https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Ветеринария: эволюция, революции, инновации

Ветеринария: эволюция, революции, инновации

  • 469
  • 0,0
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Обзор

Пищевая безопасность, роботизация, геномная селекция, вакцины и диагностические системы — актуальные тренды в животноводстве. Рисунок в полном размере.

иллюстрация Карины Илиопуло

Животноводческая отрасль сегодня — это не только пастухи, доярки и фермеры с вилами. Современное сельское хозяйство давно превратилось в высокотехнологичное производство, где здоровью животных уделяется большое внимание. Один из важнейших приоритетов каждой страны сегодня — сохранение хрупкой биобезопасности и переход к устойчивому хозяйствованию, и животноводство играет в этих процессах немаловажную роль. Откликаясь на глобальные вызовы нового дня, «Биомолекула» начинает новый спецпроект — «Животноводство и ветеринария». И в первой его статье речь пойдет о том, как именно животноводческие предприятия и фермы стали тем, что они есть.

Животноводство и ветеринария

Все время развития человеческой цивилизации люди сперва пользовались, а потом — сотрудничали с животными, применяя в своих целях их силу и разводя их ради шерсти, меха или мяса. В конце концов вмешательство человека в жизнь животных сказалось на биосфере нашей планеты кардинальным образом. Начать с того, что 60% всех млекопитающих на Земле — это домашний скот. Ни для кого не секрет и то, что животноводство оказывает огромное влияние на качество земель, вынуждает вырубать леса, влияет на скорость изменения климата. Одним словом, животные занимают в нашей жизни огромное место, и люди продолжают искать все более эффективные пути их разведения. Сегодня на предприятиях, где выращивают коров, свиней, кур или рыбу, ведется тщательный контроль состояния поголовья, а методы лечения животных и профилактики их заболеваний становятся все лучше с каждым годом. Об этих методах мы и расскажем в нашем новом спецпроекте.


SkyGen

Партнер спецпроекта — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

От охотника и живодера до ветеринара

Вот уже два миллиона лет человечество (род Homo) идет по своему эволюционному пути, и одно из предопределяющих свершений на нем — сравнительно недавнее (всего-то десять–пятнадцать тысяч лет назад) одомашнивание первых животных. За это время домашние и сельскохозяйственные животные успели стать неотъемлемой частью нашей цивилизации, а взаимоотношения человека с природой прошли различные этапы, каждый из которых соответствовал уровню прогресса человеческой цивилизации и обладал своими уникальными особенностями.

Первобытное общество

— Ну, моя милая деточка, теперь слушай хорошенько-хорошенько, потому что все, что я расскажу сейчас, произошло и случилось, когда наши домашние животные были еще дикими. Собака была дикой, лошадь была дикой, корова была дикой, овца была дикой, свинья была дикой; все они были совсем-совсем дикими животными и расхаживали по сырым, диким лесам, совсем одни, где им вздумается.

В древности люди еще не умели выращивать урожаи и разводить скот, но уже занимались охотой, рыболовством и собирательством. Охотники как главные добытчики белковой пищи со временем приобретали ценный опыт и подмечали повадки своих жертв, особенности их образа жизни, маршруты миграций. Они получали первые представления об анатомическом строении животных, систематизировали их и находили применение новым знаниям: при охоте целились в сердце и крупные сосуды, вырезали и использовали печень, желчный пузырь и жилы. В конце концов люди поняли, что природу можно поставить себе на службу. Так появились первые земледельцы и первые выращенные культуры — зерновые, — а затем произошел переход к оседлому земледелию и одомашниванию животных.

Одомашнивание (доместикация) отличается от более раннего приручения тем, что содержащиеся в неволе животные в этом случае регулярно приносят потомство. Следом началось и разведение: отбор и сохранение особей с ценными свойствами. А разведение одомашненных животных с целью получения каких-либо продуктов — это уже животноводство.

Первопроходцами в доместикации сельскохозяйственных животных были горные бараны (рис. 1А). Одомашнивание, хоть и произошло десятки тысяч лет назад, до сих пор занимает умы ученых: генетики и археологи исследуют очаги, закономерности и пути одомашнивания животных. Чаще всего их выводы сводятся к тому, что оно представляло собой непреднамеренный и длительный коэволюционный процесс со множеством этапов, который шел различными путями для разных животных (рис. 1Б).

Хронология доместикации животных и рост их численности

Рисунок 1А. Хронология доместикации животных и рост их численности. Показаны разные пути одомашнивания: симбионтный, направленный и охотничий (подробнее о каждом из них — в крутилке на рис. 1Б).

[1]

География и хронология древних доместикаций животных

Рисунок 1Б. География и хронология древних доместикаций животных. Симбионтным путем одомашнивались животные, привлеченные к жилищу человека поиском пищи (пищевых отходов или более мелких животных): например, собаки, кошки, птицы и др. Одомашнивание направленным путем единственное начиналось с осознанной цели — например, чтобы использовать скот в качестве тягловой силы: лошади, верблюды, ослы и др. Охотничим путем одомашнивались средние и крупные травоядные, служившие человеку пропитанием: коровы, овцы, козы и др. На картах указаны ареалы диких предков, найденные по анализу окаменелостей и других археологических свидетельств.

[1]

Земледелие и скотоводство обеспечило достаточно пищи, начался рост населения. Человек стал осваивать новые территории, расширять рацион питания и увеличивать численность одомашненных животных.

В то же время возрос интерес к заболеваниям четвероногих подопечных. Народная ветеринария или скотолечение сформировалось из ухаживания за животными, помощи им при родах и травмах. Скотоводы, хоть и не могли научно объяснить свои действия, передавали эмпирический опыт из поколения в поколение. Таким образом зарождались рациональные меры профилактики болезней животных.

Древний мир

Период Античности характеризуется формированием в VII–IV тысячелетиях до нашей эры первых цивилизаций и классовых обществ. Состояние ветеринарии и животноводства того времени можно охарактеризовать следующими общими тенденциями:

  • разведение в основном жвачных животных: коз, овец, коров и др.;
  • слабое знание анатомии;
  • первые попытки системного изучения болезней, симптомов и методов лечения;
  • использование как достаточно сложных многокомпонентных лекарств, так и просто воды и различных масел;
  • лечение с помощью заклинаний, изгнание демонов и бесов;
  • частые эпизоотии (широко распространенные инфекционные или паразитарные заболевания животных) и эпидемии (широко распространенные заболевания людей). Описание заболеваний, подобных сибирской язве, чуме, бешенству животных.

Из традиционных медицинских систем древности до наших дней дошли индийская, китайская и средиземноморская (см. врезку). За несколько веков до нашей эры они были систематизированы в крупные своды и на многие века определили развитие медицины. Получается, хотя основным событием древности было одомашнивание и использование животных в своей жизнедеятельности, уже тогда мыслители стали интересоваться проблемами массовой заболеваемости животных.

Средневековье

Эпоха Средневековья в Европе — это период активной борьбы католической церкви с наукой, считавшейся тогда мракобесием. Это было причиной застоя, сопровождавшегося угасанием интереса к изучению живой природы. Несмотря на многочисленные эпизоотии и эпидемии (сибирская язва, чума, бешенство и др.), развития медицины не наблюдалось, наоборот — активно шло преследование научной деятельности. Хирургическое вмешательство в организм (вскрытие трупов и эксперименты над животными) воспринималось как величайшая ересь, подлежащая суровому наказанию. В этот период торжества инквизиции лишь немногим удавалось успешно заниматься медициной.

В то же время в странах Ближнего Востока прослеживалась преемственность культуры античной цивилизации. В VII–VIII веках арабы успешно применяли достижения античных ученых. Врачевание они рассматривали как одну из форм искусства, близкую к Богу. Самый прогрессивный ученый и врач Востока эпохи Средневековья — Али ибн Сина (Авиценна, рис. 3).

