|
Реферат: Биотехнологии в освоении Мирового океана (Биология)
1. Использование природных аналогов в объектах проектной культуры.
1.1. Бионика. Биоморфология. Биомеханика.
Изучение законов природы привело к пониманию биологических (природных)
объектов как эталонов высокой степени целостных, интегрированных систем.
Опора на биологические прототипы и законы их функционирования в настоящее
время признается одним из направлений научно-технического прогресса.
Изучение закономерности формообразования организмов для построения по
их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области
бионики [новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст. Появление этой
науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии,
космической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум в Дайтоне (США)
в сентябре 1960г. дал название новой науке – бионика (от греческих слов –
bios – жизнь и bion – элемент жизни). Лозунг симпозиума: «Живые прототипы –
ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики на
многие годы.] В действительности принципы построения биоформ, биоструктур,
биофункций с целью их использования при создании технических систем или
архитектурных объектов исследует не одна, а несколько биофизических наук.
Строение форм организмов и генезис естественного формообразования
рассматривает биоморфология.
Работа природных конструкций и конструктивные свойства органических
материалов изучает биомеханика.
Закономерности внутреннего функционирования живых систем анализирует
бионика.
Понятие и термин «морфология» введены в научный оборот И.В. Гете.
Буквально «морфология» значит «наука о форме».
Из родственных морфологии наук ближе всех стоят к ней семиотика и
физиология.
В биологических исследованиях морфологический подход объединен с
физиологическим в соответствии с объективным единством формы, структуры и
функции организма.
Биоморфология, изучающая форму с точки зрения биологии, в настоящее
время развивается как описательная наука. Е.Н. Лазарев предложил включить
три науки – бионику, биоморфологию и биомеханику на основании общности
объектов и родственного характера задач в биономику – науку о системном
изучении принципов структурно-функциональной организации живого с целью
использования этих принципов в созидательной практике человека.
Итак, изучение биоморфологических, биомеханических и бионических
закономерностей позволит при инженерно-дизайнерской разработке
использовать:
- способы построения природных объектов;
- способы функционирования природных объектов (плавание, летание и
др.);
- внутриорганизменные процессы для создания разнообразных предметно-
технических систем, осуществляющих функции перемещения и
переработки вещества, энергии и информации, а также эстетически
воспринять и освоить многообразные биологические формы и структуры.
1.2. Биодизайн. Предмет и объект биодизайна.
Биодизайн – это течение в дизайне, метод оптимального проектирования
биотехнических систем и элементов, обладающих антропоцентрической
направленностью, выраженной в их эстетическом совершенстве.
Зародился биодизайн в рамках традиционного дизайна, в период
интенсивного бионического проектирования, когда стали появляться работы, в
той или иной мере опирающиеся на биологические формы и структуры.
Предмет биодизайна – проектирование аспекта биотехнических систем.
Объект – биоподобные технические устройства – «механоорганизмы».
Сфера объектов биодизайна определяется характером главных направлений
в технической бионике и зависит от видов проектируемых структур и функций,
от видов создаваемых «механоорганизмов» (схема 1).
1.3. Творчество Л. Колани.
В настоящее время известны отдельные дизайн-концепции и разработки на
основе изучения особенностей формообразования объектов природы.
Яркий пример освоения природных аналогов – творчество самого
экстравагантного и необычного из дизайнеров итальянца Луиджи Колани
(родился в 1928 году в Берлине). Его смелые эксперименты с формой предметов
в том числе и автомобилей, многими воспринимается как сумасшествие. Он
считает, что пластика природных объектов делает возможными взаимосвязи
разнохарактерных изделий друг с другом, с окружающей средой, образуя при
этом единый предметно-пространственный комплекс. Колани увлекают занятия по
аэродинамике. Его эскизы транспортных средств строго подчинены
аэродинамическим законам, перетекающие друг в друга плавные объемы выглядят
очень непривычно для современников (ил. 1). Образцом оптимальных, с точки
зрения, аэродинамики моделей служат обтекаемые тела морских млекопитающих,
о чем свидетельствуют его эскизы – тщательные зарисовки пластических и
гидродинамических особенностей тел обитателей водной среды – дельфинов-
касаток, зубатых китов и др. (ил. 2).
Для определения этого стиля Колани вводит в обиход термин «биодизайн».
В этой новой концепции дизайна Колани реализует самые различные предмета
быта, одежды, спортивного инвентаря и много другого.
2. Влияние природной морфологии на формообразование подводных
транспортных средств.
Эту работу я хочу посвятить рассмотрению подводных транспортных
средств, преднамеренно выделив их среди других объектов дизайна, так как
такая наука как биоморфология получила здесь наиболее широкое применений.
Это выражается в 100% зависимости формы и конструкции подводных
транспортных средств от морфологии водных животных (не исключая и
использование принципов формообразования представителей флоры и фауны).
Без применения этих знаний в технике невозможно создание и
плодотворное функционирование аппаратов в гидросфере. Но прежде, чем
перейти к более детальному и конкретному рассмотрению влияния отдельных
организмов на формообразование тех или иных аппаратов, аргументируем
актуальность развития подводных транспортных средств, их значение для
будущего и проанализируем состояние и строение водной среды как
необходимого фона и сумы факторов, влияющих на жизнедеятельность
организмов.
2.1. Проблематика развития подводных транспортных средств и их
значение для будущего.
Освоение человечеством Мирового океана велось еще с незапамятных
времен, но к сожалению, процесс познания имел своей единственной целью
добиться военного превосходства над ближним. Поэтому история появления и
развития подводных транспортных средств связана со становлением сил
специальных операций на море. Долгое время подводные транспортные средства
(в дальнейшем подводные средства движения) не представляли особого интереса
для дизайнера, так как в процессе их разработки и создания конструкторами
не рассматривалась эстетическая сторона вопроса – развитие первых подводных
лодок шло по пути увеличения тактических и эксплуатационных характеристик.
Они должны были устрашать врага своей громоздкостью, сверхмощностью
подводного оружия.
Сегодня, когда развитие техники достигло больших высот, перед
человеком открылся сказочный мир возможностей в области исследования
морских глубин:
- поисковые и спасательные работы;
- подъем затонувших объектов аэросферы;
- разведка океанского дна на нефть и другие ископаемые;
- океанографические исследования;
- морская археология;
- подводное строительство;
- экопроекты;
- и самое увлекательное – подводные прогулки любителей подводного
спорта – дайвинга, подводная фото- и видеосъемка.
Для обеспечения выполнения этих задач необходимо иметь в наличии
подводные транспортные средства «гражданского» назначения. Здесь и
открывается неограниченное поле деятельности для дизайнеров.
И кто знает, может в недалеком будущем человек выберет гидросферу, на
данный момент несколько чуждую и неизведанную область земли –
terra incognita – своим местом постоянного проживания. Первые шаги
уже сделаны. Еще в 60-е годы испытывались довольно успешно конструкции
подводных домов (подводная лаборатория «Силаб-2», подводные лаборатории
Ж. Кусто «Преконтинент-І», «Преконтинент-ІI», «Преконтинент-ІII»);
строительство подводного тоннеля под Ла Маншем.
