Відносини організмів у агросистемах. Традиційні екстенсивні шляхи збільшення продуктивності агроекосистем Розрахунок ведуть за формулою

Раніше нами було розглянуто (глава 4.1), що кожну хвилину на 1 см 2 верхнього шару земної атмосфери надходить 2 калорії сонячної енергії – так звана сонячна постійна,або константи.Використання рослинами світлової енергії відносно невелике. Тільки невелика частина сонячного спектру, так звана ФАР (фотосинтетично активна радіація з довжиною хвилі 380-710 нм, 21-46% сонячної радіації) використовується у процесі фотосинтезу. У зоні помірного клімату на сільськогосподарських землях ККД фотосинтезу не перевищує 1,5-2%, а найчастіше він дорівнює 0,5%.

У світовому сільському господарстві, що розвивається, розрізняються за кількістю надходить і використовуваної людиною енергії та її джерелу кілька типів екосистем (М.С. Соколов та ін 1994).

1. Природні екосистеми.Єдиним джерелом енергії є сонячна (океан, гірські ліси). Ці екосистеми є основною опорою життя Землі (приплив енергії загалом 0,2 ккал/см 2 рік).

2. Високопродуктивні природні екосистеми.Крім сонячної, використовуються інші природні джерела енергії ( кам'яне вугілля, торф і т. д.). До них відносяться лимани, дельти великих річок, вологі тропічні ліси та інші природні екосистеми, що мають високу продуктивність. Тут надлишку синтезується органічна речовина, яка використовується або накопичується (приплив енергії в середньому 2 ккал/см 2 рік).

3. Агроекосистеми, близькі до природних екосистем.Поряд із сонячною енергією використовуються додаткові джерела, створювані людиною. Сюди відносяться системи сільського та водного господарства, які виробляють продовольство та сировину. Додаткові джерела енергії – викопне паливо, енергія обміну речовин людей та тварин (приплив енергії в середньому 2 ккал/см 2 рік).

4. Агроекосистеми інтенсивного типу.Пов'язані зі споживанням великих кількостей нафтопродуктів та агрохімікатів. Вони більш продуктивні порівняно з попередніми екосистемами, вирізняючись високою енергоємністю (приплив енергії в середньому 20 ккал/см 2 рік).

5. Промислові(міські) екосистеми.Отримують готову енергію (газ, вугілля, електрику). До них відносяться міста, приміські та промислові зони. Вони є як генераторами покращення життя, так і джерелами забруднення середовища (оскільки пряма сонячна енергія не використовується):

Ці системи біологічно пов'язані із попередніми. Промислові екосистеми дуже енергоємності (приплив енергії в середовищі 200 ккал/см 2 рік).

Основні відмінні риси функціонування природних екосистем та агроекосистем.

1. Різний напрямок відбору.Для природних екосистем характерний природний відбір, який веде до фундаментальної їх властивості - стійкості, відкидаючи нестійкі, нежиттєздатні форми організмів їх угруповань.

Агроекосистеми створюються та підтримуються людиною. Головним тут є штучний відбір, спрямований на підвищення врожайності сільськогосподарських культур. Нерідко врожайність сорту не пов'язана з його стійкістю до довкілля, шкідливими організмами.

2. Різноманітність екологічного складу фітоценозузабезпечує стійкість продукційного складу у природній екосистемі при коливанні у різні роки погодних умов. Пригнічення одних видів рослин призводить до підвищення продуктивності інших. У результаті фітоценози та екосистема в цілому зберігає здатність до створення певного рівня продукції в різні роки.

Агроценоз польових культур - спільнота монодомінантна, а нерідко і односортова. На всіх рослинах агроценозу дія несприятливих факторів відбивається однаково. Не може бути компенсовано пригнічення зростання та розвитку основної культури посиленим зростанням інших видів рослин. І як результат, стійкість продуктивності агроценозу нижча, ніж у природних екосистемах.

3. Наявність різноманітності видового складу рослин з різними фенологічними ритмамидає можливість фітоценозу як цілісній системі здійснювати безперервно протягом усього вегетаційного періоду продукційний процес, повно та економно витрачаючи ресурси тепла, вологи та поживних елементів.

Період вегетації культивованих рослин в агроценозах коротший за вегетаційний сезон. На відміну від природних фітоценозів, де види різного біологічного ритму досягають максимальної біомаси в різний час вегетаційного сезону, в агроценозі зростання рослин одночасне і послідовність стадій розвитку, як правило, синхронізована. Звідси час взаємодії фітоком-понента з іншими компонентами (наприклад, грунтом) в агроценозі набагато коротший, що, природно, позначається на інтенсивності обмінних процесів у цілій системі.

Різночасність розвитку рослин у природній (природній) екосистемі та одночасність їх розвитку в агроценозі призводять до різного ритму продукційного процесу. Ритм продукційного процесу, наприклад, у природних лугопасовищних екосистемах, задає ритм деструкційним процесам або визначає швидкість мінералізації рослинних залишків та час її максимальної та мінімальної інтенсивності. Ритм деструкційних процесів в агроценозах значно меншою мірою залежить від ритму продукційного процесу, тому що наземні рослинні залишки надходять на грунт і в грунт на короткий проміжок часу, як правило, наприкінці літа і на початку осені, а їх мінералізація здійснюється головним чином наступного року.

4. Істотною відмінністю природних екосистем та агроекосистем є ступінь скомпенсованості круговоротуречовин усередині екосистеми. Кругообіги речовин (хімічних елементів) в природних екосистемах здійснюються за замкнутими циклами або близькі до скомпенсованості: прихід речовини в цикл за певний період в середньому дорівнює виходу речовини з циклу, а звідси всередині циклу прихід речовини в кожен блок приблизно дорівнює віці речовини з нього (рис 18.5).

Мал. 18.5. Кругообіг поживних речовин у

природною екосистемою (за А. Тарабріном, 1981)

Антропогенні дії порушують замкнутість круговороту речовин в екосистемах (рис. 18.6).

Мал. 18.6. Кругообіг поживних речовин у

агроекосистемі (за А. Тарабріном, 1981)

Частина речовини в агроценозах безповоротно вилучається з екосистеми. При високих нормах внесення добрив для окремих елементів може спостерігатися явище, коли величина входу елементів живлення в рослини з грунту виявляється меншою за величину надходження елементів живлення в грунт з рослинних залишків і добрив, що розкладаються. З господарсько корисною продукцією в агроценозах відчужується 50-60% органічної речовини від кількості, акумульованого в продукції.

5. Природні екосистеми є системами, якщо можна так сказати, авторегуляторними,а агроценози - керовані людиною.Для досягнення своєї мети людина в агроценозі змінює або контролює значною мірою вплив природних факторів, дає переваги у зростанні та розвитку, головним чином компонентам, які продукують їжу. Основне завдання у зв'язку з цим – знайти умови підвищення врожайності при мінімалізації енергетичних та речових витрат, підвищенні ґрунтової родючості. Вирішення цього завдання полягає у найбільш повному використанні агрофітоценозами природних ресурсів та створенні скомпенсованих циклів хімічних елементів в агроценозах. Повнота використання ресурсів визначається генетичними особливостями сорту, тривалістю вегетації, неоднорідністю компонентів у спільних посівах, ярусністю посіву тощо.

Отже, робить висновок М.С. Соколов та ін. (1994), найсуворіший контроль стану агроекосистем, який потребує значних витрат енергії, можна здійснити лише у закритому просторі. До цієї категорії відносять напіввідкриті системи здуже обмеженими каналами сполучення із зовнішнім середовищем (теплиці, тваринницькі комплекси), де регулюються і значною мірою контролюються температура, радіація, кругообіг мінеральних та органічних речовин. Це - керовані агроекосис-теми.Всі інші агроекосистеми - відкриті.З боку людини ефективність контролю тим вища, що вони простіше.

У напіввідкритіі відкритихсистемах зусилля людини зводяться до забезпечення оптимальних умов зростання організмів та суворого біологічного контролю за їх складом. Виходячи з цього виникають такі практичні завдання:

По-перше, наскільки можна повне усунення небажаних видів;

По-друге, відбір генотипів, які мають високу потенційну продуктивність.

Загалом кругообіг речовин пов'язує різні види, що населяють а^оекосистеми (рис. 18.7).

Мал. 18.7. Потік енергії у пасовищній агроекосистемі

(За Н.А. Уразаєву та ін, 1996):

Примітка: білими стрілками показана міграція речовин від продуцентів до первинних та вторинних консументів, чорними – мінералізація органічних залишків рослин та тварин

У біосфері багато циркулюючих речовин біогенного походження одночасно є і носіями енергії. Рослини в процесі фотосинтезу перетворюють променисту енергію Сонця на енергію хімічних зв'язків органічних речовин і накопичують її у формі вуглеводів – потенційних енергоносіїв. Ця енергія включається в кругообіг харчування від рослин через фітофаги до консументів вищих порядків. Кількість пов'язаної енергії у міру руху по трофічному ланцюгу постійно зменшується, оскільки значна її частина витрачається підтримки життєвих функцій консументів. Завдяки кругообігу енергії в екосистемі підтримується різноманітність форм життя, а система зберігає стійкість.

За М.С. Соколову та ін. (1994) витрата фотосинтетичної енергії рослин в агроекосистемі на прикладі лугопасовищних угідь середньої смуги Росії виглядає наступним чином:

Близько 1/6 частини використовуваної рослинами енергії витрачається на дихання;

Близько 1/4 частини енергії надходить в організм рослиноїдних тварин. При цьому 50% її виявляється в екскрементах та трупах тварин;

Загалом разом з відмерлими рослинами та фітофагами близько 3/4 спочатку поглиненої енергії міститься в мертвій органічній речовині і трохи більше 1/4 виключається з екосистеми при диханні у формі тепла.

Ще раз зазначимо, що потік енергії в харчовому ланцюзі агроеко-системи підпорядковується закону перетворення енергії в екосистемах, так званому закону Ліндемана,або закону 10%.За законом Ліндемана, лише частина енергії, яка надійшла на певний трофічний рівень агроценозу (біоценозу), передається організмам, які перебувають на вищих трофічних рівнях (рис. 18.8).

Мал. 18.8. Втрати енергії у харчовому ланцюгу (за Т. Міллером, 1994)

Передача енергії з рівня на інший відбувається з дуже малим ККД. Цим пояснюється обмежена кількість ланок у харчовому ланцюзі незалежно від того чи іншого агроценозу.

Кількість енергії, що продукується у конкретній природній екосистемі, є досить стабільною величиною. Завдяки здатності екосистеми виробляти біомасу, людина отримує необхідні їй харчові та багато технічних ресурсів. Як було зазначено, проблема забезпечення чисельно зростаючого людства їжею - це переважно проблема підвищення продуктивності агроекосистем (сільського господарства), рис. 18.9.

Рис.18.9. Блок-схема продуктивності агроекосистем

Вплив людини на екологічні системи, пов'язаний з їх руйнуванням або забрудненням, безпосередньо веде до переривання потоку енергії та речовини, а отже, і до зниження продуктивності. Тому перше завдання, що стоїть перед людством, - запобігання зниженню продуктивності агроекосистем, а після її вирішення може бути вирішено і друге найважливіше завдання - підвищення продуктивності.

