ХРАНЕНИЕ СЕМЕННОГО МАТЕРИАЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ

Одной из важнейших агро-биологических проблем нашей планеты, тревожащей специалистов и общественность, в последние десятилетия является быстрое исчезновение различных видов растений в связи с нерациональным изъятием из сельскохозяйственного оборота огромных территорий. Площади, занятые фруктами, овощами, зерновыми, изымаются и занимаются горно-добывающими, гидро-техническими и иными геотехническими геосистемами. В этих условиях дефицит продуктов питания становится реальной угрозой для здоровья и даже жизни населения земного шара. Подобное истощение биологических ресурсов касается как современных, так и будущих поколений, становится пагубным для них – предупреждают специалисты продовольственных и сельскохозяйственных организаций ООН. В различных странах создаются разнообразные виды хранилищ продуктов, в том числе и семенного материала. Так, в России создано криохранилище в Институте мерзлотоведения СО РАН (г. Якутск), в США организована Национальная лаборатория длительного хранения семян, в Норвегии есть «Хранилище Судного Дня».

Введение

Среди многообразия фундаментальных биологических проблем особое положение занимает возможность хранения запасов продовольствия и генетического материала.

О максимальной продолжительности существования семенного материала известно недостаточно. До сих пор слабо изученной является уникальная способность семян длительное время оставаться при низких температурах в состоянии покоя, исключительно важная для их сохранения на небольшом пространстве при минимальном уходе и при низких материальных затратах.

Семена многих важных тропических плодовых деревьев, строевого леса и плантационных культур, таких как кофе и каучук, хранить в принципе невозможно и лишь некоторые из них можно в контролируемых условиях содержать в виде культуры тканей или размножать черенками материнского растения [16]. Очевидно, что подобные методики более затратны, чем выращивание растений из семян.

Согласно международным стандартам коллекции генетических банков растений подразделяются на три типа: базовые, активные и дублетные [23, 24]. Материал из базовых коллекций, так называемого «золотого фонда» генетического банка растений, берут только для восстановления образца, когда жизнеспособность семян снижается ниже допустимого уровня, или когда образец не может быть получен ни из какого другого источника, и содержат в условиях, обеспечивающих их длительное хранение: температура около 0 °С и ниже, влажность семян 3-7 %. Активные или рабочие коллекции регулярно тестируются и содержат образцы, которые служат для восстановления, размножения, рассылки, изучения и т.д. Хранятся они в более мягких условиях, что связано, в основном, с экономическими причинами и, отчасти, с удобством пользования. Такие условия обеспечивают среднесрочное хранение коллекций обычно не менее 10-20 лет со всхожестью не ниже 65% от ее первоначального значения. Дублетные коллекции представляют собой дублирующие образцы базовой коллекции, хранящиеся отдельно от нее, с целью увеличения сохранности.

Для обеспечения условий, необходимых для долгосрочного сохранения жизнеспособности семян – стабильно низкой температуры, в ряде стран сооружены хранилища генетических ресурсов растений в виде больших холодильных установок. Их содержание очень дорогостоящее из-за затрат на электроэнергию и обслуживание, необходимости регулярного тестирования семян на всхожесть, силу роста и способность к самовозобновлению [13]. При таком хранении существует реальная угроза потери всего материала банков семян при воздействии внешних факторов, как например: социальные, техногенные и природные катастрофы, неблагоприятные природные условия, отключение электроэнергии. Свидетельством возможности подобных негативных событий является печальный факт потери из-за перебоев электроснабжения громадного числа образцов в банке семян ВНИИР им. Н.И. Вавилова под Петербургом. Поэтому разработка технологий длительного хранения генофонда, отличающихся экономичностью, защищенностью от глобальных и локальных природных и техногенных катастроф, в том числе разработка технологии долгосрочного хранения в многолетнемерзлых толщах, приобретает особую актуальность.

Такие хранилища могут создаваться как в специальных помещениях подобно недавно построенному хранилищу в многолетнемерзлых породах (ММП) на Шпицбергене, либо использовать уже существующие сооружения, например, подземные выработки в Ямбурге (Тюменская область), Амдерме (Архангельская область) и Якутске (Республика Саха). Такие хранилища считаются перспективными для сохранности генофондов растений [2].

Бывшая Амдерминская мерзлотная станция Главсевморпути располагает неиспользуемой по назначению разведочной флюоритовой шахтой на глубине около 14 м в толще докембрийских известняков со среднегодовой температурой около – 4°С. В Якутске находится гораздо меньшее, длиной около 30 м подземелье с приблизительно теми же температурой и глубиной в песчаных отложениях р. Лены под зданием Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

В связи с этим актуальной представляется реорганизация инфраструктуры, пригодной для хранения генофондов сельскохозяйственных растений в РФ и создание на базе институтов РАН, обладающих крупнейшими генетическими банками, уступающими лишь банкам университета Киото (Япония) и китайским учреждениям, проекта национальной программы долгосрочного хранения генофонда растений в ММП.

Характерной особенностью мерзлых толщ является то, что подошва слоя сезонных колебаний их температуры находится на глубине 10–15 м, а глубже температуры пород меняются очень медленно. Это явление и используется при эксплуатации упомянутых объектов. Оптимальными для создания криохранилищ являются северные территории области распространения сплошных ММП с температурой мерзлых толщ от –3 до –15 °С и ниже, к которым относится вся территория Северной и большая часть Центральной Якутии.

Мощность мерзлой толщи в криолитозоне зависит от ряда характеристик:

  •  географического положения и высоты местности;

  •  геологического строения и теплофизических свойств горных пород;

  •  климатических и геоботанических условий;

  •  других факторов.

В зависимости от их сочетания мощность мерзлой толщи горных пород измеряется от нескольких до тысяч метров и более. Так вблизи южных границ распространения ММП их мощность может составлять около 5-6 м, во внутриконтинентальных районах Якутии она достигает 1500 м, а в районе г. Якутска 250–350 м. В толще таких многолетнемерзлых пород на специально подобранных горизонтах можно создавать различные камеры с температурами от –3 до –10 °С и ниже [1] (рис.1).