Особого упоминания заслуживает высказывание замечательного
французского ученого, давнего энтузиаста идеи «заселения» морских глубин –
Жака-Ива Кусто. «Рано или поздно, - говорит Кусто, - человечество
поселится на дне моря. Наш опыт – начало большого вторжения» Эти слова,
сказанные много лет назад, оказались пророческими. Все больший размах
приобретают исследования морских глубин во многих странах, все больше
специалистов и научных коллективов вовлекаются в это дерзновенное
предприятие.
И если принесет успех попытка Ж. Кусто создать возможность все время
жить в глубине океана, путем отказа от акваланга вообще и получения
кислорода через специальный аппарат типа «жабер», хирургическим путем
подключенный к кровеносному руслу, насыщающий кровь человека кислородом,
минуя ненужные при этом легкие, то в скором времени эпизоды фантастических
фильмов станут реальностью – перед нами откроется чудесный мир морского
царства, где человек и обитатели подводных глубин будут сосуществовать в
гармонии, не нанося вреда друг другу. Очень хочется в это верить
Сейчас, по мере возможности, нужно делать все, чтобы наше
технократическое начало не подавляло духовное (это может быть масса
экопроектов, направленных на оказание помощи себе и окружающим нас
организмам – избавление от удушающих смогов промышленных предприятий, от
громадных свалок мусора, путем его переработки, который, если мы не
опомнимся, будет составлять единственную достопримечательность нашей
планеты; от вредных стоков, которые убивают все живое, от захоронений в
Мировом океане вредных отходов. Будем стремиться направлять технику
настоящего и будущего в доброе, позитивное русло.
2.2. Анализ особенностей водной среды, ее влияния на формообразование
организмов.
Анализ системы средовых условий позволяет уменьшить число факторов,
влияющих на формо- и структурообразование природных объектов, исключить
малоэффективные или случайные факторы, а также позволяет выявит средства и
приемы, которыми «пользуется» природа для формообразования организмов,
наилучшим образом отражающих влияние факторов сред обитания. Именно эти
приемы и средства возможно реализовать в искусственном объекте.
Итак, вода является средой, по существу, для всех химических
процессов, происходящих в биосфере. Содержание воды в тканях организмов
примерно в 5 раз больше, чем во все реках земного шара.
Особенности водной массы: огромный объем, перемешиваемость,
теплоемкость, идеальная способность растворять самые различные химические
соединения, наличие солей (25 минеральных солей), насыщенность жизнью,
химическими и биологическими процессами, остатками и продуктами
жизнедеятельности живых организмов.
В воде содержится строго ограниченное количество кислорода,
необходимого животным для дыхания. Этого кислорода достаточно лишь для
химических преобразований, сопутствующих росту, и для движения животных в
поисках пищи. На любой глубине морским организмам нужно меньше энергии,
чтобы жить и двигаться, чем представителям живой фауны. Плотность морских
животных и растений очень близка к плотности воды, в которой они живут.
Лишь редкие живые организмы обитают на поверхности: гораздо удобнее жить в
среде, которая, поддерживая животное, избавляет его от необходимости делать
постоянные усилия для того, чтобы не всплыть и не затонуть. Только у очень
немногих обитателей водной среды плотность тела точно соответствует
плотности воды. Существуют, однако, различные способы, при помощи которых
таким животным удается регулировать свою плавучесть так, чтобы без особых
усилий оставаться в воде во взвешенном состоянии.
Кроме поваренной соли морская вода содержит также целый ряд других
химических соединений.
В воде растения (как и на суше) служат основой для всех других форм
жизни, поэтому крайне необходимо, чтобы в поверхностных слоях воды, где
сосредоточена водная растительность, имелся постоянный запас нитратов,
фосфатов, кальция и кремния. Все процессы и явления в водной среде
взаимосвязаны и взаимообусловлены.
Одним из фундаментальных принципов, которому подчиняется
формообразующий процесс, является симметрия. Симметрия порождающей среды
как бы накладывается на симметрию тела, образующегося в этой среде.
Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей
собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами
симметрии среды.
Заменим организмы упрощенной статичной моделью и спроецируем на нее
воздействие факторов водной среды. Изотропность, как один из этих факторов
обеспечит этой модели форму шара, а три взаимно перпендикулярные плоскости
симметрии придадут шару форму овалоида, или трехосного эллипсоида. Такова
форма морской гальки – окатанных волнами камней.
2.3. Анализ особенностей формообразования водных организмов и
отражение этих особенностей в подводных средствах движения.
Еще совсем недавно человек с завистью смотрел на птиц, которые с
легкостью покрывают большие расстояния.
Но человек не напрасно носит свое громкое имя. Он научился летать
быстрее и дальше птиц.
Значительно хуже обстоят дела с подводным плаванием. Здесь созданные
человеком устройства уступают водным животным, как по абсолютной скорости,
так и по экономичности.
Приведем некоторые данные по скорости плавания: дельфин – 15-18 м/с;
тунец – 25 м/с; рыба-меч – 35 м/с. Самая современная подводная лодка
с мощностью атомных двигателей в десятки тысяч киловатт развивает скорость
лишь 15-16 м/с
В последнее время проблема резкого повышения скорости хода подводных
тел и связанная с ней чрезвычайно трудная проблема существенного снижения
гидродинамического сопротивления этих тел приобрела особое значение. Для
разработки указанных проблем ученые и инженеры, кроме привлечения обычных
методов, все чаще начали обращаться к изучению биологии живых существ,
обитающих в водной среде, особенно к раскрытию и использованию законов их
движения.
В бассейне Мирового океана, который включает в себя все соленые воды
океанов и морей, и пресные воды озер и рек, содержится бесчисленное
множество разнообразных водных животных, таких как рыбы, китообразные,
головоногие моллюски. Они находятся в воде всю жизнь, совершают длительные
океанские переходы по несколько тысяч миль и являются настоящим
проводниками. В процессе естественноисторического развития в течение
десятков миллионов лет у этих животных вырабатывались свои особые
приспособительные функции и органы для подводного движения и преодоления
гидродинамического сопротивления воды. В определенном смысле названных
подводных обитателей можно рассматривать как объекты «природной
гидродинамической лаборатории».
Поскольку вода в 800 раз плотнее воздуха, у движущегося в воде
организма всякий выступ, всякая неровность на теле создают сопротивление
еще более ощутимое, чем у птицы в воздухе. Поэтому у быстро плавающих
организмов – рыб: тунца, скумбрии, марлина и других – тела удивительно
обтекаемой формы, спереди заостренные, быстро утолщающиеся до максимального
диаметра и затем изящно сужающиеся к двухпластному симметрическому
хвостовому плавнику. Обращает на себя внимание то, что как показал наш
анализ, у тунцов профиль приближается к ламинаризованному даже при малом
относительном удлинении тела (без хвостового плавника – около 3,6, т.е. со
значительной толщиной 28%) (ил. 3). Есть основания полагать, что два ряда
дополнительных малых плавников за миделевым сечением тунца образуют
гидродинамическую решетку, предназначенную для управления потоком в
диффузорной части, где он поступает на мощный хвостовой плавник.
Строители современных подводных лодок в полной мере оценили весьма
совершенные обводы водных животных и стали копировать их форму, создавая
свои аппараты.
