Что такое селекция
Термин «селекция» происходит от латинского слова selection – отбор. Говоря о селекции, имеют в виду два значения:
1. процесс создания сортов растений, пород животных, штаммов полезных микроорганизмов;
2. науку, разрабатывающую теорию и методы создания сортов растений, пород животных, штаммов полезных микроорганизмов.
Теоретическая база селекции – генетика. Итогом селекционного процесса являются сорт, порода, штамм. Сорт растений, порода животных, штамм микроорганизмов – это совокупность организмов, созданных человеком в процессе селекции и имеющих определенные наследственные свойства. Все организмы, составляющие эту совокупность, имеют сходные наследственно закрепленные особенности, однотипную реакцию на условия среды. Как наука селекция окончательно оформилась благодаря трудам Ч. Дарвина. Он проанализировал огромный материал по одомашниванию животных и введению в культуру растений и на этой основе создал учение об искусственном отборе.
Селекция как процесс представляет собой специфическую форму эволюции, подчиняющуюся общим закономерностям. Главная отличительная особенность селекции как процесса состоит в том, что естественный отбор заменен на искусственный, проводимый человеком. Это и позволило Н.И. Вавилову дать емкое и образное определение селекции как процесса. Он писал, что селекция представляет собой «эволюцию, направляемую волей человека». Следовательно, селекция есть важнейший род практической деятельности человека, итогом которой и стали все имеющиеся сегодня сорта культурных растений, породы домашних животных и штаммы полезных микроорганизмов.
Одомашнивание как первый этап селекции
Культурные растения и домашние животные произошли от диких предков. Этот процесс называют одомашниванием или доместикацией . Важнейшей движущей и направляющей силой одомашнивания служит искусственный отбор. На самых ранних этапах одомашнивания, уходящих на тысячелетие в глубь истории, искусственный отбор был бессознательным. Первые попытки одомашнивания начинались, вероятно, со случайного выращивания диких животных. Только те из них, которые оказались способными контактировать с человеком и существовать в условиях неволи, выживали. Следовательно, на первых этапах одомашнивания особую роль могла сыграть селекция животных по поведению.
Отечественный генетик и эволюционист Д.К. Беляев предположил, а затем со своими коллегами экспериментально показал, что отбор по поведению был одним из важнейших факторов резкого повышения изменчивости на начальных этапах одомашнивания животных. Выяснилось, что селекция по поведению не ограничивается изменением самого поведения. Параллельно изменяются многие жизненно важные функции и процессы. Происходит перестройка такой строго стабилизированной системы организма, как репродуктивная. Например, у селекционируемых по поведению лисиц наблюдается переход от однократного размножения в году к двукратному, изменяется характер линьки, меняется фотопериодическая реакция, появляется большое количество морфологических признаков, очень похожих на те, что известны для других одомашненных животных (окраска тела, форма ушей, хвоста и т.д.). Громадное разнообразие, закономерно возникающее на первом этапе одомашнивания животных, послужило основой для создания пород животных, резко отличающихся как от диких предков, так и друг от друга.
Итак, на первых этапах введения в культуру растений и одомашнивания животных основным направлением селекции был отбор на способность размножаться в условиях искусственного содержания, т.е. под контролем человека. Среди животных оставлялись на потомство только те, которые могли размножаться в неволе и контактировать с человеком. Среди злаковых растений человек отбирал только те, которые были способны сохранить семена в колосе, т.е. не осыпались, как это характерно для «дикарей».
Центры происхождения культурных растений
Важнейший радел селекции как науки – учение об исходном материале. Фактически он разработан выдающимся советским генетиком и селекционером Н.И. Вавиловым и подробно изложен в его работе «Центры происхождения культурных растений». Любая селекционная программа начинается с подбора исходного материала. Решая проблему исходного материала, Н.И. Вавилов обследовал земной шар и выяснил территории с наибольшим генетическим разнообразием культивируемых растений и их диких сородичей. Вместе с сотрудниками Н.И. Вавилов осуществил в 20–30-е годы более 60 экспедиций по всем обитаемым континентам, кроме Австрии. Участники этих экспедиций – ботаники, генетики, селекционеры – были нестоящими охотниками за растениями. В результате огромной и самоотверженной работы они установили и отельные районы мира, обладающие наибольшим разнообразием генетических форм растений. Таких районов Н.И. Вавилов выделил восемь: 1. Индийский центр;
2. Южнокитайский;
3. Среднеазиатский;
4. Переднеазиатский;
5. Средиземноморский;
6. Абиссинский;
7. Центральноамериканский;
8. Южноамериканский.
Н.И. Вавилов считал, что районы, где обнаружено наибольшее генетическое разнообразие по тому или другому виду растений, и являются центрами их происхождения. У картофеля максимум генетического разнообразия связан с Южной Америкой, у кукурузы – с Мексикой, у риса – с Китаем и Японией, у хлебных злаков пшеницы, ржи – со Средней Азией и Закавказьем, у ячменя – с Африкой. Эти районы и были отмечены как центры происхождения перечисленных видов. То же самое было сделано и по многим другим видам.
Наряду с открытием мировых центров происхождения культурных растений Н.И. Вавилов и его экспедиции собрали самую крупную в мире коллекцию растений, которая была сосредоточена во вновь созданном в С.-Петербурге Всесоюзном институте растениеводства, ныне носящем имя Н.И. Вавилова. Эта коллекция в виде семенных образцов постоянно пополняется, воспроизводится на полях опытных станций института и насчитывает в настоящее время более 300 тыс. номеров. Она-то и является тем кладезем исходного материала, которым пользуются все генетики и селекционеры страны, работающие с растениями. Прежде чем начать создание нового сорта растений, селекционер подбираем из мировой коллекции все необходимые для работы образцы, обладающие интересующими его признаками.
