Генетическое загрязнение — это термин, обозначающий неконтролируемый [1] [2] поток генов в дикие популяции. Его определяют как «распространение загрязненных измененных генов от генно-инженерных организмов к природным организмам, особенно путем перекрестного опыления» [3] , но его стали использовать и в более широком смысле. Это связано с концепцией популяционной генетики потока генов и генетического спасения , то есть генетического материала, намеренно вводимого для повышения приспособленности популяции. [4] Это называется генетическим загрязнением, когда оно отрицательно влияет на приспособленность популяции, например, из-за аутбридинговой депрессии и появления нежелательных фенотипов, которые могут привести к вымиранию.
Биологи и защитники природы использовали этот термин для описания потока генов от домашних, диких и чужеродных видов к диким местным видам , который они считают нежелательным. Они повышают осведомленность о последствиях интродуцированных инвазивных видов , которые могут « гибридизироваться 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 вредно для окружающей среды, но поскольку смешивание генетической информации может привести к различным результатам, «загрязнение» не всегда может быть наиболее точным дескриптором. .
Некоторые биологи и защитники природы в течение ряда лет использовали генетическое загрязнение как термин для описания потока генов от чужеродных , инвазивных подвидов , домашних или генетически модифицированных популяций к дикой коренной популяции. [1] [5] [6]
Внедрение генетического материала в генофонд популяции путем вмешательства человека может иметь как положительные, так и отрицательные последствия для популяций. 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 из-за аутбридинговой депрессии ), привнести другие нежелательные фенотипы или теоретически привести к исчезновению.
Интродуцированный вид — это вид, не являющийся аборигенным для данной популяции, который намеренно или случайно занесен в данную экосистему. Последствия интродукции сильно различаются, но если интродуцированный вид оказывает серьезное негативное воздействие на новую среду обитания, 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 завезены с грузами в торговых портах. Жуки наносят серьезный ущерб окружающей среде и, по оценкам, представляют опасность для 35% городских деревьев, за исключением естественных лесов. [7] Эти жуки наносят серьезный ущерб древесине деревьев путем проникновения личинок. 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, демонстрируя, что интродуцированные виды не всегда наносят вред данной среде и полностью зависят от контекста.
Биологи и защитники природы в течение ряда лет использовали этот термин для описания потока генов от домашних, диких и чужеродных видов к диким местным видам , который они считают нежелательным. [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 для целей защитников природы. Они повышают осведомленность о последствиях интродуцированных инвазивных видов, которые могут « гибридизироваться с местными видами, вызывая генетическое загрязнение ». [9] Более того, Объединенный комитет по охране природы , официальный советник правительства Великобритании , заявил, что инвазивные виды «изменят генетический фонд (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 вытеснить местные популяции. Инвазивные виды могут вызвать исчезновение небольших популяций на островах, которые особенно уязвимы из-за меньшего генетического разнообразия. В этих популяциях местная адаптация может быть нарушена введением новых генов, которые могут быть не столь подходящими для окружающей среды малых островов. Например, Cercocarpus traskiae с острова Каталина у побережья Калифорнии оказался на грани исчезновения, и осталась только одна популяция из-за гибридизации ее потомства с Cercocarpus betuloides . [11]
Увеличение контактов между дикими и одомашненными популяциями организмов может привести к репродуктивным взаимодействиям, которые наносят ущерб способности дикой популяции выживать. Дикая популяция – это популяция, которая обитает в природных зонах и за которой люди не присматривают регулярно. Это контрастирует с одомашненными популяциями, которые живут на территориях, контролируемых человеком, и регулярно и исторически контактируют с людьми. Гены одомашненных популяций добавляются к диким популяциям в результате воспроизводства. Во многих популяциях сельскохозяйственных культур это может быть результатом попадания пыльцы с выращиваемых культур на соседние дикие растения того же вида. У сельскохозяйственных животных такое размножение может происходить в результате сбежавших или выпущенных на свободу животных.
