БИОЛОГИЯ Том 1 - руководство по общей биологии - 2004

10. ОРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

10.9. Охрана окружающей среды

10.9.2. Сохранение генетического разнообразия

Редкие виды и виды, находящиеся под угрозой исчезновения

Антропогенное воздействие на биосферу привело к вымиранию многих видов. Мамонт, дронт, бескрылая гагарка и бенгальский тигр¹ уже уничтожены человеком. По существующим оценкам, в настоящее время ежедневно вымирает в среднем один вид.

Если мы хотим предотвратить быстрое сокращение биологического разнообразия по вине человека, необходимо: 1) выявить виды, подвергающиеся максимальному риску; 2) изучить причины грозящего им вымирания; 3) попытаться устранить эти причины.

Международный союз охраны природы (МСОГТ = IUCN) публикует подробные списки таксонов, испытывающих угрозу исчезновения в серии так называемых «Красных книг». Он выделяет четыре категории риска.

«Красная книга» для позвоночных включает все известные таксоны, относящиеся к этим четырем категориям. Для растений составить такой список практически невозможно, поскольку, согласно оценкам, более 10% описанных таксонов (т. е. около 60 000) уже являются редкими или находящимися под угрозой исчезновения в ближайшие 30—40 лет.

Существует ряд мер, способствующих предотвращению вымирания:

1) охрана и восстановление местообитаний;

2) создание природоохранных зон (заказников, заповедников, национальных парков, резерватов и т. п.);

3) контролирование и сокращение воздействия на биоту современных методов интенсивного сельского хозяйства;

4) сокращение применения отравляющих веществ, в частности пестицидов;

5) ограничение торговли видами, находящимися под угрозой исчезновения;

6) создание искусственных убежищ (рефугий) и осуществление программ разведения исчезающих видов, например в зоопарках и ботанических садах;

7) создание банков спермы и семян для сохранения максимального генетического разнообразия таксонов.

Большая панда (Ailuropoda melanoleuca), ставшая символом Всемирного фонда охраны природы (WWF), — пример вида, вымирание которого предотвращается путем охраны и восстановления природных местообитаний в сочетании с разведением в неволе.

Большая панда, или бамбуковый медведь, водится на востоке Тибета и в сопредельных горах на юго-западе Китая. Питается этот зверь почти исключительно молодыми побегами бамбука, обилие которого циклически сильно колеблется. В провинции Сычуань в 1983 г. на значительной площади бамбуковые джунгли внезапно погибли, и как минимум 59 панд умерли от голода. К этому добавляется и антропогенный фактор: местообитание вида сокращается в связи с ростом населения и расчисткой лесов под сельскохозяйственные угодья. Без помощи природоохранных организаций большая панда уже вымерла бы.

К началу девяностых годов XX в. был проведен достаточно большой объем исследований, что позволило приблизиться к пониманию физиологии и экологии большой панды в природе. Стало ясно, как такой, казалось бы, плохо приспособленный зверь, сохраняется в своей изменчивой среде. Взрослые панды живут поодиночке и образуют пары только для спаривания. 95% времени бодрствования они едят бамбук: в нем мало питательных веществ, поэтому пандам необходимо много корма, т. е. обширные заросли с возможностью свободной миграции по ним. Для этого вида созданы лесные заповедники и с успехом осуществляется программа его разведения в неволе (в провинции Сычуань) с использованием современных методов размножения, в частности искусственного осеменения и банков спермы. На сегодняшний день популяция большой панды выросла и достигает примерно тысячи особей.

Генетические ресурсы на службе человека

Из 250 000 известных науке видов высших растений в настоящее время только 30 дают 95% нашего вегетарианского рациона (рис. 10.35). В развитых странах используется очень узкий набор их сортов. Например, в Канаде половину урожая пшеницы дает сорт «neepawa». Это опасно тем, что изменения окружающей среды чреваты резким сокращением сельскохозяйственной продукции. Особенно опасны для монокультур вспышки численности вредителей или патогенов. Это четко продемонстрировало катастрофическое распространение фитофторы, погубившей в сороковых годах XIX в. урожай картофеля в Ирландии, что вызвало там повсеместный голод.

Рис. 10.35. Среднегодовое мировое производство основных продовольственных культур. (Sattaur (1989) The shrinking gene pool, New Scientist, 29.7.89, 37—41.)

Решением проблемы может стать быстрое внедрение новых сортов, устойчивых к изменившимся условиям. Для их селекции необходимы соответствующие гены, обычно присутствующие в дикорастущих популяциях родичей культурных растений и вводимые в высокоурожайный сорт путем скрещивания или генноинженерными методами. Аналогичным образом, можно корректировать свойства пород домашних животных.

