Manualul corespunde nivelului de bază al componentei federale a standardului de stat de învățământ general în biologie și este recomandat de Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse.
Cartea: Biologie. Biologie generală. Nivel de bază. Manual pentru clasele 10-11
3,19. Biotehnologie: realizări și perspective de dezvoltare
3,19. Biotehnologie: realizări și perspective de dezvoltare
Ce este biotehnologia?
Care este semnificația selecției microorganismelor pentru industrie și agricultură?
Biotehnologia este utilizarea de organisme, sisteme biologice sau procese biologice în producția industrială. Termenul "biotehnologie" a fost utilizat pe scară largă de la mijlocul anilor 1970. XX secol. deși de-a lungul timpului, omenirea a folosit microorganisme în brutărie și vinificație, în producția de bere și în fabricarea brânzei. Orice producție bazată pe un proces biologic poate fi considerată biotehnologie. Gene, cromozomul și ingineria celulară, clonarea plantelor și animalelor agricole sunt aspecte diferite ale biotehnologiei.
Biotehnologie nu numai primi importante pentru produsele de uz uman, cum ar fi antibioticele și hormonul de creștere, alcool etilic și iaurt, dar, de asemenea, pentru a crea organisme cu proprietăți predeterminate mult mai rapid decât prin utilizarea metodelor tradiționale de reproducere. Există procese biotehnologice pentru tratarea apelor uzate, procesarea deșeurilor, îndepărtarea scurgerilor de petrol în rezervoarele de apă și producția de combustibil. Aceste tehnologii se bazează pe caracteristicile activității vitale a anumitor microorganisme.
Ingineria genetică. Obiectele obișnuite de biotehnologie sunt microorganisme care au un genom relativ simplu organizat, un ciclu de viață scurt și posedă o mare varietate de proprietăți fiziologice și biochimice.
Una dintre cauzele diabetului este o deficiență în organismul insulinei - hormonul pancreasului. Injecțiile de insulină izolate din pancreasul porcilor și vitelor salvează milioane de vieți, dar la unii pacienți duce la apariția reacțiilor alergice. Soluția optimă ar fi utilizarea insulinei umane. Prin metode de inginerie genetică, gena de insulină umană a fost inserată în ADN-ul E. coli. Bacteria a început să sintetizeze activ insulina. În 1982, insulina umană a devenit primul produs farmaceutic obținut cu ajutorul metodelor de inginerie genetică.
În mod similar, hormonul de creștere se produce acum. Gena umană, integrată în genomul bacteriilor, oferă o sinteză a hormonului, injecțiile acestuia fiind utilizate în tratamentul naturii și restabilirea creșterii numărului copiilor bolnavi la niveluri aproape normale.
La fel ca bacteriile, metodele de inginerie genetică pot schimba, de asemenea, materialul ereditar al organismelor eucariote. Astfel de organisme rearanjate genetic sunt numite organisme transgenice sau modificate genetic (OMG).
În natură, există o bacterie care secretă o toxină care ucide multe insecte dăunătoare. Gena responsabilă de sinteza acestei toxine a fost izolată din genomul bacteriei și integrată în genomul plantelor cultivate. Până acum s-au stabilit soiuri rezistente la dăunători de porumb, orez, cartof și alte plante agricole. Cultivarea de plante transgenice, care nu necesită utilizarea pesticidelor, are avantaje uriașe pentru că, în primul rând, pesticide ucide insectele dăunătoare nu numai, ci, de asemenea, benefice, și în al doilea rând, multe pesticide se acumulează în mediu și să aibă un efect mutagen asupra vie organisme (Figura 92).
Fig. 92. Țările care dezvoltă plante transgenice. varietățile practic întreaga suprafață sub culturi transgenice sunt modificate genetic ocupă patru plante: soia (62%), porumb (24%), bumbac (9%) și rapiță (4%). Au fost deja create cartofi transgenici, tomate, orez, tutun, sfeclă și alte culturi
Unul dintre primele experimente de succes privind crearea de animale modificate genetic a fost efectuat pe șoareci în care gena de hormon de creștere a șobolanilor a fost inserată în genom. Ca rezultat, șoarecii transgenici au crescut mult mai rapid și, ca rezultat, au fost de două ori mai mari decât șoarecii normali. Dacă acest experiment avea o semnificație pur teoretică, atunci experimentele din Canada aveau deja o aplicație practică clară. Oamenii de știință canadieni au introdus în materialul ereditar al somonului o genă dintr-un alt pește care a activat gena hormonului de creștere. Acest lucru a dus la faptul că somonul a crescut de 10 ori mai rapid și a câștigat greutate, de câteva ori mai mare decât în mod normal.
