Генетическая компонента и устойчивое развитие агроэкосистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генетическая компонента и устойчивое развитие агроэкосистем

В.И. Глазко

Аннотации

Обсуждается концепция устойчивого развития, центральной проблемой которого являются взаимоотношения эко- и агросистем. Конфликт между ними приводит к уменьшению биоразнообразия, что несовместимо не только с развитием, но и с устойчивостью таких систем. Увеличение их продуктивности и качества продукции определяется особенностями генетической компоненты, основной вклад в которую вносят генофонды сельскохозяйственных видов животных и растений. Отмечается необходимость исследований этих генофондов с целью разработки генетически обоснованных программ использования, совершенствования и сохранения внутривидового биоразнообразия сельскохозяйственных видов.

Ключевые слова: устойчивое развитие, агроэкосистемы, генофонды, биоразнообразие. агросистема генетический биоразнообразие

GENETIC UNIT AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT OF AGROECOSYSTEM

V.I. Glazko

The author discussed the conception of sustainable development which has as a central problem the interrelations between eco- and agrosystem. The conflict between these systems results in the reduction of biovariability that is incompatible not only with development but with stability of such systems. Its increasing and quality of production are determining by features of genetic unit, and here the genofonds of agricultural species of plants and animals make principal contribution. The author marks the barest necessity of studying these genofonds for a development of genetic grounded programs of the use, the perfection and the conservation of intraspecies biodiversity of agricultural species.

Термин "устойчивое развитие" (sustainable development) введен в 1989 году, более точный перевод этого словосочетания - "развитие, способное непрерывно поддерживаться". Главный смысл термина предполагает развитие, не ставящее под угрозу жизнеобеспечение следующих поколений, и совместимость с экологической устойчивостью, под которой понимают, что объем вредных выбросов не превышает ассимиляционных возможностей природы, а скорость использования невозобновляемых ресурсов уравновешена их возмещением за счет замены возобновляемыми компонентами и т.д. Концепция развития включает также понятия "устойчивого роста", "устойчивого использования", признание ограниченности и пределов использования ресурсов и т.д. Все эти понятия до сих пор остаются в значительной степени неопределенными, несмотря на широкое обсуждение необходимости разработки подходов к достижению такого устойчивого состояния (1).

Агросфера - часть биосферы, которую человек использует для сельскохозяйственного производства. В настоящее время агросфера вступила в очевидный конфликт со стабильностью биосферы. Так, пашней занято 10, сенокосами и пастбищами - еще 20 % суши, во многих районах планеты ее ресурсы исчерпаны и дальнейшее увеличение доли агросферы невозможно, в некоторых странах уже сейчас доля агросферы превышает предел, совместимый с воспроизводством агроэкобиоценозов (1). Однако народонаселение Земли увеличивается, растет и потребность в продуктах питания.

Развитие сельскохозяйственных технологий и распространение их на все континенты неизбежно уменьшает биоразнообразие. Продуктивность агроценозов уступает продуктивности и устойчивости естественных экосистем. Без участия человека агроценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, многолетних трав - 3-4 года, плодовых культур - 20-30 лет. В агробиогеоценозах (например, пшеничного поля) складываются те же пищевые цепи, что и в природной экосистеме: продуценты (пшеница и сорняки), консументы (насекомые, птицы, полевки, лисы) и редуценты (грибы и бактерии). Обязательное звено этой пищевой цепи - человек, который создает каждый агроценоз и обеспечивает его высокую продуктивность, а затем собирает и использует урожай. В биогеоценозе первичная продукция растений (урожай) потребляется в многочисленных цепях питания и вновь возвращается в систему биологического круговорота. В агроценозе такой круговорот элементов резко нарушается, поскольку значительную их часть человек изымает с урожаем. По сравнению с естественными биогеоценозами агроценозы имеют ограниченный состав растительных и животных компонентов, не способны к самообновлению и саморегулированию. Они подвержены угрозе гибели от массового размножения вредителей или болезней и требуют со стороны человека постоянной деятельности по поддержанию. При интенсивном использовании (агробиогеоценозы, занимающие 10 % территории, дают человечеству около 90 % пищевой энергии) по подсчетам специалистов в экосистемах, где доминирует человек, теряется до трети первичной продукции, не говоря о том, что современные сельскохозяйственные технологии ведут к разрушению почвы, загрязнению воды и т.д.

