III.5. Генетика и селекция

Э Селекция (лат. selektio — отбор) — процесс созда­ния новых и улучшения существующих сортов расте­ний и пород животных, а также штаммов полезных микроорганизмов. Теоретическая база селекции — ге­нетика.

Важнейший раздел селекции как науки — учение об исходном материале, разработанное выдающимся рус­ским генетиком и селекционером Н. И. Вавиловым и изложенное им в работе «Центры происхождения куль­турных растений». Основная задача селекции — созда­ние высокопродуктивных пород животных, сортов рас­тений и штаммов микроорганизмов.

3 Породой или сортом называют популяцию организ­мов, искусственно созданную человеком, которая харак­теризуется специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологически­ми признаками, определенным уровнем и характером продуктивности. Каждой породе или сорту свойственна присущая ему норма реакции. Фенотип (в том числе продуктивность) наиболее полно проявляется при опре­деленных условиях. Для каждого района с теми или ины­ми климатическими условиями, агротехническими при-конъюгируют с «редечными». Генетик удвоил число хромосом гибрида, их стало 36. Такое количество хро­мосом (полиплоидное) обеспечило нормальное проте­кание мейоза: «капустные» хромосомы конъюгирова-ли с «капустными», соответственно так же вели себя «редечные». Каждая гамета несла по одному гаплоид­ному набору редьки и капусты (9 + 9 = 18), а в зиготе вновь оказывалось 36 хромосом. Так межвидовой гиб­рид стал плодовитым.

3 Полиплоидные формы растений подразделяются

на два типа: аутополиплоиды (у них кратно умножен один и тот же геном) и аллополиплоиды (кратно умно­жается гибридный геном). Полиплоидия использует­ся как метод селекции в случаях отдаленной гибриди­зации. Так был получен гибрид пшеницы с рожью — тритикале (рис. 26).

3 Применение цитоплазматической мужской стериль­ности (ЦМС) осуществляется с целью предотвратить са­моопыление растений, чтобы в дальнейшем получить гибридные семена и растения. Стерильные растения, т. е. не продуцирующие пыльцу, можно сеять рядом с расте­ниями других сортов, в результате образуются гибриды. ЦМС характеризуется тем, что только при взаимодейст-вии особого типа цитоплазмы и рецессивных генов ядра возникает мужская стерильность.

3 Искусственный мутагенез как метод селекции. Му­тации, возникающие естественным путем и сопровож­дающиеся появлением полезных для людей призна­ков, встречаются очень редко. Частота мутаций резко повышается при воздействии мутагенов. К ним отно­сятся некоторые химические вещества, ультрафиоле­товое, рентгеновское излучение и многие другие фак­торы.

9 Впервые возможность экспериментального получе­ния мутаций была показана в 1925 г. в работах отече­ственных ученых Георгия Адамовича Надсона (1867— 1940) и Григория Семеновича Филиппова (1900—1934), которые отметили, что после воздействия лучевой ра­диации на низшие грибы повышается степень наслед­ственной изменчивости. Американские генетики Гер­ман Мёллер (1890—1967) и Л. Стадлер независимо друг от друга показали эффективность воздействия рентге­новских лучей на дрозофил и ячмень (1927).

С» Особенности селекции животных связаны с самой природой животных организмов. У них существует толь­ко половое размножение; у животных невозможно по­лучить массовый материал для отбора, как у растений, и каждая отдельная особь представляет значительную цен­ность. В селекции животных не используется получе­ние полиплоидных форм. Гетерозис применяют давно и широко. Классическим примером гетерозиса при отдаленных скрещиваниях является мул, возникаю­щий в результате гибридизации осла и лошади. Это сильное, выносливое животное.

Новейшие методы селекции обусловлены возмож­ностями манипуляции с отдельными клетками живо­го организма, отдельными хромосомами и отдельными генами. Особенностью новых методов является целе­направленное, а не случайное расширение границ из­менчивости генотипа:

— клеточная инженерия связана с культивирова­нием отдельных клеток или тканей на специальных искусственных средах. В изолированных тканях и клетках на селективных средах продолжаются кле-точные деления. Отдельные растительные клетки спо­собны регенерировать и давать целое растение. В объ­еме одной чашки Петри можно поместить тысячи кле­ток;

— хромосомная инженерия, благодаря которой стало возможным замещение (замена) отдельных хро­мосом у растений или добавление новых. Селекцио­нер может, манипулируя хромосомами, заменить одну или обе гомологичные хромосомы одного сорта пше­ницы на ту же пару хромосом, но другого сорта, заме­нить один признак, который ему кажется слабым, на этот же, но более сильный признак, свойственный дру­гому сорту;

— генная инженерия сопровождается искусствен­ным переносом нужных генов от одного вида живых организмов (бактерий, животных, растений) в другой вид, часто очень далекий по своему происхождению.

