Проблемы биологии в 21 веке. (Шумный В.К.)
ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ В ХХI ВЕКЕ
В.К.Шумный
Биологию как науку интересуют три проблемы: каковы механизмы происхождения жизни, ее изменчивости и эволюции. Все остальное охватывается этими тремя глобальными проблемами, и, чтобы мы ни исследовали, мы отвечаем на вопросы, обозначенные выше. И сегодня, несмотря на огромный объем знаний о молекулярных и генетических механизмах жизни, процессах изменчивости и развития, мы не можем полно ответить ни на один из поставленных вопросов. Наоборот, чем больше мы узнаем о жизни, тем больше возникает вопросов и сомнений в правильности, казалось бы, уже установившихся и считающихся неоспоримыми догм. Пока невозможно сформировать единую концепцию о происхождении жизни, появились существенные проблемы в дарвиновской теории эволюции, нет единого взгляда на механизмы изменчивости живых систем и их роль в эволюционном процессе.
Бурное развитие наук о жизни во второй половине ХХ в. принесло много великолепных открытий в области биологии. Это – открытие и расшифровка генетического кода, основных звеньев синтеза белка, многих метаболических процессов в живой клетке и т.д. Началась интенсивная работа по расшифровке генома человека, растений и животных. Казалось бы, мы знаем уже почти все о процессах в живой клетке, осталось только расшифровать геномы, понять процессы их дифференцирования и развития и приступить к созданию новых искусственных геномов, замене дефектных участков геномов, взять под контроль активность генов и т.д. Все эти задачи поставлены объективно на основании накопленных знаний. Однако полных ответов о происхождения жизни, ее разнообразии и эволюции мы так и не получили. Скорее наоборот, углубление и расширение наших знаний о живых системах приводит к новым и более сложным вопросам. И в этом нет ничего парадоксального – такова логика развития естествознания.
Природа любит умные вопросы, но всегда медлит с ответом на них, на глупые же она просто не отвечает. Поэтому главная сила и интеллектуальное мастерство исследователя сегодня заключаются в том, чтобы правильно сформулировать и поставить вопрос живой природе и терпеливо ждать и добиваться ответа на него, не забывая великого постулата: каков вопрос – таков ответ.
Живая природа устроила себя гениально просто и мудро. У нее есть единственная самовоспроизводящая молекула ДНК, на которой записана программа жизни, а конкретнее, весь процесс синтеза, структура и функция белков как основных элементов жизни. Кроме сохранения программы жизни молекула ДНК выполняет еще одну важнейшую функцию – ее самовоспроизведение, копирование создают преемственность между поколениями, непрерываемость нити жизни. Единожды возникнув, жизнь самовоспроизводится в огромном разнообразии, которое обеспечивает ее устойчивость, приспособленность к разнообразным условиям среды и эволюцию.
Человечеству дан единственный воспроизводящийся ресурс – биологический. Все остальные ресурсы исчерпаемы. Именно поэтому приоритеты в науке на следующее тысячелетие постепенно смещаются в пользу наук о жизни. Человечество, естественно, стремится взять под контроль самовоспроизведение биологических ресурсов, раскрыть механизмы энергетики клетки, синтеза биологических продуктов, фотосинтеза, азотфиксации и др. Все энергетические и синтетические процессы в клетке человек в ближайшее время попытается познать и некоторые из них превратить в промышленные биотехнологии.
Это, естественно, имеет прямое отношение к решению самых важных проблем человечества, а именно, проблем продовольственного потенциала планеты, экологии обитания человека, здоровья человека и, в перспективе, энергетики на основе биотехнологий. Остановимся на вышеперечисленных проблемах подробнее.
На первом месте закономерно стоит проблема создания достаточного продовольственного потенциала для растущей человеческой популяции. Естественно, что с этой проблемой тесно связана проблема демографическая. Прогнозы таковы: к 2000 г. население планеты составит 6,2 млрд чел., к 2025 г. – 8,3 млрд, затем наступит стабилизационный период и к концу ХХI в. ожидается 11 млрд чел., т.е. почти удвоение популяции по сравнению с сегодняшним днем. В этой демографической динамике важен фактор ее географического распределения: почти 70% прироста населения ожидается в развивающихся странах, т.е. там, где ситуация с продовольствием наиболее напряженная.
В середине июня 1998 г. в Иерусалиме состоялся IX Международный конгресс по биотехнологии растений. Во вступительной статье к материалам конгресса лауреат Нобелевской премии, родоначальник “зеленой революции” Н.Борлауг рассмотрел многие аспекты создания продовольственного потенциала, прежде всего селекции растений. Он отметил, что поэты и художники идеализировали сельское хозяйство как гармонию между человеческой деятельностью и природой, на самом же деле это жесточайшая борьба между силами, поддерживающими биологическое разнообразие и силами человеческого интеллекта, используемыми в борьбе за производство пищи и выводящими репродукционные системы живых организмов на максимум в ущерб биологическому разнообразию и приспособлению как основам экологического равновесия1.
