Механізми утворення генетичного різноманіття

 

 

Явище різноманіття живих організмів визначається фундаментальною властивістю біологічних макромолекул, особливо нуклеїнових кислот, їх здатністю до спонтанних змін структури, що призводить до змін геномів, до спадкоємної мінливості. На цій біохімічній основі різноманіття створюється в результаті трьох незалежно діючих процесів:

– спонтанно виникаючих генетичних варіацій (мутацій);

– дії природного добору в змішаних популяціях;

– географічної й репродуктивної ізоляції.

Дані процеси, у свою чергу, ведуть до подальшої таксономічної і екологічної диференціації на всіх наступних рівнях біологічних систем: видовому, ценотичному і екосистемному.

Термін «біологічне різноманіття» використається активно не менш півстоліття. За цей час багато зроблено для розуміння самого явища й розробки методів його вимірювання.

Одним з істотних досягнень тут є розширення наших уявлень про видове різноманіття життя на Землі. Якщо зараз описано 1,75 млн. видів рослин, тварин, мікроорганізмів, то, на думку провідних фахівців-систематиків, їх реальне число досягає не менш 10–35 млн., у тому числі:

– 1 млн. видів мікроорганізмів;

– 1 млн. видів нематод;

– 10 млн. видів комах;

– близько 10 млн. видів грибів.

Особливо погано вивчені вологі тропіки, де, як думають, описаний тільки 1 з 20 видів, особливо серед комах, грибів, а також ґрунтової фауни. При всій неповноті наших знань не можна не відзначити, що в XX сторіччі кількість таксонів тварин і рослин збільшено щонайменше в 500 разів у порівнянні з кінцем XIX століття.

 

1.2. Міжнародна програма «Біологічне різноманіття»

Поняття «біорізноманіття» увійшло в широкий вжиток тільки в 1972 році на Стокгольмській конференції ООН по навколишньому середовищу, де екологи зуміли переконати політичних лідерів країн світового товариства в тім, що охорона живої природи повинна стати пріоритетною при будь-якій діяльності людини на Землі.

Наукову розробку програми здійснював Міжнародний союз біологічних наук, що створив для цього в 1982 році на Генеральній асамблеї в Канаді спеціальну робочу групу. Активну участь у формуванні програми досліджень і перших організаційних заходів прийняв академік М.С. Гіляров, що став одним з «батьків-засновників» цього найбільшого міжнародного проекту.

Робота з вивчення біорізноманіття велася союзом з 1991 по 1997 рік у два трирічних етапи: з 1991 по 1994 рік – перший, попередні підсумки якого проведені в Парижі в 1994 році, і другий, заключний, з 1995 по 1997 рік. Підсумки другого етапу, як і програми в цілому, підведені в листопаді 1997 року на 26-й сесії Генеральної асамблеї Міжнародного союзу біологічних наук у Тайбеї. Але дослідження біорізноманіття в інших організаційних формах тривають за іншими програмами, таким як Біономенклатура, Види–2000 – (індексація відомих у світі видів), Біоетіка, Систематика–2000 і ін. Біорізноманіття залишається одним із трьох головних пріоритетів досліджень як у біології, поряд з біотехнологією й стійкою агрикультурою, так і в біогеографії.

Слід зазначити велике значення прийняття «Міжнародної конвенції про біологічну різноманіття» на Конференції ООН по навколишньому середовищу в Ріо-де-Жанейро в 1992 році. Розробці й прийняттю Міжнародної конвенції по біорізноманіттю передувала активна діяльність багатьох організацій.

• В 1975 році набутила чинності Конвенція по міжнародній торгівлі видами світової флори й фауни, що перебувають під погрозою зникнення. Конвенція забороняє або регулює торгівлю 20 000 видів, що перебувають під погрозою зникнення;

• В 1980 році UNEP, IUCN (Міжнародний союз охорони природи й природних ресурсів) і WWF (Всесвітній фонд дикої природи) опублікували Всесвітню стратегію охорони живої природи. Більше 50 країн миру використали неї для розробки національних стратегій охорони живих організмів;

 

• В 1983 році вступила в дію Конвенція по збереженню мігруючих видів диких тварин;

• Створено Всесвітній центр охорони й моніторингу (WCMC), метою якого є оцінка розподілу й чисельності видів на планеті, підготовка фахівців в області моніторингу біорізноманіття;

• UNEP і IUCN розробили й приступили до реалізації спільних планів-заходів щодо збереження африканських і індійських слонів і носорогів, приматів, котячих і білих ведмедів.

