Достижения биологии. Новые открытия в биологии XXI века Где в современном мире используются достижения биологии

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.

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.

1. Конец эпохи антибиотиков

2017 год показал, что эра антибиотиков, длившаяся почти столетие, подошла к концу. Бактерии научились вырабатывать устойчивость к известным препаратам, а на разработку новых нет ни времени, ни достаточных средств. Врачи и ученые рисуют мрачные прогнозы: если ничего не предпринять, микроорганизмы убьют человечество намного раньше, чем изменения климата. Однако эту угрозу все еще не воспринимают всерьез. Причина появления супербактерий — в скорости размножения микроорганизмов и их способности обмениваться генетической информацией. Единственная бактерия, у которой появился ген устойчивости к лекарствам, поделится им с сородичами. Чтобы позволить человечеству выжить, исследователи ищут замену привычным препаратам. Для борьбы с супербактериями предлагают использовать CRISPR, наночастицы и новые, более мощные антибиотики. Разработка этих и других методов возможна только благодаря исследованиям молекулярных механизмов появления устойчивости.

2. Уточнено время появления жизни

Вопрос о том, как появилась жизнь на Земле — один из важнейших в биологии. Точные даты и условия возникновения жизни остаются предметом дискуссий. В ушедшем году исследователи из Австралии изучили горные породы возрастом 3,48 млрд лет и выявили в них следы микроорганизмов. Это значит, что примитивные формы жизни могли появиться еще раньше — около 4 млрд лет назад. Интересно, что изученные горные породы принадлежат к сухопутным отложениям — а значит, колыбелью жизни мог быть не океан, а горячие источники на суше. Также в ушедшем году ученые исследовали молекулярные механизмы, которые сопровождали ранние этапы появления живых организмов. В частности, была поставлена под сомнение популярная гипотеза РНК-мира: согласно новым исследованиям, в возникновении жизни равное участие принимали РНК и белки.

3. Появление нового вида птиц

Обычно эволюция — очень долгий процесс, почти незаметный для человеческого взгляда. На то, чтобы какой-то признак закрепился в популяции, требуются сотни и тысячи лет. Поэтому ученые вынуждены иметь дело со свидетельствами эволюции, запечатленными в окаменелостях и ДНК, а обыватели сомневаются в реальности эволюции. Превращение одних видов в другие случается еще реже, и наблюдать за подобным — настоящая удача, которая проливает свет на многие загадки эволюции. В уходящем году исследователи объявили, что им удалось увидеть рождение нового вида птиц.

Открытие было сделано в культовом для всех биологов месте — на Галапагосских островах, вдохновивших Чарльза Дарвина на создание его теории. Супруги Розмари и Питер Грант, орнитологи из Принстонского университета, сорок лет изучали здесь дарвиновых вьюрков. Во время работы на островке Дафне они обнаружили, что к местным видам вьюрков присоединился пришелец с отдаленного острова Эспаньола, самец вида Geospiza conirostris, получивший прозвище Большая Птица. Из-за отсутствия самок своего вида, он спаривался с местными птицами. Потомки этих союзов настолько отличаются от других вьюрков по песне и внешнему облику, что могут быть признаны новым видом.

4. Эволюция признана бесконечной

В 2017 году отметил юбилей один из самых длительных эксперментов в истории биологии. Исследователи под руководством микробиолога Ричарда Ленски уже 30 лет наблюдают за развитием бактерий кишечной палочки Escherichia coli. За это время успело смениться 67 000 поколений, что соответствует миллиону лет человеческой эволюции. Несмотря на почтенный возраст, эксперимент продолжается и приносит новые открытия. Анализ его результатов, проведенный в прошедшем году, опроверг одну из популярных в современной биологии идей. По мнению многих экспертов, у адаптации есть предел: после того как вид идеально приспособится к стабильной среде обитания, его эволюция остановится. Однако десятилетия наблюдений за микроорганизмами доказали, что эволюция будет продолжаться даже в этом случае, а предела приспособляемости не существует. Это больше соответствует взглядам Чарльза Дарвина, нежели представлениям современных специалистов.

