Генетическое загрязнение — это термин, обозначающий неконтролируемый [1] [2] поток генов в дикие популяции. Он определяется как «распространение загрязненных измененных генов из генетически модифицированных организмов в естественные организмы, особенно путем перекрестного опыления», [3], но стал использоваться в более широких значениях. Он связан с концепцией потока генов в популяционной генетике и генетическим спасением , которое представляет собой генетический материал, намеренно введенный для повышения приспособленности популяции. [4] Он называется генетическим загрязнением, когда он отрицательно влияет на приспособленность популяции, например, через депрессию аутбридинга и введение нежелательных фенотипов, которые могут привести к вымиранию.
Биологи и специалисты по охране природы использовали этот термин для описания потока генов от домашних, одичавших и неместных видов к диким местным видам , которые они считают нежелательными. Они способствуют повышению осведомленности о влиянии интродуцированных инвазивных видов , которые могут « скрещиваться с местными видами, вызывая генетическое загрязнение ». В областях сельского хозяйства , агролесоводства и животноводства генетическое загрязнение используется для описания потоков генов между генетически модифицированными видами и дикими родственниками. Использование слова «загрязнение» призвано передать идею о том, что смешивание генетической информации плохо для окружающей среды, но поскольку смешивание генетической информации может привести к различным результатам, «загрязнение» не всегда может быть наиболее точным описанием.
Некоторые биологи и защитники природы в течение многих лет использовали термин «генетическое загрязнение» для описания потока генов от неместного , инвазивного подвида , домашней или генетически модифицированной популяции к дикой коренной популяции. [1] [5] [6]
Введение генетического материала в генофонд популяции путем вмешательства человека может иметь как положительные, так и отрицательные последствия для популяции. Когда генетический материал намеренно вводится для повышения приспособленности популяции, это называется генетическим спасением . Когда генетический материал непреднамеренно вводится в популяцию, это называется генетическим загрязнением и может отрицательно повлиять на приспособленность популяции (в первую очередь через депрессию аутбридинга ), ввести другие нежелательные фенотипы или теоретически привести к вымиранию.
Интродуцированный вид — это вид, который не является местным для данной популяции, который либо намеренно, либо случайно занесен в данную экосистему. Эффекты интродукции сильно различаются, но если интродуцированный вид оказывает серьезное негативное воздействие на новую среду, его можно считать инвазивным видом. Одним из таких примеров является интродукция азиатского усача в Северную Америку, который был впервые обнаружен в 1996 году в Бруклине, Нью-Йорк. Считается, что эти жуки были занесены с грузом в торговых портах. Жуки наносят большой вред окружающей среде и, по оценкам, представляют опасность для 35% городских деревьев, за исключением естественных лесов. [7] Эти жуки наносят серьезный ущерб древесине деревьев личинками, проникающими в них. Их присутствие в экосистеме дестабилизирует структуру сообщества, оказывая негативное влияние на многие виды в системе.
Однако интродуцированные виды не всегда наносят ущерб окружающей среде. Томас Карло и Джейсон Гледич из Университета штата Пенсильвания обнаружили, что количество «инвазивных» растений жимолости в этом районе коррелирует с количеством и разнообразием птиц в регионе Хэппи-Вэлли в Пенсильвании, что позволяет предположить, что интродуцированные растения жимолости и птицы сформировали взаимовыгодные отношения. [8] Присутствие интродуцированной жимолости было связано с более высоким разнообразием популяций птиц в этом районе, что демонстрирует, что интродуцированные виды не всегда наносят вред данной среде и полностью зависят от контекста.
