Наиболее важными событиями в области биологии, повлиявшими на весь ход ее дальнейшего развития, являются: установление молекулярной структуры ДНК и ее роли в передаче информации в живой материи (Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс); расшифровка генетического кода (Р. Холли, Х.-Г. Корана, М. Ниренберг); открытие структуры гена и генетической регуляции синтеза белков (А. М. Львов, Ф. Жакоб, Ж.-Л. Моно и др.); формулировка клеточной теории (М. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов, К. Бэр); исследование закономерностей наследственности и изменчивости (Г. Мендель, Г. де Фриз, Т. Морган и др.); формулировка принципов современной систематики (К. Линней), эволюционной теории (Ч. Дарвин) и учение о биосфере (В.И. Вернадский).
Значимость открытий последних десятилетий еще предстоит оценить, однако наиболее крупными достижениями биологии были признаны: расшифровка генома человека и других организмов, определение механизмов контроля потока генетической информации в клетке и формирующемся организме, механизмов регуляции деления и гибели клеток, клонирование млекопитающих, а также открытие возбудителей «коровьего бешенства» (прионов).
Работы по программе «Геном человека», которые проводились одновременно в нескольких странах и были завершены в начале нынешнего века, привели нас к пониманию того, что у человека есть всего около 25-30 тыс. генов, но информация с большей части нашей ДНК не считывается никогда, так как в ней содержится огромное количество участков и генов, кодирующих признаки, утратившие значение для человека (хвост, оволосение тела и др.). Кроме того, был расшифрован ряд генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов- мишеней лекарственных препаратов. Однако практическое применение результатов, полученных в ходе реализации данной программы, откладывается до тех пор, пока не будут расшифрованы геномы значительного количества людей, и тогда станет понятно, в чем же все-таки их различие. Эти цели поставлены перед целым рядом ведущих лабораторий всего мира, работающих над реализацией программы «ENCODE».
Биологические исследования являются фундаментом медицины, фармации, широко используются в сельском и лесном хозяйстве, пищевой промышленности и других отраслях человеческой деятельности.
Хорошо известно, что только «зеленая революция» 1950-х годов позволила хотя бы частично решить проблему обеспечения быстро растущего населения Земли продуктами питания, а животноводство - кормами за счет внедрения новых сортов растений и прогрессивных технологий их выращивания. В связи с тем, что генетически запрограммированные свойства сельскохозяйственных культур уже почти исчерпаны, дальнейшее решение продовольственной проблемы связывают с широким введением в производство генетически модифицированных организмов.
Производство многих продуктов питания, таких как сыры, йогурты, колбасы, хлебобулочные изделия и др., также невозможно без использования бактерий и грибов, что является предметом биотехнологии.
Познание природы возбудителей, процессов течения многих заболеваний, механизмов иммунитета, закономерностей наследственности и изменчивости позволили существенно снизить смертность и даже полностью искоренить ряд болезней, таких, например, как черная оспа. С помощью новейших достижений биологической науки решается и проблема репродукции человека. Значительная часть современных лекарственных препаратов производится на основе природного сырья, а также благодаря успехам генной инженерии, как, например, инсулин, столь необходимый больным сахарным диабетом, что в основном синтезируется бактериями, которым перенесен соответствующий ген.
Не менее значимы биологические исследования для сохранения окружающей среды и разнообразия живых организмов, угроза исчезновения которых ставит под сомнение существование человечества.
Наибольшее значение среди достижений биологии является тот факт, что они лежат даже в основе построения нейронных сетей и генетического кода в компьютерных технологиях, а также широко используются в архитектуре и других отраслях. Вне всякого сомнения, наступивший XXI век является веком биологии.
Раздел 1. Биология – наука о жизни.
План
Тема 1. Биология как наука, ее достижения, методы исследования, связи с другими науками. Роль биологии в жизни и практической деятельности человека.
Тема 2. Признаки и свойства живого: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, воспроизведение, развитие
Тема 3. Основные уровни организации живой природы: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический
Биология как наука, ее достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира.
Биология как наука.
Биология (от греч. биос - жизнь, логос - слово, наука) - это комплекс наук о живой природе.
Предметом биологии являются все проявления жизни: строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а также взаимодействие с окружающей средой. Основная задача биологии как науки состоит в истолковании всех явлений живой природы на научной основе, учитывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от его составляющих.