Популярным примером этого явления является поток генов между волками и домашними собаками. Газета «Нью-Йорк Таймс» цитирует слова биолога доктора 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 Растет неравенство в численности, что предполагает, что скрещивание станет довольно распространенным явлением. В результате "генетическое загрязнение генофонда волка может достичь необратимого уровня", - предупредил он. - Путем гибридизации собаки могут легко поглотить гены волка и уничтожить волка. "Как есть", - сказал он. Волк мог бы выжить как животное, более похожее на собаку, лучше приспособленное к жизни рядом с людьми, сказал он, но это не было бы "то, что мы сегодня называем волком"" [1 ]
Аквакультура – это практика выращивания водных животных или растений с целью потребления. Эта практика становится все более распространенной при производстве лосося . Это конкретно называется аквакультурой лососевых рыб . Одной из опасностей этой практики является возможность того, что одомашненный лосось вырвется из-под контроля. По мере роста популярности аквакультуры случаи побега становятся все более распространенными. [12] [13] [14] Фермерские структуры могут оказаться неэффективными при содержании огромного количества быстрорастущих животных. [15] Стихийные бедствия, приливы и другие экологические явления также могут спровоцировать побег водных животных. [16] [17] Причина, по которой эти побеги считаются опасными, заключается в том, какое влияние они оказывают на дикую популяцию, с которой они размножаются после побега. Во многих случаях вероятность выживания дикой популяции снижается после размножения одомашненными популяциями лосося. [18] [19]
Департамент рыбы и дикой природы Вашингтона отмечает, что «часто выражаемые опасения по поводу сбежавшего атлантического лосося включают конкуренцию с местным лососем, хищничество, передачу болезней, гибридизацию и колонизацию». [20] В отчете, подготовленном этой организацией в 1999 году, не было обнаружено, что сбежавший лосось представляет значительный риск для диких популяций. [21]
Культуры – это группы растений, выращиваемых для потребления. Несмотря на то, что они были одомашнены в течение многих лет, эти растения не настолько далеки от своих диких родственников, чтобы не могли размножаться, если их собрать вместе. Многие сельскохозяйственные культуры до сих пор выращиваются в тех районах, где они возникли, и поток генов между сельскохозяйственными культурами и их дикими родственниками влияет на эволюцию диких популяций. [22] Фермеры могут избежать размножения между различными популяциями, распределяя посев таким образом, чтобы культуры не цвели, как дикие сородичи. Одомашненные культуры были изменены посредством искусственного отбора и генной инженерии. Генетический состав многих сельскохозяйственных культур отличается от такового у их диких родственников, [23] но чем ближе они растут друг к другу, тем больше вероятность того, что они будут делиться общими генами через пыльцу. Поток генов сохраняется между сельскохозяйственными культурами и дикими аналогами.
Генно-инженерные организмы генетически модифицируются 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 ГМ-видами и дикими родственниками . [24] Раннее использование термина « генетическое загрязнение» в этом более позднем смысле появляется в широком обзоре потенциальных экологических последствий генной инженерии, опубликованном в журнале «Эколог» в июле 1989 года. Его также популяризировал защитник окружающей среды Джереми Рифкин в своей книге. Книга 1998 года «Век биотехнологий» . [25] В то время как преднамеренное скрещивание двух генетически различных сортов описывается как гибридизация с последующей интрогрессией генов, Рифкин, который играл ведущую роль в этических дебатах более десяти лет назад, использовал генетическое загрязнение, чтобы описать то, что он считал проблемы, которые могут возникнуть из-за непреднамеренного процесса (современного) распространения генетически модифицированных организмов (ГМО) своих генов в естественную среду путем скрещивания с дикими растениями или животными. [24] [26] [27]
Опасения по поводу негативных последствий потока генов между генно-инженерными организмами и дикими популяциями обоснованы. Большинство культур кукурузы и сои, выращиваемых на Среднем Западе США, генетически модифицированы. Существуют сорта кукурузы и сои, устойчивые к гербицидам, таким как глифосат [28], а также кукуруза, которая производит неоникотиноидный пестицид во всех своих тканях. [29] Эти генетические модификации призваны повысить урожайность сельскохозяйственных культур, но существует мало доказательств того, что урожайность действительно увеличивается. [29] Хотя ученые обеспокоены тем, что генно-инженерные организмы могут оказывать негативное воздействие на окружающие растительные и животные сообщества, еще одной проблемой является риск потока генов между генно-инженерными организмами и дикими популяциями. Многие выращиваемые культуры могут быть устойчивыми к сорнякам и размножаться дикими сородичами. [30] Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, насколько велик поток генов между генетически модифицированными культурами и дикими популяциями, а также влияние генетического смешения.
Мутации внутри организмов могут происходить в процессе воздействия на организм химических веществ или радиации с целью создания мутаций. Это было сделано на растениях, чтобы создать мутантов, обладающих желаемым признаком. Эти мутанты затем можно скрещивать с другими мутантами или особями, которые не мутировали, чтобы сохранить мутантный признак. Однако, подобно рискам, связанным с попаданием особей в определенную среду, вариации, создаваемые мутировавшими особями, могут также оказать негативное влияние на коренное население.