Биологи и специалисты по охране природы в течение ряда лет использовали этот термин для описания потока генов от домашних, одичавших и неместных видов к диким местным видам , которые они считают нежелательными. [1] [5] [6] Например, TRAFFIC — это международная сеть мониторинга торговли дикими животными, которая работает над ограничением торговли дикими растениями и животными, чтобы она не представляла угрозы целям охраны природы. Они способствуют повышению осведомленности о последствиях внедрения инвазивных видов, которые могут « скрещиваться с местными видами, вызывая генетическое загрязнение ». [9] Кроме того, Объединенный комитет по охране природы , статутный советник правительства Великобритании , заявил, что инвазивные виды «изменят генетический пул (процесс, называемый генетическим загрязнением ), что является необратимым изменением». [10]
Инвазивные виды могут вторгаться как в крупные, так и в мелкие местные популяции и оказывать глубокое воздействие. После вторжения инвазивные виды скрещиваются с местными видами, образуя стерильные или более эволюционно приспособленные гибриды, которые могут превзойти местные популяции. Инвазивные виды могут вызывать вымирание небольших популяций на островах, которые особенно уязвимы из-за их меньшего количества генетического разнообразия. В этих популяциях локальная адаптация может быть нарушена введением новых генов, которые могут быть не такими подходящими для среды обитания небольших островов. Например, Cercocarpus traskiae острова Каталина у побережья Калифорнии столкнулся с почти полным вымиранием, и осталась только одна популяция из-за гибридизации его потомства с Cercocarpus betuloides . [11]
Увеличение контактов между дикими и одомашненными популяциями организмов может привести к репродуктивным взаимодействиям, которые пагубно сказываются на способности дикой популяции выживать. Дикая популяция — это популяция, которая живет в естественных зонах и не находится под регулярным присмотром людей. Это контрастирует с одомашненными популяциями, которые живут в контролируемых человеком зонах и регулярно и исторически контактируют с людьми. Гены из одомашненных популяций добавляются в дикие популяции в результате воспроизводства. Во многих популяциях сельскохозяйственных культур это может быть результатом перемещения пыльцы с сельскохозяйственных культур на соседние дикие растения того же вида. Для сельскохозяйственных животных это воспроизводство может происходить в результате сбежавших или выпущенных животных.
Популярным примером этого явления является поток генов между волками и одомашненными собаками. The New York Times цитирует слова биолога Луиджи Бойтани: «Хотя волки и собаки всегда жили в тесном контакте в Италии и, предположительно, спаривались в прошлом, новым тревожным элементом, по мнению доктора Бойтани, является растущее неравенство в численности, что предполагает, что скрещивание станет довольно распространенным явлением. В результате «генетическое загрязнение генофонда волка может достичь необратимых уровней», предупредил он. «С помощью гибридизации собаки могут легко поглотить волчьи гены и уничтожить волка как такового», сказал он. Волк может выжить как более похожее на собаку животное, лучше приспособленное к жизни рядом с людьми, сказал он, но это будет не «то, что мы сегодня называем волком»» [1] .
Аквакультура — это практика разведения водных животных или растений с целью потребления. Эта практика становится все более распространенной для производства лосося . Это конкретно называется аквакультурой лососевых . Одной из опасностей этой практики является возможность того, что одомашненный лосось вырвется из своей клетки. Возникновение инцидентов побега становится все более распространенным по мере того, как аквакультура набирает популярность. [12] [13] [14] Фермерские сооружения могут быть неэффективны для удержания огромного количества быстрорастущих животных, которых они содержат. [15] Стихийные бедствия, высокие приливы и другие экологические явления также могут спровоцировать побег водных животных. [16] [17] Причина, по которой эти побеги считаются опасными, заключается в том влиянии, которое они оказывают на дикую популяцию, с которой они размножаются после побега. Во многих случаях дикая популяция испытывает снижение вероятности выживания после размножения с одомашненными популяциями лосося. [18] [19]
Департамент рыбных ресурсов и дикой природы штата Вашингтон отмечает, что «широко выражаемые опасения по поводу сбежавшего атлантического лосося включают конкуренцию с местным лососем, хищничество, перенос болезней, гибридизацию и колонизацию». [20] Отчет, подготовленный этой организацией в 1999 году, не выявил, что сбежавший лосось представляет значительный риск для диких популяций. [21]
Культуры относятся к группам растений, выращиваемых для потребления. Несмотря на одомашнивание в течение многих лет, эти растения не настолько далеки от своих диких сородичей, чтобы они не могли размножаться, если их свести вместе. Многие культуры по-прежнему выращиваются в тех областях, где они возникли, и поток генов между культурами и дикими сородичами влияет на эволюцию диких популяций. [22] Фермеры могут избежать размножения между различными популяциями, выбирая время посадки культур так, чтобы культуры не цвели, когда цвели бы дикие сородичи. Одомашненные культуры были изменены посредством искусственного отбора и генной инженерии. Генетический состав многих культур отличается от генетического состава их диких сородичей, [23] но чем ближе они растут друг к другу, тем больше вероятность того, что они будут делиться генами через пыльцу. Поток генов сохраняется между культурами и дикими аналогами.
