Достижения биологии в современных вариантах систематики жизни

Достижения 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.

Клонирование

Клонирование – это процесс, в ходе которого живое существо производится от единственной клетки, взятой от другого живого существа.

Клонирование обычно определяется, как производство клеток или организмов с теми же нуклеарными геномами, что и у другой клетки или организма. Соответственно, путём клонирования можно создать любой живой  организм или его часть, идентичный уже существующему или существовавшему, если сохранилась информация о его  нуклеарных геномах.

Самый знаменитый клон – овца Долли. Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть, соматическая клетка человека способна породить новый полноценный организм. Клонирование человека — это шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном — воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей.

По принятому в науке определению, клонирование — это точное воспроизведение  того или иного живого объекта  в каком-то количестве копий. Воспроизведенные копии обладают идентичной наследственной информацией, т.е. имеют одинаковый набор генов.

В Германии появилось целое  стадо так называемых химизиновых  коров и овец. В их клетки был  добавлен ген, отвечающий за наличие  белка химизина в молоке. Из такого продукта сразу делают сыр, минуя  дорогой этап переработки. Кроме  того, «ксерокопирование» лучших экземпляров  из стада позволит создать своего рода банк самых ценных пород.

Сотни попыток создать  клон обезьяны провалились. Судя по всему, у приматов при делении клонированных  клеток ДНК не передается новым клеткам  должным образом. Некоторые клетки в итоге получают либо слишком  много, либо слишком мало ДНК и оказываются нежизнеспособными. Ученые полагают, что попытки клонировать приматов, в том числе и человека, похоже, пока обречены на провал.

В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления  и относится к отработанной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством  партеногенеза — бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются  из той или иной исходной половой  клетки, будут в генетическом отношении  одинаковыми и могут составить  клон. В нашей стране блестящие  работы по подобному клонированию выполняют  на шелкопряде доведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью  по выработке шелка и славятся на весь мир.

Клонирование ценных трансгенных  животных может быстро и экономично

обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами, содержащимися  в молоке, специально полученных для  этого генно-инженерными методами овец, коз или коров. Клонирование высокопродуктивных домашних животных, в частности молочных коров, может произвести буквально революцию в сельском хозяйстве, так как только этим методом можно создать не отдельные экземпляры, а целые стада элитных коров рекордисток. Это же относится к размножению выдающихся спортивных лошадей, ценных пушных зверей, сохранению редких исчезающих животных в природных популяциях и т.д. Новые технологии, без сомнения, приносят пользу человечеству.

Заключение

Успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания.

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих  проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Интерес к познанию мира живых существ возник на самых ранних стадиях зарождения человечества, отражая практические нужды людей. Для них этот мир был источником средств к существованию, так же как и определенных опасностей для жизни и здоровья.

Список литературы

1. Анисимов А.П.Концепции современного естествознания. Биология. Владивосток.: изд-во ДВГУ, 2000.

2. Бондарев В.П. Концепции современного естествознания. М.: Альфа-М, 2003. — 464 с.

3. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. — 488 с.

4. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания. М.: ТК Велби, изд-во Проспект, 2006. — 264 с. 

5. Найдыш В.М. - Концепции современного естествознания. Учебник. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М., Альфа-М.doc; ИНФРА-М, 2004. - 622 с.

6. Ченцов Ю.С.Введение в клеточную биологию. 4-е изд., перераб. и доп.- М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. - 495 с.

7. Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С. Генетика человека. М.: ВЛАДОС, 2002. — 240 с.