Фактором, существенно ограничивающим продуктивность сельскохозяйственных видов, являются болезни, распространение которых в значительной степени связано с особенностями ведения сельского хозяйства, глобализацией использования небольшой части видового разнообразия, распространением вместе с высокопродуктивными сортами и породами новых для аборигенных представителей патогенов. Так, для 3-4 тыс. используемых человеком культурных растений известно около 30 тыс. видов возбудителей, из которых 25 тыс. - грибы, 600 - черви-нематоды, более 200 - бактерии, более 300 - вирусы. Кроме того, их поражают сорняки, насекомые-вредители, грызуны. В результате предуборочные, послеуборочные потери и потери при транспортировке и хранении в сумме в развитых странах достигают 40, а в развивающихся, по вполне понятным причинам, превышают 50 % возможного урожая (2).

Другая существенная причина общей потери продуктивности сельского хозяйства - эрозийные процессы: за последние 100 лет деградация почв вывела из пользования 27 % (2 млрд га) сельскохозяйственных угодий.

Процесс опустынивания охватил 19 % (около 30 млн км 2) поверхности суши и распространяется на новые территории со скоростью 50 тыс. км 2 в год, представляя прямую угрозу сельскому хозяйству по меньшей мере 150 стран. Принято считать, что 87 % ежегодного прироста пустынь обусловлено антропогенным давлением на природу и только 13 % - естественными факторами. Именно в местах возникновения аграрной цивилизации (центрах доместикации) сейчас на земном шаре обнаруживается наибольшая деградация почв, находятся современные пустыни и отмечается их последующий рост. Становится очевидным, что за 10 тысячелетий существования сельского хозяйства имевшиеся технологии использования земель исчерпали себя. Разрушение экосистем ускоряется увеличением поступления в окружающую среду веществ индустриального происхождения.

Бессознательная деятельность человека привела к тому, что возникла угроза уничтожения биосферы. Вызванный антропогенным воздействием темп вымирания видов превышает все, что известно на этот счет из палеонтологической летописи (2, 3).

Наиболее опасна общая эрозия генофонда планеты. В обычных условиях каждый вид существует 1,5-2 млн лет, после чего либо исчезает, но на смену ему приходит новый, либо трансформируется в более или менее высокоорганизованный. В условиях техногенного давления современной цивилизации этот процесс нарушен и его направленность изменилась: виды исчезают с необратимой быстротой. Вымерли (или близки к вымиранию) до 25 тыс. видов высших растений и более 1 тыс. видов позвоночных. Утрачены тысячи уникальных пород домашних животных (3). Катастрофический темп вымирания до ХХ века был неизвестен и не характерен для Земли. Компенсировать потери с такой же скоростью природа не в состоянии, вследствие чего вид насильственно элиминируется и восстановить его невозможно. Кроме того, это влечет за собой вымирание всей сопутствующей цепочки видов, что приводит к упрощению видового состава биосферы. Опустевшая экологическая ниша или не заполняется, или ее занимает более примитивная группа. Генофондное разнообразие сужается, и со временем это теоретически должно привести к тому, что в природе останутся лишь виды, полностью зависящие от человека, и паразиты, сопутствующие человеку, размножение которых уже не будет сдерживаться природными антагонистами. Упрощение и обеднение суммарного генофонда биосферы снижает ее устойчивость как системы по отношению к земным и космическим стрессирующим факторам. Это по принципу обратной связи неизбежно сказывается на человеческих популяциях. И в то же время прямое и опосредованное разрушение генофонда происходит главным образом именно под влиянием деятельности человека в разных ее проявлениях, порожденных цивилизацией. Так, война есть экологическая катастрофа, спрессованная во времени, период, ей предшествующий, - экологическая катастрофа, растянутая во времени.

У отдельных исследователей и научных коллективов еще четверть века назад начало складываться понимание опасности все убыстряющегося процесса эрозии генофонда и оскудения видового состава биосферы. Выдвигались проекты создания хранилищ семян растений, а также соматических и половых клеток животных для предотвращения исчезновения видов, сохранения возможности их восстановления в будущем, когда условия для этого станут более благоприятными.