Термин «биология» встречается в трудах немецких анатомов Т. Роозе (1779) и К.-Ф. Бурдаха (1800), однако только в 1802 году он был впервые употреблен независимо друг от друга Ж.-Б. Лaмарком и Г.-Р. Тревиранусом для обозначения науки, изучающей живые организмы.
Биологические науки.
В настоящее время в состав биологии включают целый ряд наук, которые можно систематизировать по таким критериям: по предмету и преобладающим методам исследования и по изучаемому уровню организации живой природы . По предмету исследования биологические науки делят на бактериологию, ботанику, вирусологию, зоологию, микологию.
Ботаника - это биологическая наука, комплексно изучающая растения и растительный покров Земли. Зоология - раздел биологии, наука о многообразии, строении, жизнедеятельности, распространении и взаимосвязи животных со средой обитания, их происхождении и развитии. Бактериология - биологическая наука, изучающая строение и жизнедеятельность бактерий, а также их роль в природе. Вирусология - биологическая наука, изучающая вирусы. Основным объектом микологии являются грибы, их строение и особенности жизнедеятельности. Лихенология - биологическая наука, изучающая лишайники. Бактериология, вирусология и некоторые аспекты микологии часто рассматриваются в составе микробиологии - раздела биологии, науке о микроорганизмах (бактериях, вирусах и микроскопических грибах). Систематика, или таксономия, - биологическая наука, которая описывает и классифицирует по группам все живые и вымершие существа.
В свою очередь, каждая из перечисленных биологических наук подразделяется на биохимию, морфологию, анатомию, физиологию, эмбриологию, генетику и систематику (растений, животных или микроорганизмов). Биохимия - это наука о химическом составе живой материи, химических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в основе их жизнедеятельности. Морфология - биологическая наука, изучающая форму и строение организмов, а также закономерности их развития. В широком смысле она включает в себя цитологию, анатомию, гистологию и эмбриологию. Различают морфологию животных и растений. Анатомия - это раздел биологии (точнее - морфологии), наука, изучающая внутреннее строение и форму отдельных органов, систем и организма в целом. Анатомия растений рассматривается в составе ботаники, анатомия животных - в составе зоологии, а анатомия человека является отдельной наукой. Физиология - биологическая наука, изучающая процессы жизнедеятельности растительных и животных организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Существуют физиология растений, животных и человека. Эмбриология (биология развития) - раздел биологии, наука об индивидуальном развитии организма, в том числе развитии зародыша.
Объектом генетики являются закономерности наследственности и изменчивости. В настоящее время это одна из наиболее динамично развивающихся биологических наук.
По изучаемому уровню организации живой природы выделяют молекулярную биологию, цитологию, гистологию, органологию, биологию организмов и надорганизменных систем. Молекулярная биология является одним из наиболее молодых разделов биологии, наука, изучающая, в частности, организацию наследственной информации и биосинтез белка. Цитология, или клеточная биология, - биологическая наука, объектом изучения которой являются клетки как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Гистология - биологическая наука, раздел морфологии, объектом которой является строение тканей растений и животных. К сфере органологии относят морфологию, анатомию и физиологию различных органов и их систем.
Биология организмов включает все науки, предметом которых являются живые организмы, например, этологию - науку о поведении организмов.
Биология надорганизменных систем подразделяется на биогеографию и экологию. Распространение живых организмов изучает биогеография, тогда как экология - организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы.
По преобладающим методам исследования можно выделить описательную (например, морфологию), экспериментальную (например, физиологию) и теоретическую биологию.
Выявление и объяснение закономерностей строения, функционирования и развития живой природы на различных уровнях ее организации является задачей общей биологии. К ней относят биохимию, молекулярную биологию, цитологию, эмбриологию, генетику, экологию, эволюционное учение и антропологию. Эволюционное учение изучает причины, движущие силы, механизмы и общие закономерности эволюции живых организмов. Одним из его разделов является палеонтология - наука, предметом которой являются ископаемые останки живых организмов. Антропология - раздел общей биологии, наука о происхождении и развитии человека как биологического вида, а также разнообразии популяций современного человека и закономерностях их взаимодействия.