• Міжнародна Рада по генних ресурсах рослин (IBPGR) в 30 країнах миру організував мережу банків генів, що володіють 40 основними світовими колекціями. Більше 500 000 видів рослин з 100 країн були зібрані, оцінені й розміщені в сховищах;

• Міжнародний переговірний комітет, заснований керівною радою UNEP, при участі багатьох міжнародних організацій підготував Конвенцію про біологічне різноманіття. У червні 1992 року під час Конференції ООН по навколишньому середовищу й розвитку в Ріо-де-Жанейро вона була підписана представниками більшості країн. Головна мета підписаного документа – збереження біологічного різноманіття й забезпечення тим самим потреб людства;

• В 1992 році розроблена Глобальна стратегія біорізноманіття, метою якої стала ліквідація умов зникнення видів.

До теперішнього часу «Міжнародну конвенцію про біологічну різноманіття» підписали представники 180 країн. Міжнародна програма дослідження біорізноманіття включає три основних рівні: генетичний, таксономічний і екологічний (угруповання й екосистеми).

 

Дослідницька програма «Диверситас»

Міжнародний союз біологічних наук виступив ініціатором розробки програми досліджень біологічного різноманіття за пропозицією Національного комітету біологів США із залученням великої кількості країн і наукових колективів, оскільки ця програма виходить із факту змін, що охоплюють всю планету й вимагають широкого міжнародного співробітництва.

Криза біологічного різноманіття криється в потенційній втраті поновлюваних природних ресурсів і в контролі за їх використанням. У міру виснаження природних ресурсів у Європі довгий час залишалася надія й упевненість у тім, що в країнах Азії, Африки й Латинської Америки вони практично нескінченні. Однак за останні десятиліття саме в цих регіонах відбулося найбільш різке скорочення площі лісів і втрата інших природних екосистем. У резолюції, прийнятої на 23-й Генеральній асамблеї Міжнародного союзу біологічних наук, зазначено на необхідність вивчення ролі біоти в регуляції життєво важливих процесів, різноманітті життєвих форм, видів, угруповань і їх ролі у функціонуванні екосистем і в глобальних процесах. Тоді ж Союз приступився до розробки програми досліджень біорізноманіття. На 24-й Генеральній асамблеї Міжнародного союзу біологічних наук (Амстердам, вересень 1991) було ухвалене рішення приступитися до розробки міжнародної програми для вивчення біологічного різноманіття «Диверситас». У початковому варіанті ця програма включала чотири основних напрямки:

1) функціонування екосистем і підтримка біорізноманіття;

2)походження, збереження й втрати біорізноманіття;

3)інвентаризація й моніторинг біорізноманіття;

4) збереження генетичної різноманіття диких предків культурних рослин і одомашнених тварин.

Пізніше програма була доповнена ще трьома напрямками:

Ø морське біорізноманіття;

Ø різноманіття мікроорганізмів;

Ø роль людини в змінах біорізноманіття.

До теперішнього часу в рамках програми «Диверситас» зложилося кілька основних напрямків, зосередженних на ключових областях вивчення біорізноманіття, і п'ять цільових міждисциплінарних напрямків.

1. Функціонування екосистем і підтримка біорізноманіття. Дослідження в рамках цього напрямку дозволять відповісти на питання:

Ø Як стабільність екосистем і їх здатність до відновлення залежать від різноманіття видів?

Ø Як глобальні зміни клімату, землекористування, кількість чужорідних видів впливають на функціонування екосистем?

