Питание и долголетие
Шрифт:
Глава 15
Генетически модифицированные продукты: пища будущего или риск для здоровья?
Населению Земли не хватает продовольствия
Сельскохозяйственное производство, которое существует около 10 тыс. лет, постоянно увеличивало продуктивность полей, обеспечивая питанием растущее население Земли. Это достигалось введением в культуру новых растений, орошением, использованием навоза как удобрения, севооборотами с клевером и люцерной, которые способны фиксировать азот из воздуха и способствовать таким образом улучшению плодородия почв. Широкое применение минеральных удобрений началось с конца XIX в., когда население планеты превысило 1 млрд человек. Повсеместно расширялись посевные площади – за счет вырубки лесов, осушения болот и создания террасных полей на горных склонах. Уже с древних времен происходило постоянное улучшение сортового состава культурных растений и пород домашних животных, сначала простым отбором, а затем и с помощью гибридизации – методов, которые, по существу, копировали процессы, постоянно происходящие в природе. Около 80 лет назад к традиционной внутривидовой гибридизации разных сортов прибавились отдаленная гибридизация разных видов и полиплоидизация – удвоение числа хромосом, которые могли создавать более крупные плодовые органы, преобразовывать однолетние растения в многолетние и таким образом расширять ареалы земледелия. Однако развитие сельского хозяйства все время
В 1961 г. Индия, население которой приближалось к половине миллиарда, оказалась на грани массового голода. Для реформы сельского хозяйства правительство страны пригласило тогда уже известного селекционера Нормана Борлауга (Norman Borlaug), новые сорта пшеницы которого превратили Мексику из импортера в экспортера зерна. Борлауг вел гибридизацию и селекцию зерновых на уменьшение массы листьев и увеличение размеров колоса. В естественных биоценозах колос злаковых – это орган их размножения, а стебель должен быть высоким, чтобы пробиться к свету в окружении других растений. На возделанном поле такой необходимости нет, и выведенные Борлаугом карликовые растения могли давать с гектара такое же количество зерна, как и традиционные высокие сорта. К тому же, имея меньшую поверхность листьев, они требовали меньше влаги и были необыкновенно засухоустойчивыми. Применяемые на полях удобрения в большей степени шли на формирование зерен, а не листьев и стебля. Такую селекционную технологию применили и для получения новых сортов риса. К 1968 г. в Индии уже внедрялись карликовые сорта, которые при оптимальном удобрении давали 100 центнеров риса с гектара. В течение пяти лет производство риса в Индии удвоилось, а затем и утроилось. Этот успех известен в современной истории земледелия как «зеленая революция». В 1974 г. Всемирная конференция по продовольствию в Риме приняла программу полного искоренения голода на Земле в течение десяти лет. «…ни один мужчина, женщина или ребенок не будут ложиться спать голодными», – заявил на конференции, при всеобщем одобрении, Генри Киссинджер [1].
В 1961 г. мировое производство зерна в расчете на каждого жителя планеты составило 261 кг, а к 1985 г. оно выросло до 343 кг. Но затем этот показатель начал снижаться: в 1988 г. он упал до 306 кг, а к 1995-му – до 301 кг. Число голодающих в мире не уменьшалось, а росло, достигнув 1 млрд человек в 1996 г. Основной причиной этого стало не сокращение урожаев, а слишком быстрый рост населения планеты, превысившего 6 млрд [2]. В Индии и Китае, суммарное население которых составило к концу XX в. 2,3 млрд, не было голода, и эти страны продолжали оставаться основными экспортерами риса. Главные очаги недостаточного питания переместились в Африку и в те страны Азии и Южной Америки, в которых основным источником калорий были не рис или пшеница, а кукуруза, урожайность которой достигла максимума значительно раньше. В 1965 – 1985 гг. урожаи кукурузы росли медленнее, чем урожаи риса и пшеницы. Кукуруза гораздо беднее белком, чем рис или пшеница. Поэтому в обширных очагах голодания проблема осложнялась белковой недостаточностью питания. В создавшейся ситуации основные надежды в борьбе с голодом стали возлагать не на традиционную гибридизацию и селекцию, а на открытую именно в то время генетическую инженерию, которая давала возможность не просто увеличить урожаи, а изменить состав зерна. Одним из проектов генетических модификаций растений стала, естественно, и попытка улучшить качественный аминокислотный состав белков кукурузы путем внедрения в ее клетки генов новых ферментативных систем. Генетическая инженерия обещала не только увеличить биологическую полноценность продовольственных культур, ни и улучшить их вкусовые качества и даже объединить питательные и лечебные свойства растений.
