Почти все рассмотренные нами вопросы, относящиеся к увеличению пищевых ресурсов биологическим путем, в той или иной степени связаны с процессами изменения органического мира Земли. Развитие его, как и вообще развитие материи, происходило, конечно, закономерно.
Однако до вмешательства человека оно было только стихийным.
Считается, что органическое вещество земного шара возникло в первобытном океане. По последним данным, появление жизни на основе органического вещества произошло более 2,7 млрд лет назад. Однако расцвет жизни на Земле стал возможным только после того, как возникли растительные организмы, способные создавать органические вещества из неорганических, главным образом из углекислого газа и воды. Млекопитающие появились примерно 60 млн, а человек—1,0—1,75 млн лет назад. Уже тогда человек встретил на Земле богатейший животный и растительный мир. В настоящее же время, по подсчетам академика В. И. Вернадского, общий вес живых организмов на земном шаре оценивается в 1015 т. Это примерно в 2,5 раза превышает суммарный вес запасов никеля, хрома, цинка, свинца и золота в земной коре и в 6 млн раз больше массы всех людей, живущих на Земле.
Жизненные формы на Земле бесконечно разнообразны. Сейчас насчитывается более 500 тыс. видов растений и не меньше 2 млн видов животных. В числе видов растений имеется около 300 тыс. видов цветковых, 70 тыс. грибов, 23 тыс. мохообразных, 20 тыс. водорослей, 16 тыс. лишайников, 10 тыс. папоротникообразных растений, 800 голосемянных растений и т. д. В числе видов животных насчитывается не меньше 1 млн видов насекомых, 80 тыс. моллюсков, около 30 тыс. простейших, 25 тыс. червей, 25 тыс. рыб, 10 тыс. птиц, 5 тыс. пресмыкающихся, 5 тыс. млекопитающих, 2 тыс. земноводных.
В живой природе существует множество самых разнообразных связей между видами, классами, семействами и другими подразделениями живых организмов. Зеленые растения являются основой всей жизни на Земле, так как только они синтезируют органические вещества и ассимилируют солнечную энергию. Многие виды бактерий и некоторые грибы, разрушая остатки растительных и животных организмов, возвращают в атмосферу Земли углекислый газ, который затем вновь поглощается растениями в процессе фотосинтеза. Некоторые виды бактерий обеспечивают круговорот азота в природе. Цветковые растения питают определенные виды насекомых, а последние, добывая питательные вещества, опыляют растения.
Все организмы, составляющие живое население Земли, связаны между собой в так называемые цепи питания. В самом общем виде эта связь заключается в том, что зеленые растения, а также некоторые бесхлорофильные организмы (синтезирующие органическое вещество за счет энергии окисления неорганических веществ) доставляют пищу растительноядным, плотоядным и паразитическим организмам. При завершении круговорота остатки органического вещества разрушаются и вновь превращаются в неорганическое вещество организмами, питающимися мертвым органическим веществом (бактерии, грибы, сапрофиты). Одна из наиболее обобщенных цепей питания на суше состоит, например, из травянистой растительности — травоядных насекомых — насекомоядных птиц — пернатых и четвероногих хищников. Цепи питания в природе очень многообразны и в ряде случаев переплетаются между собой.
Однако все живое население Земли нельзя уподобить единому сложному живому организму или единой сложной машине, в которой все звенья увязаны определенным образом, и нельзя выбросить ни одного звена, не нарушив организма в целом. Правда, в органическом мире есть звенья, которые нельзя изъять, не нарушив жизнь всех остальных; такими звеньями являются зеленые растения, некоторые виды бактерий и пр. Но исчезновение многих других видов организмов не нарушило бы жизни на Земле. С точки зрения интересов человечества было бы даже желательным исчезновение вредных насекомых, болезнетворных бактерий, ядовитых грибов, ряда хищных животных, сорных трав и т. д.
Человечеством сначала стихийно, а затем и сознательно внесены значительные изменения в органический мир Земли. Уже в результате передвижения людей по земному шару происходит перемещение животных и растений, которые приспосабливаются к условиям новой среды, т. е. акклиматизируются. Так, с развитием водного и сухопутного транспорта многие животные и растения расселились вдоль его трасс. К их числу относятся мыши, крысы, насекомые, а также сорняки, семена которых завозятся вместе с культурными растениями, продовольственными продуктами и т. п. В европейской флоре насчитывается около 40 видов дикорастущих растений, завезенных из Америки, а в американской флоре — около 200 видов растений, завезенных из Европы.
