12.1. ПОНЯТОЕ ЭКОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Экология

Это наука об отношениях растительных и животных организмов в сообществах, образуемых ими между собой и с окружающей средой (О.В. Богданович, 2002). В определении О.В. Богдановича имеются два существенных недостатка: отсутствие в цепи взаимоотношений со средой человека как главного звена в экологическом треугольнике взаимодействия: человек – флора и фауна – неорганическая среда. В конечном итоге экологический эффект от взаимодействия трех составляющих среды сводится к взаимодействию генотипа человека, растения и животного с факторами неорганического мира.

Число факторов, оказывающих отрицательное или положительное экологическое влияние на человека и природу, постоянно возрастает, особенно за счет расширения количества факторов техногенной природы.

Резкие колебания напряженности факторов внешней среды, особенно мутагенных, таких как тяжелые металлы, радионуклиды, свободные радикалы, запредельные дозы облучения видимыми и невидимыми участками спектра солнечного света и радиоволн, потоками протонов, нейтронов и других элементарных частиц, оказывают стимулирующее или угнетающее воздействие на человека, растения, животных и микроорганизмы, положительное или отрицательное воздействие на их генетическую систему, мутагенные изменения в наследственности.

Масштабы отрицательных экологических последствий во всем мире в настоящее время достигли такого уровня, что стали причинами крупнейших экологических катастроф и угрожают самому существованию людей и цивилизации в целом. На первое место вышли масштабные поражения человека и природы продуктами ядерных взрывов и аварий на атомных электростанциях, утечки химических соединений, потери нефтепродуктов, применения средств химической защиты растений от вредителей и болезней. Чернобыльская катастрофа была самой большой в ряду многочисленных аварий на атомных электростанциях всего мира. Значительно уменьшилась экологическая опасность от химизации сельского хозяйства в России в связи с резким снижением объемов применения средств химизации в условиях так называемого реформирования отрасли. Разработанные в России меры по защите человека и природы от опасного воздействия экологических факторов проводятся на основе утвержденной Правительством Экологической доктрины Российской Федерации.

12.2. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКТРИНА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Дальнейшая деградация природных систем ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее целостности и способности поддерживать качество окружающей среды, необходимое для жизни людей. Преодоление кризиса возможно только на основе формирования нового типа взаимоотношений человека и природы, исключающих возможность разрушения и деградации природной среды. Ее сохранение и восстановление должно быть одним из приоритетных направлений деятельности государства и общества.

В Экологической доктрине определены основные факторы деградации природной среды на мировом уровне и в Российской Федерации. К важнейшим факторам мирового уровня относятся: рост потребления природных ресурсов при сокращении их запасов; увеличение численности населения планеты Земля при сокращении территорий, пригодных для проживания людей; возможное изменение климата и истощение озонового слоя земли; возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф; продолжающиеся военные конфликты и террористические акты.

К числу основных факторов деградации природной среды Российской Федерации относятся: преобладание ресурсодобывающих и ресурсосодержащих секторов в структуре экономики; низкая эффективность природопользования и охраны окружающей среды; резкое ослабление управленческих и прежде всего контрольных функций государства в области природопользования и охраны окружающей среды; высокая доля теневой экономики в использовании природных ресурсов; низкие технологический и организационный уровни экономики, высокая степень износа основных фондов; последствия экономического кризиса и невысокий уровень жизни людей; низкий уровень экологического сознания и экологической культуры населения страны.

Все указанные факторы должны учитываться при проведении в Российской Федерации единой государственной политики в области экологии.

12.2.1. Стратегическая цель,
принципы и основные направления
государственной политики в области экологии

Стратегической целью государственной политики в области экологии является сохранение природных систем, поддержание их целостности и жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни, улучшения здоровья населения и демографической ситуации, обеспечение экологической безопасности страны.

Государственная политика в области экологии базируется на следующих принципах: признание невозможности развития человеческого общества при деградации природы; приоритетности жизнеобеспечивающих функций биосферы по отношению к прямому использованию ее ресурсов; отказа от хозяйственных и иных проектов, связанных с воздействием на природные системы, если их последствия непредсказуемы для окружающей среды; предотвращение негативных экологических последствий в результате хозяйственной деятельности, учет отдаленных экологических последствий; открытость экологической информации; участие гражданского общества, органов самоуправления и деловых кругов в подготовке, обсуждении, принятии и реализации решений в области охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Из главной стратегической цели, принципов и научных разработок вытекают основные направления государственной политики и приоритетные направления деятельности всех государственных и иных структур и движений по обеспечению экологической безопасности Российской Федерации при разработке и осуществлению методов, путей и средств реализации государственной политики в области экологии.

Главными из них являются: обеспечение устойчивого природопользования; снижение загрязнения окружающей среды и ресурсосбережение; сохранение и восстановление природной среды; предотвращение и снижение экологических последствий чрезвычайных ситуаций; предотвращение терроризма, создающего опасность для человека и окружающей среды; нормативно-правовое обеспечение и правоприменение.

Важнейшиминаправлениями деятельности государства в области) обеспечения экологической безопасности страны являются научно! обеспечение и контроль над использованием и распространением чу« жеродных видов и генетически измененных (модифицированных^ организмов. В экологической доктрине Российской Федерации этим проблемам уделено значительное место.