Прикладные аспекты биологии отнесены к сфере биотехнологии, селекции и других быстро- развивающихся наук. Биотехнологией называют биологическую науку, изучающую использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Она широко применяется в пищевой (хлебопечение, сыроделие, пивоварение и др.) и фармацевтической промышленностях (получение антибиотиков, витаминов), для очистки вод и т. п. Селекция - наука о методах создания пород домашних животных, сортов культурных растений и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами. Под селекцией понимают и сам процесс изменения живых организмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.
Прогресс биологии тесно связан с успехами других естественных и точных наук, таких как физика, химия, математика, информатика и др. Например, микроскопирование, ультразвуковые исследования (УЗИ), томография и другие методы биологии основываются на физических закономерностях, а изучение структуры биологических молекул и процессов, происходящих в живых системах, было бы невозможным без применения химических и физических методов. Применение математических методов позволяет, с одной стороны, выявить наличие закономерной связи между объектами или явлениями, подтвердить достоверность полученных результатов, а с другой - смоделировать явление или процесс. В последнее время все большее значение в биологии приобретают компьютерные методы, например моделирование. На стыке биологии и других наук возник целый ряд новых наук, таких как биофизика, биохимия, бионика и др.
Лекция:
Биология как наука
Отдельной наукой биология стала в 19-м веке, когда термин «биология» начали использовать сразу несколько ученых – Жан Батист Ламарк и Готфрид Рейнхольд Тревиранус в 1802 г и Фридрих Бурдах в 1800. До этого изучением некоторых аспектов живого занимались естественная история и медицина.
Объектом изучения биологии является жизнь в любых ее проявлениях – эволюция, распределение живого на планете, его структура, процессы функционирования, классификация, взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой.
Основой современной биологии являются 5 базовых принципов:
клеточная теория;
генетика;
эволюция;
гомеостаз;
Методы биологии
Методами биологии называются приемы, используемые учеными для приобретения новых знаний о живых организмах.
Основным правилом для любого ученого является принцип «ничего не принимать на веру» – каждое явление должно быть точно изучено и о нем должно быть получено достоверное знание.
Методами биологии называют приемы, с помощью которых строится система точного научного знания. К ним относятся:
Наблюдение. Первое столкновение ученых с чем-то еще не изученным.
Описание явления, нового организма, его особенностей;
Систематизация. Это процесс соотнесения нового знания с уже имеющимися системами – определение места вновь открытого организма на древе эволюции, его химического строения, особенностей размножения и других свойств с уже имеющимися системами знания;
Сравнение. Поиск похожих явлений, изучение уже встречавшихся подобных свидетельств других ученых, описаний и неоконченных исследований;
Эксперимент. Проведение серий экспериментов для подтверждения или опровержения новой теории или гипотезы.
Аналитический метод. Подразумевает сбор и сравнение всей информации по какому-либо вопросу.
Исторический метод. Позволяет изучить закономерности исторического развития организмов, обращаясь к уже имеющемуся знанию.
Моделирование. Построение и расчет возможных вариантов строения организма, функционирования его органов, его взаимодействия с другими живыми организмами. Это могут быть компьютерные модели, трехмерные модели строения, математический метод.
Используются универсальные, общие для всех наук правила построения научных теорий :
наблюдение какого-либо явления, свойства живого организма, его особенности;
выдвижение гипотезы – как и почему возможен наблюдаемый феномен, его предварительное объяснение на базе ранее известных знаний;
эксперимент – постоянно ли явление или имеет случайный характер, одинаково ли проявляется при изменении условий эксперимента, какие конкретно условия оказывают на него влияние;
после экспериментального подтверждения гипотеза становится теорией ;
для проверки теории и поиска точных ответов на вопросы, ученые проводят дополнительные эксперименты.
А также применяются методы, свойственные каждой конкретной науке, для биологии это:
генеалогический . Поиск предков, соотнесение вновь открытого организма с возможными родственными на древе эволюции;
культура тканей. Для изучения физиологических особенностей организма, влияния на него различных факторов проводятся исследования образцов его тканей;
эмбриологический. Изучение процесса развития живого организма до его рождения;
цитогенетический. Исследования генома и строения клеток;
биохимический. Химические исследования клеточного содержимого, тканей, внутренней среды и выделений организма.
Биологических методов очень много, кроме вышеперечисленных в науке широко используются: гибридизация, палеонтологический, центрифугирование и многие другие.
