериям и признакам) из различных популяций человека на планете Земля.
Наследственные болезни человека
При аутосомно-доминантном типе наследования проявление гена в гетерозиготном состоянии чаще встречается у женщин, причём сразу в первом поколении. По такому типу наследуются веснушки, брахидактилия, катаракта, хрупкость костей, хондродистрофическая карликовость, полидактилия. Кроме этого, наследуются такие признаки, как пигментный дерматоз, кератоз, пузырчатость стоп ног, коричневая эмаль зубов.
При мутации признаков, сцепленных с полом, фенотип проявляется только в гомозиготном (рецессивном) состоянии генов у лиц обоих полов (чаще у мужчин). Как правило, у здоровых родителей, но носящих рецессивный ген, рождаются больные дети с вероятностью 50 %. При этом больны будут только мальчики, а девочки с вероятностью 50 % окажутся носителями рецессивного гена. Однако признак проявляется не в каждом поколении. Таким образом наследуются гемофилия, мышечная дистрофия Дюшена, дальтонизм, миопатия и др. При У-сцепленном типе больны только мужчины. Данные признаки определяются голан-дрическими генами (например, гипертрихоз, азооспермия, ихтиоз) [13, 14].
Частота заболеваний прямо обусловлена разницей в частотах аллелей в популяции. Дрейф генов и эффекты родительских признаков - главные факторы популя-ционной динамики, формирующие картину популяцион-ных различий в отягощённости наследственных болезней [15]. При стабильной численности популяции ведущую роль играет дрейф генов. Резкие изменения эффективной численности (популяционные волны) усиливают роль дрейфа генов.
Значение естественного отбора в дифференциации популяции по генам наследственных болезней в целом
невелико, поскольку мутации, порождающие наследственные болезни, снижают приспособленность больных независимо от их этнического или географического происхождения. Однако мутации могут приводить и к положительным эффектам, таким как появление устойчивости к болезням. Частота возникновения такого приобретённого свойства равна 2 % случаев мутаций [16, 17].
В распространённости наследственных болезней роль дрейфа генов и эффекта основателя хорошо объясняет накопление некоторых форм наследственной патологии в отдельных популяциях. Известно более 20 наследственных болезней (в основном аутосомно-рецессивных) у населения, проживающего на Скандинавском полуострове, частота которых значительно выше, чем в любых других популяциях. Феномен накопления наследственных болезней в данной местности связывают с эффективным дрейфом, долговременной генетической изоляцией и высоким коэффициентом инбридинга [18]. У части европейских жителей описано минимум два десятка болезней, возникающих с высокой частотой [19].
Общие структуры генетического разнообразия современного человека сформировались в ходе расселения под действием миграций, дрейфа генов и резких изменений эффективной численности населения. Роль естественного отбора для отдельных участков генома незначительна как в формировании генетического разнообразия в глобальном масштабе (например, по генам иммунного ответа или пигментации кожи), так и при адаптации популяции к локальным условиям среды (например, по генам метаболизма веществ, поступающих с пищей).
В генофондах преобразование популяции протекает под воздействием комплекса эволюционных факторов. Важное значение имеет естественный отбор, а также давление мутаций. Если конкретный аллель поддерживается естественным отбором, то носители данного ал-леля (как наиболее адаптированные) характеризуются предпочтительным размножением. Отбор вытесняет все без исключения прочие аллели. Естественный отбор в человеческой популяции функционирует в равной степени против и гомозигот (доминантных и рецессивных), и гетерозигот.
Популяция человека в ЭКД будет лишена не только естественного отбора, но и других эволюционных факторов - мутационного процесса, миграций, дрейфа генов. Для того чтобы предотвратить в замкнутой популяции накопление вышеперечисленных и других наследственных заболеваний, необходимо поддерживать изменение генофонда за счёт генетического банка.
Программа генетического движения популяции
Важно, чтобы движение популяции не прекращалось. Соответственно, следует создать банк генетического материала, который позволит решить ряд проблем, возникающих с притоком и оттоком генетической информации в численности населения. Данный подход обусловлен
следующей причиной: согласно проведённым генетическим расчётам на основе 16 особей (первое поколение), из которых восемь - женского пола, восемь - мужского, при скрещивании между собой в итоге к пятому поколению остаётся единственный представитель (рисунок 3).
На рисунке 4 показано, что при скрещивании двух родителей, носящих ген альбинизма, происходит стандартное
§ № §§ §§ Й № М II
I
Рисунок 3 - Схема, демонстрирующая проблему популяции человека в замкнутой экосистеме:
Р- родители (р, Р2, Р3 и т. д.)
А
Р{. Аа х Аа АА х Аа
в: А а А а А А а
Г: 1АА 2Аа 1аа АА Аа
Р'е Аа х АА
в: А а А
Г: АА Аа
Рз. АА х АА
в: А А
Гз: АА
§
V
§
Рисунок 4 - Схема, демонстрирующая признак, наследуемый в аутосомах: А - нормальный пигмент кожи (доминантный признак); а - альбинизм (рецессивный признак); Р- родители (р, Р2, Р3 и т. д.); Г- поколение (Г, Г2, Г3 и т. д.); в- гаметы
расщепление по генотипу, описанному во втором законе Менделя. Однако при скрещивании двух родителей, один из которых является носителем гена, а второй - здоров, наблюдаем, как поколение стремится к накоплению гомозиготных признаков. Важно уточнить, что альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу наследования.
