Збереження різноманітності форм життя - найважливіша проблема, з якою зіткнувся сучасне людство. Ще Г. Гаузе довів, що стійкість співтовариства тим вище, чим більше число складових його видів. Отже, збереження біорізноманіття - єдиний механізм стабільності життя на Землі.
Крім того, щоб забезпечити харчуванням зростаюче населення нашої планети необхідно виведення нових, більш продуктивних сортів сільськогосподарських рослин, а для успішної селекції важливий постійний приплив генів з нових джерел. Традиційним джерелом генетичного матеріалу є дикі види рослин. Однак у зв'язку з розширенням міст, сільськогосподарських угідь, вирубкою лісів, погіршенням екології ці види поступово витісняються, а багато хто з них знаходяться на межі вимирання, тому їх необхідно зберегти.
Існує кілька способів збереження генофонду вищих рослин: заповідники, національні парки, банки насіння. Останнім часом велика увага приділяється створенню і розвитку нових способів: пересадочних колекцій калусних клітин, депонуванню культур клітин і, нарешті, кріозбереження, т. Е. Зберіганню об'єктів при дуже низькій температурі, зазвичай це температура рідкого азоту (-196 ° С). Кріозбереження має істотні переваги в порівнянні з іншими методами. При збереженні в глибоко замороженому стані повністю припиняється обмін речовин, відсутні значні фізико-хімічні молекулярні зміни не тільки в клітці, але і в навколишньому водному середовищі.
Генофонд і фактори, що впливають на нього. Генофондом називають закладену в організми генетичну інформацію, визначальну їх зростання і розвиток. Встановлено такі фактори, що впливають на генофонд організмів: ультрафіолетова (УФ) радіація, важкі метали, відходи промисловості. Вплив кожного з цих чинників може викликати зміни біологічних властивостей організму і навіть призводити до його зникнення.
В даний час екологічна обстановка на нашій планеті значно впливає на генетичний апарат багатьох живих організмів. Деякі види перебувають під загрозою зникнення. У зв'язку з цим проблема збереження генофонду рослин і тварин набуває особливого значення.
Традиційні способи збереження генофонду. Збереження різноманітності форм життя - найважливіша проблема сучасного людства. Вже давно доведено, що стійкість співтовариства тим вище, чим більше число складових його видів. Тому збереження біорізноманіття є єдиним механізмом забезпечення стабільності життя на Землі.
Традиційні способи - заповідники, ботанічні сади, колекції насіння рослин не позбавлені недоліків.
Так, заповідники не дають повної гарантії збереження всіх видів рослин які ростуть на їх території. Це зумовлено розширенням сільськогосподарських угідь і несанкціонованої вирубкою лісів (рис. 3.29).
У ботанічних садах зазвичай зберігаються тільки певні види рослин або окремі їх представники (рис. 3.30) .Все це робить необхідним створення нових способів для збереження різноманітності генофонду рослинних і тваринних організмів, а також людини, наприклад колекції насіння рослин (рис. 3.31) і збереження генофонду в умовах in vitro.
Збереження генофонду рослин в умовах in vitro. Даний прийом має на увазі використання колекцій: калусних культур рослин, а також рослин в пробірках і суспензійних культурах. Розробка методів культивування клітин і тканин в умовах in vitro дозволила використовувати їх для збереження генофонду різних рослинних об'єктів (рис. 3.32-3.34).
В Інституті фізіології рослин ім. К. А. Тімірязєва РАН (Москва) є велика колекція, що включає 182 одиниці зберігання, з яких 85 є калусних і суспензійними культурами, а 97 - рослинами в пробірках. Штами раувольфии (Rauwolfia serpentina) і женьшеню Panax ginseng підтримуються в цих умовах більше 40 років і зберігають властиві їм властивості, в тому числі здатність до синтезу біологічно активних сполук (алкалоїдів і стероїдів).
Депонування колекцій рослинних клітин in vitro.
В даний час розроблені методи так званого «депонування» колекцій, які дозволяють істотно подовжити період між пересадками культур. Це пов'язано з тим, що періодичне субкультівірованія клітинних культур рослин занадто багато роботи і вимагає значних витрат, як на виконання робіт, так і на приготування поживних середовищ для культивування.