По Суэцкому каналу из Красного моря в Средиземное проникло 12 видов рыбы. По Мариинской водной системе волжская стерлядь проникла в Северную Двину. В Цимлянском и Каховском водохранилищах размножилась поднявшаяся из моря тюлька. В Волгоградское водохранилище из Каспийского моря и Нижней Волги проникла каспийская килька. Таких примеров можно привести очень много.
Активный обмен видами растений и животных между материками и странами происходил и происходит и в результате целенаправленной акклиматизации. Картофель, например, родиной которого является Южная Америка, стал одним из основных культурных растений Европы. Подсолнечник, происходящий из Северной Америки, получил широкое распространение в России. Кофейное дерево, родом из Эфиопии, стало важнейшей культурой в Бразилии. Бразильская гивея в огромных масштабах возделывается в Малайе, Индонезии и других местах. Австралийских эвкалиптов к 1941 г. только в одной Грузии было высажено до 10 млн штук; целые леса эвкалиптов посажены в Колхиде для уничтожения болот — рассадников малярийных комаров. Эвкалипты высажены также в Крыму и на юге Украины. Акклиматизация эвкалиптов, чая, цитрусовых, тунго (из Восточной и Южной Азии), японской хурмы и других субтропических растений совершенно изменила характер флоры многих районов Грузии. Значительно расширилась в последние годы площадь посевов хлопчатника в Средней Азии; эта культура продвинута также на Кавказ и Украину. Много сельскохозяйственных культур акклиматизировано за Полярным кругом.
Растениеводство США, Канады, Аргентины, Австралии, Южно-Африканского Союза зиждется в основном на европейских и азиатских культурных растениях.
Много сделано человеком и по акклиматизации животных. Так, Америка до XV в. не имела домашних животных, кроме ламы и собаки; все ее животноводство основано на видах, одомашненных в Старом свете.
На территории СССР давно ведутся широкие работы по акклиматизации насекомых, беспозвоночных, рыбы, птиц и млекопитающих. В состав промысловых животных ряда областей СССР вошли американские енот, норка, ондатра, нутрия, а также муфлон и лань; ежегодно мы добываем около 6 млн ондатр, 30 тыс. нутрий, 40 тыс. норок. Животные из одних областей СССР успешно акклиматизированы в других. Например, пятнистый олень раньше водился только в Приморском крае, сейчас он хорошо прижился в Ставропольском крае, Армении, Азербайджане, в прибалтийских республиках. Енотовидная собака, родина которой Дальний Восток, живет уже во многих областях СССР. Ведутся работы по расселению косули, русского выхухоля, зайца-русака и др.
Много сделано по увеличению численности ранее беспланово истреблявшихся животных в старых местах их обитания и по расселению таких животных в новых местах. Это касается прежде всего соболей, бобров, зубров; последние были почти полностью уничтожены, сейчас поголовье зубров и их гибридов с бизоном достигло значительного числа.
Особенно широко ведутся работы по акклиматизации рыбы. Уже несколько десятков видов рыбы разводится в новых для них местах обитания. Вот несколько примеров. Волжский судак живет в озерах и водохранилищах пяти областей; амурские сазан и серебристый карась стали промысловыми рыбами водоемов Камчатки; каспийская севрюга и балтийская салака прижились в Аральском море. В 1956 г. в Белое .и Баренцево моря выпущена завезенная с Сахалина, Камчатки и Курильских островов икра горбуши. В 1960 г. горбуша уже вошла во все реки Кольского полуострова, ловится у берегов Ямала, Шотландии и Исландии. Ведутся работы по акклиматизации краба около Мурманска и травяной креветки чилим в черноморских лиманах. В США сельдь и атлантическая устрица переведены к тихоокеанскому побережью. Лососи переведены из северной части Тихого океана в северную часть Атлантического и в Южное полушарие— в воды новой Зеландии и к южным берегам Южной Америки. Имеются примеры успешной акклиматизации и ряда пищевых беспозвоночных. Так, тихоокеанская устрица из Японии успешно акклиматизировалась у берегов Австралии.