Американская фирма «Лорал Электроникс» в 70-х годах выпустила
одноместную автономную лодку Т-14. Профиль лодки близко контуру
обыкновенного тунца. Ее размеры относительно невелики: длина 2м 90см,
ширина наибольшая, включая стабилизаторы, 1м 20см. (Для сравнения,
максимальная длина обыкновенного тунца составляет 4 м). Корпус лодки сделан
из алюминие-магниевого сплава, а прозрачный фонарь в носовой части – из
плексигласа.
По скоростным характеристикам Т-14 намного отстает от тунца:
скорость лодки Т-14 – 2м/с
скорость обыкновенного тунца – 30м/с.
(Но с данной скоростью обыкновенный тунец может плавать непродолжительное
время).
Лодка проходит под водой 12 км (запас в электроэнергии в
аккумуляторной батарее обеспечивает работу электродвигателя и других
устройств (фара, кинокамера) в течение примерно 2 часа).
Управление маневрами осуществляется с помощью расположенных в корме
вертикального и двух горизонтальных рулей им двух наклонных стабилизаторов.
Стабилизаторы имеют наклон в 45( к горизонту и примерно 30( в корму и
установлены на амортизаторах, отводящих их назад, оберегая тем самым при
столкновениях с препятствиями. Рулевая система обеспечивает лодке высокую
маневренность, причем маневры могут выполняться сравнительно на небольшом
пространстве.
На лодке Т-14 установлена стационарная дыхательная система,
обеспечивающая легко водолазу нормальное дыхание в течение 2,5–3 часов, а
также дополнительное оборудование, в которое входят комплект приборов, фара
и кинокамера.
Лодка создана была в первую очередь для военных (рассчитана на
буксировку груза весом до 500 кг).
Не хочется оставить без внимания интересную разработку инженеров
Массачусетского технологического института. Изучив, как плавают рыбы, они
создали робот, имитирующий движения тунца. Его окрестили Чарли.
– Подобно живому тунцу из породы «голубой плавник», Чарли движется,
изгибая позвоночный столб и создавая импульсы, доходящие до хвоста, –
объясняет механизм плавания робота инженер Дэвид Баррет. – Движения Чарли
обеспечивают 6 маленьких электромоторов, которые передают крутящий момент
спинному хребту через сухожилья. Этот проект очень важен для
кибернетического переосмысления функций живых организмов. Попытка
разобраться в волновом движении рыб приведет к созданию новых, более
совершенных движителей подводных судов, что кардинальным образом отразится
на их форме. Дизайнеру же предстоит задача – довести их до эстетического
совершенства. А теперь окунемся немного в историю. Немалый интерес
представляют подводные аппараты Джевецкого и подводная лодка Вадингтона.
Начиная с 1876 года российским изобретателем Джевецким были
разработаны и испытаны две лодки, которые можно отнести к рассматриваемому
нами классу подводных средств движения.
Корпус первой лодки имел чечевицеобразную форму и был изготовлен из
металла. Такая форма ПЛ обеспечивала достаточную управляемость, скорость и
хорошую устойчивость.
В корпусе лодки на уровне плеч человека были сделаны специальные
отверстия, закрывающиеся изнутри, снаружи к этим отверстиям были
прикреплены резиновые перчатки, которые позволяли человеку отсоединять
расположенный на внешней поверхности груз (мину), выполнять несложные
манипуляции.
В движение лодка приводилась гребным винтом с велосипедным приводом,
который позволял лодке достигать требуемой скорости.
Не меньший интерес представляет и вторая лодка Джевецкого. В Ее форме
максимально отражена морфология рыб. Экипаж лодки состоял из четырех
человек, сидящих спиной к спине по двое. Головы экипажа находились в
круглом куполе, снабженном иллюминаторами с толстыми стенками. В передней
части рулевой башни находилась оптическая труба с призмами и
увеличительными стеклами в ее нижней части (этот прибор, предшественник
перископа, позволял рулевому ориентироваться под водой).
Подводная лодка Вадингтона.
Вадингтон – английский изобретатель – построил подводную лодку
«Porpoise» в Сикомбле близ Ливерпуля в 1886 году. Корпус рыбообразной формы
был 37 футов длиной и 6,5 футов в диаметре в самой широкой части. Построена
она была из тонких стальных листов на прочном стальном наборе. Для своего
времени это была одна из наиболее «практично разработанных» подводных лодок
(ил. ___).
Рыбы достаточно хорошо уравновешены. Большинство рыб имеет плавучесть,
близкую к нейтральной. Встречаются рыбы с отрицательной плавучестью, что
связано с образом их жизни. Для придания нейтральной плавучести рыбы
располагают приспособлениями гидростатического и гидродинамического
действия (плавательный пузырь, парные грудные плавники).
Плавательный пузырь представляет собой мешок, расположенный между
позвоночником и кишкой. Плавательные пузыри бывают двух типов:
1. Открытый плавательный пузырь (например, у золотой рыбки,
сельдевых). Он соединен протоком с глоткой, так что воздух может поступать
в пузырь или удаляться из него через рот.
2. Закрытый плавательный пузырь (например, у трески). Такой пузырь
полностью утратил связь с глоткой. Рыба способна уравнивать плотность тела
с плотностью окружающей воды и сохранять нейтральную плавучесть путем
автоматического или уменьшения количества газа в пузыре (ил. ___).
Принцип использования «открытого плавательного пузыря» можно наблюдать
у одноместной лодки (проницаемой), созданной на базе носителя «Пегас».
Отличительной особенностью описываемой лодки является эластичные
емкости всплытия, расположенные по бокам корпуса. При плавании под водой
емкости сложены вдоль бортов, когда же лодке необходимо придать
дополнительную плавучесть для плавания на поверхности, они надуваются
сжатым воздухом из специального баллона, расположенного внутри лодки вдоль
корпуса носителя.
Может быть принцип работы эластичных емкостей был почерпнут в ходе
наблюдения за морскими пузанами (иглобрюхи). В ответ на раздражение они
раздуваются, заглатывая воздух в желудок и отходящий от него воздушный
мешок и становятся раза в три больше обычного.
Не меньший интерес для конструкторов подводных средств движения
представляют китообразные (включая дельфинов). Характерной особенностью
всей группы китообразных является отсутствие брюшных плавников, функция
которых у рыб в основном сводится к выполнению роли горизонтальных и
вертикальных рулей. Совершенно справедливо отмечает В.А. Земский (1960г.),
что исчезновение брюшных плавников у китов связано с образованием
горизонтально поставленного хвостового плавника. Вертикальные колебания
хвостовой лопасти создают силы, вращающие тело в вертикальной плоскости, а
уплотненный латерально хвостовой стебель выполняет функции вертикального
руля. Такой тип движителя принято называть машущим крылом. Далее мы
рассмотрим его применение уже в подводной лодке.
Подводные лодки, приводящиеся в движение пульсацией плавников, должны
открыть дверь в будущее новых возможностей субмарин (ил. ___). Кристиан
Бутнер задумал совершить однодневную экспедицию под льдами Северного
Ледовитого океана. Свой принцип гибкого проталкивания он построил на
способности туловища рыб, благодаря своей упругости и гибкости, уменьшать
гидродинамическое сопротивление на 60%, таким образом революционизировав
конструкцию субмарин. Бутнер снимает для субмарины с экипажем ценные
параметры и качества с «Robotunas» - искусственной модели рыбы, которая
подала идеи для вычисления движения группе ученых МИТ (Массачусетс). Она
придумала движительный элемент – гибкий плавник (горизонтально
поставленный, как у китообразных).