Clonarea. Crearea de copii multiple genetice ale unui individ prin reproducere asexuală se numește clonare. Într-un număr de organisme, acest proces poate să apară în mod natural, să reamintească reproducerea vegetativă în plante și fragmentarea anumitor animale (§ 3.5). Dacă o bucată de rază se detașează accidental de o stea de mare, se formează un nou organism cu drepturi depline (figura 93). La vertebrate, acest proces nu apare în mod natural.
Pentru prima dată, cercetătorul Girdon a realizat, la sfârșitul anilor '60, un experiment cu succes în domeniul clonării animalelor. XX secol. la Universitatea din Oxford. Scientist nucleu transplantat prelevate din celulele epiteliale intestinale broasca albino, în nefertilizat de ou broasca normală, al cărui nucleu a fost distrus inainte. De la un astfel de ou, omul de știință a reușit să crească un tadpole, apoi sa transformat într-o broască, care era o copie exactă a broasca albinică. Astfel, pentru prima dată sa arătat că informațiile conținute în nucleul oricărei celule sunt suficiente pentru dezvoltarea unui organism cu drepturi depline.
Clonarea este o metodă promițătoare în creșterea animalelor. De exemplu, atunci când cresc bovine, se folosește următoarea metodă. Într-un stadiu incipient de dezvoltare, când celulele embrionului nu sunt încă specializate, embrionul este împărțit în mai multe părți. Din fiecare fragment plasat în sala de așteptare (surogat) mama, se poate dezvolta un vițel de valoare. În acest fel, puteți crea multe copii identice ale unui animal cu calități valoroase.
Fig. 93. Regenerarea unui stelute dintr-o singură rază
Fig. 94. Clonarea oilor Dolly
Pentru scopuri speciale, se pot clona și celule individuale, creând culturi de țesut care se pot dezvolta pe termen nelimitat în medii adecvate. Celulele clonate servesc ca un substitut pentru animalele de laborator, deoarece acestea pot fi utilizate pentru a studia efectul asupra organismelor vii ale diferitelor substanțe chimice, de exemplu, droguri.
La clonarea plantelor se utilizează o caracteristică unică a celulelor de plante. La începutul anilor '60. XX secol. pentru prima dată sa demonstrat că celulele de plante, chiar și după atingerea maturității și specializării, în condiții adecvate pot da naștere unei întregi plante (Figura 95). Prin urmare, metodele moderne de inginerie celulară permite selectarea plantelor la nivel celular, adică. E. neselectat plantele adulte care au anumite proprietăți, și celule care apoi cresc plante de înaltă calitate.
Fig. 95. Etapele plantelor de clonare (de exemplu, morcovi)
Aspecte etice ale dezvoltării biotehnologiei. Utilizarea biotehnologiei moderne pune multe întrebări serioase pentru omenire. Poate o genă încorporată în plante transgenice de roșii, atunci când mănâncă fructe, migrează și se integrează în genom, de exemplu, de bacterii care trăiesc în intestinul uman? Nu poate o plantă transgenică de cultură rezistentă la erbicide, boli, secetă și alți factori de stres, polenizarea încrucișată cu plante sălbatice înrudite să transmită aceleași proprietăți buruienilor? Nu vor primi "supervelope", care vor popula foarte repede terenurile agricole? Nu va pătrunde accidental peștii de somon gigantic în largul mării și nu va încălca echilibrul în populația naturală? Este organismul de animale transgenice capabil să reziste la tulpina care apare în legătură cu funcționarea genelor străine? Și are cineva dreptul de a modifica organismele vii pentru binele lui?
Aceste și multe alte aspecte legate de crearea organismelor modificate genetic sunt discutate pe scară largă de specialiști și de publicul din întreaga lume. Înființate în toate țările, organismele speciale de monitorizare și comisiile susțin că, în ciuda temerilor existente, impactul nociv al OMG asupra naturii nu a fost înregistrat.
Introducerea materialului genetic străin în celulele umane poate avea consecințe negative. Inserția necontrolată a ADN străin în anumite părți ale genomului poate duce la perturbarea activității genelor. Riscul utilizării terapiei genice atunci când se lucrează cu celulele germinale este mult mai mare decât atunci când se utilizează celule somatice. Atunci când se introduc construcții genetice în celule sexuale, se poate produce o schimbare nedorită a genomului generațiilor viitoare. Prin urmare, documentele internaționale ale UNESCO, ale Consiliului Europei, Organizația Mondială a Sănătății (OMS) subliniază că orice schimbare a genomului uman poate fi făcută numai pe celulele somatice.