Такая борьба длится уже 10–12 тыс. лет – с тех пор, как человек начал доместикацию, т.е. введение в культуру диких видов растений и животных. К настоящему времени всего около 40 видов доместицированных растений обеспечивают наш основной белковый и энергетический баланс, только восемь видов основных злаковых растений составляют 66% продовольственного потенциала человечества. В целом из многих сотен тысяч видов высших растений человек использует сегодня около 200 – весьма скромная победа человека над природой за 12 тыс. лет. Вопреки И.В.Мичурину, нам приходится ждать милостей от природы, и ждать долго, а цена за них очень высока как для человека, так и для природы.
В наиболее развитых странах доля продукции растительного происхождения составляет 70%, животного – 30%, в развивающихся странах – соответственно – 90 и 10%. В 1994 г. был детально проанализирован продовольственный баланс планеты. Всего сегодня производится около 5 млрд т различных видов продовольствия, из них всех видов зерна – около 2 млрд т. Если распределить все производимое поровну, что очень далеко от реальности, то по нормам, в соответствии с которыми в день человеку необходимо 2350 калорий, можно обеспечить продовольствием около 6 млрд чел., т.е. несколько больше, чем ныне существующая человеческая популяция.
С учетом демографических прогнозов для обеспечения растущей человеческой популяции мы должны увеличивать продовольственный потенциал ежегодно в среднем на 2%. Возникает вопрос: за счет чего? Резерв пахотных земель почти исчерпан, предел урожайности по важнейшим культурам почти достигнут в результате интенсивной селекции, проводившейся в последние 100 лет. По этим двум параметрам оставшиеся резервы весьма незначительны и ни в коей мере не обеспечат темпы роста народонаселения. Значит, нужны новые подходы к решению продовольственной проблемы, которые могут появиться только на основе анализа достижений фундаментальной науки. Именно это и осуществляется сегодня в мире. Здесь мы остановимся только на одном из многих путей вывода технологий производства продовольствия на новый уровень. Так как в основе любой технологии производства в растениеводстве лежит сорт или гибрид и от уровня его продуктивности в огромной степени зависит конечный результат, мы и рассмотрим возможности создания новых форм растений. Естественно, чтобы удвоить в обозримом будущем объем производимого продовольствия, необходимо создать принципиально новые формы – с реконструированными геномами и более продуктивные, качественные и устойчивые.
Работы по генетической реконструкции, или генной инженерии, начались не более 30 лет тому назад, а первые сообщения о получении измененных геноинженерных высших, или эукариотических, организмов появились всего 15 лет назад. Но этому предшествовала огромная исследовательская работа. Только на растениях нужно было отработать методы культивирования клеток, тканей и органов, создать новые генетические конструкции, методы их переноса в геном и т.д.. Именно этим и занималась фундаментальная наука, из достижений которой и родилась генная, хромосомная и клеточная инженерия растений как существенная часть биотехнологии.
Одним из основных направлений биотехнологии являются получение и многопрофильное использование трансгенных растений, т.е. форм, несущих в своем геноме встроенные геноинженерными методами чужие гены, нормально работающие в новом геноме. В геном растения встраиваются гены животных, человека, бактерий, других растений, которые нарабатывают новые продукты. Трансгенные растения и животные – формы с существенно реконструированными геномами. В будущем это направление будет одним из наиболее перспективных в плане значительного улучшения необходимых для селекции признаков2.
Что сделано в области трансгенных растений уже сегодня? На последнем конгрессе по биотехнологии, состоявшемся в 1998 г., было отмечено, что в настоящее время трансгенные растения уже возделываются на десятках миллионов гектаров. Только в США трансгенная соя занимает около 15% всех посевных площадей, трансгенная кукуруза – около 10%.
Улучшение растений путем трансгенеза идет по следующим направлениям. Наиболее успешно решается проблема устойчивости к гербицидам, что важно для борьбы с сорняками, засоряющими поля и снижающими урожай культивируемых растений. Известны и клонированные гены, определяющие устойчивость к большинству коммерческих гербицидов. Получены и используются гербицидоустойчивые сорта хлопчатника, кукурузы, рапса, сои, сахарной свеклы, пшеницы и других растений3.
Именно вокруг этого направления трансгенеза в настоящее время развернулись серьезные дискуссии о негативных последствиях переноса генов гербицидоустойчивости в культурные растения. Обсуждается возможность спонтанного переноса этих генов в сорняки, так как между культурными видами и сопровождающими их дикими сородичами в определенных условиях может происходить гибридизация, а следовательно, и перенос генов.
Устойчивость растений к насекомым-вредителям – еще одна проблема, успешно решаемая благодаря внедрению трансгенных растений. Большая часть работ по