CC BY
32
Нина Воронова,
доцент кафедры зоологии биологического факультета БГУ, кандидат биологических наук, доцент
Софья Левыкина,
стажер младшего научного сотрудника кафедры зоологии биологического факультета БГУ
Все живущие на планете виды животных, растений, грибов и микроорганизмов представляют собой безусловную ценность, не только образовательную или эстетическую, но и вполне прагматическую. Именно живые организмы в подавляющем большинстве случаев являются для человека источником важных биологически активных веществ: гормонов, витаминов, аминокислот, регуляторов роста, веществ с антиопухолевой активностью, ядов. Вместе с тем геномы самых разных живых существ - от бактерий до высших растений - служат ресурсом для поиска генов,
кодирующих белки с принципиально новыми свойствами, или генов, перспективных для получения генетически модифицированных организмов. Кроме того, дикие виды растений и естественные популяции животных представляют собой природную коллекцию генофондов, биологические признаки которых используются человеком в селекции новых сортов и пород, являясь залогом стабильности сельскохозяйственного производства на многие годы вперед. По этой причине необходимость сохранения биологического разнообразия очевидна не только для людей, ратующих за благополучие планеты как нашего общего дома,
но и для исследователей, преследующих вполне практические, зачастую коммерчески оправданные цели [1].
В последние десятилетия природные ресурсы на планете неуклонно сокращаются. Причинами этого считают хозяйственную деятельность человека, которая сопровождается химическим загрязнением окружающей среды, разрушением биотопов, доступных для обитания диких видов, намеренным или случайным вселением видов-агрессоров, а также изменение климата. Угроза, под действием которой находятся биологические виды, стала причиной принятия в 1992 г. Конвенции о биологическом разнообразии.
1
ТЕМА НОМЕРА
Однако, несмотря на консолидированные усилия стран - сторон конвенции, проблему решить пока не удалось. В частности, в 2005 г. по запросу ООН в рамках программы иМБР был подготовлен доклад «Экосистема и благополучие человека», в работе над которым приняли участие более 300 исследователей из разных регионов мира [2]. Приводимые в докладе сведения указывают на крайне сложную ситуацию во всех группах живых организмов.
Всем известно, что вымирание видов - это естественный процесс, сопровождающийся не только исчезновением, но и появлением новых видов, в результате чего на планете сохраняется флуктуирующее равновесие, в котором спады видового богатства (периоды глобального вымирания) сменяются периодами роста. Однако с течением геологического времени скорость вымирания видов неуклонно увеличивается. Исчезновение все большего их числа регистрируется среди всех групп живых организмов - от протистов до высших растений (рис. 1).
Математическое моделирование динамики биологического разнообразия показывает, что
в будущем скорость вымирания видов увеличится многократно и их исчезновение, насколько можно судить по результатам анализа ископаемых остатков, накопленных за сотни лет, будет более драматичным, чем это было в периоды глобального вымирания (рис. 2). В таких условиях задача сохранения биологического разнообразия представляется крайне сложной.
Первым видимым признаком, указывающим на попадание вида в «воронку вымирания» (процесс, приводящий к почти неизбежному его исчезновению), считается последовательное сокращение численности особей. Например, в 2017 г. C. A. Холманн с соавт. показали, что общее количество летающих насекомых в Германии непрерывно уменьшалось на протяжении последних 27 лет и сейчас составляет лишь 25% от уровня, характерного для второй половины ХХ в. Такие же данные приводятся исследователями для рыб, птиц, почвенных организмов, морских млекопитающих, мелких наземных позвоночных [2]. Особенную тревогу вызывает проблема вымирания пчел и других опылителей, поскольку производство
не менее 30% всех продуктов, потребляемых человеком, и 80% -идущих на корм сельскохозяйственным животным, напрямую зависит от опыления насекомыми. Единственной группой видов, находящихся в состоянии биологического прогресса, то есть увеличивающих численность и расширяющих ареал, являются разного рода патогены и паразиты, вредители сельскохозяйственных растений, а также инвазивные растения и животные, агрессивно внедряющиеся на новые территории и вытесняющие аборигенов из занимаемых ими экологических ниш (рис. 3).