12.2.2. Научное обеспечение доктрины

Основными задачами научного обеспечения по защите окружаю-i щей среды являются получение и эффективное использование новых научных знаний об экологических основах устойчивого развития; выявление экологических рисков, порожденных развитием обществ ва, а также природными процессами и явлениями. Важнейшими направлениями научного обеспечения экологической безопасности страны л доктрине определены: формирование теоретических и технологических основ перехода к устойчивому развитию Российской Федерации; разработка экологической составляющей стратегического прогноза развития России; изучение возможного глобального и регионального изменения климата и его последствий для природной среды. К ним относятся также: разработка экологически эффективных и ресурсосберегающих технологий, производств, видов сырья, материалов, продукции и оборудования; формирование научных принципов и технологий использования возобновляемых энергетических, биологических и иных источников и ресурсов, обеспечивающих их устойчивое воспроизводство; разработка эффективных методов сохранения биологического разнообразия; создание научных основ определения экологических рисков в целях создания системы управления качеством природной среды. Крайне важными являются также: разработка средств и методов предупреждения и ликвидации загрязнений, реабилитации окружающей среды и утилизации опасных отходов; изучение связи между заболеваниями людей и изменениями качества окружающей среды; разработка современных методов экологического мониторинга, а также информационных технологий. В состав основных задач входят также: разработка методологии и методов эколого-экономической оценки для использования при принятии решений в различных отраслях экономики Российской Федерации.

С учетом большой обеспокоенности общественности многих стран мира по поводу возможных отрицательных экологических последствий при использовании современных методов биотехнологии и биоинженерии в народном хозяйстве в разделе научного обеспечения экологической безопасности России предусмотрен специальный пункт, в котором содержится порядок анализа распространения чужеродных и генетически измененных видов живых организмов и разработка соответствующих методов контроля и снижения негативных последствий этих процессов.

12.2.3. Экологическое образование и просвещение

Их целью является повышение экологической культуры населения, образовательного уровня и профессиональных навыков и знаний в области экологии. Реализация этой задачи должна осуществляться на основе выполнения следующих основных мероприятий: создание государственных и негосударственных систем непрерывного экологического образования и просвещения; включение вопросов экологии в учебные планы на всех уровнях образовательного процесса; подготовка и переподготовка в области экологии педагогических кадров для всех уровней системы образовательного процесса и просвещения; государственная поддержка деятельности образования и просвещения; развитие системы подготовки в области экологии руководящих работников различных сфер производства, экономики и управления, а также повышения квалификации специалистов природоохранных служб, правоохранительных и судебных органов; поддержка и публикация материалов по вопросам экологии в средствах массовой информации.

12.2.4. Биотехнология и биоинженерия –
стратегические резервы для увеличения производства
продовольствия и экологически чистой продукции

Трансгеноз биологических объектов, их генетическая трансформация относится к разряду высоких технологий, используемых для получения устойчивых к биотическим и абиотическим факторам среды растений, животных и микроорганизмов с высокими функциональными и качественными показателями. За последние 20 лет биотехнология, используя рекомбинантные ДНК, превратилась в неоценимый новый научный метод исследования и производства продукции сельского хозяйства. Это беспрецедентное проникновение мысли ученых в глубины генома на молекулярный уровень. Его следует рассматривать как одно из важнейших направлений на пути бесконечного познания природы. Рекомбинантные ДНК позволяют селекционерам отбирать и вводить в растения гены «поодиночке», что не только сокращает время исследований по сравнению с традиционной селекцией, но и дает возможность получать «полезные» гены из самых разных видов растений. Генетическая трансформация сулит огромную пользу для производителей сельскохозяйственной продукции, в частности, повышения устойчивости растений к насекомым – вредителям, болезням и гербицидам (Н.Э. Борлауг, 2004).

В 2002 г. трансгенные сорта дали в мире сельскохозяйственной продукции на 1,8 млрд т больше, чем обычные на тех же площадях, при этом пестицидов использовано на 21 тыс. т меньше, а доходы увеличились на 1,5 млрд долларов США. Кроме финансовой прибыли выращивание ГМО имеет ощутимые социальные и экологические выгоды и последствия: сокращаются расходы на производство сельскохозяйственной продукции, снижается химическая загрязненность воды и почвы (А.П. Ерминсен, 2004).

Направленный перенос генов других видов генетического материала из генома растений-доноров в геномы растений-реципиентов при соблюдении оптимальной технологии сопровождается получением ГМО с заданными свойствами. На первом месте в этих работах стоит задача получить генетически устойчивые к наиболее опасным вредителям и болезням растений и животных, возделывание и содержание которых возможно без применения или при резком сокращении объемов химических средств защиты, что обеспечит получение экологически чистой продукции. Посевы трансгенных растений в мире, главным образом, в США, Канаде, Аргентине, Китае и Индии составляют уже более 105 млн га, из них 71 % составляют трансгенные растения, устойчивые к гербицидам, 22 % – устойчивые к вредителям, остальные 7% – устойчивые к болезням. Более половины посевов сои в мире заняты трансгенными сортами, кукурузы – свыше 25 %, остальные площади заняты трансгенным хлопчатником, картофелем, рапсом и томатами. В России, до настоящего времени нет ни одного гектара посевов трансгенных растений.

В мире, в том числе в России, получены трансгенные коровы, овцы, свиньи, кролики, птица, обладающие повышенной устойчивостью к болезням, способностью вырабатывать фермент хитозин в молочной железе, гормон роста соматотропин и другие биологически активные вещества, повышающие продуктивность скота и качество продукции.

Основное беспокойство людей, главным образом, в странах ЕС вызывает широко распространенное в средствах массовой информации мнение о генетическом риске и опасности для здоровья человека продуктов питания, полученных из генетически модифицированных организмов – растений и животных. Из более чем 30-летней практики получения и использования ГМО в мире не было случаев гибели или нанесения ущерба здоровью людей или экологии среды от создания, распространения или использования трансгенных организмов. Беспокойство, опасения и категорические возражения против ГМО в ряде стран ЕС связано с неподтвержденными фактами сообщений СМИ о гибели и заболеваниях людей и нанесении большого ущерба природе. Наоборот, широкое использование трансгенных технологий в сельскохозяйственной науке и практике позволяет создавать генетически контролируемые системы высокой устойчивости в растениеводстве, животноводстве, переработке, хранении и использовании пищевых продуктов, резко сократить применение пестицидов в сельскохозяйственном производстве, свести до минимума пестицидную нагрузку на человека и окружающую среду, стратегически решить эту сложную и важную проблему на перспективу.