У 90-х роках. XX ст. річна первинна продуктивність оброблюваних земель планети становила 8,7 млрд т, а запас енергії - 14,7× 1017 кДж.

Одна з основних тенденцій розвитку людського суспільства – безперервне підвищення рівня виробництва, зрештою – продуктивності праці. Це дозволяло людині протягом усієї її історії поступово збільшувати «ємність довкілля». Однак якщо в цьому проявляється вся міць людського розуму, то в заповненні ємності середовища Homo sapiens поводиться як будь-який інший біологічний вид. Цю ємність вид заповнює рівня, у якому регуляторами знову виявляються біологічні чинники. Так, за оцінками ООН на 1985 рік, смерть з голоду загрожувала майже 500 млн. чоловік, або приблизно 10% населення світу; 1995 року періодично чи постійно з голоду страждали близько 25% людей. Голод є основним еволюційним чинником людства.

Великий внесок у розуміння небезпеки голоду зробила робота міжнародної неурядової організації, так званого «Римського клубу», створеного у 60-х роках XX століття з ініціативи Ауреліо Печчеї. У Римському клубі було розроблено ряд моделей, що послідовно уточнювалися, дослідження яких дозволило розглянути деякі сценарії можливого розвитку майбутнього Землі та долі людства на ній. Результати цих робіт стривожили весь світ. Стало ясно, що шлях розвитку цивілізації, орієнтований на постійне збільшення виробництва та споживання, веде в безвихідь, оскільки не узгоджується з обмеженістю ресурсів на планеті та можливостями біосфери переробляти та знешкоджувати відходи промисловості. Ця загроза біосфері Землі внаслідок порушення стійкості екосистем отримала назву екологічної кризи. З того часу і в науковій літературі, і широкої друку, у засобах масової інформації постійно обговорюються різні проблеми, пов'язані з загрозою всепланетної, глобальної екологічної кризи.

Хоча після виходу робіт Римського клубу багато оптимістів виступали з «спростуваннями» та «викриттями», не кажучи вже про наукову критику пророкувань перших глобальних моделей (і справді не цілком досконалих, як і будь-яка модель складної системи), вже через 20 років можна було констатувати, що реальний рівень чисельності населення Землі, відставання виробництва продовольства від зростання потреби в ньому, рівень забруднення природного середовища, зростання захворюваності та багато інших показників виявилися близькими до того, що прогнозувалося цими моделями. А оскільки саме екологія виявилася наукою, що має методологію та досвід аналізу складних природних систем, включаючи вплив антропогенних факторів, кризу, яку прогнозували глобальні моделі, стали називати «екологічною».

Хоча площа суші вдвічі менша, ніж площа, яку займають океани, річна первинна продукція вуглецю її екосистемами більш ніж удвічі перевищує таку Світового океану (52,8 млрд. тонн і 24,8 млрд. тонн відповідно). За відносною продуктивністю наземні екосистеми у 7 разів перевищують продуктивність екосистем океану. Із цього, зокрема, випливає, що сподівання на те, що повне освоєння біологічних ресурсів океану дозволить людству вирішити продовольчу проблему, не дуже обґрунтовані. Очевидно, можливості у цій галузі невеликі - вже зараз рівень експлуатації багатьох популяцій риб, китоподібних, ластоногих близький до критичного, для багатьох промислових безхребетних - молюсків, ракоподібних та інших, через значне падіння їх чисельності в природних популяціях, стало економічно вигідним розведення їх у спеціалізованих морських фермах, розвиток марикультури. Приблизно так само й становище з їстівними водоростями, такими як ламінарія (морська капуста) і фукус, а також водоростями, що використовуються в промисловості для отримання агар-агару та багатьох інших цінних речовин (Розанов, 2001).

Країни, що розвиваються, і країни з перехідною економікою прагнуть насамперед до продовольчої незалежності. Вони хочуть виготовляти їжу самі, а не залежати від інших країн, бо продовольство - це, мабуть, найгрізніша досі політична зброя та зброя тиску в сучасному світі (приклад - Росія, яка ввозить до 40 відсотків продовольства). Щоб подвоїти виробництво продовольства та зняти залежність, потрібні нові технології, знання про гени, що визначають врожайність та інші важливі споживчі властивості основних сільськогосподарських культур. Слід також серйозно попрацювати над адаптацією цих культур до конкретних екологічних умов цих країн. Іншими словами, доводиться сподіватися на трансгенні, або генно-модифіковані організми (ГМО), вирощування яких значно дешевше, менше забруднює навколишнє середовище та не потребує залучення нових територій.

Світ як був недосконалий, і залишився. Перша Всесвітня продовольча конференція відбулася понад 30 років тому, в 1974 р. На ній було підраховано, що у світі існувало 840 млн. жертв хронічного недоїдання. Попри опір багатьох, вона вперше проголосила «невід'ємне право людини на свободу від голоду».

Підсумки реалізації цього права були підбиті на Всесвітньому продовольчому форумі в Римі через 22 роки. Він зафіксував крах надій світового співтовариства на приборкання голоду, оскільки становище фронті боротьби з цим соціальним злом залишилося без змін. У зв'язку з цим римська зустріч намітила скромніші цілі - знизити кількість голодуючих до 2015 р. хоча б до 400 млн осіб.

З того часу ця проблема ще більше загострилася. Як зазначалося в доповіді генсека ООН Кофі А.Анана «Запобігання війнам та лихам», сьогодні прожитковий рівень понад 1,5 млрд чол. - менше долара на день, 830 млн. страждають від голоду. За період 1960-2000 років. виробництво всіх видів сільськогосподарської продукції збільшилося з 3,8 млрд. до 7,4 млрд. т. Проте кількість продовольства, виробленого загалом 1 людини, залишилося незмінним (1,23 т/чел). Нині у світі недоїдає майже половина населення, а четверта голодує. У країнах Західної Європи, Північної Америки та в Японії, де найбільшого поширення набула переважно хіміко-техногенна інтенсифікація сільського господарства та проживає менше 20% населення земної кулі, у перерахунку на кожну людину витрачається в 50 разів більше ресурсів у порівнянні з країнами, що розвиваються, і викидається в довкілля близько 80% всіх шкідливих промислових відходів (доповідь комісії ВООЗ), що ставить на межу екологічної катастрофи все людство.

Сільське господарство – унікальний вид людської діяльності, який можна одночасно розглядати як мистецтво та науку. І завжди головною метою цієї діяльності залишалося зростання виробництва продукції, що нині досягло 5 млрд т на рік. Щоб нагодувати населення Землі, що росте, до 2025 р. цей показник належить збільшити щонайменше на 50%. Але такого результату виробники сільськогосподарської продукції зможуть досягти тільки в тому випадку, якщо в будь-якій точці світу отримають доступ до найпередовіших методів вирощування найвищих сортів культурних рослин. Для цього їм необхідно також опанувати всі останні досягнення сільськогосподарської біотехнології, зокрема, отримання та вирощування генетично модифікованих організмів.

Від канібалізму до ГМО

Щоб прогодувати людство, потрібна інтенсифікація сільського господарства. Однак така інтенсифікація позначається на навколишньому середовищі та викликає певні соціальні проблеми. Втім, судити про шкоду чи користь сучасних технологій(У тому числі і рослинництва) можна лише з урахуванням стрімкого зростання населення Землі. Відомо, що населення Азії за 40 років збільшилося більш як удвічі (з 1,6 до 3,5 млрд осіб). Яким було б додатковим 2 млрд людей, якби суспільство інтенсивно не використало досягнення «зеленої революції»? Хоча механізація сільського господарства призвела до зменшення числа фермерських господарстві в цьому сенсі сприяла зростанню безробіття, користь від «зеленої революції», пов'язана з багаторазовим зростанням виробництва продуктів харчування та стійким зниженням цін на хліб майже у всіх країнах світу, значно значиміша для людства.

В даний час спостерігається уповільнення зростання врожайності, скорочення ріллі з 0,24 га в 1950 до 0,12 га на людину, чітко починає відчуватися дефіцит і забруднення водних ресурсів, зміни клімату. У умовах пошук нових прийомів інтенсифікації сільського господарства, зокрема, широке впровадження у практику генетично модифікованих організмів - поки єдина альтернатива традиційному веденню сільського господарства.

Генетично модифіковані організми (ГМО) - це організми, генетичний апарат яких змінено поліпшення їх властивостей. Інакше генетична інженерія - це створення нових форм організмів за рахунок «пересадки» генів з однієї біологічної системи в іншу. У рослинництві отримують трансгенні рослини, а тваринництві - про «гентаврів». У тваринництві поки що успіхи більш ніж скромні. Що ж до рослинництва, то тут успіхи, можна сказати, величезні. Вже культивуються сотні сортів трансгенних рослин, мають не властиві їм особливості з допомогою функціонування них чужорідних генів. Це різні сорти картоплі, стійкої до колорадського жука, кукурудзи - стійкої до окремих гербіцидів, полуниці - більш продуктивної та багато іншого.

Противники ГМО називають їх "їжею Франкенштейна", "новим Чорнобилем уповільненої дії", забуваючи, що "їжу Франкенштейна" вони їдять щодня, у вигляді хліба, який є продуктом природної генної інженерії. А прихильники скромно нагадують, що вже через чверть століття без ГМО просто неможливо буде забезпечити людство, що безперервно росте, їжею і ліками. Тим більше, що ліки, вітаміни, антибіотики - вони всі більшою міроюЗа останні понад 60 років є продуктами біотехнологій, результатами генно-інженерних розробок. Значить, їх також треба забороняти? Чим ліки щодо цього відрізняються від рослин, незрозуміло. І ті, й інші служать продовження людського життя, і, головне, як кількості прожитих років, а й якості. При цьому очевидно, що генетично змінена сільськогосподарська продукція, перш ніж потрапити на поля, проходить масу найжорстокіших, найретельніших випробувань.

Очікується, що ГМО відіграватимуть особливу роль у новій «зеленій революції». Потік інформації про ГМО дозволяє припускати, що ГМО здатні допомогти вирішенню безлічі проблем, від забезпечення продуктами харчування населення Землі до збереження біологічного розмаїттяна планеті та зменшення тиску пестицидів на навколишнє середовище. Один із аргументів за використання ГМО зводиться до того, що саме «традиційне» сільськогосподарське виробництво є тепер основним джерелом забруднення навколишнього середовища.

Вирішення цієї проблеми може бути отримане шляхом активного використання досягнень біотехнології, особливо в культивуванні генетично модифікованих сортів зернових, які не потребують значного застосування пестицидів. Фермери, які вирощують ГМО, використовують менше пестицидів, ніж традиційні землероби. Як відомо, за рік на планеті додається близько 85 млн. чоловік, а приросту виробництва продовольства вистачає лише на половину.

Перехід до трансгенних рослин (ГМО) – це зміна моделі «один шкідник – один хімпрепарат» парадигмою «один шкідник – один ген».

Шкідники швидко адаптуються до нових умов і набувають стійкості до нових поколінь інсектицидів. Наприклад, колорадський жук набуває достатньої стійкості за 2 покоління.