Хотя появление новых видов на какой-либо территории формально должно увеличивать биологическое разнообразие, каждый из них вытесняет несколько аборигенных, разрушает сложившиеся биотические связи и в итоге усиливает негативное давление на локальные флору и фауну.
Мониторинг видового состава флоры и фауны
Первый шаг любой деятельности, связанной с сохранением биологического разнообразия, -ревизия видового состава флоры и фауны, а в последующем -ее мониторинг, заключающийся в своевременном выявлении чужеродных (инвазивных) видов и контроле встречаемости аборигенных, обитавших на этой территории по меньшей мере сотни лет. Важность такого контроля обусловлена тем, что без постоянного наблюдения за разворачивающимися в живой природе процессами невозможно принятие необходимых мер в тот момент, когда вмешательство человека еще может принести результат. Причины
Рис. 1. Динамика биологического разнообразия за 30 лет (конец XX - начало XI в.).
Источник: разработано авторами по [3]
■ ' О Л //////> * !> { /// ПИ ■ ( >
% Щй:: чщт¡щШиШ
БИОРАЗНООБРАЗИЕ ДЛЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ
Рис. 2. Скорость вымирания видов на планете по палеонтологическим данным и результатам математического моделирования
Источник: разработано авторами по [2]
для этого могут быть разными -от установления вида, который необходимо включить в список редких и находящихся под угрозой исчезновения, что предполагает применение мер по его сохранению, - до своевременного выявления проникших на территорию страны инвазивных и карантинных видов, распространение которых должно быть ограничено.
Как первоначальная ревизия, так и последующий мониторинг изменения биологического разнообразия требуют корректной идентификации видов. Эта задача может казаться простой, когда речь идет о крупных животных или растениях, определение которых доступно в том числе и любителям. Для этого обычно используется морфологический метод, когда виды различаются на основании видимых глазом особенностей в их внешнем строении. Большинство известных
всем видов животных, растений и грибов относятся к этой группе (рис. 4).
Во многих случаях идентификация возможна не только по морфологии, но и в силу того,
что ареалы видов не перекрываются (рис. 5). Особенности процесса видообразования, однако, могут не затронуть морфологию организма, оказав влияние лишь на его анатомию, характер
Число вчк™
175
150 125 100 76 50 25 О
^¿ь нутехш-ь I ртти 11"|
в^ды л рестеч'г
пыттртн ту^н С^лт IV Америку
I
1790-1819 1820-1849 1850-1879 1880-1909 1910-1939 1940-1969 1970-1999 гг. 110 ДОЧЬ ч МОрищ» «ЮИСЛ1»п1
Рис. 3. Рост числа чужеродных (инвазивных) видов, ассоциированных с водными биотопами, в Европе и США. Источник: разработано авторами по [2]
Большой кактусовый вьюрок
Остроклювый эемлянон вьюрок
БОЛЬШОЙ земляной вьюрок
Рис. 4. Галапагосские вьюрки - пример видов животных с ясными морфологическими различиями, которые были вызваны особенностями питания каждого вида птиц
питания, размножения или поведения, что не всегда очевидно. При этом нередко необходимость определения двух (или более) видов-двойников имеет не только исследовательское, но и экономическое значение. Географическая удаленность территорий, на которых произошли виды, не облегчает их идентификацию, когда речь идет об инвайдерах, активно вторгающихся в чужие ареалы.
Уникальными инструментами определения видов, способными
помочь специалистам по биологическому разнообразию, являются методы ДНК-идентификации, причем эффективность подходов, основанных на сравнении ДНК, многократно подтверждена.
