БИОКРИСТАЛЛОФИЗИКА В КРИОКОНСЕРВАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

     Сформулированы основные положения нуклеации новой фазы при температурных структурных перестройках в органических кристаллах моно- и гетеромолекулярного состава, в том числе и в биологически функциональных веществах [1]. Это послужило физическим фундаментом для принципиальных направлений в изучении молекулярного механизма криоконсервации генетических ресурсов. Главной задачей в исследовании механизма криоконсервации и повышения ее эффективности было: поиск, выделение, изучение свойств и применение на практике естественных криопротекторов [2]. Таковыми оказались антифризные гликопротеины (АФГП), выделенные из сыворотки крови полярных рыб [3,4]. Экспериментальные работы по испытанию АФГП при криоконсервации спермиев лососевых, карпа, других рыб и эмбрионов мыши показали их эффективность как криопротективных добавок и компонентов, повышающих жизнеспособность генетического материала [5,6]. Образцы генетического материала радужной форели, стальноголового лосося, карпа, белорыбицы и белуги заложены на хранение в Криобанки ИБК РАН г. Пущино и НИИПРХ, г. Дмитров.

1. Петропавлов Н.Н. (1995) Зарождение новой фазы и гистерезис при полиморфных переходах, Журнал физической химии. 69, 52-56.
2. Петропавлов Н.Н., Андреев А.А., Каранова М.В. (1994) Кристаллофизические аспекты криоконсервации генетических ресурсов. Биофизика живой клетки. 6, 62-64
3. Каранова М.В., Андреев А.А., Петропавлов Н.Н. (1992) Низкотемпературная кристаллизация в присутствии антифризных гликопротеинов. Криобиол., 1, 23-27.
4. Каранова М.В., Андреев А.А., Петропавлов Н.Н., Щипакина. Т.Г. (1991) Антифризные белки сыворотки крови трески Gadus morhua: выделение, очистка и характеристика. Криобиол., 3, 10-14.
5. Каранова М.В., Цветкова Л.И. (1994) Криопротективные свойства антифризных гликопротеинов при замораживании спермы рыб. Известия Акад,. наук. Сер. биол., № 5, 818-827.
4. Каранова М.В., Межевикина Л.М., Петропавлов Н.Н. (1995) Исследование криозащитных свойств антифризных гликопротеинов из беломорской трески Gadus morhua при низкотемпературном замораживании эмбрионов мыши. Биофизика. 40, 1341-1347.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КРИОБАНК РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ

      На базе Лаборатории криоконсервации генетических ресурсов организован генетический криобанк, в котором создаются коллекции замороженных репродуктивных и соматических клеток растений и животных. Задачи криобанка - сбор и длительное (десятки лет) сохранение биологического материала, несущего полную генетическую информацию различных видов растений и животных, в первую очередь редких и исчезающих.
      Для формирования таких коллекций в лаборатории проводятся фундаментальные научные исследования по выживанию клеток и тканей животных и растений после замораживания до сверхнизких температур (-196°С). На основе этих исследований создаются теории и методы низкотемпературной консервации и длительного хранения генетического материала.
      В настоящее время в низкотемпературных хранилищах (в дьюарах с жидким азотом) содержатся репродуктивные и соматические клетки 56 видов растений и 21 вида животных. При этом клетки сохраняют жизнеспособность, и после размораживания их можно использовать для получения полноценных живых организмов.
      Создание таких генетических криобанков дает дополнительный шанс сохранить (или реставрировать в будущем) Природу Земли во всем ее многообразии и, следовательно, гарантировать сохранение биологического равновесия в Природе.

1. Криоконсервация генетических ресурсов в проблеме сохранения биоразнообразия (ред. В. Н. Карнаухов, С. И. Розанов, Э.Н. Гахова) Биофизика живой клетки, 1994, 6, 1-156.
2. Консервация генетических ресурсов. Материалы. раб. сов. 28-30 мая 1996 (ред. В.Н. Карнаухов, Э.Н. Гахова, В. К. Утешев). ОНТИ ПНИ РАН, Пущино, 1996, 166 с.