Трансгенные растения и животные — это организ­мы, геном которых изменен в результате сложных ген­но-инженерных операций.

Селекционер, создающий новые сорта растений и по­роды животных, это прежде всего ученый, в совершен­стве владеющий знаниями генетики, систематики, фи­зиологии и многими другими науками. IV. 1. Экология как наука

3 Экология (греч. oikos — дом, logos — наука) — на­ука о взаимоотношениях организмов между собой и окружающей природной средой. Термин введен в на­учное обращение в 1866 г. немецким экологом и эво­люционистом Эрнстом Геккелем (1834—1919).

3 Задачи экологии — изучение закономерностей раз­мещения живых организмов, изменения их численно­сти, потока энергии и круговорота веществ при уча­стии живых организмов.

3 Экология включает такие разделы, как аутэколо-гия — экология особей, популяционная (демэкология, синэкология) — экология сообществ, биоэкология — экология растений и животных (эволюционная эколо­гия), общая экология — наука о взаимоотношениях организма и среды, мегаэкология — всеобщая, «новая», «большая» экология. В состав мегаэкологии входит социальная экология и другие небиологические дис­циплины.

э Среда. Понятие «среда» имеет примерно три десят­ка смысловых определений. В физическом смысле ее понимают как вещество или пространство, окружаю­щее рассматриваемый объект; в экологическом — как природные тела и явления, с которыми организм на­ходится в прямых или косвенных взаимоотношени­ях; в социально-экологическом аспекте среда является совокупностью природных, природно-антропогенных и социальных факторов в отношении человека.

3 Среда, окружающая человека, состоит из совокуп­ности абиотической, биотической и социальной сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство. Классификация понятия среда (выборочно):

— абиотическая — включает все факторы и явле­ния природы, происхождение которых не связано пря­мо с жизнедеятельностью ныне живущих организмов, в том числе и человека;

— антропогенная — это среда природная, прямо или косвенно, намеренно или непреднамеренно изме­ненная людьми;

— биологическая — живые организмы, в системе которых находится рассматриваемый объект или ор­ганизм (особь);

— биотическая — состоит из факторов и явлений природы, обязанных своим происхождением жизне­деятельности ныне живущих организмов (например, для эндопаразитов и ряда микроорганизмов — это внутренняя среда организма хозяина);

— биогенная — есть совокупность биологической и биотической сред. Среда внешняя объединяет силы и явления природы, ее вещество и пространство, любую дея­тельность человека, находящиеся вне рассматриваемого объекта или субъекта, но необязательно непосредст­венно контактирующие с ним. Среда культурная — это среда исторически конкретного уровня развития

общества, определяемая типами и формами организа­ции жизни и деятельности людей, а также создавае­мыми ими материальными и духовными ценностями; каждая общественно-экономическая формация харак­теризуется определенным типом культурной среды, меняющейся с переходом от одной формации к дру­гой. Окружающая среда включает те же компоненты, что и внешняя среда, но находится в непосредствен­ном контакте с объектом или субъектом.

• Среда социально-экономическая — это отношения между людьми (их группами) и между ними и созда­ваемыми ими материальными и культурными ценно­стями, воздействующими на человека. Это понятие включает социально-психологические, социологические, демографические, национально-культурные, этнические, производственно-экономические и другие элементы. Среда экологическая — то же, что и среда внешняя, но в приложении лишь к живым организмам или объ­ектам с участием живого (рис. 27).

э Факторы среды — движущая сила процесса или ус­ловие, влияющее на них:

— экологические — это любое условие среды, на которое живой организм реагирует приспособитель­ными реакциями;

— абиотические — совокупность условий неживой природы. Например, оптимальная температура — наи­более благоприятный фактор для жизнедеятельности и роста организмов. Организмы, выдерживающие колеба­ния температур в широких пределах, называются эври-термными, в узких — стенотермными;

— биотические — это факторы, источником кото­рых служит опосредованное воздействие живого орга­низма на среду (например, образование каменного угля в результате отмирания организмов или формирование почв);

— антропогенные — возникают в результате пла­нируемой или случайной деятельности человека.

