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.