Например, селекционер задумал создать для Сибири холодостойкий сорт пшеницы или ржи. Прежде всего, он будет изучать в мировой коллекции все холодостойкие сорта, собранные в северных районах Азии, Европы, Америки. После этого он сможет выбрать сорт, наиболее соответствующий его селекционной программе.
Мировая коллекция растений – наше крупнейшее национальное достояние, требующее к себе бережного отношения и постоянного пополнения.
Происхождение домашних животных и центры их одомашнивания
Как свидетельствуют современные данные, центры происхождения животных и районы их одомашнивания связаны – это места древних цивилизаций. В индонезийско-индокитайском центре впервые, по-видимому, были одомашнены собака, большинство пород которой происходит от волка, – одно из наиболее древних домашних животных.
В Передней Азии, как полагают, были одомашнены овцы, их предок – дикие бараны муфлоны. В Малой Азии одомашнены козы. Одомашнивание тура, ныне исчезнувшего вида, произошло, вероятно, в нескольких областях Евразии. В результате возникли многочисленные породы крупного рогатого скота. Предки домашней лошади – тарпаны, также исчезнувшие, были одомашнены в степях Причерноморья. Таким образом, для большинства видов домашних животных и культурных растений, несмотря на их огромное разнообразие, обычно удается указать на исходного дикого предка.
Применение цитоплазматической мужской стерильности
Возникает вопрос, как получить гибридные семена, например, у кукурузы, сахарной свеклы, риса, томатов, если в пределах одного растения или даже одного цветка расположены женские и мужские элементы системы размножения и всегда присутствует возможность самоопыления. В этих случаях избежать процесс самоопыления возможно только двумя путями: на материнских формах удалить вручную мужские элементы цветка, продуцирующие пыльцу; сделать мужские соцветия стерильными. Первый путь очень трудоёмок, поэтому генетики начали поиск систем, определяющих мужскую стерильность растений.
В 1929 г. Ученик Н.И. Вавилова, отечественный селекционер и генетик М.И. Хаджинов нашёл в посевах кукурузы растения с мужской стерильностью, которые ничем не отличались от нормальных, полностью стерильных, т.е. не продуцирующих пыльцу. Эта система затем была детально изучена генетически, выявлены разные типы мужской стерильности. Один из них – цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) – был предложен и широко использован для получения гибридных семян у кукурузы, а затем и у многих других видов.
Схема использования ЦМС в селекции разработана в 30-х годах Родсом. Этот тип мужской стерильности характеризуется тем, что только взаимодействие особого типа цитоплазмы (S) и рецессивных генов ядра (rf) обусловливает мужскую стерильность.
В практике используют лишь гибридные семена первого поколения от скрещивания двух линий, простого гибрида и линии или двух простых гибридов. Второе и последующие поколения в производственных посевах не используются, так как гибриды расщепляются на исходные формы и эффект гетерозиса исчезает. В связи с этим при использовании гетерозиса у растений организовано семеноводство в специальных хозяйствах, фермах, где получают только семена первого поколения и продают их хозяйствам, фермерам и т.д. Так как урожайность гетерозисных гибридов значительно (на 20–30%) выше сортов, то затраты на семеноводство гибридных семян с лихвой окупаются. В растениеводстве гетерозис широко используется у кукурузы, сорго, сахарной свеклы, риса томатов и других видов.
ПЛАН
1) Что такое селекция.
2) Основные методы применимые в селекции.
б) Гибридизация
в) Полиплоидия
г) Мутагенез.
3) Применение селекции.
а) В сельском хозяйстве.
б) В животноводстве.
4) Биотехнология.
1.ЧТО ТАКОЕ СЕЛЕКЦИЯ.
Слово "селекция" произошло от лат. "selectio",4ro в переводе обозначает "выбор, отбор". Селекция это наука, которая разрабатывает новые пути и методы получения сортов растений и их гибридов,пород животных. Это также и отрасль сельского хозяйства, занимающаяся выведением новых сортов и пород с нужными для человека свойствами: высокой продуктивностью, определенными качествами продукции, невосприимчивых к болезням, хорошо приспособленных к тем или иным условиям роста.
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРИМЕНИМЫЕ В СЕЛЕКЦИИ.
2. а. ОТБОР.
Основа любого сорта растений или породы животных – родоначальник. Его ценность в накоплении в генотипе.
многих генов, обусловливающих высокую продуктивность или другие нужные качества. Потомство от выдающегося родоначальника, сходное с ним по фенотипу и генотипу составляет линии животных или растений. Они поддерживаются целенаправленным отбором. Особенно отбор применяется в животноводстве, где отбор производителей играет первостепенную роль в племенном деле. В народе говорят: "Производитель - половина стада".
2.6. ГИБРИДИЗАЦИЯ.
Гибридизацией называют скрещивание организмов с различной наследственностью. В результате получают новый организм, сочетающий наследственные задатки родителей. Для первого поколения гибридов часто характерен гетерозис. При гетерозисе при скрещивании организмов с разной наследственностью происходит биохимическое обогащение гибрида у него усиливается обмен веществ. В последующих поколениях эффект гетерозиса постепенно затухает. У вегетативно размножаемых растений (картофель, плодовые и ягодные культуры) возможно закрепление гетерозиса в потомстве. Гибридизацию применяют для получения ценных форм растений и животных. Скрещивание особей, принадлежащих к разным видам, называют отдаленной гибридизацией, а скрещивание подвидов, сортов растений или пород животных -внутривидовой. В зоотехнии(наука о разведении, кормлении, содержании и правильном использовании сельскохозяйственных животных, теоретическая основа животноводства) различают собственно гибридизацию и межпородное скрещивание животных, потомство от которых называется помесным, помесями. Помеси легко скрещиваются между собой и дают потомство.