ДНК-штрихкодирование и дочерние методы ДНК-идентификации видов
В основе метода ДНК-штрих-кодирования лежит идея о том,
что даже в случае полного морфологического сходства двух видов различия на уровне ДНК могут быть обнаружены. Если они достаточно масштабны, как это обычно бывает даже между двумя близкородственными организмами, то можно выбрать некий общий для всех животных участок генома, который способен служить идентификатором, своего рода штрихкодом, позволяющим любому исследователю мира безошибочно определить вид, ставший источником анализируемой ДНК. В 1994 г. группа американских ученых во главе с О. Фол-мером обнаружила участок ДНК в митохондриальном геноме, который почти идентичен у представителей одного вида, но всегда различается у представителей разных видов, а именно - начальную треть гена субъединицы 1 ци-тохром-с-оксидазы. Этот участок генома животных, впоследствии названный фрагментом Фолме-ра, было решено использовать как штрихкод, чтобы сравнение последовательности нуклеоти-дов в участке молекулы ДНК, соответствующей ДНК-штрихкоду,
Рис. 5. Различия в ареалах трех видов ландышей (пример географического видообразования)
Рис. 6. Этапы идентификации биологического образца по его ДНК-штрихкоду
с эталонными образцами давало ответ о видовой принадлежности первоначального образца, будь то само животное, фрагменты его тела или следы его жизнедеятельности. Идентификация вида методом ДНК-штрихкоди-рования при этом выглядит как простая и стандартизированная процедура, доступная каждой современной генетической лаборатории, почти не требующая дополнительной подготовки специалистов и, главное, лишенная любой субъективности, поскольку собственно идентификацию осуществляет компьютерная система, а не человек (рис. 6).
За 20 лет широкого использования ДНК-штрихкодирова-ние не просто завоевало признание специалистов-систематиков как инструмент для определения видов, но также получило ряд многообещающих практических и коммерческих приложений. Велика роль ДНК-штрихкодирова-ния, в частности, в выявлении карантинных видов и контроля динамики биологического разнообразия членистоногих, червей, протистов и разнообразных водных организмов, поскольку часто морфологическая идентификация видов в этих таксономических группах затруднена в силу
как отсутствия достаточного количества специалистов-систематиков, так и обилия сложно дифференцируемых видов.
Сдерживает повсеместное использование ДНК-штрихкодиро-вания только отсутствие необходимых эталонов, когда речь идет о малоизученных, недавно описанных видах или видах, не имеющих коммерческого приложения. В этих случаях даже проведение полной процедуры не позволяет определить вид, поскольку полученный ДНК-штрихкод не имеет референса для сравнения. Как метод ДНК-штрихкодирование предполагает, что идентификация может быть проведена исследователем, находящимся в любой точке мира, благодаря использованию возможностей Интернета, но при условии, что эталонная ну-клеотидная последовательность этого вида к моменту идентификации уже находится в глобальной библиотеке ДНК-штрихкодов и доступна для использования. В идеальной с точки зрения контроля динамики биологического разнообразия ситуации все 2 млн известных на сегодняшний день видов, обитающих на планете, от бактерий до высших животных и растений, должны пройти через ДНК-штрихкодирование и иметь
эталонный штрихкод в глобальной базе данных ДНК-штрихко-дов, чтобы каждый представитель живого мира стал доступным для идентификации в любой момент, когда это необходимо. По этой причине совместные усилия исследователей из разных регионов, связанные с созданием коллекций, идентификацией, получением ДНК-штрихкодов для новых видов и размещением их в глобальных библиотеках, чрезвычайно важны. С 2010 г. Беларусь принимает участие в этом глобальном процессе, получая ДНК-штрихкоды для видов фауны и флоры, чтобы знания о биологическом разнообразии нашей страны стали частью глобального знания о генетических ресурсах планеты.