КРИОСОХРАНЕНИЕ ГЕНОФОНДА ОХРАНЯЕМЫХ ВИДОВ СОСУДИСТЫХ РАСТЕНИЙ И БАЗИДИАЛЬНЫХ ГРИБОВ

      На основе исследований по разработке основ криоконсервации семян и соматических клеток создаются генетические криоколлекции редких и исчезающих видов растений средней полосы России и Дальнего Востока, а также высших грибов Приокско-Террасного заповедника. Коллекция является составной частью генетического криобанка ИБК РАН. В настоящее время в криохранилище при температуре жидкого азота находятся семена 50 видов растений из 16 семейств, меристемы и культуры ткани растений 8 видов из 6 семейств. На примере некоторых видов показана возможность получения полноценных растений из оттаянного материала и использовании их для реконструкции природных растительных сообществ.

1. Тихонова В.Л., Яшина С.Г., Шабаева Э.В. (1994) Изучение роста и развития дикорастущих травянистых растений после замораживания семян. Биофизика живой клетки, 6, 86-90.
2. Яшина С.Г., Шабаева Э.В., Розанов С.И. (1996) Криоконсервация меристем зубянки пятилистной (Denturia quinquefolia Bieb.) и валерианы лекарственной (Valeriana officinalis L.). Консервация генетических ресурсов. (Материалы рабочего совещания 28-30 мая 1996 г.), Пущино, 137-139.
3. Tikhonova V.L., Yashina S.G. (1996) Long-Term Storage of Protected Wild Plant Seeds. Sol.Sci.Rev.Physiol Gen.Biol., 12, 1-33.

РОЛЬ БИОРАЗНООБРАЗИЯ В СОХРАНЕНИИ КЛИМАТА ЗЕМЛИ И ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ

      Показано, что в результате воздействия человека на природную среду могут быть нарушены естественные механизмы поддержания устойчивости химического состава атмосферы и теплового баланса Земли, что может привести к парниковой катастрофе [1,2]. Последствия такой парниковой катастрофы существенно более серьезны, чем последствия традиционно обсуждаемого парникового эффекта. В частности повышение температуры поверхности Земли может достигнуть 300 °С, что сделает невозможным существование жизни на Земле в ее современных формах [3-5]. Разработанная причинно-следственная диаграмма [3,4] парниковой катастрофы позволяет наметить пути предотвращения катастрофических изменений климата и создания концепции устойчивого развития цивилизации.

Причинно-следственная диаграмма парниковой катастрофы.

1. Карнаухов А.В. (1994) К вопросу об устойчивости химического состава атмосферы и теплового баланса Земли. Биофизика, 39, 148-152.
2. Карнаухов А.В. (1994) О роли биоразнообразия в сохранении климата Земли. Биофизика живой клетки, 6, 14-16.
3. Карнаухов А.В., Карнаухов В.Н. (1995) О роли биоразнообразия в сохранении климата Земли и возможности устойчивого развития человеческой цивилизации. Материалы Парламентских слушаний "Экологическая безопасность России и управление экологическим риском в регионах." 21 ноября.
4. Карнаухов А. В. (1996) Парниковая катастрофа и проблема устойчивого развития человеческой цивилизации. Биофизика, 41, 523-528.
5. Карнаухов А.В. (1996) Парниковая катастрофа: итоги дискуссии. Биофизика, 41, 535.

НОВАЯ МОДЕЛЬ ОЛЕДЕНЕНИЙ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

      Одним из главных результатов, полученных при бурении ледника Гренландии в рамках проекта GISP-2 является тот факт, что переход от межледникового периода к оледенению и обратно происходит в течение нескольких (3-5) лет (Рис. 1) [1], а не в течение десятков или сотен лет, как это должно было бы быть в соответствии с ранее существовавшими теориями оледенения. Это потребовало создания новых моделей периодических оледенений Северного полушария.