Процесс гибридизации, преимущественно естественной наблюдали очень давно. Гибриды от скрещивания лошади с ослом (мул, лошак) существовали уже за 2000 лет до н.э. Искусственные гибриды (при скрещивании гвоздик) впервые получил английский садовод Т. Фэрчайлд в 1717 году. Большое число опытов по гибридизации провел Чарльз Дарвин.
Гибридизацию, особенно форм и сортов в пределах одного вида широко используют в селекции растений, с помощью метода гибридизации создано большинство современных сортов сельскохозяйственных культур.
2.в.ПОЛИПЛОИДИЯ.
В 1892 году русский ботаник И.И. Герасимов исследовал влияние температуры на клетки зеленой водоросли спирогиры и обнаружил удивительное явление - изменение числа ядер в клетке. После воздействия низкой температурой или снотворным (хлороформом и хлоралгидратом) он наблюдал появление клеток без ядер, а также с двумя ядрами. Первые вскоре погибали, а клетки с двумя ядрами успешно делились. При подсчете хромосом оказалось, что их вдвое больше, чем в обычных клетках. Так было открыто наследственное изменение, связанное с мутацией генотипа, т.е. всего набора хромосом в клетке. Оно получило название полиплоидии, а организмы с увеличенным числом хромосом - полииплоидов.
В природе хорошо отлажены механизмы, обеспечивающие сохранение постоянства генетического материала. Каждая материнская клетка при делении на две дочерний строго распределяет наследственное вещество поровну. При половом размножении новый организм образуется в результате слияния мужской и женской гаметы. Чтоб сохранилось постоянство хромосом у родителей и потомства, каждая гамета должна содержать половину числа хромосом обычной клетки. И в самом деле, происходит уменьшение в два раза числа хромосом, или, ка назвали ученые редукционное деление клетки, при котором в каждую гамету попадает только одна из двух гомологичных хромосом. Итак, гамета содержит гаплоидный набор хромосом - т.е. по одной от каждой гомологичной пары. Все соматические клетки дипловдны. У них два набора хромосом, из которых один поступил от материнского организма, а другой от отцовского. Полиплоидия успешно используется в селекции.
2.г. МУТАГЕНЕЗ.
В 20-х годах стало развиваться мутационная генетика - учение о возникновении мутаций, т.е. таких изменений признаков организмов, которые передаются по наследству. Мутации возникают в половых клетках.
Советский ученый Н.И. Вавилов установил, что у родственных растений возникают сходные мутационные изменения, например у пшеницы в окраске колоса, остистости. Эта закономерность объясняется сходным составом генов в хромосомах родственных видов. Открытие Н.И. Вавилова получило название закона гомологических рядов. На основании его можно предвидеть появление тех или иных изменений у культурных растений.
Изменчивость организмов - одно из важнейших проявлений жизни. В природе не существует двух совершенно сходных особей.Различия обусловлены наследственными и внешними факторами. Поэтому изменчивость организмов выражается в двух формах: наследственной и модификационной.
Внешний вид окружающих нас организмов - это результат сложного взаимодействия их наследственной основы и факторов окружающей среды. Каждое растение в разных условиях выглядит по-разному. Например, во влажный год у растений крупные, мясистые листья, а в засушливый - мелкие, тонкие. Если бы листья в сухих условиях оставались такими же крупными, избыточное испарение влаги привело бы к их гибели. Свойство организмов реагировать на изменение окружающей среды названо нормой реакции.
Модификационная изменчивость играет огромную роль в сохранении и распространении вида. Эволюция происходит за счет наследственных изменений, мутаций и рекомбинаций наследственных факторов.
У одного и того же организма стабильность генов различна: один ген может мутировать в несколько раз чаще другого. Различия в мутабельности отмечены не только между разными генами,но и разными формами вида. Склонность к мутированию не одинакова и у разных видов.На частоту мутирования оказывают влияние физиологические и биохимические изменения, происходящие в клетке под влиянием внешних условий. Под действием некоторых внешних факторов количество мутаций увеличивается в сотни раз.
Мутации появляются в клетках любых тканей многоклетоточного организма. Если они возникли в половых клетках, их называют генеративными, в клетках других тканей теласоматическими. Ценность мутации различна, она обусловлена типом размножения организма. Генеративные мутации проявляются у зародышей следующего поколения, а соматические - только у той особи, у которой они возникли, и по наследству другому поколению не передаются.
