Генетические основы высоких технологий. Преодоление недостатков монокультуры, создание поликлональных композиций. Получение экологически чистой продукции

Современная биотехнология развивается настолько динамично, что невозможно разработать унифицированную классификацию ее компонентов. Лишь в самом грубом приближении (по аналогии с промышленными небиологическими технологиями) можно выделить следующие типы технологий: технологии низкого и высокого уровня, экстенсивные и интенсивные технологии, а также безотходные, безопасные, ресурсо- и энергосберегающие, трудоемкие, наукоемкие, прорывные. Современные биотехнологии различных направлений и различных уровней неразрывно связаны между собой в единую научно-производственную систему.

Технологии низкого уровня – это технологии традиционные, в известной мере, устаревшие. Они характеризуются низкой наукоемкостью, т.е. базируются на использовании рабочих систем, полученных методами традиционной селекции. Для реализации таких технологий не требуется специального оборудования и специальной подготовки материала. Такие технологии широко используются в рамках обычного сельскохозяйственного производства, в частности, в растениеводстве (тогда рабочей системой можно считатьагроэкосистему, например, обрабатываемое картофельное поле). К биотехнологиям низкого уровня относятся технологии биологической очистки сточных вод, получения биотоплива, некоторые виды микробиологического синтеза.

Технологии низкого уровня с минимальными затратами материальных ресурсов, энергии и человеческого труда называются экстенсивными. Примером таких технологий служит повышение плодородия почв путем вывоза на поля навоза, торфа, путем запашки пожнивных остатков и/или сидератов (специально выращенных бобовых растений). Эффективность подобных технологий невелика: при их использовании продуктивность агроэкосистеммало отличается от продуктивности природных экосистем. Низкая эффективность экстенсивных технологий низкого уровня компенсируется расширением площади сельскохозяйствен-ных угодий: вырубаются леса (при этом древесина используется на топливо, для производства бумаги), распахиваются степи. Вырубка лесов и распашка степей неизбежно сопровождаются эрозией почв, оскудением водных ресурсов. Подобные технологии показали свою неэффективность уже в первой половине XX столетия.

Более эффективными являются интенсивные технологии. Их эффективность достигается, в первую очередь, путем внедрения новых интенсивных сортов растений (в животноводстве и микробиологическом синтезе – интенсивных пород животных и штаммов микроорганизмов). Интенсивность сортов (пород, штаммов) определяется их повышенной продуктивностью при увеличении затрат человеческого труда, при увеличении затрат сырьевых и энергетических ресурсов путем все более широкого использования средств механизации, автоматизации и химизации. Примером таких технологий служит повышение плодородия почв с помощью предварительно подготовленных компостов, путем совместного внесения бактериальных и минеральных удобрений. Широчайшее внедрение подобных технологий характерно для второй половины XX столетия. Например, в Великобритании в период с 1950 по 1980 гг. удалось увеличить урожайность зерновых в 2 раза (50% прироста получено за счет внедрения новых интенсивных сортов, а 50% – за счет увеличения затрат сырьевых и энергетических ресурсов). В настоящее время в экономически развитых странах на производство 1 пищевой калории затрачивается 5…7 калорий ископаемого топлива. Однако в результате применения интенсивных технологий низкого уровня многократно усиливается локальная нагрузка на природные экосистемы, происходит механическая эрозия почв, возрастает их загрязненность минеральными удобрениями и средствами защиты растений. Возрастает и глобальная нагрузка на биосферу, в первую очередь, за счет выбросов углекислого газа: количество СО₂, образовавшегося при сжигании ископаемого топлива, в несколько раз больше, чем количество СО₂, ассимилированного в ходе фотосинтеза в агроэкосистемах. Одним из самых существенных недостатков интенсивных технологий является резкое снижение качества продукции (такую продукцию часто называют «экологически грязной»).

Уже в 1970-е гг. стало ясно, что использование технологий низкого уровня – это тупиковый путь. Выходом из этого тупика стало использование прорывных технологий. Прорывные технологии базируются на самых современных достижениях науки и техники. В качестве прорывных эти технологии они существуют недолго: то, что вчера казалось невероятным, непривычным, фантастичным – сегодня становится обыденным, рутинным. В свое время прорывными технологиями стали технологии микробиологичес-кого синтеза (в частности, получения антибиотиков), технологии клеточной инженерии (в частности, гибридизация соматических клеток и клонирование организмов), технологии генной инженерии (в частности, получение кДНК, получение векторов переноса ДНК и создание трансгенных организмов).