Гарний прикладвпливу сучасних технологій на життя людини – створення «золотого» рису. На виведення «золотого» рису було витрачено 10 років та 100 млн. доларів. Тепер вчені з Міжнародного дослідницького інститутурису розташованого у Філадельфії задоволені, і з урахуванням того, що весь цей час 900 млн людей, які живуть за межею бідності (в основному в Азії, де основним продуктом харчування якраз і є рис) продовжуватимуть страждати від голоду та численних хвороб, співробітники інституту готові безкоштовно передати новий рис будь-якій державі, яка забажає зайнятися її розведенням. Крім того, з одним модифікатором, так званим «залізним» рисом, який завдяки підвищеному вмісту заліза здатний допомогти двом мільярдам людей, які страждають від анемії.

Виробництво продуктів харчування душу населення 1998 р. перевищило показники 1961 р. на чверть і виявилося на 40% дешевше. Проте проблеми виробництва продовольства та боротьби з голодом не можна вважати вирішеними.

Проблема голоду та генні технології – чи є альтернатива для людства?

«Зелена революція»

Попередницею біотехнологічної революції, заснованої на генно-хромосомних маніпуляціях рослин, була зелена революція. Вона завершилася 30 років тому і вперше дала вражаючі результати: майже вдвічі підвищилася продуктивність злакових та бобових рослин.

Вираз «зелена революція» вжив уперше в 1968 р. директор Агентства США з міжнародному розвиткуВ. Гауд, намагаючись охарактеризувати прорив, досягнутий у виробництві продовольства на планеті за рахунок широкого поширення нових високопродуктивних і низькорослих сортів пшениці та рису в країнах Азії, які страждали від нестачі продовольства. Багато журналістів тоді прагнули описати «зелену революцію» як масове перенесення передових технологій, розроблених у найбільш розвинених і отримували стабільно високі врожаї агросистеми, на поля селян у країнах «третього світу». Вона ознаменувала собою початок нової ери розвитку сільського господарства на планеті, ери, в яку сільськогосподарська наука змогла запропонувати низку вдосконалених технологій відповідно до специфічних умов, характерних для фермерських господарств у країнах, що розвиваються. Це вимагало внесення великих доз мінеральних добривта меліорантів, використання повного набору пестицидів та засобів механізації, в результаті відбулося експоненційне зростання витрат вичерпних ресурсів на кожну додаткову одиницю врожаю, у тому числі харчову калорію.

Це було досягнуто завдяки перенесенню у створювані сорти цільових генів, щоб збільшити міцність стебла шляхом його укорочення, досягти нейтральності до світлового періоду для розширення ареалу обробітку та ефективної утилізації мінеральних речовин, особливо азотних добрив. Перенесення обраних генів, хоч і в межах видів, з використанням традиційних методів гібридизації, можна розглядати як прообраз трансгенозу.

Ідеолог «зеленої революції» Норман Борлауг, який отримав її результати в 1970 р. Нобелівську премію, попереджав, що підвищення врожайності традиційними методами може забезпечити продовольством 6-7 млрд. людина. Збереження демографічного зростання потребує нових технологій у створенні високопродуктивних сортів рослин, порід тварин та штамів мікроорганізмів. У зверненні до форуму з генної інженерії, що проходив у березні 2000 р. у Бангкоку (Таїланд), Борлауг заявив, що «або вже розроблені, або ми знаходимося на завершальних стадіях розробки технологій, які дозволять прогодувати населення чисельністю понад 10 млрд. чоловік».

Робота, розпочата М. Борлаугом та його колегами в Мексиці в 1944 р., продемонструвала винятково високу ефективність цілеспрямованої селекції зі створення високоврожайних сортів сільськогосподарських рослин. Вже до кінця 60-х років широке поширення нових сортів пшениці та рису дозволило багатьом країнам світу (Мексиці, Індії, Пакистану, Туреччини, Бангладеш, Філіппінам та ін.) у 2-3 і більше разів збільшити врожайність цих найважливіших культур. Однак невдовзі виявились і негативні сторони «зеленої революції», викликані тим, що вона була переважно технологічною, а не біологічною. Заміна генетично різноманітних місцевих сортів новими високоврожайними сортами та гібридами з високим ступенем ядерної та цитоплазматичної однорідності значно посилила біологічну вразливість агроценозів, що було неминучим результатом збіднення видового складу та генетичної різноманітності агроекосистем. Масовому поширенню шкідливих видів, як правило, сприяли і високі дози азотних добрив, зрошення, загущення посівів, перехід до монокультури, мінімальних та нульових систем обробітку ґрунту тощо.

Зіставлення «зеленої революції» з біотехнологічною, що відбувається нині, проведено для того, щоб показати ту соціально значиму компоненту, яка лежить в основі всіх генно-хромосомних маніпуляцій. Йдеться про те, як забезпечити населення Землі продовольством, створити ефективнішу медицину, оптимізувати екологічні умови.

Сучасні сорти дозволяють підвищити середню врожайність за рахунок більш ефективних способів вирощування рослин та догляду за ними, за рахунок їх більшої стійкості до комах-шкідників та основних хвороб. Однак вони лише тоді дозволяють отримати помітно більший урожай, коли їм забезпечено належний догляд, виконання агротехнічних прийомів відповідно до календаря та стадії розвитку рослин (внесення добрив, полив, контроль вологості ґрунту та боротьба з комахами-шкідниками). Всі ці процедури залишаються абсолютно необхідними і для отриманих в Останніми рокамитрансгенних сортів.

Більше того, радикальні зміни у догляді за рослинами, підвищення культури рослинництва стають просто необхідними, якщо фермери приступають до вирощування сучасних високоврожайних сортів. Скажімо, внесення добрив і регулярний полив, такі необхідні для отримання високих урожаїв, одночасно створюють сприятливі умови для розвитку бур'янів, комах-шкідників та ряду поширених захворювань рослин. При впровадженні нових сортів необхідні додаткові заходи щодо боротьби з бур'янами, шкідниками та хворобами, посилюється залежність продуктивності агроекосистем від техногенних факторів, прискорюються процеси та зростають масштаби забруднення та руйнування навколишнього середовища.

Незважаючи на значні успіхи «зеленої революції», битва за продовольчу безпеку для сотень мільйонів людей у ​​найбідніших країнах далека від завершення.

Вичерпаність можливостей зеленої революції

Стрімке зростання населення «третього світу» в цілому, ще разючіші зміни демографічних розподілів в окремих регіонах, неефективні програми боротьби з голодом і бідністю в багатьох країнах «з'їли» більшу частину досягнень на ниві виробництва продовольства. Скажімо, у країнах Південно-Східної Азії виробництво продуктів харчування все ще явно недостатньо, щоб перемогти голод та бідність, тоді як Китай здійснив колосальний стрибок. Успіхи Китаю у боротьбі з голодом та бідністю (зокрема, порівняно з Індією) відносять до того, що керівництво Китаю виділяє величезні кошти на освіту, охорону здоров'я та науку. За більш здорового і краще освіченого сільського населення китайська економіка протягом останніх 20 років змогла розвиватися вдвічі швидше за індійську. Сьогодні середній прибутокдушу населення Китаї майже вдвічі вище, ніж у Індії.

Загалом, світовій спільноті і без генетично модифікованих організмів вдалося досягти зрушень у боротьбі з голодом. З 1950 по 1990 роки виробництво зернових, а також яловичини та баранини зросло майже втричі (відповідно з 631 до 1780 млн т та з 24 до 62 млн т), виробництво рибопродуктів – майже в 4,5 раза (з 19 до 85 млн т). Незважаючи на більш ніж дворазове зростання жителів Землі за той же період, це дозволило підвищити з 1961 по 1994 рік світове виробництво продовольства на душу населення на 20% і підняти рівень харчування в країнах, що розвиваються.

Проте «зелена революція» не внесла особливих змін у кількісні та якісні параметри харчування у бідних країнах. Душеве споживання зернових у прямому і непрямому вигляді коливається у світі від 200 до 900 кг на рік. На відміну від населення розвинених країн, яке споживає врожай зернових головним чином у вигляді м'яса, молока та яєць, народи третього світу задовольняються мізерною дієтою. У 1995 р. середньостатистичний американець з'їдав 45 кг яловичини, 31 кг свинини, 46 кг. свійської птиціта 288 л молока, а до річного раціону середнього жителя Індії входив лише 1 кг яловичини (слід врахувати, що індуїсти її не їдять), 0,4 кг свинини, 1 кг свійської птиці та 34 л молока.

В даний час чисельність популяції Homo sapiens у 6 млрд осіб є найбільшою у всіх високопродуктивних біотопах Землі.

Людина використовує близько 7% із 180 млрд т продуктів фотосинтезу - органічної речовини біосфери. Якщо для подвоєння чисельності з 1 до 2 млрд. чоловік знадобилося 80 років (за період з 1850 по 1930 рік), то в даний час - 40 років. На 20% населення «процвітаючих» країн припадає 77% забруднювачів, що викидаються у біосферу.

Сталося так, що раціональні рішення виносилися експертами, переконаними, що вони працюють в ім'я розуму та прогресу, і не брали до уваги протести місцевого населення, вважаючи їх необґрунтованими забобонами. Такий підхід часто призводить до згубних результатів, які врівноважують і навіть перевершують за своїми наслідками їх сприятливі результати. Так, «зелена революція», здійснена з метою стимулювання розвитку країн третього світу, значною мірою примножила їхні продовольчі ресурси та багато в чому дозволила уникнути неврожаїв. Тим не менш, тепер зрозуміло, що стартова ідея, яка полягала в тому, щоб відбирати та розмножувати на дуже великих площах єдиний селекційний сорт (кількісно найпродуктивніший) виявилася небезпечною за своїми наслідками. Відсутність генетичної різноманітності давала можливість патогенному фактору, опір якому не міг надати цей сорт, знищувати весь сезонний урожай. Стала очевидною необхідність відновлення певного генетичного розмаїття у тому, щоб оптимізувати, а чи не намагатися дедалі більше максимізувати врожайність.

Інтенсивна технологія призводить до деградації ґрунтів; іригація, яка не враховує особливості ґрунту, викликає їх ерозію; накопичення пестицидів руйнує баланс і системи регуляцій між видами - знищуючи корисні види поряд із шкідливими, іноді стимулюючи нестримне розмноження шкідливого виду, який набув стійкості до пестицидів; токсичні речовини, що містяться в пестицидах, переходять у продукти харчування та погіршують здоров'я споживачів тощо.

Дефіцит родючих ґрунтів

В останні роки загострилася проблема дефіциту родючих ґрунтів. Якщо порівняти світову продукцію рослинництва у 1950 та 1998 р., то за врожайності 1950 р. для забезпечення такого зростання довелося б засіяти не 600 млн га, як нині, а втричі більше. Тим часом додаткові 1,2 млрд га вже, по суті, взяти ніде, особливо у країнах Азії, де густота населення надзвичайно висока. Крім того, землі, залучені до сільськогосподарського обігу, з кожним роком стають все більш виснаженими та екологічно вразливими.

З країн-експортерів лише США та Росія можуть розширити посіви зернових. Ні Австралія, ні Аргентина, ні Канада, ні країни ЄС резервів не мають – там все розорано. У США, як і в Росії, також є угіддя, виведені з обігу, отже, задіявши їх, американці можуть отримати ще 100 млн т на рік. Це значний резерв експорту, бо свої потреби США з лишком задовольняють на нинішніх площах. Але що США постачають світовий ринок? Здебільшого кукурудзу та сою – пшеницю вони майже не експортують. Росія ж при використанні сучасних технологій потенційно може експортувати більше 100 млн т.