Условия среды обитания — совокупность естест­венно-природных особенностей существования организ­мов и антропогенных воздействий. Условия среды есть совокупность факторов от космических воздействий Вселенной на Солнечную систему до непосредственно-го воздействия окружающей среды на отдельную особь, популяцию или сообщество. Условия природные пред­ставляют собой совокупность живых организмов, тел и явлений природы, существующих помимо деятель­ности людей (в ряде случаев преобразованных ими), влияющих на другие живые организмы, тела и явле­ния, рассматриваемые как центральные в изучаемой системе отношений.

(* Природные ресурсы. Разделение природных ресурсов и условий чисто номинальное, так как, несмотря на «неве-щественность» большинства условий, многие из них мо­гут получить экономическую оценку. Например, клима­тические условия или ресурсы. Ресурсами являются любые источники и предпосылки получения необходи­мых людям материальных и духовных благ, которые мож­но реализовать при существующих технологиях и соци­ально-экономических отношениях.

(# Классификация понятия «ресурсы» (выборочно):

— антропоэкологические включают в себя все предметы, явления, условия и факторы, необходимые для существования людей и человечества как разви­вающегося целого;

— биологические — источники и предпосылки по­лучения необходимых людям материальных и духов­ных благ, заключенные в объектах живой природы. Фактически это все живые средообразующие компо­ненты биосферы: продуценты, консументы и редуцен­ты с заключенным в них генетическим материалом. Различают растительные ресурсы, ресурсы животного мира и т. д.;

— генетические — наследственная генетическая информация, заключенная в генетическом коде жи­вых существ. Эти ресурсы имеют особое значение. Практически это сумма видов земной биоты;

— природные (естественные) состоят из природ­ных объектов и явлений, используемых в настоящем, которые были использованы в прошлом и будут — в будущем для прямого и непрямого потребления, спо­собствующие созданию материальных богатств, воспро­изводству трудовых ресурсов, поддержанию условий существования человечества и повышению качества жизни (ресурсы удобств, эстетические ресурсы, в том числе феномены природы). Различают три парноальтернативные группы ре­сурсов природных: возместимые и невозмести мые — те, которые могут и не могут быть экономи­чески восстановлены для хозяйства; возобновимые и невозобновимые — способные и не способные к са­мовосстановлению за сроки, соизмеримые со срока­ми их потребления (вода в реке — возобновимый ресурс, а почва, минеральные богатства — невозоб­новимые); заменимые и незаменимые (топливно-ми-неральные энергетические ресурсы заменимы на гид­роэнергию и на другие виды энергии, а кислород воздуха, пресная чистая вода для питья — незаме­нимые);

— продовольственные — объединяют все пригод­ные для употребления в пищу объекты, получаемые в ходе промысла и хозяйственной деятельности. К ним относятся естественные, культивируемые, вырабатыва­емые промышленностью с помощью биотехнологии и синтетические продукты питания;

— экологические — представляют собой совокуп­ность средообразующих компонентов, которые обеспе­чивают экологическое равновесие в биосфере и ее под­разделениях;

— экологического равновесия — это любые эко­логические компоненты или экосистемы и агросисте-мы, создающие предпосылки для поддержания функ­ционального или территориального экологического равновесия.

Организм является синонимом понятия «вид жи­вого», то же, что особь, отдельный элемент однородного живого вещества как единой совокупности, участвую­щей в геохимических процессах (В. И. Вернадский); «стройное целое, состав, общность орудного устройст­ва. Организм человека, все телесное устройство его» (В. Даль).

Организм-образователь — это особь, давшая начало колонии или островной популяции организмов. Орга­низм пионерный — вид микроорганизмов, растений (лишь в пещерах и глубинах моря это может быть жи­вотное), первым поселяющийся на участке, ранее ли­шенном живых существ, и своей жизнедеятельностью готовящий среду для образования сообщества или хо­тя бы для вселения организмов других видов. Адаптация (от лат. adapto — прилаживаю) — эво-люционно возникшее приспособление организмов к ус­ловиям среды, выражающееся в изменении их внеш­них и внутренних особенностей; представляет собой совокупность реакций живой системы, поддерживаю­щих ее функциональную устойчивость при изменении условий среды, окружающих эту систему. Отметим не­которые виды адаптации:

— морфологическая — к изменяющейся темпера­туре — выражается, например, при продвижении жи­вотных на север в увеличении средних размеров тела в популяции теплокровных (правило Бергмана);