Рис. 1. Схематическая карта распространения вечной мерзлоты и преобладающих температур вечномерзлой толщи [1].

Условные обозначения: 1. –районы сплошной вечной мерзлоты с температурами на глубине 10–15 м от –10° до –5°;

2 – районы с таликами и температурами грунта на глубине 10–15 м от –5° до –1,5°;

3 – районы с преобладанием таликов (на юге только острова вечной мерзлоты) и с температурами грунта на глубине 10–15 м выше –1,5°; 4 – граница области и островов вечной мерзлоты.

В Якутии есть много подземных выработок, пригодных для низкотемпературных хранилищ. В Институте горного дела Севера СО РАН (ИГДС СО РАН) в г. Якутске разработаны технологии строительства и крепления подземных сооружений различного назначения, в том числе подземных естественных холодильников в слое многолетнемёрзлых пород [14, 15]. Создана трехмерная математическая модель и программный комплекс для расчета температурного режима подземного холодильника и выбора оптимальных параметров его регулирования; системы создания и регулирования требуемого микроклимата за счет «консервации» естественного холода в зимний период и использования его в летнее время для поддержания отрицательных температур в камерах вплоть до –12÷–18 °С с точностью до ±0,2 °С. Создан кадастр подземных выработок на территории Республики Саха (Якутия), пригодных к повторному использованию для целей, не связанных с горным производством. Исследования сотрудников ИГДС СО РАН показали, что путем управления теплообменом на дневной поверхности можно добиться существенного сокращения тепловых нагрузок на холодильное оборудование, обеспечивающее стабильный температурный режим подземного криохранилища. Поэтому создание криохранилищ семян в толще ММП с круглогодично стабильными отрицательными температурами –6 ÷ –8 °С на Северо-Востоке России с использованием только естественного холода лишено упомянутых недостатков и рисков.

Установлено, что хранение в течение 34 лет в условиях подземной лаборатории института мерзлотоведения СО РАН на глубине 12 м семян трех сортов гороха в толще ММП не привело к значительным изменениям их свойств [9]. Аналогичное исследование было проведено на семенах из коллекции ВИР им. Н.И.Вавилова, хранившихся в различных хранилищах с естественным (подземная лаборатория в толще многолетнемерзлых пород, Якутск) и искусственным охлаждением (Михнево, Крымск, Екатеринбург).

В связи со всем вышесказанным, наиболее эффективны в мировой практике хранилища семян, базирующиеся на использовании энергии естественного холода на базе уникального природного явления «многолетнемерзлых горных пород» [10]. Их отличительной особенностью является отрицательная температура на протяжении продолжительного периода времени, в связи с чем их часто называют «вечной мерзлотой». Наиболее широко известным в плане международного сотрудничества является хранилище в Норвегии.

Хранилища на о-ве Шпицберген

Во второй половине XX века гарантирующие сохранность семян хранилища были построены во многих развитых странах мира. Шпицбергенский проект стал принципиально новой ступенью в развитии продуманной идеи. По мысли его авторов, просчитавших все варианты развития человеческой истории, хранилище должно представлять собой что-то вроде банковского помещения с ячейками, куда каждое государство поместит дубликаты семян из своих национальных фондов. Если катастрофа произойдет на родине растения, всегда останется надежда на северные запасы [13].

В мире существует более 1400 семенных банков с аналогичной задачей сохранить многообразие видов растений на планете. Однако главная проблема таких центров в том, что они ненадежны: образцы семян хранятся в обычных зданиях и лабораториях при слишком высокой для сохранения их свойств температуре. Во многих регионах из-за разных политических событий, в т.ч. войн, были разрушены генетические банки (Афганистан и Ирак), а в 2006 году тайфун уничтожил хранилище на Филиппинах. Поэтому учёным хотелось бы иметь «последний вариант» на случай, если все остальные хранилища исчезнут.

Место размещения нового хранилища тщательно выбиралось с учетом нескольких обстоятельств [3]. В первую очередь анализировался климат – температура воздуха на архипелаге никогда не поднимается выше 3,5 градусов по Цельсию. Проектанты учли и возможное широко декларируемое «глобальное потепление» – хранилище расположено на возвышенности и погружено глубоко в гору, поэтому все возможные флуктуации температур воздуха с изменением уровня океана или талые воды от арктических льдов не должны повлиять на его сохранность. Хранилище находится на 120-метровой глубине на высоте 130 м над уровнем моря. Сохранность семенных материалов обеспечивают холодильные установки, способные работать на местном угле, а также вмещающие ММП. Даже если оборудование выйдет из строя, они обеспечат значительный срок очень медленного повышения температуры внутри. Низкая температура (−18 °C) и ограниченный доступ кислорода должны обеспечить низкую метаболическую активность и замедлить старение семян. Ещё одним фактором выбора стала небольшая тектоническая активность в районе Шпицбергена. В результате строить новое хранилище семян решили на норвежской части полярного архипелага Шпицберген (или Свальбард). Идею высоко оценили международные финансовые фонды и вложили в нее вместе с норвежским правительством почти 10 млн долларов [28]. При этом ключевые решения о работе убежища принимает не только Норвегия – свой голос имеют и страны, подключившиеся к сбору семян. Сама структура хранилища сравнима с устройством банка: участники проекта получают в своё распоряжение «ячейки», где будут храниться их семена – образцы наиболее важных сельскохозяйственных культур, из которых 500 семян каждого, по мере их поступления, будут запаяны в алюминиевые пакеты размером 26,5×9 см и заложены в коробки размером 60×40×28 см.

Естественным корпусом хранилища стала скала, герметичный вход в него укреплен железобетонными стенами метровой толщины, которые выдержат даже прямое попадание ядерной боеголовки. Чтобы попасть внутрь, на 120-метровую глубину, гостю нужно пройти через камеру-шлюз. Затем посетителя, миновавшего бетонный коридор, ждут просторные залы, с круглогодичной температурой на уровне −18 °C благодаря постоянно включенным холодильным установкам. Строительство хранилища завершили в 2008 г. (рис. 2).

Рис. 2. Вход в хранилище [13].

Фасад и крыша здания декорированы стальными светоотражающими треугольниками различных размеров. Их дополняют призмы и зеркала с подсветкой. Футуристическая композиция отражает полярный свет в летние месяцы, а зимой сеть из 200 оптоволоконных кабелей окрашивает хранилище семян в приглушенный зеленовато-бирюзовый и белый цвета. За счет цветовых переливов и игры света, которые только усиливает лежащий вокруг снег, здание интересно рассматривать вблизи и издалека, в различное время дня и года. Объект символизирует разнообразие жизни, которая спрятана в хранилище, и отражается на весь мир через большую призму.

Всего хранилище может вместить до 4,5 миллионов сортов, этого достаточно, чтобы восстановить основные съедобные растения в случае их полного уничтожения. На случай локальных или глобальных катастроф в первый год организаторы проекта поместили в «Хранилище Судного дня» около 90 тысяч «запасных» экземпляров семян. К 2017 году их количество почти достигло миллиона, при этом большинство из них – различные сорта риса и пшеницы.  Ученые при открытии убежища надеялись, что его «никогда не придётся использовать», но уже в 2015 году хранилище пришлось впервые распечатать и извлечь образцы. Сирийские исследователи, участвовавшие в проекте, попросили передать им некоторые сорта семян пшеницы, овса и некоторых трав, предназначенные для использования в засушливых условиях, из-за войны их банк зерновых культур оказался частично разрушен. Для экстренного пополнения этих запасов ученые Сирии и попросили вернуть им 130 ящиков с семенами из 325, отправленных центром на хранение в Норвегию еще до войны. Руководство зернохранилища удовлетворило просьбу исследователей. «Защита биологического разнообразия планеты такими методами – именно в этом состоит задача зернохранилища», – отметил пресс-секретарь фонда Crop Diversity Trust, который отвечает за сбор и поддержание коллекции [13].

По информации одной из наиболее известных газет The Guardian, несмотря на то, что идея создания хранилища была в объединении усилий многих стран перед угрозой глобальных катастроф, некоторые государства не торопятся присоединиться к проекту. Китай и Япония только отделываются обещаниями, Индия по-прежнему опасается, а Италия за семь лет предоставила только два образца, да и развивающиеся страны с каждым разом отдают всё меньше и меньше экземпляров семян. Скорее всего это связано с тем, что Норвегия перестала оплачивать транспортировку культур на Шпицберген [13].

Часть ученых, занимающихся проблемой сохранения биологического разнообразия, настаивает на том, что полевые условия подвергают культуры естественным бедствиям и экономическим проблемам, которые сделали сохранение в природе с тайфунами, ураганами, иными стихийными бедствиями и вредителями совершенно непредсказуемым [8]. Иные ученые жалуются, что на семенное хранилище Свальбарда использовано финансирование, которое можно было бы использовать лучше, помогая фермерам. Эти специалисты считают, что нельзя полностью полагаться на материал в банках генов, такой подход замедляет эволюцию. Вот и норвежцев также стали критиковать за то, что они просто хранят все образцы, не проводя над ними никаких исследований, однако создатели хранилища подчеркивали, что они являются всего лишь банком.

27 марта 2017 года Норвегия объявила о постройке второго «Хранилища Судного дня» в Арктике. На этот раз создатели проекта решили создать библиотеку цифровых данных, которая бы сохранилась в случае мировых катаклизмов. Технологическая компания Piql собирается разместить там ценные книги, документы, произведения искусства и фильмы, являясь цифровым архивом для мировых данных. Этот новый объект заложен в той же горе, что и глобальное хранилище семян на Свальбарде, и сделает для цифрового наследия мира то, что банк семян сделал для геотехнологии, сообщает Piql – норвежская технологическая компания, возглавляющая новый проект хранилища. Известный как Арктический мировой архив, новое хранилище будет выступать в качестве библиотеки для правительств и научных учреждений, а также компаний и частных лиц, чтобы сохранить свои данные в безопасности. Безопасность хранилища является высокотехнологичной, среда для нового архива устойчива, цифровые данные хранятся в виде дискретных 1с и 0с форматах [13]. Пока что в подземное хранилище помещены Национальные архивы Бразилии и Мексики, например бразильская конституция. Для Мексики очень важны документы, например периода инков, являющегося очень важной исторической вехой. В целом же в хранилище могут быть уместны любые данные, от метеорологических наблюдений до примеров классической литературы.

В Piql призвали правительства всех стран отправлять в убежище информацию, которая могла бы оказаться важной для восстановления их истории. По заверению создателей, это спасёт мир в случае, если что-то уничтожит как цифровые, так и аналоговые носители. Представители Piql подчеркнули, что они могут сохранить «любые виды» данных и пообещали «ультразащиту» от всех возможных угроз, включая ядерную атаку. Данные будут храниться при температуре 0 °С в укреплённых контейнерах. Страны получили возможность отправлять туда документы на краткое время для защиты, но норвежцы строили убежище не для этого. Их цель – сохранить память о цивилизациях в случае уничтожения цифровых и физических носителей за пределами бункера.

Национальное хранилище семян мировой коллекции растительных ресурсов ВИР

В середине 70-х годов ХХ века в соответствии с приказом ВАСХНИЛ № 53 от 08 июля 1972 г. в составе Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И.Вавилова было создано Национальное хранилище семян мировой коллекции растительных ресурсов, размещенное на территории самого института в г. Ленинграде и Кубанской опытной станции этого института в г.Краснодаре.

27 сентября 1976 г. директор ВНИИРа академик Брежнев Д.Д. утвердил два документа: «Положение (временное) о Национальном хранилище в составе кубанской опытной станции ВНИИРа» и «Общие положения по отбору образцов семян мировой коллекции ВИР для закладки на длительное хранение в Национальном хранилище». Этими документами были определены основные направления и принципы деятельности этого хранилища.