Роль биологии в формировании естественнонаучной картины мира
Знания о биосфере помогают человечеству делать прогнозы долгосрочных и краткосрочных процессов на Земле и стараться управлять ими. Так, зная о роли зеленых растений в формировании кислородной среды планеты – человек понимает важность сохранения лесов. Владея знаниями о взаимоотношениях организмов – в настоящее время человечество уже не допускает опасных экспериментов по внесению в устойчивую экосистему новых животных и растений, это даже прописано в международном законодательстве. Таких ошибок, как завоз кроликов в Австралию или енотовидной собаки на Дальний Восток СССР человек уже не допускает. В настоящее время в Калифорнии проблемой стали заносные виды растений, угнетающие реликтовые ценные виды местной флоры.
Биологические науки позволяют решить многие проблемы с обеспечение продовольственной безопасности. Выведение новых сортов растений и видов животных, позволяют повысить урожайность, защитить посевы от вредителей, увеличить производительность сельского хозяйства.
Генетика и физиология на настоящий момент играют очень важную роль в получении медицинских знаний, способствуя развитию новых методов лечения, созданию лекарств, позволяя победить считавшиеся неизлечимыми заболевания и патологии, а также заранее предупредить и остановить их развитие.
С помощью микробиологии разрабатываются вакцины и сыворотки, новые сорта пищевых продуктов и напитков.
Дендрология и экология позволяют обеспечить восполняемым природным ресурсом – древесиной строительную и целлюлозно-бумажную отрасли промышленности.
Энтомология и ботаника – помогают разработать и улучшить уже известные виды тканей.
Любая из биологических наук, включая палеонтологию и прочие, кажущиеся неважными – оказывает сильное влияние на представление знаний об истории развития планеты, месте человека среди живых организмов, помогает повысить качество жизни и защитить от влияния вредных факторов внешней среды.
| |
Наиболее значимыми событиями первой половины XIX века стали становление палеонтологии и биологических основ стратиграфии, возникновение клеточной теории, формирование сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии. Центральными событиями второй половины XIX века стали публикация «Происхождения видов» Чарлза Дарвина и распространение эволюционного подхода во многих биологических дисциплинах.
Клеточная теория
Клеточная теория была сформулирована в 1839г. немецким зоологом и физиологом Т. Шванном. Согласно этой теории, всем организмам присуще клеточное строение. Клеточная теория утверждала единство животного и растительного мира, наличие единого элемента тела живого организма -- клетки. Как и всякое крупное научное обобщение, клеточная теория не возникла внезапно: ей предшествовали отдельные открытия различных исследователей.
В начале XIX в. предпринимались попытки изучения внутреннего содержимого клетки. В 1825г. чешский ученый Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831г. английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений, а в 1833г. он пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки. Таким образом, в это время меняется представление о строении клетки: главным в ее организации стали считать не клеточную стенку, а содержимое.
Наиболее близко к формулировке клеточной теории подошел немецкий ботаник М. Шлейден, который установил, что тело растений состоит из клеток.
Многочисленные наблюдения относительно строения клетки, обобщение накопленных данных позволили Т. Шванну в 1839 г. сделать ряд выводов, которые впоследствии назвали клеточной теорией. Ученый показал, что все живые организмы состоят из клеток, что клетки растений и животных принципиально схожи между собой.
Клеточная теория включает следующие основные положения:
1) Клетка -- элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению и являющаяся единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов.
2) Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.
3) Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.
4) В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.
Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки.
Эволюционная теория Ч. Дарвина
Переворот в науке произвела книга великого английского ученого-натуралиста Чарльза Дарвина «Происхождения видов», написанная в 1859 году. Обобщив эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики, использовав результаты собственных наблюдений во время путешествий, он раскрыл основные факторы эволюции органического мира. В книге «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868) он изложил дополнительный фактический материал к основному труду. В книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) выдвинул гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка.
Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений:
1) В пределах каждого вида живых организмов существует огромный размах индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда.
2) Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии.
3) Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении.
4) В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды. Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно -- в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции.
5) Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором.
6) Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию.
В основе теории Дарвина - свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом - свойство наследственности. Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие "борьба за существование" - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей.
Дарвин выделил две основные формы изменчивости:
Определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву);
Неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий.
В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией. Мутация - неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываются перспективными. Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.
Механизм естественного отбора в природе действует аналогично селекционерам, т.е. складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает ненужные формы и образовывает новые виды. Дарвинизм: история и современность. М.,Наука,1985
Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции.