Как и у рыбы, этот плавник составляет примерно третью часть всей длины
субмарины и представляет собой сандвич, образованный резиновой прослойкой и
стекловолокном с искусственными мускулами – «Гибкость мускулов» (перевод с
французского Хоменко М.).
Идея плавника в роли движителя отнюдь не нова, но ее никогда до конца
не разрабатывали. Тот же основной принцип заложен в ласты, но пловцы
пользуются ими недостаточно умело. Много лет назад Манфред Карри предложил
лодку с плавниковым движителем. Разновидность такой лодки служила
австралийским коммандос в Бирме во время Второй мировой войны. При
колебаниях с частотой, совпадающей с нормальным ритмом дыхания, плавник
обеспечивает плавное устойчивое движение (ил. ___).
Один из возможных вариантов гибкого плавника представлен на ил. ____.
Движитель смонтирован на обычных баллонах емкостью 70 фт3. Ребро атаки
плавника движется из стороны в сторону с помощью пары мехов, где газ
расходует свою энергию. Меха заключены во вспомогательный баллон – рабочий
резервуар.
Суммарный объем двух мехов превышает максимальный объем вдоха пловца.
Полный ход плавника окажется функцией объема газа, поглощаемого за один
вдох, а скорость движения плавника будет равна ритму дыхания пловца. Таким
образом, скорость определяется установившимся режимом дыхания.
Собственно плавник может быть выполнен из двух слоев прорезиненной
ткани, прошитых по краям.
Располагая плавниковым движителем, пловец может возложить на него всю
работу и дать себе передышку либо увеличить скорость, работая ластами.
Но вернемся к китообразным. Среди ряда биологических видов дельфинов
и китов встречаются различные по гидродинамическим качествам. Одним из
хорошо обтекаемых и высокоскоростных видов является китовидный дельфин.
Анализ формы его тела показал, что контуры исследованного экземпляра в
вертикальной и горизонтальной проекциях близки к известным аэродинамическим
профилям (ил. ). «Ах, если бы прямо в небо, да из морских глубин!» В 70-
х годах американский изобретатель Д. Рейд попытался в реальности
осуществить мечту жуль-верновского персонажа Робура – создать машину,
способную не только плавать в воде и подводой, но и взмывать в небо. 9 июля
1964 года аппарат Д. Рейда (ил. ) на глазах у многочисленной публики
опустился на воду и, погрузившись на глубину 4 м, прошел около 4
миль со средней скоростью 7,5 км/ч. Затем, избавившись от водного балласта,
всплыл, стал на поплавки и взмыл в небо со скоростью 100 км/ч. Однако и
подобные показатели не устроили военных экспертов.
«Все это хорошо разве что для спортивных аппаратов», – заключили они и
отказались финансировать дальнейшие работы.
Реферат на тему: Биотехнология
РЕФЕРАТ
Текст наукової роботи – 23 ст., 8 джерел.
Об’єктом дослідження у даній роботі є провідні напрямки
біотехнології, їхній розвиток та перспективи розвитку у майбутньому.
Мета: Розглянувши різні напрямки біотехнології – їхню історію, а
також найсучасніші дослідження, з’ясувати які з них є найбільш
перспективними. Дослідити роль біотехнології в житті суспільства.
У ході дослідження реалізовані такі завдання:
. систематизовано напрямки біотехнології;
. з’ясовано перспективні галузі біотехнології;
. визначена роль біотехнології в житті суспільства.
Методи дослідження: систематизація та аналіз.
Практичне значення: дана робота може бути використана як додатковий
матеріал при вивченні у школах на уроках біології тем присвячених
біотехнології.
Зміст вміщує в собі – вступ, 2 розділи, висновки, список використаної
літератури.
1 ВСТУП
Біотехнологія – це сукупність промислових методів, які застосовують
для виробництва різних речовин із використанням живих організмів,
біологічних процесів чи явищ. Сам термін “біотехнологія” з’явився в 70-их
роках XX ст. (біос – життя, технос – мистецтво, майстерність, логос –
слово, вчення) хоча біотехнологічні принципи людина розробила уже давно –
використання життєдіяльності мікроорганізмів для випікання хліба,
виготовлення сиру та інших молочних продуктів, виноробства, пивоварення.
Зараз технологія біологічних процесів набирає в сучасному світі
винятково велике значення. Взаємодія молекулярної біології, генетики,
генної інженерії, біохімії і мікробіології, хімії і хімічної технології в
області проблем біотехнології веде до створення нових біологічних агентів,
вдосконалення керування біосинтезу тощо.
Біотехнологію умовно поділяють на два розділи :
1) традиційна (куди входить технологічна мікробіологія, а також
технічна, біохімічна та інженерна ензимологія);
2) нова (куди входять генетична та клітинна інженерія).
2 ПЕРСПЕКТИВНІ НАПРЯМКИ ТРАДИЦІЙНОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ
2.1 Ферментація в біотехнології
Традиційна біотехнологія заснована на ферментації. За останні 30
років виник ряд нових виробництв, що базуються на використанні різних
міцеліальних грибів, дріжджів, бактерій, рідше водоростей. За допомогою
мікроорганізмів отримують такі лікарські препарати як кортизон,
гідрокортизон і деякі інші, які відносяться до групи стероїдів.
Мікроорганізми використовують для отримання деяких нуклеотидів і
цитохромів. Вони є продуцентами вітамінів В2 і В12, які використовують для
синтезу бета-каротину. Широко використовують полісахариди, отримані в
значній кількості завдяки ряду мікроорганізмів. Їх застосовують в медицині,
наприклад, як замінник плазми крові – декстран, в харчовій, текстильній,
парфумерній промисловості і для збільшення добутку нафти. Розширюється
можливість масового виробництва на застосуванні вірусних та бактеріальних
препаратів для профілактики захворювань сільськогосподарських тварин.
Також мікроорганізми використовують в хлібопеченні, для отримання
оцту, молочнокислих продуктів, етанолу, гліцерину, ацетону, бутанолу та
ряду органічних кислот.
Одним з найбільш перспективних напрямків традиційної біотехнології є
використання мікроорганізмів як один з засобів захисту рослин від
шкідників.
2.2 Засоби захисту рослин
Розвиток цього напрямку зумовлюється багатьма вадами пестицидів та
інших засобів захисту рослин.
По-перше, абсолютна більшість пестицидів є сильними біологічними
активними речовинами і негативно впливають на рослини. Це може виразитись в
погіршенні росту, розвитку і загального стану рослини.
По-друге, дуже часте використання пестицидів може знищити всю
мікрофлору, в першу корисну, так як вона є дуже чутливою до пестицидів. Цим
порушуються нормальні мікробіологічні процеси в грунті, в тому числі
симбіотичні і асоціативні, що часто призводить до зниження супротивлення
рослин шкідникам, хворобам, бур’янам. Це може проявитись і в період
зберігання врожаю, коли відбувається зміна мікрофлори поля на мікрофлору
сховища. Приклад – збільшення псування картоплі збуджувачами м’якої гнилі,
внаслідок багаторазових опрацювань пестицидами проти колорадського жука і
фіофтори, особливо на фоні надлишку органічних і азотних добрив.