Нынешнее сокращение объемов применения пестицидов и минеральных удобрений, связанное с резким уменьшением их производства в России, вызвано проводимыми в стране реформами промышленности и сельского хозяйства и привело к сокращению объемов валового производства сельскохозяйственного производства почти в два раза и является одной из причин потери Россией продовольственной безопасности. При восстановлении Технологических регламентов в сельском хозяйстве и использовании новейших научных достижений, втом числе ГМО растений и животных, в стране будет восстановлен прежний уровень производства продовольственных продуктов при одновременном решении экологической безопасности сельского хозяйства.

В растениеводстве применяются также нетрансгенные биотехнологии, снижающие уровень загрязнения среды и повышающие экологическую биобезопасность территорий и производства, Среди них наиболее эффективными являются технологии создания и применения биопрепаратов, полученных на основе грибковых, вирусных и бактериальных антагонистов патогенов, вырабатывающих специфические белки, втом числе ферменты, противодействующие развитию патогенных возбудителей болезней и распространению опасных вредителей сельскохозяйственных растений. Во многих странах, в том числе в и России, выявлены многие штаммы грибов и бактерий, виды насекомых – антагонистов возбудителей болезней и вредителей. С их помощью резко снижается уровень поражения посевов картофеля колорадским жуком, хлопчатника – совкой, овощных культур в теплицах – белокрылкой, различных вредителей в садах с использованием трихограммы. Выпускаемые биопрепараты и в целом биологические методы борьбы с вредителями и болезнями пока не обладают достаточной эффективностью и их применение в сельском хозяйстве России весьма ограничено. Отрицательное влияние на развитие биометода в аграрном секторе экономики оказали также проводимые реформы, которые привели к разрушению созданных ранее биофабрик и предприятий по выпуску автоматизированных линий по производству трихограммы, антрактантов и репеллентов, бактериальных и грибных препаратов по борьбе со склеротиниозом и фомопсисом на подсолнечнике и др.

Выпуск генно-инженерных моно- и поливалентных вакцин для профилактики и терапии опасных болезней в животноводстве также крайне ограничен. Выпускаются в больших количествах только вакцины и другие биопрепараты для профилактики и лечения таких особо опасных болезней, как ящур, сибирская язва, сап, бешенство, холера. Не решены проблемы защиты скота от туберкулеза, лейкоза, других онкологических заболеваний.

Резко сократились работы по синтезу, производственной проверке и применению в производстве синтетических регуляторов роста и развития растений, обладающих эффектом их иммунизации. Объем применения природных фитогормонов и синтетических препаратов – стимуляторов и ретардантов в сельском хозяйстве России резко сократились, обработка посевов зерновых против полегания растений ретардантом «ССС» практически прекратились, тогда как до проведения аграрных реформ она достигала 11 млн га в год.

Большое экологическое значение в сельскохозяйственном производстве имеет биоконверсия органических отходов, переработка их на биогаз и удобрения, используемые на производственные и бытовые нужды и повышение плодородия почв. На первом месте в мире по использованию биогаза, получаемого из навоза свиней и других видов скота, стоит Китай. Около 80 % крестьянских хозяйств имеют у себя малогабаритные биогенераторы (метантенки) кустарного производства, рассчитанные на переработку суточного выхода навоза. Получаемый при этом газ – метан используется на месте для отопления, нагрева воды и т.п. Проблема конверсии навоза для России является спорной. На 120 млн га российских низкоплодородных деградированных почв навоз необходим как главное средство повышения их плодородия и восстановления структуры. Особенно эта проблема обострилась в условиях ликвидации более чем на 50 % поголовья крупного рогатого скота и на 70 % поголовья овец и свиней. Для бездефицитного по гумусу и плодородию почв ведения растениеводства в расчете на каждый гектар пашни необходимо вносить ежегодно не менее 10–15 т навоза, а фактически вносится в настоящее время 1,5–2,0 т органических удобрений. Наряду с расширением посевов бобовых культур, использованием сидеральных удобрений он является решающим фактором биологизации земледелия и решения проблемы экологической безопасности в агропромышленном производстве.

С другой стороны, при бесхозяйственном ведении животноводства и растениеводства, избыточного накопления навоза возле ферм и особенно возле животноводческих комплексов, при неправильном его хранении, смыва его в водоемы и овраги происходит загрязнение территорий, проникновение жидкой фракции навоза в подпочвенные воды и водоносные горизонты, чем создается огромная опасность загрязнения всех водных источников инфекциями, болезнетворными микроорганизмами. Строительство современных биологических очистных сооружений требует огромных финансовых и материальных затрат и не решает в полной мере проблемы экологической безопасности.

Новейшие разработки биотехнологии России для решения экологических проблем были широко продемонстрированы на Московских международных биотехнологических конгрессах в 2003, 2004 и 2005 годах. Важнейшими направлениями указанных разработок были методы и технологии биоремедиации загрязненных природных и техногенных сред. Они основаны на использовании специализированных биопрепаратов, представляющих собой популяции микроорганизмов одного или нескольких штаммов деструкторов (Н.Б. Градова, И.И. Щеблыкин с соавт.); агротехнических методов стимуляции активности природных микроорганизмов деструкторов; использовании фиторемедиации, стимуляции ризосферных микроорганизмов, стимулирующих в свою очередь рост растений (О.В. Туровская с соавт., Боуспаев с соавт., В.М. Кадошников и др.)