Клеточная теория и учение Дарвина об эволюции - это самые значительные достижения биологии XIX века. Но я думаю, что следует упомянуть и о других достаточно важных открытиях.
С развитием физики и химии происходят и изменения в медицине. С течением времени областей применения электричества становится все больше. Его использование в медицине положило начало электро- и ионофорезу. Открытие Х-лучей Рентгеном вызвало особый интерес у врачей. Физические лаборатории, где создавалась аппаратура, используемая Рентгеном для получения Х-лучей, атаковались врачами и их пациентами, подозревавшими, что в них находятся когда-то проглоченные иголки, пуговицы и т.д. История медицины до этого не знала столь быстрой реализации открытий в области электричества, как это случилось с новым диагностическим средством - рентгеновскими лучами.
С конца XIX века начинаются опыты на животных для определения пороговых - опасных - значений тока и напряжения. Определение этих значений вызвалось необходимостью создания защитных мероприятий.
Немало важным открытием в области медицины и биологии стало открытие витаминов. Еще в 1820 году наш соотечественник П. Вишневский впервые высказал предположение о существовании в противоцинготных продуктах некоего вещества, которое способствует правильной жизнедеятельности организма. Собственно открытие витаминов принадлежит Н. Лунину, доказавшему в 1880 году, что в состав пищи входят некие жизненно важные элементы. Термин "витамины" образован от латинских корней: "вита" - жизнь и "амин" - соединение азота.
В XIX веке начинается борьба с инфекционными заболеваниями. Английский врач Дженнер изобрел вакцину, Роберт Кох открыл возбудитель туберкулеза - палочку Коха, а также разработал профилактические меры против эпидемий и создал лекарства.
Микробиология
Луи Пастер подарил миру новую науку - микробиологию.
Этот человек, сделавший ряд ярчайших открытий, должен был всю жизнь отстаивать свои истины в бесполезных спорах. Естествоиспытатели всего мира вели споры о том, существует или нет «самозарождение» живых организмов. Пастер не спорил, Пастер работал. Почему бродит вино? Почему скисает молоко? Пастер установил, что процесс брожения - процесс биологический, вызываемый микробами.
В лаборатории Пастера до сих пор стоит колба удивительной формы - хрупкое сооружение с причудливо выгнутым носиком. Более 100 лет назад в неё влили молодое вино. Оно не скисло и по сей день - секрет формы бережет его от микробов брожения.
Опыты Пастера имели большое значение для создания методов стерилизации и пастеризации (нагревание жидкости до 80оС, чтобы убить микроорганизмы, и последующее быстрое ее охлаждение) различных продуктов. Он разработал методы предохранительных прививок против заразных болезней. Его исследования послужили основой для учений об иммунитете.
Генетика
В 1865 году были опубликованы результаты работ по гибридизации сортов гороха, где были открыты важнейшие законы наследственности. Автор этих работ - чешский исследователь Грегор Мендель показал, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами. Однако эти работы оставались практически неизвестными почти 35 лет - с 1865 по 1900.
- 33.35 КбДостижения биологии в современных вариантах систематики жизни
На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: «Жизнь – это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот» (И. И. Мечников).
Достижения биологии последнего времени привели к возникновению принципиально новых направлений в науке. Раскрытие молекулярного строения структурных единиц наследственности (генов) послужило основой для создания генной инженерии. С помощью ее методов создают организмы с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных признаков и свойств. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.
Живая природа устроила себя гениально просто и мудро. У нее есть единственная самовоспроизводящая молекула ДНК, на которой записана программа жизни, а конкретнее, весь процесс синтеза, структура и функция белков как основных элементов жизни. Кроме сохранения программы жизни молекула ДНК выполняет еще одну важнейшую функцию – ее самовоспроизведение, копирование создают преемственность между поколениями, непрерывность нити жизни. Единожды возникнув, жизнь самовоспроизводится в огромном разнообразии, которое обеспечивает ее устойчивость, приспособленность к разнообразным условиям среды и эволюцию.
Современные биотехнологии
Современная биология – область стремительных и фантастических преобразований в биотехнологии.
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На их базе освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.п. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества - гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет.
Современная биотехнология позволяет превратить отходы древесины, соломы и другое растительное сырье в ценные питательные белки. Она включает процесс гидролизации промежуточного продукта - целлюлозы - и нейтрализацию образующейся глюкозы с введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок – высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы.