Experimentele privind clonarea animalelor au pus în fața comunității științifice o serie de probleme serioase, a căror soluționare depinde de dezvoltarea ulterioară a acestui domeniu științific. Oile lui Dolly nu au fost singura clonă primită de oamenii de știință scoțieni. Au fost câteva zeci de clone, dar numai Dolly a rămas în viață. În ultimii ani, îmbunătățirea tehnicii de clonare a crescut procentul de clone care au supraviețuit, însă rata mortalității acestora este încă foarte ridicată. Cu toate acestea, există o problemă și mai gravă din punct de vedere științific. În ciuda nașterii victorioase a lui Dolly, vârsta ei reală biologică, problemele ei de sănătate și moartea relativ timpurie au rămas neclare. În opinia oamenilor de știință, utilizarea nucleului celulei ovinelor donatoare în vârstă de șase ani a afectat soarta și sănătatea lui Dolly.
Este necesar să se mărească în mod semnificativ viabilitatea organismelor clonate, pentru a afla dacă utilizarea tehnicilor specifice afectează speranța de viață, sănătatea și fertilitatea animalelor. Este foarte important să se minimizeze riscul dezvoltării defectuoase a oului reconstituit.
Introducerea activă a biotehnologiei în medicină și genetica umană a dus la apariția unei științe speciale - bioetică. Bioetica este știința atitudinii etice față de toate lucrurile vii, inclusiv ființele umane. Normele eticii sunt acum aduse în prim plan. Aceste precepte morale, cu care omenirea se bucură de secole, din păcate, nu oferă noi oportunități aduse în viață de știința modernă. Prin urmare, oamenii trebuie să discute și să adopte noi legi care să ia în considerare noile realități ale vieții.
Întrebări pentru repetare și asignare
1. Ce este biotehnologia?
2. Ce probleme rezolvă ingineria genetică? Care sunt provocările cercetării în acest domeniu?
3. De ce credeți că selecția microorganismelor este acum de o importanță primordială?
4. Oferiți exemple de producție industrială și de utilizare a deșeurilor de microorganisme.
5. Ce organisme sunt numite transgenice?
6. Care este avantajul clonării în comparație cu metodele tradiționale de reproducere?
Probleme de discuție
"Organismul este un întreg întreg. Varietate de organisme »
1. De ce credeți că până acum știința nu cunoaște numărul exact de specii de organisme care trăiesc pe planeta noastră?
2. În celulele ale căror organisme există organoide speciale? Ce funcții efectuează?
"Metabolismul și transformarea energiei"
1. Care este relația dintre fotosinteză și problema furnizării populației de pe Pământ cu hrană?
2. Explicați de ce consumul de alimente în exces duce la obezitate.
3. De ce nu există schimb de energie fără schimbul de plastic?
4. Este posibil să se considere că fotosinteza include simultan două procese - asimilare și disimilare?
5. Oferiți exemple de utilizare a caracteristicilor metabolismului organismelor vii în medicină, agricultură și alte industrii.
1. Cum credeți, care este avantajul fertilizării duble în angiospermele comparativ cu fertilizarea în gimnosperme?
2. De ce nu apare divizarea trăsăturilor în descendenții hibrizilor în timpul propagării vegetative?
4. Corpul a fost dezvoltat dintr-un ovul nefertilizat. Sunt trăsăturile sale ereditare o replică exactă a semnelor corpului mamei?
5. În opinia dvs., ce formă de reproducere oferă o mai bună adaptabilitate la schimbările de mediu?
"Dezvoltare individuală (ontogenie)"
1. De ce sunt diferite țesuturi și organe cu proprietăți diferite formate din echivalent la începutul dezvoltării celulelor germinale?
2. Care este semnificația adaptării condițiilor vieții cu dezvoltarea cu transformare?
3. Care este semnificația prelungirii perioadei pre-productive în evoluția umană?
4. Pentru ce organisme coincid conceptele "ciclul celular" și "ontogeneza"?
"Ereditatea și variabilitatea"
1. Care este avantajul diploidității în comparație cu starea haploidă?
2. Compune și rezolva sarcinile de încrucișare monohidru și dihybrid.
4. Explicați din poziția geneticii, de ce bărbații sunt mult mai orbiți decât femeile.
5. Cum credeți că factorii de mediu pot influența dezvoltarea unui organism care poartă o mutație letală?
6. Cum ați sugera crearea unui experiment pentru a dovedi condiționarea genetică a reacțiilor comportamentale?
7. Cum credeți, care este pericolul căsătoriilor strâns legate?
9. De ce influențează activitatea economică a omului influența mutagene a mediului?
10. Poate variabilitatea combinată să se manifeste în absența unui proces sexual?
"Bazele selecției. Biotehnologie »
1. Care sunt metodele similare și diferite de reproducere a plantelor și animalelor?
2. De ce fiecare regiune are nevoie de propriile soiuri de plante și animale?
3. Din marea varietate de specii de animale care trăiesc pe Pământ, omul a selectat relativ puține specii de domesticire. Cum crezi, care este explicația pentru asta?
Trimiteți-le prietenilor: