Как селекция меняет привычные нам продукты. Объясняем на примерах с бананами и овцами.

Человек веками выбирал среди растений и животных наиболее полезные качества и культивировал их. Так, например, появились зерновые, которые дают больший урожай, и фрукты с более изысканным вкусом.

Разобрались, как селекция развивалась со временем и почему не может остановиться.

Как человек придумал селекцию — объясняем на собаках и крупах

Человек начал влиять на генетику живых существ ещё 15–17 тысяч лет назад. Будучи собирателями и охотниками, наши предки приручали волков, а затем разводили наиболее послушных особей.

Процесс отбора особей с полезными для человека признаками и их последующее размножение называется селективным скрещиванием.

На превращение волков в собак влиял не только человек, но и естественный отбор. Под опекой людей будущим собакам приходилось сталкиваться с непривычной для себя растительной пищей. Поэтому в ходе естественного отбора четвероногие стали лучше усваивать крахмал.

Те же предки собак, вместе с людьми поселившиеся в Тибете, со временем научились легко переносить низкие концентрации кислорода в высокогорных местностях. Но не сами по себе, а благодаря мутациям в ряде генов, которые отвечают за структуру гемоглобина и упругость кровеносных сосудов. А собаки, которые жили на африканском континенте около 14 тысяч лет назад, стали устойчивыми к малярии.

Если приручение собак и скота произошло по инициативе человека, то некоторые другие животные «одомашнились» сами. Первыми к поселениям людей стали приходить крысы, мыши и воробьи, чтобы поживиться зерном и остатками пищи. А затем туда устремились дикие кошки — чтобы охотиться уже на грызунов и воробьёв.

Как ни странно, одомашнивать растения человек начал уже после того, как приручил, например, волка. Около 13 тысяч лет назад люди стали сажать возле поселений пшеницу, ячмень и чечевицу. Если отдельное растение успешно приживалось, новые ростки уже можно было пересаживать, ведь эта устойчивость была обусловлена генетически.

Затем человек научился отбирать наиболее урожайные культуры, и примерно 10,5 тысячи лет назад появились первые, уже более простые для культивации, одомашненные сорта. При этом о том, как именно работает селекция, человек продолжал не догадываться вплоть до 19-го века.

Селекция повсюду

История про бананы и ароматизатор

Некоторые учёные считают, что до того, как на каноэ путешественников попасть на Шри-Ланку, бананы произрастали лишь в Папуа — Новой Гвинее. Затем путешественники сменили лодки на полноценные корабли, и бананы доплыли до Южной Азии и Африки.

Веками люди, не сговариваясь, предпочитали бананы с более тонкой кожурой и с небольшими семенами. Таким образом были получены современные, привычные нам сорта. В некоторых регионах не только едят бананы, но и делают из них лекарства, тарелки, ткани и украшения.

Интересный факт: нам знаком запах искусственного ароматизатора со вкусом банана — многим кажется, что он совсем не похож на настоящий. Этому есть объяснение: синтетический ароматизатор — отсылка к сорту «Гро-Мишель», который с середины 20-го века перестал употребляться в пищу. В 1950-х урожаи поразил грибок, в народе — «панамская болезнь». Чтобы удовлетворить спрос, производители вывели новый сорт бананов — «Кавендиш», устойчивый к панамской болезни, но уже с совсем другим вкусом.

Миллион внуков капусты

Дикая капуста произрастала ещё в садах Древней Греции и Рима, но современный вид приобрела лишь к 17-му веку: просто люди инстинктивно выбирали капусту с большими листьями.

Цветная и брюссельская капуста, классическая брокколи и её китайская разновидность кай-лан — в каждом случае селекционеры культивировали определённый признак растения (длинный стебель, почки, цветки). И этот процесс не останавливается: в 1993 году японская компания представила миру брокколини — гибрид брокколи и кай-лана, который также называют аспаброком за схожесть со спаржей.

Густая овечья шерсть

Сложно представить, что муфлоны — одни из ближайших родственников домашней овцы, хотя они совсем не похожи. Одомашнивание овцы началось ещё в Бронзовом веке — человек отбирал для разведения особей с более густой шерстью и подшёрстком.

Теперь домашняя овца может носить на себе более 35 кг шерсти — без регулярных стрижек животным трудно выжить самостоятельно.