В III веке в Китае была написана первая в мире сводка по фармакологии. К XVI веку китайские врачеватели хорошо знали основы анатомии животных. В своей деятельности они использовали более 60 тысяч лекарственных прописей (указаний диагнозов и методов их лечения).

В ХIII в. стало интенсивно развиваться коневодство, что способствовало научному изучению лошади. Итальянский коневод Джордано Руффо создал труд «О лечении лошадей» — единственное в Европе значимое сочинение того времени по ветеринарии.

Обстановка периода Средневековья подготовила общественное сознание к необходимости объективного познания организма животных и причин, вызывающих болезни. Народная ветеринария применительно к инфекционным болезням животных оказалась полностью беспомощной, такое положение вынуждало исследователей обратить внимание на инфекционные болезни [4].

Новое время

В течение длительного времени сельское хозяйство велось на больших площадях. Владели и распоряжались землей, средствами производства и готовым продуктом представители политической и экономической элиты — рабовладельцы, помещики, лендлорды. Непосредственные исполнители, в свою очередь, прав не имели и находились в полном подчинении. При такой организации в производстве применялись традиционные технологии и сельхозорудия, а их обновление шло очень медленно. До определенного времени это не мешало удовлетворять потребность людей в продовольствии, так как население в основном было сельским. Однако в XVI веке с наступлением Нового времени эта система исчерпала себя.

В странах Европы начали развиваться ремесла, выросли крупные города, расширилась торговля и появились новые морские торговые пути. На первый план вышли товарно-денежные отношения. Активно развивалась промышленность, искусство, наука. Ученые исследовали эпизоотии, зверствовавшие на территории Европы и колониальных стран. Некоторые заболевания (зооантропонозы — инфекции, общие для животных и человека, самая актуальная из которых — COVID-19 ) не только истребляли поголовья, но и поражали целые населенные пункты. Поэтому чрезвычайно важно было выяснить причины возникновения, распространения и затухания сибирской язвы [5], чумы [6] и повального воспаления легких (перипневмонии) крупного рогатого скота, бешенства [7], ящура, оспы овец, сапа лошадей и др.

О пандемии коронавируса SARS-CoV-2 [8] и вакцинации против него на «Биомолекуле» публиковался целый ряд статей.

Врачи и ученые, внесшие значительный вклад в развитие современной ветеринарии

Рисунок 3. Врачи и ученые, внесшие значительный вклад в развитие современной ветеринарии.
980–1037: Али ибн Сина (Авиценна) — ученый, врач, философ; его работы по зоологии, болезням животных и их лечению изучались в университетах того времени. Проводил хирургические операции с наркозом, используя опий, белену и мандрагору. Его методы оперативного лечения злокачественных опухолей немногим отличаются от современных.
1452–1519: Леонардо да Винчи — итальянский художник, ученый, изобретатель, чьи анатомические рисунки демонстрировали результаты многочисленных вскрытий, а пояснения к ним — строение и функции органов.
1478–1553: Джироламо Фракасторо — итальянский исследователь инфекций.
1493–1541: Парацельс — швейцарский алхимик, врач, естествоиспытатель, основатель ятрохимии (предшественницы фармакологии).
1514–1564: Везалий Андреас — нидерландский врач, анатом, основоположник научной анатомии. Первым применил метод вскрытия трупов при преподавании анатомии.
1517–1590: Амбруаз Паре — французский хирург, считающийся одним из отцов современной медицины.
1578–1657: Гарвей Уильям — английский медик, основатель физиологии и эмбриологии.
1624–1689: Томас Сиденгам — английский врач, реформатор практической медицины. Изучал грипп, дизентерию, оспу.
1632–1723: Антони Левенгук — голландский ученый, сконструировал лупы и микроскоп, первым увидел и описал микробы, что стало началом изучения микроорганизмов, хотя их роль в этиологии инфекционных болезней была установлена только через 150 лет.
1712–1798: Клод Буржела — французский юрист, нашедший свое призвание на службе в кавалерии, где занимался ветеринарной практикой и писал книги.
1725–1795: Роберт Бейкуэлл — английский животновод, разработчик метода чистого разведения и метода родственного скрещивания (инбридинга).
1749–1823: Эдвард Дженнер — английский врач, разработал способ предупреждения натуральной оспы путем вакцинации вирусом коровьей оспы.
1822–1895: Луи Пастер — французский ученый, химик и микробиолог, изготовил вакцины против сибирской язвы и бешенства. Основал научно-исследовательский институт микробиологии. Его ученики внесли большой вклад в познание проблем инфекционной патологии животных.
1843–1910: Роберт Кох — немецкий исследователь, врач, открыл возбудителей туберкулеза, холеры. Разработал способ выделения в чистой культуре патогенных бактерий (триада Коха).
1852–1915: Фридрих Леффлер — немецкий бактериолог, один из основоположников медицинской микробиологии.
1849–1850: А. Поллендер, К. Давен и Ф. Брауэлль открыли бациллы сибирской язвы.
1864–1920: Дмитрий Ивановский — основоположник учения о вирусах.
1864: Фридрих Розенбах — немецкий врач микробиолог, описал возбудитель рожи.
1915–1917: В. Бабеш и А. Негри — микробиологи, обнаружившие внутриклеточные включения при бешенстве.

иллюстрация Карины Илиопуло

Проблемами эпизоотологии в эпоху Возрождения занимались многие известные личности (рис. 3). Непосредственно ветеринарии в эпоху Возрождения посвящены сочинения Карло Руини по анатомии и патологии лошадей (1598 г.), Ж. Солейцеля «Об искусстве кузнеца» (1664 г.) и других авторов. В них были изложены актуальные факты по ветеринарной хирургии и ортопедии, поэтому они многократно переводились на разные языки и переиздавались.

Рост численности городского населения существенно изменил требования к сельскому хозяйству. Стало невозможно получать больше продукции экстенсивным путем — расширением площадей посевов и пастбищ, увеличением поголовья скота и трудящихся. Возникла необходимость интенсификации — увеличения продуктивности угодий и животноводства.

Как отклик на новые запросы общества появились новые системы ведения сельского хозяйства на основе наделения трудящихся правами владения и распоряжения землей, средствами производства и готовым продуктом. Наибольшее распространение получил фермерский вариант организации производства: собственником производственного процесса становилась семья, которая была экономически заинтересована в эффективном использовании ресурсов для получения максимальных результатов.

Животноводство стало производством, перерабатывающим растительное малоценное сырье в высокоценные продукты: мясо, молоко, шерсть и т.д. В разных странах сложились свои товарные отрасли: в Америке — разведение крупного рогатого скота (КРС), в Англии — коневодство, в Европе — овцеводство. Животноводство в этот период становится объектом научных исследований, цель которых — повышение скороспелости и продуктивности животных за счет выбора породы, улучшения кормления, содержания и др. [9].

Племенное животноводство стало доходным и престижным делом благодаря кооперации заводчиков: созданию сообществ, изданию племенных книг, выставкам, торгам, смотрам, скачкам и т.д.

В молочном скотоводстве прогресс случился гораздо позднее, после внедрения прогрессивных технологий обработки молока. Однако производственная и сбытовая кооперация обеспечили быстрый подъем молочного скотоводства. Лидерами отрасли из-за благоприятных природных и логистических условий стали Дания, Швеция, Финляндия, Швейцария, Нидерланды.

Что касается России, ветеринария здесь до XVIII века представляла собой народную мудрость со значительной долей мистических мировоззрений. Однако врачеватели — знахари, костоправы, коновалы, живодеры — постепенно начинали использовать профильную литературу, переведенную с латинского, греческого и других языков. Центрами ветеринарной деятельности того времени были приказы (Конюшенный и Аптекарский). Они отвечали за соблюдение санитарии при работе с животными, за организацию карантинных мероприятий и др. [11]. ХVII–ХIX века ознаменовались целым рядом открытий в области естественных наук, в том числе сделанных российскими учеными, которые дали толчок к развитию ветеринарии (рис. 3).