По-третє, невміле використання пестицидів може сприяти появі нових
стійких форм організмів-шкідників.
В ситуації, що склалась в сільському господарстві одним з виходів є
заміна пестицидів на мікроорганізми (бактерії, актиноміцети, гриби), живі
організми (хижаки і паразити шкідників і збуджувачів хвороб), або продукти
їхньої життєдіяльності.
Для цієї заміни зроблено чимало.
Вже зараз отримані препарати мікроорганізмів, відібрані комахи-
хижаки, кліщі та нематоди, паразитичні організми різного рівню організації.
Опрацьовані методи вирощування таких тварин і мікроорганізмів і їх
застосування в полі і закритому грунті. Препарати для боротьби з фітофагами
надходять в продаж з інструкцією по використанню.
Набагато важче склались справи з біозахистом рослин від хвороб. Не
дивлячись на багаточисленні розробки біопрепаратів для захисту рослин від
хвороб поки тільки деякі з них рекомендовані для використання.
Це перш за все антибіотики, які мають деякі переваги в порівнянні з
фунгицидами: вони в основному добре розчиняються в воді, досить стійкі до
навколишнього середовища, досить легко проникають в тканини рослини. Ці
їхні ознаки дозволяють використовувати їх для придушення збуджувачів
хвороби. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів:
гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних
антибіотиків. В деяких країнах дозволено використовувати антибіотики
медицинського призначення або синтезовані для захисту рослин в чистому
вигляді або в суміші з фунгицидами.
Деякі зарубіжні фірми вже випускають препарати антибіотиків
спеціально для захисту рослин: бластоцидин, касугиміцин, поліоксин,
валідаміцин та інші. В нашій країні найбільш поширенішими антибіотиками є
трихотецин, фітобактеріоміцин і фітолавін-100.
Антибіотики є продуктами біотехнології, але все-таки їх важко визнати
засобами біометоду захисту рослин. Принципово вони не відрізняються від
звичайних фунгицидів і бактеріоцидів хімічної природи, крім того що вони є
продуктами життєдіяльності мікроорганізмів. Це звичайні органічні
з’єднання, але синтезовані не в хімічному реакторі, а живою клітиною.
Антибіотики володіють всіма перевагами та вадами хімічних пестицидів:
1. Антибіотики активні не тільки проти патогенів, але й проти всієї
мікрофлори рослини.
2. Антибіотики токсичні для теплокровних тварин, в тому числі й для
людини і погано впливають на рослину. Виняток складають, наприклад,
антибіотики пеницилінового ряду, які порушують синтез клітинної стінки
бактерій.
3. Застосування антибіотиків призводить до відбору мікроорганізмів, в
тому числі й патогенів, стійких до їх дії. Цей фактор робить нереальним
застосування більшості антибіотиків в сільському господарстві.
4. Вартість препаратів, виготовлених на основі антибіотиків, вища
вартості препаратів хімічної природи.
Зважаючи на ці фактори, можна сказати, що застосування антибіотиків
для захисту рослин від хвороб не має перспективи, якщо тільки не будуть
знайдені високоспецифічні сполуки, які б вибірково знищували патогени, при
цьому не завдаючи шкоди рослинам, тваринам і корисним мікроорганізмам.
Щоб уникнути негативних наслідків застосування антибіотиків були
зроблені спроби використовувати мікроорганізми продуценти антибіотиків.
Антагонізм характерний для більшості мікроорганізмів, що знаходяться на
всіх частинах рослин і всередині тканин рослин. Особливо сильний антагонізм
проявляється серед грунтових мікроорганізмів, де мікрофлора дуже
різноманітна і густота мікробного населення дуже висока. Властивість
антагонізму привернула увагу мікробіологів, що працюють в області медицини
фітопатології рослин, харчової промисловості. За останні 40 років
дослідниками-мікробіологами зроблена величезна робота по виявленню
антагоністів, вивченню їхньої біології, взаємовідносин з патогенами та
іншими мікроорганізмами, відношенню до рослин і тварин. В результаті серед
грибів, бактерій і більшості актиноміцетів виявлені антагоністи практично
до всіх патогенних грибів, бактерій, актиноміцетів і навіть мікоплазма.
Знайдені віруси фітопатогенних бактерій і актиноміцетів, виявлені паразити
паразитів на різних рівнях організації живого. Таким чином, створений
арсенал для розвитку класичного методу біологічного захисту рослин, який
передбачає використання живих організмів для контролю числа небажаних (в
тому числі патогенних) організмів в агроценозі.
Американські мікробіологи Каліфорнійського університету в місті
Берклі звернули увагу на те, що в умовах Каліфорнії більшість цитрусових
пошкоджується слабкими заморозками (0оС) за рахунок утворення кристаликів
льоду в тканинах рослин. Більш того пошкоджуються не всі рослини підряд, а
вибірково, стійкість до заморозків залежить від сорту та виду рослин.
Зацікавившись цим явищем, група дослідників під керівництвом Ліндов
виявила, що за це явище відповідальні бактерії, що існують на листках і в
тканинах рослин. Це бактерії Pseudomonas syringae, які відносяться до
великої групи бактерій, що викликають хвороби листків і пагонів рослин, і
Erwinia herbicola – бактерії кишечної групи, які викликають ураження
коренів рослини. Обидва види бактерій заселяють тканини цитрусових без
помітних ознак їх пошкодження, але в той же час не можуть існувати за
межами рослини і швидко гинуть в грунті, воді та інших можливих
середовищах. В випадку утворення кристалів льоду неважко виділити мутантні
клітини, що втратили цю здатність, але не змінили здатність заселяти
тканини рослин. При обробці молодих рослин кукурудзи, томатів або полуниці
суспензією клітин бактерій Pseudomonas syringae, що втратили здатність
утворювати кристали льоду, рослини нормально заселяються бактеріями і не
пошкоджуються заморозками. Отже, можна захистити рослини, якщо замінити
“нормальну” мікрофлору такою самою, але мутантною, яка втратила здатність
до синтезу фактору утворення льоду. Важливим є те, що такі мікроорганізми
тісно зв’язані з рослиною і не допускають заселення родинними організмами.
Дійсно, рослини, заселені мутантними бактеріями, не в змозі заселяться
такими самими клітинами дикого типу, які утворюють кристали. Але якщо
рослина вже заселена клітинами бактерій дикого типу, то вона вже не може
заселятись мутантними. Таким чином, для успішного захисту рослини цим
способом необхідно зробити її хоча б частково стерильною або по крайній
мірі зменшити кількість клітин дикого типу. Цього можна добитись,
наприклад, попереднім опрацюванням хімічними речовинами, або, як
запропонували американські вчені, препаратом вірусів бактерій
(бактеріофагів), до якого чутливі клітини дикого типу, але стійкі мутантні.
Зараз в США та в деяких інших країнах розроблені препарати для
захисту рослин від заморозків і проводиться їх ретельна перевірка в
контролюючих умовах на можливу патогенність до широкого кола господарів,
токсичність і віддалені наслідки для людини і екологічну нешкідливість.
Існує побоювання, що витіснення з природи бактерій, що утворюють кристали
льоду, може порушити процеси утворення дощу та снігу.
Але поки проходять досліди, створені і відпрацьовуються комплекси
препаратів найрізноманітніших напрямків. Наприклад, з допомогою сучасних
методів отримані бактерії псевдомонад, які володіють антагонізмом до ряду
збуджувачів хвороб, які здатні заселяти листки рослин або корені і
синтезувати токсини проти комах. Отже, отриманий препарат, що здатний стати
прообразом майбутніх біопрепаратів комплексної дії для захисту рослин від
шкідників і хвороб. Необхідна тривала і ретельна перевірка цього препарату
в контролюючих умовах, але вже зараз він знайшов собі застосування як
біоінсектицид. Вбиті клітини цих бактерій в два рази довше утримують токсин
на листках рослини, ніж клітини бацил.
Інтенсивне вивчення взаємовідносин між мікро- та макро- організмами в
біогеоценозах на всіх можливих рівнях (популяційному, організмовому,
клітинному і молекулярному) дає право надіятись, що вже в найближчий час
будуть встановлені нові закономірності, на основі яких будуть розроблені
методи біологічного контролю складу агроценозів. Одним зі способів
здійснення такого контролю може бути застосування препаратів різних типів
та властивостей на основі живих мікроорганізмів.
2.3 Традиційна біотехнологія в інших сферах життя
Також життєдіяльність мікроорганізмів використовується ще в деяких
галузях людського буття. Так, наприклад в кондитерській промисловості
широко використовують лимонну кислоту, яку дістають в результаті
життєдіяльності спеціально виведених мікроорганізмів. Зараз в світі
виробляється близько 400 тис. тонн цього продукту. Такої кількості лимонної
кислоти не забезпечили б жодні цитрусові плантації.
Все ширше стає асортимент ферментів — протеази, нуклеази, амілази,
глюкоамілази, каталази – які продукують мікроорганізми; деякі з них,
наприклад, нуклеази, використовують в генній інженерії.
Крім того, мікроорганізми використовують для отримання вакцин.
Перспективним є використання мікроорганізмів у гідрометалургії для
вилужування металів із бідних руд з метою підвищення їхнього добутку.
3 ПЕРСПЕКТИВНІ НАПРЯМКИ НОВОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ
Коли кажуть про нову біотехнологію, то мають на увазі генетичну і
клітинну інженерію, які створили можливість переробки спадкового апарату
організмів.
3.1 Клітинна інженерія
Рослини мають ряд переваг перед тваринами, бо майже у всіх рослин
можна одержати з однієї соматичної клітини цілу рослину, яка має здатність
до запліднення і утворення насіння. На цьому етапі діє клітинна інженерія,
розвиток якої пов’язаний з технікою культивування клітин і тканин вищих
організмів, яка вже пробила собі дорогу в промисловість.
Під час культивування клітини вищих рослин можуть розглядатись як
типовий мікрооб’єкт, що дозволяє застосовувати до них не лише технологію і
апаратуру, але і логіку експериментів, які прийняті в мікробіології.
Культивовані клітини в ряді випадків зберігають тотипотентність, тобто
здатність перейти до виконання програми розвитку, в результаті якого із
культивованої соматичної клітини виникне ціла рослина, яка здатна до
нормального розвитку і розмноження.
Крім того, потрібно підкреслити, що техніка культури соматичної
клітини зараз стає винятково важливим інструментом в генетичній інженерії і
біотехнології.
Для культивування можуть використовуватись клітини пухлинних тканин,
клітини різноманітних органів, лімфоцити, фібропласти, ембріони і т.д. Дуже
часто використовуються для наукових цілей перевиваїмі лінії, які можна
культивувати як завгодно довго. Це клітини нирок людини і тварин, ракові
клітини людини (Hela) т.ін.
Клітини тварин і людини вирощують в спеціальних середовищах в вигляді
монослою на склі. Для вирощування суспензійних культур використовують
найрізноманітніші судини-хемостати, ферментери, флакони.
Щоб клітини гарно росли, необхідне їхнє постійне переміщення. Для
цього розроблені способи культивування клітин за принципом безперервної
зміни середовища (хемостати). Культивування клітин проводять при визначеній
температурі (37оС) і РН середовища (6,8…7,5). Основними компонентами
середовищ для культури є: мінеральні солі, амінокислоти, вітаміни,
антибіотики. Зараз технологія культивування деяких типів клітин тварин
настільки гарно відпрацьована, що може широко використовуватись в
виробничих умовах для отримання різних продуктів.
Застосування культури клітин людини і тварин для практичних цілей
почалось вперше з робіт, в яких була продемонстрована можливість
вирощування вірусів в культивуючих клітинах. Для цього були (1949 р.)
використані клітини нирок людського зародку, нирок дорослих мавп, клітини
кур’ячого ембріону, а також клітини перевиваїмих ліній – Hela, BHK-21
(клітини нирки ембріонів хом’яка) т. ін. Застосування методу клітинних
культур дозволило налагодити нарощування вірусів в необхідній кількості і в
досить чистому вигляді, що сприяло розвитку діагностики вірусних
захворювань і отриманню необхідних для медицини вакцин.
Важливе значення для розвитку клітинної біотехнології мали праці по
гібридизації соматичних клітин. В 1960 р. французький вчений Ж.Барський
вперше виявив, що соматичні клітини тварин здатні зливатись і об’єднувати
генетичну інформацію двох батьківських клітин. Але утворення гібридних
клітин в звичайних умовах відбувається дуже рідко.
Тому була розроблена техніка гібридизації соматичних клітин з
використанням інактивованих вірусів парагрипу типу Сендай, здатного
“склеювати” і зливати клітини між собою. При отриманні вірусу Сендай
вдалось добути гібриди клітин абсолютно різних видів організмів. Відомі
міжвидові гібридні клітини, наприклад людини і миші, курчатка і людини,
москита і людини, корови та норки та інші. Виявилось можливим також
гібридизувати клітини з різних тканин, наприклад лімфоцити і фібропласти,
нормальні та пухлинні клітини.
Метод гібридизації соматичних клітин тварин і людини зараз знайшов
виключно важливе застосування для отримання моноклональних антитіл.
Відомо, що антитіла, що утворюються в організмі в відповідь на
введення антигена (бактерії, вірусу і т. ін.), є білками, що називаються
імуноглобулінами і захищають організм від хвороб. Але будь-яке чужерідне
тіло, яке вводиться в організм, це суміш різних антигенів, що будуть
збуджувати продукцію різних антитіл. До того ж в сиворотці крові
імунизованих тварин антитіло завжди є сумішшю, що складається з антитіл,
які продукуються різними лімфоїдними клітинами. Та для практичних цілей
необхідні антитіла одного типу, тобто моноспецифічні сиворотки з одним
типом антитіл. Очистка одного типу антитіл від сумішей – справа дуже
складна і трудомістка. І ось в 1975 р. Келером і Мільдштеймом був
розроблений спосіб отримання гібридів між лімфоцитами мишей, імунизованих
перед цим якимось антигеном і культивуюмими пухлинними клітинами кісткового
мозку (мієломними клітинами).
Ці гібридні клітини отримали назву гібридоми. Вони об’єднали в собі
здатність лімфоциту утворювати необхідні антитіла (одного типу) і здатність
пухлинних безкінечно довго розмножуватись на штучних середовищах.