СЕЛЕКЦИЯ (от лат. selectio-выбор), форма разведения организмов человеком, приводящая к наследственному изменению их в желательном направлении [при неправильной методике С. или при «бессознательной селекции» (бессознательный отбор по Дарвину) могут произойти и нежелательные изменения].. Любое улучшение (лучшее приспособление к потребностям человека) сел.-хоз. организмов идет по одному из двух путей-это либо изменение их фенотипа путем изменения внешних условий (кормления, содержания, удобрения, севооборота и т. д.), либо изменение их генотипа посредством: замены более продуктивной породой, гибридизации (к-рую зоотехники неправильно называют метизацией), или С. Смена породы и гибридизация являются формами ис- пользования результатов С.-Селекция в народном хозяйстве дает менее быстрые, но значительно более устойчивые результаты, чем изменение внешних условий. Основательный эффект С. дает лишь через 5-10 поколений разведения, тогда как изменение условий дает основные результаты в том же поколении, но эти результаты полностью исчезают через одно, много два поколения при наступлении прежних условий.-Всякое разведение группы организмов приводит к некоторой перегруппировке их генов. Задача селекционера вести разведение таким образом, чтобы повысить в селекционируемой популяции концентрацию полезных генов. Современная С, основанная на данных генетики, доводит эту задачу до конца, требуя полного удаления других аллеломорфов этих генов, т. е. создания удовлетворяющей поставленной цели гомозиготной группы особей. Такая группа не будет изменяться при дальнейшем разведении без С. Для создания гомозиготности применяется инбридинг (см.). Не требуется гомозиготности лишь у растений, размножающихся вегетативно (напр. у картофеля или размножаемого корневищем хлопка); наследственная структура при размножении у них не меняется, так что у них гетерозигот-ность, наоборот, выгодна, позволяя использовать постоянно действующий гетерозис, т. е. благоприятный в первом поколении результат скрещивания двух сортов. Каждая форма С. включает в себя два момента-отбор среди организмов (т. е. оставление лишь наиболее удовлетворяющих задачам С. и отбраковку остальных) и нек-рую систему скрещиваний (последняя в более примитивных формах С. не контролируется и бывает беспорядочной) . Отбор требует объективного и точного учета признаков особи. Для такого учета надо в ряде случаев применять специальные приемы, вплоть до установок, воспроизводящих в лаборатории суховеи, или заражения организмов определенной инфекцией. Однако оценивать организм по его фенотипу недостаточно, для С. требуется оценка генотипа. Поэтому применяется оценка по фенотипу потомства и отбраковка целыми группами. Оценивая по признакам, к-рые желательно улучшить, и придавая им основное значение, необходимо все же и всесторонне учитывать свойства организма. Чем больше взято исходных особей и чем интенсивнее отбор, тем лучше получается результат. Время, потребное для С, выражается числом поколений: чем меньше его надо на одно поколение, тем быстрее проводится С. Методы С; зависят от: 1) биологии размножения (вегетативное или половое, самооплодотворение или перекрестное оплодотворение, много или мало дает организм потомства, оплодотворение и размножение раз в жизни или несколько раз и т. д.); 2) целей С.-какие признаки надо усовершенствовать; 3) степени генетической изученности организма и 4) способа хоз. использования организма (надо ли его убивать для оценки, можно ли учесть признак по одному организму или надо много и т. д.). Аналитической С. называется С. в пределах одной породы, синтетической С.-соединение свойств двух или многих пород в одну. В начале С. должна быть ясно сформулирована задача ее. На основе задачи и учета мирового наличия разнообразных форм данного организма выбирается исходный материал для С. Его выбор наполовину обеспечивает успех, поскольку С. не может создавать новых генов, а лишь перекомбинирует их. Поэтому правилен афоризм: «Чтобы создать породу, надо сперва получить ее в руки». По изучении материала исходных пород из него выбираются особи, наиболее удовлетворяющие задачам С,-особи-родоначальники. Самая С. может проходить однократно, т. е. в течение одного поколения, или многократно, в ряде поколений. Отбор может быть индивидуальный или массовый. Наиболее совершенным методом С. является применяемый для самоопыляющихся растений метод чистых линий (см.) (свалефский метод), примененный впервые в 1893 г. на Свалефской селекционной станции (Швеция) (следует отметить, что он начал применяться еще до разработки науки 6 чистых линиях). Число исходных особей берется значительное, до нескольких десятков тысяч. Браковка идет ежегодно на основании оценки всего потомства исходной особи, семена оставленных линий высеваются целиком, не смешиваясь друг с другом. По достаточном размножении линий начинается их агрономическая оценка. Через 6-8 поколений после начала работы в результате браковки из всех линий остается 2- 3 наилучшие, являющиеся готовыми и размноженными селекционными сортами.-У растений, размножающихся перекрестным опылением, но допускающих принудительное самоопыление, применяется последнее как наиболее тесный инбридинг (см.), быстрее всего приводящий к гомозиготности (среди животных подобный метод в наст, время возможно применять только у пчел, осеменяя матку ее партеногенети-чески развившимся сыном). После 4-5 поколений самоопыления с отбраковкой целых линий получаются линии практически гомозиготные. Т. к. жизнеспособность их в результате инбридинга несколько понижена, их скрещивают друг с другом попарно. Это скрещивание производится между оставленными линиями во всех комбинациях и носит название диал-лельного. Наилучшие комбинации линий оставляются и разводятся с применением инбридинга еще ряд поколений, на чем С. заканчивается.-Следующим методом, применяемым у неразмножающихся самоопылением растений и у всех животных, является метод кровных линий. Родоначальники подбираются парами и потомство отдельных пар скрещивается между собой в ряде поколений часто в комбинации со скрещиванием родителей с детьми тесным инбридингом (братья с сестрами), с применением отбраковки целых линий. Данный метод также приводит к практической гомозиготности, но требует для этого большего числа поколений, чем самооплодотворение. Получающиеся линии можно использовать или непосредственно или, при заметном понижении жизнеспособности в результате инбридинга, после диаллельных скрещиваний и повторения инбридинга, как в предыдущем методе. Кроме приведенных методов индивидуального отбора существует ряд методов массового отбора, в к-рых не применяется инбридинг и поэтому не получаются константные породы. Наиболее совершенным из них, широко применяемым в животноводстве, является массовый отбор с проверкой по потомству. Производители точно оцениваются, специальных систем скрещивания не применяется. Эта форма С. может значительно повысить концентрацию полезных генов.- Менее совершенен непрерывный массовый отбор с оценкой по фенотипу. Он может дать заметные результаты в первые поколения, особенно у организмов, не подвергшихся селекции ранее и имеющих большое наследственное разнообразие, но они не стойки и быстро утрачиваются.-Самый несовершенный метод С., хотя и самый быстрый,- однократный массовый отбор по фенотипу. Его результаты сказываются только в одном-двух поколениях, и этот метод"теперь оставлен. Наконец организмы, разводимые без специальной С, все же подвержены в той или иной степени бессознательной С, напр. оставление в хозяйстве более работоспособных лошадей для непосредственного использования также есть С, поскольку от них получается потомство. Нашей задачей является полная ликвидация бессознательной С, поскольку она часто приводит к отрицательным результатам; так напр. использование наиболее крупных животных из стада на мясо приводит к его измельчанию. Важная проблема С.-использование полученных сортов и пород. В этом особенно проявляются преимущества планового хозяйства, позволяющего в один сезон заменить один сорт на лучший в целом районе. Основную селекционную работу проводят селекционные станции. В СССР сеть их широко развернута. С. большинства растений объединена во Всесоюзном ин-те растениеводства, стоящем по своей работе впереди всех селекционных ин-тов мира. С. животных проводится трестами и отраслевыми институтами. Масштабы социалистического хозяйства позволили поставить С. по ряду культур На небывалую ВЫСОТУ.Д. Шасколъекий.Селекция - наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. В основе селекции лежат такие методы, как гибридизация и отбор. Теоретической основой селекции является генетика.
