История генетики человека

Подготовка  к семинару

Класс делится на четыре группы (по числу рассматриваемых  проблем). Каждой группе примерно за 1 месяц до проведения семинара дается для проработки одна из тем семинара с примерным планом и рекомендуемая литература.

Темы семинара и круг вопросов к ним

1. Методы изучения генетики  человека: генеалогический; близнецовый;  цитогенетический; биохимический; популяционный.

2. Медицинская генетика: наследственные болезни и их  причины; лечение наследственных  болезней. Можно ли предсказать наследственные болезни? Медико-генетические лаборатории; медико-генетическая служба в г. Екатеринбурге.

3. Биологическое и социальное  в человеке: человек общественное  животное. Наследуются ли способности?  Можно ли создать «сверхчеловека»?  Евгеника: действует ли естественный отбор в человеческом обществе? Роль среды в развитии личности.

4. Этические проблемы  генетики: генная инженерия; коррекция  пола; пересадка органов; клонирование; уродства; генетика и криминалистика.

Рекомендуемая литература

Биологический энциклопедический словарь. 
Рувинский А.С. Общая биология. 
Беляев Д.Н. Общая биология. 
Полянский Д.И. Общая биология. 
Новоженов Ю.И. Филетическая эволюция. 
Новоженов Ю.П. Статус-икс и эволюция человека. 
Эфроимсон В.П. Генетика этики и эстетики. 
Эфроимсон В.П. Введение в медицинскую генетику. 
Рязанова Л.Д. Учителю о медико-генетическом консультировании. 
Акуличева Л.В. Генетика (сборник статей, пер. с фр.). 
Сойфер В. Арифметика наследственности. 
Киселева З.С. Методика преподавания факультативного курса по генетике. 
Барабанщиков Б.И. Хрестоматия по генетике. 
Полканов Ф. Мутант-5. 
Соколовская Б.Х. Молекулярная биология и генетика. 
Матузный В.Л. Биология. 
Мамонтов С.Г. Биология (справочник). 
Кемп П., Армс К. Введение в биологию. 
Лучник Н.В. Почему я похож на папу? 
Штерн. Основы генетики человека. 
Полканов Ф. Мы и ее величество ДНК. 
Канаев С.Л. Близнецы и генетика. 
Дубинин В.Н. Нить жизни. 
Соколов В.П. Наследственные болезни человека. 
Ивин С.Н. Тайники жизни. 
Эфроимсон В.П. Загадки гениальности. 
Кларин М.В. Инновационные модели обучения в зарубежных педагогических поисках.

Семинар проводится на спаренном  уроке. Регламент выступления каждой группы – 12 мин. За это время учащиеся излагают собранную информацию, отвечают на заданные вопросы (можно пользоваться литературой, имеющейся на семинаре).

В конце семинара при подведении итогов группы сами оценивают свою работу. Оцениваются выступление  и участие в дискуссии, умение выбрать главное, задать вопрос и  ответить на вопрос.

Ход семинара

Вступительное слово учителя. Генетика человека, быстро развиваясь в последние десятилетия, дала ответы на многие из давно интересовавших людей вопросы: от чего зависит пол ребенка? Почему дети похожи на родителей? Какие признаки и зaбoлeвaния нacлeдуютcя, а какие – нет, почему люди так не похожи друг на друга, почему вредны близкородственные браки? 
Интерес к генетике человека обусловлен несколькими причинами. Во-первых, это естественное стремление человека познать самого себя. Во-вторых, после того как были побеждены многие инфекционные болезни – чума, холера, оспа и др., – увеличилась относительная доля наследственных болезней. В-третьих, после того как были поняты природа мутаций и их значение в наследственности, стало ясно, что мутации могут быть вызваны факторами внешней среды, на которые ранее не обращали должного внимания. Началось интенсивное изучение воздействия на наследственность излучений и химических веществ. С каждым годом в быту, сельском хозяйстве, пищевой, косметической, фармакологической промышленности и других областях деятельности применяется все больше химических соединений, среди которых используется немало мутагенов.  
Сегодня мы рассмотрим несколько основных проблем генетики человека.