Возможности генетики и реальности экономики
Нередко суть аргументов в пользу генетических модификаций состоит в том, что, создавая такие модификации, ученые делают ту же самую работу, которой в течение тысячелетий занимались селекционеры, скрещивая разные сорта растений и объединяя таким образом их генетические системы. В действительности между гибридизацией и генетическими модификациями существует принципиальное различие. При традиционной гибридизации скрещивания проводятся внутри видов, пшеницу скрещивают с пшеницей, рожь с рожью. Иногда удается скрещивать и разные, но близкородственные виды. Таким образом, например, удалось получить пшенично-пырейные гибриды. Всем известны мулы – гибриды лошади и осла. Но между представителями более отдаленных видов половая гибридизация уже невозможна. При трансгенной гибридизации нет природных ограничений. В геном пшеницы можно ввести генные комплексы или отдельные гены воробья, трески или холерного вибриона. Это осуществляется не путем полового скрещивания, а путем впрыскивания с помощью ультрамикропипеток в ядро яйцеклетки ДНК, выделенной из других растений, бактерий или животных. Новая ДНК встраивается в геном яйцеклетки, приводя к образованию трансгенного растения или животного. Внедрение новых генов в нужный участок хромосом не всегда происходит удачно, и из полученных трансгенных растений проводится отбор. Аналогичные процессы происходят и в природе при вирусных инфекциях. Вирус, например, гепатита B или иммунодефицита, попадая в кровь, внедряется в первом случае в ДНК хромосом клеток печени, а во втором – в ДНК хромосом лимфоцитов крови. Эти вирусы размножаются вместе с размножением клеток. В эволюции животных и растений вирусная ДНК может переходить из поколения в поколение, модифицируясь иногда в полезный ген. Геномы человека, животных и растений содержат много участков ДНК, которые попали в хромосомы в результате вирусных инфекций миллионы лет назад и были постепенно инактивированы. Это один из вариантов генетической изменчивости. Такой же способностью внед рять свою ДНК в геномы бактерий обладают бактериофаги. Исследователи освоили этот механизм для внедрения в хромосомы новых генов. Именно таким образом в геном бактерий был «вшит» ген гормона человеческого инсулина, необходимого больным диабетом. В прошлом инсулин для инъекций получали из поджелудочной железы свиней путем очень сложных процедур. Инсулин, получаемый из культур бактерий, намного дешевле, и в настоящее время около 80% больных диабетом получают инъекции трансгенного инсулина.
В 1974 – 1975 гг., когда трансгенная технология была открыта в США, многие ученые предлагали ввести мораторий на исследования в этой области. Но джинна уже выпустили из бутылки. К этому времени наука разработала способ изоляции отдельных генов и групп генов из разных клеток и активно занялась расшифровкой полных геномов различных бактерий, растений, животных, а вскоре и человека. В генетике возникло новое направление «геномика».
Подробности многих интересных трансгенных рекомбинаций невозможно
Монопольные тенденции в США
В 1970-х годах трансгенная технология позволяла ученым осуществлять многочисленные манипуляции с отдельными генами или группами генов. Геном растений и животных состоит из двойных спиралей ДНК, локализованных в хромосомах. При нагревании в растворах двойные спирали раскручиваются на однонитчатые ДНК, из которых можно «вырезать» отдельные фрагменты – гены. Эти гены можно копировать с помощью ДНК-полимераз. Такой процесс размножения генов, называемый амплификацией, осуществляется в настоящее время особыми приборами. Именно благодаря возможности амплификации ДНК ученым (а при расследовании преступлений – полиции) достаточно иметь ничтожное количество материала, иногда небольшое пятно крови или один волосок, чтобы установить генетический профиль человека. Вирусы имеют особые ферментативные системы, позволяющие им проникать внутрь клеток, внутрь хромосом, а затем встраиваться в ДНК клетки хозяина. Вирус, таким образом, становится частью генома. Он может долго не проявляться. Скрытые, латентные формы вирусных инфекций (герпеса, гепатитов, иммунодефицита и др.) могут длиться месяцы или даже годы, а иногда и всю жизнь. Однако вирусную частицу, размножаемую в культурах клеток, можно инактивировать и присоединить к ней полезный ген, например инсулина, гормона роста, альбумина молока и т. д. После этого такой ген можно внедрить в клетки, в которых этого гена не было. Таким образом получают трансгенный организм, обладающий новыми свойствами. Яйцеклетка коровы, в которую внедряется ген человеческого молочного альбумина, может привести к рождению теленка, который, став коровой, будет давать молоко не только с коровьим, но и человеческим альбумином.
В этот период в США были начаты работы по обширной программе «Геном человека», в которой участвовали сотни лабораторий. На ее финансирование правительство выделило несколько миллиардов долларов. Почти каждую неделю публиковались сообщения об открытии генов разных белков, иногда с аномалиями, объяснявшими природу некоторых генетических болезней и синдромов. Делались многочисленные попытки открытия гена или генов, определяющих продолжительность жизни у разных видов животных.