Исходя из приведённых выше расчётов, можно утверждать: к сотому поколению произойдёт смешение генетического материала, что повлечёт за собой накопление гомозиготных признаков среди населения ЭКД.
Отбор генетического материала (сперматозоидов и ооцитов - клеток-предшественников гаплоидных
половых клеток человека) и его криоконсервация помогут избежать в первом и последующих поколениях близкородственного скрещивания и поддержать тенденцию гетерозиготного состояния популяции. У первого поколения, поселившегося в ЭКД, сразу будут взяты тотипотентные стволовые клетки и переданы в генетический банк ЭКД (рисунок 5).
Генбанк начнёт действовать со второго поколения, у которого также будет производиться отбор генетического материала для криоконсервации и использования клеток в искусственном оплодотворении сотого поколения, проживающего в ЭКД.
Сбор генетической информации в генбанк
Ооциты Сперматозоиды
-А7
Ооциты Сперматозоиды
'47
Сбор генетической информации в генбанк
Сбор генетической информации в генбанк
Ооциты
Сперматозоиды
•Ж
Сперматозоиды
Рисунок 5 - Роль генбанка человеческой наследственной информации в замкнутой экосистеме:
Р- родители (Р, Р2, Р3 и т. д.)
Человечеством используются генетические банки для искусственного оплодотворения при лечении мужского и женского бесплодия [20]. Наличие хранилищ генетического материала позволит избежать наследственных заболеваний, дрейфа генов, адаптации, борьбы за существование, изменчивости и других эволюционных факторов.
Отобранный у первых жителей ЭКД материал будет задействован только после сотого поколения для получения наиболее разнообразных генотипов внутри популяции закрытой экосистемы. До сотого поколения предполагается использование хранящегося в генбанке ЭКД заранее заготовленного генетического материала, взятого из различных популяций человека на планете Земля.
Каждое последующее поколение ЭКД, начиная со второго, должно применять генетический банк как источник создания здорового и прогрессивного потомства, а также вносить свои тотипотентные стволовые клетки для пополнения генетического разнообразия банка.
Согласно методам криоконсервации при быстрой заморозке яйцеклеток (витрификации ооцитов), в отличие от медленной, кристаллам льда не удаётся образоваться на поверхности и внутри яйцеклеток. В результате данный генетический материал (98 %) сохраняет свои жизненные свойства.
Срок резервации яйцеклеток в замороженном виде не оказывает отрицательного влияния на их жизнеспособность. Повреждение может произойти только на этапе заморозки или оттаивания. Рекомендованный период заморозки яйцеклетки составляет 5-7 лет.
Точный период сохранения жизнеспособности сперматозоидов ещё не выяснен. На сегодняшний день самый долгий срок их криоконсервации - 21 год. При использовании подобных сперматозоидов наблюдалось удачное оплодотворение яйцеклетки с последующей здоровой беременностью [21].
Выводы
и дальнейшие направления исследования
В результате анализа научных исследований всесторонне оценена вероятность возникновения гомозиготного движения популяции человека в ЭКД.
Биологический эффект отдельных мутаций или полиморфизмов в отношении болезни, как правило, стабилен и не зависит от расового, этнического или географического контекста. При этом сила эффекта, т. е. относительный вклад маркера в болезнь или риск её развития, может значительно варьироваться на популяционном и индивидуальном уровнях по причине различного генетического (гаплоти-пического) окружения, модифицирующих взаимодействий «ген - ген» и «ген - среда».
Следовательно, появление мутаций в ходе естественного отбора неизбежно, если в популяцию не будет поступать новая генетическая информация. Это важно для эво-люционно стабильного развития всех без исключения популяций, включая животных и растения. Исходя из вышеизложенного, внесено предложение о создании генбан-ка человека; подобный подход позволит решить проблемы с генетической информацией. Для формирования генбанка предлагается вести отбор генетического материала и производить его криоконсервацию, что является необходимостью в целях поддержания бесконечно долгого существования человека в замкнутой экосистеме ЭКД.
В последующих исследованиях созданная схема движения генетической информации в замкнутой популяции ЭКД будет совершенствоваться для дальнейшей реализации и включения в масштабный проект построения Эко-КосмоДома, что обеспечит стабильную жизнь как человека, так и всех представителей позвоночной фауны планеты. К растениям планируется применить двойной метод сохранения генетической информации - крионику калусных
тканей и сбережение гаплоидных половых клеток. Кроме того, исследования будут направлены на решение вопросов, связанных с хранением генетической информации в замкнутых популяциях, а также затрагивающих необходимый обмен и способы внедрения генбанка в замкнутые экосистемы.