Некоторые виды грибков превращают нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Так, из 100 т неочищенного мазута можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Столько же дрожжей производится из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м3 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10 000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель. Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и дрожжевые культуры растут в тысячи раз быстрее, чем крупный рогатый скот. Одна тонна пищевых дрожжей позволяет получить около 800 кг свинины, 1,5-2,5 т птицы или 15-30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
Практическое применение достижений современной биологии уже в настоящее время позволяет получать промышленным путем значительные количества биологически активных веществ.
Биотехнология, по-видимому, уже в ближайшие десятилетия займет лидирующее положение и, возможно, определит лицо цивилизации XXI века.
Генные технологии
Генетика – важнейшая область современной биологии.
На основе генной инженерии родилась современная биотехнология. В мире сейчас колоссальное количество фирм, занимающихся бизнесом в этой области. Они делают все: от лекарств, антител, гормонов, пищевых белков до технических вещей – сверхчувствительных датчиков (биосенсоров), компьютерных микросхем, хитиновых диффузоров для хороших акустических систем. Генно-инженерная продукция завоевывает мир, она безопасна в экологическом отношении.
На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанных с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена, кодирующего нужный продукт, или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными размножаться в клетках другого организма.
ДНК, хранящаяся и работающая в клеточном ядре, воспроизводит не только саму себя. В нужный момент определенные участки ДНК – гены – воспроизводят свои копии в виде химически подобного полимера – РНК, рибонуклеиновой кислоты, которые в свою очередь служат матрицами для производства множества необходимых организму белков. Именно белки определяют все признаки живых организмов. Основная цепь событий на молекулярном уровне:
ДНК -> РНК -> белок
В этой строчке заключена так называемая центральная догма молекулярной биологии.
Генные технологии привели к разработке современных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, - к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К настоящему времени установлены нуклеотидные последовательности разных микроорганизмов, включая промышленные штаммы, и те, которые нужны для исследования принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи, в свою очередь, убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов, переносчиков генов, используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.
С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для идентификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.
Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое - улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т.е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление - получение вакцин против болезней: СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.
За последние годы генные технологии значительно улучшили эффективность традиционных штаммов-продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность, которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15-40%.
Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бактериям и улучшить качество конечного продукта.
Генетически модифицированные микробы приносят пользу в борьбе с вредными вирусами и микробами и насекомыми. Например:
Устойчивость растений к гербицидам, что важно для борьбы с сорняками, засоряющими поля и снижающими урожай культивируемых растений. Получены и используются гербицидоустойчивые сорта хлопчатника, кукурузы, рапса, сои, сахарной свеклы, пшеницы и других растений.
Устойчивость растений к насекомым-вредителям. Разработка белка дельта-эндотоксину, продуцируемого разными штаммами бактерии Bacillus turingensis. Этот белок токсичен для многих видов насекомых и безопасен для млекопитающих, в том числе для человека.
Устойчивость растений к вирусным заболеваниям. Для этого в геном растительной клетки вводятся гены, блокирующие размножения вирусных частиц в растениях, например интерферон, нуклеазы. Получены трансгенные растения табака, томатов и люцерны с геном бета-интерферона.
Кроме генов в клетках живых организмов, в природе существуют также независимые гены. Они называются вирусами, если могут вызвать инфекцию. Оказалось, что вирус – это не что иное, как упакованный в белковую оболочку генетический материал. Оболочка – чисто механическое приспособление, как бы шприц, для того, чтобы упаковать, а затем впрыснуть гены, и только гены, в клетку-хозяина и отвалиться. Затем вирусные гены в клетке начинают репродуцировать на себе свои РНК и свои белки. Все это переполняет клетку, она лопается, гибнет, а вирус в тысячах копий освобождается и заражает другие клетки.
Болезнь, а иногда даже смерть вызывают чужеродные, вирусные белки. Если вирус «хороший», человек не умирает, но может болеть всю жизнь. Классический пример – герпес, вирус которого присутствует в организме 90% людей. Это самый приспособленный вирус, обычно заражающий человека в детском возрасте и живущий в нем постоянно.
Таким образом, вирусы – это, в сущности, изобретенное эволюцией биологическое оружие: шприц, наполненный генетическим материалом.
