Как селекция меняет привычные нам продукты. Объясняем на примерах с бананами и овцами.
Человек веками выбирал среди растений и животных наиболее полезные качества и культивировал их. Так, например, появились зерновые, которые дают больший урожай, и фрукты с более изысканным вкусом.
Разобрались, как селекция развивалась со временем и почему не может остановиться.
Как человек придумал селекцию — объясняем на собаках и крупах
Человек начал влиять на генетику живых существ ещё 15–17 тысяч лет назад. Будучи собирателями и охотниками, наши предки приручали волков, а затем разводили наиболее послушных особей.
Процесс отбора особей с полезными для человека признаками и их последующее размножение называется селективным скрещиванием.
На превращение волков в собак влиял не только человек, но и естественный отбор. Под опекой людей будущим собакам приходилось сталкиваться с непривычной для себя растительной пищей. Поэтому в ходе естественного отбора четвероногие стали лучше усваивать крахмал.
Те же предки собак, вместе с людьми поселившиеся в Тибете, со временем научились легко переносить низкие концентрации кислорода в высокогорных местностях. Но не сами по себе, а благодаря мутациям в ряде генов, которые отвечают за структуру гемоглобина и упругость кровеносных сосудов. А собаки, которые жили на африканском континенте около 14 тысяч лет назад, стали устойчивыми к малярии.
Если приручение собак и скота произошло по инициативе человека, то некоторые другие животные «одомашнились» сами. Первыми к поселениям людей стали приходить крысы, мыши и воробьи, чтобы поживиться зерном и остатками пищи. А затем туда устремились дикие кошки — чтобы охотиться уже на грызунов и воробьёв.
Как ни странно, одомашнивать растения человек начал уже после того, как приручил, например, волка. Около 13 тысяч лет назад люди стали сажать возле поселений пшеницу, ячмень и чечевицу. Если отдельное растение успешно приживалось, новые ростки уже можно было пересаживать, ведь эта устойчивость была обусловлена генетически.
Затем человек научился отбирать наиболее урожайные культуры, и примерно 10,5 тысячи лет назад появились первые, уже более простые для культивации, одомашненные сорта. При этом о том, как именно работает селекция, человек продолжал не догадываться вплоть до 19-го века.
Селекция повсюду
История про бананы и ароматизатор
Некоторые учёные считают, что до того, как на каноэ путешественников попасть на Шри-Ланку, бананы произрастали лишь в Папуа — Новой Гвинее. Затем путешественники сменили лодки на полноценные корабли, и бананы доплыли до Южной Азии и Африки.
Веками люди, не сговариваясь, предпочитали бананы с более тонкой кожурой и с небольшими семенами. Таким образом были получены современные, привычные нам сорта. В некоторых регионах не только едят бананы, но и делают из них лекарства, тарелки, ткани и украшения.
Интересный факт: нам знаком запах искусственного ароматизатора со вкусом банана — многим кажется, что он совсем не похож на настоящий. Этому есть объяснение: синтетический ароматизатор — отсылка к сорту «Гро-Мишель», который с середины 20-го века перестал употребляться в пищу. В 1950-х урожаи поразил грибок, в народе — «панамская болезнь». Чтобы удовлетворить спрос, производители вывели новый сорт бананов — «Кавендиш», устойчивый к панамской болезни, но уже с совсем другим вкусом.
Миллион внуков капусты
Дикая капуста произрастала ещё в садах Древней Греции и Рима, но современный вид приобрела лишь к 17-му веку: просто люди инстинктивно выбирали капусту с большими листьями.
Цветная и брюссельская капуста, классическая брокколи и её китайская разновидность кай-лан — в каждом случае селекционеры культивировали определённый признак растения (длинный стебель, почки, цветки). И этот процесс не останавливается: в 1993 году японская компания представила миру брокколини — гибрид брокколи и кай-лана, который также называют аспаброком за схожесть со спаржей.
Густая овечья шерсть
Сложно представить, что муфлоны — одни из ближайших родственников домашней овцы, хотя они совсем не похожи. Одомашнивание овцы началось ещё в Бронзовом веке — человек отбирал для разведения особей с более густой шерстью и подшёрстком.
Теперь домашняя овца может носить на себе более 35 кг шерсти — без регулярных стрижек животным трудно выжить самостоятельно.