Парадокс современной ситуации состоит в том, что научно-технический прогресс углубляет кризис биосферы, поскольку человечество предпочитает вкладывать средства в программы, направленные на удовлетворение своих сиюминутных потребностей, не думая о будущем. На каждого человека ежегодно добывают и выращивают примерно 20 т сырья, которое при затратах энергии и воды (2,5 кВт и 800 т) перерабатывается в конечные продукты массой 2 т, идущие на прямое потребление. То есть 90 % первоначально добытого сырья превращается в прямые отходы, а из оставшегося конечного продукта в течение того же года - еще не менее половины. Результат такого потребления - сокращение площади лесов, опустынивание, эрозия и засоление почв, изменение состава газов атмосферы, сокращение числа и разнообразия видов животных и т.д. В индустриальный период к этому добавляются постоянные и аварийные физико-химические воздействия, приводящие к загрязнению природной среды и способствующие росту социальной напряженности, заболеваемости, стрессам и т.д. Экологические катастрофы могут принять необратимый и невосстановимый характер. Пример этого - разрушение замкнутости геобиохимического цикла углерода (глобальное потепление): биота не поглощает его избыток из атмосферы, то есть перестала (или потеряла способность) компенсировать антропогенное давление, что, в свою очередь, меняет среду обитания человечества.

Необходимо подчеркнуть, что эти драматические изменения не сопровождаются решением проблемы голода. Достижения науки позволили повысить мировое производство продовольствия на душу населения на 20 % и несколько поднять качество питания в развивающихся странах. Прямое и косвенное душевое потребление зерновых колеблется в современном мире от 200 до 900 кг в год - в развитых странах урожай зерновых потребляется главным образом в виде мяса, молока и яиц, у населения стран третьего мира диета весьма скудная, 830 млн человек страдают от голода. Предполагается, что к 2015 году около 2 млрд человек будут жить в бедности.

Кроме явных, есть гораздо менее заметные, но не менее опасные изменения в биосфере, ведущие к постепенной утрате способности компенсировать неблагоприятные антропогенные геофизические процессы, что в конечном счете ведет к утрате структурной и глобальной устойчивости биосферы, то есть к ее гибели. К такого рода процессам экология относит истощение невозобновимых ресурсов, утрату биологического разнообразия, снижение биопродуктивности.

Биосфера планеты является суперорганизмом, где человечество - лишь небольшая его часть. Между численностью отдельных видов и их биологической активностью существует динамическое равновесие, сложившееся в ходе эволюции биосферы. Сейчас это равновесие нарушено. Нарушен хрупкий почвенный покров (при освоении месторождений нефти, газа, добыче каменного угля, цветных металлов и др.), происходит деградация и снижение биологического разнообразия растительного покрова. С разрушением биоценозов и загрязнением их пестицидами, радиоактивными, химическими отходами нарушаются биохимические циклы и не остается места и условий для выживания обитающих в них животных и растений.

Как известно, популяции любых видов - бактерий, растений, животных - попав в благоприятные условия, увеличивают свою численность по экспоненте. Когда численность превышает значение, соответствующее биологической емкости среды обитания вида, среда истощается и разрушается. Наступает экологический кризис, в течение которого численность популяции снижается до уровня, более низкого, чем уменьшившаяся емкость среды. За время коллапса среда постепенно восстанавливается, вслед за этим возрастает численность популяции и она входит в фазу стабилизации, когда численность будет колебаться на уровне, определяемом возможностями среды. Человеческие популяции унаследовали эту биологическую особенность.

Ослабить конфликт человека с биосферой можно только путем сохранения генетического разнообразия видов, восстановлением тех из них, чья структура нарушена, и созданием новых систем взаимодействующих популяций. Прежние подходы к решению экологических проблем, когда главное внимание уделяется только охране животного и растительного мира, недостаточны, так как само воздействие человека не является внешним - оно включено в целостную систему. Становятся необходимыми экономические расчеты эффективности планируемых природных мероприятий с учетом временных перспектив долгосрочного развития всей биосферы (2, 4, 5).

В связи с тем, что биологическое разнообразие планеты исчезает с угрожающей быстротой, особое значение приобретает новая область знаний - экологическая биотехнология (экобиотехнология), задачами которой является поиск и глубокое изучение факторов, влияющих на экосистемы и контролирующих генетическую изменчивость выживающих видов. Биологизация хозяйственной деятельности человека - важнейшее условие принципиальной возможности формирования устойчивых агросистем и устойчивого развития в целом.