В ХVIII веке в Европе благодаря Клоду Буржела (рис. 3) открываются первые профильные ветеринарные учреждения образования [12]. Для России ХVIII век стал периодом реформ. В 1705 году началась реорганизация конных заводов. Петр I считал ветеринарию «доброю наукой» и требовал подготовить местных специалистов, способных грамотно лечить животных. К 1733 году русские коновалы должны были присутствовать на каждом конном заводе и в каждом полку. Поэтому с 1715 года в губерниях людей стали обучать мастерству кузнецов и коновалов. Значимыми событиями ХVIII века в стране стали открытия Академии наук (1725 г.), Московского университета (1755 г.) и школ ветеринарных работников для конных заводов и армии. Выпускники этих заведений оказали заметное влияние на развитие ветеринарии и ее становление как отрасли, обслуживающей народное хозяйство [13].

В ХIХ веке учеными были открыты и описаны множество возбудителей инфекционных болезней, в том числе болезней сельскохозяйственных животных (рис. 3).

На обмен опытом и систематизацию ветеринарных знаний оказало огромное влияние создание международных ветеринарных организаций. Одна из них — основанная в 1863 году Всемирная ветеринарная ассоциация (ВВА) со штаб-квартирой в Женеве. Международные конгрессы под эгидой BBA проходят регулярно (исключение — периоды Первой и Второй мировых войн), на них обсуждаются актуальные проблемы ветеринарии [14].

Также с целью решения проблемы массовых инфекционных болезней животных в январе 1924 года представители двадцати восьми государств подписали соглашение о создании Международной эпизоотической службы, во главе которой стоит Международное эпизоотическое бюро (МЭБ). С мая 2022 г. МЭБ стало называться Всемирная организация охраны здоровья животных (WOAH). В 2022 году WOAH объединяла сто восемьдесят два государства, называя своими целями:

  • международный обмен научной информацией,
  • продвижение ветеринарных услуг для благополучия животных,
  • санитарную безопасность и безопасность пищевых продуктов.

Новейшее время

ХХ век в Северной Америке и Западной Европе начался с активной машинизации в сельском хозяйстве: увеличились размеры фермерских хозяйств, а их количество сократилось. Значительно выросли площади обрабатываемой земли и поголовье скота, количество же работников оставалось примерно тем же. Химизация сельского хозяйства повлияла на технологии удобрения полей, подкормки растений и их защиты от сорняков и вредителей.

В конце ХХ века фермеров в странах Старого и Нового Света захлестнула «Зеленая революция», изменившая систему семеноводства и селекции пород в животноводстве. В ХХI веке фермерский тип хозяйствования существует в парадигме технологических новаций, называемых «биологической революцией»: переход на биологические методы удобрения полей и защиты растений, применение сортов, выведенных с использованием методов генной инженерии. Это позволяет крестьянско-фермерским хозяйствам оставаться прибыльными и эффективными.

Итак, несмотря на все «революции», в большинстве развитых стран сельхозпроизводство так и осталось организовано в форме фермерских хозяйств [15]. В то же время наиболее распространенными моделями агропромышленных связей в новом мире являются агрокорпорации и агрохолдинги — крупные вертикально интегрированные структуры, охватывающие всю цепочку — от сырьевой базы до продажи готового продукта [16].

Богатый исторический опыт агропромышленного комплекса демонстрирует, что именно такие связки (государство — частные инвесторы — ученые — фермеры) ориентированы на успешную и долговременную работу в агробизнесе и обеспечивают развитие сельского хозяйства.

Новое животноводство — новые вызовы

Сельское хозяйство играет важную роль для человечества, при этом около 40% мирового валового внутреннего продукта (ВВП) этого сектора обеспечивает именно животноводство [17]. Под влиянием роста численности населения, доходов и урбанизации спрос на продукцию животноводства постоянно растет. По прогнозам, к 2050 году по сравнению с 2020 годом мировое производство мяса должно увеличиться на 51%, яиц — на 57%, в связи с чем сильно возрастет интенсивность выпаса и потребность в кормах (рис. 5).

Рисунок 5. Мировое потребление мяса в тоннах с 1961 по 2050 год. Данные за 1961–2013 годы основаны на опубликованных оценках ФАО; за 2013–2050 годы — на прогнозах ФАО по численности населения в будущем и ожидаемом воздействии региональных и национальных тенденций экономического роста на потребление мяса.

В настоящее время сельскохозяйственные угодья уже занимают 45% обитаемой земной поверхности, при этом под животноводство отведена площадь, примерно равная территории всей Америки (рис. 6). И это еще не предел: цифра постоянно растет. Поэтому воздействие животноводства на природную среду гораздо сильнее, чем для любой другой отрасли производства [18].

Мировое землепользование

Рисунок 6А. Мировое землепользование. Сельскохозяйственные земли занимают 45% (48 млн. км2) обитаемой земной поверхности, из них 80% (38 млн. км2) используется животноводством.

Мировое землепользование

Рисунок 6В. Мировое землепользование. Содержание скота, пастбища и посевы кормов занимают 38 млн. км2 — что сопоставимо с территорией Америки.

Изменение климата

Животноводческая деятельность влияет на изменение климата посредством выбросов парниковых газов (ПГ): они оцениваются в 2,9 млрд тонн ПГ в эквиваленте углекислого газа в год, или 5,8% (рис. 7) от общего объема антропогенных выбросов [19]. Три основных ПГ, выделяемые домашним скотом, — это метан (CH4; 50% выбросов), закись азота (N2O; 24%) и диоксид углерода (CO2; 26%). Эти газы создают парниковый эффект — пропускают солнечные лучи из космоса, но мешают им отражаться от планеты, возвращая обратно к Земле. Этот процесс повышает глобальную температуру и приводит к изменению климата. Еще метан негативно влияет на толщину озонового слоя, вследствие чего увеличивается ультрафиолетовое излучение на Землю. Оксид азота способствуют образованию смога и кислотных дождей и также влияет на озоновый слой. Основной вклад в ПГ вносит крупный рогатый скот (как мясной, так и молочный), на их долю приходится около 62% от общего объема выбросов животноводства. На другие виды (свиней, домашнюю птицу, буйволов и мелких жвачных животных) приходится 7–11% выбросов сектора (рис. 8) [20].

Мировое землепользование

Рисунок 7. Выбросы парниковых газов в разбивке по областям хозяйствования. Сельское хозяйство, лесоводство и землепользование производит 18,4% парниковых газов, а животноводство и переработка экскрементов — 5,8% от общего количества антропогенных выбросов. Разбивка ПГ по видам с/х животных приведена на рис. 8 (листай вправо).

Выбросы парниковых газов в разбивке по видам сельскохозяйственных животных

Рисунок 8. Выбросы парниковых газов в разбивке по видам сельскохозяйственных животных. Крупный рогатый скот вносит наибольший вклад в накопление парниковых газов в атмосфере.

Животноводство может быть как прямым источником ПГ, так и косвенным.

  • Прямые выбросы возникают непосредственно при выращивании животных (кишечная ферментация, разложение навоза) и учитывают выбросы, сопровождающие производство необходимой для животноводства энергии (в форме света и отопления).
  • Косвенные выбросы связаны с производством кормов и землепользованием.

Кишечная ферментация происходит у жвачных животных в пищеварительной системе, где микробы расщепляют грубую растительную пищу, производя метан (рис. 9). Нежвачные животные тоже выделяют метан, но в гораздо меньших количествах. На количество выбросов влияют характеристики корма, использование кормовых добавок и состояние здоровья животных. Образующийся навоз также влияет на выбросы ПГ: их состав и количество зависит от технологии хранения и обработки навоза, а также температуры воздуха, влажности, продолжительности обращения с отходами и рациона питания животных. Если навоз перерабатывается в твердых системах (например, откладывается на пастбищах), выбросы закиси азота будут выше, чем метана, так как для образования N2O требуются аэробные и анаэробные условия. Выбросы метана станут выше, когда навоз перерабатывается в жидких системах (в прудах).