Универсальные голуби
История селекции голубей меняла курс много раз:
Голуби-пища: древние люди разводили самых упитанных птиц, чтобы есть.
Голуби-почтальоны: древние греки выращивали выносливых и способных к навигации (хомингу — возвращению домой) птиц, чтобы извещать население, например, об итогах Олимпийских игр.
Голуби-питомцы: выводить голубей в качестве декоративных птиц стали, обращая внимание на самые разные признаки — увеличенный зоб (голубь дутыш, английский поутер), пышный хвост (павлинохвостый голубь), миниатюрный клюв (короткоклювый голубь).
Английский почтовый голубь. Источник В 19-м веке в Европе разведение голубей для красоты было в моде. Этим увлекался даже Чарльз Дарвин (его питомцами были и английские почтовые голуби, как на фото выше). Опираясь на развитие новых пород из обычного сизого голубя, он описал механизм естественного отбора. В естественных условиях в роли селекционера выступает сама природа: она закрепляет в растениях и животных признаки, помогающие им лучше адаптироваться к окружающей среде.
Голуби разных пород XIX века. Источник
Первым объяснить селекцию научно смог Грегор Мендель
Нам он известен как автор законов наследственности, на которых основаны задачки по биологии вроде «Какой цвет глаз будет у детей, если у папы и мамы глаза карие?». Но был он не исследователем, а монахом (учителем физики и биологии по совместительству), а в свободное время ухаживал за животными и садовыми растениями.
Его многолетние наблюдения за обычным садовым горохом (Pisum sativum) вылились в прорывное открытие, давшее начало генетике как науке.
Это открытие — принцип, по которому наследуются признаки при скрещивании. Мендель выделил семь признаков гороха (цвет горошин, текстура кожицы, форма цветов и т. д.), скрестил пары растений с контрастными проявлениями этих признаков и затем сделал несколько наблюдений:
Если скрестить растения с фиолетовыми и белыми цветами, цветки гибрида всегда будут фиолетовыми. Этот цвет доминирует над белым.
Но у гибридов второго поколения цветки могли быть и белыми: проявлялся подавляемый окрас «растения-бабушки». Эти наблюдения были справедливы и для других признаков растения.
Про ДНК или гены Мендель тогда не знал. Единицы наследственной информации о признаках он называл абстрактным словом Anlagen — «задатки».
В 1865 году Грегор Мендель выступил с докладом о своих наблюдениях перед Обществом естествоиспытателей города Брюнна, а в следующем году опубликовал свои открытия. Однако его труды были либо не поняты, либо проигнорированы. К ним вернулись лишь 35 лет спустя — в 1900 году.
Когда в этой истории появились гены?
В 1869 году Иоганн Фридрих Мишер выделил новое для науки того времени соединение из ядра клетки лейкоцита человека — ДНК. Учёный предполагал, что оно играет какую-то роль в передаче наследственной информации следующему поколению организмов, но в то время наука не была способна расшифровать эти данные.
В 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен предложил термин «ген» для обозначения таинственной единицы наследственной информации — но тогда учёные всё ещё не знали, что эта единица из себя представляет.
В начале века наука уже умела изолировать отдельные хромосомы — сложные комплексы, состоящие из ДНК и белков. Американский учёный Томас Хант Морган считал, что гены находятся именно в них. Он начал эксперименты в 1910-е. Учёный скрещивал между собой фруктовых мух (Drosophila melanogaster) с чётко различающимися признаками и наблюдал за тем, как они проявляются у последующих поколений.
Вот что он обнаружил. Красный цвет глаз у мух является доминантным признаком, а белый — рецессивным. Белые глаза чаще были у самцов с половыми хромосомами в виде X и более короткой Y. Очень редко такой цвет глаз был у самок с двумя X-хромосомами. Получается, что ген, отвечающий за белый цвет мушиных глаз, заключён в X-хромосоме и отсутствует в Y-хромосоме.
Однако доказать, что ДНК в составе хромосомы действительно является носителем наследственной информации, получилось только в 1944 году — у исследователей Эвери, Маклеода и Маккарти.
Селекция, хромосомы, ДНК — отлично. При чём тут фермеры?
Последующие открытия структуры ДНК и технологии секвенирования, о которых мы уже рассказывали, позволили расшифровывать геномы разных организмов — в том числе любимых фруктов, злаков, домашнего скота и питомцев.