Литература
I. Брусницина, В.Ю. Генетический полиморфизм и эндоме-триоз (обзор литературы)/В.Ю. Брусницина //Вестник Уральской медицинской академической науки. - ZOO9. -N 4 (Z/). - С. /-IO.
Z. Юницкий, А.Э. Исторические предпосылки программы Space Way как единственного пути устойчивого развития цивилизации технократического типа /А.Э. Юницкий // Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, ZI июня ZOI9 г. / Астроин-женерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. -Минск: Парадокс, ZOI9. - С. Z3-Z9.
3. Эдельброк, ЭХА. Kмпания SpaceBorn United: планируемые миссии по зачатию человека и родам в космосе / Ж.А. Эдельброк // Воздушно-космическая сфера. -ZOI9. - N° 4 (IOI). - С. Zß-3ß.
4. Kичевский, С.В. Искусственная гравитация для людей в космосе: эволюция идей, технологий, проектов / С.В. Kичевский // Воздушно-космическая сфера. -ZOZO. - N 3 (IO4). - С. IO-ZI.
5. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Осмосе: науч. издание/АЭ. Юницкий. - Силакрогс ПНБ принт, ZOI9. - 5/ß с: ил.
ß. Глотов, O.Ü. Генетический полиморфизм и старение / O.O. Глотов, B.C. Баранов//Успехи геронтологии. - ZOO/. -Т. ZO, N Z. - С. 35-55.
/ Cavalli-Sforza, L.L. The Genetics of Human Populations / L.L. Cavalli-Sforza, W.FBodmer. - San Francisco: W.H. Freeman, I9/I. - 9ß5 p.
B. Генетический полиморфизм иммуногенной сигнальной системы/Цыган В.Н. [и др.]//Журнал инфектологии. -ZOII. - Т. 3, N Z. - С. ZI-Z/.
9. Qidwai, T. Chemokine Genetic Polymorphism in Human Health and Disease / T. Qidwai// Immunology Letters. -ZOIß. - Vol. I/ß. - P IZe-I3e.
10. Oдинокова, OR ДНK-диагностика и медико-генетическое консультирование при муковисцидозе в сибирском
регионе / О.Н. Одинокова, Л.П. Назаренко // Генетика человека и патология: сб. науч. тр. VIII конф., Томск, 28-30 нояб. 2007г. /Науч.-исслед. ин-тмед. генетики. -Томск: Печатная мануфактура, 2007. - Вып. 8. - С. 173-178.
11. Гриненко, Г.Н. Генетика популяций. Закон Харди -Вайнберга / Г.Н. Гриненко // Методист. - 2018. - № 8. -С. 43-45.
12. Slatkin, M. The Use of Intraallelic Variability for Testing Neutrality and Estimating Population Growth Rate / M. Slatkin, G. Bertorelle // Genetics. - 2001. - Vol. 158, No. 2. - P. 865-874.
13. Генетическая структура и наследственные болезни чувашской популяции/под ред. Е.К. Гинтера. - Чебоксары: Пегас, 2006. - 232 с.
14. Jobling, M.A. Human Evolutionary/M.A. Jobling, M.E. Hurles, C. Tyler-Smith. - New York: Garland Science, 2004. - 523 p.
15. Wiuf , C. Do AF508 Heterozygotes Have a Selective Advantage? / C. Wiuf // Genetics Research. - 2001. - Vol. 78, No. 1. - P. 41-47.
16. De la Chapelle, A. Disease Gene Mapping in Isolated Human Populations: The Example of Finland/ A. De la Chapelle // Journal of Medical Genetics. -1993. - Vol. 30. - P 857-865.
17. Peltonen, L. Messages from an Isolate: Lessons from the Finnish Gene Pool / L. Peltonen, P. Pekkarinen, J. Aaltonen // Biological Chemistry Hoppe-Seyler. -1995. -Vol. 376. - P. 697-704.
18. Kedar-Barnes, I. The Jewish People: Their Ethnic History, Genetic Disorders and Specific Cancer Susceptibility / I. Kedar-Barnes, R. Paul // Familial Cancer. - 2004. -Vol. 3. - P 193-199.
19. Masel, J. Genetic Drift/J. Masel//Current Biology. - 2011. -Vol. 21, No. 20. - P. R837- R838.
20. Нетеса, Д. Как это устроено: банки спермыi, донорство и применение биоматериала [Электронный ресурс] / Д. Нетеса. - 2017. - Режим доступа: https://letidor.ru/ zdorove/kak-eto-ustroeno-banki-spermy-donorstvo-i-primenenie-biomateriala.htm. - Дата доступа: 15.06.2021.
21. Кечиян, К.Н. Криоконсервация в репродуктологии: зачем нужна заморозка яйцеклеток, спермыi, эмбрионов и сколько стоит процедура? [Электронны>1й ресурс] / КН. Кечиян. - 2018. - Режим доступа: https://www.kp.ru/ guide/kriokonservatsija-spermy-iembrionov-i-jaitse-kletok.html. - Дата доступа: 15.06.2021.
