Сохранение генофонда
Сохранение разнообразия форм жизни – важнейшая проблема, с которой столкнулось современное человечество. Ещё Г. Гаузе доказал, что устойчивость сообщества тем выше, чем больше число составляющих его видов. Следовательно, сохранение биоразнообразия – единственный механизм стабильности жизни на Земле.
Кроме того, чтобы обеспечить питанием растущее население нашей планеты необходимо выведение новых, более продуктивных сортов сельскохозяйственных растений, а для успешной селекции важен постоянный приток генов из новых источников. Традиционным источником генетического материала служат дикие виды растений. Однако в связи с расширением городов, сельскохозяйственных угодий, вырубкой лесов, ухудшением экологии эти виды постепенно вытесняются, а многие из них находятся на грани вымирания, поэтому их необходимо сохранить.
Существует несколько способов сохранения генофонда высших растений: заповедники, национальные парки, банки семян. В последнее время большое внимание уделяется созданию и развитию новых способов: пересадочных коллекций каллусных клеток, депонированию культур клеток и, наконец, криосохранению, т. е. хранению объектов при очень низкой температуре, обычно это температура жидкого азота (-196°С). Криосохранение имеет существенные преимущества по сравнению с остальными методами. При сохранении в глубоко замороженном состоянии полностью прекращается обмен веществ, отсутствуют значительные физико-химические молекулярные изменения не только в клетке, но и в окружающей водной среде.
Генофонд и факторы, влияющие на него. Генофондом называют заложенную в организмы генетическую информацию, определяющую их рост и развитие. Установлены следующие факторы, влияющие на генофонд организмов: ультрафиолетовая (УФ) радиация, тяжелые металлы, отходы промышленности. Воздействие каждого из этих факторов может вызвать изменения биологических свойств организма и даже приводить к его исчезновению.
В настоящее время экологическая обстановка на нашей планете оказывает значительное влияние на генетический аппарат многих живых организмов. Некоторые виды находятся под угрозой исчезновения. В связи с этим проблема сохранения генофонда растений и животных приобретает особое значение.
Традиционные способы сохранения генофонда. Сохранение разнообразия форм жизни — важнейшая проблема современного человечества. Уже давно доказано, что устойчивость сообщества тем выше, чем больше число составляющих его видов. Поэтому сохранение биоразнообразия является единственным механизмом обеспечения стабильности жизни на Земле.
Традиционные способы – заповедники, ботанические сады, коллекции семян растений не лишены недостатков.
Так, заповедники не дают полной гарантии сохранения всех видов растений произрастающих на их территории. Это обусловлено расширением сельскохозяйственных угодий и несанкционированной вырубкой лесов (рис. 3.29).
В ботанических садах обычно сохраняются только определенные виды растений или отдельные их представители (рис. 3.30).Все это делает необходимым создание новых способов для сохранения разнообразия генофонда растительных и животных организмов, а также человека, например коллекции семян растений (рис. 3.31) и сохранение генофонда в условиях in vitro.
Сохранение генофонда растений в условиях in vitro. Данный приём подразумевает использование коллекций: каллусных культур растений, а также растений в пробирках и суспензионных культурах. Разработка методов культивирования клеток и тканей в условиях in vitro позволила использовать их для сохранения генофонда различных растительных объектов (рис. 3.32-3.34).
При работе с растущими коллекциями необходимо поддерживать без изменений состав питательных сред, размер пересаживаемых культур, длительность культивирования, а также условия выращивания (температуру, влажность, освещенность). Растущие коллекции постоянно оцениваются по ряду параметров (рост, жизнеспособность клеток, митотическая активность, содержание вторичных соединений и др.). Сравнение штаммов сразу по нескольким признакам может быть облегчено использованием компьютерных программ.
В Институте физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН (г. Москва) имеется большая коллекция, включающая 182 единицы хранения, из которых 85 являются каллусными и суспензионными культурами, а 97 – растениями в пробирках. Штаммы раувольфии (Rauwolfia serpentina) и женьшеня Panax ginseng поддерживаются в этих условиях более 40 лет и сохраняют присущие им свойства, в том числе способность к синтезу биологически активных соединений (алкалоидов и стероидов).
Депонирование коллекций растительных клеток in vitro.
В настоящее время разработаны методы так называемого «депонирования» коллекций, которые позволяют существенно удлинить период между пересадками культур. Это связано с тем, что периодическое субкультивирование клеточных культур растений трудоемко и требует значительных затрат, как на выполнение работ, так и на приготовление питательных сред для культивирования.
Установлены следующие методы, используемые для депонирования:
— выращивание культур при низких положительных температурах (1-10°С) и слабой интенсивности освещения (до 50 люкс);
— добавление к среде осматиков (маннита, сорбита или повышенных концентраций сахарозы);
— снижение атмосферного давления (до 0,5 мм рт. ст.);
-включение в питательную среду веществ, тормозящих рост культур, например, абсцизовой кислоты (5-10 мг/л) или ССС (хлорхолинхлорида — 2 г/л);
— гипоксия (выращивание под слоем минерального масла для уменьшения доступа кислорода).