Такой подход, очевидно, затруднится, если в результате хозяйственной деятельности человека исчезнут дикие родичи культурных растений и домашних животных. Следовательно, создание запасов семян, банков спермы, полевых генных банков и криоконсервация клеток как можно большего числа таксонов необходимы для устойчивого ведения сельского хозяйства. Сохранение разнообразия диких видов важно для нас еще и потому, что некоторые из них могут содержать неизвестные пока науке лекарственные агенты. Например, аспирин был синтезирован на основе природного жаропонижающего средства — салициловой кислоты, обнаруженной в листьях ивы белой (Salix alba), а тропический родич барвинка Catharanthus roseus дал мощное противораковое соединение, применяемое при болезни Ходжкина и некоторых типах неходжкинских лимфом. Недавно в Вест-Индии была обнаружена разновидность этого растения, содержащая в 10 раз больше лекарственного сырья.

В 1982 г. в мире назначалось медикаментов растительного происхождения на 40 млрд, долларов США. Их давал всего 41 из 5000 изученных с этой целью видов. Если учесть, что всего известно 250 000 видов растений, то вполне вероятно, что медицина найдет в них еще много полезного. А этот потенциал, очевидно, зависит от сохранения максимального генетического разнообразия флоры.

Ботанические сады

Растения лучше всего сохранять in situ («на месте»), т. е. в их природном местообитании. Это позволит поддерживать максимальную по размерам популяцию с минимальными затратами сил и средств. Кроме того, таксон будет продолжать свою коэволюцию с опылителями, симбионтами, конкурентами и фитофагами, что не позволит снизиться его адаптивному потенциалу.

Однако, если местообитание сильно фрагментировано или подвергается серьезным изменениям, то такой подход становится ненадежным. Особенно большому риску подвергаются виды тропических лесов, которые в настоящее время уничтожаются высокими темпами. Выходом может стать сохранение растений ex situ («вне места»), т. е. в ботанических садах, дендрариях и т. д.

В мире сейчас примерно 1500 ботанических садов. Большая часть их находится в Северной Америке, Европе и бывших советских республиках, тогда как разнообразие растений выше всего в тропиках и субтропиках. Если ставится цель не просто выращивать некоторое время живые экземпляры, но и обеспечить их размножение, т. е. устойчивое возобновление вида, то такое географическое несоответствие ставит очевидные проблемы, связанные с различиями в фотопериоде и температурном режиме. Трудности можно преодолеть, сочетая растениеводческий опыт ботанических садов с более современными методами хранения зародышевой плазмы в виде семенных банков, полевых генных банков и криоконсервации клеток (см. ниже).

Семенные банки

Семенной банк — это надежный и не требующий много места способ хранения зародышевой плазмы. Исходно речь шла о коллекциях семян продовольственных сортов и их дикорастущих родичей, но сейчас так принято консервировать и генофонды многих исчезающих видов, не имеющих непосредственного практического значения.

Семена многих растений (их называют ортодоксальными) могут сохранять свежесть, оставаясь в состоянии покоя, тысячи лет, если находятся в условиях низкой влажности (5—10%) и температуры (—20 °С). К этой группе относятся основные культуры — зерновые, соя, хлопчатник и различные овощи. В Уэйкфилд-Хаусе, главном хранилище семян Королевского ботанического сада Кью в Лондоне, весь поступающий материал сначала рентгеноскопируется на наличие зародыша. Регулярно проводится тестирование образцов на всхожесть, и, если она падает ниже допустимого уровня (до примерно 85%), то партию обновляют, проращивая запасенные семена и получая новый урожай. Это наиболее сложная и дорогостоящая часть процесса. Даже если она проходит успешно в количественном плане, неизбежен инбридинг, который чреват снижением качества обновленных запасов.

Еще сложнее обстоит дело с так называемыми «капризными» семенами, не выдерживающими высушивания, т. е. не пригодными для долгого хранения. Такие семена имеются у 20% всех видов и 70% тропических, включая столь важные культуры, как какао, гевея и чай. Другие виды, например картофель, размножающийся в основном вегетативно, также требуют альтернативной стратегии долговременного хранения. Эти проблемы в принципе решаются с помощью глубокого замораживания зародышевой плазмы и создания полевых генных банков.

Криоконсервация

Криоконсервацией называют хранение зародышевых и меристемных клеток в жидком азоте при —196 °С. Это останавливает все метаболические процессы, поэтому материал может оставаться в неизменном состоянии теоретически бесконечно долго — главное, чтобы стабильно работала холодильная система. Основным биологическим недостатком такого подхода является «замораживание» эволюции: генотип больше не вовлекается в процесс адаптации и после долгого хранения может оказаться неприспособленным к новым условиям на планете. Это значит, что таксон уже нельзя будет реинтродуцировать в природную среду или использовать для селекции культурных сортов.