Рис. 1. Изменение толщины годичных отложений льда в ледниковом щите Гренландии (по [1]). Буквами А и Б показано соотнесение с Рис. 2.

      Одна из таких моделей была предложена А.В. Карнауховым [2]. Она основана на предположении о медленном распреснении вод Северного Ледовитого океана стоком впадающих в него рек, которое приводит к резкому изменению картины течений в Северной Атлантике в тот момент, когда плотность вод Лабрадорского течения сравняется с плотностью вод Гольфстрима (Рис. 2).

Рис. 2. Изменения течений и оледенений в северном полушарии при переходе от межледникового периода (А) к ледниковому периоду (Б). 1 -Теплое течение Гольфстрим. 2 - Теплое северное пассатное течение. 3 - Теплое южное пассатное течение. 4 - Холодное Лабрадорское течение. 5 - Холодное Канарское течение. 6 - Уральский хребет. 7 - Ледяная дамба в устьях сибирских рек. 8 - Евразийский океан. 9, 10, 11 - реки Обь, Енисей, Лена. СП - Северный полюс.

      Анализ литературы показывает, что ряд данных биологии, географии, палеогеографии, археологии, истории и этнографии укладываются в рамки предложенной модели [3]. В частности, факт существования популяций тюленей в Карском море.
      Учитывая то обстоятельство, что в настоящее время плотность вод Лабрадорского течения лишь незначительно отличается от плотности вод Гольфстрима, новый ледниковый период может наступить в обозримом будущем, включая, возможно, и XXI век. В этой связи, учитывая катастрофические последствия резкого (в течение нескольких лет) наступления нового ледникового периода, представляется полезным использовать эту модель для прогнозирования возможных изменений географии, климата и экологической обстановки в Северном полушарии и, в частности, на территории России при создании концепции ее устойчивого развития, а также для разработки способов управления климатом с целью предотвращения очередного оледенения Северного полушария.

1. Alley R.B., Meese D.A., Shuman C.A., Gow A.J., Taylor K.C., Grootes P.M., White J.W.C., Ram M., Waddington E.D., Mayewski P.A., Zielinski G.A. (1993) Abrupt increase in Greenland snow accumulation at the end of the Youger Dryas event. Nature, 362, 527-529.
2. Карнаухов А.В. (1994) Динамика оледенений в Северном полушарии как автоколебательный релаксационный процесс. Биофизика, 39, 1094-1098.
3. Карнаухов А.В., Карнаухов В.Н. (1997) Куда текли сибирские реки во время ледникового периода? Природа, №1, 46-55.

СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Розанов С.И. (1996) Ижевск, 204 стр.
Учебник для школ естественно-научных направлений и в помощь учителям, преподающим экологию в средней школе.

      В учебнике впервые реализована новая концепция изучения в общеобразовательной школе самостоятельного предмета экологии. Концепция ориентирует учителя и школьников не столько на изучение основ собственно экологии как биологической науки, сколько на содействие формированию у учащихся естественнонаучного мировоззрения с высокой приоритетностью проблем глобальной экологии. Экология рассматривается как наука о сложных природных и социо-природных системах, в которых антропогенные изменения в природных процессах как на уровне экосистем, так и на уровне биосферы связаны с особенностями экономического и политического статуса этносов как формы существования в биосфере биологического вида Homo sapiens.
      Концепция и учебник приняты в качестве одной из основ всеобщего экологического образования в Удмуртии и заинтересовали разработчиков систем экологического образования нескольких субъектов Российской Федерации. Учебник рекомендован Министерством образования Российской Федерации.
Рукопись расширенного варианта учебника под названием "Основы общей экологии" сдана в конкурсную комиссию по созданию учебника по экологии для технических Вузов и специальностей в соответствии с выигранным грантом по конкурсу Госкомитета по Высшему Образованию. Издание и апробация планируются на 1997-98 годы.