5. Новые признаки кризиса биоразнообразия

Многие исследователи склоняются к тому, что мы живем в эпоху Шестого массового вымирания — крупнейшего со времен исчезновения динозавров 65 млн лет назад. Скорость вымирания видов в настоящее время намного выше, чем когда-либо за последние миллионы лет — процесс уже называют «биологической аннигиляцией», и в нем виноват человек, уничтожающий животных, растения и среду их обитания. Одним из самых тревожных фактов, ставших известными науке в уходящем году, стал результат исследования голландских экологов, которые изучали численность летающих насекомых в Германии. Они обнаружили, что всего за 28 лет она сократилась на 76%, причем для летних месяцев эта цифра достигает 82%.

Ученые по всему миру и раньше подозревали, что насекомых становится меньше, но такая строгая и пугающая оценка дана впервые. Особенно неприятно, что исследование проводилось на территории заповедников, где вмешательство людей в природу ограничено. Авторы обнаружили, что вымирание насекомых нельзя объяснить ни погодными условиями, ни особенностями ландшафта. Возможно, виноваты изменения климата или использование пестицидов. Исчезновение насекомых — очень тревожный сигнал, ведь они служат кормом для многих других видов и являются важными опылителями, без которых погибнут не только дикие растения, но и сельское хозяйство.

6. Ученые научились выборочно стирать воспоминания

Нейробиология развивается быстрее, чем какая-либо другая отрасль биологии. В 2017 году было сделано множество удивительных открытий о том, как работает мозг: ученые выяснили, какое действие на него оказывают смартфоны, открыли в нем систему самоочищения и узнали, что люди, как и ИИ, способны к глубокому обучению. Среди этих новостей трудно выделить главную, но, возможно, таковой следует назвать новый шаг к управлению памятью. Экспериментируя с морским моллюском аплизией — классическим модельным объектом для изучения памяти — ученые научились выключать записанные в нейронах воспоминания. Для этого нужно было блокировать в нужных клетках фермент протеинкиназу М. В будущем исследование может помочь людям, страдающим от болезненных воспоминаний. Особенно эффективным этот прием может быть в борьбе с посттравматическим синдромом.

7. Диета способна вылечить диабет

Распространение диабета приняло характер настоящей эпидемии: по некоторым прогнозам, к середине века от него будут страдать до трети жителей США. Основной прирост составляет диабет 2-го типа, который связывают с излишним весом и неправильным питанием. На ранних стадиях врачи рекомендуют контролировать его с помощью диеты. Однако, как показало исследование ученых из Йельского университета, жесткие ограничения в питании могут даже полностью излечить диабет 2-го типа.

Свидетельства этому появлялись и ранее, но тщательное исследование было проведено впервые. Как оказалось, диета делала печень более восприимчивой к инсулину за счет снижения количества жира и препятствовала выработке глюкозы из других веществ. В эксперименте с грызунами положительные изменения начинались всего через 3 дня после введения ограничений в питании. Эти выводы подтверждаются работой ученых из Университета Глазго. Исследование с участием 300 пациентов показало, что сокращение числа потребляемых в день калорий до 800 на срок от 3 до 5 месяцев может полностью вылечить диабет без лекарств.
8. Разработан эффективный мужской контрацептив

Ученые давно пытались создать эффективный и удобный контрацептив для мужчин, подобный женским противозачаточным таблеткам. Презервативы, распространенное сегодня решение, кажутся многим неудобными и снижающими качество секса, а вазэктомия слишком радикальна. В результате в большинстве пар забота о предохранении ложится на женские плечи, либо используются ненадежные методы типа прерванного полового акта. В 2017 году, похоже, на этом направлении удалось достичь прорыва.