Депонированные коллекции растительных культур могут расти без пересадок в течение 1 года и даже больше. В ряде случаев удачным является одновременное использование нескольких подходов, например, выращивание при низкой температуре и в присутствии веществ, тормозящих рост клеток.
Криосохранение и его возможности. Криосохранение – один из наиболее перспективных способов сохранения генофонда высших растений и животных. Оно позволяет хранить органы, ткани и клетки в замороженном состоянии при температуре жидкого азота (-196°С). Хранимый в этих условиях материал остается генетически стабильным и не подвержен изменениям, которые происходят с организмами при хранении обычными способами.
Развитие криобиологии (науки о действии низких температур на живые организмы) началось в 1900 году, когда К. Линде и Дж. Дьюар получили в значительных количествах жидкий воздух, состоящий из азота и водорода. Выдерживаемые в нём бактерии в дальнейшем не только оживали, но и сохраняли свои свойства.
В 1938 году было проведено глубокое замораживание сперматозоидов человека, часть которых выжила. Но сохранять спермии ряда домашних животных и птицы (быков, петухов) научились только 10-11 лет спустя. Вскоре на коммерческой основе были организованы первые настоящие криобанки спермы лучших быков-производителей. В настоящее время достигнуты значительные успехи в сохранении яйцеклеток, эмбрионов мышей и сперматозоидов человека.
Теоретическое обоснование криосохранения. Основными критическими моментами криосохранения являются образование льда внутри и вне клеток организма и их дегидратация (обезвоживание).
Образование внеклеточного и внутриклеточного льда заключается в том, что снижение температуры окружающей среды ниже точки замерзания раствора приводит к его переохлаждению, образованию льда вокруг клеток и возникновению центров кристаллизации. Вода выходит из клеток и замерзает на поверхности внешнего льда.
Образование внутриклеточного льда обычно повреждает клетки, и только в случае формирования очень мелких (стеклообразных) кристаллов льда они могут дальше развиваться.
Животные и растительные клетки. Клетки растений являются более трудным объектом для криоконсервации, чем клетки животных. Это связано с их более крупными размерами: размер растительной клетки 15-1000 мкм, а размер клеток животных 7-25 мкм. Кроме того, растительные клетки содержат специальные органоиды — прочную целлюлозную стенку. Особенно осложняет обезвоживание наличие системы вакуолей. Центральная вакуоль в клетках растений может занимать до 90% от их общего объёма, что затрудняет их обезвоживание.
Технология криосохранения базируется на закономерности, чтопри криосохранении (криоконсервации) клетки переходят в состояние глубокого анабиоза и после длительного пребывания в нем возвращаются в обычное (нормальное) состояние.
Основные этапы криосохранения.
1. Предварительное культивирование клеток или организмов. При этом учитывают устойчивость их к воздействию состава среды культивирования, а также соответствие возраста, стадии роста и количества клеток перед извлечением.
2. Расфасовка подготовленного материала в контейнеры. При этом для замораживания и хранения подготовленных клеток или организмов используют разнообразные типы контейнеров. Расфасовку проводят в стерильных условиях (рис. 3.35).
Рис. 3.35. Контейнерыдля хранения3. 36. Программный заморажи —
Источник
Сохранение генофонда планеты
На нашей планете сейчас примерно 1,5 миллиона животных и 0,5 миллиона видов растений. В нашей повседневной жизни сложилось довольно четкое подразделение животных и растений на полезных, вредных и индифферентных, не приносящих человеку ни пользы ни вреда. Однако с биологической точки зрения такие градации не оправданы. За многомиллионный период эволюционного развития все виды, которые не выполняли той или иной функции в жизни биогеоценоза, неизменно изгонялись и погибали. Дошедшие до нашего времени виды выполняют свою роль в жизни природы — хищники нормируют численность своих жертв и, отбирая ослабленных животных, содействуют эволюционному развитию; растительноядные животные сдерживают расселение растений и обеспечивают возможность большого видового разнообразия; паразиты, оказывающие наиболее сильное влияние на больных и травмированных животных, способствуют «очищению» популяции и т. д. и т. п.
Подразделение животных и растений на полезных, вредных и индифферентных возникло в результате деятельности человека. К примеру, развитие скотоводства, вполне естественно, создало для волка легкую добычу и человек отнес его к вредным животным; культивирование на больших площадях картофеля способствовало размножению колорадского жука, который начал сильно вредить картофелю и тоже попал в разряд вредителей и т. д. В разных зонах, при разных экологических условиях один и тот же вид может в одном месте приносить вред человеку, а в другом выполнять полезные функции. К этому следует добавить, что еще многие виды растений и животных до сего времени недостаточно изучены и не установлены их потенциальные возможности. При строительстве Куйбышевской электростанции и образования Волжско-Камского моря рекомендовалось уничтожать гадюк, скапливающихся по берегам, а сейчас их разводят для получения ценнейшего яда, который широко используется в медицине.