С 2005 года существует Реестр ГМ-загрязнений, созданный для GeneWatch UK и Greenpeace International, в котором регистрируются все случаи преднамеренного или случайного [31] [32] выпуска организмов, генетически модифицированных с использованием современных методов. [33]
Генетические технологии ограничения использования (GURT) были разработаны с целью защиты собственности, но могут оказаться полезными для предотвращения распространения трансгенов. Технологии GeneSafe представили метод, который стал известен как «Терминатор». Этот метод основан на использовании семян, из которых образуются стерильные растения. Это предотвратило бы перемещение трансгенов в дикие популяции, поскольку гибридизация была бы невозможна. [34] Однако эта технология никогда не применялась, поскольку она непропорционально негативно влияет на фермеров в развивающихся странах, которые каждый год откладывают семена для использования (тогда как в развитых странах фермеры обычно покупают семена у компаний-производителей семян). [34]
Физическое сдерживание также использовалось для предотвращения утечки трансгенов. Физическое сдерживание включает в себя такие барьеры, как фильтры в лабораториях, экраны в теплицах и изоляционные расстояния в полевых условиях. Дистанции изоляции не всегда были успешными, как, например, выход трансгена из изолированного поля в дикую природу у устойчивого к гербицидам полевицы Agrostis stolonifera . [35]
Еще один предлагаемый метод, который применяется конкретно к защитным свойствам (например, устойчивости к патогенам), – это смягчение последствий. Смягчение включает 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 сорняку был придан защитный признак, отрицательный признак также был бы введен, чтобы снизить общую приспособленность сорняка и уменьшить возможность размножения особи и, следовательно, распространения трансгена.
Не все генно-инженерные организмы вызывают генетическое загрязнение. Генная инженерия имеет множество применений и конкретно определяется как прямое манипулирование геномом организма. Генетическое загрязнение может произойти в ответ на интродукцию видов, не являющихся аборигенными для конкретной среды обитания, а генно-инженерные организмы являются примерами особей, которые могут вызвать генетическое загрязнение после интродукции. В связи с этими рисками были проведены исследования для оценки рисков генетического загрязнения, связанных с организмами, созданными с помощью генной инженерии:
Существуют риски не только с точки зрения генной инженерии, но и риски, возникающие в результате гибридизации видов. В Чехословакию козлы были завезены из Турции и Синая, чтобы способствовать развитию там популяции козлов, что привело к появлению гибридов, которые давали потомство слишком рано, что привело к полному исчезновению всей популяции. [4] Гены каждой популяции козлов в Турции и на Синае были локально адаптированы к окружающей 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 намеренно негативный оттенок и призвано передать идею о том, что смешивание генетической информации вредно для окружающей среды. Однако, поскольку смешение генетической информации может привести к самым разным последствиям, «загрязнение», возможно, не самый точный показатель. Поток генов нежелателен, по мнению некоторых защитников окружающей среды и защитников природы , включая такие группы, как Greenpeace , TRAFFIC и GeneWatch UK. [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 гибридизироваться с местными видами, вызывая « генетическое загрязнение». «.В этом смысле инвазивные виды представляют собой такую же большую угрозу природному балансу, как и прямая чрезмерная эксплуатация некоторых видов человеком » . [47]
Его также можно считать нежелательным, если это приводит к потере приспособленности диких популяций. [48] Этот термин может быть связан с потоком генов от выведенного мутацией , синтетического организма или генно-инженерного организма к не-ГМ-организму, [24] теми, кто считает такой поток генов вредным. [44] Эти группы защитников окружающей среды полностью выступают против разработки и производства генно-инженерных организмов.
С правительственной точки зрения Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций определяет генетическое загрязнение следующим образом :
«Бесконтрольное распространение генетической информации (часто относящейся к трансгенам) в геномы организмов, у которых такие гены отсутствуют 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 находят 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 что «чистые» генофонды обладают присущей им ценностью. [47]
Они рекомендуют называть поток генов от инвазивных видов генетическим смешением , поскольку:
«Смешение» не обязательно должно быть связано с ценностями, и мы используем его здесь для обозначения смешивания генофондов, независимо от того, связано оно или нет со снижением приспособленности. [47]
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 волков может достичь необратимого уровня, предупредил он. По его словам , путем гибридизации собаки могут легко поглотить гены волка и уничтожить волка . По его словам, волк мог бы выжить как животное, более похожее на собаку и лучше приспособленное к жизни рядом с людьми, но это не было бы то, что мы сегодня называем волком.