Для успешного решения задач, стоящих перед селекцией, академик Н.И.Вавилов особо выделял значение:
Изучения сортового, видового и родового разнообразия интересующей нас культуры;
Влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков;
Изучения наследственной изменчивости;
Знаний закономерностей наследования признаков при гибридизации;
Особенностей селекционного процесса для само- или перекрестноопылителей;
Стратегии искусственного отбора.
Породы, сорта, штаммы - искусственно созданные человеком популяции организмов с наследственно закрепленными особенностями: продуктивностью, морфологическими, физиологическими признаками.
Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводится искусственный отбор и селекция растений .
Основные методы селекции растений
Генная инженерия
Методы основаны на выделении нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма. «Вырезании» генов проводят с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов - рестриктаз, затем ген вшивают в вектор - плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию (рис. 342). Вшивание осуществляется с помощью другой группы ферментов - лигаз. Причем вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена - промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.
Излюбленный объект генных инженеров - кишечная палочка , бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста - соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.
Второй путь - синтез гена искусственным путем. Для этого используются иРНК, с помощью фермента обратная транскриптаза на иРНК синтезируется ДНК.
Методы хромосомной инженерии.
Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков, или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую. На этом основаны методы получения замещенных и дополненных линий , с помощью которых в растениях собираются признаки, приближающие к созданию «идеального сорта».
Очень перспективен метод гаплоидов , основанный на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за 2 - 3 года вместо 6 - 8 летнего инбридинга. Сюда же можно отнести и получение полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом.
Методы клеточной инженерии.
Выращивание клеточных культур . Метод связан с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение. Это дает возможность с помощью клеточных культур получать ценные вещества. Например, культура клеток женьшеня нарабатывает биологически активные вещества. С другой стороны, можно размножить эти растения в пробирках, помещая клетки в определенные питательные среды. Так можно размножать редкие и ценные растения. Это позволяет создавать безвирусные сорта картофеля и других растений.
Гибридизация клеток. Например, разработана методика гибридизации протопластов соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются протопласты клеток организмов, относящихся к разным видам - картофеля и томата, яблони и вишни. Перспективно создание гибридом, при котором осуществляется гибридизация различных клеток. Например, лимфоциты, образующие антитела, гибридизируются с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки. Следовательно, они обладают возможностью неограниченного размножения в культуре.
Клонирование . Интересен метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.
Создание химерных животных . Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
СЕЛЕКЦИЯ
План
1. Что такое селекция.
2. Селекция в растениеводстве.
3. Селекция в животноводстве,
4. Селекция микроорганизмов.
1. ЧТО ТАКОЕ СЕЛЕКЦИЯ
Что называют селекцией? Селекция - это наука, кото-
рая разрабатывает методы создания сортов и гибридов сель-
скохозяйственных растений и пород животных с нужными
человеку признаками; она является также отраслью сельско-
хозяйственного производства, занимающейся выведением сор-
тов И гибридов сельскохозяйственных культур, пород живот-
ных.
С помощью селекции разрабатываются способы воздей-
ствия на растения и животных. Это происходит с целью изме-
нения их наследственных качеств в нужном для человека на-
правлении. Селекция стала одной из форм эволюции расти-
тельного и животного мира. Она подчинена тем же законам,
что и эволюция видов в природе, однако естественный отбор
здесь частично заменен искусственным.
Теоретической основой селекции является генетика, ко-
торая разрабатывает закономерности наследственности и из-
менчивости организмов. Используя эволюционную теорию
Чарлза Дарвина, законы Грегора Менделя, учения о чистых
линиях и мутациях, ученые смогли разработать методы ynpaR-
ления наследственностью растительных и животных организ-
мов. В селекционной практике особое место принадлежит гиб-
ридологическому анализу.
Биологами выделяется три отрасли селекции: селекция
в растениеводстве, селекция в животноводстве и селекция мик-
роорганизмов.
2. СЕЛЕКЦИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Считается, что одновременно с земледелием появилась и
примитивная селекция. Человек, начав выраишнать растения,
отбирал, сохранял и пытался прорастить лучшие из них. Изве-
стно, что многие культурные растения начали евпю жизнь ещг
10 тысяч лет до нашей эры. Селекционеры древности сумгли
Общая биология 333
создать прекрасные сорта плодовых растений, винограда, мно-
гие сорта пшеницы, бахчевых культур. Большое влияние на
развитие селекции растений оказали работы западноевропейс-
ких селекционеров-практиков XVIII века. К ним относятся ан-
глийские ученые Галлст, Ширеф, немецкий ученый Римпау, Ими
были созданы несколько новых сортов пшеницы, разработаны
способы выведения новых сортов. Уже и 1774 г. под Парижем
создается селекционная фирма «Вильморен». Ее селекционеры
первыми в мире оценивали отбираемые растения по потомству
Также они обратили внимание на свеклу. Им удалось вывести
такие сорта сахарной свеклы, которые содержали практически
в 3 раза больше сахара, чем уже известные. Этой работой было
доказано огромное влияние селекции на изменение природы
растений в нужную человеку сторону. В Европе и Северной
Америке в конце XVIII - начале XIX веков появляются новые
промышленные семенные фирмы и крупные селекционно-се-
меноводческие предприятия. Капитализм повлиял и на зарож-
дение промышленной селекции растений. Также на ее развитие
оказали влияние достижения ботаники, микроскопической тех-
ники и многое другое.
Россия пытается не отставать от нововведений селек-
ции. И. В. Мичурин начинает селекцию плодовых культур.
Он применяет новые оригинальные методики, с помощью
которых выводит множество новых сортов плодовых и ягод-
ных культур. У Мичурина много работ по гибридизации гео-
графически отдаленных форм. Его работы имели большое
значение для теории и практики селекции растений. В США
одновременно с Мичуриным Л. Бербанк создает целый ряд
новых сортов различных сельскохозяйственных культур пу-
тем тщательного проведения скрещиваний и совершенного
отбора. Среди них были и такие формы, которые ранее не
встречались в природе. К ним относятся бескосточковая сли-
ва, неколючие сорта ежевики.
Для селекции растений большое значение имеет разви-
тие научных основ отбора и гибридизации, а именно изуче-
ние генетических и физиолого-биохимических основ имму-
нитета, наследование важнейших количественных и каче-
ственных признаков (белка и его аминокислотного состава,
жиров, крахмала, Сахаров). Важны также методы создания
исходного материала. К ним относятся полиплоидия, экспе-
риментальный мутагенез, гаплоидия, клеточная селекция,
хромосомная и генная инженерия, гибридизация протоплас-
тов, культура зародышевых и соматических клеток и тканей
растений, Современная селекция несколько отличается от
того, что было ранее. Сейчас в качестве исходного материа-
ла в ней используются естественные и гибридные популяции,
самоопыленные линии, искусственные мутанты и полипло-
идные формы. Большая часть сортов сельскохозяйственных
растений была создана с помощью отбора и внутривидовой
гибридизации. В результате были получены мутантные и по-
липлоидные сорта зерновых, технических н кормовых куль-
тур Для того чтобы гибридизация была успешной, нужно
определиться с правильным подбором для скрещивания ис-
ходных родительских пар, особенно по эколого-географи-
чеекому принципу. Ступенчатая гибридизация используется
для того, чтобы объединить в гибридном потомстве призна-
ки нескольких родительских форм. Во всем мире прибегают
к этому методу. А чтобы усилить желаемые свойства одного
из родителей в гибридном потомстве, применяются возврат-
ные скрещивания. Отдаленная гибридизация применяется,
чтобы сочетать в одном сорте признаки и свойства разных
видов или рпдов растений.
3. СЕЛЕКЦИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Как и в селекции растений, на ранних этапах развития
животноводства породы создавались в результате бессозна-
тельного отбора или под влиянием природно-экономических
условий. Но процесс накопления зоотехнической информа-
ции шел, и вскоре сложились определенные методы создания
пород по заранее намеченной программе отбора и подбора.
Начал использоваться инбридинг, чтобы закрепить определен-
ные качества. Инбридинг - близко-родственное скрещивание
животных. Таким образом были выведены многие из пород
мирового значения (шортгорнская, голландская породы круп-
ного рогатого скота и др.).
В селекции животных широко применяются современ-
ные генетические методы. Среди них большое значение имеют
генетика популяций, а также иммуногенетика. Постоянно раз-
рабатываются методы изучения изменчивости, наследуемости
и генетической корреляции признаков, оценки генотипа жи-
вотных и отбора плюс-вариантов, что и обеспечило более вы-
сокий научно-методический уровень селекционных работ.
У домашних животных, подобно растениям, часто мож-
но наблюдать явление гетерозиса. Он применяется в животно-
водстве и птицеводстве.
С помощью селекции стало возможным повышение бел-
ковости молока у молочного скота, увеличение выхода мяса и
уменьшение содержания жира в туше у мясных пород крупно-
го рогатого скота и свиней, получение шерсти необходимой
длины и тонины у овец и т. д.
4. СЕЛЕКЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Важную роль в жизни человека играют и микроорганиз-
мы. С их помощью можно создавать вещества, которые ис-
пользуются в различных областях медицины и промышлен-
ности (производство некоторых органических кислот, спирта,
хлебопечение, виноделие основаны на деятельности микроор-
ганизмов).
Исключительное значение для здоровья человека име-
ют антибиотики. Их относят к особым веществам. Антиби-
отики являются продуктами жизнедеятельности некоторых
микробов и грибов, убивающими болезнетворные микробы
и вирусы.
Методы селекции широко применяются, чтобы получить
наиболее продуктивные формы микроорганизмов. С помо-
щью методов отбора ученые выделяли штаммы микроорга-
низмов, которые являлись активными синтезаторами того или
иного продукта, используемого человеком. Это могут быть
антибиотики, витамины и другие вещества. Микроорганизмы
могут мутировать, что закреплено наследственно. Ученые
широко используют метод экспериментального получения
мутаций под действием рентгеновских, ультрафиолетовых
лучей и кое-каких химических соединений. С помощью таких
методов наследственная изменчивость микроорганизмои по-
вышается в десятки и даже сотни рал. . _ .