Прорывные, принципиально новые технологии могут быть опасными для человека и окружающей его среды, поскольку последствия их применения непредсказуемы. Внедрение прорывных технологий, как правило, сопровождается появлением новых типов продуктов и новых типов отходов. В принципе, любой новый пищевой или промышленный продукт должен проходить всестороннюю проверку на аллергенность, канцерогенность и мутагенность, на совместимость с другими продуктами, на безопасность для окружающей среды и т.д. Однако прорывные технологии, по своему определению делают такую проверку невозможной. Поэтому прорывные технологии вызывают у населения вполне понятное недоверие, как, например, в случае с внедрением в наш рацион генетически модифицированных источников (ГМИ).

В дальнейшем на основе прорывных технологий создаются биотехнологии высокого уровня (или просто высокие биотехнологии). В противоположность технологиям низкого уровня, высокие биотехнологии характеризуются высокой наукоемкостью, т.е. использованием рабочих систем, полученных с использованием самых современных методов экологии, генетики, микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. Материалы, применяемые в высоких биотехнологиях, часто нуждаются в специальной подготовке. Для реализации таких технологий требуется специальное технологическое оборудование, обслуживаемое квалифицированными специалистами. Из-за нехватки таких специалистов расширение высокотехнологичного производства сопровождается его автоматизацией и компьютеризацией. Такие технологии используются как в рамках обычного сельскохозяйственного производства, так и в других областях человеческой деятельности: в здравоохранении, в промышленности, в различных областях науки, при планировании и проведении природоохранных мероприятий.

Высокие биотехнологии также делятся на экстенсивные и интенсивные.

Экстенсивные высокие биотехнологии характеризуются относительно невысокой квалификацией обслуживающего персонала, относительно низкими затратами сырьевых и энергетических ресурсов. К технологиям подобного типа относится большинство микробиологических производств, технологических процессов по подготовке и переработке промышленного сырья, а также часть производства продукции на основе тканево-клеточных культур. В настоящее время эти технологии частично интенсифицируются за счет компьютеризации производства.

Интенсивные высокие биотехнологии (в противоположность экстенсивным) реализуются с привлечением специалистов высочайшей квалификации, с использованием уникального оборудования и самых современных материалов. Эти биотехнологии используются в медицине, а также для создания организмов с заранее заданными свойствами. Нужно отметить, что интенсификация высоких технологий, в отличие от интенсификации технологий низкого уровня, заключается не просто в повышении их трудоемкости и повышении уровня ресурсо- и энергозатраты, а в повышении качества ресурсного и информационного обеспечения.

Технологии разных уровней неразрывно связаны между собой. С одной стороны, высокие технологии базируются на технологиях низкого уровня, для их осуществления требуется определенный ресурсный, энергетический и информационный фундамент. С другой стороны, достижения высоких технологии используются на низших уровнях биотехнологических производств.

Высокие технологии представляют собой величайшее достижение человеческого разума. Однако они по ряду параметров они не только не превосходят технологии низкого уровня, но даже и уступают им. В частности, высокие технологии требуют все больших и больших вложений ресурсов всех видов. Кроме того, они не решают проблемы получения экологически чистой продукции, а само биотехнологическое производство представляет собой угрозу для человека и окружающей его природной среды.

Преодоление перечисленных проблем возможно только при решении комплекса задач. Поэтому современные биотехнологии необходимо развивать по следующим направлениям.

1. Повышение безопасности для человека и окружающей его среды. Для повышения безопасностибиотехнологического производства необходимо создание таких рабочих систем, которые не могут функционировать в неконтролируемых условиях. Например, штаммы кишечной палочки, используемые в биотехнологии, лишены надмембранных структур (оболочек); такие бактерии просто не могут существовать вне лабораторий или вне специальных технологических установок. Перспективным направлением является создание и внедрение в производство ауксотрофных форм, не способных синтезировать некоторые необходимые вещества (по сравнению с нормальными, прототрофными формами). Повышенной безопасностью обладают и многокомпонентные системы из двух и более систем, каждая из которых не способна к самостоятельному существованию

2. Снижение доли отходов, внедрение ресурсосберегающих технологий. Отходами производства называются его побочные продукты, которые не могут использоваться человеком или другими компонентами биосферы (а также побочные продукты, использование которых нерентабельно или сопряжено с каким-то риском). Отходы производства могут накапливаться в пределах производственных помещений (территорий), но могут и выбрасываться в окружающую среду. Вообще-то, абсолютно безотходных технологий не существует (как не существует вечного двигателя). Однако необходимо стремиться к изменению соотношения полезный продукт/отходы в пользу полезного продукта. Этого можно достичь различными способами. Во-первых, отходам можно найти полезное применение. Во-вторых, отходы можно направить на вторичную переработку, создав замкнутый технологический цикл. И, наконец, можно изменить саму рабочую систему так, чтобы уменьшить долю отходов.