Каждый «потерянный» вид — это уменьшение генофонда планеты, это обеднение ее ресурсов. Допустим, что если бы сохранилась Стеллерова корова, уничтоженная человеком во второй половине XVIII века, животное, имеющее длину более 7 метров и вес, видимо, около 3 тонн, питавшееся морскими водорослями, главным образом морской капустой, то мы могли бы ее успешно разводить и получать, как сообщают лица, употреблявшие его в пищу, замечательное мясо и очень крепкую шкуру. По описаниям Г. В. Стеллера это животное не боялось человека и даже позволяло гладить себя, и, видимо, труда бы не составляло «сделать это животное ручным». Один из предков крупного рогатого скота — тур истреблен в XVII веке. Дикая лошадь тарпан, заселявшая степи Европы и, как писал П. И. Рынков, обитавшая в Оренбургской губернии, была уничтожена во второй половине XIX века. Этот список мы могли бы продолжить, но и приведенных примеров достаточно для характеристики неразумной деятельности человека. Организованный в 1948 г. Международный Союз охраны природы (МСОП), почти сразу же организовал Комиссию по редким и исчезающим животным, которая начала работу по составлению «Красной книги». Позже, в последующих изданиях, была уточнена классификация редких и исчезающих видов и сейчас она насчитывает пять градаций:
1. Исчезающие виды и подвиды, для спасения которых необходимы специальные меры охраны, а для некоторых и международные усилия. Такие виды заносятся в международную «Красную книгу» на красных листочках.
2. Сокращающиеся виды, численность их может быть сейчас достаточной высокой, но она с каждым годом сокращается и, для того чтобы не «потерять» эти виды, уже сейчас надо искать причины их сокращения и разрабатывать пути и методы их сохранения. Эти виды печатаются на желтых листочках, и возможно, что будут выделены в самостоятельную «Янтарную книгу».
3. Редкие виды и подвиды. Сюда относятся животные, численность которых очень мала или они встречаются на очень ограниченных территориях и при недосмотре со стороны человека могут исчезнуть. Они заносятся на белые листочки.
4. Неопределенные виды, виды малоизученные, распространение которых недостаточно известно и отнесение которых в какую-либо из трех перечисленных выше градаций сейчас затруднено. Они записываются в конце каждого тома в виде списка с тем, чтобы исследователи обратили на них большее внимание и помогли бы собрать о них недостающие сведения.
5. Виды восстановление. Виды, численность которых была невелика, бывшие даже в категории исчезающих видов, но благодаря разумной заботе со стороны человека, их численность восстановлена и им не грозит угроза полного исчезновения. Такие виды заносятся на зеленые листочки. В «Красную книгу» МСОП занесено 26 видов и подвидов млекопитающих, обитающих в России, это выхухоль, сурок Мензбира, гренландский кит, синий кит, северный финфал, северный гербач, тянь шанский и уссурийский подвиды красного волка, закавказский бурый медведь, белый медведь, каракал, туранский и амурский подвиды тигра, леопард, снежный барс, гепард, атлантический морж, тюлень монах, курильский тюлень, новоземельский подвид северного оленя, тугайный подвид благородного оленя, джейран, горал и винторогий козел. Из птиц в международную «Красную книгу» занесены 8 видов — пеганка хохлатая, хохлатый старик, черный журавль, белый журавль, уссурийский журавль, красноногий ибис, дальневосточный белый аист и желтоклювая цапля. Из земноводных и пресмыкающихся в «Красную книгу» МСОП записаны кавказская саламандра, сибирский углозуб, дальневосточный тритон, кавказская чесночница и крестовка, дальневосточная, мягкокожистая и средиземноморская черепахи, серый варан, ящерица-эублефар, среднеазиатская кобра, носатая и малоазиатская гадюки. Каждая страна, на территории которой обитает вид, занесенный в «Красную книгу фактов», несет моральную ответственность перед всем человечеством за сбережение этого сокровища природы.
В 1973 г. 80 стран мира приняли конвенцию об ограничении торговли редкими видами животных и растений, что несомненно способствует их охране. В эту конвенцию вошло более 600 видов животных и более 70 видов растений, продажа которых или совсем запрещена или строго регламентирована.
Каковы же наиболее эффективные формы охраны редких и исчезающих видов животных и растений? В первую очередь это создание сети заповедников, охватывающих все зоогеографические зоны, все основные ландшафты с тем, чтобы в них могло бы сохраниться все многообразие растительных и животных видов. Во-вторых, организация памятников природы для охраны, Главным образом отдельных популяций растений, а иногда и животных. В третьих, хорошо поставленные охотничьи хозяйства, позволяющие сохранять и правильно эксплуатировать животные ресурсы, и, конечно, сознательное отношение к животным и растениям со стороны человека. В самые ближайшие годы мы должны запретить сбор цветущих растений вокруг крупных населенных пунктов, иначе они будут здесь полностью уничтожены, что резко ухудшит эстетическую ценность рекреационных территорий и возможность заготовки трав, нужных для приготовления лекарств. Очень редкие виды растений и животных, вероятно, придется учиться размножать в ботанических садах и зоопарках с тем, чтобы по мере накопления достаточного количества экземпляров возвращать их в природу.
Источник
