W Stanach Zjednoczonych jest ponad 9 milionów krów mlecznych, a zdecydowana większość z nich to holsztyny, duże bydło z charakterystycznymi czarno-białymi (czasem czerwono-białymi) oznaczeniami. Ilość produkowanego przez nie mleka jest zdumiewająca. Podobnie jest z ich pochodzeniem. Kiedy kilka lat temu naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii przyjrzeli się bliżej liniom męskim, odkryli, że ponad 99 procent z nich może pochodzić od jednego z dwóch byków, obydwa urodzone w latach 60-tych. Oznacza to, że wśród wszystkich męskich Holsztynów w kraju, są tylko dwa chromosomy Y.
„To, co zrobiliśmy, to naprawdę zawężenie puli genetycznej”, mówi Chad Dechow, jeden z badaczy.
Kobiety nie radziły sobie dużo lepiej. W rzeczywistości, Dechow – profesor nadzwyczajny genetyki bydła mlecznego – i inni twierdzą, że istnieje tak wiele podobieństw genetycznych między nimi, że efektywna wielkość populacji jest mniejsza niż 50. Gdyby holsztyny były dzikimi zwierzętami, należałoby je zaliczyć do kategorii gatunków krytycznie zagrożonych. „To w zasadzie jedna wielka wsobna rodzina” – mówi Leslie B. Hansen, ekspert w dziedzinie hodowli holsztyńskiej i profesor Uniwersytetu Minnesoty.
Każdy uczeń szkoły podstawowej wie, że jednorodność genetyczna nie jest dobra na dłuższą metę. Zwiększa ona ryzyko dziedzicznych zaburzeń, a także zmniejsza zdolność populacji do ewolucji w obliczu zmieniającego się środowiska. Hodowcy bydła mlecznego walczący o zapłatę rachunków niekoniecznie skupiają się na ewolucyjnych perspektywach swoich zwierząt, ale Dechow i jego koledzy byli na tyle zaniepokojeni, że chcieli dokładniej przyjrzeć się cechom, które zostały utracone.
Aby uzyskać odpowiedzi, naukowcy rozpoczęli hodowlę małej partii nowych krów, wyhodowanych częściowo z zachowanego nasienia dawno zmarłych byków, aby zmierzyć wiele cech – wzrost, wagę, produkcję mleka, ogólny stan zdrowia, płodność i zdrowie wymion, wśród innych cech – i porównać je z nowoczesnymi holsztynami, które stworzyliśmy. Nadzieją jest to, że pewnego dnia mogą być w stanie wstrzyknąć tak bardzo potrzebną różnorodność genetyczną z powrotem do tego kamienia węgielnego w rolnictwie, i być może ożywić cechy, które zostały utracone do nieubłaganego chowu wsobnego.
„Jeśli ograniczymy długoterminową różnorodność genetyczną rasy,” mówi Dechow, „ograniczamy, jak wiele zmian genetycznych można dokonać w czasie.”
Innymi słowy, możemy osiągnąć punkt, w którym utknęliśmy tam, gdzie jesteśmy. Nie będzie już żadnej poprawy w produkcji mleka. Płodność się nie poprawi. A jeśli pojawi się nowa choroba, ogromne połacie populacji krów mogą być na nią podatne, ponieważ tak wiele z nich ma te same geny.
Holsztyny są dziś odpowiedzialne za większość mleka, które pijemy, a także za większość naszych serów i lodów. Przez co najmniej ostatnie stulecie zwierzęta te były cenione za ich obszerną produkcję. W ciągu ostatnich około 70 lat ludzie wprowadzili wiele metod, aby jeszcze bardziej zwiększyć produkcję. W 1950 roku, na przykład, jedna krowa mleczna produkowała około 5 300 funtów mleka rocznie. Dziś przeciętna krowa holsztyńska produkuje ponad 23 000. W 2017 r. nagrodzona krowa o nazwie Selz-Pralle Aftershock 3918 wyprodukowała 78 170 funtów mleka – ponad 200 funtów każdego dnia.