Генетически модифицированные организмы генетически модифицированы в лаборатории и, следовательно, отличаются от тех, которые были выведены путем искусственного отбора. В областях сельского хозяйства , агролесоводства и животноводства генетическое загрязнение используется для описания потоков генов между генно-модифицированными видами и их дикими сородичами. [24] Раннее использование термина « генетическое загрязнение» в этом более позднем смысле появляется в широком обзоре потенциальных экологических последствий генной инженерии в журнале The Ecologist в июле 1989 года. Он также был популяризирован экологом Джереми Рифкиным в его книге 1998 года «Век биотехнологий» . [25] В то время как преднамеренное скрещивание между двумя генетически различными разновидностями описывается как гибридизация с последующей интрогрессией генов, Рифкин, который играл ведущую роль в этических дебатах более десятилетия назад, использовал генетическое загрязнение для описания того, что он считал проблемами, которые могут возникнуть из-за непреднамеренного процесса (современно) генетически модифицированных организмов (ГМО), рассеивающих свои гены в естественной среде путем скрещивания с дикими растениями или животными. [24] [26] [27]
Опасения по поводу негативных последствий потока генов между генетически модифицированными организмами и дикими популяциями обоснованы. Большинство кукурузных и соевых культур, выращиваемых на Среднем Западе США, генетически модифицированы. Существуют сорта кукурузы и сои, устойчивые к гербицидам, таким как глифосат [28], и кукуруза, которая производит неоникотиноидный пестицид во всех своих тканях. [29] Эти генетические модификации предназначены для повышения урожайности культур, но мало доказательств того, что урожайность действительно увеличивается. [29] Хотя ученые обеспокоены тем, что генетически модифицированные организмы могут оказывать негативное воздействие на окружающие растительные и животные сообщества, риск потока генов между генетически модифицированными организмами и дикими популяциями является еще одной проблемой. Многие выращиваемые культуры могут быть устойчивы к сорнякам и размножаться с дикими сородичами. [30] Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, насколько велик поток генов между генетически модифицированными культурами и дикими популяциями, а также последствия генетического смешивания.
Мутации внутри организмов могут быть выполнены посредством процесса воздействия на организм химических веществ или радиации с целью генерации мутаций. Это было сделано в растениях для создания мутантов, которые имеют желаемый признак. Эти мутанты затем могут быть скрещены с другими мутантами или особями, которые не мутировали, для поддержания мутантного признака. Однако, подобно рискам, связанным с введением особей в определенную среду, вариации, созданные мутировавшими особями, могут иметь негативное влияние и на местные популяции.
С 2005 года существует Реестр ГМО-загрязнений, созданный GeneWatch UK и Greenpeace International, который регистрирует все случаи преднамеренного или случайного [31] [32] высвобождения организмов, генетически модифицированных с использованием современных технологий. [33]
Технологии ограничения генетического использования (GURT) были разработаны с целью защиты собственности, но могут быть полезны для предотвращения распространения трансгенов. Технологии GeneSafe представили метод, который стал известен как «Терминатор». Этот метод основан на семенах, которые производят стерильные растения. Это предотвратило бы перемещение трансгенов в дикие популяции, поскольку гибридизация была бы невозможна. [34] Однако эта технология никогда не была развернута, поскольку она непропорционально негативно влияет на фермеров в развивающихся странах, которые сохраняют семена для использования каждый год (тогда как в развитых странах фермеры обычно покупают семена у компаний по производству семян). [34]
Физическое сдерживание также использовалось для предотвращения утечки трансгенов. Физическое сдерживание включает барьеры, такие как фильтры в лабораториях, экраны в теплицах и изоляционные расстояния в поле. Изоляционные расстояния не всегда были успешными, например, утечка трансгена из изолированного поля в дикую природу у устойчивой к гербицидам полевицы Agrostis stolonifera . [35]
Другой предлагаемый метод, который применяется конкретно к защитным признакам (например, устойчивости к патогенам), — это смягчение. Смягчение включает в себя связывание положительного признака (полезного для приспособленности) с признаком, который является отрицательным (вредным для приспособленности) для диких, но не одомашненных особей. [35] В этом случае, если защитный признак был введен в сорняк, отрицательный признак также будет введен, чтобы снизить общую приспособленность сорняка и уменьшить возможность размножения особи и, таким образом, распространения трансгена.