Базовой являлась гениальной идея академика Н. И. Вавилова о широкомасштабном многолетнем изучении всемирного семенного материала по единой методике географической изменчивости у различных видов культурных растений. Идея была реализована на огромных пространствах в 115 географических пунктах с различными природными условиями, в течение 5 лет изучались 40 видов растений, представленных их 185 сортами, в том числе 33 – яровой и озимой пшеницы, по 67 морфологическим и физиологическим признакам и свойствам [9].

В течение 1920-1940 гг. по инициативе Н. И. Вавилова и, как правило, под его руководством и при его участии было проведено 140 экспедиционных обследований на территории бывшего СССР и 40 – в зарубежных странах. В итоге была сформирована уникальная «Вавиловская коллекция мировых генетических ресурсов культурных растений» ВИРа, насчитывающая к 1940 г. более 250 тысяч различных сортов и образцов – единиц хранения. Таким образом, за все время своего существования коллектив ВИРа, по собственному выражению Н. И. Вавилова, «стоя на глобусе», создал уникальнейшую мировую коллекцию культурных растений с непростой исторической судьбою [7].

Проблему происхождения культурных организмов Н.И.Вавилов ставил не только как историческую, но и как динамическую, пытаясь прежде развить ее в экспериментальном плане. Только при этом условии появилась возможность решить вопрос происхождения ряда культурных растений и наметить пути их исторического развития на отдельных материках земного шара [25].

В мире сейчас из действующих 1740 банков семян, некоторые работают для сохранения местных растений, другие – на всемирном уровне, и одно из ведущих мест занимает институт ВИР, где удалось сохранить не только научную идею, но технологическую базу. Эта коллекция занимает 4 место по численности, уступая только индийской, китайской и американской собраниям, а по исследовательской значимости, по изученности, по документированию, по использованию лидирует ВИР [7]. Центр института находится в Санкт-Петербурге, а 11 филиалов – по всей стране (Апатиты, Владивосток, Дербент, Адлер, Майкоп, Крымск, Астрахань, Волгоград, Тамбов, Краснодар). В целом сейчас хранится 325 тыс. образцов культурных растений и диких родичей. Это собрание генетического разнообразия, которое обеспечит Россию запасом изменчивости на 200-300 лет. В институте продолжает функционировать вся инфраструктура, не только хранилища (на –10 и на +4 °С), но и биокомплексы, биокриокомплексы, где хранятся коллекции в жидком азоте, есть и инвитрохранение, т.е. сохранение в пробирках. За опытом в ВИР приезжают со всего мира специалисты, которые учатся технологиям хранения коллекций, имеющих статус полевых генных банков, выполняют в полном объеме комплекс научно-технических работ по мобилизации, сохранению всхожести, изучению и рациональному использованию коллекции мировых генетических ресурсов культурных растений и их диких родичей. Руководство ВИР считает, что в России не следует создавать новые генбанки, т.к. концепция, идеи, кадры, материально-техническая база, наука, бюджетное финансирование имеются только в их институте.

История подвига советских ученых в годы ВОВ заслуживает отдельного описания. В осажденном Ленинграде – городе, где долгое время жил и работал Вавилов, шла первая блокадная зима. Нормы хлеба были сокращены до невозможного: рабочим – по 250 граммов в сутки, остальным – 125 граммов. Люди, обессилившие от голода, падали на ходу, умирали от истощения. А в это время в темных холодных комнатах на Исаакиевской площади, в доме с забитыми досками окнами было полно еды. В коробках и мешках лежали десятки тонн семян, клубней картофеля. Но сотрудники Всесоюзного института растениеводства (ВИР), которые работали и урывками спали рядом, были так же голодны и истощены, как и все ленинградцы. Они бредили едой, и все же никому из них даже не приходила в голову мысль съесть хотя бы горсточку зерен, чтобы спасти свою жизнь.

Возможно, по нынешним временам их трудно понять, но они знали, что делали. Они берегли от сорокоградусной стужи и стай остервеневших крыс бесценное достояние государства – уникальную коллекцию культурных растений и их дикорастущих сородичей. Не имевшая себе равных в мире, собранная гигантскими усилиями коллекция, насчитывала более 200 000 драгоценных образцов. 28 сотрудников института умерли от голода во время блокады, но ни одно зернышко или картофельный клубень не были утеряны.

Американский ученый Дж. Р. Харлан-младший сказал обо всей коллекции ВИР: «Все больше и больше стран находится сегодня в зависимости от мировой коллекции советского Института растениеводства. Работы этого института необходимы для существования всего человечества» [21].

Во время распада СССР в ВИР и шести его опытных станций было потеряно несколько десятков тыс. образцов коллекции. Позднее был даже момент, когда сам факт существования коллекции семян находился под угрозой – подвело давно не чиненное холодильное оборудование. Гуманитарную помощь оказал сельхоздепартамент США, хорошо понимающий значение коллекции – давно уже общемирового достояния [20].

Сейчас ситуация с финансированием улучшается. Федеральное агентство научных организаций России оказывает институту значительную поддержку, он введен в систему «Пять пилотных проектов при президенте РФ». Закупаются новая техника, оборудование, начат ремонт помещений. Технический регламент хранения соблюдается. Таким образом, Национальная программа по генетическим ресурсам культурных растений и их диких родичей Российской Федерации представляет собой основное средство и главный механизм для достижения целей мобилизации, сохранения и рационального использования компонентов агробиоразнообразия, с помощью которого будет выполняться подавляющая часть деятельности на национальном и международном уровнях. Национальная программа является составной частью Национальной Стратегии и Национального Плана действий сохранения биоразнообразия России [7].