Команда ученых применила для контрацепции гель, который вводится в семявыносящие протоки и блокирует их, в результате чего сперма остается в организме и рассасывается. Двухлетние испытания на макаках показали 100-процентную эффективность препарата, а также отсутствие побочных эффектов вроде воспаления. Действие геля обратимо: «пробки» можно удалить, подействовав на них ультразвуком. Альтернативное решение использует гормоны, как в женских контрацептивах. Гель, содержащий прогестин и тестостерон, необходимо втирать в плечи, в результате чего число сперматозоидов падает до значений, при которых беременность невозможна. Масштабные испытания препарата начнутся в 2018 году. Исследователи надеются, что, в отличие от предыдущих гормональных мужских контрацептивов, их разработка не будет вызывать перепады настроения и другие неприятные последствия.

9. Более совершенные протезы

Создание сложных современных протезов — область, где медицина и биология встречаются с искусственным интеллектом и высокими технологиями. Разработчики искусственных конечностей уже не удовлетворяются созданием удобных и легких протезов, теперь их цель — сделать протезы столь же функциональными и ловкими, как настоящие человеческие руки. В 2017 году ученым и инженерам удалось приблизиться к решению этой задачи. Роборука, созданная сотрудникам Технологического института штата Джорджия, позволяет владельцу двигать каждым пальцем по отдельности. Эта возможность достигается за счет взаимодействия между протезом и мышцами в оставшейся части руки. Внедренный в руку ультразвуковой зонд определяет, какие из них движутся, и с помощью особого алгоритма переводит эту информацию в движения пальцев. Устройство достаточно совершенно, чтобы с его помощью можно было сыграть на пианино.

10. Поиски жизни в космосе

Интерес к космосу в последние годы стабильно растет, и вопрос «Одиноки ли мы во Вселенной?» вспыхнул с новой силой. Каждая пресс-конференция NASA 2017 года сопровождалась ожиданиями, что нам вот-вот объявят о находке внеземной жизни. Увы, в уходящем году этого так и не произошло. Однако ученые усовершенствовали способы поиска признаков жизни в космосе с помощью биомаркеров и разработали новые проекты миссий к потенциально обитаемым мирам, например, спутнику Сатурна Энцеладу.

Одной из главных надежд года стало открытие семи землеподобных планет в системе TRAPPIST-1, из которых шесть находятся в потенциально обитаемой «зоне Златовласки» (позже была обнаружена еще одна, у красного карлика Росс 128). Однако некоторые исследователи считают, что жизнь там невозможна: степень УФ-излучения звезды слишком велика и не оставляет возможности для существования атмосферы и углеродной жизни. Другим разочарованием стало открытие шотландских ученых, которые доказали, что поверхность Марса токсична для бактериальной жизни. Тем не менее, астрономы и биологи считают, что внеземная жизнь будет обнаружена уже через 10-15 лет.

Изучение любого живого объекта так или иначе касается его биологических свойств и взаимодействия с окружающим миром.

Можно сказать, что занятие биологией человек начал, как только стал разумным:

1. Зоология, ботаника, экология. Изучение животного и растительного мира на первых этапах становления человеческого общества как источника пищи, мест обитания и распространения животных и растений.
2. Генетика и селекция. Приручение животных и выведение новых пород, окультуривание растений и получение новых сортов с заданными свойствами.
3. Медицина, ветеринария, биотехнология и бионформатика. Изучение функционирования живых организмов с целью улучшения физиологических показателей. Развитие фармацевтической индустрии и пищевой промышленности.

Биология в современном мире

Как и любая наука, с течением времени биология приобрела более совершенные способы изучения окружающего мира, но не потеряла своего значения как для каждого отдельного человека, так и для общества в целом.

Примеры

Некоторые достижения биологической науки практически не изменились со времен их внедрения в жизнь человека, некоторые претерпели серьезные модификации и вышли на промышленный уровень, а какие-то стали возможными только в XX веке благодаря научно-техническому прогрессу.