Культивуючи гібридоми, а потім імізуючи ними тварин, можна отримати
антитіла необхідного типу і в необмежених кількостях. Показано, наприклад,
що з 50…100 мишей можна отримати грами моноклональних антитіл.
Моноклональні антитіла, отримані вказаним, зараз використовуються в різних
областях медицини і біології.
Виробництво моноклональних антитіл займає зараз одне з провідних
місць в біотехнології. Крім широкого використання в фундаментальних
дослідженнях вони застосовуються для отримання препаратів біологічно
активних речовин високої чистоти, широко використовуються як діагностичні
реагенти, наприклад для визначення груп крові. Моноклональні антитіла
виявились перспективними для лікування ряду захворювань, і в особливості
для лікування хворих злоякісними пухлинами.
Можна назвати 3 напрямки створення нових технологій на основі
культивування клітин і тканин рослин:
Перше – отримання промисловим шляхом цінних біологічно-активних
речовин рослинного походження. Так отримані мутантні клітинні лінії
раувольфії змінної – продуценту індольних алкалоїдів, які містять в 10
разів більше цінного для медицини антиритмічного алкалоїду – аймаліну;
дискореї дельтовидної – продуценту диогеніну, який використовується для
синтезу гормональних препаратів; отриманий штам рути пахучої, який містить
в 220 разів більше алкалоїду рутакридона, ніж в самій рослині; із
суспензійної культури наперстянки шорсткої, яка містить серцевий глікозид –
дигитоксин, отримали більш якісну форму – дигоксин – для використання в
медицині; із суспензійної культури м’яти отримали ментол для трансформації
пулегона і ментола.
Дослідження, які були проведені в наукових лабораторіях світу, вже
реалізуються в промисловому отриманні клітинних біомас (жень-шень – в СНД,
воробейник – продуцент шиконігу, тютуну – продуцент убіхінола-10 – в
Японії).
Друге – використання тканинних і клітинних культур для швидкого
клонального мікророзмноження та оздоровлення рослини. Можливість
використання методів клонального розмноження в стерильній культурі виявлена
зараз для 440 видів рослин, які належать до 82 родин. В порівнянні з
традиційними методами розмноження, які використовуються в
сільськогосподарській практиці, клональне розмноження в культурі дає ряд
переваг:
1) коефіцієнт розмноження вище, ніж при звичайних методах
розмноження. Так, з однієї рослини гербери методом традиційної селекції за
рік можна одержати 50-100 рослин, а при розмноженні через культуру – до 1
млн.; з однієї верхівки яблуні за 8 місяців культури можна одержати 60
тисяч рослин;
2) можна підтримувати ріст цілий рік;
3) тисячі рослин можуть рости на невеликій лабораторній площі;
4) разом із розмноженням часто відбувається оздоровлення рослин від
вірусів та патогенів;
5) цим методом можна отримувати рослини, які важко або зовсім не
розмножуються вегетативно, наприклад, пальма.
Мікроклональне розмноження добре ведеться з картоплею, капустою,
часником, томатами, цукровим буряком; серед ягідних культур – найбільші
успіхи досягнуті у суниці; серед декоративних культур – у іриса, гіацинта,
фрезії, гладіолуса, лілії, орхідних, гвоздики, нарцизів, тюльпанів,
гербери.
В останній час широкого використання отримала безвірусна розсада
полуниці та картоплі. Фірма “Кева хакко” розробила технологію масового
вирощування розсади лілій культурою в ємкості. Ведуться дослідження
отримання штучного насіння, в особливості гібридів рису першого покоління.
Так звану бляшкову розсаду квітів і овочів вирощують методом культури
клітин (тканини) і доставляють фермерам в розсадних горщиках в лотках.
Техніку зливання клітин вже зараз застосовується в рослинництві. Так,
методом асиметричного зливання в Японії, наприклад, добуті стійкі до
нематодів кабачки.
Ще в 1988 р. фірма “Кірін біру” сумісно з американською фірмою
розробила штучне насіння і техніку масового виробництва клонів салату
латука і сельдереї. Ці ж фірми створили таку саму техніку масового
використання зародків рису. Право застосовувати ці відкриття на праці
отримала корпорація “Технологія розсади”.
Біотехнологічні дослідження по рису найбільш активно проводять
японські фірми “Міцуї таацу когаку”, “Хокко кагако”, “Ніпон секію”.
Третю групу складають технології, які пов’язані з генетичними
маніпуляціями на тканинах, клітинах, ізольованих протопластів. Мова про ці
технології піде в наступному розділі.
3.2 Генна інженерія
Суть генної інженерії полягає в штучному створенні (хімічний синтез,
перекомбінації відомих структур) генів з конкретними необхідними для людини
властивостями і введення його у відповідну клітину (на сьогодні це частіше
всього бактеріальні клітини, наприклад, кишкова паличка) – створення
“штучної” бактерії – лабораторії по виготовленню необхідного для людини
продукту.
3.2.1 Генна інженерія в тваринництві
Багато спеціалістів, що працюють в області нових методів розведення
сільськогосподарських тварин, вважають, що вже в найближчий час генна
інженерія, пов’язана з пересадкою генів, стане наймогутнішим методом
отримання тварин з необхідними властивостями. Так, ще в 1986 році
австралійські вчені вперше в світі створили трансгенну вівцю шляхом
введення в ембріон гену, відповідального за синтез гормону росту овець.
Були експерименти по передачі гену людського гормону росту в генетичний
апарат (ДНК) свині. В 1999 році вчені з Гарвардського університету (США)
виділили ген, присутній в кур’ячих ніжках і відповідальний за їхній ріст.
Ген пересадили в крила курчат, і через кілька місяців були створені перші в
світі чотириногі кури. Вчені вважають, що ці тварини будуть мати велике
значення в тваринництві майбутнього.
Великі можливості відкриваються для біотехнології при використанні
методу клонування ссавців. Цей метод вже застосовується, наприклад, в
ембріології корів і овець. Ембріони, що складаються з 60-80 клітин,
роздрібнюють в спеціальних посудинах їх підрощують до утворення ембріонів,
а потім трансплантують самицям. Таким чином, в принципі, з одного ембріону
можна отримати кілька десятків тварин.
Найбільш розвинутий в наш час напрям в біотехнології тварин – це
трансплантація ембріонів. Цей метод дозволяє перш за все пришвидшити
розведення тварин з високими спадковими якостями, а також зберегти цінний
генофонд, так як отримані ембріони можна консервувати замороженням і
зберігати скільки завгодно. З допомогою цього методу вже отримують до 80
нащадків з однієї корови за два роки. В США таким способом було отримано ще
1980 році 23 тисячі телят, а в Канаді – 7 тис.
3.2.2 Генна інженерія в рослинництві
Важливе значення для генетичної інженерії і біотехнології має
розроблений в останні 220-25 років метод ізольованих протопластів. Він
дозволяє з допомогою ферментативного гідролізу руйнувати клітинні стінки і
виділяти в великій кількості “гай” клітини, позбавлені клітинної оболонки і
оточені тільки плазмалемою. Такі кулеподібні клітинні утворення були
названі протопластами. Протопласти відрізняються від звичайних клітин
такими важливими властивостями, як здатність зливатись одне з одним при
визначених умовах, поглинати з навколишнього розчину різні молекули (білки,
нуклеїнові кислоти) і різні органели та мікроорганізми. І особливо цінно,
що протопласти здатні на спеціальному середовищі ренегерувати (синтезувати
знову) клітинну оболонку, ділитись, утворюючи калус, і ренегерувати цілу
рослину.