Выделение метана в пищеварении жвачных животных

Рисунок 9. Выделение метана в пищеварении жвачных животных. Желудок КРС состоит из четырех камер: рубца, сетки, сычуга и книжки. В рубце происходит ферментация пищи с помощью популяции микроорганизмов, расщепляющих растительный материал и продуцирующих метан.

Why livestock matter, рисунок адаптирован

Выбросы при производстве кормов также состоят из CO2, N2O и CH4, хотя вклад метана здесь минимален. CO2 активно образуется при производстве удобрений и пестицидов для кормовых культур, во время транспортировки и переработки кормов, удобрений и самих мясных и молочных продуктов, при расходе топлива на содержание животных. N2O образуется в основном в результате применения удобрений и навоза; немного — при выращивании бобовых культур (риса, сои, гороха, люцерны и клевера).

Изменение землепользования — еще один косвенный источник парниковых газов. Увеличение производства скота и кормов для него оказывает значительное влияние на естественный углеродный цикл. Растения забирают CO2 из атмосферы и азот из почвы, накапливая их в биомассе. Лесные угодья обладают куда более высокой емкостью, чем пахотные земли и пастбища, поэтому когда леса вырубают, диоксида углерода в атмосфере становится больше [21].

Для минимизации изменений климата необходим сбор данных об уровнях выбросов и разработка стратегии снижения количества ПГ с приведением производства животноводческой продукции к экологическим нормам [20].

Изменение биоразнообразия

Помимо парниковых газов животноводческая деятельность способствует потере биоразнообразия [22]. В Отчете о глобальной оценке биоразнообразия и экосистемных услуг Межправительственной научно-политической платформы по биоразнообразию и экосистемным услугам (МПБЭУ) установлено, что основное влияние на биосистемы оказывает мясо-молочная промышленность. Выпас скота (особенно КРС) приводит к изменению традиционного ландшафтного узора за счет вырубки лесов, консолидации полей и исчезновения живых изгородей, осушения водно-болотных угодий. Освободившиеся площади засевают монокультурами, и в этом монотонном ландшафте уже почти не остается мест обитания животных, в результате чего исчезают насекомые, птицы и хищники . Исследования показывают, что по сравнению с лесами в районах монокультурных посадок число опылителей сокращается на 40% [23]. При этом некоторые из исчезающих бактерий, насекомых и птиц могут быть важными переработчиками питательных веществ в почве, опылителями сельскохозяйственных культур и уничтожителями вредителей.

Подробнее о том, как современное хозяйство сказывается на популяциях насекомых, можно узнать из книг «Жужжащие. Естественная история пчел» и «Закат и падение крошечных империй».

Помимо прямого воздействия на биоразнообразие существует косвенное — через пищевую цепочку. На полях, ежегодно засеваемых монокультурами, применяют высокие дозы удобрений, пестицидов и др. Многие из используемых ядов накапливаются в растениях, почве и воде и через пищевую цепочку попадают в самые разные организмы, включая и людей .

На «Биомолекуле» выходил отдельный спецпроект, посвященный пестицидам и их влиянию на окружающую среду.

По заявлениям Института мировых ресурсов (WRI) [24]:

  • 30% мирового лесного покрова уже вырублено, еще 20% подверглось деградации, почти все остальное — фрагментировано. Не тронуто лишь около 15%.
  • во всем мире деградировано 1,5 млрд га некогда продуктивных пахотных земель и пастбищ (что сопоставимо с площадью России).

Изменение водных ресурсов

На долю сельского хозяйства приходится 69% забора всей пресной воды (рис. 10), которая в животноводстве тратится, чтобы поить скот, выращивать кормовые культуры, перерабатывать продукцию, а также поддерживать санитарно-гигиенические условия на фермах (мытье животных, уборка и дезинфекция помещений, приготовление кормов, мытье посуды и оборудования и т.д.).

Рисунок 10. Сельскохозяйственный водозабор сильно различается в разных странах. Он зависит от ряда факторов: климат и влажность, развитие сельскохозяйственного и промышленного сектора. Лидеры по потреблению пресной воды — Индия, Китай и США.

В зависимости от мощности, одна промышленная ферма в среднем потребляет только на содержание животных 300–500 тысяч литров воды в день, что сопоставимо с потреблением небольшой деревни [25]. Например, на производство 1 кг куриного мяса уходит 4300 литров воды, свинины — 6000 л, а говядины — целых 15 500 л [26]! Такие объемы водопотребления негативно влияют на водный баланс окружающей территории, а образующиеся стоки загрязняют поверхностные и грунтовые воды.

Животноводческие комплексы и птицефабрики загрязняют окружающую среду за счет навоза и сточных вод. Их объем в животноводстве огромен — 250–3000 тонн в сутки (до миллиона тонн в год!) [27]. С увеличением спроса на продукцию животноводства растет и потребление воды, а, значит, и стоки. Сброс в водоемы даже небольшого объема неочищенных сточных вод вызывает их загрязнение, цветение, массовую гибель обитателей, потому что содержат мочу и навоз, массу химических соединений, применяемых в технологическом процессе (гормоны, антибиотики, витамины, дезинфектанты и др.), большое количество патогенных бактерий и вирусов, а также паразитов. Кое-что из этого попадает не только в поверхностные воды, но и в грунтовые — тогда загрязнение распространяется на еще более обширные территории.

Годовой объем навоза с одной птицефабрики (средней мощности, 500 000 кур-несушек или 6 миллионов бройлеров) — 125 тонн. На ферме с поголовьем крупного рогатого скота 10 тысяч на участке откорма ежедневно скапливается до 200 тонн навоза. Свинокомплекс на 100 тысяч голов или комплекс крупного рогатого скота на 35 тыс. голов загрязняет окружающую среду на уровне крупного промышленного центра с населением 400–500 тыс. человек [25].

Также большое количество загрязненной воды сливается в водоемы в процессе выращивания кормов для скота. Для получения товарных кормовых культур на поля вносят большое количество пестицидов и удобрений. В отчете за 2022 год от Всемирной организации защиты животных и Центра биологического разнообразия говорится, что только в США ежегодно для кормления животных используется около 117 500 тонн пестицидов. Их остатки попадают в водоемы после выпадения осадков, что приводит к «цветению» воды (эвтрофикации) и влияет не только на природу, но и на водоснабжение людей (рис. 11).

Эвтрофикация водоема под воздействием антропогенных факторов

Рисунок 11. Эвтрофикация водоема под воздействием антропогенных факторов. Попадание в водоемы в результате хозяйственной деятельности фосфатов и нитратов сопровождается бурным развитием водорослей, появлением в воде цианобактерий, которые поглощают кислород и выделяют токсины, способные вызвать отравление людей и гибель животных.

иллюстрация Карины Илиопуло

Устойчивость микроорганизмов к антибиотикам

Промышленное животноводство сложно представить без антимикробных препаратов [28]. Ими лечат больных животных и птицу, стимулируют их рост, сокращая сроки откорма и снижая затраты на корма. Также антибиотики применяются для профилактики заболеваний или метафилактики, когда противомикробные препараты назначаются клинически здоровым животным, находящимся в одном стаде с больными.

Попадание бактерий, устойчивых к антибиотикам, в организм человека

Рисунок 12. Попадание бактерий, устойчивых к антибиотикам, в организм человека.

abcdef.wiki, рисунок адаптирован

Функционал антибиотиков велик, а объемы использования еще больше. По данным журнала Science, в 2013 году в мировом животноводстве было использовано 130 тыс. тонн антибиотиков, в 2021-м — 160 тыс. тонн [29]. При сохранении таких темпов к 2030 году этот показатель достигнет 200 тыс. т. В США до 2017 года около 80% всех антибиотиков применялись в животноводстве; в Европе первенство принадлежит все-таки медицине [29].

Бесконтрольное применение антибиотиков в животноводстве приводит к развитию устойчивости к ним у бактерий и грибов, которые присутствуют на фермах и представляют опасность для человека. Такие супер-микроорганизмы (например, золотистый стафилококк) затем распространяются в популяции, и бороться с ними становится все труднее (рис. 12) [30].