Параллельно с акклиматизацией рыбы приходится думать и о пищевых организмах для нее. Так, в Цимлянском водохранилище до вселения в него кормовых организмов работы по акклиматизации рыб не давали удовлетворительных результатов. Кормовые организмы вселяют в Рыбинское, Волгоградское, Куйбышевское, Каунасское и другие водохранилища. Еще в 1939—1940 гг. из Азовского моря в Каспийское завезены черви нереис, которые хорошо акклиматизировались и стали одним из важнейших кормов для рыб, особенно осетровых.
Плановая акклиматизация рыбы в масштабах мирового океана, по-видимому, имеет очень большие перспективы. Сейчас сельдевые, тресковые, лососевые рыбы и морской окунь, составляющие более половины общемирового улова, добываются только в Северном полушарии. В Южном полушарии этих рыб нет, но специалисты считают, что тамошние условия вполне благоприятны для этих видов рыбы. Понятно, конечно, что широкие работы по акклиматизации рыбы в новых районах мирового океана требуют сотрудничества многих заинтересованных государств.
Акклиматизация часто связана с более или менее глубоким изменением перемещенных растений и животных, поскольку новые условия их жизни в той или иной степени отличаются от старых. Например, горбуша в новом месте обитания становится крупнее и жирнее, чем в прежнем. Значительно более крупных размеров достигает форель в озере Иссык-Куль (Киргизия), чем в озере Севан, откуда она завезена.
Более глубокие изменения в живую природу человек вносит путем селекции — выведения новых и улучшения существующих сортов культурных растений и пород домашних животных. В результате тысячелетнего селекционирования человечество создало многочисленные сорта культурных растений и много новых пород животных. Известны, например, 1 тыс. сортов картофеля, 4 тыс. сортов пшеницы, 2 тыс. сортов яблок, 5 тыс. сортов груш, 2 тыс. сортов слив, 10 тыс. сортов роз; в животном мире выведено 400 пород рогатого скота, 150 пород лошадей, 250 пород овец, 150 пород голубей и т. д.
Некоторые культурные растения (смородина, маслина, ежевика) и теперь мало отличаются от своих диких сородичей, но большинство возделываемых сельскохозяйственных растений резко изменилось в процессе селекционирования. Дикие сородичи многих культурных растений (кукуруза, арахис, горлянка, апельсин, мандарин, лимон) вообще теперь не известны.
Живой мир Земли непрерывно изменяется с момента своего возникновения. Стихийным развитием органического мира Земли управляет закон естественного отбора, открытый английским ученым Дарвином. Естественный отбор — результат изменений, возникающих в организмах, наследственной передачи этих изменений потомству и лучшей выживаемости организмов, более приспособленных к данным условиям существования. В результате этого процесса появляющиеся, закрепляющиеся и накапливающиеся признаки приводят к обособлению разновидностей, образованию новых видов.
В основе селекции лежит осуществляемый человеком искусственный отбор.
При естественном отборе у животных и растений развиваются признаки, способствующие приспособлению к жизни в естественной среде; при искусственном отборе — признаки и свойства, полезные человеку. В последнем случае новые свойства могли бы быть даже вредными для данного вида животного или растения, если бы они продолжали жить в естественных условиях: чрезмерное ожирение свиней и курдючных овец, обильное и длительное выделение молока у коров, потеря способности летать у домашней птицы и т. п.
До применения искусственного отбора человек пользовался животными и растениями, возникшими только в процессе естественного отбора. Они были для него пищей и предметом его труда. С возникновением искусственного отбора, когда человек стал создавать новые формы животных и растений, они стали для него и продуктом труда. С этого времени роль человека как фактора, влияющего на процесс развития живого мира Земли, становится принципиально новой. В продолжающееся стихийное развитие природы вносятся элементы целенаправленности.
Первая стадия искусственного отбора, которую Дарвин назвал бессознательным отбором, заключалась в следующем. Уже в глубокой древности люди на протяжении веков, как правило, сохраняли наиболее ценные особи животных и растений и уничтожали менее ценные, не оставляя от них потомства. При этом люди не ставили целью изменить существующие формы животных и растений или вывести новые формы. И тем не менее даже такое относительно непритязательное вмешательство человека в «дела» природы приводило, хотя и медленно, к глубоким изменениям форм растений и животных.