Не все генетически модифицированные организмы вызывают генетическое загрязнение. Генная инженерия имеет множество применений и конкретно определяется как прямая манипуляция геномом организма. Генетическое загрязнение может возникнуть в ответ на внедрение вида, который не является местным для определенной среды, и генетически модифицированные организмы являются примерами особей, которые могут вызвать генетическое загрязнение после внедрения. В связи с этими рисками были проведены исследования с целью оценки рисков генетического загрязнения, связанных с организмами, которые были генетически модифицированы:
Существуют не только риски с точки зрения генной инженерии, но и риски, возникающие из-за гибридизации видов. В Чехословакии козероги были завезены из Турции и Синая, чтобы способствовать развитию популяции козерогов там, что привело к появлению гибридов, которые производили потомство слишком рано, что привело к полному исчезновению всей популяции. [4] Гены каждой популяции козерога в Турции и Синае были локально адаптированы к своей среде, поэтому при помещении в новый экологический контекст они не процветали. Кроме того, экологические потери, которые могут возникнуть в результате внедрения нового вида, могут быть настолько разрушительными, что экосистема больше не сможет поддерживать определенные популяции.
Использование слова «загрязнение» в термине генетическое загрязнение имеет преднамеренно негативный оттенок и призвано передать идею о том, что смешивание генетической информации вредно для окружающей среды. Однако, поскольку смешивание генетической информации может привести к различным результатам, «загрязнение» может быть не самым точным описанием. По мнению некоторых экологов и защитников природы , включая такие группы, как Greenpeace , TRAFFIC и GeneWatch UK, поток генов нежелателен. [44] [31] [33] [45] [5] [9] [46]
« Инвазивные виды стали основной причиной вымирания во всем мире за последние несколько сотен лет. Некоторые из них охотятся на местную дикую природу, конкурируют с ней за ресурсы или распространяют болезни, в то время как другие могут скрещиваться с местными видами, вызывая « генетическое загрязнение ». Таким образом, инвазивные виды представляют такую же большую угрозу для равновесия природы, как и прямая чрезмерная эксплуатация некоторых видов человеком » . [47]
Его также можно считать нежелательным, если он приводит к потере приспособленности в диких популяциях. [48] Этот термин может быть связан с потоком генов от мутировавшего , синтетического организма или генетически модифицированного организма к негенному организму [24] теми, кто считает такой поток генов пагубным. [44] Эти группы защитников окружающей среды полностью выступают против разработки и производства генетически модифицированных организмов.
С точки зрения правительства, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций определяет генетическое загрязнение следующим образом :
«Неконтролируемое распространение генетической информации (часто речь идет о трансгенах) в геномах организмов, в которых такие гены не присутствуют в природе». [49]
Использование термина «генетическое загрязнение» и подобных фраз, таких как генетическое ухудшение , генетическое затопление , генетическое поглощение и генетическая агрессия , обсуждается учеными, поскольку многие не считают это научно обоснованным. Раймер и Симберлофф утверждают, что эти типы терминов:
...подразумевают либо то, что гибриды менее приспособлены, чем родительские особи, что не обязательно так, либо то, что в «чистых» генофондах есть внутренняя ценность. [47]
Они рекомендуют называть поток генов от инвазивных видов генетическим смешиванием , поскольку:
«Смешивание» не обязательно должно быть ценностно-обусловленным, и мы используем его здесь для обозначения смешивания генофондов, независимо от того, связано ли это со снижением приспособленности или нет. [47]
Хотя волки и собаки всегда жили в тесном контакте в Италии и, предположительно, спаривались в прошлом, новым тревожным элементом, по мнению доктора Боитани, является растущее неравенство в численности, что предполагает, что скрещивание станет довольно распространенным явлением. В результате генетическое загрязнение генофонда волка может достичь необратимых уровней, предупредил он. Путем гибридизации собаки могут легко поглотить гены волка и уничтожить волка, как он есть, сказал он. Волк может выжить как более похожее на собаку животное, лучше приспособленное к жизни рядом с людьми, сказал он, но это будет не то, что мы сегодня называем волком.