Коллекция семян Н.И. Вавилова сохранилась в Санкт-Петербурге, до сих пор на ее основании можно создавать новые сорта растений, и специалисты считают, что и сейчас возможно обеспечить выживание население всего мира. При этом четверть из растений считаются вымершими – но потенциально они живы, пока цело собрание Вавилова. Его стоимость потрясает воображение и оценивается примерно в 10-11 триллионов долларов [21], в то время как золотовалютные запасы России составляют менее 1 триллиона.

Большая часть коллекции ВНИИР им. Н.И. Вавилова РАСХН хранится в контролируемых условиях при 4 °С, частично аналог при – 18 °С в подземном хранилище филиала института – Кубанский генетический банк семян – в герметичной или полузакрытой таре со сроком хранения без пересевов 25-30 лет. Между тем исследования, проведенные после девяти лет хранения семян, показали, что околонулевые положительные температуры не позволяют длительно сохранять семена без ухудшения их качества и уменьшения жизнеспособности вследствие биохимических процессов старения [4, 16].

Хранилища в г. Якутске

Идея долгосрочного хранения семенного материала в естественных условиях многолетнемерзлых толщ горных пород севера России впервые была реализована якутскими учеными. История этого исследования такова. Примерно в середине 70-х годов прошлого века выдающийся сибирский физиолог растений Ф.Э. Реймерс на одном из заседаний Объединенного ученого совета по биологическим наукам СО АН СССР поднял вопрос о создании хранилища семян растений в толще вечной мерзлоты без указания точного его местонахождения. При этом ученый делал упор на то, что такое хранилище будет весьма экономно, так как не будет необходимости поддерживать оптимальную температуру хранения за счет использования электроэнергии [22].

Вскоре в Институте биологии ЯФ СО АН СССР сформировался коллектив сторонников идеи о создании криохранилища в толще многолетнемерзлых пород, в который вошли тогда еще молодые кандидаты наук биологи Б.И. Иванов, В.Г. Алексеев, В.Н.Дохунаев. Идея была поддержана руководством ВНИИР им. Н.И.Вавилова, Института биологии ЯФ СО АН СССР и Якутского НИИ сельского хозяйства. Особо важное значение имела активная поддержка идеи со стороны директора Института мерзлотоведения СО АН СССР академика П.И. Мельникова и его согласие на использование одной из подземных шахт института для хранения семян растений, комплексного исследования процессов их старения и сохранения репродуктивных способностей при различных способах хранения (рис. 3).

Рис. 3. Подземная лаборатория Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН. Фото М.М. Шац.

Всесоюзный институт растениеводства предоставил экспериментальный материал из мировой коллекции семян, Институт мерзлотоведения (ИМЗ СО АН СССР) – камеру подземной лаборатории, где вместе с Институтом биологии было создано подземное хранилище семян с соответствующими условиями. Биологи отвечали за изучение динамики физиолого-биохимических параметров и всхожести семян. Итак, в конце 70-х годов ХХ века на базе подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО АН СССР, созданной в 1964-1967 гг. на глубине 12 м в толще многолетнемерзлых пород четвертичного возраста около 10 тыс. лет, мощностью 21 м на глубине 12 м размещена исследовательская камера. Собственно отложения представлены супесью и мелкозернистым песком весовой льдистостью 20-30% с незначительным (1-3% по объему) количеством воздуха. Подобный эксперимент проводился впервые в мире. В период с 1976 по 1983 гг. на дублетное хранение в условиях многолетнемерзлых грунтов в подземной лаборатории института мерзлотоведения ВИРом было передано 10525 образцов сельскохозяйственных культур из коллекции отдела зернобобовых культур ВИР (г. Ленинград). В ряде публикаций, связанных с изучением хранения образцов семян сельскохозяйственных культур, в том числе коллекции ВИР, в условиях толщи многолетнемерзлых пород, также предлагалось использовать эти уникальные природные особенности при организации низкотемпературного хранилища семян растений [3, 5, 6, 12, 15, 16, 18, 26, 27]. Сотрудниками ИБПК СО РАН установлено, что хранение более тридцати лет семян зернобобовых в условиях толщи многолетнемерзлых грунтов (температуры –5,5 ÷ –6,0°С) способствовало сохранению их жизнеспособности [11]. На примере быстро стареющих семян при положительной температурной среде отмечено, что 3-х летнее хранение при температурах +4, –6 и –18ºC вне зависимости от применяемых газовых сред (воздух, диоксид углерода, азот, аргон) не вызывает изменений свойств по сравнению с контрольными экземплярами, хранившимся при температуре 20 ºC [10, 11].

В 2010 г. по результатам совместных многолетних исследований ИБПК СО РАН и ИМЗ СО РАН получен патент РФ № 2391810 [19] на изобретение, относящееся к категории сельскохозяйственной биотехнологии, к энерго- и экономически малозатратным способам криобиологического сохранения в жизнеспособном и генетически интактном состоянии семян растений в течение многих десятилетий (столетий). Способ реализуется путем использования естественного холода вечномерзлых горных пород криолитозоны со стабильно низкой температурой – 6÷ – 8°С.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является полное сохранение жизнеспособности и генетического постоянства семян в течение десятков, а вероятно, даже сотен лет без дополнительных затрат электроэнергии, без зависимости от глобальных и локальных природных и техногенных катастроф, без пересевов семян, благодаря физиологическому подавлению интенсивности всех биологических процессов в семенах и угнетению жизнедеятельности микроорганизмов. Эффект достигается тем, что семена растений хранят в подземных хранилищах, размещаемых в толще ММП в слое с постоянной температурой – 6÷ – 8 °С, соответствующей оптимальной температуре хранения семян. Каждый образец семян, высушенный до определенной видоспецифичной влажности в интервале 5-7 %, помещают в герметичную тару и закупоривают. Проверочные отдельные пересевы должны проводиться не ранее чем через 5-10-25 лет. Перед закладкой определяют параметры жизнеспособности семян, функциональной активности, устойчивости и интактности генома: энергию прорастания, всхожесть, выживаемость, функциональную активность генетического аппарата клеток тканей. Аналогичные параметры определяют спустя определенный срок криохранения. Объем выборки семян – не менее 1000 штук для обеспечения максимального сохранения всего разнообразия генофонда вида, особенно дикоросов [17].