Вторая стадия развития искусственного отбора — народная селекция, в основе которой лежит выращивание растений и животных в улучшенных условиях и систематический отбор в каждом новом поколении лучших особей на племя. В результате народной селекции было создано много ценных сортов растений и пород домашних животных. К числу первых относятся, например, муромские, нежинские, клинские и другие сорта огурцов, ростовский и стригуновский сорта лука; к числу вторых — донская и ахалтекинская породы лошадей, ярославская и холмогорская породы коров, курдючная и романовская породы овец. В последнее время в условиях таежных хозяйств СССР ведутся работы по одомашниванию лося. Лосиха, в отличие от коровы, приносит обычно двух телят, так что скорость прироста лосиного стада может быть в 1,5—2 раза больше, чем коровьего.
Третьей стадией искусственного отбора, начатой примерно во второй половине XVIII в., является методический отбор, осуществляемый крупными хозяйствами. Принцип такого отбора мало отличается от принципа народной селекции, но он планомерен и включает раз-ведение посевов растений и стад животных, предназначенных специально для селекционной работы. На основе методического отбора созданы, например, такие породы животных, как орловский рысак, лейстерские овцы, шортгорнская порода крупного рогатого скота.
Постепенное улучшение качества выращиваемых человеком растений и животных можно иллюстрировать следующими примерами. Наличие сахара в корнях свеклы открыто в 1747 г.; в 1800 г. его содержание составляло в среднем 6%, в 1858 г.—10, в 1898 г.—15, в 1924 г.— 21 и в 1940 г.— 24%. Вес корня дикой свеклы в среднем равен 20 г. Сейчас передовики сельского хозяйства Украины выращивают сахарную свеклу с весом корня до 1500 г. Дикая корова дает лишь 300—400 л молока в год, т. е. столько, сколько нужно для прокормления теленка; лучшие рекордистки домашней породы коров дают в год до 16 тыс. л.
Но даже методический отбор, несмотря на его организованный характер и широкий размах, по существу был эмпирическим. Селекционеры, производя жесткую браковку материала, среди множества изменившихся особей выискивали небольшое количество наиболее ценных. Они, по выражению И. В. Мичурина, работали как «кладоискатели». Мичурин развил учение Дарвина и усовершенствовал методы селекции.
В основе современной селекции лежит целенаправленная гибридизация (или скрещивание), т. е. соединение в одном организме разнородных наследственных признаков, производимое половым или вегетативным путем (прививки). В ряде случаев сочетают половую и вегетативную гибридизацию.
Гибридизация растений и животных происходит и в природе: она играет большую роль в естественном отборе, в возникновении новых видов животных и растений. Понятно, что при естественном отборе гибридизация стихийна. На всех этапах искусственного отбора также применялась гибридизация. Так, мулы являются гибридом лошади и осла, нары — гибриды одногорбого и двугорбого верблюдов, холмогорский гусь — гибрид дикого серого гуся с домашним гусем-сухоносом и т. д. Однако до Мичурина гибридизация носила в основном чисто эмпирический поисковый характер (характер проб). Мичурин разработал научные основы гибридизации, согласно которым в зависимости от поставленной цели обоснованно подбираются соответствующие пары для скрещивания. При отдаленной гибридизации процесс осуществляется в две стадии: в первой стадии одна из двух отдаленных друг от друга форм скрещивается с промежуточной формой, а затем полученный гибрид скрещивается с другой особью отдаленной формы. Гибрид, как правило, более жизнеспособный организм, чем исходные формы, и имеет одно или несколько преимуществ: повышенную урожайность, лучшее качество продукции, устойчивость к болезням и вредителям и др.
Мичуриным создано более 300 зимостойких урожайных сортов плодовых, ягодных, овощных и декоративных растений. Сорт яблони Бельфлер-китайка, например, получен Мичуриным путем половой и вегетативной гибридизации четырех исходных сортов. Ценный сорт вишни «Краса Севера» получен опылением цветов вишни «Владимирская ранняя» пыльцой черешни сорта «Винклер белая». История не знала ни одного селекционера, который за свою жизнь создал бы такое количество новых сортов растений.
В качестве примера гибридного сорта можно привести культивируемый в Молдавии виноград, отличающийся повышенной устойчивостью к филоксере и мильдью, а также к пониженной температуре. Ягоды этого сорта меньше подвергаются гниению и отличаются повышенной сахаристостью. Путем отдаленной гибридизации пшеницы с пыреем академик Н. В. Цицин вывел сорт пшеницы, отличающийся тем, что после снятия урожая пшеница снова отрастает по жнивью. В зависимости от климатических условий года посев может сначала скашиваться на сено, а затем на зерно или в обратном порядке.