Встановлено такі методи, використовувані для депонування:
- вирощування культур при низьких позитивних температурах (1-10 ° С) і слабкої інтенсивності освітлення (до 50 люкс);
- додавання до середовища осматика (маннита, сорбіту або підвищених концентрацій сахарози);
- зниження атмосферного тиску (до 0,5 мм рт. ст.);
-включення в живильне середовище речовин, що гальмують зростання культур, наприклад, абсцизовой кислоти (5-10 мг / л) або ССС (хлорхолінхлорид - 2 г / л);
- гіпоксія (вирощування під шаром мінерального масла для зменшення доступу кисню).
Депоновані колекції рослинних культур можуть рости без пересадок протягом 1 року і навіть більше. У ряді випадків вдалим є одночасне використання декількох підходів, наприклад, вирощування при низькій температурі і в присутності речовин, що гальмують ріст клітин.
Кріозбереження і його можливості. Кріозбереження - один з найбільш перспективних способів збереження генофонду вищих рослин і тварин. Воно дозволяє зберігати органи, тканини і клітини в замороженому стані при температурі рідкого азоту (-196 ° С). Зберігається в цих умовах матеріал залишається генетично стабільним і не схильний до змін, які відбуваються з організмами при зберіганні звичайними способами.
Розвиток кріобіології (науки про дію низьких температур на живі організми) почалося в 1900 році, коли К. Лінде і Дж. Дьюар отримали в значних кількостях рідкий повітря, що складається з азоту і водню. Витримуються в ньому бактерії в подальшому не тільки оживали, але і зберігали свої властивості.
У 1938 році було проведено глибоке заморожування сперматозоїдів людини, частина яких вижила. Але зберігати спермии ряду домашніх тварин і птиці (биків, півнів) навчилися тільки 10-11 років тому. Незабаром на комерційній основі були організовані перші справжні кріобанку сперми кращих бугаїв-плідників. В даний час досягнуті значні успіхи в збереженні яйцеклітин, ембріонів мишей і сперматозоїдів людини.
Теоретичне обґрунтування кріозбереження. Основними критичними моментами кріозбереження є утворення льоду всередині і поза клітинами організму і їх дегідратація (зневоднення).
Освіта позаклітинного і внутрішньоклітинного льоду полягає в тому, що зниження температури навколишнього середовища нижче точки замерзання розчину призводить до його переохолодження, утворення льоду навколо клітин і виникнення центрів кристалізації. Вода виходить з клітин і замерзає на поверхні зовнішнього льоду.
Освіта внутрішньоклітинного льоду зазвичай пошкоджує клітини, і тільки в разі формування дуже дрібних (склоподібних) кристалів льоду вони можуть далі розвиватися.
Тварини і рослинні клітини. Клітини рослин є більш важким об'єктом для кріоконсервації, ніж клітини тварин. Це пов'язано з їх більш великими розмірами: розмір рослинної клітини 15-1000 мкм, а розмір клітин тварин 7-25 мкм. Крім того, рослинні клітини містять спеціальні органели - міцну целлюлозную стінку. Особливо ускладнює зневоднення наявність системи вакуолей. Центральна вакуоль в клітинах рослин може займати до 90% від їх загального обсягу, що ускладнює їх зневоднення.
Технологія кріозбереження базується на закономірності, чтопрі кріозбереження (кріоконсервації) клітини переходять в стан глибокого анабіозу і після тривалого перебування в ньому повертаються в звичайне (нормальне) стан.
Основні етапи кріозбереження.
1. Попереднє культивування клітин або організмів. При цьому враховують стійкість їх до дії складу середовища культивування, а також відповідність віку, стадії росту і кількості клітин перед витяганням.
2. Розфасовка підготовленого матеріалу в контейнери. При цьому для заморожування і зберігання підготовлених клітин або організмів використовують різноманітні типи контейнерів. Розфасовку проводять в стерильних умовах (рис. 3.35).