„Te krowy to prawdziwi sportowcy”, mówi Hansen.
Korzystają na tym konsumenci, utrzymując ceny żywności na niskim poziomie. Korzystają na tym rolnicy, ponieważ oszczędzają na kosztach, gdy mniej krów produkuje tę samą ilość mleka. Jest to również korzystne dla środowiska, ponieważ układ pokarmowy krów produkuje znaczne ilości metanu i odpadów. (Chociaż wysokowydajne krowy holsztyńskie zużywają więcej energii i generują więcej odpadów na krowę, naukowcy szacują, że wzrost wydajności skutkuje znacznym zmniejszeniem ogólnego wpływu na środowisko.)
Część tego sukcesu ma związek ze zmianą sposobu hodowli i zarządzania krowami holsztyńskimi. Ale największa zmiana nastąpiła w sposobie hodowli krów. Dawno temu rolnicy sprowadzali byki z innych gospodarstw, aby ich krowy zachodziły w ciążę – był to sposób na zapewnienie różnorodności genetycznej lub „mieszanie w kotle”, jak mówi Hansen. W latach 40. zaczęto stosować sztuczne zapłodnienie. W ten sposób pojedyncza dawka nasienia buhaja mogła być użyta do zapłodnienia wielu jałówek. Wkrótce technologia pozwoliła na zamrożenie nasienia, co oznaczało, że buhaj mógł być ojcem cieląt przez dziesięciolecia, nawet długo po swojej śmierci. W międzyczasie świat mleczarski prowadził bardzo szczegółowe rejestry, więc stadniny, które sprzedawały nasienie, mogły stwierdzić, który z buhajów dał najlepsze potomstwo – a przez najlepsze potomstwo rozumiano córki, które produkowały najwięcej mleka.
Do tego momentu bardzo poszukiwany buhaj mógł spłodzić tysiące córek. Carlin-M Ivanhoe Bell, byk urodzony w 1974 roku, miał ponad 80 000 potomstwa. Większość buhajów ma ich mniej, choć ich potomstwo wciąż liczy się w tysiącach. W latach 80. było już jasne, że chów wsobny znacznie wzrasta.
W początkach sztucznego zapłodnienia, byki musiały udowodnić swoje zasługi w prawdziwym życiu. To znaczy, spłodziłby 100 córek, a następnie, gdy te córki wycieliły się i zaczęły produkować mleko, ich wydajność została zmierzona. Im lepsza wydajność, tym bardziej atrakcyjny rynkowo był dany buhaj. To „testowanie potomstwa” było wartościowym procesem, ale określenie, czy dany buhaj jest dobry, zajmowało kilka lat.
W 2009 roku pojawiła się nowa technologia: big data i selekcja genomiczna. Dziś o przydatności buhaja na rynku decyduje komputer. Złożony algorytm analizuje genetyczną budowę buhaja, biorąc pod uwagę zdrowie jego potomstwa, produkcję mleka, zawartość tłuszczu i białka w mleku oraz inne cechy, aby uzyskać liczby, które oceniają go na tle innych buhajów. Kluczowa liczba nazywana jest wartością netto za całe życie. Reprezentuje ona średnią kwotę pieniędzy, jaką rolnik może zarobić w ciągu życia potomstwa, wybierając tego a nie innego buhaja.
Podczas gdy pozwoliło to rolnikom na bardziej efektywną ocenę zwierząt pod względem wielu kluczowych cech, proces ten doprowadził również do jeszcze wyższego poziomu inbredu. Współczynnik inbredu” dla Holsztynów wynosi obecnie około 8 procent, co oznacza, że przeciętne cielę otrzymuje identyczne kopie 8 procent genów od matki i ojca. Liczba ta jest porównywana do stanu wyjściowego z 1960 roku – i nadal wzrasta o 3 lub 4 procent każdego roku.
„Chów wsobny gromadzi się szybciej niż kiedykolwiek wcześniej” – mówi Dechow.