Получение патента явилось одним из оснований при организации и запуске 12.12.2012 г. за счет средств бюджета Республики Саха (Якутия) и инвестиционного проекта СО РАН первой очереди Федерального криохранилища семян растений площадью 150 м2 и ориентировочной мощностью до 100 тысяч единиц хранения (рис. 4). В подземной выработке такого типа за счет рационального использования естественного холода реализована эффективная технология управления температурным режимом в диапазоне годовых колебаний – 6 ¸ – 12оС. Вскоре после открытия был проведен перенос уже имеющейся в подземной лаборатории ИМЗ СО РАН коллекции семян зернобобовых культур (около 10 тыс. образцов хранения), переданных ВИРом более 30 лет назад.

http://trinixy.ru/108919-yakutskoe-kriohranilische-semyan-rasteniy-9-foto.html.

Рис. 4. Федеральное криохранилище семенного материала на территории Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН [29].

Описание технических решений для 1 очереди Федерального криохранилища в Якутске дано в специальной работе [12]. Движение воздуха по охлаждающим каналам объекта может обеспечиваться двумя способами: принудительным или за счет естественной тяги. Достоинством принудительной вентиляции является возможность регулирования расхода воздуха в широких пределах, а его недостатки заключаются в значительном расходе электрической энергии или топлива для работы нагнетательных механизмов и возможность нарушения теплового режима сооружения при прекращении работы этих механизмов по разным причинам. Поэтому для регулирования температуры в подземном сооружении с длительным сроком эксплуатации предпочтительным является аккумулирование холода атмосферного воздуха, движение которого по охлаждающим каналам происходит за счет естественной тяги.

Конвективное движение холодного воздуха по каналам охлаждающих устройств (ОУ) происходит вследствие формирования разных температур и, следовательно, разной плотности воздуха в двух вертикальных каналах, расположенных на конечных участках охлаждающего канала и выведенных в атмосферу на разную высоту от поверхности земли (рис. 5). Температуры наружного воздуха и грунта на поверхности земли носят явно выраженную годовую периодичность. В массиве грунта в соответствии с законом Фурье устанавливаются колебания температуры с тем же периодом и затухающей с глубиной амплитудой. Однако в слое с годовыми колебаниями температур в области распространения многолетнемерзлых грунтов наблюдается асимметрия температурного поля, вызванная фазовыми переходами воды.

Рис. 5 . План криохранилища на уровне рабочих камер.
Условные обозначения:1– основная камера; 2 –боковые камеры; 3– основной ствол; 4 – вспомогательный ствол.

В I очереди Федерального криохранилища рабочие помещения (рис. 5) состоят из одной продольной камеры площадью 52,6 м 2 и трех поперечных камер площадью 11,1; 10,7 и 5,8 м2. Общая площадь камер равна 80,2 м2.

Понижение температуры криохранилища с помощью воздушных охлаждающих устройств в зимнее время не вызывает существенных технических затруднений. Целесообразным местом аккумулирования холода атмосферного воздуха с помощью воздушных ОУ конвективного действия является верхняя часть мерзлого массива над криохранилищем. Ряд теплообменных каналов располагаются на определенном расстоянии друг от друга в основании сезоннопротаивающего слоя. Циркуляция воздуха с отрицательной температурой по каналам ОУ в течение большей части зимнего периода вызывает охлаждение нижележащих мерзлых пород и способствует промерзанию сезонноталого слоя снизу. При этом глубина расположения криохранилища определяется исходя из основных закономерностей распространения температурных волн в массиве мерзлых пород.

Охлаждающие устройства нового криохранилища в г. Якутске расположены в толще многолетнемерзлых пород на подошве слоя годовых колебаний их температуры на глубине 10,0 м. Камеры с боков и кровли закреплены деревянными лиственничными брусьями со сторонами 20х20 см и обшиты стекломагнезитовыми листами толщиной 8 мм. Подошва камер залита бетоном толщиной 20 см. Основная камера соединяется с поверхностью земли двумя вертикальными стволами, которые закреплены стальными конструкциями, обшитыми листовой сталью 2. В климатических и грунтовых условиях г. Якутска циркуляция холодного воздуха по каналам ОУ-1 начинается во второй половине ноября и прекращается в конце марта. Движение холодного воздуха по системе ОУ-2 происходит в период с середины октября до середины марта. Однако погодные условия могут вызывать существенные отклонения сроков функционирования воздушных охлаждающих устройств конвективного действия.

Температуры грунтов на глубине расположения хранилища в осеннее время, когда они принимают наиболее высокие значения, являются самыми низкими по сравнению с температурами на всех других глубинах. Следовательно, глубина расположения криохранилища в г. Якутске является оптимальной.

На основании выполненных расчетов формирования температуры мерзлых пород вокруг криохранилища и данных наблюдений за работой воздушных охлаждающих устройств конвективного действия и температурным режимом сооружения в первый год его эксплуатации авторами технического решения было сделано следующее заключение [12]. Охлаждающее устройство для летней стабилизации температуры в криохранилище вследствие недостаточной продолжительности его работы в природно-климатических условиях территории г. Якутска пока не обеспечивает поддержание температуры на необходимом уровне в конце осеннего периода. Однако температуры в рабочих камерах в диапазоне – 6 ÷ –10° С в этот период вполне обеспечиваются пропуском через криохранилище искусственно охлажденного потока воздуха.

В перспективе – строительство второй очереди федерального криохранилища. Теперь перед учеными стоит новая задача – обосновать необходимость организации и строительства следующих очередей хранилища семян, превосходящих по мощности уже введенное в десять раз, способное принять миллион образцов семян редких и перспективных растений, т.е. большую часть представителей земной флоры.