К настоящему времени удалось спасти и выпустить в природу представителей некоторых исчезающих видов - популяции зубров, бизонов, аравийского орикса, белого носорога, лошади Пржевальского и ряда других. Для большинства видов, разводимых в зоопарках, существует проблема, связанная с их численностью. Для таких популяций характерно снижение жизнеспособности, уменьшение генетического разнообразия. Это типично и для видов, сохраняющихся на специальных фермах (например, крокодиловые или черепаховые).

Нет сомнения, что усилия по спасению мест обитания и отдельных видов должны предприниматься параллельно. Тем не менее, все большую роль в вопросах сохранения биоразнообразия будут играть методы экобиотехнологии - долговременное сохранение генетической информации в виде глубокозамороженных половых клеток, эмбрионов животных и растений, позволяющие восстанавливать и планировать их последующее существование в биогеоценозе. Это направление имеет принципиальное значение, поскольку при создании охраняемых естественных биоценозов нужно учитывать, что они могут изменяться во времени и необходимо контролировать общую ситуацию, например неблагоприятное воздействие со стороны соседних территорий.

В отдельную проблему выделяется сохранение пород сельскохозяйственных видов. Необходимо отметить, что одним из важных аспектов целенаправленного формирования устойчивого развития агроэкосистем является не только понимание роли генетической компоненты, но и поиск эффективных способов управления ею. Увеличение продуктивности агроэкосистем, качество получаемой продукции определяются особенностями генетической компоненты, основной вклад в которую вносят генофонды сельскохозяйственных видов растений и животных. Важным звеном служит мониторинг различных эколого-географических регионов разведения животных с неодинаковой антропогенной нагрузкой для определения скорости и прогнозирования изменений различных характеристик генофонда под давлением экологических факторов.

Одна из загадок популяционной и общей генетики - то, что число основных доместицированных видов животных и растений не увеличилось за время существования аграрной цивилизации, и его не удается увеличить, несмотря на непрерывные попытки доместикации дополнительных видов, которые продолжаются до сих пор. То есть те виды, которые были доместицированы 10 тыс. лет назад, остаются основой современной аграрной цивилизации. Наглядным примером служат зоопарковые виды и древний опыт дрессировки диких животных. Из видов растений основных, как и 10 тыс. лет назад, два - пшеница и рис, животных - шесть: козы, овцы, свиньи, лошади, крупный рогатый скот и куры. Иными словами, из этого следует, что способность к доместикации - уникальная видовая характеристика, которая редко встречается в имеющемся видовом многообразии многоклеточных организмов. Есть основания предполагать, что доместикации крупных млекопитающих препятствуют проблемы с обеспечением животных соответствующего вида необходимой пищей; достаточно медленный рост и длительный репродуктивный цикл животных относительно человека; высокая скорость движения по сравнению с человеком; неспособность к размножению в неволе; отсутствие у вида социальной иерархии (отсутствие лидера); склонность к панике и стрессам при контакте с человеком; сниженная способность к адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

Из перечисленного понятно, что практически все причины тесно связаны с поведенческими особенностями самого человека. Это позволяет предположить, что способность к доместикации у вида определяется наличием в его генофонде предрасположенности, условно говоря, к симбиотическим взаимоотношениям с человеком, из чего следует, что обеднение генофондов доместицированных видов при исчезновении пород и сортов сопоставимо с деградацией почв, заменить которые нечем. С такой позиции необходимость сохранения генофондов доместицированных видов представляется основой аграрной цивилизации. И если задача пополнения генофондов культурных растений близкородственными дикими видами в центрах происхождения теоретически возможна (хотя бы на основе коллекций, начало сбора которых было положено экспедициями Н.И. Вавилова), то обогащение видовых генофондов сельскохозяйственных видов животных дикими близкородственными формами практически исключено прежде всего из-за исчезновения диких предковых видов. Именно этим обстоятельством объясняется возросший во всем мире интерес к генофондам аборигенных пород животных, поскольку исчезновение породы является фактом обеднения генофонда соответствующего вида. Процесс снижения внутривидового генетического разнообразия, в первую очередь, касается сельскохозяйственных видов животных в связи с вытеснением и утратой аутохтонных, высокоадаптированных к локальным условиям разведения пород. Их сохранение необходимо, поскольку постоянно меняются требования к сельскохозяйственным видам (новые виды продуктов питания, их себестоимость и т.д.), изменяются технологические условия в животноводстве (механизация), гигиенические и экологические требования (новые болезни, вакцины, факторы окружающей среды). Практически каждая аутохтонная порода или сорт - это генофондный резерв, содержащий ряд потенциальных возможностей, использование которых пока не представляется необходимым, но может понадобиться в будущем. Такие признаки аутохтонных пород, как приспособленность к местным условиям воспроизводства, устойчивость к биотическим и абиотическим факторам экологического стресса, легкость отелов, крепкая конституция, плодовитость могут найти применение при создании новых пород, приспособленных к меняющимся технологиям и условиям воспроизводства. Изучение генофонда аутохтонных пород необходимо для поиска генных ассоциаций, связанных с отсутствием нежелательных негативных корреляций между разными характеристиками продуктивности, наличием устойчивости к широкому спектру экологических факторов, что в дальнейшем может быть использовано в селекции.

