На протяжении многих веков человек выбирал растения и животных с наиболее полезными качествами и способствовал их распространению. Например, так были выведены зерновые культуры с высоким урожаем и фрукты с улучшенным вкусом.
Мы рассмотрим, как развивалась селекция и почему она не может остановиться.
История селекции — объяснение через собак и зерновые
Процесс влияния человека на генетику живых существ начался около 15–17 тысяч лет назад. В эпоху охотников и собирателей наши предки начали приручать волков, а затем разводить тех, кто проявлял лучшие качества, такие как послушание.
Процесс отбора особей с полезными для человека признаками и их дальнейшее размножение называется селективным скрещиванием.
Приручение волков не было полностью под контролем человека. В естественной среде они сталкивались с новым видом пищи, и под воздействием естественного отбора у этих животных развилась способность лучше усваивать крахмал.
В Тибете, где люди и их питомцы жили на больших высотах, собаки адаптировались к низким уровням кислорода, благодаря мутациям в генах, влияющих на структуру гемоглобина и эластичность сосудов. Тем временем собаки, обитавшие в Африке около 14 тысяч лет назад, стали более устойчивыми к малярии.
Если одомашнивание собак и других животных происходило по инициативе человека, то некоторые виды, такие как крысы, мыши и воробьи, сами начали оседать возле человеческих поселений, привлекая внимание к остаткам пищи. Впоследствии дикие кошки пришли сюда для охоты на грызунов и других птиц.
Интересно, что человек начал заниматься одомашниванием растений после того, как приручил волков. Около 13 тысяч лет назад люди начали сажать пшеницу, ячмень и чечевицу рядом с поселениями. Если отдельные растения успешно приживались, их можно было пересаживать, что было обусловлено их генетической устойчивостью.
В дальнейшем люди научились отбирать наиболее урожайные сорта, и примерно 10,5 тысячи лет назад появились первые культурные растения, которые было проще культивировать. Однако о принципах работы селекции человек не догадывался до 19 века.
Селекция в повседневной жизни
Пример с бананами и ароматизатором
Некоторые исследователи предполагают, что бананы в своей дикой форме растали исключительно в Папуа — Новой Гвинее до того, как путешественники добирались на них до Шри-Ланки. Позднее, с расширением маршрутов морских путешествий, бананы были привезены в Южную Азию и Африку.
В течение многих столетий люди, не осознавая этого, выбирали бананы с более тонкой кожурой и меньшими семенами, что привело к появлению современных сортов. В некоторых частях мира бананы используются не только в пищу, но и для производства лекарств, тарелок, тканей и украшений.
Интересно, что синтетический банановый ароматизатор, известный многим, отличается от настоящего запаха плода. Это объясняется тем, что ароматизатор имитирует запах сорта бананов «Гро-Мишель», который перестал использоваться с середины 20-го века. В 1950-х годах он был уничтожен грибковой болезнью, известной как «панамская болезнь». В ответ на это был выведен новый сорт бананов «Кавендиш», обладающий отличительным вкусом.
История капусты: от дикой до современной
Дикая капуста, известная еще с времен Древней Греции и Рима, приобрела современный вид только к 17 веку, благодаря естественному отбору, при котором люди выбирали растения с более крупными листьями.
Современные сорта, такие как цветная и брюссельская капуста, брокколи и кай-лан (китайский аналог брокколи), были получены путем отборочного разведения определённых признаков — например, более крупных цветков или длинных стеблей. Этот процесс продолжается, и в 1993 году был представлен гибрид брокколи и кай-лана, получивший название брокколини, также известный как аспаброк из-за схожести с спаржей.
Эволюция капусты, как и других растений, продолжается. В результате многолетнего отбора и гибридизации на базе дикой формы было создано множество новых, адаптированных к современным условиям сортов.
Густая овечья шерсть
Муфлоны, являясь ближайшими родственниками домашних овец, заметно отличаются от них внешне. Одомашнивание овец началось ещё в Бронзовом веке, когда человек отбирал животных с более густой шерстью и подшерстком для разведения.