Скрещиванием диких устойчивых к вирусным болезням видов сахарного тростника с культурными китайскими формами получены сорта, дающие почти трехкратную продукцию по сравнению с исходными культурными формами.
Теперь почти во всем мире кукуруза выращивается только гибридная. Основным методом создания новых сортов пшеницы также является гибридизация. Этим же методом получено много новых полезных пород животных. В СССР скрещиванием мериносовых овец с диким бараном муфлоном и последующим скрещиванием гибридов с мериносами получена новая порода горных мериносов, отличающихся выносливостью, подвижностью и очень тонкой шерстью. Путем скрещивания мериносовых овец с диким тяньшанским бараном архаром выведена высокогорная тонкорунная овца — архар-меринос. Ведутся работы по получению новых форм крупного рогатого скота путем скрещивания различных его пород с яком сибирским, памирским и кавказским. Уже выведены крупные породы, на 25—30% превышающие по выходу мяса как яка, так и местный скот. Имеется несколько новых пород зверей, по окраске и форме значительно отличающихся от исходных: платиновая, темноплатиновая, жемчужно-платиновая и снежная лисицы; платиновый и серебристо-платиновый песцы; светлоплатиновая и соболевидная норка. Выведено несколько гибридных форм рыбы — карпо-сазан, карпо-карась, гибрид осетра и стерляди и др. Особенно интересны гибриды, полученные от скрещивания стерляди с белугой и севрюгой. Эти гибриды хорошо размножаются в реках, прудах и искусственных водоемах, хотя до сих пор считалось, что осетровые размножаются только в реках.
В последние годы для выведения новых пород животных применяется не только половая, но и вегетативная гибридизация. Например, путем многократного переливания крови кур одной породы курам другой породы получена новая высококачественная порода кур. Вегетативная гибридизация млекопитающих и птицы, по-видимому, может осуществляться также пересадкой яичников самок или семенников самца; в этом отношении уже проведены успешные опыты.
Явление повышения жизнеспособности гибридов по сравнению с исходными формами называется гетерозисом. Особенно резко гетерозис проявляется у гибридов первого поколения, но иногда он сохраняется и в последующих поколениях. Однако гораздо чаще хорошо выраженный в первом поколении гетерозис в последующих поколениях резко спадает. Во избежание этого гибридные семена первого поколения выводят ежегодно. Так, например, поступают с семенами кукурузы. Полученный от семян первого поколения повышенный урожай используют на продовольствие и фураж, а не на семена.
Очень эффективным направлением в селекционной работе является выведение полиплоидных сортов сельскохозяйственных культур. В основе полиплоидия лежит следующее явление. Бывает, что при делении клетки одна из дочерних клеток получается безъядерной и скоро отмирает, зато вторая имеет два ядра, которые затем сливаются в одно с удвоенным числом хромосом. Дальнейшее деление полиплоидных клеток может дать тетраплоидные, а скрещивание диплоидных сортов, с тетраплоидными дает триплоидные сорта. Явление полиплоидии широко распространено в природе и играет важную роль в ее эволюции. Известно больше 50 полиплоидных высших диких растений. Полиплоидны и многие культурные растения. Ядра дикого предка пшеницы имеют, например, 14 хромосом, ядра культурных твердых сортов пшеницы—28, мягких—42. Известны тетраплоидные сорта ржи, клевера, турнепса, триплоидные сорта арбуза, перечной мяты и др. Для искусственного получения полиплоидных сортов пользуются, например, действием алкалоида колхицина на делящиеся клетки.
Многие искусственные полиплоиды оказались перспективным исходным материалом для селекции!. Они имеют более крупные цветы и плоды, дают больший урожай, обладают повышенной устойчивостью к грибковым заболеваниям. Известен сорт триплоидной сахарной свеклы, полученной скрещиванием диплоидной свеклы с тетраплоидной; сбор сахара с посевов этого сорта возрос на 17-20%.
Выше уже говорилось о стимулирующем действии на растения различного рода излучений. Метод излучений начинает применяться и для выведения новых сортов растений.