Методы  изучения генетики человека

(выступление  1-й группы)

Генеалогический метод состоит в изучении родословных на основе менделевских законов наследования и пoмoгaeт установить характер наследования признака (доминантный или рецессивный). 
Так устанавливают наследование индивидуальных особенностей человека: черт лица, роста, группы крови, умственного и психического склада, а также некоторых заболеваний. Например, при изучении родословной королевской династии Габсбургов в нескольких поколениях прослеживаются выпяченная нижняя губа и нос с горбинкой. 
Этим методом выявлены вредные последствия близкородственных браков, которые особенно проявляются при гомозиготности по одному и тому же неблагоприятному рецессивному аллелю. В родственных браках вероятность рождения детей с наследственными болезнями и ранняя детская смертность в десятки и даже сотни раз выше средней.

Составила А.А. Медведева

Близнецовый метод состоит в изучении различий между однояйцевыми близнецами. Этот мeтoд предоставлен самой природой. Он помогает выявить влияние условий среды на фенотип при одинаковых генотипах.  
Выросшие в одинаковых условиях однояйцевые близнецы имеют поразительное сходство не только в морфологических признаках, но и в психических и интеллектуальных особенностях. 
С помощью близнецового метода выявлена роль наследственности в ряде заболеваний.

Популяционный метод. Популяционная генетика изучает генетические различия между отдельными группами людей (популяциями), исследует закономерности географического распространения генов.

Цитогенетический метод основан на изучении изменчивости и наследственности на уровне клетки и субклеточных структур. Установлена связь ряда тяжелых заболеваний с нарушениями в хромосомах. 
Хpoмocoмные нарушения встречаются у 7 из каждой тысячи новорожденных, и они же приводят к гибели эмбриона (выкидыш) в первой трети беременности в половине всех случаев. Если ребенок с хромосомными нарушениями рождается живым, то обычно страдает тяжелыми недугами, отстает в умственном и физическом развитии.

Биохимический метод позволяет выявить многие наследственные болезни человека, связанные с нарушением обмена веществ. Известны аномалии углеводного, аминокислотного, липидного и других типов обмена веществ. 
Так, например, сахарный диабет обусловлен нарушением нормальной деятельности поджелудочной железы – она не выделяет в кровь необходимое количество гормона инсулина, в результате чего повышается содержание сахара в крови. Это нарушение вызывается не одной грубой ошибкой в генетической информации, а целым набором небольших ошибок, которые все вместе приводят или предрасполагают к заболеванию.

Вывод

Законы Менделя  применимы к человеку. Однако при  изучении генетики человека возникают  определенные трудности, вызванные:

– невозможностью применения основного генетического  метода контрольных скрещиваний; 
– редкой сменой поколений; 
– малочисленным потомством; 
– большим числом хромосом; 
– поздним половым созреванием.

С другой стороны, строение и физиология человека изучены  гораздо полнее, чем у растений и животных; изучены многие наследственные болезни.

Учитель. Изучением наследственных заболеваний занимается медицинская генетика. Эту проблему разрабатывала 2-я группа.

Медицинская генетика

(выступление  2-й группы)