Заключение

Приведенные данные убедительно свидетельствуют, что долговременное хранение растительного материала в виде семян является одним из самых распространенных и эффективных подходов к сохранению большинства видов растений мира. Создание банков семян имеет значительные преимущества по сравнению с другими методами сохранения растений: легкость хранения большого количества образцов, экономия места и сравнительно низкие трудо- и энергоемкость.

Во многих странах мира проблемы мобилизации, сохранения, изучения и рационального использования генетических ресурсов растений, национальные стратегии и программы, решаются на государственном уровне. Не является исключением и Россия, где впервые в мире, во многом благодаря академику Н. И. Вавилову, на научной основе еще в прошлом веке было начато комплексное изучение растительного разнообразия с целью создания новых сортов и обеспечения населения продовольственными товарами. В то же время, когда многие страны уделяют проблемам сбора, сохранения, изучения и использования генетических ресурсов растений особое внимание, именно в России это направление было временно упущено.

Существующее законодательство пока не учитывает многих реалий деятельности в области растительного генетического разнообразия и не позволяет проводить широкое сотрудничество на международном, национальном и региональном уровнях. Учитывая это, в 2006 г. по инициативе ВИР был разработал проект Национальной программы по генетическим ресурсам культурных растений для координации работ данной тематики для всех научных учреждений, органов государственной власти и в целом для совместной разработки и реализации национальной политики в области сохранения и рационального использования культурных растений. Однако в нашей стране, в отличии большинства зарубежных, проблема государственной важности по сохранению и рациональному использованию семенного материала до сих пор решалась в узких рамках отраслевой научно-технической программы, в связи с чем работы с генетическими ресурсами не имеют необходимой координации на государственном межведомственном уровне и не обеспечены достаточным объемом бюджетного финансирования. Требуется срочное обновление и модернизация материально-технической приборной базы, оборудованной для создания условий хранения образцов в контролируемой среде и т.д. Выходом из создавшейся ситуации может быть организация в разных регионах криолитозоны сети криохранилищ мирового генофонда растений, размещенных в слое многолетнемерзлых горных пород со стабильными условиями, обладающими высокой надежностью и экономичностью, с системой оптимизации температурно-влажностных и газовых условий, обеспечивающих длительное хранение семян без промежуточных пересевов. Температурный режим в таких хранилищах должен обладать большой температурной инерционностью, что обеспечит сохранность генофонда, в том числе и в экстремальных условиях природных и техногенных катастроф. Кроме того в таких хранилищах должен быть налажен мониторинг сохранности физиолого-биологических свойств семян, их устойчивости и активности при выходе из анабиотического состояния. В настоящее время следует уделять особое внимание 50 тысячам видов, из которых 20 тысяч находятся в угрожаемом положении, 15 тысяч потенциально могут стать исчезающими и еще 15 тысяч видов представляют интерес в качестве экономически важных. Непрогнозируемый ущерб видовому разнообразию растений и животных могут нанести глобальные изменения климата, а также техногенные катастрофы, включая ядерные, химические, бактериологические. Вместе с тем известно, что биологическое разнообразие обеспечивает устойчивость и надежность биоценозов и экосистем.

Существует мнение, что все современные хранилища, в том числе и наиболее современное – «Судного дня», ненадежны. Общеизвестно, что сейчас во многих районах Земли происходят существенные изменения климата, в том числе в сторону повышения температуры воздуха и верхних горизонтов горных пород, не обошедшие стороной и Арктику. В результате широко развитые ледники на Шпицбергене, возможно уже в недалеком будущем, начнут таять, и необходимый для хранения семян температурный режим разрекламированного объекта придется поддерживать обычными холодильными установками с огромными расходами электроэнергии. В то же время существует мнение об иной направленности климатических процессов Арктики в результате изменения траектории «северной печки» – Гольфстрима – из-за огромных объемов пресных вод, поступающих в Северную Атлантику от таяния обширных ледников Гренландии. При этом теплое течение повернет к северу гораздо западнее, чем ранее, и Северо-Запад Европы, в том числе и Шпицберген, лишатся его отепляющего влияния.

Россия имеет не только наибольшую в мире территорию, но и максимальную площадь ММП, которая занимает около 65% страны. Мерзлая толща горных пород в силу своих физико-механических свойств непроницаема ни для жидкостей, ни для газов, поэтому стремление использовать заключенный в этой толще запас естественного холода поможет добиться существенной экономии за счет сокращения обслуживающего персонала и используемых энергоресурсов для целей длительного хранения живых биологических материалов.

Автор: Шац М.М., к.геогр.н., в. н. с.; Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН; Мерзлотная ул., 36, Якутск, 677000, Россия

Координаты для связи: e-mail:mmshatz@mail.ru

Источники:

  1. Браун Д., Граве Н.А. Нарушение поверхности и её защита при освоении Севера. – Новосибирск: Наука, 1981. – 88 с.

  2. Брушков А.В. Подземные хранилища в вечной мерзлоте: современное состояние // Вестник ВОГиС. – 2008. – Т. 12, №4. – С. 534-540.

  3. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%89%D0%B5.

  4. Далецкая Т.В., Полякова Е.Н. Криоконсервация генетических ресурсов в проблеме сохранения биоразнообразия. Влияние криоконсервации на прорастание семян и некоторые стадии метаболизма // Биофизика живой клетки. – 1994. – Том 6. – С.81-85.

  5. Данилова М.С. Хранение семян зерновых культур в зоне вечной мерзлоты // Бюлл. ВИР. – 1982. – №. 118. – С. 34-36.

  6. Данилова М.С. Использование условий вечной мерзлоты для хранения семян сельскохозяйственных растений: Автореф. дис… канд. с.-х. – Л., 1984. – 17 с.

  7. Дзюбенко Н.И. Вавиловская стратегия пополнения, сохранения и рационального использования генетических ресурсов культурных растений и их диких родичей // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – СПб.: ВИР, 2012. – Т. 169. – С. 4-40.

  8. Йоханссон К. Хранилище последней надежды // Холодильный бизнес. – 2009. – № 5. – С. 6-10.