Вплив ерозії грунтів, зведення лісів і лук на біорізноманіття дедалі відчутніший; посилюється залежність продуктивності агроекосистем від техногенних факторів З невдачами країн «третього світу та міжнародних організацій, що сприяють їх розвитку, у спробах домогтися адекватної віддачі від вкладень у сільське господарство змиритися нелегко, оскільки протягом усієї історії жодної нації не вдавалося підвищити добробут та домогтися розвитку економіки без попереднього різкого збільшення виробництва продуктів харчування, головним джерелом яких завжди залишалося сільське господарство. Тому, як вважають багато фахівців, у ХХІ ст. чекає друга «зелена революція». Без цього не вдасться забезпечити людське існування всім, хто приходить у цей світ.

Очевидно, що знадобляться чималі зусилля, як традиційної селекції, так і сучасної сільськогосподарської ДНК-технології, для того, щоб досягти генетичного вдосконалення продовольчих рослин у темпі, який дозволив би до 2025 р. задовольнити потреби 8,3 млрд осіб. Для подальшого зростання виробництва сільськогосподарської продукції знадобиться багато добрив, особливо в країнах Екваторіальної Африки, де досі добрива вносять не більше 10 кг на гектар (у десятки разів менше, ніж у розвинених країнах і навіть країнах Азії).

За оцінками фахівців, які вивчають азотні цикли в природі, щонайменше 40% із 6 млрд людей, що населяють нині планету, живі лише завдяки відкриттю синтезу аміаку. Внести таку кількість азоту в ґрунт за допомогою органічних добрив було б зовсім немислимо, навіть якби всі ми тільки цим займалися.

« Зелена революція» створила передумови для вирішення продовольчої проблеми, але не перетворила обіцянку перемогти голод до XXI століттінасправді. Посуха у США та Канаді у 1989 р. спалила майже третину врожаю та нагадала світові про нестійкість землеробства в умовах глобального потепління. У 90-ті роки ХХ століття темпи виробництва зерна сповільнилися, а низці регіонів - знизилися проти 80-ми.

Якщо прийняти індекс світового виробництва продовольства 1979-1981 гг. за 100, то динаміка його руху на 1993-1995 гг. набула негативного значення і склала в Африці – 95,9, у Північній та Центральній Америці – 95,4, у Європі – 99,4. Це поставило під загрозу досягнення «зеленої революції» і вимагало створення нових методів для виведення нових сортів.

Становище сільському господарстві ускладнилося у зв'язку з зниженням родючості і скороченням орних земель. За даними дослідження, проведеного в 1991 р., втрати верхнього шару землі внаслідок її деградації у різних регіонах світу у 16-300 разів перевищували здатність ґрунту до природного відновлення. За оцінками іншого дослідження, деградація землі з 1945 до 1990 року призвела до зниження виробництва продовольства у світі на 17%. Спроби компенсувати ці втрати за рахунок іригації та хімізації дали певний ефект, але руйнівно вплинули на навколишнє середовище.

У сільському господарстві відбувається щорічний винос із урожаєм значних кількостей біогенних елементів, ґрунт поступово збіднюється ними, виснажується. Внесення мінеральних добрив компенсує ці втрати та дає змогу отримувати відносно стійкі високі врожаї. Разом з тим, не будучи пов'язаними у гумусі, мінеральні солі легко вимиваються ґрунтовими водами, поступово стікають у водойми та річки, йдуть у підземні водоносні горизонти. У самому ґрунті надлишок мінеральних солей змінює склад ґрунтових тварин і мікроорганізмів, що створюють гумус, його стає все менше, і ґрунт, втрачаючи природну родючість, стає чимось на кшталт мертвого пористого матеріалу для просочення мінеральними солями. А промислові добрива завжди містять домішки важких металів, які схильні накопичуватись у ґрунті.

Процес руйнування ґрунту значно прискорюється застосуванням отрутохімікатів, що вбивають разом із шкідниками ґрунтових комах, хробаків, кліщів, без яких утворення гумусу сильно гальмується.

Поступово продукція з таких полів стає все більш забрудненою нітратами та нітритами від надлишку добрив, пестицидами та важкими металами. Така інтенсифікація землеробства дає, звичайно, короткочасні позитивні результати, але все більше загострює проблему втрати ґрунтової родючості та скорочення земельних ресурсів.

Подальше розширення посівних площ призведе до катастрофічного прискорення зникнення видів. Біологічні методи підтримки родючості ґрунтів - органічні добрива, зміна та оптимальне поєднання культур, перехід від хімічного захисту рослин до біологічного, суворо відповідні місцевим особливостям ґрунтів та клімату способи обробітку ґрунтів (наприклад, безвідвальна оранка) - необхідні умовизбереження та підвищення родючості ґрунтів та стабілізації виробництва продовольства досить високої якості та безпечного для здоров'я людей.

Пошуки виходу з використанням генетично модифікованих організмів

Широко відомі медичні проблеми, пов'язані з дією збудників хвороб рослин, зокрема грибів, на організм людини. Так, продукти життєдіяльності грибка аспергілу – афлатоксини – є небезпечними канцерогенами. Сьогодні цим незнищенним грибком заражені посіви зернових у всьому світі – 20-25% площ залежно від культури та регіону. І ці афлатоксини ми, не знаючи про це, споживаємо, наприклад, із хлібом. ПМО-сорта із стійкістю до грибкових захворювань не несуть жодних токсичних навантажень.

Враховуючи зростаючий інтерес фермерів та інших виробників до біотехнологічної продукції, збільшення посівних площ під ГМО-культурами, в рамках державних ініціатив передбачено поглиблення наукових дослідженьщодо оцінки ризику біотехнологічної продукції. Вчені, зазвичай, висловлюються за принцип «обережного ставлення». Сприйняття ризику, оцінка ризику залежить від рівня культури нації. Наприклад, навіть «зелені», активно протестуючи проти використання ГМ рослин у сільському господарстві, як правило, навіть не згадують про використання ГМО у медицині та фармакології. Ті ж «Друзі Землі» визнають безпеку стійких до гербіцидів рослин.

Нікому не спадає на думку протестувати проти генно-інженерного (людського) інсуліну, якому діабетики у своїй масі віддають перевагу перед вітчизняним «свинячим».

У багатьох країнах світу вже широко застосовуються в рослинництві так звані трансгенні (точніше інший термін – генетично модифіковані) рослини – соя, кукурудза, бавовна, ріпак, картопля та багато інших, стійких до певних пестицидів або комах. У 1995 році в США зареєстровано модифікований сорт картоплі NewLeaf, стійкий до колорадського жука (компанія Монсанто). Вже наступні два роки модифікований сорт картоплі зареєстрували у себе Канада, Японія, Мексика. Багато країн Європи, Південної Америки, Австралії проводять сьогодні випробування модифікованих сортів рослин.

Позитивні сторони модифікації рослин очевидні. Це – спрощення технологій вирощування сільськогосподарських культур, суттєве зниження енерговитрат. А, головне – зменшення забруднення довкілля пестицидами. Крім того, ГМ рослини дають значне підвищення врожайності за рахунок зниження шкідливих впливів комах та мікроорганізмів, зниження собівартості, а звідси цін на продукти харчування.

Надії, які покладаються на генетично модифіковані (ГМ) рослини, можна поділити на два основні напрямки:

1. Удосконалення якісних характеристик продукції рослинництва.

2. Збільшення продуктивності та стабільності рослинництва шляхом підвищення резистентності рослин до несприятливих факторів.

Створення генетично модифікованих рослин найчастіше виконується на вирішення наступних конкретних завдань.

1) З метою збільшення врожайності шляхом підвищення:

а) резистентності до патогенів;

б) резистентності до гербіцидів;

в) стійкості до температур, різної якості ґрунтів;

г) покращення характеристик продуктивності (смакових якостей, полегшення засвоюваності).

2) У фармакологічних цілях:

а) одержання продуцентів терапевтичних агентів;

б) продуцентів антигенів, забезпечення харчової «пасивної» імунізації.

Основні завдання ДНК-технології у створенні ГМ рослин у сучасних умовах розвитку сільського господарства і суспільства досить різноманітні і полягають у наступному:

1. Отримання гібридів (сумісність, чоловіча стерильність).

2. Зростання та розвиток рослин (зміна габітусу рослин - наприклад, висоти, форми листя та кореневої системи та ін; зміна в цвітінні - наприклад, будові та забарвленні квіток, часу зацвітання).

3. Живлення рослин (фіксація атмосферного азоту небобовими рослинами; покращення поглинання елементів мінерального харчування; підвищення ефективності фотосинтезу).

4. Якість продукції (зміна складу та/або кількості цукрів та крохмалю; зміна складу та/або кількості жирів; зміна смаку та запаху харчових продуктів; одержання нових видів лікарської сировини; зміна властивостей волокна для сировини; зміна якості та термінів дозрівання або зберігання плодів).

5. Стійкість до абіотичних факторів стресу (стійкість до посухи та засолення, жаростійкість; стійкість до затоплення; адаптація до холоду; стійкість до гербіцидів; стійкість до кислотності ґрунтів та алюмінію; стійкість до важких металів).

6. Стійкість до біотичних факторів стресу (стійкість до шкідників; стійкість до бактеріальних, вірусних та грибних хвороб).

Насправді серед ознак, контрольованих перенесеними генами, першому місці стоїть стійкість до гербіцидів. Частка стійких до вірусних, бактеріальних чи грибних хвороб серед промислово вирощуваних трансгенних рослин - менше 1%.

Серед генів, що визначають стійкість до гербіцидів, вже клоновані гени стійкості до таких гербіцидів як гліфосат (Раундап), фосфімотрицин (Біалафос), гліфосимат амонію (Баста), сульфонілсечовинних та імідозолінових препаратів. З використанням цих генів вже отримані трансгенні соя, кукурудза, бавовник тощо. У Росії також проходять випробування трансгенні культури, стійкі до гербіцидів. У Центрі «Біоінженерія» створено сорт картоплі, стійкий до Басти, що нині проходить польові випробування.

Необхідність створення ГМО в сучасному світі пов'язана з тим, що багато сортів характеризуються недостатньою пристосованістю до місцевих особливостей ґрунтово-кліматичних та погодних умов, технологій обробітку (сортової агротехніки) та вимог ринку, порушення принципів агроекологічного макро-, мезо- та мікрорайонування сільськогосподарської території. Одностороння орієнтація на «техногенну» інтенсивність сортів і гібридів, здатних забезпечити зростання врожайності лише при зростаючих витратах вичерпних ресурсів (мінеральних добрив, меліорантів, пестицидів, зрошень тощо), неминуче призводить до зниження коефіцієнтів ресурсної та енергетичної ефективності, непропорційно , забруднення та руйнування природного середовища.

Істотним напрямом отримання ГМ рослин є спроби створити біопаливо. Проблема створення біопалива виникла досить давно. Про це мріяв ще Генрі Форд. Майбутній бензин можна буде витягувати з генетично модифікованої сої чи кукурудзи. Тобто. будуть рослини-фабрики з виробництва заданих речовин (наприклад, згаданої рослинної олії, яка в недалекому майбутньому з успіхом замінить нафту як паливо). В результаті різко скоротяться посівні площі і вплив палива, що видобувається на навколишнє середовище. Перехід до паливних плантацій повинен початися з біодизельних палив - їхня молекулярна структура настільки близька до структури деяких рослинних олій, що спочатку можна буде обійтися і без генної інженерії.