Наследственные болезни и их причины. Наследственные болезни могут быть вызваны нарушениями в отдельных генах, хромосомах или хромосомных наборах. 
Хромосомные болезни возникают при изменении структуры хромосом: удвоении или выпадении участка хромосомы, повороте участка хромосомы на 180°, перемещении участка хромосомы на негомологичную хромосому. 
Впервые связь между аномальным набором хромосом и резкими отклонениями от нормального развития была обнаружена в случае синдрома Дауна. Симптомы этого заболевания: низкий рост, короткопалые и короткие руки и ноги, характерный разрез глаз, аномалии многих внутренних органов, специфическое выражение лица, умственная отсталость. Болезнь Дауна встречается в 1 случае на 500–800 новорожденных. Изучение кариотипа больных синдромом Дауна показало наличие в хромосомном наборе дополнительной 21-й хромосомы, т.е. трисомию по этой хромосоме. 
Частота хромосомных мутаций у человека велика и является причиной до 40% нарушений здоровья у новорожденных. В большинстве случаев хромосомные мутации возникают в гаметах родителей. Химические мутагены и ионизирующие излучения повышают частоту хромосомных мутаций. В случае синдрома Дауна отмечена зависимость между вероятностью рождения больных детей и возрастом матери – она возрастает в 10–20 раз после 35–40 лет.  
Помимо хромосомных нарушений, наследственные болезни могут быть обусловлены изменениями генетической информации непосредственно в генах.  
Наиболее часто встречаются генные, или точковые, мутации, связанные с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Они могут оставаться незамеченными в гетерозиготном состоянии, например Аа, и проявляться фенотипически, переходя в гомозиготное состояние – аа. 
Наследование, сцепленное с Х-хромосомой, проявляется в отсутствие передачи гена по мужской линии: Х-хромосома от отца не передается сыновьям, но передается каждой дочери. Например, гемофилия (несвертываемость крови) наследуется как рецессивная, сцепленная с Х-хромосомой мутация. Пример ее наследования можно проследить по родословной потомков английской королевы Виктории. У женщин фенотипическое проявление гемофилии возможно в случае гомозиготности по рецессивному гену гемофилии, что маловероятно. 
Такие заболевания, как, например, наследственная дистрофия зрительного нерва (нейропатия Лебера), передаются по наследству только по материнской линии, однако связаны не с повреждением генетической информации Х-хромосомы, а с мутациями генов митохондрий. Митохондрии передаются потомкам с яйцеклеткой, поэтому их дефекты наследуются только по материнской линии.

Лечение наследственных болезней. Эффективных средств лечения наследственных болезней пока не существует. Однако существуют методы лечения, облегчающие состояние больных и улучшающие их самочувствие. Они основаны главным образом на компенсации дефектов метаболизма, обусловленных нарушениями в геноме.  
При наследственных аномалиях обмена веществ больному вводят не образующиеся в организме ферменты или исключают из пищевого рациона продукты, которые не усваиваются организмом из-за отсутствия необходимых ферментов.  
При сахарном диабете в организм вводят инсулин. Это позволяет больному диабетом нормально питаться, однако не устраняет причины болезни.

Можно ли предупредить наследственные болезни? Пока это не представляется возможным. Однако ранняя диагностика позволяет либо избежать рождения больного ребенка, либо своевременно начать лечение, что во многих случаях дает положительные результаты. Так, например, при раннем лечении синдрома Дауна 44% больных доживают до возраста 60 лет, во многих случаях ведя практически нормальный образ жизни.  
Для ранней диагностики применяют различные методы. Обычно, если стандартные методы обследования дают основания предполагать наследственные нарушения у эмбриона, применяют метод амниоцентеза – анализа клеток эмбриона, всегда имеющихся в околоплодной жидкости.

Медико-генетические лаборатории. Знание генетики человека позволяет определять вероятность рождения детей, страдающих наследственными болезнями, в случаях, когда один или оба супруга больны или оба родителя здоровы, но наследственные заболевания встречались у их предков. В ряде случаев возможно прогнозирование рождения здорового второго ребенка, если первый был болен. 
Такое прогнозирование осуществляется в медико-генетических лабораториях. Широкое использование медико-генетических консультаций избавит многие семьи от несчастья иметь больных детей.

В медико-генетической службе Екатеринбурга ведется клинико-диагностический консультативный прием, где оценивается фенотип больного, составляется родословная, определяется группа наследственных заболеваний (генное или хромосомное заболевание). В случае необходимости оценивается риск рождения ребенка с наследственной патологией.  
Есть лаборатории цитогенетики и биохимии. Их задача подтвердить или опровергнуть наличие хромосомных заболеваний у пробанда. 
Проводится пренатальное и постнатальное обследование. Дать точный ответ о наличии генного заболевания могут методы ДНК-зондовой диагностики.