В настоящее время использование антибиотиков в животноводстве стараются строго регламентировать. Биологический контроль потенциальных продуктов питания ужесточается, на государственном уровне принимаются законы, заставляющие производителей отказаться от использования антибиотиков в качестве стимуляторов роста, соблюдать «периоды отмены лекарств» перед забоем и др.

Животноводство на острие науки

Поскольку в будущем крупные вспышки зоонозных заболеваний почти наверняка продолжатся, современная медицина и ветеринария — гаранты благополучия мирового сообщества. Они не только играют важную роль в лечении животных и человека от болезней, но и влияют на безопасность продуктов питания, эпизоотическую и экологическую обстановку и многое другое. Для обеспечения такой многофункциональности все отрасли, связанные с сельским хозяйством, в том числе ветеринарная медицина, должны опираться на передовые достижения науки и технологии.

Кормовые добавки

Повысить продуктивность животных можно не только с помощью классических стимуляторов роста, но и за счет использования современных кормовых добавок: ферментных препаратов, пробиотиков, пребиотиков, синбиотиков и др. Ферментные кормовые добавки широко используются в мировой практике кормления сельскохозяйственных животных. Ферменты (энзимы) — это биологические катализаторы — белки, способные ускорять химические реакции, протекающие в живых организмах, не входя при этом в состав конечных продуктов реакции.

Зачем же нужны ферменты в животноводстве? Оказывается, птица не переваривает около 25% корма, а свиньи — аж 70% [31]! Часто это обусловлено веществами из класса некрахмальных полисахаридов (арабиноксиланами и β-глюканами), содержащимися в зерне. Животным не хватает ферментов для переваривания таких рационов, а введение ферментных препаратов на основе ксиланазы и бета-глюканазы позволяет решить эту проблему.

Масштабное производство кормовых ферментов началось в 1980-х, но целлюлазами дело не ограничилось. В 90-х годах, помимо повышения перевариваемости некрахмалистых полисахаридов, появился запрос на повышение усвояемости фосфора из солей фитиновой кислоты, содержащихся в зерне, и снижение выделения элемента в окружающую среду в процессе утилизации и переработки экскрементов. Это послужило стартом активного выпуска препаратов с фитазой. В начале 2000-х в пищу животным стали добавлять компоненты, богатые крахмалом и растительным белком, а в кормовые добавки — амилазу и протеазу.

Ферментная промышленность продолжает развиваться и сегодня, совершенствуя способы получения энзимов и создавая комплексные продукты на их основе. Кормовые ферменты обычно получают путем ферментации природных штаммов грибов или бактерий. Альтернативный подход — получение рекомбинантных белков. Когда поиск суперпродуцентов в природе затруднен, на помощь приходит технология рекомбинантной ДНК, когда целевой ген встраивают в систему экспрессии с высокой продуктивностью. На рынке сегодня нередко можно встретить рекомбинантные препараты фитаз и ксиланаз.

Еще один популярный тип кормовых добавок — пептиды или белковые изоляты, призванные улучшать питательные свойства кормовых смесей. Сырьем для получения пептидов становятся производственные отходы животного или растительного происхождения, подверженные перед скармливанием химическому, ферментативному или микробиологическому гидролизу белков. В результате фермер получает сбалансированный по аминокислотному составу продукт с высокой биодоступностью. Пептиды, однако, выполняют не только питательные, но и физиологические или регулирующие функции в организме животных [32]. Некоторые из них обладают противомикробной, антиоксидантной, гипотензивной и иммуномодулирующей активностью — их называют биоактивными. Так, включение 2–8% гидролизата животного белка (например, кишечника свиньи, внутренностей лосося или гидролизатов тканей птицы) или гидролизата соевого белка в рационах на основе кукурузы и соевой муки может обеспечить повышение показателей роста и эффективности корма. Таким образом, белковые гидролизаты являются перспективными средствами оптимизации питания сельскохозяйственных животных, а также их здоровья (особенно кишечника) и хорошего самочувствия [33].

Изучением консорциумов микроорганизмов, для которых животное выступает организмом-хозяином, занимается наука микробиомика . Для улучшения микробиома кишечника животных используют специальные добавки — пробиотики. Это специально отобранные штаммы микроорганизмов, приносящие при приеме внутрь пользу. Прикрепляясь к пищеварительному тракту, пробиотические организмы могут выживать в сложных условиях и оказывать благотворное влияние на стабильность и защиту кишечной экосистемы. Они также влияют на течение пищеварительных и метаболических процессов и иммунологический ответ. Благодаря положительному воздействию на здоровье и рост животных, пробиотики широко используются в кормах, особенно для свиней и домашней птицы.

О мультиомиксных технологиях в животноводстве мы уже писали в статье «Мультиомики в сельском хозяйстве: когда ДНК встречается с трактором» [34].

Помимо пробиотиков, в качестве натуральных кормовых добавок используют также пребиотики. Это питательные вещества, например углеводы, фруктаны и галактаны, клетчатка, полифенолы и полиненасыщенные жирные кислоты, которые действуют не в пищеварительном тракте, а в кишечнике, и стимулируют его микрофлору. Пребиотики не подвергаются интенсивному метаболизму, но вызывают целенаправленные метаболические процессы, тем самым принося пользу организму-хозяину.

Также в питании животных используются смеси, содержащие как пробиотики, так и пребиотики, получившие название «синбиотики». Синбиотик благотворно воздействует на хозяина, улучшая выживаемость и имплантацию живых микробных пищевых добавок в желудочно-кишечном тракте, избирательно стимулируя рост и/или активируя метаболизм одной или ограниченного числа полезных для здоровья бактерий и, таким образом, улучшая состояние хозяина [35].

Среди преимуществ данных добавок: улучшение переваривания и усвоения питательных веществ, оптимизация коэффициента конверсии корма, показателей роста, иммуномодуляция, а также улучшение функции кишечника и здоровья за счет исключения и ингибирования патогенов в кишечнике. Однако эффективность таких препаратов сильно зависит от совместимости рациона и используемых альтернатив, гигиенических стандартов и рациональных методов управления хозяйством.

Отдельно стоит сказать про такой биотехнологический тренд как биофарминг — использование генно-модифицированных организмов для получения ценных белков, антител, тканей и даже органов в медицине и промышленности. В частности, к биофармингу относится и производство ферментных препаратов нового поколения, о которых мы уже говорили выше, или получение рекомбинантного человеческого инсулина.

Вакцины

Health-технологии в животноводстве позволяют предотвратить заболевание за счет вакцин и диагностических систем нового поколения. Создание вакцин нового поколения (микрокапсулированных, липосомных, рекомбинантных векторных, ДНК-вакцин и вакцин, содержащих продукты генов гистосовместимости) стало возможно благодаря расшифровке молекулярной структуры многих возбудителей инфекционных болезней, искусственному получению вирусных и бактериальных пептидов, разработке методов культивирования клеток. Современные вакцины как для животных, так и для людей разрабатываются с помощью схожих подходов.

Основные методы создания вакцинных препаратов рассмотрены в статье «Разработка вакцин: чем и как имитировать болезнь?» [36], а об общих принципах вакцинации и отдельных препаратах повествуют прочие статьи одноименного спецпроекта «Биомолекулы».

Микрокапсулированные вакцины созданы на основе инкапсуляции антигенов и антигенных эпитопов в биодеградируемые микросферы, что позволяет доставлять их к иммунокомпетентным клеткам в неизменном виде. С помощью данной технологии изготовлена интраназальная вакцина против пандемического гриппа H1N1.

Липосомные вакцины представляют собой комплекс: антиген + липофильный носитель (рис. 13А). Липосомы захватываются макрофагами или сливаются с их мембраной, что приводит к экспонированию антигена на их поверхности и его презентированию, необходимому для выработки иммунитета. В ветеринарной практике используют липосомные вакцины против болезни Ньюкасла и реовирусной инфекции птиц.