ДНК-штрихкодирование в Беларуси
Один из примеров успешного использования методов, основанных на ДНК-штрихкодировании, для выявления видов-двойников в фауне Беларуси - дифференциация двух видов тлей - Aphis pomi и A. spiraecola. Эти виды вредят яблоням, груше, ирге, боярышнику, рябине, но A. pomi имеет европейское происхождение, а A. spiraecola проник к нам
ТЕМА НОМЕРА
Aphis spiraecola \
Aphis pomi
Фсрненрьг рвсррикцчи &omHl CviQI
p s p s
IM »
200 — 160
1Ü0 —
50bpS S S S F P S S
Рис. 7 Идентификация инвазивного вида тли Aphis spiraecola методом ПДРФ-анализа фрагмента ДНК, основанного на ДНК-штрихкодировании.
I - компьютерное моделирование результатов электрофоретического разделения фрагментов рестрикции ПЦР-продукта (ДНК-штрихкода).
II - электрофоретическое разделение фрагментов рестрикции ПЦР-продукта. P - Aphis pomi, S - Aphis spiraecola
из Юго-Восточной Азии. Вместе со своими кормовыми растениями (цитрусами и спиреей) он расселился в свое время по всему американскому континенту и на территории США вытеснил А. pomi с ее основного кормового растения - яблонь, причем стал на них гораздо более агрессивным вредителем, чем сама А. pomi. В нашей стране А. $ркавсо1а была впервые зарегистрирована в 2000 г. С 2014 г. сотрудники Белорусского государственного университета начали мониторинг встречаемости этого вида тли, чтобы оценить скорость его распространения по Беларуси и сопредельным территориям, а также выяснить, осуществляет ли он экспансию на яблони и груши.
Сложность мониторинга вида А. $ркавсо1а связана с тем, что А. pomi и А. $ркавсо1а являются видами-двойниками, морфологическая (а точнее, морфометриче-ская) дифференциация которых возможна только в некоторой доле случаев. По этой причине нами был использован метод, основанный на ДНК-штрихкодировании,
который безошибочно идентифицировал оба вида (рис. 7).
Благодаря ДНК-штрихкодиро-ванию с 2014 по 2019 г. Д. Г. Жоров, М. М. Воробьева, Е. А. Абакумова и авторы этой статьи смогли провести исследования, показавшие, что, хотя с 2000 г. А. $ртвсо1а расселилась по всей территории Беларуси, став обычным видом на спиреях, она не конкурирует с А. pomi на яблонях и грушах и пока не представляет реальной угрозы садоводству, в отличие от того, как это произошло в США. Тем не менее возможность повторения у нас североамериканского сценария исключать нельзя. В будущем, учитывая, что внешне А. pomi и А. spiraecola отличить невозможно, массовое применение ДНК-штрихкодирования позволит нам не пропустить момент, когда А. spiraecola начнет экспансию на яблони и груши в садах Беларуси.
Управление биологическим разнообразием планеты требует непростых и неотложных мероприятий, важнейший этап которых - ревизия и мониторинг
состава локальных фауны и флоры. В большинстве случаев сделать это невозможно без применения методов ДНК-диагностики, позволяющих определять виды даже при отсутствии видимых морфологических различий. Особенностью наиболее эффективного и достоверного метода ДНК-идентификации видов - ДНК-штрих-кодирования является то, что его возможности в большой степени зависят от консолидированных усилий исследователей из самых разных регионов мира. Когда амбициозная задача по ДНК-штрих-кодированию всех видов, обитающих на планете, будет завершена, мы сможем с гордостью отметить, что Беларусь также приняла участие в этой глобальной работе.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Jax K.Atlas of ecosystem services / Taking Social Responsibility in Using Ecosystem Services Concepts: Ethical Issues of Linking Ecosystems and Human Well-Being. / Schröter M., Bonn A., Klotz S., Seppelt R., Baessler C. et al. Atlas of Ecosystem Services. - Cham, 2019.
2. Ecosystem and human well-being / Millennium Ecosystem Assessment, Ecosystems and Human Well-being: Synthesis. -Washington, DC. 2005.
3. Butchart S. H.M. et al. Global biodiversity: Indicators of recent declines // Science. 2010. Vol. 328, Issue 5982. Р. 1164-1168.
I^S//» http://innosfera.by/2019/08/DNA-barcoding