Вывод

Знание законов  генетики позволяет предупредить наследственные болезни или ослабить их проявление.

Учитель. Знание генетики позволяет понять эволюцию человека и то, как реализуется генетическая программа человека в зависимости от условий окружающей среды и взаимодействия с социальными факторами. Эту проблему исследует 3-я группа.

Биологическое и социальное в человеке

(выступление  3-й группы)

Средняя продолжительность  жизни:

неандертальцы – 14 лет; 
римляне – 22 года; XX в. – с 33 до 73 лет; 
Россия, 1996 г.: ж. – 73; м. – 58 лет.

Социальное. Труд и речь развивались одновременно. Культура – это то, что одно поколение передает другому (в генах этого нет). Эволюция человека сопровождалась накоплением информации, одновременно с этим шло развитие мозга.

Биологическое. Естественный отбор был для человека движущим, пока шло видообразование. Сейчас естественный отбор стабилизирующий. Он сместился на ранний внутриутробный период жизни: увеличилась гибель эмбрионов, усложнились роды. 
Человек качественно отличается от животных. Как социальное существо человек есть продукт истории, как часть природы – биологическое явление. Развитие человека происходит на основе единства биологического и социального. Ребенок рождается подготовленным биологической эволюцией к такому развитию. 
Реализация генетической программы человека зависит от взаимодействия с социальными факторами.

Наследуются ли способности? Ученые считают, что в каждом человеке есть зерно таланта. Талант развивается трудом. Генетически человек по своим возможностям богаче, но не реализует их полностью в своей жизни. 
До сих пор еще нет методов выявления истинных способностей человека в процессе его детского и юношеского воспитания, а потому часто и не предоставляются соответствующие условия для их развития.

Можно ли создать «сверхчеловека»? Идея создания «суперлюдей» возникала в истории неоднократно. Например, прусский король Фридрих Вильгельм задумал издать декрет (но не успел его подписать, умер): женить гренадеров на самых рослых и красивых девушках, чтобы их дети могли пополнить армию его величества.  
Гитлер решил создать поколение чистокровных арийцев (операция «Либенсборн»). Эта программа была призвана не только увеличить численность избранных, которым предстояло завоевать мир, но и сделать более весомым «арийский компонент» в немецком народе.  
С 1935 по 1945 г. пункты «Либенсборна» населяли около 200 тыс. женщин, отобранных по стандарту: голубые глаза, белокурые волосы, широкие бедра. По данным адвокатов Нюрнбергского процесса, здесь родилось около 12 тыс. детей (данные занижены, т.к. документы уничтожены). Через 20 лет после войны собранные сведения показали, что общий итог этой программы явно отрицателен: рождаемость в «очагах жизни» была низкой, детская смертность высокой, повышен показатель уродств, физических и психических недостатков. У выживших не было каких-то необычных достоинств.  
Калифорнийский миллионер Роберт Грэм решил положить начало выведению «суперлюдей», создав «хранилище отборного наследственного материала», где в пронумерованных контейнерах с жидким азотом предполагалось коллекционировать сперму лауреатов Нобелевских премий и «чистых», с медицинской точки зрения, ученых. Генетический дар их должен был стать в будущем основой общества. Но многие лауреаты Нобелевской премии отнеслись к этому отрицательно.

Евгеника определяется как учение о «предупреждении ухудшения наследственности человека». Ее цель – разработка методов уменьшения числа нежелательных мутаций, искоренения наследственных болезней. Однако на этой основе вполне возможно развивать теории о чистоте и превосходстве одной нации над другой. 
Реакционные положения евгеники сформулированы английским антропологом Ф.Гальтоном. Он считал, что не существует природного равенства между расами и нациями и что неравенство людей связано не с социальными причинами, а с биологическими, т.к. есть расы и нации, обладающие генами, обеспечивающими их превосходство. В 1930–40-е гг. фашисты использовали расистские аспекты евгеники для обоснования идей о превосходстве арийской расы и биологической неполноценности остальной части человечества. Реализация этих идей стоила миллионов человеческих жизней.