Необхідно підкреслити, що за допомогою генетичної інженерії нові сорти не створюють, а лише покращують їх, роблять адаптованішими до конкретних умов розведення та завдань. Тобто вихідний сорт повинен бути адаптований до певних умов зовнішнього середовища, а також технологій обробітку. Тому в комплексних селекційно-агротехнічних програмах мають бути спочатку визначені цілі та етапи використання класичних та біоінженерних методів управління спадковою мінливістю при реалізації тієї чи іншої морфофізіологічної моделі сорту (гібриду). Зазвичай районовані сорти, що використовуються для генно-інженерної роботи, характеризуються ідеальною агроекологічною «підігнаністю» його геному та цитоплазми (плазмону) до конкретних умов.

У принципі трансгенні рослини мають помітно збільшити різноманітність сільськогосподарських культур. Наприклад, досі селекція кукурудзи в США заснована на невеликій кількості сортів, що культивуються, і в результаті застосовуваний генофонд досить бідний. Насіння сортів, що перебувають у насіннєвих банках, практично не використовуються; для схрещування застосовують кілька високоврожайних сортів. А якщо у нас є гени, відповідальні за необхідні властивості, то, вводячи їх у ці сорти, ми збільшимо біорізноманіття сортів, що використовуються.

Гпавна проблема природної генетичної інженерії - її повільність

Генетичною інженерією займається і природа. За останні тисячоліття (за допомогою штучного відбору) вона досягла чималого. Так, зокрема, вважають, що внаслідок генних мутацій та природної генної інженерії природа поставила на стіл людині масу нових продуктів, починаючи від м'якої пшениці (злиття трьох геномів) і закінчуючи кукурудзою. Але як нормальному селекціонеру спресувати мільйони років того, що робила природа, у десятиліття та навіть роки? Як максимально скоротити терміни? Чи здатна впоратися з усім цим генетика та селекція? Адаптивна система селекції рослин, що базується на мобілізації генофонду, управлінні спадковістю, сортовипробуванні та насінництві, забезпечує підвищення величини та якості врожаю сільськогосподарських культур на більшій частині землеробської території Землі. При цьому саме селекціонери рослин відіграють роль стратегів у покращенні сільськогосподарських культур та забезпеченні продовольчої безпеки, освоюючи нові, у тому числі й трансгенні технології. Тому найближча проблема в галузі селекції полягає в тому, щоб інтегрувати та поєднувати зусилля селекціонерів та молекулярних біологів для вирішення спільного завдання – підвищення величини та якості врожаю, ресурсо- та енергоекономічності, екологічної надійності, безпеки та рентабельності рослинництва.

Гібридизація, хоч досі не цілком зрозумілі її молекулярні механізми, відіграє важливу роль у підвищенні ефективності сільського господарства. Так, при перехресному запиленні кукурудзи утворюються сильніші та врожайніші гібриди. У компанії "Plant Genetic System" у Генті такі гібриди отримані не тільки для кукурудзи, але і для ріпаку. Китай ще раз показав свої можливості, мабуть, в основі його тисячолітньої стійкості: незалежно від політичної системи в країні, він повністю забезпечив свою продовольчу безпеку.

Наприклад, саме в Китаї досягнуто великих успіхів у селекції рису. Це насамперед високоврожайні гібриди на основі традиційних місцевих сортів, що дають 10-11 т/га замість звичайних 2,5-3. Фермери задоволені цими сортами, і їх вирощують на величезних площах у Китаї, В'єтнамі та інших країнах Південно-Східної Азії. Якби всі ці площі засівали одним сортом, то незабаром він виявився дуже сприйнятливим до різних захворювань. Гібрид, отриманий із різних ГМ сортів, став важливою віхою на шляху до стабільно високих урожаїв рису, що забезпечує продовольчу безпеку та добробут половини населення Землі. У кожному районі, де вирощують свій сорт, не завадило б використовувати ГМ сорти та гібриди на їх основі для отримання широкого спектру високоврожайних адаптованих місцевих сортів.

Аналіз зростання врожайності у XX столітті показує, що поряд із мінеральними добривами, пестицидами та засобами механізації основну роль у цьому процесі відіграло генетичне поліпшення рослин.

Так, внесок селекції у підвищення врожайності найважливіших сільськогосподарських культур протягом останніх 30 років оцінюють у 40-80%. Саме завдяки селекції протягом останніх 50 років, наприклад у США, було забезпечено щорічне збільшення врожаю в розмірі 1-2% за основними польовими культурами. Є всі підстави вважати, що в найближчому майбутньому роль біологічної складової, і в першу чергу селекційного поліпшення сортів і гібридів, у підвищенні величини та якості врожаю безперервно зростатиме.

Однак для того, щоби нагодувати світ, навіть такі цифри сьогодні малі. Селекційне конструювання нового сорту – важкий науковий процес. Ця справа вимагає від селекціонерів жахливої ​​завзятості, десятків років праці, а успіх до них найчастіше приходить лише на схилі років. Скільки селекціонерів так і не дожили до часу, коли їхні зусилля стали приносити плоди, а багато хто взагалі залишився без сортів. А проблема голоду, як і раніше, є головною для багатьох країн. Час не чекає, йдеться про мільйони живих людей, їм потрібно допомогти.

Складність шляхів створення сортів стає наочною, якщо, наприклад, врахувати перелік вимог до нового сорту пшениці за класичним підрахунком Миколи Івановича Вавілова. До ознак, яким повинен відповідати новий сортвходить сорок шість пунктів.

Перерахуємо деякі з них: - Форма зерна; висока вага 1000 насінин; великий, при дозріванні колос, що не обсипається; не проростає на корені та в снопах зерно; міцна, неполегла соломина; оптимальне співвідношення маси зерна та соломини; імунітет до шкідників, хвороб; стійкість до посух; придатність до механізованого збирання і т.д. і т.п.

І це за мірками минулих десятиліть. Нині кількість вимог зросла ще більше. Чим більше ознак селекціонер прагне поєднати в одному сорті або гібриді, тим нижчі темпи штучного відбору, тим більше часу потрібно для створення нового сорту.

Наявність негативних генетичних та біоенергетичних за своєю природою кореляцій між ознаками суттєво знижує темпи створення нових сортів. Крім цього, вважає Жученко (2001), підвищення ефективності сучасного селекційного процесу передбачає контроль цілого комплексу популяційно-генетичних характеристик. До найважливіших з них слід віднести: підбір пар для схрещування з урахуванням їх рекомбінаційного потенціалу, вибір напрямку схрещування та умов отримання гібридів F1 з урахуванням різної здатності макро-і мікроспор до перенесення хромосомних аберацій, а також елімінації рекомбінантних гамет у процесі селективного виборчого; вибір фону для вирощування гібридів з урахуванням впливу факторів зовнішнього середовища на рівень та спектр рекомбінаційної мінливості на етапах передмейозу, мейозу та постмейозу; використання ефективних селективних середовищ для відбору рекомбінантних генотипів на клітинному рівні (In vitro), а також генетичних елементів, що переміщаються; перенесення чужорідної ДНК шляхом трансгенозу; зниження селективної елімінації рекомбінантних гамет і зигот, та все ж насамперед потребує особливої ​​міжнародної уваги ряд екологічних проблем, таких як засолення грунтів, викликане погано спроектованими та обслуговуваними іригаційними системами, а також забруднення грунтів та поверхневих водойм, обумовлене значною мірою надлишковим використанням хімічні засоби захисту.

У той же час, геном рослин має великий потенціал щодо їх вдосконалення за різними ознаками, у тому числі для зростання врожайності. Це важливий аспект, який не береться до уваги «зеленими». Вони вважають, що продуктивність сільського господарства країн та країн з перехідною економікою залежить від соціальних та економічних умов, з чим важко не погодитися, але не враховують, що сьогодні для підвищення продуктивності цього вже недостатньо і потрібні нові технології, необхідні для реалізації прихованого в сільськогосподарських умовах. види генетичного потенціалу. Лише вони дозволять наблизитися до сталого сільського господарства, стійко функціонуючої промисловості та відповідально до подолання екологічної кризи.

Майже всі наші традиційні продукти харчування є результатом природних мутацій і генетичної трансформації, які служать рушійними силами еволюції. Не будь цих основоположних процесівможливо, ми все ще залишалися б у донних опадах первісного океану. На щастя, іноді мати-природа брала він відповідальність і здійснювала генетичні модифікації. Так, пшениця, якій належить така значна роль у нашому сучасному раціоні, набула своїх нинішніх якостей у результаті незвичайних (але цілком природних) схрещувань між різними видамитрав. Сьогоднішній пшеничний хліб – результат гібридизації трьох різних рослинних геномів, кожен із яких містить набір семи хромосом. У цьому сенсі пшеничний хліб слід було б віднести до трансгенним, чи генетично модифікованим, продуктам. Ще один результат трансгенної гібридизації - сучасна кукурудза, яка, швидше за все, з'явилася завдяки схрещуванню видів Teosinte і Tripsacum.

Перспективи вирішення проблеми голоду з використанням традиційних підходів селекції не вселяють надій. До 2015 р. близько 2 млрд людей житимуть у злиднях. Рослинники давно намагалися вирішити цю проблему, здавна займаючись виведенням нових, високопродуктивних сортів, традиційними шляхами за допомогою схрещування та відбору, тобто шляхами природними, головні недоліки яких - ненадійність і мала ймовірність отримання селекціонером того, що він запланував, і надто великі витрати часу.

Недоліки традиційної селекції та сучасні шляхи їх подолання

Зазвичай для отримання нових сортів та порід тварин використовують гібридизацію та методи радіаційного та хімічного мутагенезу. Серед проблем, що обмежують можливості традиційної селекції, можна виділити такі: бажані гени передаються разом із небажаними; придбання одного бажаного гена часто супроводжується втратою іншого; деякі гени залишаються пов'язаними один з одним, що значно ускладнює відокремлення позитивних властивостей від шкідливих.

Методи радіаційного та хімічного мутагенезу, що застосовуються у щоденній практиці селекціонера, ведуть до появи величезної кількості невідомих генетичних перебудов. Виведена внаслідок таких впливів рослина у разі, якщо вона життєздатна і не має виражених токсичних властивостей, може нести невиявлені мутації, оскільки мутантні сорти досліджуються лише з метою вивчення характеристик, що стосуються вирішення конкретної селекційної задачі.

Головні переваги методів генетичної інженерії полягають у тому, що вони дозволяють передавати один або кілька генів від одного організму іншому без складних схрещувань, причому донор та реципієнт не обов'язково мають бути близькими. Це різко збільшує різноманітність властивостей, що змінюються, прискорює процес отримання організмів із заданими властивостями, а також, що дуже важливо, полегшує простежування генетичних змін і їх наслідків. А найголовніше, змінений сорт чи порода одразу адаптований – вписаний у конкретні умови довкілля.