Рекомбинантные векторные вакцины получают методами генной инженерии. Вектор или носитель — это ослабленные вирусы или бактерии, внутрь которых вставили генетический материал от другого микроорганизма, к которому необходимо создать иммунитет (рис. 13Б). В качестве носителей генов, кодирующих антигены патогенов, используют дрожжевые клетки или безопасные вирусы. В ветеринарии используется рекомбинантная векторная вакцина от болезни Марека и Ньюкасла.

С помощью ДНК-вакцин в организм вводят не белок-антиген, а нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК), в которой закодирована информация о белке возбудителя заболевания (рис. 13В). Данным методом изготовлены вакцины против бешенства, сальмонеллеза, паразитарных заболеваний (лейшманиоза, малярии) и др. [37].

Конструктивные особенности частиц липосомных вакцин

Рисунок 13А. Конструктивные особенности частиц липосомных вакцин. Состав липосомных вакцин адаптирован для достижения желаемых иммунных реакций путем модификации физико-химических факторов частиц: липидного состава, заряда, ПЭГилирования, инкапсуляции антигена и добавления иммуномодуляторов.

Создание рекомбинантных векторных вакцин

Рисунок 13Б. Создание рекомбинантных векторных вакцин. Из возбудителя заболевания (вируса болезни Ньюкасла) выделяют ген, кодирующий образование протективного антигена. Этот ген встраивают в геном герпесвируса индейки. Генно-инженерная культура герпесвируса вырабатывает антигены, которые после экстракции и очистки и входит в состав вакцины. Иммунная система птицы вырабатывает иммунитет к вирусу болезни Марека (благодаря сходствам вируса болезни Марека и герпесвируса индейки), а также к белку болезни Ньюкасла.

Создание ДНК-вакцины

Рисунок 13В. Создание ДНК-вакцины. Из возбудителя заболевания (вируса Западного Нила) выделяют фрагмент ДНК, его встраивают в плазмиду, которую вводят в бактерию, внутри которой затем происходит наработка этих плазмид.

Диагностические системы

Современные диагностические системы позволяют в лабораторных условиях оперативно исследовать пробы на наличие возбудителей заболеваний сельскохозяйственных животных. Принцип работы таких тест-систем основан на проведении иммуноферментного анализа (ИФА) [39] и полимеразной цепной реакции (ПЦР) [40].

Иммунохимические методы определения биомаркеров функционального состояния и нарушений различного генеза нашли широкое применение в ветеринарной лабораторной практике. Благодаря формированию комплекса антиген–антитело стало возможным обнаруживать и предотвращать развитие опасных заболеваний, существенно сокращать затраты на лечение животных, увеличивать продолжительность и повышать качество их жизни. В ветеринарной практике используется множество различных видов иммунного анализа, основанных на образовании комплекса антигена с антителом:

  • ИФА — высокочувствительный метод детекции антител, основанный на введении на одном из этапов реакции специальной ферментативной метки с последующим образованием иммуноферментного конъюгата. По результатам специфических реакций обнаруживаются антитела к бактериальным и вирусным антигенам: лептоспироз, вирусный гепатит, токсоплазмоз, микоплазмоз, хламидиоз, бешенство, инфекционная бурсальная птичья болезнь, чума плотоядных, парвовирус и пр.

Про ИФА и другие иммунологические методы «Биомолекула» уже подробно рассказывала: «12 методов в картинках: иммунологические технологии» [41].

  • Иммунохроматография (ИХА) основана на принципе тонкослойной хроматографии и включает реакцию между антигеном и соответствующим ему антителом в биологических материалах. ИХА обеспечивает высокую информативность и быстроту исследования: используется как экспресс-диагностика за 5–10 минут в поле. В качестве биоматериала используют кровь, слюну, слизь, экскременты и пр.
  • Радиоиммуноанализ (РИА) — метод количественного определения биологически активных веществ в биологических жидкостях, основанный на конкурентном связывании искомых стабильных и аналогичных им меченых веществ со специфическими связывающими системами, с последующей детекцией. В качестве биологических жидкостей могут использоваться кровь, молоко или моча животного. Далее они смешиваются с меченым антигеном (например меченым гормоном — в качестве радиоактивной метки применяются 125I или 3H) и раствором антител, в результате чего образуются иммунные комплексы. Затем при помощи специальных счетчиков β- и γ-излучений осуществляется регистрация сигнала в осажденных иммунных комплексах. Метод используется для контроля репродуктивной функции самок, их гормонального профиля (ТТГ, ФСГ, ЛГ, ПРЛ, СТГ). Результаты важны при проведении селекционно-племенной работы: пересадке зародышей, искусственном осеменении, улучшении наследственных качеств и пр.
  • Поверхностный плазмонный резонанс (ППР) основан на измерении величины сдвига ППР, происходящего за счет возникновения электрического поля на поверхности металла, когда молекулы аналита присоединяются к нанесенному на металл слою рецептора. Рецептор — это слой органических молекул, которые избирательно взаимодействуют с аналитом — теми молекулами (частицами), концентрацию которых нужно измерить в растворе. Рецептором могут быть антитела или ферменты, поэтому ППР-сенсоры еще называют иммуно- или энзимосенсорами. С их помощью определяются: анаболические гормоны, антибиотики, наркотические (допинговые) средства, опасные для здоровья токсины и др.

Самым точным способом обнаружения генетического материала возбудителей инфекций животных является ПЦР в режиме реального времени — ДНК-технология, основанная на методе полимеразной цепной реакции и состоящая из амплификации, детекции и измерения количества молекул ДНК. Гибридизационно-флуоресцентная детекция и количественный анализ продуктов амплификации происходит непосредственно в реакционной среде. Для этого в состав исследуемой смеси вводятся специальные флуоресцентные метки, которые фиксируются детектирующим амплификатором в режиме реального времени.

«Биомолекула» писала подробно и о самой ПЦР: «12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция» [42], и о ее реал-тайм версии, и даже о цифровой: «Цифровая ПЦР: измеряя истину» [43].

Метод Real-Time ПЦР позволяет идентифицировать возбудителей практически всех инфекций, отличая болезни со схожими клиническими проявлениями, а также количественно оценить уровень содержания патогена. Дает возможность наблюдать за динамикой заболевания и эффективностью терапии, выявлять резистентные штаммы, нецитопатогенных и некультивируемых возбудителей, оценивать качество антигенного сырья для производства вакцин.

Применение эффективных тест-систем позволяет ускорить и упростить постановку диагноза, повысить эффективность диагностики и уровень благополучия животных.

Геномная селекция

Разработка методов геномной селекции — важнейшее научное достижение последнего десятилетия, внедренное в практику животноводства. Геномная селекция — технология, позволяющая улучшить генофонд популяций сельскохозяйственных видов с помощью ДНК-маркеров, ассоциированных с важными признаками.

Племенная и экономическая ценность животных определяется:

  • продуктивностью (более мягкое, мраморное мясо; молоко с разным содержанием жира и лактозы; шерсть разной длины, толщины, шелковистости и др.),
  • продолжительностью продуктивного периода,
  • устойчивостью к болезням,
  • отсутствием генетических аномалий и др.

Эти признаки контролируются множеством генов, то есть имеют полигенный характер. Молекулярно-генетические методы позволяют определять гены, отвечающие за определенные признаки, и проводить отбор животных по генотипам (то есть по генетическим маркерам). Благодаря современному оборудованию возможно получение информации о генотипе животного: ДНК-чипы позволяют типировать генотип животного более чем по 50 тыс. маркеров.

ДНК-чип — это подложка с нанесенными на нее ячейками, содержащими вещество — реагент. Исследуемый материал помечают различными метками, например флуоресцентными красителями, и наносят на ДНК-чип. За счет ПЦР-реакции в исследуемом материале связывается комплементарный фрагмент ДНК. Таким образом выявляют группу генов, желательную или нежелательную для селекции [44].