Процесс селекции – непрерывный процесс. К тому же
происходит его постоянное совершенствование. Это вызвано
все возрастающими запросами производства и требованиями
к сортам растений, породам животных И эффективности мик
роорганизмов. _ .. ."„!_.
384 Биология
ЧЕЛОВЕК. ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОЗГА
План
1. Исследования работы мозга.
2. Организация памяти.
3. Человеческая память.
1. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ МОЗГА
Данные о процессах в клетках морского моллюска, а так-
же о том, каким образом происходит синтез белков в челове-
ческом мозгу, помогают распознать природу обучения и памя-
ти у человека. В процессе исследований выяснилось, что ос-
новные биохимические механизмы передачи нервных импуль-
сов одинаковы у всех животных. Ученые пришли к выводу,
что если эволюция решила их сохранить, то кажется логич-
ным, что и клеточные механизмы обучения и памяти, исполь-
зующиеся у низших животных, тоже сохранились. В после-
днее время проводилось несколько экспериментов, среди Ко-
торых был следующий. Исследователи ввели в нейроны го-
ловного мозга многих млекопитающих фосфорилируюшиЙ
фермент, который является ответственным за процесс обуче-
ния у моллюсков. Этот фермент увеличивал возбудимость у
животных, т. е. производил действие, которое сходно с дей-
ствием в мембранах нейронов у моллюсков. До сих пор уче-
ные окончательно не решили, насколько верным был прово-
димый эксперимент и будет ли одна и та же реакция идентич-
ной у собаки и моллюска. Однако знание биохимических ме-
ханизмов научения у низших животных поможет исследова-
телям изучать более сложные нервные системы.
Очень трудно спрогнозировать результаты эксперимен-
тов, которые проводятся на клеточном уровне. И до сегод-
няшнего дня очень трудно объяснить, каким образом наш мозг
может запомнить партитуру симфонии Бетховена или же про-
стые сведения, которые нужны для разгадывания кроссворда.
Для этого необходимо перенестись на уровень мозговых сис-
тем, где у человека собраны десятки миллиардов нейтронов,
соединенных между собой определенным, хотя и запутанным
образом. Теперь и на высших животных ученые проводят эк-
сперименты с обучением и различными воздействиями на мозг.
Исследование психологии здоровых людей помогает узнать
больше о процессах переработки и хранения информации. Что-
бы понять организацию функций памяти, ученые пытаются
исследовать больных с различными видами амнезии, которые
развиваются после повреждения мозга.
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ
Около сорока лет тому назад Карл Лэшли, являющийся
пионером в области экспериментального исследования мозга
и поведения, попытался решить вопрос о пространственной
организации памяти в мозгу. Ученый натаскивал животных
решать определенные задачи, а затем удалял один за другим
различные участки коры головного мозга в поисках мест хра-
нения следов памяти. Однако Лэшли, несмотря на вес попыт-
ки, так и не удалось Найти то место, где, по его мнению, долж-
ны были находиться следы памяти-энграммы. В дальнейшем
ученые нашли причину неудачи Лэшли. Они пришли к выво-
ду, что для научения и памяти важными ял.iлютея не только
кора мозга, но и многие области и структуры мозга помимо
нее. Также выяснилось, что следы памяти в коре широко раз-
бросаны и неоднократно дублируются. Один кз учеников Лэш-
ли, Дональд Хебб, продолжил дело своего учителя и предло-
жил теорию происходящих в памяти процессов, которая опре-
делила ход дальнейших исследований более чем на три деся-
тилетия вперед. Именно Хсбб ввел понятия долговременной и
кратковременной памяти. Он пришел к вывп.гу, что кратков-
ременная память - это активный процесс ограниченной дли-
тельности, не сохраняющий никаких следов, а долговре-
менная память определена структурными изменениями в нерв-
ной системе. Хебб считал, что эти структурны- изменения мог-
ли быть порождены повторной активацией замкнутых нейт-
ронных цепей, например путей от коры к таламусу или гиппо-
кампу и обратно к коре. Повторное возбуждение образующих
такую цепь нейтронов ведет к тому, что связь Бающие их си-
напсы становятся функционально эффективными.
После определения таких связей эти нейтроны создают
клеточный ансамбль, и любое возбуждение относящихся к нему
нейтронов будет активировать весь ансамбль Таким образом
может осуществляться хранение информации И ее повторное
извлечение под влиянием каких-либо ощущеыгл,-мыслей или
эмоций, возбуждающих некоторые из нейтронов клеточного
ансамбля. Структурные изменения, по мнению Хебба, по-ви-
димому, проистекают в синапсах в результате каких-либо про-
цессов роста или метаболических изменений, которые увели-
чивают воздействие каждого нейтрона на следующий нейт-
рон.
Особое внимание в теории клеточных ансамблей уделя-
лось тому факту, что след памяти - это статическая «запись»,
а не просто продукт видоизменений в строении одной нервной
клетки или молекулы мозга. Психологи сделали вывод, что
память - это особенный процесс, который включает в себя
взаимодействие многих нейтронов.
3. ЧЕЛОВЕЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ
Человек может успешно пользоваться своей памятью. Но
для этого необходимо знать существование трех процессов.