Ø Яку роль відіграє біорізноманіття (від генетичного й видового до ландшафтного рівня) в екосистемних процесах (зміни продуктивності, забезпечення перетворення й кругообігу поживних речовин)?

Буде отримана кількісна оцінка ролі екосистем у підтримці якості й кількості водних ресурсів, родючості ґрунтів і якості атмосферного повітря на належному рівні, а також оцінка впливу глобальних змін навколишнього середовища на їхнє функціонування.

2. Походження, збереження й зміни біорізноманіття.

Особливої уваги приділено вивченню реакції видів на зміни середовища перебування з урахуванням різних факторів, включаючи генетичні й фізіологічні властивості видів, міжвидові відносини й популяційні характеристики, властиві різним історичним епохам. З'ясування популяційних і генетичних процесів, що забезпечують процеси видоутворення й видового вгасання й ведучих до збільшення й втрати світового біотичного багатства, дозволить виробити ефективну стратегію по підтримці оптимального рівня біорізноманіття.

3. Систематика: інвентаризація й класифікація біорізноманіття. Ціль цього напрямку – оцінка сучасного біорізноманіття. Необхідно встановити чіткі пріоритети для проведення систематичної інвентаризації видів аналізу й синтезу інформації, що відбиває різні аспекти історії розвитку життя на Землі, і створити таку систему організації робіт, що буде гарантувати якість зібраних даних і їх доступність. Отримана інформація послужить базою для побудови прогнозів і створення програм по поліпшенню системи освіти.

4. Моніторинг біорізноманіття. Для прийняття обґрунтованих рішень по керуванню біорізноманіттям, спрямованих на зм'якшення наслідків його змін, потрібно мати оперативні дані про те, де й з якою швидкістю змінюється біорізноманіття. У рамках даного напрямку будуть розроблені ефективні й стандартні методи моніторингу й визначені пріоритети, які будуть забезпечувати накопичення даних, необхідних для розуміння сучасного й майбутнього статусу різноманіття, у потрібному обсязі. Будуть створені надійні системи моніторингу й прогнозування змін біорізноманіття в різних частинах планети.

5. Охорона, відновлення й стійке використання біорізноманіття. Збереження біологічного різноманіття й стійке використання його компонентів визначають підтримку глобальної стабільності. Дослідження, проведені в даному напрямку, дозволять краще зрозуміти, як і під впливом яких факторів змінюється біорізноманіття. Отримані результати будуть впливати на вживання відповідних заходів по охороні біорізноманіття, у тому числі й на глобальному рівні. Спеціальні зусилля будуть зосереджені на збереженні генетичного різноманіття рослин, окультурених людиною, і тварин, предки яких одомашнені. Будуть розроблені й перетворені в життя стратегії по відновленню порушених екосистем, зібраний матеріал по демографічних і генетичних змінах у популяціях живих організмів, які відбуваються в процесі їх відновлення.

6. Біорізноманіття ґрунтів і донних відкладень. Біота ґрунтів і донних відкладень вивчена недостатньо, хоча її важлива роль в основних екосистемних процесах, включаючи контроль кругообігу речовин, підтримка родючості ґрунтів і вплив на склад «парникових» газів, не викликає сумніву. Необхідно систематизувати накопичену інформацію по окремих видах організмів, а також визначити, які сполучення видів і структура їх угруповань впливають на функціонування екосистем. Дослідження будуть націлені на розуміння біологічних основ підтримки продуктивності ґрунтів і донних відкладень, будуть складені бази даних, розроблені стандартні методи оцінки й моніторингу різноманіття ґрунтів і донних відкладень і проведені експерименти для того, щоб оцінити роль різних видів, що живуть у ґрунтах і донних відкладеннях, у функціонуванні екосистем.