Действует ли естественный отбор в  человеческом обществе? История человечества – это изменение генетической структуры популяций вида Homo sapiens под воздействием биологических и социальных факторов. Войны, эпидемии изменяли генофонд человечества. Естественный отбор за последние 2 тыс. лет не ослабел, а только изменился: на него наслоился отбор социальный. 
Появление второй сигнальной системы является продуктом естественного отбора в условиях социума. 
Возникновение вредных мутаций ограничивает размножение человека. Установлено, что 50% зародышей погибают на ранней стадии развития. Около 2–3% родившихся поражены наследственными болезнями, 12–15% беременностей заканчивается выкидышем, в 2% случаев рождаются мертвые дети. 
Это свидетельствует о том, что естественный отбор человека стабилизировался и сместился на ранний внутриутробный период.

Роль среды в развитии личности. Установлено, что наличие некоторых способностей человека (например, музыкальности, математического мышления и др.) определяется наследственными факторами. Их проявление определяется социальной средой, под влиянием которой и формируется в человеческом обществе личность. 
Американские ученые изучали влияние внешних факторов на эмбрион в утробе матери, в частности, на умственную деятельность плода, и пришли к выводу, что уже в 4 месяца он способен воспринимать все чувства матери. Поэтому чем интереснее ее жизнь, тем лучше развивается нервная система плода.  
При резких громких звуках он испытывает страх, нежная мелодичная музыка оказывает благотворное воздействие.

Вывод

На проявление наследственных признаков оказывает  влияние среда.

Учитель. Человек в XXI в. уже знает многие тайны природы и может управлять процессами, ранее ему неподвластными. Но следует ли это делать? Этой проблемой занималась 4-я группа.

Этические проблемы генетики

(выступление  4-й группы)

Генная инженерия использует важнейшие открытия молекулярной генетики для разработки новых методов исследования, получения новых генетических данных, а также в практической деятельности, в частности в медицине. 
Ранее вакцины изготовляли только из убитых или ослабленных бактерий или вирусов, способных вызывать у человека выработку иммунитета за счет образования специфических белков-антител. Такие вакцины приводят к выработке стойкого иммунитета, но у них есть и недостатки. Например, нельзя быть уверенным, что вирус в достаточной степени инактивирован. Известны случаи, когда вакцинный штамм вируса полиомиелита за счет мутаций превращался в опасный, близкий к обычному вирулентному штамму.  
Безопаснее вакцинировать чистыми белками оболочки вирусов – они не могут размножаться, т.к. у них нет нуклеиновых кислот, но вызывают выработку антител. Получить их можно методами генной инженерии. 
Уже создана такая вакцина против инфекционного гепатита (болезни Боткина) – болезни опасной и трудноизлечимой. Ведутся работы по созданию чистых вакцин против гриппа, сибирской язвы и других болезней.

Забор крови из пуповины, связывающей  плод с плацентой 
для создания запаса крови с зародышевыми клетками. 
Последние используются при лечении лейкемии

Коррекция пола. Операции по коррекции пола в нашей стране начали делать около 30 лет назад строго по медицинским показаниям.  
Заболевание гермафродитизмом известно науке давно. По статистике, у нас в стране оно составляет 3–5 случаев на 10 тыс. новорожденных. В основе этой патологии лежат нарушения в генах и хромосомах. Эти нарушения могут вызывать мутагенные факторы (загрязнение окружающей среды, радиоактивность, алкоголь, курение и т.д.).  
В лечении принимают участие врачи разных специальностей: эндокринологи, психиатры, педиатры, но главная роль принадлежит хирургам. Диагноз должен быть поставлен еще в родильном доме или на первом году жизни, но иногда операции проводятся в 15–20 лет. 
Операции по коррекции пола сложны, многоэтапны. Обследования длятся месяцами, разрешение на операцию дает Минздрав – это исключает смену пола у гомосексуалистов, психически неполноценных людей. Разрешение надо получить и от МВД – не одному рецидивисту приходила мысль измениться до неузнаваемости. 
Транссексуализм – заболевание, которое невозможно лечить, больного нельзя перевоспитать. Одна из его причин может состоять в том, что на ранних стадиях внутриутробного развития происходит нарушение структур мозга, ответственных за правильное половое поведение. Родившийся ребенок психически нормален, но его поведение не соответствует физическому полу. Такие люди не находят удовлетворения в жизни, многие пытаются покончить жизнь самоубийством. В этих случаях также показана коррекция пола.