Ale czy 8 procent to za dużo? Eksperci z branży mleczarskiej nadal nad tym debatują. Niektórzy twierdzą, że holsztyny wykonują swoją pracę, produkują dużo mleka i są stosunkowo zdrową grupą. Hansen jednak zauważa, że jeśli hoduje się byka z jego córką, współczynnik inbredu wynosi 25 procent; w tym świetle 8 procent wydaje się być dużo. On i inni mówią, że podczas gdy chów wsobny może nie wydawać się teraz problemem, konsekwencje mogą być znaczące.
Na wskaźniki płodności wpływa chów wsobny, a już teraz płodność Holsztynu znacznie spadła. W latach 60. wskaźniki ciąż wynosiły 35 do 40 procent, ale do roku 2000 spadły do 24 procent. Ponadto, kiedy hoduje się bliskich krewnych, jest bardziej prawdopodobne, że krowy otrzymają dwie kopie niechcianych genów recesywnych, w których mogą czaić się poważne problemy zdrowotne.
„Coś musi się zmienić” – mówi Hansen.
Dla Dechowa problemem jest tempo wzrostu i to, co to oznacza dla przyszłości rasy. „Wyobraźmy sobie, że mamy krowę, która ma 100 naprawdę dobrych genów i 10 naprawdę okropnych. Eliminujesz tę krowę z programu hodowlanego, ponieważ ma 10 okropnych genów” – mówi – „tracisz również 100 dobrych genów. Tracisz długoterminowy potencjał genetyczny.”
Dechow dorastał na farmie mlecznej, więc na długo przed poznaniem tajników krowiego genomu, mógł dostrzec niektóre z tego, co się dzieje.
Holsztyny wyglądają zupełnie inaczej niż 50 lat temu. Po pierwsze, hoduje się je tak, aby miały dłuższe i szersze wymiona, a nie głębokie. Głębokie wymię może dotykać ziemi, co czyni je bardziej podatnym na infekcje i inne problemy, więc jest to zmiana na lepsze. Ale inne zmiany mogą być problematyczne. Na przykład, współczesne holsztyny są hodowane tak, by były wysokie i szczupłe, aż do kości. Ta szczupłość jest produktem ubocznym produkcji mleka, ponieważ „kierują energię, którą zużywają, na mleko” – mówi Dechow.
Ale jest to również pewien wybór estetyczny. Idealna krowa holsztyńska – przynajmniej w opinii ludzi, którzy oceniają takie rzeczy – jest „kobieca i wyrafinowana”. Oznacza to, że jest szczupła i kanciasta. Problem w tym, że wysoka, szczupła krowa niekoniecznie jest najzdrowsza, a krótsze i okrąglejsze bydło częściej zachodzi w ciążę.
Kilka lat temu Dechow i inni zaczęli się zastanawiać, jak znaczący był chów wsobny i utrata różnorodności? We wczesnych latach 50. w populacji było reprezentowanych około 1800 byków. Wiedzieli, że dziś jest ich mniej, ale nie mieli pojęcia jak mało. Dechow i jego koledzy Wansheng Liu i Xiang-Peng Yue przeanalizowali informacje o ojcowskich rodowodach prawie 63 000 byków rasy holsztyńskiej urodzonych od lat 50. w Ameryce Północnej.
„Byliśmy trochę zaskoczeni, gdy prześledziliśmy linie rodowe i okazało się, że sięgają one dwóch byków”, mówi. Noszą one nazwy Round Oak Rag Apple Elevation i Pawnee Farm Arlinda Chief. Każdy z nich jest spokrewniony z około połową żyjących dziś buhajów. Zasadniczo Elevation i Chief pokonały każdego innego byka na rynku. Nawet Select Sires, firma, która zajmuje się sprzedażą nasienia buhajów, była zaskoczona wynikami. Charles Sattler, wiceprezes firmy, uważa, że te wiadomości są trochę jak kontrola rzeczywistości, ale nie są powodem do niepokoju. „Prawdopodobnie największym zmartwieniem jest to, czy są jakieś naprawdę cenne geny, które mogliśmy stracić po drodze, które moglibyśmy wykorzystać dzisiaj?” zastanawia się.