Современные домашние овцы могут накапливать более 35 кг шерсти, и без регулярных стрижек такие животные не способны выжить самостоятельно.
Универсальные голуби
История селекции голубей претерпела множество изменений:
-
Голуби-пища: Древние люди разводили наиболее упитанных птиц для питания.
-
Голуби-почтальоны: Древние греки разводили голубей, обладающих выносливостью и способностью к навигации (например, хоминг) для передачи сообщений, в том числе об итогах Олимпийских игр.
-
Голуби-питомцы: Голубей начали разводить как декоративных птиц, обращая внимание на различные признаки, такие как увеличенный зоб (например, английский поутер) или миниатюрный клюв (короткоклювый голубь).
Английский почтовый голубь. Источник В XIX веке разведение декоративных голубей стало популярным в Европе, этим увлекались даже ученые, такие как Чарльз Дарвин. Он использовал этих голубей для наблюдений, что в итоге привело его к описанию теории естественного отбора, который закрепляет в природе признаки, способствующие лучшей адаптации организмов.
Голуби разных пород XIX века. Источник
Грегор Мендель и его вклад в изучение наследственности
Грегор Мендель, известный своими законами наследственности, на которых основана современная генетика, был монахом, учителем и садоводом. Он посвятил много времени наблюдениям за растениями и животными, что в конечном итоге привело к важному научному открытию.
Его исследования гороха стали основой для формирования генетики как науки.
Мендель изучил семь признаков гороха (цвет горошин, текстура кожуры, форма цветов и другие), провел эксперименты с различными парами растений и сделал несколько ключевых наблюдений:
-
При скрещивании горохов с фиолетовыми и белыми цветами, цветки гибридов всегда будут фиолетовыми, так как фиолетовый цвет доминирует над белым.
-
Во втором поколении гибридов цветки могли быть белыми, что свидетельствует о проявлении рецессивного признака, унаследованного от предков.
Мендель не знал о ДНК или генах, его термином для обозначения наследственной информации было слово Anlagen — «задатки».
В 1865 году Мендель представил свои результаты на встрече Общества естествоиспытателей города Брюнна, а в следующем году опубликовал работы, которые долго не находили признания. Лишь в 1900 году его исследования были заново открыты и признаны научным сообществом.
Когда в этой истории появились гены?
В 1869 году Иоганн Фридрих Мишер выделил из ядра клеток лейкоцитов человека новое вещество — ДНК. Учёный предположил, что оно может играть важную роль в передаче наследственной информации, однако в то время наука ещё не имела возможности расшифровать её структуру.
В 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен предложил термин «ген» для обозначения неизвестной единицы наследственной информации. Однако в тот период учёные ещё не понимали, что именно представляет собой эта единица.
В начале XX века учёные уже умели изолировать хромосомы — сложные структуры, состоящие из ДНК и белков. Американский биолог Томас Хант Морган предположил, что гены располагаются в хромосомах. В 1910-е годы он начал проводить эксперименты с фруктовыми мухами (Drosophila melanogaster), обладавшими различиями в признаках, чтобы понять, как они передаются в последующих поколениях.
Морган обнаружил, что красный цвет глаз у мух является доминантным признаком, а белый — рецессивным. Белые глаза чаще встречались у самцов, имеющих половые хромосомы X и Y, и реже у самок с двумя X-хромосомами. Это позволило предположить, что ген, отвечающий за белый цвет глаз, находится в X-хромосоме, а в Y-хромосоме его нет.
Однако доказать, что ДНК в составе хромосомы является носителем наследственной информации, удалось только в 1944 году благодаря исследованиям Эвери, Маклеода и Маккарти.
Селекция, хромосомы, ДНК — как это связано с фермерами?
Последующие открытия структуры ДНК и разработка технологий секвенирования позволили расшифровывать геномы различных организмов, включая сельскохозяйственные культуры, домашних животных и даже питомцев.
На основе таких расшифровок создаются генетические базы данных для различных пород животных и культурных растений.
Зная геном растения или животного, селекционеры могут проанализировать генетические последовательности, отвечающие, например, за устойчивость к заболеваниям.
Это позволяет определить, будет ли растение устойчиво к определённым заболеваниям, не подвергая его инфицированию, и можно ли ожидать высокие урожаи, не дожидаясь плодов. Услуги по геномной селекции доступны, например, через платформу «Своё Фермерство», где специалисты могут выявить носителей генетических заболеваний или полезных характеристик, таких как наличие каппа-казеина в молоке коров.
Селекция значительно экономит время фермеров, однако этот процесс остаётся длительным: например, для выведения нового сорта яблок требуется от 15 до 20 лет.
Селекция — это генная модификация?
Эти два процесса различаются, но могут дополнять друг друга.
Генная инженерия — это набор методов, направленных на манипуляцию генетическим материалом, включая создание точечных мутаций или внедрение целых генов.
Генная инженерия позволяет внедрять в геном чуждые гены, что в ходе традиционной селекции невозможно. Например, можно вставить ген крысы в бактерию, чтобы она производила инсулин, аналогичный крысиному.
Тем не менее, вопросы безопасности генно-модифицированных организмов (ГМО) для здоровья человека остаются актуальными. Некоторые методы редактирования генома могут вызвать побочные эффекты, такие как нежелательные мутации. Например, при попытке редактирования эмбрионов человека для исправления мутации, вызывающей наследственную слепоту, выяснилось, что в половине случаев хромосома или её фрагмент теряются.
В России, как и в других странах, таких как Германия, Франция и Саудовская Аравия, выращивание и разведение ГМО ограничено. Исключения сделаны для научных исследований и для импорта ГМО-продуктов, таких как соя, используемой в качестве кормов для сельскохозяйственных животных.
Одобренные в мире ГМО-культуры включают, например, кукурузу, устойчивую к вредителям, и сливу, имеющую иммуннитет к вирусам.
Почему селекция не всегда является достаточным методом?
При селекции наследуются не только желаемые характеристики. Например, в процессе выведения мышей для экспериментов часто используется селективное близкородственное скрещивание. Мыши BALB/c nude были выведены через более 20 циклов близкородственного скрещивания, что привело к исчезновению тимуса — железы, ответственной за выработку Т-лимфоцитов, поддерживающих иммунитет. Это сделало их хорошей моделью для исследования иммунодефицита.
Однако вследствие такого скрещивания у этих мышей также утратилась шерсть, а также проявился альбинизм — нежелательные признаки, которые были унаследованы от предков, наряду с необходимыми характеристиками, такими как отсутствие тимуса.
Другим примером являются породы собак, страдающие от наследственных заболеваний, которые также возникли из-за близкородственного скрещивания, необходимого для сохранения определённых признаков породы. Так, среди немецких овчарок гораздо чаще, чем у собак других пород, диагностируется дегенеративная миелопатия — тяжёлое заболевание спинного мозга, которое приводит к слабости и параличу.
Кроме того, селекция порождает этические проблемы. Признаки, которые люди хотят закрепить в растениях и животных, могут иметь побочные эффекты. Например, собаки с короткими лапами, такие как бассет-хаунды и таксы, склонны к вывихам коленной чашечки, а избыточные складки кожи у шарпеев делают их уязвимыми для бактериальных инфекций.
Таким образом, селекция не является идеальным методом, и для достижения более эффективных результатов её можно дополнять современными подходами.
Каковы перспективы развития?
Население Земли продолжает расти, что увеличивает спрос на продовольствие.
В 2000 году с использованием генной инженерии был выведен "золотой рис", обогащённый бета-каротином (прекурсором витамина А). Ожидается, что этот более питательный рис поможет бороться с дефицитом витамина А в бедных регионах мира.
Хотя выращивание этого сорта на Филиппинах было одобрено в 2019 году, его коммерческое производство пока не начато, так как сорт ещё проходит испытания.