Пересадка органов. Организация «Евротрансплант» имеет штаб-квартиру в Голландии и объединяет врачей многих стран. В ее банке данных содержится информация о 12 тыс. больных, нуждающихся в операциях по пересадке органов. Большая часть из них – состоятельные люди, т.к. медицинские услуги по трансплантации органов стоят недешево. Пересадка почки обходится больному в 40 тыс. долларов, сердца – около 100 тыс. долларов, а печени – почти в полмиллиона. 
Пересадка органов от доноров – очень сложная операция, за которой следует не менее сложный период приживления трансплантата. Очень часто трансплантат отторгается и пациент погибает. Ученые надеются, что эти проблемы можно будет решить с помощью клонирования.

Клонирование – метод генной инженерии, при котором потомки получаются из соматической клетки предка и поэтому имеют абсолютно такой же геном. 
На экспериментальной ферме под Эдинбургом в Шотландии еще недавно паслась овца по имени Долли, появившаяся на свет с помощью метода клонирования. Ученые взяли ядpo, содержащее генетический материал, из клетки вымени овцы-матери и имплантировали его в яйцеклетку другой овцы, из которой был предварительно удален собственный генетический материал. Полученный эмбрион был имплантирован в третью овцу, игравшую роль суррогатной матери. Вслед за англичанами американские генетики успешно провели клонирование обезьян. 
Клонирование животных позволяет решить многие проблемы медицины и молекулярной биологии, но вместе с тем порождает множество социальных проблем. 
Практически любая технология, применимая к млекопитающим, применима и к человеку. Значит, можно клонировать и человека, т.е. создавать двойников людей, от которых получена хотя бы одна здоровая клетка. 
Ученые видят перспективу воспроизведения отдельных тканей или органов тяжело больных людей для последующей трансплантации – в этом случае не будет проблем с отторжением трансплантата. Клонирование можно использовать и для получения новых лекарств, особенно получаемых из тканей и органов животных или человека. Например, можно получить клон коров, в молоке которых будут содержаться необходимые белки или гормоны. Одна такая корова (компания PPL, Эдинбург), которая дает молоко, по белковому составу близкое к женскому, уже дает потомство.  
Однако, несмотря на заманчивые перспективы, вызывает беспокойство этическая сторона клонирования.

Уродства. Развитие нового живого существа происходит в соответствии с генетическим кодом, записанным в ДНК, которая содержится в ядре каждой клетки организма. 
Иногда под воздействием факторов среды – радиоактивных, ультрафиолетовых лучей, химических веществ – происходит нарушение генетического кода, возникают мутации, отступления от нормы. 
Один из страшных примеров – чернобыльская катастрофа. У людей, подвергшихся воздействию радиоактивного заражения, отмечается повышенный уровень различных патологий, связанных с мутациями.

Генетика и криминалистика. В судебной практике известны случаи установления родства, когда дети были перепутаны в роддоме. Иногда это касалось детей, которые росли в чужих семьях не один год. 
Для установления родства используют методы биологической экспертизы, которую проводят, когда ребенку исполнится 1 год и стабилизируется система крови. 
Разработан новый метод – генная дактилоскопия, который позволяет проводить анализ на хромосомном уровне. В этом случае возраст ребенка значения не имеет, а родство устанавливается со 100%-й гарантией. 
В России ежегодно проводится примерно 2 тыс. экспертиз по установлению родства.