— физиологическая — к температуре (терморегу­ляция). Как правило, с помощью терморегуляции тем­пература тела поддерживается на постоянном уровне; — биохимическая проявляется в теплоустойчиво­сти белков и клеточных структур;

— поведенческая— это существование в разных стациях (местообитаниях) в зависимости от темпера­туры: широтная зональность проявляется в законо­мерной смене одних сообществ другими при передви­жении от экватора к полюсам;

— к влажности — позволяет гидрофитам, назем-но-водным растениям жить в условиях высокой влаж­ности воздуха и почвы, мезофитам — в условиях сред­него увлажнения, ксерофитам — в условиях недоста­точного увлажнения;

— к свету — у светолюбивых организмов, фотофи-лов, проявляется в приспособлении к свету высокой интенсивности, а у тенелюбивых фотофобов — к све­ту низкой интенсивности (все сумеречные и ночные животные); отдельные организмы, фототрофы, способ­ны преобразовывать энергию света в энергию химиче­ских связей, которая используется ими для синтеза органических веществ из неорганических.

э Общие закономерности воздействия факторов среды на организм.

3 Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного вли­яния на живые организмы (это условия, к которым особи определенного вида наиболее приспособлены, т. е. оставляют наибольшее потомство).

• Закон оптимальности гласит, что с наибольшей эф­фективностью любая система функционирует в неко­торых пространственно-временных пределах. Никакая система не может сужаться и расширяться до беско­нечности; размер любой системы должен соответство­вать ее функциям (например, млекопитающее не может быть мельче или крупнее тех размеров, при которых оно способно рождать живых детенышей и вскармли­вать их молоком).

3 Закон ограничивающего фактора: наиболее зна­чим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений.

э В данный конкретный период выживание особей зависит именно от этого фактора. Например, рост и развитие культурных растений постоянно зависят тоот недостатка влаги или минеральных удобрений, то от недостатка или избытка температуры и т. п. Фото­периодизм — потребность организмов в определенной продолжительности дня и ночи — также влияет на рост и развитие живого организма.

• Вместе с тем живым организмам свойственна то­лерантность — способность выносить отклонения факторов среды от оптимальных для них значений (рис. 29).

3 Популяция — совокупность особей одного вида, име­ющих общий генофонд (свободно скрещивающихся меж­ду собой), населяющих определенный ареал относитель­но обособленно от других совокупностей того же вида. Популяция — элементарная структура вида.

3 Структура популяции (подразделение на части и соотношение их):

— демографическая (возрастная) — соотношение в популяции численности особей разного возраста (рис. 30); — генетическая и фенетическая — соотношение особей с разными генотипами и фенотипами;

— пространственная — особенности размещения особей популяции в пространстве. Численность, или поголовье, популяции — это общее число особей в по­пуляции. Динамика численности может быть стабиль­ной, изменчивой, взрывной. Плотность популяции есть число особей, приходящихся на единицу площади.

С» Процессы в популяции: рождаемость, смертность, вселение (иммиграция), выселение (эмиграция). Экс­поненциальный рост характеризуется ростом численно­сти в геометрической прогрессии, экспонента — кривая роста (рис. 31). Абсолютная скорость роста числен­ности популяции есть величина изменения численно­сти за единицу времени. Удельная скорость роста чис­ленности показывает скорость прироста на единицу населения, отражает биотический потенциал. Абсо­лютная рождаемость — число особей, появившихся в популяции за единицу времени. Удельная рождае-мость — число особей, приходящееся на одну особь популяции в единицу времени.

• Смертность — абсолютная и удельная — характе­ризует скорость убывания численности популяции.

Cf Возрастная структура популяции характеризуется рождаемостью, смертностью, динамикой численности популяции.

Cf Саморегуляция численности популяции (происходит посредством внутривидовых отношений у пределов ем­кости среды) — самоизреживание, поиск новых мест оби­тания, территориальное поведение и др. (рис. 32).

Видовое богатство — число видов, обнаруживаемых в пробе, взятой с определенной площади. Видовое раз­нообразие — показатель, учитывающий число видов и степень «выравненное™» их обилия (численности или биомассы). Продуктивность — количество образуе­мого органического вещества.

• Эквиваленты экологические (экологические двой­ники) — виды, занимающие сходные экологические ниши в сообществах одного типа. Сукцессия — несезонная, направленная и непрерыв­ная последовательность появления и исчезновения ви­дов в данном местообитании.