1. Дрожжи и молочнокислые – это производство хлеба, напитков, молочных продуктов и пищевкусовых добавок и кормовых добавок для животных.
2. Плесневые грибы и генетически-модифицированные бактерии: лекарственные препараты, лимонная кислота.
3. Нефтеразлагающие бактерии помогают бороться с нефтяными загрязнениями.
4. Простейшие разлагают органические отходы в очистных сооружениях.
5. Гидропоника – выращивание растений без почвы помогает развивать агропромышленный комплекс в местностях, где из-за климата сельское хозяйство затруднено.
6. Очень перспективным выглядит выращивание культур клеток и тканей «в пробирке». Пищевая промышленность получит только съедобные части растений без необходимости дополнительной обработки. Для медицины открываются огромные возможности трансплантации органов и тканей без поиска донора.

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.

2016 год запомнится историческими научными событиями. Бал правят физики и астрономы: они совершили самые обсуждаемые и волнующие общественность открытия, связанные с черными дырами, теорией относительности и иными мирами. Многого добились и биологи, модифицирующие геномы и экспериментирующие на людях.

Третий не лишний

В апреле 2016 года в Мексике появился на свет ребенок, зачатый с участием митохондриальной ДНК третьего человека. Метод «трех родителей» заключается в пересадке ДНК митохондрий от женщины-донора в яйцеклетку матери. Ученые полагают, что это позволяет избежать влияния мутаций со стороны матери, способных вызвать такие заболевания, как диабет или глухота.

Операцию проводил американский хирург Джон Чан (John Zhang). Мексику он выбрал потому, что в США применение этой методики запрещено. Ребенок родился здоровым, никаких негативных последствий у него на настоящий момент не отмечено.

Генная революция

16 ноября журнал Nature сообщил, что китайские ученые впервые модифицировали геном живого человека. Конечно, не весь, а небольшую его часть. Пациенту с метастазирующим раком легких модифицировали T-лимфоциты с помощью технологии CRISPR, отключив ген, кодирующий белок PD-1, который снижает активность иммунных клеток и способствует развитию рака.

По словам исследователей, все прошло успешно, и пациент в ближайшее время получит вторую инъекцию. Кроме того, в испытаниях примут участие еще 10 человек, каждому из которых сделают от двух до четырех инъекций. Все добровольцы будут наблюдаться в течение шести месяцев для проверки, может ли лечение вызвать серьезные побочные эффекты.

По минимуму

В марте в журнале Science ученые сообщили, что им удалось создать бактерию с синтетическим геномом, убрав из него все гены, без которых организм мог обойтись. Для этого использовали микоплазму M. mycoides, чей изначальный геном состоял примерно из 900 генов, которые были классифицированы как необходимые или несущественные. На основе всей доступной информации и с помощью постоянных экспериментальных проверок ученые смогли определить минимальный геном — необходимый набор генов, жизненно необходимых для существования бактерии.

В результате был получен новый штамм бактерий — JCVI-syn3.0 с геномом, сокращенным вдвое по сравнению с предыдущей версией — 531 тысяча спаренных оснований. Он кодирует 438 белков и 35 видов регуляторной РНК — всего 437 генов.

Превратить в яйцо

Еще одно достижение биотехнологий связано со стволовыми клетками, полученными от мышей. Японские ученые из Университета Кюсю в Фукуоке впервые добились их трансформации в яйцеклетки (ооциты). Фактически они получили из стволовых клеток многоклеточный живой организм.

Ооцит относится к клеткам, обладающим тотипотентностью — способностью делиться и превращаться в клетки всех других видов. Ученые подвергли полученные ооциты экстракорпоральному оплодотворению. Клетки затем переносились в тело суррогатных самок, где развивались в здоровых детенышей.

Созданные в лабораторных условиях мыши обладали фертильностью и могли рожать здоровых грызунов. Кроме того, эмбриональные стволовые клетки могли быть повторно воспроизведены из яйцеклеток, полученных в культуре и оплодотворенных в пробирке.