3. Снижение энергетических затрат на производство продукта, т.е. внедрение энергосберегающих технологий. Принципиальное решение этой проблемы возможно, в первую очередь, за счет использования возобновляемых источников энергии. Например, годовое потребление энергии ископаемого топлива соизмеримо с объемом чистой валовой продукции всех фотосинтезирующих организмов на Земле. Для трансформации солнечной энергии в формы, доступные для современных силовых установок, создаются энергетические плантации быстрорастущих растений. В экономически развитых странах для получения посадочного материала используются методы клеточной инженерии. Полученная биомасса используется для получения целлюлозы, биотоплива, а также биогумуса. Всесторонние выгоды подобных технологий очевидны. Использование методов клеточной инженерии для постоянного обновления посадочного материала обеспечивает получение в кратчайшие сроки большого количества растений, свободных от вирусов и микоплазм; при этом отпадает необходимость создания маточных плантаций. Снижается нагрузка на естественные насаждения древесных растений (которые в значительной мере вырубаются для получения целлюлозы и топлива), уменьшаются потребности в ископаемом топливе (которое, в общем-то, является экологически грязным, поскольку при его сжигании образуются недоокисленные вещества). В ходе фотосинтеза солнечная энергия непосредственно преобразуется в энергию биотоплива – без всякого рода технических преобразователей энергии, для изготовления которых требуются полупроводниковые материалы и цветные металлы. Кроме того, при фотосинтезе связываются углекислый газ и водяные пары, то есть снижается содержание в атмосфере важнейших факторов парникового эффекта. При уборке урожая часть углерода вместе с корнями (а также лиственным опадом, элементами ризосферы и органическим веществом, преобразованным фитофагами) остается в почве – этот углерод на длительное время изымается из глобального цикла. При сжигании биотоплива образуются углекислый газ и водяные пары, которые поступают в атмосферу, но вновь связываются растениями на энергетических плантациях.

4. Снижение доз минеральных удобрений и доз химических средств защиты растений. Минеральные удобрения и ядохимикаты не только ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, но и наносят колоссальный ущерб природным экосистемам. Преодолеть негативные последствия химизации сельскохозяйственного производства можно различными способами. В первую очередь, необходимо отказаться от монокультур – использования ограниченного набора биотипов (сортов, пород, штаммов). Недостатки монокультуры были выявлены еще в конце XIX столетия; они очевидны. Во-первых, в монокультуре возрастают конкурентные отношения между выращиваемыми организмами; в то же время, монокультура оказывает лишь одностороннее воздействие на конкурирующие организмы (сорняки). Во-вторых, происходит избирательный вынос элементов минерального питания, что ведет к деградации почв. И, наконец, монокультура неустойчива кпатогенам и вредителям. Поэтому монокультуры в течение XX века поддерживались за счет исключительно высокой интенсивности производства. Разумеется, использование монокультур интенсивных сортов (пород, штаммов) упрощает разработку технологии производства продукции. Например, с помощью высоких технологий созданы сорта растений, устойчивые к определенному пестициду, который при возделывании именно этих сортов можно применять в высоких дозах. Однако в этом случае уже нет смысла говорить о безопасности такой рабочей системы для человека и окружающей его среды. Кроме того, рано или поздно появятся расы патогенов(вредителей), устойчивые к данному пестициду. Поэтому неизбежен планомерный переход от монокультуры к многокомпонентным (поликлональным) композициям, включающим разные биотипы культивируемых организмов, которые иначе называют культиварами (от англ. cultivated varieties – культивируемые разновидности).Многокомпонентные композиции должны включать культивары с разным ритмом развития, с различным отношением к динамике физико-химических факторов среды, к конкурентам, патогенам и вредителям. В генетически гетерогенных системах возникают компенсатор-ные взаимодействия особей с различными генотипами. В первую очередь, это снижает уровень внутривидовой конкуренции и автоматически увеличивает давление культивируемых организмов на конкурирующие организмы других видов (сорняки). По отношению к патогенам и вредителям такая гетерогенная экосистема характеризуется коллективным групповым иммунитетом, который определяется взаимодействием множества структурных и функциональных особенностей отдельных биотипов.

Таким образом, гетерогенные биологические системы обеспечивают возможность непрерывного инеистощительного природопользования с минимальными затратами минеральных удобрений и химических средств защиты растений. Разумеется, создание многокомпонентных композиций предполагает дальнейшее развитие высоких технологий, комплексное экспресс-тестирование полученных рабочих систем, немедленное их внедрение в сельскохозяйственное производства и в другие разделы биотехнологии.

Тема 11: Генетика популяций

1. История понятия «популяция». Современное определение популяции. Генетическая структура популяции

2. Закон Харди–Вайнберга – основной закон популяционной генетики

3. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных популяциях. Практическое значение закона Харди–Вайнберга

4. Биологическое разнообразие. Генетический полиморфизм популяций как основа биологического разнообразия. Проблема сохранения биоразнообразия