Биология как наука материал для подготовки к егэ (гиа) по биологии (11 класс) на тему. Метод наблюдения в биологии

⁰

- 33.35 Кб

Достижения биологии в современных вариантах систематики жизни

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.

В силу быстрого технического прогресса и общего эволюционного развития человечества, с каждым годом все больше и больше люди учатся познавать этот мир. Все науки развиваются. Развиваются они благодаря новым открытиям в определенной области. И биология не исключение. Современные открытия в биологии, в частности, открытия 2014 года запомнились нам стремительным прогрессом в изучении флоры и фауны биосферы Земли, а также совершенно новыми техническими изобретениями.

Развитие биологии, как самостоятельной науки о жизни, началось еще в древние времена и продолжается сейчас в нескольких направлениях. В частности если говорить о менее упоминающих открытиях в биологии (это не значит, что они менее значительны), хочется вспомнить следующие:

значительно усовершенствовались технологии и методы определения белковых цепочек. Люди научились определять последовательности в структуре ДНК, а также устанавливать определенные аминокислотные последовательности белков. Такое открытие позволяет ученым практически полностью без всяких трудностей читать генетический код любого живого организма;
ускорилась и улучшилась разработка искусственных органов. Ученые научились выращивать мышцы, ткани печени, волосы и даже работающие клапаны сердца. От дальнейшего развития этих открытий, возможно, зависит множество человеческих жизней.

Открытие новых биологических видов

Практически каждый день в общие мировые базы ДНК добавляются все новые и новые данные о неизвестных до сих пор человечеству видах живых организмов. За период конца 2013-2014 годов удалось собрать данные о многих новых представителях флоры и фауны, мы же тут вспомним лишь некоторые из них.

Олингито

Это хищное млекопитающее по своему внешнему виду напоминает безобидную плюшевую игрушку, поэтому с его открытием образовался настоящий фурор среди любителей зверей. Животное было открыто в августе 2013 года в результате многолетних исследований зоолога из США Кристофера Хелджена.

Дерево дракона Кавесака

Как отдельный биологический вид это дерево было идентифицировано лишь в прошлом году. Почему этот яркий представитель флоры Таиланда долгие годы оставался незамеченным до сих пор остается загадкой. Тем не менее, вид был обнаружен недавно, поэтому относится к современным открытиям в биологии.

Микроб стерильных помещений

Официальное биологическое название на латыни этого вида организмов –Tersicoccus phoenicis. Микроб был обнаружен в середине 2014 года в абсолютно стерильных помещениях, где располагаются космические аппараты. В силу этих обстоятельств, многие ученые опасаются, что Tersicoccus phoenicis мог даже загрязнить Марс, попав на соседнюю планету вместе с марсоходами. Tersicoccus phoenicis – яркое доказательство того, в каких невероятно сложных условиях может существовать жизнь.

Эксперименты над своим телом. Безумие или жертва ради науки?

На страницах всемирной паутины с середины 2012 года начала появляться информация об открытии нового гормона. Вскоре стало известно, что этот гормон – иризин, который выделяется мышцами человека при сильной физической нагрузке. Действие этого гормона, как показало исследование, определяется на жировую ткань, где обычный «белый» жир, который служит источником энергии, превращается в «бурый», который выделяет энергию в виде тепла. Такое превращение липидов в организме, как утверждали многие ученые, имеет массу положительных эффектов для здоровья человека.

В начале 2014 года гарвардский биолог Брюс Спигельман решил провести испытание иризина на себе, доказав в такой способ положительные эффекты гормона на физическое состояние человека. Однако ученый неправильно рассчитал дозу и ввел в свое тело слишком большое количество гормона. Вскоре, весь жир в его организме превратился в «бурый». В результате ошибки, тело Спигельмана начало выделять столько тепла, что его пришлось помещать в специальную камеру с жидким азотом для уменьшения температуры тела. Дальнейшими исследованиями он руководит оттуда. Но положительный эффект гормона в правильных дозах он все-таки доказал. По заключению врачей, Брюс Спигельман – самый здоровый человек в мире. Его поступок был описан во многих иностранных и русских статьях под заголовком «Современные открытия в биологии».

Ученые нашли новый вид млекопитающего — Олингито — видео

Биология — одна из самых бурно развивающихся наук и в этой области в минувшем году произошло немало крайне интересных событий. Обозреватель интернет-журнала "Хайтек" Сергей Коленов выбрал 10 главных открытий 2017 года в области биологии и медицины, которые в существенной мере повлияют на наше будущее.

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.

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 и т.д.................

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:

Зоология, ботаника, экология. Изучение животного и растительного мира на первых этапах становления человеческого общества как источника пищи, мест обитания и распространения животных и растений.
Генетика и селекция. Приручение животных и выведение новых пород, окультуривание растений и получение новых сортов с заданными свойствами.
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.

Дрожжи и молочнокислые – это производство хлеба, напитков, молочных продуктов и пищевкусовых добавок и кормовых добавок для животных.
Плесневые грибы и генетически-модифицированные бактерии: лекарственные препараты, лимонная кислота.
Нефтеразлагающие бактерии помогают бороться с нефтяными загрязнениями.
Простейшие разлагают органические отходы в очистных сооружениях.
Гидропоника – выращивание растений без почвы помогает развивать агропромышленный комплекс в местностях, где из-за климата сельское хозяйство затруднено.
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.