Уявити завтрашній день сільського господарства важко, але з великою певністю можна говорити про стратегічні завдання, які хотілося б вирішити. Тут треба розуміти, що цілі природи та людини різні. Для людей, скажімо, вигідніше отримати пшеницю або ячмінь з великим зерном, з легкою обмолочуванням з тью. Природі важливіше не розмір, а кількість зерен; а ось схильність до легкого обмолочування - ця ознака може виявитися для рослини навіть шкідливою.

Такий різнобій у поглядах природи і людини, могутність якого все зростає, не може не позначитися згубно біосфері. З величезної різноманітності рослин, які годували людину 10 тисяч років тому, сьогодні основу харчування (85%) складає лише п'ять видів рослин. А з 5 тис. окультурених видів рослин людина в даний час для задоволення 90% своїх потреб у продовольстві використовує лише 20, з яких 14 належить лише до двох сімейств.

Щоб зрозуміти, як далеко зайшли еволюційні зміни під впливом селекційної роботи людини, достатньо поглянути на кукурудзяні качани (їх вік – 5 тис. років), знайдені під час розкопок у печері Теуакан (Мексика). Вони приблизно в 10 разів менші, ніж у сучасних сортів. І це реальний приклад роботи генетиків та селекціонерів.

Г.Д. Карпеченко (1927) вперше синтезував нову невідому в природі видову форму Raphanobrassica (рафанобрасика), константний поліплоїдний міжродовий гібрид між редькою та капустою. Цілком справедливо М.М. Воронцов (1999) називає синтез рафанобрасіки першим випадком конструювання нового геному, того, що в кінці 70-х стало називатися генетичною інженерією.

Через три роки шведський генетик Арне Мюнтцинг вперше здійснив ресинтез дикорослого в природі алополіплоїдного виду багна.

Природна хромосомна інженерія створює гібридогенні поліплоїдні комплекси видів, відкриті та вивчені американським ботаніком Ледьярдом Стеббінсом. У цих комплексах геноми кількох диплоїдних вихідних видів можуть вступати між собою у всілякі гібридні алотетраплоідні комбінації. Об'єднуватися можуть відразу кілька геномів, так що предком одного виду може жоден, а кілька видів, як, наприклад, у м'якої звичайної пшениці, у видів бавовнику.

Гібридогенне видоутворення зустрічається і у хребетних та безхребетних тварин. Але тварини розмножуються статевим шляхом, який у міжвидових гібридів утруднений чи навіть неможливий. Тому міжвидові гібриди тварин розмножуються незвичайними способами, які ми б назвати репродуктивними технологіями. До них відносяться: партеногенез (спермії не потрібні для розвитку яйцеклітин видів-гібридів); гіногенез (спермії потрібні лише для активації розвитку, але розвиток відбувається на основі жіночих гамет та успадкування матроклинно); і власне гібридогенез, коли гібридний вид утворюється на основі гібридних запліднених яйцеклітин, але один із батьківських геномів вибірково усувається.

Завдяки, зокрема, селекційній роботі, стародавня природна різноманітність місцевих видів замінена нині невеликою кількістю спеціально виведених і майже насильно впроваджуваних сортів, що вирощуються на широких просторах. 96% врожаю гороху в США виходить лише від двох його різновидів, а 71% врожаю кукурудзи - від шести її сортів. Чудові за продуктивністю рослини використовують, але вони, на жаль, стають все більш схильними до різних захворювань, таким, наприклад, як картопляна гниль. Рослини доводиться посилено «лікувати» пестицидами та іншими небезпечними для довкілля та самої людини засобами. Одна з найважливіших цілей ДНК-технології – не міняти середовище під рослини, а навпаки – міняти рослину таким чином, щоб вона була найбільш адаптивною до цього середовища. Крім того, необхідне повернення рослинного царства до різноманіття, до необачного багатства видів. Очевидно, однак, що головним залишається забезпечення доступу до продовольства всіх соціальних груп населення («здоров'я нації»), оскільки на покупку продовольства витрачається до 70% доходів населення

Селекціонери, спостерігаючи за роботою біоінженерів, відчувають заздрість від простоти та ясності експериментів. Хоча багато хто з них вважає, що генетична інженерія - це своєрідне захоплення, мода, що вона пройде, і ніякої особливої ​​користі практика від неї не отримають.

Повільні, терплячі, завзяті, свято дотримуються правил, здавна декретованих природою, сільського, так би мовити, складу селекціонери підозріло ставляться до поспішних, явно урбаністичних методів біоінженерії. Їх дратують запопадливість, поспіх, рекламний шум, надмірні обіцянки, явне бажання порушити ритуали, скоріше перекинути поставлені природою бар'єри, обійти їх, пролізти з «чорного ходу», зайти «поза чергою». Ця стара суперечка між сільською неквапливістю, обґрунтованістю та міською суєтою та необов'язковістю, мабуть, вирішиться не скоро, бо біоінженер, зрештою, передає свої знахідки селекціонерам, саме вони мають судити, чи вдався чи ні черговий генний «фокус».

Яких би чудес не вигадували молекулярні біологи, міркують селекціонери, нам вирішувати, що їм вийшло. Тому швидкісні методи переробки сільського господарства - це міф. Для отримання цієї рослини необхідних ознак потрібно від п'яти до п'ятнадцяти років. А потім ще, принаймні, від трьох до восьми років роботи традиційними методами, щоб закріпити ці ознаки у рослини, а потім її районування тощо. Але слід визнати, що біоінженерія на відміну від традиційних методів селекції має найбільшу можливість технологізувати досягнення фундаментальних знань і, зокрема, молекулярної біології. Крім того, методи біотехнології є якісно новим інструментом безпосереднього вивчення структурно-функціональної організації генетичного матеріалу. А це, у свою чергу, дозволяє припустити, що генетична інженерія рослин вплине при селекції на такі адаптивно і господарсько цінні ознаки, як інтенсивність чистого фотосинтезу, індекс врожаю та ін. перспективні напрямкив галузі захисту рослин включають отримання трансгенних сортів, стійких до гербіцидів і шкідливих видів, біопестицидів, нових форм мікроорганізмів та ін. , і цілком імовірно, що розвиток методів молекулярної біології, зокрема трансгеноза, дозволить підняти сучасну селекцію рослин на якісно новий рівень.

Хоча для генетичної інженерії існує маса труднощів, наприклад, у тому, що селекція нових сортів зачіпає властивості рослини, які контролюються не одним, а відразу багатьма генами. Наприклад, вчені хочуть сконструювати рослини, здатні себе «удобрювати».

Наполегливо пропагується думка передати зерновим культурам - основний їжі людства - групи генів nrf з бактерій, які вміють вловлювати атмосферний азот, і цим позбутися необхідності вносити у ґрунт азотні добрива. І це буде. Але коли – поки невідомо, бо переносити необхідно цілий комплекспринаймні з 17 генів. І якщо буде все вдало, змусити працювати всі ці гени (наприклад, у геномі пшениці), то, за оцінками фахівців, такі рослини зменшать урожайність на 20-30 відсотків сухої ваги через необхідність нести додаткові енерговитрати на фіксацію азоту.

Проблема виробництва та споживання генетично модифікованих рослинних продуктів стає дедалі гострішою. Прихильники широкого споживання таких виробів кажуть, що вони абсолютно безпечні для людського організму, а переваги їх величезні - великі врожаї, підвищена стійкість до змін погоди і шкідників, краща безпека. У той же час, у геномі рослин є далекі зв'язки між генами, і втручатися в роботу генної машини слід дуже обережно. Можна ненароком перекласти генні механізми рослини з одного режиму в інший, зовсім небажаний для людини.

Хоча й у традиційній селекції багато таких прикладів, не кажучи вже про те, скільки селекціонерів взагалі нічого не отримали. Відома, наприклад, історія з геном opaque 2. Цей ген захотіли використовувати в США (університет Пардью) для збагачення зерен кукурудзи амінокислотою лізином, що різко підвищило б поживну цінність кукурудзяного зерна.

Перенесення гена вдалося, радість була велика, але... врожайність у трансформованих сортів впала на 15 відсотків, а самі зерна стали крихкими і чутливими до збудників хвороб. Звичайно ж, дуже шкода, що і озброєна генно-інженерними методиками селекція не може миттєво вирішити всі проблеми, проте вона гарантує хоч і скромні, але міцні, безперервні та ефективні успіхи у сільському господарстві.