Nie tak dawno temu, był inny chromosom Y reprezentowany, że z Penstate Ivanhoe Star, urodzony w latach 60-tych. Jego upadek pokazuje jeden problem z tym całym chowem wsobnym. W latach 90. hodowcy bydła mlecznego na całym świecie zaczęli zauważać cielęta, które rodziły się z tak poważnymi problemami z kręgami, że nie były w stanie przeżyć poza łonem matki. Mniej więcej w tym samym czasie cielęta rodziły się martwe z chorobą zwaną niedoborem adhezji leukocytów bydlęcych. Okazało się, że Star i jego płodny syn, Carlin-M Ivanhoe Bell, mieli problematyczne geny recesywne, które wyszły na jaw dopiero po kilku pokoleniach chowu wsobnego.
Po tym odkryciu rolnicy zaprzestali hodowli krów z potomkami Star i problem ten został rozwiązany. Ale czy inne problemy mogły czaić się w chromosomach naszych pozostałych holsztynek? Co zostało utracone w wyniku całego tego chowu wsobnego? Te pytania zaniepokoiły Dechowa na tyle, że zaczął szukać starych genów.
Wymagało to zagłębienia się w archiwa Narodowego Programu Plazmy Zwierzęcej w Fort Collins w Kolorado. Jest to coś w rodzaju banku nasion, z tą różnicą, że gromadzi on tkankę jajnikową, krew i nasienie zwierząt domowych, a posiada około 7000 próbek nasienia wielkości słomki koktajlowej, pochodzących od byków rasy holsztyńskiej.
Zespół Dechowa znalazł dwie, które nie były spokrewnione z Chiefem czy Elevation, więc pobrał te próbki, zdobył jajeczka od najlepszych samic i stworzył embriony, które wszczepił zastępczym jałówkom Penn State. Pomysł polegał na połączeniu półwiecznej genetyki Y z DNA pochodzącym od samic, które są jednymi z najlepszych przykładów współczesnej produkcji mleka. W ciągu 2017 r. zwierzęta urodziły 15 cieląt, w tym siedem samców. Najstarsze z tych zwierząt mają około dwóch lat, a dwa mają teraz własne cielęta.
Każdy parametr w rozwoju tego bydła zostanie zmierzony, a ich DNA jest analizowane i porównywane z ogólną populacją. Okazuje się, że niewiele wiadomo o chromosomie Y, więc jest to okazja do wykorzystania tej nowo wprowadzonej odmiany, aby lepiej go zrozumieć. Próbki nasienia zostały również pobrane od buhajów i wysłane do banku germplasm w Kolorado. Dechow może już zauważyć różnicę w wyglądzie bydła. Są one nieco krótsze niż większość holsztynek, a także cięższe. Są też nieco mniej potulne niż przeciętnie.
Select Sires zebrał próbki nasienia od buhajów i przeprowadził je przez swój program oceny, uzyskując niezbyt dobre wyniki; wypadły one w środku stawki. Zaoferowano niektóre z tych próbek na sprzedaż hodowcom bydła mlecznego, ale jak dotąd sprzedaż była minimalna. Dzisiejsi hodowcy bydła mlecznego już zmagają się z problemami finansowymi i niełatwo jest ich przekonać, że uzyskanie DNA od przeciętnych buhajów jest korzystne.
Dechow ma nadzieję, że będzie można więcej zyskać na tych badaniach, gdy bydło dojrzeje.
Moim marzeniem,” mówi Dechow, „jest to, że będziemy w stanie pokazać, że te stare genetyki wciąż mają coś do zaoferowania.”
Maureen O’Hagan jest pisarką z Portland w Oregonie, która pracowała w The Washington Post i The Seattle Times, gdzie zdobyła wiele krajowych nagród dziennikarskich. Jest również autorką książki „The Woman in the Strongbox”, tajemniczej historii z prawdziwego zdarzenia.