До 1985 року вважалось, що вивести однодольні рослини з протопласту
неможливо. Але в цьому році в деяких наукових інститутах Японії відтворили
рис. Були подані заявки на реєстрацію мутантних сортів рису:
короткостебельний міцуї байосаса №1 (вивела хімічна фірма “Міцуї тоацу
кагаку”) і низькостебельний пізній хацуюме (вивів науково-дослідницький
інститут фітоінженерії Японії). Це доводить практичну цінність селекції з
використанням протопласту.
При праці з однодольними рослинами використовують плазмиди кишкової
палички, для введення генів застосовують поліетиленгліколь або
електроперфорацію. Але відомих корисних генів небагато: інсектицидні гени,
гени стійкості до вірусів, гербицидів, гени забарвлення кольорів. Ця
технологія набагато складніша зливання клітин. Саме відтворення цієї
методики потребує великих витрат. В зв’язку з цим актуальні різні форми
міжнародного співробітництва, але при цьому виникає проблема права на
інтелектуальну власність.
Прибутки, що можна отримувати, застосовуючи досягнення генної
інженерії, дуже зацікавили фірми зовсім інших галузей промисловості. Так,
фірма “Саппоро біру” (один з провідних виробників пива в Японії) розробила
технологію масового вирощування клональної розсади орхідей. Хімічна фірма
“Ніппон сьокубай кагаку” розробила систему вирощування декоративних рослин
для прикрашення службових приміщень.
Нові досягнення в генній інженерії можуть мати дуже велике значення
для сільського господарства. І вже зараз деякі сорти виведених за новими
технологіями рослин знаходять собі місце на посівних площах різних країн.
Для прикладу можна взяти сорти картоплю, що містять ген Bt. Цей ген, що
походить від значно поширеної грунтової бактерії Bacillus thuringiensis,
виробляє інсектицидний кристалічний білок. Коли комаха-шкідник з’їдає
бактерію або клітини рослини, які містять цей білок, він викликає у комах
розклади, що унеможливлює травлення. Бактерія (Bt) має багато видів. Кожен
вид бактерії здатен чинити негативний вплив тільки на один або декілька
видів комах. Вид Bacillus thuringiensis вбиває тільки жуків тінебріонідів,
до яких належить колорадський жук, який знищує велику кількість урожаю в
Україні.
Використовуючи тонку методику наукової генної інженерії, генетикам
вдалось трансплантувати ген, який є носієм коду Bt-білка, з бактерії в
організми кількох різних видів рослин (деякі сорти картоплі, кукурудзи,
бавовника т. ін.). Агентство США з охорони навколишнього середовища,
Агентство США з контролю за продуктами харчування та медичними препаратами,
Міністерство сільського господарства в США та тисячі вчених-професіоналів з
усього світу встановили, що кристалічні Bt- білки та їхні гени-перемикачі
не можуть завдати жодної шкоди здоров’ю чи життю людини.
Трансгенна картопля не вирішує всіх проблем у сільському
господарстві, проте вона, поза сумнівом, є кроком на шляху до ефективного
сільського господарства, яке значною мірою зменшить використання тицидів,
покращить сільськогосподарську технологію і, що найважливіше, збільшить
виробництво картоплі шляхом боротьби зі шкідниками (вчені вважають, що
продуктивність сільського господарства до 2010 р. в країнах, що
розвиваються, за рахунок використання біотехнології зросте на 25-30%).
3.2.3 Генна інженерія на користь людини
Успіхи генної інженерії можуть бути використані на користь самій
людині – у боротьбі зі спадковими хворобами (нині з’явилась можливість
отримувати білок таким шляхом, який визначає синтез трамбопластину – перший
етап засідання крові); отримана сироватка проти однієї із форм гепатиту;
ведуться дослідження з вірусами грипу, створені продуценти біологічно
активних речовин – інсулін (необхідний для лікування діабету), самотропний
гормон (природний стимулятор росту), інтерферон (білкова речовина, яка
сприяє активній боротьбі клітин організму з вірусами).
А в 1999 році група генетиків на чолі з Саймоном Мак-Квін Мезоном з
університету Йорку (Великобританія) зуміла отримати унікальний природний
клей. Він створений на основі білка, що виробляється мідіями виду “Мутілус
галопровінціаліс”. Білок володіє незвичайною клейкістю, еластичністю і
одночасно з цим відштовхує воду. Хімічна структура дозволяє йому проходити
між молекулами двох різних речовин, об’єднуючи їх ще міцніше. Для отримання
цього клею не потрібно вбивати тисячі молюсків. Вчені вже перемістили
генетичний код білка в тютюнові рослини, і з листків цих рослин тепер
клейка речовина буде добуватися промисловим шляхом. Дуже важливою
особливістю клею стало те, що він не відштовхується людським організмом і
може скріплювати живі тканини. Вчені вважають, що новий клей зробить
революцію в медицині.
ВИСНОВОК
Працюючи над цією роботою, я дійшов висновку, що найбільш економічно
ефективними (при їхньому комплексному застосуванні і створенні безвідходних
виробництв, не порушуючих екологічної рівноваги) є біотехнології, засновані
на досягненнях мікробіології та генної інженерії. Їхній розвиток дозволить
замінити багато великих заводів хімічної промисловості на екологічно чисті
компактні виробництва.
Отже, біотехнологія спроможна допомогти людству вирішити деякі
питання його розвитку (проблеми здоров’я, харчування т. ін.).
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Беляев Д.К., Рувинский А.О. “Общая биология”, М.:”Просвещение”. 1992,
270 ст.
2. Вервес Ю.Г., Кучеренко М.Є., Балан П.Г. “Загальна біологія” – К.:
Генеза, 1998, 464 ст.
3. Слюсарев А.О. “Біологія” – К.: Вища школа, 1995, 607 ст.
4. “Промышленное освоение биотехнологии” – Казаку кейдзай, 1989, №8, 164
ст.
5. Химизация сельского хозяйства, “Успехи биотехнологии в Японии”,
Мельников А.Г., №3, 1990.
6. Наука і суспільство, “Нові біопрепарати”, №11, 1990.
7. Пропозиція, “Біотехнологія і розвиток агросфери”, СозіновО., №7, 1998.
8. Новини захисту рослин “Біотехнологія в Україні: проблема трансгенної
картоплі”, Владимиров В., №8, 1999.
9. Викладання біології “Біотехнологія: перспективи розвитку”, Маруненко
І.М., №7, 1997.
ЗМІСТ
|1 |Вступ |3 |
|2 |Перспективи розвитку традиційної біотехнології |4 |
| |2.1 Ферментація в біотехнології |4 |
| |2.2 Засоби захисту рослин |4 |
| |2.3 Традиційна біотехнологія в інших сферах життя |10 |
|3 |Перспективні напрямки нової біотехнології |11 |
| |3.1 Клітинна інженерія |11 |
| |3.2 Генна інженерія |16 |
| |3.2.1 Генна інженерія в тваринництві |16 |
| |3.2.2 Генна інженерія в рослинництві |17 |
| |3.2.3 Генна інженерія на користь люд | |