Полевые генные банки

Полевые генные банки — это постоянные живые коллекции растений, причем не только деревьев, как в дендрариях, но и саванновых злаков, разных сортов пшеницы, риса, хлопчатника и т. д. Они могут создаваться при ботанических садах, но не в виде декоративно оформленных экспозиций, а на небольших делянках или грядках, не предназначенных для осмотра публикой. Например, Международный генный банк какао на Тринидаде, специализирующийся на латиноамериканских сортах этой культуры, разводит по 16 деревьев каждого из 2500 разновидностей Theobroma cacao. Эти делянки дают полезную информацию относительно свойств растений, в частности продукции и всхожести семян, что жизненно необходимо для создания семенных банков. Главный недостаток такого подхода — большое пространство, занимаемое коллекцией и ее неизбежная уязвимость для вредителей, пожаров, ураганов и других стихийных бедствий.

В 1989 г. группа ведущих международных агентств, занимающихся сохранением биологического разнообразия, разработала природоохранную стратегию ботанических садов. Ее цель — обеспечить взаимодействие местных, национальных и глобальных проектов и стандартизировать способы сохранения таксонов ex situ. Стратегия признана стимулировать обмен материалом и научными данными между коллекциями, а также участие ботанических садов в борьбе с незаконной торговлей исчезающими видами.

Зоопарки

Исходно зоопарки (точнее — зверинцы) создавались как коллекции диких животных для удовлетворения любопытства публики. Сохранение видов, включая разведение их в неволе, — относительно новое направление их деятельности. Главная цель таких программ разведения — поддерживать поголовье исчезающих животных с целью реинтродукции их в природу, когда для этого сложатся подходящие условия. Следовательно, важно одновременное восстановление естественного местообитания или хотя бы устранение факторов, ставящих там данный таксон на грань вымирания.

Большая часть зоопарков располагает лишь несколькими особями каждого вида. Чтобы избежать инбридинга и ослабления адаптивных свойств животных, широко практикуется межзоопарковый обмен производителями. Их маршруты координирует Международная система учета видов (International Species Inventory System — ISIS) со штаб-квартирой в Миннесотском зоопарке.

Транспортировка производителей по свету — занятие хлопотное и дорогостоящее, а гарантий успеха их «гастролей», несмотря на известные крупные удачи, как у больших панд в Лондонском зоопарке, нет. Проблему решает искусственное осеменение. У самцов под наркозом собирают сперму зондом, который электрически стимулирует гениталии. Этот способ применим не только в зоопарках, но и в природе, так что генофонд популяций в неволе можно увеличивать, не истощая дикого поголовья.

На практике многие программы разведения в зоопарках оказались настолько успешными, что там возникли проблемы перенаселенности, особенно у видов, реинтродукция которых в природу задерживается. Это не удивительно, поскольку в неволе, как правило, ниже сопротивление среды, а, следовательно, и смертность. Например львы в природе редко живут более 7 лет, а в зоопарках нередки их 20-летние особи. Снижение рождаемости не выход из положения, поскольку приводит к изменению возрастной структуры популяции в пользу старых животных. Это ставит под угрозу ее воспроизводство и нарушает естественные процессы обучения молодняка путем подражания ролевым моделям взрослых, в частности их половому и родительскому поведению.

Реинтродукция связана с серьезными трудностями и пока ведется очень ограниченно, в основном из-за сохранения в исходных местообитаниях проблем, поставивших виды под угрозу исчезновения. Это наглядно демонстрирует история гавайской казарки (йене). К1949 г. ее дикая популяция сократилась до 12 птиц. Программа разведения в неволе обеспечила сохранение вида и к настоящему времени в исходное местообитание реинтродуцировано более 3000 казарок. Однако жизнеспособная дикая популяция так и не восстановилась, поскольку на Гавайских островах остались завезенные человеком хищники, которые и ставят этих птиц на грань вымирания.

Тем не менее без скорейшей реинтродукции обойтись нельзя. В противном случае разводимые в неволе популяции утратят необходимые для жизни в природе свойства. Животные станут ручными, и окажутся неспособными искать корм, устанавливать территорию, остерегаться врагов, особенно человека. В результате они будут обречены на полуодомашненное существование. Как и в случае растений, успешное сохранение видов животных требует координации усилий, предпринимаемых ex situ и in situ.

10.22. Как банки спермы могут способствовать сохранению, скажем, африканских носорогов, популяции которых все более фрагментируются, что затрудняет встречу животных различных групп?

¹ Причины вымирания мамонта вряд ли чисто антропогенные, а бенгальский тигр — самый многочисленный в настоящее время подвид тигра. Правда, не так давно вымер туранский тигр. — Прим. перев.