Зика - смертоносное оружие

Комар жёлтолихорадочный

Малоизвестный и впервые выявленный в Уганде в 1947 году вирус Зика перерос в конце прошлого года в международную пандемию, когда быстро распространяющееся с комариными укусами заболевание проникло через границы Латинской Америки. Несмотря на малую симптоматику или полное ее отсутствие, распространение вируса сопровождалось резким всплеском микроцефалии, редкого заболевания у детей, чья характерная особенность заключается в значительном уменьшении размеров черепа и, соответственно, головного мозга. Это открытие заставило исследователей искать связь между Зикой и развитием этих анатомических аномалий. И доказательства не заставили себя долго ждать.

В январе 2016 года вирус Зика нашли в плаценте двух беременных женщин, чьи дети впоследствии родились с микроцефалией. В тот же месяц Зика был обнаружен в мозге у других новорожденных, которые умерли вскоре после рождения. Эксперименты с чашкой Петри, результаты которых были опубликованы в начале марта, рассказали о том, как вирус Зика напрямую атакуют клетки, принимающие участие в развитии мозга, существенно замедляя его рост. В апреле подтвердились опасения, о которых ранее говорили многие ученые: вирус Зика на самом деле вызывает микроцефалию, а также ряд других тяжелых дефектов развития мозга.

К настоящему моменту лекарства от вируса Зика не существует, ведутся клинические испытания вакцины на основе ДНК.

Первые генно-модифицированные люди

CRISPR - это революционный инструмент для генной модификации, обещающий не только излечить все болезни, но и наделить человека улучшенными биологическими способностями. В этом году китайская команда ученых впервые использовала его для лечения пациента, страдавшего агрессивной формой рака легких.

Для его лечения из взятой крови пациента сначала были удалены все иммунные клетки, а затем использован метод CRISPR для «выключения» особого гена, который может использоваться раковыми клетками для еще более быстрого распространения по организму. После этого модифицированные клетки были помещены обратно в организм пациента. Ученые считают, что подвергшиеся редактированию клетки смогут помочь человеку побороть рак, однако всех результатов этого клинического испытания пока не раскрывают.

Независимо от результатов этого конкретного случая, использование метода CRISPR для лечения людей открывает новую главу в персонализированной медицине. Здесь по-прежнему остается множество нерешенных вопросов - в конце концов, CRISPR является новой технологией. Однако становится понятно, что использование технологии, позволяющей модифицировать свой собственный генетический код, уже не является просто очередным примером научной фантастики. И за право обладания этой технологией уже начались настоящие патентные войны.

Самое долгоживущее позвоночное

В конце концов может оказаться так, что секрет долголетия мы узнаем не из крупных мировых научных центров, а от гренландской акулы. Согласно исследованию, опубликованному в этом году в журнале Science, это удивительное глубоководное позвоночное может жить более 400 лет. Радиоуглеродный анализ 28 самок гренландской акулы показал, что эти животные являются самыми долгоживущими позвоночными на нашей планете. Возраст старейших представителей составляет от 272 до 512 лет.

Так в чем же заключается секрет столь невероятного долголетия гренландской акулы? Ученые точно пока не знают, но догадываются, что, вероятнее всего, это связано с тем, что это позвоночное обладает экстремально медленным процессом метаболизма, что приводит к медленному росту и половому созреванию. Еще одним оружием в борьбе со старением у этих акул, по всей видимости, является экстремально низкая температура окружающей среды. Никто не хочет провести пару лет на дне Арктического океана и потом вернуться с отчетом о том, как все прошло?

Мышь пошла

Спинальная травма — одна из самых остро стоящих проблем современной нейронауки. Пока никто не смог полноценно справиться с перебитым спинным мозгом. Однако именно в 2016 году вышло несколько экспериментальных работ, которые показывают, что не всё так плохо. В одной из них важную роль сыграли учёные из Санкт-Петербурга.

Учёные из лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского государственного университета под руководством профессора, доктора медицинских наук Павла Мусиенко разработали технологию нейростимуляции спинного мозга ниже места травмы и опробовали её на крысах.