Банк семян России в вечной мерзлоте

Власти России приняли решение о создании в городе Якутске 1-й очереди­ Федерального криохранилища семян культурных, редких и исчезающих видов растений, которое будет располагаться в слое многолетних мерзлых пород.

Банк семян России в вечной мерзлоте был организован Институтом мерзлотоведения Сибирского отделения АН СССР в 1961 году на базе Северо-Восточного отделения Института мерзлотоведения им. В.А. Обручева в г. Якутске, который с февраля 1995 г. носит имя его основателя и первого директора академика Павла Ивановича Мельникова. В состав института вошли Игарская и Алданская научно-исследовательские мерзлотные станции в 1965 г. перебазирована в посёлок Чернышевский (Якутия) и получила название «Вилюйская».

Основанием для этого стали результаты многолетнего эксперимента якутских учёных по хранению семян растений в подземной мерзлотной лаборатории, стартовавшего в 1977—1978 гг.

В наше время видовое и генетическое разнообразие растительного и животного мира планеты находится под угрозой: неожиданный и невосполнимый ущерб могут нанести последствия глобальных изменений климата, а также антропогенной деятельности, такие как техногенные катастрофы. По прогнозам специалистов, уже к середине XXI века могут практически исчезнуть или подвергнуться серьезной генетической эрозии почти четверть видов высших растений, в том числе представляющие экономический интерес.

Существует несколько способов по долговременному сохранению генетических растительных ресурсов. Наиболее удобная для хранения часть растений – семена, которые содержат уникальный набор генов. Поэтому в первую очередь речь идёт о семенных банках, где образцы хранятся в течение десятилетий – этот метод имеет значительные преимущества перед другими из-за своей простоты и низкой трудоемкости. Создание такого «генетического запаса», особенно в отношении генов, значимых для селекции, – наиболее рациональный путь сохранения биологического разнообразия в практических целях.

Подобные меры по сохранению семян редких и хозяйственно важных видов культурной и дикой флоры сегодня применяются во многих странах мира – общее число семенных банков приближается к полутора тысячам. В подобных хранилищах хранятся сотни тысяч образцов семян. Семенные банки Франции насчитывают около 500 тысяч образцов, Китая – более 800 тысяч, Индии – более 600 тысяч, США – около 1 млн, Бразилии – более 300 тысяч образцов.

В России основным хранителем коллекции семян является Санкт-Петербургский Всероссийский институт растениеводства им. Н. И. Вавилова (ВИР), причём за последние 35 лет число образцов в его коллекциях сократилось почти вдвое и сейчас составляет 270 тысяч образцов.

Цель учёных ВИР сегодня

Сегодня Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР) по значимости можно сравнить с золотовалютным фондом страны или запасом пресной воды на космическом корабле. Это крупнейший в России и один из самых больших генетических банков в мире, а точнее, коллекция генетических ресурсов растений и плодоягодных культур.

Именно здесь хранят уникальную коллекцию семян и саженцев, которая насчитывает уже более 320 тысяч образцов и полностью продублирована — на случай чрезвычайных ситуаций. Только образцов пшеницы, из которой делают хлеб, здесь хранится более 30 тысяч единиц.

В ледяных контейнерах — криотанках, — в парах жидкого азота при температуре минус 200 градусов по Цельсию хранятся образцы плодовых культур: черенки черемухи, вишни, черешни, смородины, абрикоса, клубни картофеля и многие другие.

Коллекция семян не пылится, а постоянно пересевается и используется в научных целях. Благодаря этому выводятся новые сорта. Ученые здесь не только сохраняют коллекцию, но и работают, исследуют материалы, чтобы помогать селекционерам выводить новые сорта, более устойчивые к разным изменениям климата и вирусам.

Цель учёных — сохранить уникальные образцы и приумножить лучшие из них. Для этого в одном из филиалов ВИРа, в городе Пушкин, с живыми экспонатами Вавиловской коллекции работают на микроскопическом уровне.

Фото А. Шеина

Единственное хранилище без энергозатрат

Хранилище было построено на высшем уровне архитектуры и техники. Объект имеет форму туннеля глубиной 12 метров. В туннеле постоянно поддерживается температура около — 12 °C, что позволяет сохранять культуры десятилетия и даже столетия.

Эта штольня ведёт в подземное криохранилище – мерзлотную лабораторию Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (Якутск), где в течение более 30 лет на глубине 12 метров хранятся семена растений. Совместно с Институтом горного дела Севера им. Н. В.Черского были разработаны эффективные технологии управления температурно-влажностным режимом в камерах подземного хранилища большого объёма практически только за счёт рационального использования естественного холода. Поэтому такой способ длительного хранения семян отличается высокой экономичностью и независимостью от внешних источников энергии.

Международный совет по генетическим ресурсам растений разработал общие стандарты хранения семенного материала, которых должны придерживаться все страны мира. Согласно этим положениям, семенной банк состоит из базовой и рабочей (действующей) коллекций, причем образцы из последней регулярно тестируются. Коллекции должны храниться в условиях, гарантирующих, что жизнеспособность (всхожесть) семян составит не менее 65 % в течение 10—20 лет хранения. Для этого перед закладкой в хранилище их высушивают до 3—7%-ной влажности и хранят при отрицательных температурах в герметичной упаковке.

Предпочтительные условия хранения для базовой коллекции – минус 180 °С и относительная влажность 5 %, однако комбинация температуры и влажности может варьировать, в том числе в зависимости от вида растения. Интересен тот факт, что зависимость между температурой и максимально возможной продолжительностью хранения семян нелинейна, поэтому экономическая выгода от снижения температуры (по крайней мере в диапазоне температур до –200 °С) уменьшается со снижением температуры хранения.

Хранение семян при низких температурах и низкой влажности позволяет сохранять жизнеспособность семян в течение десятков и даже сотен лет. Всхожесть семян проверяется через определенные промежутки времени (обычно каждые 5 лет) из образцов рабочей коллекции. При снижении всхожести получают новый образец, выращивая растения из сохранившихся семян, однако подобная регенерация коллекции – процесс длительный и дорогостоящий.

Современные хранилища генетических ресурсов растений, призванные обеспечить оптимальные условия для долговременного сохранения жизнеспособности семян являются, по сути, большими холодильными установками. Их содержание весьма затратно из-за больших расходов на электроэнергию, обслуживание холодильных установок и регулярные пересевы семян. Например, стоимость хранения около 1 млн образцов семян в хранилищах Национальной системы генетических ресурсов США (15 тыс. образцов – в жидком азоте, остальные – при –18 °С) составляет ежегодно около 100 млн долларов. К тому же из-за относительно низкой сейсмостойкости этого комплекса имеется реальная угроза полной или частичной потери коллекции при воздействии экстремальных внешних факторов. Вот недавний печальный пример такого рода: из-за перебоев в электроснабжении, вызванных катастрофическим цунами, обрушившимся на побережье Японии весной 2011 г., там погибла почти половина коллекции банка семян.

К счастью, существует альтернатива – криохранилища, расположенные в толще многолетних мерзлых грунтов со стабильными температурами не выше –4 °С, которые обладают большой температурной инерционностью. Использование естественного холода для создания необходимых отрицательных температур совместно с системой оптимизации температурно-влажностных и газовых условий может обеспечить сверх длительное (десятки и сотни лет) хранение семян без промежуточного пересева. Таким способом можно в сотни раз снизить себестоимость хранения, а относительная автономия хранилища и независимость от перебоев в энергоснабжении позволят сохранить генофонд в условиях глобальных изменений климата, природных и техногенных катастроф.

Такие криохранилища оптимально размещать на севере зоны распространения сплошной и устойчивой мерзлоты. Этим требованиям отвечает, например, Северная и большая часть Центральной Якутии, где глубина вечномерзлых пород может достигать 1,5 км. Неудивительно, что предложение о создании в этом регионе криохранилища семян было выдвинуто еще в начале 1970-х гг. В.Н. Дохунаевым, сотрудником Якутского института биологии СО АН СССР (ныне – Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН).

В результате в 1977—1978 гг. в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО АН СССР (ныне – Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН), расположенной на глубине 12 метров в толще многолетних мерзлых пород, стартовал совместный эксперимент якутских учёных по длительному хранению более 10 тысяч образцов семян бобовых культур из коллекции ВИРа.