Универсальные голуби

История селекции голубей меняла курс много раз:

• Голуби-пища: древние люди разводили самых упитанных птиц, чтобы есть.

• Голуби-почтальоны: древние греки выращивали выносливых и способных к навигации (хомингу — возвращению домой) птиц, чтобы извещать население, например, об итогах Олимпийских игр.

• Голуби-питомцы: выводить голубей в качестве декоративных птиц стали, обращая внимание на самые разные признаки — увеличенный зоб (голубь дутыш, английский поутер), пышный хвост (павлинохвостый голубь), миниатюрный клюв (короткоклювый голубь).

  

  В 19-м веке в Европе разведение голубей для красоты было в моде. Этим увлекался даже Чарльз Дарвин (его питомцами были и английские почтовые голуби, как на фото выше). Опираясь на развитие новых пород из обычного сизого голубя, он описал механизм естественного отбора. В естественных условиях в роли селекционера выступает сама природа: она закрепляет в растениях и животных признаки, помогающие им лучше адаптироваться к окружающей среде.

  

Первым объяснить селекцию научно смог Грегор Мендель

Нам он известен как автор законов наследственности, на которых основаны задачки по биологии вроде «Какой цвет глаз будет у детей, если у папы и мамы глаза карие?». Но был он не исследователем, а монахом (учителем физики и биологии по совместительству), а в свободное время ухаживал за животными и садовыми растениями.

Его многолетние наблюдения за обычным садовым горохом (Pisum sativum) вылились в прорывное открытие, давшее начало генетике как науке.

Это открытие — принцип, по которому наследуются признаки при скрещивании. Мендель выделил семь признаков гороха (цвет горошин, текстура кожицы, форма цветов и т. д.), скрестил пары растений с контрастными проявлениями этих признаков и затем сделал несколько наблюдений:

• Если скрестить растения с фиолетовыми и белыми цветами, цветки гибрида всегда будут фиолетовыми. Этот цвет доминирует над белым.

• Но у гибридов второго поколения цветки могли быть и белыми: проявлялся подавляемый окрас «растения-бабушки». Эти наблюдения были справедливы и для других признаков растения.

Про ДНК или гены Мендель тогда не знал. Единицы наследственной информации о признаках он называл абстрактным словом Anlagen — «задатки».

В 1865 году Грегор Мендель выступил с докладом о своих наблюдениях перед Обществом естествоиспытателей города Брюнна, а в следующем году опубликовал свои открытия. Однако его труды были либо не поняты, либо проигнорированы. К ним вернулись лишь 35 лет спустя — в 1900 году.

Когда в этой истории появились гены?

В 1869 году Иоганн Фридрих Мишер выделил новое для науки того времени соединение из ядра клетки лейкоцита человека — ДНК. Учёный предполагал, что оно играет какую-то роль в передаче наследственной информации следующему поколению организмов, но в то время наука не была способна расшифровать эти данные.

В 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен предложил термин «ген» для обозначения таинственной единицы наследственной информации — но тогда учёные всё ещё не знали, что эта единица из себя представляет.

В начале века наука уже умела изолировать отдельные хромосомы — сложные комплексы, состоящие из ДНК и белков. Американский учёный Томас Хант Морган считал, что гены находятся именно в них. Он начал эксперименты в 1910-е. Учёный скрещивал между собой фруктовых мух (Drosophila melanogaster) с чётко различающимися признаками и наблюдал за тем, как они проявляются у последующих поколений.

Вот что он обнаружил. Красный цвет глаз у мух является доминантным признаком, а белый — рецессивным. Белые глаза чаще были у самцов с половыми хромосомами в виде X и более короткой Y. Очень редко такой цвет глаз был у самок с двумя X-хромосомами. Получается, что ген, отвечающий за белый цвет мушиных глаз, заключён в X-хромосоме и отсутствует в Y-хромосоме.

Однако доказать, что ДНК в составе хромосомы действительно является носителем наследственной информации, получилось только в 1944 году — у исследователей Эвери, Маклеода и Маккарти.

Селекция, хромосомы, ДНК — отлично. При чём тут фермеры?

Последующие открытия структуры ДНК и технологии секвенирования, о которых мы уже рассказывали, позволили расшифровывать геномы разных организмов — в том числе любимых фруктов, злаков, домашнего скота и питомцев.