Применение данной технологии позволяет определить племенную ценность поголовья практически сразу после рождения, снизить затраты на его содержание, ускоряет развитие местного животноводства, дает конкурентные преимущества на мировом рынке. Геномная селекция используется, например, для повышения устойчивости к маститу у молочных коров.

Репродуктивные технологии

Применение репродуктивных технологий в животноводстве имеет 100-летнюю историю, и за это время был достигнут значительный прогресс (рис. 14) [48].

Развитие технологий искусственного осеменения

Рисунок 14. Развитие технологий искусственного осеменения (ИО), вспомогательных репродуктивных технологий и методов генетической модификации в животноводстве.
1780: Л. Спалланцани (1729–1799) — итальянский католический священник, биолог и физиолог, внес большой вклад в изучение размножения животных.
1899: И. И. Иванов (1870–1932) — российский биолог, работавший в области искусственного оплодотворения и межвидовой гибридизации животных.
1937: Русские ученые А.Д. Бернштейн и В.В. Петропавловский впервые применяют глицерин в качестве криопротектора для длительного хранения семени животных.
1938: В. К. Милованов (1904–1992) — российский физиолог, академик, специалист по искусственному осеменению сельскохозяйственных животных, автор 400 научных трудов — масштабирует ИО-технологии.
1942: С. Шаффнер доказал способность семени петухов сохранять оплодотворяющую способность после заморозки и оттаивания.
1947: И.И. Соколовская первая получила потомство млекопитающих после искусственного оплодотворения заморожено-оттаянным семенем.
1949: К. Полдж (1926–2006) — английский биолог, добился мировой известности глицерина как криопротектора.
1951: Американский ученый Д. Стеварт получил теленка методом искусственного оплодотворения заморожено-оттаянным семенем. Э. Виллет успешно осуществил перенос эмбрионов от коровы-донора к корове-реципиенту с помощью сложного хирургического вмешательства.
1976: Зоолог Р. Элсден разработал для КРС метод нехирургического извлечения эмбрионов
1980: Р. Рове — метод нехирургической пересадки эмбрионов (вагинально-цервикальная трансплантация эмбрионов).
1981: Б. Браке удалось добиться рождения теленка после оплодотворения in vitro овулировавшей яйцеклетки, созревшей in vivo.
1982: Д. Пинкель определил количество ДНК в сперматозоидах млекопитающих методом проточной цитометрии.
1983: Д. Гарнер провел успешные опыты по разделению X- и Y- содержащих сперматозоидов млекопитающих методом проточной цитометрии [49] за счет того, что X-хромосома млекопитающих содержит большее количество ДНК по сравнению с Y-хромосомой.
1988: Работы К. Гото привели к рождению теленка исключительно из IVР-эмбрионов (in vitro production), при этом такие стадии как созревание, оплодотворение ооцитов и культивирование эмбрионов проводились учеными in vitro.
1988: К. Смит разработал технологию множественной овуляции и переноса эмбрионов (МОПЭ), с помощью которой единичная женская особь производит на свет большее число потомков (в норме — лишь одного-двух).
1988: М. Петерсе получил ооциты коров посредством трансвагинального извлечения клеточного материала из фолликулов иглой с отсасывающим устройством под контролем ультразвука. Разработкой и повышением эффективности метода переноса ядер соматических клеток (или клонирования) занимались многие ученые: первые телята были рождены под руководством М. Симса, Н. Фирста, К. Вигона. Дальнейшее развитие генной инженерии идет в направлении разработки и совершенствования в лабораторных условиях методов переноса, замены, добавления генов [50], [51].

иллюстрация Карины Илиопуло

Стабильное воспроизводство потомства — важнейшее условие эффективности животноводства, а в мясном животноводстве молодняк является единственным целевым продуктом. Потери от содержания в течение года одной бесплодной коровы в среднем составляют 400 кг говядины и 3000 л молока [52]. Биологические возможности животных позволяют получать ежегодно в расчете на 100 коров 95–100 телят, на 100 свиноматок — 2000–2200 поросят и в расчете на 100 овцематок — 120–130 ягнят [52]. Однако в реальности ситуация несколько отличается: такой темп воспроизводства потомства животные не всегда могут обеспечить. Наиболее распространенными нарушениями репродуктивной функции является снижение функциональной активности репродуктивных органов и их различные заболевания. Причины этого — недостаточное и неполноценное кормление, нарушение зоогигиенических условий содержания, неудовлетворительное выращивание молодняка, отсутствие должного ветеринарного контроля и т.д.

Интенсифицировать процесс воспроизводства позволяют правильно организованные биотехнические действия. Так, искусственное осеменение позволяет уменьшить бесплодность и использовать лучших производителей, проверенных по качеству потомства. Контроль генетических заболеваний проводится при этом еще на уровне эмбрионов, а долгосрочное хранение замороженного семени дает массу возможностей для селекции в животноводстве.

Первые пересадки эмбрионов представляли собой полноценные хирургические операции; важное открытие, позволившее этого избежать — метод трансплантации ранних эмбрионов нехирургическим путем. Метод позволяет получить от одной коровы-рекордистки до 30–50 телят в год [52]. Репродуктивные технологии способствуют увеличению приплода от ценных животных, то есть позволяют эффективно совершенствовать генетическую селекцию и интенсификацию воспроизводства сельскохозяйственных животных.

Цифровые технологии

Цифровые и сенсорные технологии, искусственный интеллект и Big Data постоянно трансформируют сельское хозяйство. Уже сейчас во многих странах активно внедряются инновационные решения в этой сфере (рис. 16). Технологии «точного» животноводства контролируют все параметры содержания и кормления животных с помощью датчиков и сенсоров, установленных в каждом стойле. На основе анализа поступающих с них данных идет мониторинг состояния каждого животного; обработанные данные передаются на следующий уровень — например, животноводам и ветеринарам. Они в реальном времени отслеживают уровень активности коров и выдают рекомендации по корректировке рациона и вредных выбросов.

Следующим этапом развития биотехнологий в животноводстве может стать персонализированный подход, подразумевающий точную настройку рациона и условий содержания под каждую особь. Концепция «цифрового двойника» предполагает создание виртуальной 3D-модели животного, которая точно отражает все его индивидуальные особенности. Это позволяет выявлять скрытые резервы роста продуктивности животных и разрабатывать персональную стратегию оптимального кормления и содержания.

Киберферма и робот-дояр

Рисунок 16А. Киберферма и робот-дояр.

Роботизированный птичник

Рисунок 16В. Роботизированный птичник. Робот-дезинфектант помета.

Агротехнологический саммит Animal AgTech Innovation Summit (США) в 2023 году определил лучшие стартапы в этой области:

  • Мобильное приложение, позволяющее производителям КРС мгновенно получать данные о продуктивности скота и земель, потреблении корма на пастбище и количестве углерода, вернувшегося в почву. Приложение также предлагает цифровой сертификат, который можно использовать в точках продаж КРС. — BovIQ, США.
  • Экологическая технология нулевого изменения климата за счет сокращения выбросов метана с помощью пробиотических дрожжей. — Hoofprint Biome, США.
  • Производство бактериоцина — белка, созданного бактериями для защиты организма хозяина от конкурирующих бактерий. — Organicin scientific, США.
  • Точная диагностика инфекций вымени за счет искусственного интеллекта: сканирование образцов молока для определения типа бактерий. — TurboCow technology, Латвия.
  • Программное обеспечение, анализирующее всю цепочку мясопереработки и помогающее сократить количество отходов и оптимизировать производство для удовлетворения спроса. С помощью искусственного интеллекта программа подсказывает процессору, какие продукты и когда надо производить, как оптимизировать уровень запасов. — Volur, США.