Позднее туда же было помещено около 1 тысяч сортообразцов семян сельскохозяйственных культур, интродуцированных в Якутии, а также редких и исчезающих видов местных дикорастущих культур. Других прецедентов такого длительного криохранения только за счёт естественного холода в мире нет (Соломонов и др., 1984; Мокроносов и др., 1994).

Промежуточные результаты эксперимента показали, что после 33-летнего хранения семена бобовых и злаковых культур сохраняют высокую всхожесть (на уровне 90—100 %) и хорошие морфологические характеристики, а уровень хромосомных нарушений не превышает 1—2 %. Исследования показали, что во время хранения в семенах значительно падают скорости синтеза белков и интенсивность клеточного деления на фоне возросшей активности антиоксидантной защитной системы и системы репарации (восстановления) ДНК. Это свидетельствует о физиологичности процессов, протекающих в семенах растений в условиях естественного холода при температурах около –6,0 °С (при –18 °С уровень хромосомных нарушений увеличивается в 3—4 раза). Особенно хорошие показатели продемонстрировали семена, которые хранились в герметичной таре, заполненной углекислым газом, аргоном или азотом.

В подземном криохранилище в Якутии хранится 11 тысяч образцов семян культурных и диких растений. Сотрудники лаборатории микробиологии Института химической и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) отметили высокую микробиологическую чистоту как самого хранилища, так и сохраняемых там семян.

Если сравнить результаты эксперимента с показателями сохранности семян аналогичных сортовых образцов из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР), то оказывается, что хранение семян в стандартных условиях (рефрижераторных камерах) в течение 11—13 лет привело к снижению всхожести до 50—80 % при уровне хромосомных нарушений 6—28 %. При хранении же в течение 28—30 лет все семена стали нежизнеспособными.

В 2011 г. за счёт средств бюджета Республики Саха (Якутия) была начата реконструкция заброшенной шахты № 2, расположенной на территории Института мерзлотоведения. В подземной выработке такого типа за счёт рационального использования естественного холода может быть реализована эффективная технология управления температурно-влажностным режимом, что позволит поддерживать температуру в оптимальном диапазоне при соблюдении микробиологической чистоты. Эту подземную выработку в дальнейшем можно легко расширить.

На территории Института мерзлотоведения в Якутии будет размещена 1-я очередь Федерального криохранилища семян культурных, редких и исчезающих видов растений объёмом более 100 тысяч сортовых образцов, а в дальнейшем семенную коллекцию планируется увеличить в 6—7 раз. Предполагается, что площадь будущего криохранилища составит 1900 кв.м. Сроки реализации проекта – 2013—2015 гг., ориентировочная стоимость – 180 млн рублей.

В последние годы к идее создания международного криобанка семян в толще многолетней мерзлоты проявляют немалый интерес такие высокоразвитые страны, как Норвегия, Швеция, Япония и др.

Хранилище «Судного дня»

В феврале 2008 г. в норвежском городе Свальбард на острове Шпицберген было запущено Всемирное хранилище семян (норв. Svalbard Globale frøhvelv) — туннель-хранилище на острове Шпицберген, в который помещаются для безопасного хранения образцы семян основных сельскохозяйственных культур, с максимальной вместительностью 4,5 млн образцов семян.  Всемирное хранилище семян на Шпицбергене находится на глубине 130 метров в толще горы, которое еще называют Хранилищем Судного дня, расположено в сейсмически безопасной зоне на высоте 120 метров над уровнем моря, что обеспечивает его безопасность даже в случае таяния полярных льдов. Внутри хранилища есть три больших зала, которые могут вместить в себя до 2,25 миллиарда семян. На данный момент коллекция включает в себя 900 тысяч образцов. Зернохранилище может помочь восстановить тот или иной вид растений, находящийся под угрозой исчезновения или даже уже исчезнувший, предполагается размещать резервные дубликаты коллекций других семенных банков. В марте 2010 г. здесь уже хранилось около полумиллиона образцов, и число их постоянно растёт.