Важно подчеркнуть, что чем интенсивнее животноводство, тем сильнее межпородная конкуренция, в результате которой породный состав обновляется. Так, за последние 80-100 лет в мире исчезло 150 пород, из них 30 - крупного рогатого скота, 80 - овец, 30 - лошадей, 10 - свиней. Расширение ареала лучших пород привело к резкому сокращению поголовья и поставило под угрозу исчезновения многие местные породы.

По данным Европейской ассоциации животноводов, в Европе при обследовании 1200 пород установлено, что 200 пород не доживут до середины XXI века, а 70 % пород находятся на грани исчезновения. Аналогичное положение в странах бывшего СССР: из 19 аборигенных пород крупного рогатого скота численность 13 доведена до критического предела. Очевидно, что ограничение генофонда всего вида Bos taurus в таком масштабе недопустимо, поскольку не только ставит сам вид в перспективе под угрозу исчезновения, но и блокирует возможности дальнейшей селекционной работы, связанной с появлением новых требований к хозяйственно ценным признакам и быстрыми изменениями экологической обстановки.

Таким образом, в настоящее время очевидно развитие глобального экологического кризиса, ведущими факторами которого является исчерпанность в глобальном масштабе возможностей почв для устойчивого дальнейшего развития аграрной цивилизации и сужение биоразнообразия, уменьшение которого несовместимо с устойчивым развитием. Причем само уменьшение биоразнообразия в биосфере имеет два аспекта: с одной стороны, уменьшение биоразнообразия диких видов ускоряет деградацию пёочв, с другой - уменьшение внутривидового разнообразия доместицированных видов снижает возможность их адаптации к текущим процессам. Иными словами, лимитирующим фактором устойчивого развития агроэкосистем является сокращение биоразнообразия. Сельскохозяйственные виды животных и растений являются частью генофонда биосферы, непосредственно связанной с генофондом человека, уникальность которой заключается в способности к "симбиозу" с человеком. Сокращение их биоразнообразия неизбежно снижает устойчивость всей агросферы, включая принадлежащего к ней человека. И если уменьшение внутривидового разнообразия культурных растений в какой-то степени можно было бы компенсировать генофондами диких близкородственных видов, то для животных такой источник генетического разнообразия все менее и менее вероятен в связи с уменьшением разнообразия диких видов. Программы по сохранению биоразнообразия конкретных видов требуют особого внимания к решению вопроса о выборе исходного материала, нуждающегося в целенаправленном сохранении. Такой выбор возможен при наличии информации об имеющихся ресурсах вида, о его генофонде. Сама подготовка к консервации групп организмов тем или иным методом требует детальных генетических исследований своеобразия генетической структуры группы, а также изучения генетических последствий использования соответствующих биотехнологических методов их сохранения. Современные методы молекулярной генетики и нанобиотехнологий позволяют разрабатывать такие программы, но их реализация ограничивается недооценкой фактора времени для сужения биоразнообразия и его глобальных последствий.

Литература

1. Г л а з к о В.И. Генетически модифицированные организмы: от бактерий до человека. Киев, 2002.

2. Ж у ч е н к о А.А. Адаптивная система селекции растений. М., 2001, т. 1, т. 2.

3. Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях /Под ред. Ю.П. Алтухова. М., 2004.

4. Б а у т и н В.М. Инновационная деятельность в АПК. М., 2006.

5. Г л а з к о В.И. Агроэкологический аспект биосферы: проблема генетического разнообразия. Киев, 1998.

Размещено на Allbest.ru