В числі пріоритетних напрямківВикористання рослинних ресурсів знаходиться і проблема введення в культуру нових видів та екотипів рослин. І хоча процеси природного та штучного відбору взаємопов'язані, останній має цілу низку особливостей. Відомо, наприклад, що у природній флорі показник індексу врожаю не відіграє провідної ролі при відборі. Тим часом у природних популяціях є генотипічна варіабельність за цією ознакою, значення якого для рослин, що культивуються, очевидно. Так, за даними Primack, при вивченні популяцій 15 однорічних та багаторічних видів Plantago у однорічних видів були відзначені більш високі показники «репродуктивного зусилля» (кількість коробочок і насіння, маса насіння в розрахунку на одиницю листової поверхні) порівняно з багаторічними. Причому у весняних однорічних видів вони виявилися більшими, ніж у літніх. Є підстави вважати, що багато з відібраних людиною видів та екотипів мали високі показники «репродуктивного зусилля», а рівень генотипної варіабельності за цією ознакою вплинув на ефективність цілеспрямованого відбору.
Найчастіше вкрай висока екологічна пластичність видів рослин поєднується зі своїми дуже низькою продуктивністю. Так, у багатьох диких видів стратегія пристосування до несприятливих умов довкілля базується на низькій швидкості ростових процесів. Невипадково, зазначає Stuart, навіть за надмірного споживання поживних речовин дикими видами рослин швидкість їх зростання залишається без змін. Серед величезної різноманітності видів рослин є й такі, на швидкість зростання яких ті чи інші чинники довкілля майже впливають. Прикладами можуть бути деякі види рослинності тундри, швидкість зростання яких залежить від температури; Plantago coronopus лише незначною мірою реагує на вміст елементів живлення у ґрунті; на швидкість зростання Carex limosa не впливає зміна концентрації К+ в 100-кратному діапазоні та ін. Очевидно, що людина віддавала перевагу тим видам рослин, які мали позитивну реакцію зростання на оптимізацію умов зовнішнього середовища (орність, висока родючість грунту, зрошення і т.д. д.). Провідну роль у своїй грали як особливості онтогенетичної адаптації диких видів, а й потенціал їх генотипічної мінливості.
Зазначений вище характер зв'язку між високою екологічною пластичністю рослин та їх низькою продуктивністю заслуговує на особливу увагу. Не виключено, що ця особливість пристосувальних можливостей рослин послужила основою постановки питання: «адаптація чи максимальний врожай?», правомірного, проте, лише онтогенетичної адаптації, оскільки реалізації потенціалу філогенетичної адаптації, тобто. Спектру генотипічної мінливості, зростання врожайності рослин немислиме. Більше того, зазначене протиставлення має сенс лише щодо загальної та широкої адаптації рослин, тоді як специфічна та вузька адаптації є неодмінною умовою зростання врожайності для більшості видів рослин, що культивуються.
Високий ступінь генетичної та морфофізіологічної інтеграції загальної екологічної стійкості кожного виду рослин у більшості випадків зводить нанівець спроби селекціонерів за рахунок гібридизації (в т.ч. міжвидової) досягти екологічної стійкості сортів, властивої іншим видам. Не менш складна і завдання поєднання в одному сорті (і навіть гібриді) високої потенційної продуктивності та екологічної стійкості. Сорти з високою потенційною продуктивністю та низькою екологічною стійкістю забезпечують високу врожайність лише у сприятливих умовах середовища, тоді як у стресових різко її знижують. Тому в селекційній практиці, особливо при використанні як донорів диких видів, першорядне значення мають методи індукованого рекомбіногенезу, зниження елімінуючої дії «селекційних сит» за рахунок гаметної та зиготної селекції, використання можливостей еколого-географічної селекційної та сортовипробувальної мережі. Важлива роль при цьому приділяється методам створення гібридів F1, змішаних, синтетичних та багатолінійних сортів.
В цілому, існують дуже різні точки зору щодо можливостей поєднання в одному генотипі високої потенційної продуктивності та екологічної стійкості. Так, на думку Adamer, підвищення цінності одних компонентів урожайності за рахунок селекції, зазвичай, знижує цінність інших. І все-таки проблеми селекційного поєднання потенційної продуктивності та екологічної стійкості навіть на міжвидовому рівні не слід перебільшувати, а тим більше абсолютизувати. Як відомо, можливість вирішення цього завдання було продемонстровано у роботах І.В. Мічуріна, Л. Бербанка, Н.В. Цицина та інших дослідників. Дані про незалежне розщеплення ознак, що зумовлюють потенційну продуктивність та екологічну стійкість рослин, відомі ще з 1930-х рр., нині підкріплені достатньою кількістю даних про певну фізіолого-біохімічну та генетичну незалежність основних компонентів потенціалу онтогенетичної адаптації рослин. Багато ознак, що характеризують стійкість рослин до водного стресу (потужна коренева система, восковий наліт, просторова орієнтація листя, їх опушеність тощо), як правило, не перебувають у негативних кореляціях з потенційною та біологічною продуктивністю або їх компонентами. Більш того, наприклад, велика розгалуженість кореневої системи, глибина її проникнення забезпечують не тільки високу (причому активну) стійкість рослин до посухи, але й можливість кращого використання ними елементів мінерального живлення, визначаючи таким чином більшу потенційну та біологічну продуктивність виду, що культивується. Типовим прикладом у цьому відношенні є люцерна.
Той факт, що потенційна продуктивність та екологічна стійкість контролюються різними комплексами генів, свідчить про реальну можливість поєднувати їх в одному сорті чи гібриді. Coyne наводить відомості про компоненти врожайності квасолі (кількість бобів на рослині, кількість насіння в одному бобі та середня маса насіння), що майже однаково впливають на загальну врожайність насіння і контролюються різними генетичними системами. Тому найбільш ефективним для цієї культури виявився не індивідуальний, а масовий відбір за показником урожайності в пізніших поколіннях, що розщеплюються.
Поєднання високої потенційної продуктивності та екологічної стійкості в одному сорті або гібриді F1 вимагає використання не лише особливих методів селекції (міжвидової гібридизації, індукування рекомбінацій тощо), а й вибору спеціальних фонів для оцінки продуктивної врожайності вихідних форм та перспективних ліній. Згідно з Johnson і Frey, Vela-Cardenas і Frey, Allen et al., екологічні та генетичні варіанти врожайності рослин вищі у сприятливих для їх вирощування умовах зовнішнього середовища. Причому, якщо в оптимальному середовищі успадкованість урожайності та її компонентів (і перевага відповідних відборів) висока, то у несприятливих умовах вона вкрай низька, а ефективність відбору різко зменшується. Тому відбір високу продуктивну врожайність, що забезпечується зокрема. і за рахунок більшої екологічної стійкості, краще проводити у сприятливому, ніж стресовому середовищі. У практичному плані це означає, що екологічну стійкість сортів та гібридів у відповідних стресових умовах доцільно оцінювати лише після того, коли вже доведено їхню високу потенційну врожайність у сприятливих умовах середовища.
Ефективним підходом у селекції, наприклад, на стійкість рослин до посухи є комбіноване використання оптимального та стресового за водозабезпеченістю середовища. Такий підхід ґрунтується на припущенні, що потенційна продуктивність та стійкість до посухи контролюються різними генетичними системами і, отже, можуть бути відібрані у процесі селекції незалежно одна від одної. У зв'язку з цим автор вважає за доцільне вести відбір на посухостійкість у відповідному стресовому середовищі, а селекцію на високу потенційну продуктивність - в умовах оптимальної водозабезпеченості. Прикладом незалежного успадкування стійкості до водного стресу може бути кутикулярний шар, велика товщина якого забезпечує кращу посухостійкість рослин і не пов'язана з негативною кореляцією з урожайністю або її компонентами. Чергуючи відбір в умовах водного стресу (для кращого прояву тієї чи іншої ознаки стійкості) та оптимальної водозабезпеченості (для максимального прояву потенційної врожайності або її компонентів), можна поєднувати високу потенційну продуктивність та стійкість в одному сорті. Аналогічну можливість підтверджують і раніше наведені нами відомості про те, що відмінності між видами та сортами щодо їх здатності до поглинання, накопичення та використання елементів мінерального харчування, а також едафічної стійкості детерміновані різними комплексами генів. Показано, наприклад, суттєві відмінності між сортами томату, квасолі, кукурудзи та інших культур щодо ефективності використання N, Р та К, створено високоврожайні сорти пшениці, сорго та рису, стійкі до кислих та низькопродуктивних ґрунтів.
Lu, Chiu, Tsai et al., Oka шляхом послідовного відбору на високу продуктивність у потомстві гібридів сої, що вирощуються за різних термінів сівби (дизруптивний сезонний відбір), отримали еврипотентні сорти, тобто. здатні забезпечити високу врожайність у широкому діапазоні змін умов довкілля. Тим самим було доведено взаємозв'язок пристосованості рослин до сезонної та регіональної варіабельності умов довкілля та ефективність методу дизруптивного сезонного відбору у підвищенні загальної адаптивності сортів сої. У зв'язку з тим, що соя порівняно з іншими культурами більш чутлива до зміни довжини дня та температури, при вирощуванні різних сортів у різних екологічних зонах та/або в різні роки необхідно враховувати значну взаємодію в системі «генотип - середовище», що маскує генотипічну варіабельність . З метою підвищення екологічної стійкості пшениці, Borlaug широко використовував можливості більшої екологічної диференціації матеріалу, що селектується, за рахунок різних термінів посіву і вирощування його на різній висоті над рівнем моря.
Finlay і Wilkinson виявили генотипи ячменю, що забезпечують високу стійкість у широкому діапазоні екологічних середовищ, та інтенсивні сорти рису, пристосовані до високих доз добрив та загущення, що зберігають стійкість до метеоумов, що варіюють, на рівні місцевих сортів. Було показано, що деякі високоврожайні сорти, відібрані в оптимальних умовах довкілля, зберігали перевагу і в менш сприятливих екологічних умовах, причому величина врожаю в різних середовищах та його стабільність виявляються переважно незалежними один від одного.
У перехреснозапильних кормових культур, на відміну від самозапильних пшениці та рису, Suzuki не вдалося виявити поєднання в одному сорті високої потенційної продуктивності та стійкості до екологічних стресорів, а високопродуктивні сорти кормових культур, як правило, виявляли сильну реакцію на зміну умов зовнішнього середовища. Вказану особливість автор пояснює тим, що адаптивність перехреснозапильних культур обумовлена ​​не лише пристосованістю окремих рослин (гомеостазом) індивідуального розвитку), а й гетерогенністю генетичного складу популяції (генетичним чи популяційним гомеостазом). Причому генетичний гомеостаз робить, мабуть, більш значний вплив на онтогенетичну адаптацію, що й сприяє кращій пристосованості перехреснозапильних рослин до природних середовищ, ніж самозапильних. У цьому плані, на наш погляд, особливої ​​уваги заслуговує можливість більш ефективного використання генетичного гомеостазу для підвищення потенційної продуктивності та екологічної стійкості у перехресно- та самозапильних культур шляхом створення змішаних видових та сортових посівів, а також синтетичних та багатолінійних сортів.
Особливо важливу роль у підвищенні потенційної продуктивності та екологічної стійкості культивованих рослин відіграють гібриди F,. Відзначено не лише високу їх потенційну продуктивність, а й більшу стійкість, а також вищий екологічний гомеостаз порівняно з батьківськими лініями. І хоча Griffing і Zsiros справедливо вважають, що екологічні стреси зазвичай зводять до мінімуму гетерозисні ефекти, нерідко і випадки більшої стійкості гібридів F, до стресових факторів середовища. Показано, наприклад, що гомеостаз індивідуального розвитку гібридів кукурудзи обумовлений їхньою гетерозиготністю, а значна частина гетерозисного ефекту гібридів кукурудзи, пшениці, ячменю, Phalaris tuberosa x P. arundinacea та інших культур пов'язана з їхньою підвищеною стійкістю до температурного стресу. Згідно з припущенням Langridge, остання зумовлена ​​більшою стабільністю гібридів білків F,. Нагадаємо, що у загальному комплексі екологічної стійкості вищих рослин толерантність до екстремальних температур є найдефіцитнішою властивістю. Крім стійкості до температурного фактора, гібриди F1 відрізняються вищою загальною адаптивністю. За даними Quinby, «сильні» гібриди сорго, пристосовані до умов різних широт та різної висоті над рівнем моря, виявляють у той же час специфічну адаптацію, у т.ч. за термінами дозрівання.
Таким чином, в основі переваг гібридів F1 лежить позитивний гетерозисний ефект не окремих компонентів, а всієї системи онтогенетичної адаптації. В результаті фенотипова мінливість у гетерозиготів, як правило, менш виражена, ніж у інбредних ліній. Останні більш схильні до змін під дією зовнішніх умов, фізіологічно менш здатні компенсувати вплив несприятливих факторів навколишнього середовища, тоді як гетерозиготи у зазначеній ситуації мають більш широкий спектр захисно-компенсаторних реакцій, більшу морфогенетичну пластичність і ефективніший гомеостаз розвитку.
Зауважимо, що широке використання гібридів F1 обумовлено не тільки явищем «істинного гетерозису», але й можливістю швидкого комбінування найбільш важливих господарсько цінних ознак, включаючи й ті з них, між якими існують негативні генотипічні та екологічні кореляції та поєднувати які за сортової селекції зазвичай не вдається . При цьому важливо поєднати високу потенційну продуктивність та екологічну стійкість. Крім того, шляхом створення гібридів F1 можна подолати труднощі, пов'язані з використанням цінних домінантних генів, зчеплених з несприятливими рецесивними генами (наприклад, Тm-2 і nv у томату), та в короткі терміни забезпечити поєднання цінних домінантних генів, у т.ч. . що контролюють стійкість до нових рас патогенів.
Важливу роль визначенні потенційної продуктивності та екологічної стійкості грає гетерогенність посівів. Дані літератури з цього питання дуже суперечливі. Так, у дослідах Schnell та Becker гетерогенність посівів кукурудзи мала такий самий вплив на стійкість урожайності, як і гетерозиготність, хоча поєднання їх забезпечувало лише незначну перевагу порівняно з ефектом гетерозиготності. Однак, поряд з відзначається багатьма дослідниками перевагою суміші генотипів, у т.ч. гетерозиготних, над гомогенними посівами, у низці робіт подібні переваги не зафіксовано.
Враховуючи практичні труднощі селекційної зміни ідіотипу рослин, показники еволюційно обумовленої екологічної стійкості видів, що культивуються, повинні розглядатися як основний фактор при визначенні видової структури рослинництва в несприятливих ґрунтово-кліматичних зонах та пріоритетів культур у селекційній роботі. В зв'язку з цим особливу увагуслід приділяти підвищенню продуктивної врожайності таких видів рослин, як сорго, просо, ріпак, жито та ін., які мають високу конститутивну стійкість до нестачі вологи та/або тепла, що найбільше лімітують величину та якість урожаю в багатьох регіонах нашої країни. Даний підхід не тільки реальний, а й поки що найефективніший у вирішенні задачі підвищення стійкості інтенсивних агроценозів до погодних флуктуацій (посух, суховіїв, заморозків, морозів, короткого вегетаційного періоду тощо).
У підвищенні потенційної продуктивності та екологічної стійкості сортів та агроценозів важливу роль відіграє як загальна, так і специфічна пристосованість, що характеризує їх здатність ефективно використовувати сприятливі умови довкілля та/або протистояти дії абіотичних та біотичних стресорів. Причому, як зазначалося, загальна потенційна продуктивність і екологічна стійкість що неспроможні бути зведені до сумі відповідних специфічних пристосованостей, а є інтегративними властивостями рослини і агроценоза загалом. Крім того, загальна стійкість може бути ослаблена або, навпаки, посилена за рахунок тієї чи іншої специфічної стійкості, а між різними типами останньої можуть бути як позитивні, так і негативні кореляції.
Підтвердженням цим положенням можуть служити дані Briggle і Vogel про високоврожайні, широко адаптовані сорти карликової пшениці північно-західного узбережжя Тихого океану, які виявилися непридатними для вирощування в посушливих умовах Великих Рівнин, а також відомості Quisenberry і Roark про сорти бавовнику вологого середовища, але не виявляють цю здатність в умовах водного стресу. Відбирати лінії широку адаптацію, тобто. Пристосованість до широкого ряду екологічних середовищ, вважає Reitz, це означає вести селекцію на посередню і навіть низьку врожайність. Згідно з Matsuo, сорти з високою потенційною продуктивністю, що забезпечують високу врожайність у сприятливих умовах середовища, сильніше реагують на їх зміни, різко знижуючи врожайність у несприятливих умовах. За даними Hurd, у сортів, що відрізняються добре розвиненою кореневою системою у сприятливих умовах середовища, в умовах водного стресу потужність її суттєво зменшується. Генотипи ячменю, що характеризуються широкою адаптацією, зазвичай забезпечують проміжну врожайність, тоді як генотипи, адаптовані до специфічного середовища, характеризуються найвищим значенням продуктивності. В цілому, найбільша продуктивна врожайність сорту або гібриду F1 може бути досягнута за умови специфічної пристосованості їх до умов зростання. У випадках, коли відбір спрямований на максимізацію однієї конкретної ознаки і закінчується після низки поколінь, популяції дається можливість досягти своєї власної генетичної рівноваги, інтенсивно відбирається ознака дуже часто втрачає частину, і нерідко більшу, фенотипного успіху (покращення), досягнутого за попередній період інтенсивного відбору.
У процесі природного та штучного відборів, які йдуть по всьому фенотипу рослини, а не за окремими ознаками, неминуча пов'язана їх мінливість. Це становище найбільше й у першу чергу реалізується таких зазвичай складних і інтегрованих за своєю генетичної і фізіолого-біохімічної природі компонентів врожайності, як потенційна продуктивність і екологічна стійкість. Саме тому проблема співвідношення потенційної продуктивності та екологічної стійкості сортів набуває все більшого теоретичного та практичного значення.