На основе этих расшифровок создаются генетические базы данных пород домашнего скота и сельскохозяйственных культур.

Имея расшифровку генома, селекционеры могут проанализировать последовательности интересующих генов — например, устойчивости к определённым заболеваниям.

Теперь, чтобы узнать, устойчиво ли дерево к заболеванию, не обязательно подвергать его инфекции; а чтобы узнать, будет ли оно давать крупные плоды, можно не ждать урожая. А услугу геномной селекции можно заказать, например, через ресурс о селекции на платформе «Своё Фермерство». Специалисты смогут выявить носителей 26 генетических заболеваний или хозяйственно-полезные характеристики (скажем, наличие каппа-казеина в молоке коров).

Грамотная селекция экономит фермерам время, но процесс этот всё равно небыстрый. Пока на то, чтобы вывести новый сорт яблок, нужно 15–20 лет.

Селекция — это генная модификация?

Это два разных механизма, которые дополняют друг друга.

Генная инженерия — группа методов с одной задачей: манипуляциями над генетическим материалом. От провокации точечных мутаций до удаления или встраивания целых генов.

Генная инженерия позволяет встраивать в геном организма чужеродные гены, что в ходе классической селекции осуществить проблематично. Например, доставить ген крысы в бактерию, чтобы она производила «крысиный» инсулин.

Однако научное сообщество до сих пор оценивает возможные риски ГМО для здоровья человека. Дело в том, что некоторые техники редактирования генома протекают с побочными реакциями — появляются нежелательные мутации. Например, учёные хотели отредактировать в клетках эмбриона человека мутацию, которая приводит к наследственной слепоте. Но при попытке редактирования оказалось, что в половине случаев сама хромосома или её фрагмент утрачиваются.

Поэтому в России, как и в ряде других стран (например, в Германии, Франции и Саудовской Аравии), выращивать и разводить генно-модифицированные организмы запрещено. В России исключения делают для ГМО в научных целях и импортных ГМО-растений (например, сои) для фермерских промышленных кормов.

Одобренных по всему миру ГМО-культур не так уж много. Среди них устойчивая к насекомым-вредителям кукуруза или слива с иммунитетом к вирусам.

А почему нельзя обойтись исключительно селекцией?

При селекции наследуются не только желаемые признаки. Например, когда учёные выводят мышей для экспериментов, они часто используют селективное близкородственное скрещивание. Мыши BALB/c nude выводились с помощью более 20 циклов близкородственного скрещивания так, чтобы у них пропал тимус (железа, которая отвечает за выработку Т-лимфоцитов, поддерживающих иммунитет). Скрещивание сделало таких мышей хорошей моделью для изучения иммунодефицита.

Но из-за этого же скрещивания у зверьков пропала шерсть и появился альбинизм — помимо отсутствия тимуса (желаемый признак), BALB/c-nude-мыши унаследовали от родственников и признаки, влияющие на их внешний вид.

Вот ещё пример. У многих пород собак есть наследственные генетические заболевания, которые появились из-за близкородственных скрещиваний — ведь иначе сохранить «породу» не получилось бы. Так, среди немецких овчарок чаще, чем среди собак других пород, диагностируется дегенеративная миелопатия — тяжёлое заболевание спинного мозга, которое проявляется в слабости животного и приводит к параличу.

А ещё селекция поднимает вопрос об этике. Признаки, которые людям хочется сохранить в растениях или животных, могут им вредить. Собаки с короткими лапами (бассет-хаунды или таксы) склонны к вывихам коленной чашечки, а складки кожи шарпеев делают их уязвимыми для бактериальных инфекций.

Поэтому селекция — не идеальный инструмент. И может дополняться другими, более современными методами.

Что будет дальше?

Население Земли продолжает расти, и вместе с ним растёт спрос на продовольствие.

С помощью генной инженерии в 2000 году вывели «золотой рис» с повышенным уровнем бета-каротина (из которого организм синтезирует витамин А). Предполагается, что более питательный «золотой рис» может восполнить дефицит витамина А среди бедной части населения планеты.

Хотя его выращивание на фермах Филиппин было одобрено в 2019 году, в продажу сорт всё ещё не запущен: он проходит тестирования.