Также на саммите были представлены и российские разработки:

  • Face ID для скота. Приложение должно распознавать животное по уникальному рисунку носа. — «СТСХ».
  • Роботизированная молочная ферма: «робот добровольного доения» может доить двух коров одновременно, а робот-манипулятор для «доильной карусели» заменяет до семи доярок. Системы помогут увеличить надои на 12–17% и контролировать параметры молока и здоровья животного. — R-SEPT.
  • Переработка помета в биогаз по технологии WiseSoil, которая ускоряет переработку органических отходов. — «Биоэнергия».
  • Трансплантация эмбрионов коров по технологии ускоренного воспроизводства КРС методом трансплантации эмбрионов. Проект ускоряет создание стада, помогает совершенствовать его генетический потенциал и снижает стоимость одной нетелившейся коровы на 30–40%. — «ЧебоМилк».

Заключение

Агропромышленный сектор — чрезвычайно сложный, наукоемкий и трудоемкий. Он не ограничивается только получением достаточного количества продуктов питания. Хоть это и чрезвычайно важная задача, но она далеко не единственная. Не стоит забывать, что есть еще такие направления как пищевая безопасность и экология, медицина и биофарминг. Животноводство и ветеринария должны существовать во благо человечества. На современном этапе перед ними стоят амбициозные задачи: изменение возможностей природы с помощью геномной селекции. Обществу же остается ни много ни мало — обеспечить АПК солидными инвестициями, мотивированными образованными кадрами и другим необходимым материалом. В следующих статьях спецпроекта мы коснемся ключевых нужд и новых научных подходов в основных секторах отрасли. В ближайшее время читатель «Биомолекулы» сможет познакомиться с современными методами разведения крупного рогатого скота и свиней. А там возможно и до кошечек-собачек дойдет!

Литература

  1. Greger Larson, Dorian Q. Fuller. (2014). The Evolution of Animal Domestication. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 45, 115-136;
  2. Mark J. (2020). A Brief History of Veterinary Medicine. World History Encyclopedia;
  3. Mitra S., Bhattacharya A. and Roy S. (2019). The History of Livestock Farming and Future Perspective (Lecture for University teachers in ICAR winter school). ResearchGate. 2–21;
  4. Салихов Э.И. (2017). История возникновения животноводства. NovaInfo. 60, 166–170;
  5. Кох и все его палочки;
  6. Смертельный поцелуй чумы;
  7. Какая дичь! Почему люди до сих пор умирают от бешенства и можно ли заразиться от привитого животного;
  8. Хроника распространения SARS-CoV-2;
  9. Evolution of the veterinary art. (1958). CABI Digital Library;
  10. Knight T. (2019). Robert Bakewell of Dishley – pioneer of animal husbandry. Knight Family of Seattle;
  11. Никитин И.Н. История ветеринарии. Учебник для вузов. СПб: «Лань», 2023 — 329 с.;
  12. Larkin M. (2010). Pioneering a profession: The birth of veterinary education in the Age of Enlightenment. American Veterinary Medical Association;
  13. Филатов В.И. История зоотехнии. Новосибирск: НГАУ, 2011 — 312 с.;
  14. Samas A. (2015). Genesis and Activities of the World Veterinary Association and World Veterinary Day. ResearchGate. 96–98;
  15. Фермерство на Западе ускорило технологические революции в сельском хозяйстве. (2015). Фермер.ру;
  16. Королев Павел Юрьевич (2002). Создание и деятельность финансово-промышленных групп и других агропромышленных объединений в агропромышленном комплексе Российской Федерации (цели создания, организационные и структурные особенности, практика функционирования, перспективы развития). Ученые записки Санкт-Петербургского имени В. Б. Бобкова филиала Российской таможенной академии. 1, 216–251;
  17. Siva K. Balasundram, Redmond R. Shamshiri, Shankarappa Sridhara, Nastaran Rizan. (2023). The Role of Digital Agriculture in Mitigating Climate Change and Ensuring Food Security: An Overview. Sustainability. 15, 5325;
  18. Ritchie H. and Roser M. (2019). Half of the world’s habitable land is used for agriculture. Our World in Data;
  19. Ritchie H. (2020). Sector by sector: where do global greenhouse gas emissions come from? Our World in Data;
  20. Muxi Cheng, Bruce McCarl, Chengcheng Fei. (2022). Climate Change and Livestock Production: A Literature Review. Atmosphere. 13, 140;
  21. Ritchie H. (2021). Deforestation and Forest Loss. Our World in Data;
  22. Это страшное слово «дефаунизация»;
  23. Ranjith P. Udawatta, Lalith Rankoth, Shibu Jose. (2019). Agroforestry and Biodiversity. Sustainability. 11, 2879;
  24. Sustaining Forests for People and Planet. (2023). World Resources Institute;
  25. Банников А.Г. Основы экологии и охрана окружающей среды: [для с.-х. вузов] / А.Г. Банников, А.А. Вакулин, А.К. Рустамов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Колос, 1996. — 304 с.;
  26. How much water is needed to produce food and how much do we waste?. (2016). The Guardian;
  27. Домашенко, Ю. Е., & Васильев, С. М. (2015). Ресурсосберегающие технологии по подготовке животноводческих стоков для орошения сельскохозяйственных культур. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 106, 568–579;
  28. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
  29. Thomas P. Van Boeckel, Charles Brower, Marius Gilbert, Bryan T. Grenfell, Simon A. Levin, et. al. (2015). Global trends in antimicrobial use in food animals. Proc Natl Acad Sci USA. 112, 5649-5654;
  30. Антибиотикорезистентность: How to make antibiotics great again*?;
  31. Ilyashenko A. (2021). Ферментные кормовые добавки и их отличительные особенности. ResearchGate. 66–69;
  32. Неизвестные пептиды: «теневая» система биорегуляции;
  33. Yongqing Hou, Zhenlong Wu, Zhaolai Dai, Genhu Wang, Guoyao Wu. (2017). Protein hydrolysates in animal nutrition: Industrial production, bioactive peptides, and functional significance. J Animal Sci Biotechnol. 8;
  34. Мультиомики в сельском хозяйстве: когда ДНК встречается с трактором;
  35. Paulina Markowiak, Katarzyna Śliżewska. (2018). The role of probiotics, prebiotics and synbiotics in animal nutrition. Gut Pathog. 10;
  36. Разработка вакцин: чем и как имитировать болезнь?;
  37. Исаенко Е.Ю. Бабич Е.М., Елисеева И.В., Ждамарова Л.А., Белозерский В.И. & Колпак С.А. (2015). Вакцины нового поколения. Вестник Смоленской государственной медицинской академии. 14, 50–57;
  38. Aloysious Ssemaganda, Ashwini Kumar Giddam, Mehfuz Zaman, Mariusz Skwarczynski, Istvan Toth, et. al. (2019). Induction of Plasmodium-Specific Immune Responses Using Liposome-Based Vaccines. Front. Immunol. 10;
  39. A. Paraf, G. Peltre. (1991). Immunoassays for animal husbandry. Immunoassays in Food and Agriculture. 77-121;
  40. Доронин М.И., Лозовой Д.А., Щербаков А.В., & Макаров В.В. (2020). Применение метода ПЦР в режиме реального времени в ветеринарной практике. Российский ветеринарный журнал. 2, 5–12;
  41. 12 методов в картинках: иммунологические технологии;
  42. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
  43. Цифровая ПЦР: измеряя истину;
  44. Селионова М.И. & Айбазов А.-М.М. (2014). Геномные технологии в селекции сельскохозяйственных животных. Сельскохозяйственный журнал. 1, 140–145;
  45. Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал;
  46. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
  47. Одноклеточное секвенирование: разделяй, изучай и властвуй;
  48. Зиновьева Н.А., Позябин С.В., Чинаров Р.Ю. (2020). Вспомогательные репродуктивные технологии: история становления и роль в развитии генетических технологий в скотоводстве (обзор). Сельскохозяйственная биология. 55, 225–242;
  49. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
  50. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
  51. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
  52. Воспроизводство стада и искусственное осеменение сельскохозяйственных животных (2024). Зооинженерный факультет МСХА;
  53. Генномодифицированные свиньи с улучшенным навозом.

Комментарии