Теперь пример уже из современной биотехнологии, пример операции с зародышевыми клетками высших животных ради благородных целей. Человечество испытывает трудности с интерфероном – важным белком, обладающим противораковой и противовирусной активностью. Интерферон вырабатывается животным организмом, в том числе и человеческим. Чужой, не человеческий, интерферон для лечения людей брать нельзя, он отторгается организмом или малоэффективен. Человек же вырабатывает слишком мало интерферона для его выделения с фармакологическими целями. Поэтому было сделано следующее. Ген человеческого интерферона был введен в бактерию, которая затем размножалась и в больших количествах нарабатывала человеческий интерферон в соответствии с сидящим в ней человеческим геном. Сейчас эта, уже стандартная техника применяется во всем мире. Точно так же, и уже довольно давно, производится генно-инженерный инсулин. С бактериями, однако, возникает много сложностей при очистке нужного белка от бактериальных примесей. Поэтому начинают от них отказываться, разрабатывая методы введения нужных генов в высшие организмы. Это труднее, но дает колоссальные преимущества. Сейчас, в частности, уже широко распространено молочное производство нужных белков с использованием свиней и коз. Принцип здесь, очень коротко и упрощенно, таков. Из животного извлекают яйцеклетки и вставляют в их генетический аппарат, под контроль генов белков молока животного, чужеродные гены, определяющие выработку нужных белков: интерферона, или необходимых человеку антител, или специальных пищевых белков. Потом яйцеклетки оплодотворяют и возвращают в организм. Часть потомства начинает давать молоко, содержащее необходимый белок, а из молока выделить его уже достаточно просто. Получается значительно дешевле, безопаснее и чище.
Таким же путем были выведены коровы, дающие «женское» молоко (коровье молоко с необходимыми человеческими белками), пригодное для искусственного вскармливания человеческих младенцев. А это сейчас довольно серьезная проблема.
В целом можно сказать, что в практическом плане человечество достигло довольно опасного рубежа. Научились воздействовать на генетический аппарат, в том числе и высших организмов. Научились направленному, избирательному генному воздействию, продуцированию так называемых трансгенных организмов – организмов, несущих любые чужеродные гены. ДНК – это вещество, с которым можно манипулировать. В последние два-три десятилетия возникли методы, с помощью которых можно разрезать ДНК в нужных местах и склеивать с любым другим кусочком ДНК. Более того, могут вырезать и вставлять не только определенные готовые гены, но и рекомбинанты – комбинации разных, в том числе и искусственно созданных генов. Это направление получило название генной инженерии. Человек стал генным инженером. В его руках, в руках не столь уже совершенного в интеллектуальном отношении существа, появились безграничные, гигантские возможности - как у Господа Бога.
Современная цитология
Новые методы, особенно электронная микроскопия, применение радиоактивных изотопов и высокоскоростного центрифугирования, позволяют достичь огромных успехов в изучении строения клетки. В разработке единой концепции физико-химических аспектов жизни цитология все больше сближается с другими биологическими дисциплинами. При этом ее классические методы, основанные на фиксации, окрашивании и изучении клеток под микроскопом, по-прежнему сохраняют практическое значение.
Цитологические методы используются, в частности, в селекции растений для определения хромосомного состава растительных клеток. Такие исследования оказывают большую помощь в планировании экспериментальных скрещиваний и оценке полученных результатов. Аналогичный цитологический анализ проводится и на клетках человека: он позволяет выявить некоторые наследственные заболевания, связанные с изменением числа и формы хромосом. Такой анализ в сочетании с биохимическими тестами используют, например, при амниоцентезе для диагностики наследственных дефектов плода.
Однако самое важное применение цитологических методов в медицине – это диагностика злокачественных новообразований. В раковых клетках, особенно в их ядрах, возникают специфические изменения. Злокачественные образования – это не что иное, как отклонения в нормальном процессе развития вследствие выхода из-под контроля управляющих развитием систем, в первую очередь генетических. Цитология является достаточно простым и высокоинформативным методом скрининговой диагностики различных проявлений папилломавируса. Это исследование проводится как у мужчин, так и у женщин.
Описание работы
На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: «Жизнь – это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот» (И. И. Мечников).
Достижения биологии последнего времени привели к возникновению принципиально новых направлений в науке. Раскрытие молекулярного строения структурных единиц наследственности (генов) послужило основой для создания генной инженерии. С помощью ее методов создают организмы с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных признаков и свойств. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.