Он должен усвоить информацию, сохранить ev в своем мозгу,
а затем при необходимости воспроизвести. Таким образом,
если человеку не удается вспомнить что-либо, то причина одна:
нарушен один из трех процессов. Однако не стоит думать, что
память настолько проста. Человек может усваивать и запоми-
нать не просто отдельные элементы информаци г." Он модели-
рует собственную систему знаний, которая способна помочь
ему накапливать, хранить и использовать огромный запас не-
обходимых сведений. К тому же память является активным
Общая биология 385
процессом, в результате котордго полученные знания посто-
янно реконструируются, анализируются и переосмысливают-
ся нашим мозгом; по этой причине обнаружить свойства памя-
ти очень трудно. По всей вероятности, существует несколько
фаз памяти. Одна из них, названная непосредственной памя-
тью, длится совсем немного времени. Во время этой фазы
информация сохраняется всего несколько секунд. Когда че-
ловек проезжает на машине мимо привлекших его внимание
пейзажей, то в памяти он сохраняет полученное впечатление
всего лишь в течение одной-двух секунд. Но если ему очень
понравились некоторые объекты, которым было уделено боль-
ше внимания, то из непосредственной памяти информация пе-
реводится в кратковременную. Уже в кратковременной памя-
ти информация сохраняется в течение нескольких минут. Сто-
ит представить, что может происходить в тот период, когда
необходимо запомнить только что названный помер телефо-
на. Чтобы запомнить номер, человек пытается повторить его
мысленно несколько раз, если у него нет с собой ручки или
карандаша. Но если в этот момент его отвлечь какой-либо
фразой или действием, то он обязательно либо забудет номер,
либо перепутает цифры. По всей видимости, человек может
удерживать в своей кратковременной памяти от 5 до 9 отдель-
ных единиц запоминаемого материала. Случается, что такие
единицы группируются, и тогда люди уверены, что способны
запомнить гораздо больше.
Часть информации может переводиться Из кратковремен-
ной памяти в долговременную, где сохраняется в течение про-
должительного времени или даже всей жизни. Известно, что
ситшокамп является одной Из систем мозга, которая отвечает
:ia осуществление такого переноса информации. Удалось выя-
нить такую особенность гиппокампа в результате операции на
мозге у одного больного. Б литературе, где есть описания пос-
леоперационного состояния этого больного, он назван иници-
алами Н. М. Выяснилось, что в каждой Из височных долей
мозга имеется по одному гиппокампу. Чтобы облегчить гнету-
щие эпилептические припадки, доктора решили удалить оба
гиппокампа. Впоследствии, после выяснения неблагоприят-
ных последствий такой операции, этот метод не применялся.
Когда операция завершилась, Н, М. мог существовать исклю-
чительно в настоящем времени. Он был в состоянии запоми-
нать все события, явления и предметы лишь на то время, пока
они могли удержаться в его мозгу. Если медсестрам приходи-
лось выйти на несколько минут из палаты, по возвращении
они встречались с абсолютно не помнящим их человеком.
Однако Н. М. прекрасно помнил те события, которые были до
операции. Его память не утратила ту информацию, которая
сохранилась в мозгу за три года до операции. Однако И здесь
пыли пробелы. Часто амнезия распространялась на события,
которые произошли с больным за 1 - 2 года до операции, но не
более. Все это лишний раз подтверждает тот факт, что следы
памяти претерпевают изменения спустя определенный проме-
жуток времени.
Гиппокамп расположен в височной доле мозга. Согласно
некоторым данным, гиппокамп и медиальная часть височной
доЛи играют определенную роль в процессе закрепления, или
консолидации следов памяти. Имеются в виду те изменения,
физические и психологические, которые должны проистечь в
мозгу для того, чтобы полученная им информация могла пе-
рейти в постоянную память. Даже после того, как информация
уже поступила в долговременную память, некоторые ее части
могут подвергаться преобразованию и даже забываться, и толь-
ко после этого реорганизованный материал отправляется на
постоянное хранение. Известно, что наш мозг сохраняет на-
много больше информации, чем мы в этом нуждаемся. Самая
же главная трудность состоит в том, чтобы извлечь нужную
информацию из памяти. В связи с этим люди, привычные к
чтению, никогда не читают по буквам и даже не прочитывают
отдельные слова; им удобнее читать группами слов. По всей
вероятности, гиппокамп и медиальная височная область уча-
ствуют в формировании и организации следов памяти. Поэто-
му они не могут являться местом постоянного хранения ин-
формации. Больной Н. М., который лишился этой области
мозга, прекрасно мог воспроизвести события, произошедшие
с ним более чем за 3 года до операции. Это подтвердило, что
височная область не является местом длительного храпения
следов. Но в то же время она помогает в их формировании,
что подтверждает потеря у Н. М. памяти на те события, кото-
рые происходили Е последние 3 года до операции.
Те же данные были получены, когда исследовали боль-
ных, подвергшихся электрошоковой терапии. Доказано, что
электрошок оказывает разрушительное действие, и особенно
иа гиппокамп. После этой процедуры больные, за небольшим
исключением, не могут вспомнить те события, которые пред-
шествовали их лечению. Зато память о гораздо более ранних
событиях полностью сохраняется. Лэрри Сквайр высказал
гипотезу, что в процессе усвоения каких-либо знаний височ-
ная область устанавливает связь с местами хранения следов
памяти в других частях мозга, прежде всего в коре. Надоб-
ность л таких взаимодействиях может сохраняться довольно
долго - в течение нескольких лет, пока идет процесс реорга-
низации материала памяти. Сквайр предполагал, что эта реор-
ганизация непосредственно зависит от физической перестрой-
ки нервных сетей. В тот момент, когда перестройка и реорга-
низация закончены, а информация стабильно сохраняется в
коре мозга, участие височной области в ее закреплении и из-
влечении становится ненужной.