В условиях фактически монополии США на открытия, изоляцию и амплификацию генов возникла проблема собственности на гены. Имеет ли ученый, открывший и размноживший ген для синтеза гормона X, авторское право (copyright) на этот ген? Может ли он получить патент и собирать гонорары с тех лабораторий, институтов или клиник, которые используют его методику? В прошлом патенты на открываемые природные вещества не выдавались. На пенициллин и другие антибиотики нет патентов, хотя новые оригинальные технологии по их выделению из грибков можно запатентовать. В 1980 г. Верховный суд США, рассматривавший аргументы за и против, разрешил патентовать гены. Конгресс США принял новый «Акт о патентах», позволив ученым, лабораториям и биотехнологическим компаниям получать патенты на генетические компоненты, гены и трансгенные организмы. Эта «продукция» переходила в категорию «интеллектуальной собственности».
В соответствии с принятым законом семена трансгенных растений с новыми свойствами можно покупать только у тех компаний, которые являются их легальными собственниками. Фермер может, например, покупать семена трансгенной кукурузы, устойчивой к паразитам или к гербицидам, для текущего посева, но не имеет права оставлять часть своего урожая на семена для следующего сезона. В новом году он должен опять закупать семенной материал у компаний, нередко находящихся в сотнях километров от его полей. Такая практика противоречит тысячелетним традициям земледелия. Нарушения были нередкими и рассматривались в сотнях судебных исков. Практика обязательной покупки семян для новых посевов ограничила возможности использования трансгенных культур, особенно в тех странах, где преобладают мелкие семейные фермы, а это характерно не только для Азии и Африки, но и для многих стран Европы. Крупные фермы в США и весь комплекс агробизнеса в Америке получили безусловное преимущество в использовании трансгенных культур. К 2000 г. Патентное бюро США выдало сотни патентов на трансгенные растения и животных. Срок исключительного права был определен в 17 лет. Этими законодательными ограничениями и объясняется то, что к 2007 г. больее 90% всех сельскохозяйственных площадей, занятых трансгенными культурами, находились на американском континенте: в США, Аргентине, Бразилии и в Канаде [3].
Трансгенные культуры и проблема голода
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА БЕЛКОВ КУКУРУЗЫ
Кукуруза является основным продуктом питания для 1,5 млрд человек – жителей Южной и Центральной Америки, Мексики, Африки, засушливых районов Азии и горных районов Закавказья. В США кукуруза выращивается в основном как кормовая и техническая культура и на экспорт как продовольственная и кормовая. Из всех зерновых культур кукуруза наиболее урожайная. Однако белки кукурузы, основным из которых является зеин, бедны по двум незаменимым аминокислотам – триптофану и лизину. Содержание триптофана в белках кукурузы составляет лишь 0,7%, что почти в два раза меньше, чем в белках пшеницы, риса или сои. Содержание лизина в белках кукурузы (2,7%) ниже, чем в белках ржи (4,1%), и значительно ниже, чем в белках сои (6,9%). Поэтому белок кукурузы считается неполноценным. Преобладание кукурузы в питании населения приводило в прошлом к широкому распространению белковой недостаточности и тяжелой болезни пеллагры, связанной с дефицитом витамина ниацина (или никотиновой кислоты), который является производным обмена триптофана. Пеллагру, которая и в настоящее время диагностируется у миллионов людей, можно успешно лечить не только ниацином, но и полноценной белковой диетой. Эта болезнь была распространена в некоторых провинциях Испании, Италии и Франции, где в начале прошлого века население предпочитало кукурузу менее урожайной пшенице.
Одним из первых проектов по улучшению качества питания в бедных странах и искоренению пеллагры стал проект создания трансгенной кукурузы с повышенным содержанием триптофана. Уже в 1985 г. в США был выдан патент на кукурузу, зерна которой были богаты триптофаном. Детали методик создания этой кукурузы не публиковались. Было, однако, очевидно, что дополнительный триптофан не входил в состав белков кукурузы, а продуцировался бактериальными ферментами как свободная аминокислота. В геном кукурузы были введены бактериальные гены. Дополнительный триптофан, присутствовавший в зернах кукурузы не в составе белков, оказался токсичным, так как его концентрация в крови не была сбалансирована другими аминокислотами. Потребление такой триптофан-богатой кукурузы вызывало боль в мышцах, слабость, увеличение лимфоцитов и другие симптомы, которые первоначально классифицировали как новую болезнь [4]. Триптофан-обогащенная кукуруза, просуществовав пять лет, была запрещена для культивации.