Завдання:

1. Ознайомитись із поняттям агроценоз.
2. Розкрити екологічні особливості агроценозів;
3. Шляхи підвищення їхньої продуктивності;
4. Екологічні способи підвищення їх стійкості та біологічної різноманітності;
5. Виховувати правильне, дбайливе ставлення до природи.

Обладнання:схема-опора; інструктивні картки, картинки різних агроценозів, відеофільм «Поспішайте врятувати планету» підручник «Основи екології» Чернова Н.М.

Хід уроку

I. Повторення пройденого:

II. Перехід до теми:

Внаслідок діяльності людини виникли штучні біогеоценози.

Росія – країна з розвиненим сільським господарством. Сільськогосподарські землі (рілля, сіножаті, пасовища, сади) займають понад 40% її території, все це агроценози.

Агроценози - це біоценози, що виникли на землях сільськогосподарського користування. Наведіть приклади агроценозів.

III. Повідомлення теми:

Сьогодні на уроці ми дізнаємося (звертаюся до плану, записаного на дошці).

На дошці:

План.

1. Основні екологічні ознаки агроценозу.
2. Шляхи підвищення продуктивності агроценозу.

IV. Вивчення нового:

Самостійна робота у групах.

Я пропоную вам з'ясувати основні екологічні ознаки агроценозу.

Працюємо у групах.

Для відповіді використовуєте текст §18 стор. 117 та інструктивну картку. Кожній групі пропонується ілюстрація.(1 гр.-картопляне поле; 2гр.-яблуневий сад;

Питання інструктивної картки:

1. Який агроценоз зображено?
2. Назвіть види, що входять до агроценозу?
3. Складіть 2 схеми ланцюгів живлення (не забуваючи, що обов'язковою ланкою може бути людина).
4. Зробіть висновок про стійкість агроценозу.

V. Висновок:

На основі сказаного зробимо висновок.

Вивішую на дошку схему-опору:

Агроценози виникли в результаті господарської діяльностілюдини.

1. Вони мають у своєму складі небагато видів.
2. Відрізняються короткими ланцюгами живлення.
3. Це нестійкі системи, тобто. к. складаються з невеликої кількості видів. Нестійкість агроценозу викликана тим, що захисні механізми культурних рослин слабші, ніж дикорослих видів.

VI. Шляхи підвищення продуктивності агроценозу.

Людина прагне підвищити стійкість агроценоза, підвищити продуктивність тобто. зібрати більший урожай продукції.

Подумайте за рахунок чого це досягається? Що робить людина, щоб підвищити врожай?

(Відповіді учнів).

Отже, людина витрачає додаткову енергію: застосовує добрива, обробляє грунт, виробляє полив, бореться з шкідниками, проводить чергування культур, тобто. сівозміни застосовує. Сьогодні на уроці ми познайомимося з окремими агроприйомами підвищення продуктивності агроценозу. Кожна група одержала домашнє завдання. Пропонувалося з'ясувати (завдання груп):

1. Пестициди. Плюси та мінуси застосування пестицидів. Біологічний метод боротьби.
2. До чого призводить застосування мінеральних добрив? Чи є вихід?
3. монокультури. Сівообіги.

Кожна група звітує про виконану роботу. За кожним повідомленням робиться висновок.

VII. Висновки:

1) Одне з самих сучасних напрямківу сільському господарстві.: збереження видового розмаїття. Людина повинна прагнути зберегти різноманітністьгрунтових організмів, відповідальних за почвообразовательные процеси, підтримувати кругообіг речовин, з допомогою правильних сівозмін, внесення у ґрунт органічних добрив.

Питання: Які агрометоди антиекологічні, тобто. шкідливі?

2) Багато сучасні способипромислового сільськогосподарського виробництва антиекологічні, тобто шкідливі.

Це: а) монокультури.

б) Застосування пестицидів.

в) Великі дози мінеральних добрив.

Цей список можна продовжити: перевипас худоби, неправильне розорювання полів, застосування важкої техніки.

Чому вони шкідливі? В даний час людина все більше усвідомлює шкоду цих методів і відмовляється від них, переходячи до екологічно чистих агроприйомів, прийомів підвищення родючості.

VIII. Я пропоную подивитися фільм та відповісти на запитання: якими екологічними агрометодами досягається підвищення продуктивності агроценозів?

Показ фільму. "Поспішайте врятувати планету".

Робота у зошитах. Наповнення таблиці.

IX. Підсумок уроку.

Запитання до учнів:

1. Що виходить у результаті використання цих екологічних чи органічних методів.
2. Який результат?

(Результат цих методів: чиста продукція, немає хімічних домішок. Чиста земля, зберігаються природні ресурси, стабільний урожай протягом кількох років.)

Висновок:

Раціональне природокористування у сільському господарстві передбачає:

• отримання високого врожаю із збереженням родючості ґрунтів;
• виробництво екологічно чистої продукції;
• відсутність забруднення ґрунту, води, атмосфери, тварин, рослин;

Нехай девізом у житті людини стане: «Робота з природою і на природу – перепустка в майбутнє».

«Якщо судилося дихати нам повітрям одним
Давайте ж ми всі навіки об'єднаємось,
Давайте наші душі збережемо,
Тоді ми на Землі самі збережемося».
(М.Старшинов)

X. Домашнє завдання:Запитання – дискусії.

Угода про використання матеріалів сайту

Просимо використовувати роботи, опубліковані на сайті, виключно в особистих цілях. Публікацію матеріалів на інших сайтах заборонено.
Ця робота (і всі інші) доступна для завантаження абсолютно безкоштовно. Подумки можете подякувати її автору та колективу сайту.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Подібні документи

Поняття агроекосистеми, оптимізація структури агроекосистем, джерела хімічного забруднення агроекосистем, екологічний дисбаланс функціональних зв'язків у агроекосистемах. Оцінка стану агроекосистем Росії щодо забруднюючих речовин.

курсова робота , доданий 13.11.2003


Подібності та відмінності природних екосистем та агроекосистем. Структура агробіоценозу та культурні рослини як головний компонент в агрофітоценозі. Небезпека втрати біорізноманіття на рівні біосфери та необхідність інтегрованого підходу до агроекосистеми.

дипломна робота , доданий 01.09.2010


Проведення екологічного моніторингу агроекосистем Гатчинського району Ленінградської області Оцінка спрямованості та інтенсивності процесів деградації ґрунтів та розробка заходів для зниження антропогенного впливу на агроекосистеми району.

курсова робота , доданий 29.12.2014


Порівняння природної та антропогенної екосистем за Міллером. Головна ціль агроекосистем, їх основні відмінності від природних. Поняття та процеси урбанізації. Функціональні зони урбаністичної системи. Середовище урбосистем та проблеми утилізації природних ресурсів.

реферат, доданий 25.01.2010


Поняття, структура та види екосистем. Підтримка життєдіяльності організмів та кругообіг речовини в екосистемах. Особливості циркуляції сонячної енергії. біосфера як глобальна екосистема; взаємодія живого та неживого, біогенна міграція атомів.

курсова робота , доданий 10.07.2015


Вологість та адаптація до неї організмів. Типи взаємин організмів у біоценозах. Передача енергії у екосистемах. Харчова спеціалізація та енергетичний баланс консументів. Антропогенний вплив на літосферу. Процеси водної та вітрової ерозії.

реферат, доданий 21.02.2012


Кругообіг хімічних речовин із неорганічного середовища. Сутність великого (геологічного) круговороту. Опис циркуляції речовин у біосфері на прикладі вуглецю, азоту, кисню, фосфору та води. Антропогенні на навколишнє природне середовище.