7. Морське біорізноманіття. У завдання напрямку входить збір інформації про те, як діяльність людини впливає на біорізноманіття океанів і прибережних зон. Для збереження морських екосистем потрібно розширити застосування моделювання процесів, що контролюють біологічну різноманіття у морях і океанах. Величезні розміри морського царства, його відносна неприступність, активні процеси по змішуванню, розсіюванню й переносу водних мас та їх мешканців обумовлюють складність дослідження морських угруповань. Різноманіття живих організмів у морських екосистемах величезна, але мало вивчена, і тому процеси втрати біорізноманіття не завжди зрозумілі й не завжди правильно оцінюються. Необхідно зрозуміти, як морське біорізноманіття змінюється під впливом рибного промислу, евтрофікації, фізичної зміни місцеперебувань, впровадження чужорідних видів та інших форм впливу людини. Будуть створені й розвинені інформаційні мережі для великої кількості зацікавлених установ і організацій.

8. Біорізноманіття мікроорганізмів. Мікроорганізми представляють величезне генетичне різноманіття і відіграють унікальну роль в екосистемах як основні компоненти харчових ланцюгів і біогеохімічних циклів. Поки описано менш 5 % існуючих мікроорганізмів. Будуть розвиватися нові методи й технології дослідження мікроорганізмів, інформаційні бази даних по мікробіологічному різноманіттю.

9. Прісноводне біорізноманіття. Цей напрямок включає дослідження самих різних організмів від мікроскопічних бактерій до великих птахів і ссавців, їх структурно-функціональних зв'язків, особливостей і процесів, що визначають втрати біорізноманіття в прісноводних екосистемах. Будуть проведені дослідження впливу діяльності людини й глобальних змін навколишнього середовища на біорізноманіття прісноводних екосистем, і на їх основі буде уточнена роль цих екосистем для людства.

10.Роль людини в керуванні біорізноманіттям. Значні зусилля, спрямованих на покращення якості життя (виробництво їжі та волокон, будівництво й виробництво різних споживчих товарів, організація місць відпочинку), мали негативні наслідки для глобального біорізноманіття. У цей час людство відіграє ключову роль у зміні екосистемних процесів, і різні форми його діяльності нерідко є вирішальними у функціонуванні екосистем, збереженні біорізноманіття і його стійкому керуванні. Проведені дослідження повинні сприяти чіткому визначенню можливостей людини в керуванні біорізноманіттям.

Це напрямок досліджень повинен:

ü активізувати одержання й узагальнення наукової інформації, необхідної для розуміння залежностей між культурою різних груп населення й біорізноманіттям;

ü для оцінки добробуту людей у взаємозв'язку з ростом населення й динамікою біорізноманіття;

ü для аналізу надзвичайно складних шляхів, яке минулі й сучасні суспільства управляли й управляють біорізноманіттям;

ü для оцінки можливостей залучення різних верств населення до збереження й стійкого керування ресурсами біосфери.

Сьогодні ми спостерігаємо, як результати наукових досліджень в області вивчення біорізноманіття визначають стратегію державної політики, тому фахівці – географи, біологи й екологи, що виходять зі стін університетів, повинні бути всебічно підготовлені до виміру й оцінки біорізноманіття.

 

Розділ 2. Рівні біорізноманіття

Біологічне різноманіття може розглядатися на декількох рівнях організації життя:

v Молекулярному;

v Генетичному;

v Клітинному;

v Таксономічному;

v Екологічному й інших.

 

2.1.Системна концепція біорізноманіття

В остаточному підсумку кожна наука – систематизоване знання й створення раціональної системи досліджуваних об'єктів – неодмінне завдання всіх природних дисциплін.

Відповідно до сучасних уявлень, можна розрізняти кілька рівнів організації життя (молекулярний, генетичний, клітинний, організмений, популяційний, екосистемний, біосферний), кожний з яких володіє властивим йому специфічним біорізноманіттям.

При визначенні сутності живого із системних позицій, живе разом з іншими його властивостями потрібно розглядати як дискретні матеріальні системи й комплекси систем.

Концепція про живе як про системи взаємодіючих частин розвивалася трьома шляхами:

Перший шлях: формування знань про взаємодію частин, що складають організм, тобто пізнання організму як цілого.

Другий шлях: розвиток уявлень про вид як взаємозв'язок індивідів.

Третій шлях: розвиток суджень про взаємини різних видів, що живуть спільно.