  9. Кершенгольц Б.М., Ремигайло П.А., Шеин А.А. Криохранилище семян растений в толще многолетнемерзлых пород: опыт, проблемы, состояние, перспективы. // Вестник ВОГиС. – 2008. – Т. 12,№ 4. – С. 54-62.

  10. Кершенгольц Б. М., Иванов Б. И. Десяткин Р. В. и др. Использование естественного холода многолетнемерзлых пород для длительного хранения генетических ресурсов // Вестник ВОГиС. – 2008. – Т. 12, № 4. – 524-533.

  11. Кершенгольц Б.М., Жимулев И.Ф., Гончаров Н.П., Чжан Р.В., Филиппова Г.В., Шеин А.А., Прокопьев И.А. Сохранение генофонда растений в условиях многолетней мерзлоты: состояние, преимущества, перспективы // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2012. – Т. 16, № 3. – С. 675-682.

  12. Кузьмин Г.П., Панин В.Н. Основные результаты управления температурным режимом Федерального криохранилища I очереди в г. Якутске. // Вестник ВОГиС. – 2008. – Т. 12, № 4. – С.34-42.

  13. Кузьмин Е. «Ковчеги» для спасения человеческого наследия. Зачем норвежцы создают «Хранилища Судного дня» в Арктике. URL: https://tjournal.ru/42743-kovchegi-dlya-spaseniya-chelovecheskogo-naslediya. Дата обращения: 04 апреля 2017, 10:33.

  14. Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Романова Е.К., Киселев В.В. Закономерности формирования температурного режима подземного криохранилища в условиях вечной мерзлоты // Наука и образование. – 2012. – № 1. – С. 20-24.

  15. Курилко А.С., Хохолов Ю. А., Романова Е.К. Регулирование температурного режима подземного криохранилища путем управления теплообменом на дневной поверхности // Наука и образование. – 2013. – № 1(69). – С. 17-19.

  16. Мокроносов А.Т., Купцова Е.С., Попов А.С., Кузнецов В.В. Генетическая коллекция как способ сохранения биоресурсов планеты // Вестник Российской академии наук. – 1994. – Том 64, № – С.991-1001.

  17. Нужно ли России свое Хранилище судного дня? URL: http://newsapk.ru/stati-i-kommentarii/nuzhno-li-rossii-svoe-hranilishhe-sudnogo-dnya.html. Дата обращения: 04.2016.

  18. Павлов Н. Е., Данилова М. С., Сторожева Н. Н. Хранение семян сельскохозяйственных культур в вечной мерзлоте / Сб. тез. докл. 3 Приполярной сельскохозяйственной конф. «Приполярное сельское хозяйство: Перспективы глобализации». – Аляска, США, 1998. – С. 82.

  19. Патент РФ № 2391810 «Способ многолетнего хранения семян растений с использованием естественного холода толщи многолетнемерзлых горных пород» (зарегистрировано в реестре 20.06.2010, приоритет от 30.01.2008).

  20. Силаева О.И. Хранение коллекции семян мировых растительных ресурсов в условиях низких положительных температур – оценка, состояние, перспективы / Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – СПб.: ВИР, 2012. – Т. 169. – С. 230 – 293.

  21. СМЕРТЬ ОТ ГОЛОДА… У КОРОБОК С ЕДОЙ. URL: http://www.uznaipravdu.info/topic-4064.html. Дата обращения 14.05.2017.

  22. Сторожева Н. Н. Вечная мерзлота как криобанк генетических ресурсов сельскохозяйственных культур / Сб. матер. IV науч.-практ. конф. «Природно-ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». – Пенза, 2006. – С. 211-214.

  23. Филипенко Г.И. Развитие системы низкотемпературного хранения и криоконсервации генофонда растений в ВИР им. Н.И. Вавилова // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. – 2007. – Т. 164. – С. 263-272.

  24. Филиппенко Г.И., Силаева О.И., Сторожева Н.Н. Использование вечной мерзлоты с целью сохранения генетических ресурсов растений // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – СПб.: ВИР, 2012. – Т. 169. – С. 240 – 244.

  25. Шайкин В.Г. Николай Вавилов. – М.: Молодая гвардия, 2006. – 256 с.

  26. Яшина С.Г., Губин С.В., Шабаева Э.В. и др. Жизнеспособность семян высших растений позднеплейстоценового возраста из вечномерзлых отложений, обнаруживаемая в культуре in vitro // Докл. РАН. – 2002. – Т. 383, № 5. – С. 714-717.

  27. Яшина С.Г., Шабаева Э.В., Розанов С.И. Проблема создания и размещения криобанка семян редких и исчезающих видов растений в условиях вечной мерзлоты / Итоги фундаментальных исследований криосферы Земли в Арктике и Субарктике. – Новосибирск: Наука, 1997. – С. 188–192.

  28. Frequently asked questions. URL: https://web.archive.org/web/20111021223103/http://www.regjeringen.no/en/dep/lmd/campain/svalbard-global-seed-vault/frequently-asked-questions.html. Дата обращения: 12.06.2017.

  29. URL: http://trinixy.ru/108919-yakutskoe-kriohranilische-semyan-rasteniy-9-foto.html.


LONG-TERM STORAGE OF SEEDS IN CONDITIONS OF LOW TEMPERATURES

Shatz M.M., Cand.Sci. (Geography), LeadingResearcher; Melnikov Permafrost Institute, Siberian Branch, RAS; Merzlotnaya Str., 36, Yakutsk, 677010, Russia

Key words: major agro-biological problems; extinction of various plant species; depletion of biological resources; various types of storages of seed material


технопарк ® 42 МКТУ: исследования в области биологии

Просмотров: 2226

1 comment on “ХРАНЕНИЕ СЕМЕННОГО МАТЕРИАЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ”

  1. Юрий Шумилов

    Оригинальное и чрезычайно содержтельное изложение проблемы. Данное направление заслуживает всяческой поддержки в теоретических и прикладных аспектах.

Comments are closed.