На основе этих расшифровок создаются генетические базы данных пород домашнего скота и сельскохозяйственных культур.
Имея расшифровку генома, селекционеры могут проанализировать последовательности интересующих генов — например, устойчивости к определённым заболеваниям.
Теперь, чтобы узнать, устойчиво ли дерево к заболеванию, не обязательно подвергать его инфекции; а чтобы узнать, будет ли оно давать крупные плоды, можно не ждать урожая. А услугу геномной селекции можно заказать, например, через ресурс о селекции на платформе «Своё Фермерство». Специалисты смогут выявить носителей 26 генетических заболеваний или хозяйственно-полезные характеристики (скажем, наличие каппа-казеина в молоке коров).
Грамотная селекция экономит фермерам время, но процесс этот всё равно небыстрый. Пока на то, чтобы вывести новый сорт яблок, нужно 15–20 лет.
Селекция — это генная модификация?
Это два разных механизма, которые дополняют друг друга.
Генная инженерия — группа методов с одной задачей: манипуляциями над генетическим материалом. От провокации точечных мутаций до удаления или встраивания целых генов.
Генная инженерия позволяет встраивать в геном организма чужеродные гены, что в ходе классической селекции осуществить проблематично. Например, доставить ген крысы в бактерию, чтобы она производила «крысиный» инсулин.
Однако научное сообщество до сих пор оценивает возможные риски ГМО для здоровья человека. Дело в том, что некоторые техники редактирования генома протекают с побочными реакциями — появляются нежелательные мутации. Например, учёные хотели отредактировать в клетках эмбриона человека мутацию, которая приводит к наследственной слепоте. Но при попытке редактирования оказалось, что в половине случаев сама хромосома или её фрагмент утрачиваются.
Поэтому в России, как и в ряде других стран (например, в Германии, Франции и Саудовской Аравии), выращивать и разводить генно-модифицированные организмы запрещено. В России исключения делают для ГМО в научных целях и импортных ГМО-растений (например, сои) для фермерских промышленных кормов.
Одобренных по всему миру ГМО-культур не так уж много. Среди них устойчивая к насекомым-вредителям кукуруза или слива с иммунитетом к вирусам.
А почему нельзя обойтись исключительно селекцией?
При селекции наследуются не только желаемые признаки. Например, когда учёные выводят мышей для экспериментов, они часто используют селективное близкородственное скрещивание. Мыши BALB/c nude выводились с помощью более 20 циклов близкородственного скрещивания так, чтобы у них пропал тимус (железа, которая отвечает за выработку Т-лимфоцитов, поддерживающих иммунитет). Скрещивание сделало таких мышей хорошей моделью для изучения иммунодефицита.
Но из-за этого же скрещивания у зверьков пропала шерсть и появился альбинизм — помимо отсутствия тимуса (желаемый признак), BALB/c-nude-мыши унаследовали от родственников и признаки, влияющие на их внешний вид.
Вот ещё пример. У многих пород собак есть наследственные генетические заболевания, которые появились из-за близкородственных скрещиваний — ведь иначе сохранить «породу» не получилось бы. Так, среди немецких овчарок чаще, чем среди собак других пород, диагностируется дегенеративная миелопатия — тяжёлое заболевание спинного мозга, которое проявляется в слабости животного и приводит к параличу.
А ещё селекция поднимает вопрос об этике. Признаки, которые людям хочется сохранить в растениях или животных, могут им вредить. Собаки с короткими лапами (бассет-хаунды или таксы) склонны к вывихам коленной чашечки, а складки кожи шарпеев делают их уязвимыми для бактериальных инфекций.
Поэтому селекция — не идеальный инструмент. И может дополняться другими, более современными методами.
Что будет дальше?
Население Земли продолжает расти, и вместе с ним растёт спрос на продовольствие.
С помощью генной инженерии в 2000 году вывели «золотой рис» с повышенным уровнем бета-каротина (из которого организм синтезирует витамин А). Предполагается, что более питательный «золотой рис» может восполнить дефицит витамина А среди бедной части населения планеты.
Хотя его выращивание на фермах Филиппин было одобрено в 2019 году, в продажу сорт всё ещё не запущен: он проходит тестирования.