Следует отметить, что температуры многолетних мерзлых пород на Шпицбергене не опускаются ниже –3 °С, поэтому для достижения рекомендуемых международными экспертами отрицательных температур (–18 °С) используется энергоемкая рефрижераторная техника. Судя по вышеприведенным результатам, для сохранения жизнеспособности и генетической целостности семян оптимальная температура от –6 до –10 °С.

Пять преимуществ якутского хранилища семян

1. Якутское криохранилище полностью автономно и позволяет сохранить генофонд редких растений в условиях глобальных изменений климата, природных и техногенных катастроф.

2. Единственное подземное криохранилище без энергозатрат  находится глубоко под землей. Это позволяет создать уникальные условия для сохранения материала, так как здесь естественным образом постоянно поддерживается низкая температура и влажность. На Шпицбергене такие условия поддерживаются за счёт использования специальной техники и оборудования.

3. Якутское хранилище расположено в отдаленном районе, что обеспечивает ему дополнительную защиту от различных угроз, включая террористические атаки. На Шпицбергене защита обеспечивается благодаря географическому положению — оно расположено на одном из самых северных островов мира.

4. Якутское хранилище специализируется на хранении не только семян, но и других видов биологического материала, включая ткани растений и грибов. Это позволяет сохранять биоразнообразие в более полном объёме и проводить более глубокие научные исследования. На Шпицбергене хранятся только семена.

5. Подземное криохранилище является национальным объектом России и финансируется государством. Это обеспечивает его устойчивое функционирование и защиту на государственном уровне. На Шпицбергене хранилище финансируется международными организациями и государствами-участниками, что делает его менее устойчивым в финансовом плане.

Будущее банка в вечной мерзлоте в Якутии

В 2022 году Россию лишили доступа в мировое хранилище семян растений, которое расположено на Шпицбергене (Норвегия). В связи с этим перед якутским хранилищем открываются большие перспективы развития, так как актуальность проекта существенно повысилась в текущей международной военно-политической ситуации.

В начале 2023 году Совет Федерации заговорили о развитии проекта «Криохранилище семян растений в толще многолетнемерзлых пород с использованием только природного холода». Этот инфраструктурный проект научно-образовательного центра мирового уровня «Север: территория устойчивого развития» на территории якутского хранилища выполняется в интересах обеспечения продовольственной и экологической безопасности России.

Хранилище создано с использованием современных технологий и материалов. Его стены и потолок защищены многослойным бетоном и пластиком, который предотвращает проникновение влаги и защищает от возможных геологических процессов.

Стоит отметить, что у якутского криохранилища большая вместимость, которая может быть увеличена при необходимости. Сейчас в нём хранится более 1 миллиона образцов биологического материала.

Напомним, что в 2016 году учёные из Великобритании и Австралии заявили, что им удалось вырастить из семян, хранившихся в Якутии, живые растения. Это означает, что хранилище может стать не только банком, но и ценным источником генетического материала для восстановления растительного мира на Земле.

Подземное криохранилище в Якутии стало объектом международного научного внимания, тщательных исследований и разработок. В 2019 году компания из США «Space X» провела исследование семян, хранившихся в банке семян в Якутии. Предполагается, что криохранилище может стать важным инструментом для будущих космических миссий, в том числе для выращивания культур на других планетах.

В заключение следует отметить, что наши знания о хранении семян достаточно ограничены, так как большинство исследований проведено на сельскохозяйственных растениях. Необходимо более тщательно изучить и вопросы оптимизации подготовки семян к длительному хранению в природных криогенных условиях, влияние газовой среды, а также решить задачи масштабирования технологии хранения семян в толще многолетних мерзлых пород, отработанные в лабораторных условиях.

Литература

Мокроносов А. Т., Купцова Е. С., Попов А. С., Кузнецов В. В. Генетическая коллекция как способ сохранения биоресурсов планеты // Вестник РАН. 1994. Т. 64, № 11. С. 991—1001.

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.

Соломонов Н. Г., Алексеев В. Г., Дохунаев В. Н. О путях использования вечной мерзлоты в решении народно-хозяйственных задач // Механизмы криоповреждений и криозащиты биологических объектов: Тез. докл. II Всесоюз. конф. Харьков, 1984. Т. 2. С. 83.