Разработано второе поколение биоремедиационных технологий. Созданы специальные установки – биореакторы для предварительной обработки сильно загрязненных сред нефтепродуктами, в которых создаются оптимальные условия для развития как природных, так и индуцированных микроорганизмов-деструкторов (И.Н. Щеблыкин с соавт., Т.Н. Кондращенко с соавт.).

Новое поколение биопрепаратов характеризуется использованием иммобилизованных микроорганизмов на органических и неорганических биосорбентах (Розанова с соавт., Т.Н. Кондращенко с соавт., Т.В. Сахно с соавт.). Новейшие препараты, созданные для этих целей, содержат элементы минерального питания, витамины, компоненты – переносчики кислорода (А.В. Леднев, Курсинов с соавт.).

Осуществлена модификация биологических методов очистки сточных вод за счет использования иммобилизационных клеток и совместного применения аэробных и анаэробных условий (НА. Залетова), биосорбентов, формирования активного ила в микрогранулы (Н.С. Сироткин и др., Г.И. Шагинурова и др.), использования анаэробных биоректоров с глинистыми полиэтиленовыми пластинами для образования биопленок и иммобилизации клеток активного ила (Д. Вантер). Разработана гибридная технология для биодеструкции ксенобиотиков (О.В. Турковская с соавт.).

Для очистки газовоздушных выбросов созданы биокатализаторы на основе иммобилизационных клеток и новых конструкций биореакторов (А.А. Попов с соавт.).

В области переработки и утилизации отходов вместо дорогостоящих энергоемких и неэкологичных методов сжигания предложена технология получения удобрений с использованием аэробной ферментации или анаэробной трансформации органических компонентов (Б.А. Горлецкий и др., Сильман). Имеется технология получения из твердых отходов биопластика для производства древесно-стружечных плит(Е.А. Прутенская,Т.Н. Кондращенко с соавт.), разработана гетерофазная технология переработки целюлозо- и крахмалсодержащего сырья с получением белково-углеводных кормовых продуктов (А. В. Васильев и др.).

Разработаны методы биотестирования биоремедиационных технологий и генотаренкантов. Для мониторинга трансгенных микроорганизмов предложена методика оценки их стабильности при использовании в качестве маркера клонированных в плазмиды Ьих-генных бактерий.

Развиваются исследования в области микробиологической коррозии различных материалов, биодеструкции бетонных контейнеров для хранения радиоактивных отходов. Получены микробиологические вещества для защиты целлюлозосодержащих материалов (В.И. Сухаревич с соавт.)

Биодеградация отходов сельскохозяйственного производства, как и других отраслей народного хозяйства, а также городского мусора приобретает в современных условиях все большее значение и масштабы. При прогнозируемом увеличении численности населения на земле до 12 млрд человек количество отходов производства и мест проживания людей достигнет двух-трехкратного увеличения. Цивилизация может утонуть в них. Поэтому научно-технические разработки в этой области должны быть под постоянным государственным контролем при финансовой и материально-технической поддержке.

 12.2.5. Приостановка деградации почв,
восстановление и повышение их плодородия

Сокращение в 3 раза внесения в почву органических удобрений в течение 15 лет перестройки и реформирования сельскохозяйственного производства России, уменьшение площадей под бобовыми культурами, нарушение севооборотов и технологии возделывания сельскохозяйственных культур привело к усилению деградации почв, уменьшению на 1,5–2,0 % содержания гумуса в них и уменьшению валового производства продукции сельского хозяйства почти в два раза. Поэтому восстановление почвенного плодородия во всех зонах сельскохозяйственного производства является особо важной стратегической задачей науки и производства, в том числе за счет развития биологического земледелия. Основным фактором биологизации является увеличение производства и внесения органических удобрений в почвы как минимум в 3 раза по сравнению с нынешним уровнем, расширение посевов бобовых культур в севооборотах не менее чем в 10 раз, использование высокоэффективных трансгенных штаммов азотфиксирующих клубеньковых и ассоциативных микроорганизмов. Доля биологического азота в земледелии может и должна быть доведена до 50 % его общей потребности для производства необходимых стране объемов растениеводческой продукции. При этом экологическая ситуация в АПК резко улучшится за счет сокращения использования технического азота и уменьшения содержания нитратов в продовольственной овощной и другой продукции.

12.2.6. Биотехнологнческне методы улучшения
экологической обстановки в животноводстве

Острота экологической проблемы в использовании навоза в сельском хозяйстве России снизилась в связи с ликвидацией половины поголовья скота и резким сокращением производства органических удобрений, что ставит на грань катастрофы выполнение задачи по восстановлению продовольственной безопасности государства. Но это временное явление. В перспективе будет восстановлено в стране поголовье скота, и объемы производства животноводческой продукции, и выход органических удобрений. Для обеспечения биологической безопасности с их использованием должно быть гарантировано выполнение разработанных наукой технологий по производству, хранению и использованию навоза и других органических удобрений, сохранению в них стандартных количеств действующего вещества, к обеззараживанию навоза, компостов и сточных вод, недопущению загрязнения навозом и продуктами его разложения жилых территорий и водных источников, организации переработки части навоза и твердых отходов населенных пунктов на биогаз. Отношение к навозу и другим органическим удобрениям в сельском хозяйстве должно быть восстановлено и доведено до уровня особо важных производственных, экологических и экономических проблем.

Вторым экологически важным и эффективным средством в животноводстве является генетическая инженерия. На ее основе создаются устойчивые к опасным болезням трансгенные животные крупного рогатого скота, овец, свиней, коз, кроликов, птицы, не нуждающиеся в обработке химическими средствами защиты от вредителей и опасных болезней (JI.K. Эрнст). Важнейшим направлением генной инженерии сельскохозяйственных животных является создание трансгенных организмов, способных продуцировать биологически активные вещества для использования в медицине, ветеринарии и технологиях переработки продукции сельского хозяйства. Многие биологически активные вещества, необходимые для человека, могут продуцироваться только животными, втом числе трансгенными многоклеточными организмами, в частности, позвоночными и прежде всего, млекопитающими, что связано с белковосинтезирующей функцией их молочных желез, особенно крупного рогатого скота. Разработаны технологии получения таких веществ на базе использования культур трансгенных клеток вне организма.

В последние годы возникло новое направление в получении трансгенных животных. Использование специальных векторов позволяет интегрировать чужеродную генную конструкцию не во все клетки организма, а в определенные клеточные популяции организма, например в секреторные клетки молочной железы. Это позволяет сделать животное продуцентом определенных биологически активных веществ без изменения в целом его генома. Такие животные способны продуцировать в молочной железе коров, коз, свиней эритропоетин человека – ценнейший лекарственный препарат.

В ВИЖе совместно с профессором Т. Бремом (Германия) ведутся работы по получению животных для ксенотрансформации клеток и органов. Предварительные результаты подтвердили перспективность этого направления биотехнологии.

В целом экологическая безопасность животноводства может быть обеспечена при быстром развитии генно-инженерных и других исследований, на основе которых будет успешно решена проблема создания высокопродуктивных, устойчивых к опасным болезням животных, обеспечения животноводства высококачественными, обогащенными белками и незаменимыми аминокислотами, создание оптимальных условий среды при содержании скота. Эта важнейшая отрасль находится в запущенном, катастрофическом состоянии. Страна обеспечена продуктами животноводства собственного производства только на половину.

12.3. ЛИКВИДАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ
РАДИАЦИОННЫХ АВАРИЙ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
И ДРУГИМИ МЕТОДАМИ

Радиация является неблагоприятным фактором жизни человека. За счет естественных источников ионизирующего излучения, по оценкам ООН, среднегодовая эквивалентная доза надушу населения от всех естественных (космического и земного происхождения) источников радиации составляет 2,4 м Зв (10^-3 единицы измерения – Зиверта).

Большие дозы радиации вызывают серьезные поражения тканей и даже их гибель, а малые дозы могут вызвать рак и индуцировать генетические эффекты, которые могут проявляться у детей и внуков человека, подвергшегося облучению. В своих оценках последствий облучения Комитет НКДАР ООН отмечает, что «... не существует никакой пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком» и что «...вероятность или риск заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения...». В связи с этим важнейшим выводом во многих странах мира, в том числе и в Российской Федерации, законодательно установлена максимально допустимая доза облучения населения (сверх естественного и техногенного радиационного фона для данной местности) – 1 мЗв (Б.Н. Анненков, А.В. Егоров, Р.Г. Ильязов).

Чрезвычайные ситуации по резкому повышению радиационного фона на Земле за счет выброса огромной массы радионуклидов и загрязнения ими обширных сельскохозяйственных и промышленных территорий происходили при авариях на атомных электростанциях: Южно-Уральской (1957), в Ундкалле, США (1957), на Чернобыльской АЭС (1986), а также в результате многочисленных испытаний ядерного оружия. Катастрофические последствия аварий и испытаний, особенно авария на Чернобыльской АЭС, коренным образом изменили отношение науки, общества и лидеров всех стран мира к проблеме использования ядерной энергии и обеспечения ее биобезопасности. Важнейшими в этой связи являются три проблемы: создание новых ядерных реакторов с высочайшей степенью надежности и безопасности; оптимизация структуры энергетического баланса; обеспечение биозащиты и биобезопасности человека и природы в чрезвычайной радиационной ситуации. Безопасность использования продукции сельского хозяйства для питания людей, кормления скота, защита всего АПК, перерабатывающей промышленности становятся острейшими проблемами науки, производства и всех государственных структур. Биологические и сельскохозяйственные научные учреждения и организации выполнили за многие годы огромный объем исследований по важнейшим направлениям радиационной биологии и разработок технологий, обеспечивающих снижение отрицательных последствий загрязнения территорий и производимой сельскохозяйственной продукции.

Начало всем этим работам было положено созданием в 1947 году по предложению академика И.В. Курчатова Биофизической лаборатории Тимирязевской сельскохозяйственной академии (БФЛ ТСХА) под руководством академика ВАСХНИЛ В.М. Клечковского. Национальные лаборатории и другие научные учреждения такого профиля были созданы в США, Франции и других странах. В ВАСХНИЛ был создан и успешно работает НИИ сельскохозяйственной радиологии.

Обстоятельно разработаны фундаментальные основы поведения радионуклидов в почвах и растениях, закономерности их метаболизма; последствия влияния ионизирующих излучений на растения и животных; разработаны мероприятия по снижению ущерба и ликвидации последствий радиационного поражения в сельском хозяйстве в ранний и отдаленный периоды после поражения. Разработаны агротехнические и агрохимические приемы снижения поступления радионуклидов в урожай различных сельскохозяйственных культур, показана высокая активность поглощения радионуклидов из почвы растениями семейства бобовых, выявлена относительная «безопасность» молочной продукции по сравнению с мясной по накоплению в них радионуклидов. Разработаны и применяются рекомендации по особенностям летнего и зимнего кормления скота на пастбище и в помещении, предотвращению всасывания радионуклидов в пищеварительный тракт, прижизненному «очищению» животных от радионуклидов, накопленных в организме; механической очистке радионуклидов, термической обработке продукции, технической ее переработке.

Выявлены сортовые и видовые особенности сельскохозяйственных культур по накоплению радионуклидов в растениях и выданы рекомендации по их практическому использованию. К сожалению, многие острейшие проблемы действия и последствия радиационного облучения и загрязнения сельскохозяйственных территорий особенно основными дозообразующими радионуклидами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs остаются нерешенными, что усугубляет общую ситуацию с восстановлением загрязненных территорий, здоровья и миграции населения и предотвращением опасных генетических нарушений в последующих поколениях людей.

Генетические мутации и хромосомные аберрации в зонах радиационных катастроф в настоящее время возросли в несколько раз по сравнению с периодом естественного радиационного фона. В последующих поколениях людей и генераций растений и животных их количество еще более возрастет. Число раковых заболеваний среди населения в этих районах достигло пяти-шестикратного увеличения. Биотехнологами совместно с медиками, фармацевтами и биохимиками получены и проходят клинические испытания десятки противоонкологических препаратов для лечения раковых опухолей, особенно из морских организмов. Но эффективность большинства из них остается невысокой. Особую надежду генетики и генные инженеры медицинского профиля возлагают на генотерапию и использование стволовых клеток, пересадки костного мозга, позволяющих устранить генетические дефекты в молекулах ДНК, во всем геноме облученного организма при пересадке небольших количеств здоровых, нормальных клеток.

Возможна селекция растений с повышенной устойчивостью к радиационному облучению, к накоплению радиоклидов в вегетативных и генеративных органах. Генофонд таких растений по ряду культур уже выявлен. Необходимо разработать государственную программу по этой проблеме и обеспечить ее финансовую поддержку. Крупный государственный инновационный проект должен быть создан и по получению трансгенных растений и животных с измененным геномом, обеспечивающих резкое снижение уровня наполнения радионуклеидов в продовольственной части урожая.

Разумеется, никакие биологические структуры неспособны выдержать радиационное облучение в дозах, превышающих их естественные пределы. Поэтому главным условием биобезопасности существования человека и природы являются строжайшие требования к конструированию и эксплуатации всех источников радиации – ядерных реакторов и систем их обеспечения, полного запрета на производство и испытания ядерного оружия, запрета атомной энергетики и замены ее возобновляемыми экологически чистыми видами энергии – водородной, солнечной, биологической.

12.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУЧЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

Экологически чистое растениеводство предусматривает соблюдение следующих важнейших условий:

• оптимальное соотношение биологических и техногенных факторов производства с постепенным расширением этого показателя в сторону биологизации;
• создание нового поколения генетически трансформированных (трансгенных) растений и животных, комплексно устойчивых к опасным вредителям и болезням;
• восстановление до оптимального уровня почвенного плодородия сельскохозяйственных угодий, главным образом за счет повышения содержания гумуса в почвах;
• идентификация и максимальное использование насекомых и микроорганизмов, являющихся антагонистами для вредных организмов (патогенных грибов, микроорганизмов и насекомых);
• сведение до минимума применения пестицидов и гербицидов с учетом эффективности и предельно допустимыхдоз применения;
• наведение жесткого порядка в использовании и хранении удобрений, средств защиты растений и нефтепродуктов, строжайший контроль за соблюдением технологий их применения.

Перечисленные принципы обеспечения экологической безопасности в сельском хозяйстве должны быть заложены во все технологии производства сельскохозяйственной продукции.

Отсутствие отечественного производства средств защиты растений от вредителей и болезней, разрушение отрасли сельскохозяйственного машиностроения явилось главной причиной закупки за рубежом технологий производства сельскохозяйственной продукции – картофеля, льна, кукурузы, овощей с применением больших доз пестицидов и гербицидов, что ведет к ухудшению экологической ситуации в сельском хозяйстве России. В то же время отечественные технологии возделывания указанных культур с оптимальными дозами химических средств защиты имеют значительное преимущество перед зарубежными в экологическом отношении. Доработка их с учетом перечисленных выше принципов и требований обеспечит экологическую безопасность их применения в растениеводстве и животноводстве. В этом важном деле есть определенные пределы возможностей.

Сокращение объемов химической защиты растений и животных возможно только при повышении качества и объемов применения биологических методов защиты, их эффективности. Для достижения этой цели требуется коренным образом улучшить исследования по биологическим методам защиты растений и животных, добиться выявления и использования новых видов антагонистов вредных организмов, создания на их основе новых высокоэффективных биопрепаратов для растениеводства и животноводства таких, как агата 25 (биовит) для обработки посевов озимой пшеницы, гумикапа в борьбе с комплексом болезней зерновых культур, лепидоцида на посевах кукурузы, битоксибацилина с малыми дозами ингибиторов синтеза хитина против личинок колорадского жука, энтомокариофагов в комплексной системе биозащиты тепличных культур от вредителей и других хищных аригофагов в теплицах, энкарзина и апплауда в борьбе с оранжевой белокрылкой и др.

Многие годы пропагандируется в России биологический метод защиты растений как важнейшее средство обеспечения экологической безопасности, главным образом, в растениеводстве. К сожалению, его масштабы и эффективность не отвечают интересам производства. Предстоит осуществить новый этап решения этой проблемы, мобилизовав для этого необходимые кадровые, финансовые и материально-технические ресурсы.

12.5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА

Характер взаимодействия организма (генотип) со средой определяется нормой его реакции на внешние воздействия, уровень напряженности и сочетания факторов, динамики их временных градиентов. Результат такого взаимодействия организмов и их сообществ со средой проявляется в морфогенных и морфофизиологических реакциях, количественных и качественных признаках на всех уровнях структурной и функциональной организации организмов, включая конечную величину их продуктивности, урожайности и качества.

Проблема вклада генотипа и среды в формирование количественных, качественных признаков организма и конечной величины продуктивности и урожайности растений и животных является спорной. Противоречия в оценках разрешаются при точном учете лимитирующих факторов и генетической нормы реакции.

Управление формообразовательным процессом, планирование и прогнозирование параметров количественных признаков растений, животных и конечных показателей их продуктивности и урожайности возможно и необходимо путем направленной селекции и регулированием напряженности факторов внешней среды агрохимическими и зоотехническими приемами.

Наибольшего эффекта в управлении формообразовательным и продуционным процессами можно достичь при использовании трансгенных технологий в селекции и автоматизированного направленного мониторинга за изменением факторов среды (особенно лимитирующих) и ответными ростовыми и другими реакциями организмов, отражающими их физиологическое состояние и результат взаимодействия организма и среды во времени и пространстве.

Для этого в системе Гидрометеоцентра Российской Федерации на метеостанциях должны быть организованы пункты постоянного мониторинга за показателями продукционного процесса, ходом формирования урожая посевами и выдачи сельскохозяйственным органам рекомендаций и предложений о необходимости и сроках проведения соответствующих агротехнических мероприятий.

В основе адаптивных реакций растений и животных в ответ на взаимодействие факторов внешней среды лежат физиолого-биохимические и морфофизиологические процессы, контролируемые и детерминируемые генами и генетическими системами. Расшифровкой действия этих генов и генетических систем и занимается сравнительно новая наука – экологическая генетика.

Основным предметом исследований экологической генетики в широком понимании этой области знаний является генетическая природа адаптивного потенциала организмов (А.А. Жученко, 2005). Из этого определения (дефиниции) возникают три принципиальных положения, определяющих ее место в системе новейших приоритетов.

1. Термин «генетика» определяет важное место нового научного направления в поиске и выявлении (идентификации) конкретных, эффективных генов и генетических систем, ответственных за адаптацию организмов к конкретным факторам среды и прежде всего стрессовым – биотическим и абиотическим. А так как в детерминации адаптивных реакций участвуют все или почти все гены, весь геном организма, то экологическая генетика заинтересована в структурном и функциональном их изучении, как и общая и частная генетика.
2. Термин «экологическая» означает не адекватную изменчивость генотипа под воздействием стрессовых и других факторов среды, а выявление наличия у генов и генетических систем функциональных возможностей, обеспечивающих проявление адаптивных реакций у растений и животных и их защиту от таких факторов и условий в пределах генетической нормы реакции. В случае отсутствия в геноме организмов таких генов и их систем возникает необходимость в трансформации существующих генотипов классическими селекционными методами или новейшими с использованием ДНК-технологий – трансгеноза и др.
3. Экологическая генетика включает в себя и трансгенные технологии, так как она не только объясняет в общем виде свою задачу по изучению природы комплементарности генотипа и среды как главной цели селекционного процесса, но участвует также в расшифровке механизмов этой комплементарности в постгранскрипционный период, между экспрессией генов и их систем и формированием количественных и качественных признаков создаваемых сортов,

В структуре экологической генетики культурных растений центральное место занимает та часть результатов генетическихисследований, которые, во-первых, связаны с управлением адаптивным потенциалом культурных растений как в отногенезе, так и филогенезе, а во-вторых, имеют непосредственное отношение к теории и практике стратегии адаптивной интенсификации сельского хозяйства (А.А. Жученко, 2005).

12.6. ЭПИГЕНЕТИКА В ЭКОЛОГИИ

В жесткую схему последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК как единственного механизма закрепления наследственности и проявления изменчивости организмов не вписываются многочисленные факты варьирования этих фундаментальных свойств организмов. Для их объяснения потребовался многолетний поиск иных механизмов, прямо или косвенно связанных со структурой и функционированием других структур, возникающих на основе ДНК. Наиболее продвинутым разделом генетики, объясняющим указанные выше факты, в настоящее время является эпигенетика.

Термин «эпигенетика» происходит от греч. epigenesis (epi – над, сверх, после и genesis – возникновение, происхождение...). Эпигенетика в отличие от классической генетики (менделизма) изучает вопросы наследственности не в статике (число единиц наследственности, их локализацию в хромосомах, анализ рекомбинационных событий, анализ нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК и РНК и др.), а в их динамике (изменения и новообразования, происходящие в самих единицах наследственности в ходе индивидуального развития особей).

Предмет эпигенетики – изменчивость единиц наследственности (в ядре и цитоплазме) и сопутствующая им изменчивость признаков и свойств особей на уровне целого организма. В отличие от классической генетики эпигенетику метафорически иногда называют «динамической генетикой» (С.И. Малецкий, 2005).

От понятия «преформизм» понятие «эпигенезис» отличается основополагающей сущностью – развитие при эпигенезе осуществляется путем новообразования из бесструктурной субстанции с оплодотворенной яйцеклеткой, а по определению преформистов – развитие происходит лишь путем повторения ранее заложенных метатеров и увеличения их размеров.

С понятием эпигенезиса тесно связано понятие эпигена – циклической системы генов, имеющей не менее двух режимов функционирования подчиненных ей генов и способной сохранять каждый из режимов в последовательном ряду поколений (В.И. Чураев, 1975).

Это определение расширяет представление о единицах наследственности: носителем наследственной информации, по Чураеву, являются не только порядок нуклеотидов в молекулах ДНК, но и дискретные состояния единиц наследственности в геноме прокариот (два режима их функционирования).

Очевидно, что не может быть единого определения эпигена для наследованных систем разного уровня сложности – вирусов, прокариот и эукариот. Если наследственное вещество у вирусов и прокариот – молекулы ДНК (или РНК), то у эукариот – хроматин. В свою очередь, элементарные единицы наследственности эукариот (гены и локусы) – это последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, а также композитные единицы наследственности эукариот, как эпигены, суперлокусы (гаплотипы) и хромосомы – это структурные компоненты хроматиновой нити. Эпиген для эукариот – это фрагмент хроматиновой нити, включающей один или неколько локусов и являющийся самостоятельной единицей наследственности и сегрегации.

К эпигенетической форме передачи наследственной информации, по мнению С.И. Малецкого, могут быть отнесены полимерные белковые молекулы, работающие как цифровые устройства в режиме 2/3 процесс (2 против 3 водородных связей в парах оснований А: Т и G:C). Аналоговая же форма информации «кодируется» особенностями структуры молекул или супермолекул. Белки представляют собой пример аналоговой формы хранения и передачи информации. В основе их взаимодействия с другими полимерными компонентами клетки лежит принцип «ключ–замок». В этом состоит коренное отличие пептидных полимеров и белков от полимеров нуклеиновых кислот (С.И. Малецкий, 2005).

Единицей наследственности и изменчивости всего генома может рассматриваться и клетка как биологическое образование, ограниченное мембраной и способное к саморепродукции. На уровне клетки осуществляются главные цитологические процессы – митоз, основа роста и регенерации организма, пролиферация и интеграция всех качеств в реализации адаптивного потенциала генома в конкретной экологической ситуации.

Наиболее значимым в настоящее время разделом эпигенетики является изучение процесса метилирования – насыщение молекул ДНК и РНК метальными группами. Метилирование обеспечивает присоединение метального радикала к свободным или замещенным валентным связям в полимерных молекулах ДНК и РНК, что придает ей и входящим в ее структуру генам повышенную экспрессию.

Химическая модификация хроматина, наследуемого в ряду спорофитных поколений как внутренними, так и внешними условиями, в том числе и метилированием. Метилирование цитозина в нуклеотидных парах C-G модифицирует структуру хроматина, но не затрагивает кодирующие свойства генов (транскриптов): гены с метилированным С-нуклеотадом кодируют те же самые полипептиды, что и гены без метилирования этих нуклеотидов. Передача эпигенетической информации в ряду клеточных поколений на уровне молекул ДНК (метилирование С-нуклеотидов) происходит при участии особых ферментов – метилаз поддержания. После репликации метилированного участка ДНК метилаза поддержки способна его найти, распознать и дометилировать комплементарную цепь, и в итоге получаются две комплементарные метилированные цепи ДНК (С.И. Малецкий).

В работах С.И. Малецкого (2005) показана высокая эффективность эпигенетической изменчивости и наследования признака раздельно-, сростноцветковости у сахарной свеклы. Данный тип изменчивости и наследования использован в селекции этой культуры на одноростковость, имеющей важное значение для резкого снижения затрат на производство сахарной свеклы.

В технологиях in vitro метилирование может найти широкое применение как дополнительный или основной источник изменчивости растений. В работах кафедры сельскохозяйственной биотехнологии Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева (Е.А. Калашникова, 2004) по клеточной селекции получены формы моркови, устойчивые к альтернарии, и яровой пшеницы – к септории, картофеля – к ризоктонии. Отборы проводились на селективных средах с токсином патогенных грибов. Измененные формы указанных культурных растений сохраняли устойчивость в патогенном потомстве. Природа этой устойчивости связана с сомаклональной вариабельностью, вызванной действием мутагенных факторов. Развитие работ по клеточной селекции растений в условиях in vitro потребует применения всех известных и новых эпигенетических методов трансформации. При отсутствии эффективных генов устойчивости метод эпигенеза позволит расширить масштабы трансформации и решить ряд ключевых задач по селекции растений на устойчивость к опасным грибным, бактериальным и вирусным болезням. Экологическое значение этих работ трудно переоценить. Это один из важных путей повышения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве. Эпигенетика вместе с генетической инженерией должна быть взята на вооружение во всех селекционных учреждениях России.

Заключение

Основными источниками экологического загрязнения в аграрной сфере России являются накопление органических отходов в сельскохозяйственном производстве; радиационные загрязнения территорий в результате атомных аварий, катастроф и использования атомного оружия, нарушений в технологии химизации земледелия и животноводства; возделывание неустойчивых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, требующих многократных обработок пестицидами.

Распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2002 г. № 1225р одобрена Экологическая доктрина Российской Федерации, в которой определяются стратегическая цель, задачи и принципы государственной политики в области экологии, основные направления, а также меры по научному обеспечению экологической безопасности Российской Федерации.

Разработаны методы и технологии по снижению отрицательных экологических последствий, вызванных загрязнением территорий и сельскохозяйственного производства органическими отходами, техногенными продуктами и радионуклидами. Существенное место среди них отводится трансгенным и биотехнологическим приемам, генетическим, эпигенетическим, эколого-генетическим, селекционным и другим методам, эффективность и масштабы применения которых являются пока недостаточными.

Решающее значение в ближайшей перспективе будут иметь трансгенные технологии, позволяющие решить проблему повышения устойчивости растений и других организмов к повышенным дозам факторов загрязнения среды, а главное – к биотическим стрессам и резко сократить загрязнение среды пестицидами и продуктами техногенного поисхождения.

Экологическая безопасность по своей остроте и значимости ставится сегодня в ряд важнейших приоритетов науки и государства наряду с энергетической, продовольственной, военной и другими видами безопасности. На ее решение должен быть выделен необходимый объем средств и материально-технических ресурсов.