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

Раздел 1. Биология – наука о жизни.

План

Тема 1. Биология как наука, ее достижения, методы исследования, связи с другими науками. Роль биологии в жизни и практической деятельности человека.

Тема 2. Признаки и свойства живого: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, воспроизведение, развитие

Тема 3. Основные уровни организации живой природы: клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический

Биология как наука, ее достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира.

Биология как наука.

Биология (от греч. биос - жизнь, логос - слово, наука) - это комплекс наук о живой при­роде.

Предметом биологии являются все проявления жизни: строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а также взаимодействие с окружающей средой. Ос­новная задача биологии как науки состоит в истолковании всех явлений живой природы на науч­ной основе, учитывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от его составляющих.

Термин «биология» встречается в трудах немецких анатомов Т. Роозе (1779) и К.-Ф. Бурдаха (1800), однако только в 1802 году он был впервые употреблен независимо друг от друга Ж.-Б. Лaмарком и Г.-Р. Тревиранусом для обозначения науки, изучающей живые организмы.

Биологические науки.

В настоящее время в состав биологии включают целый ряд наук, которые можно систематизи­ровать по таким критериям: по предмету и преобладающим методам исследования и по изучаемо­му уровню организации живой природы . По предмету исследования биологические науки делят на бактериологию, ботанику, вирусологию, зоологию, микологию.

Ботаника - это биологическая наука, комплексно изучающая растения и растительный по­кров Земли. Зоология - раздел биологии, наука о многообразии, строении, жизнедеятельности, распространении и взаимосвязи животных со средой обитания, их происхождении и развитии. Бактериология - биологическая наука, изучающая строение и жизнедеятельность бактерий, а также их роль в природе. Вирусология - биологическая наука, изучающая вирусы. Основным объектом микологии являются грибы, их строение и особенности жизнедеятельности. Лихеноло­гия - биологическая наука, изучающая лишайники. Бактериология, вирусология и некоторые аспекты микологии часто рассматриваются в составе микробиологии - раздела биологии, науке о микроорганизмах (бактериях, вирусах и микроскопических грибах). Систематика, или так­сономия, - биологическая наука, которая описывает и классифицирует по группам все живые и вымершие существа.

В свою очередь, каждая из перечисленных биологических наук подразделяется на биохимию, морфологию, анатомию, физиологию, эмбриологию, генетику и систематику (растений, живот­ных или микроорганизмов). Биохимия - это наука о химическом составе живой материи, хи­мических процессах, происходящих в живых организмах и лежащих в основе их жизнедеятель­ности. Морфология - биологическая наука, изучающая форму и строение организмов, а также закономерности их развития. В широком смысле она включает в себя цитологию, анатомию, гистологию и эмбриологию. Различают морфологию животных и растений. Анатомия - это раз­дел биологии (точнее - морфологии), наука, изучающая внутреннее строение и форму отдельных органов, систем и организма в целом. Анатомия растений рассматривается в составе ботаники, анатомия животных - в составе зоологии, а анатомия человека является отдельной наукой. Фи­зиология - биологическая наука, изучающая процессы жизнедеятельности растительных и жи­вотных организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. Существуют физиология растений, животных и человека. Эмбриология (биология развития) - раздел биологии, наука об индивидуальном развитии организма, в том числе развитии зародыша.

Объектом генетики являются закономерности наследственности и изменчивости. В настоящее время это одна из наиболее динамично развивающихся биологических наук.

По изучаемому уровню организации живой природы выделяют молекулярную биологию, ци­тологию, гистологию, органологию, биологию организмов и надорганизменных систем. Молеку­лярная биология является одним из наиболее молодых разделов биологии, наука, изучающая, в частности, организацию наследственной информации и биосинтез белка. Цитология, или кле­точная биология, - биологическая наука, объектом изучения которой являются клетки как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Гистология - биологическая наука, раздел морфологии, объектом которой является строение тканей растений и животных. К сфере органо­логии относят морфологию, анатомию и физиологию различных органов и их систем.

Биология организмов включает все науки, предметом которых являются живые организмы, например, этологию - науку о поведении организмов.

Биология надорганизменных систем подразделяется на биогеографию и экологию. Распростра­нение живых организмов изучает биогеография, тогда как экология - организацию и функцио­нирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы.

По преобладающим методам исследования можно выделить описательную (например, морфо­логию), экспериментальную (например, физиологию) и теоретическую биологию.

Выявление и объяснение закономерностей строения, функционирования и развития живой природы на различных уровнях ее организации является задачей общей биологии. К ней относят биохимию, молекулярную биологию, цитологию, эмбриологию, генетику, экологию, эволюци­онное учение и антропологию. Эволюционное учение изучает причины, движущие силы, меха­низмы и общие закономерности эволюции живых организмов. Одним из его разделов является палеонтология - наука, предметом которой являются ископаемые останки живых организмов. Антропология - раздел общей биологии, наука о происхождении и развитии человека как био­логического вида, а также разнообразии популяций современного человека и закономерностях их взаимодействия.

Прикладные аспекты биологии отнесены к сфере биотехнологии, селекции и других быстро- развивающихся наук. Биотехнологией называют биологическую науку, изучающую использо­вание живых организмов и биологических процессов в производстве. Она широко применяется в пищевой (хлебопечение, сыроделие, пивоварение и др.) и фармацевтической промышленностях (получение антибиотиков, витаминов), для очистки вод и т. п. Селекция - наука о методах соз­дания пород домашних животных, сортов культурных растений и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами. Под селекцией понимают и сам процесс изменения живых ор­ганизмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.

Прогресс биологии тесно связан с успехами других естественных и точных наук, таких как физика, химия, математика, информатика и др. Например, микроскопирование, ультразвуковые исследования (УЗИ), томография и другие методы биологии основываются на физических зако­номерностях, а изучение структуры биологических молекул и процессов, происходящих в живых системах, было бы невозможным без применения химических и физических методов. Примене­ние математических методов позволяет, с одной стороны, выявить наличие закономерной связи между объектами или явлениями, подтвердить достоверность полученных результатов, а с дру­гой - смоделировать явление или процесс. В последнее время все большее значение в биологии приобретают компьютерные методы, например моделирование. На стыке биологии и других наук возник целый ряд новых наук, таких как биофизика, биохимия, бионика и др.

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.................

Десять крупнейших достижений десятилетия в биологии и медицине Версия независимого эксперта

Новые высокопроизводительные методы секвенирования ДНК – «цена» генома падает

МикроРНК – о чем молчал геном

Новые высокопроизводительные методы секвенирования ДНК – «цена» генома падает

Один из основателей знаменитой фирмы «Intel» Г. Мур в свое время сформулировал эмпирический закон, который до сих пор выполняется: производительность компьютеров будет удваиваться каждые два года. Производительность секвенаторов ДНК, с помощью которых проводят расшифровку нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК, растет даже быстрее чем по «закону Мура». Соответственно, падает стоимость чтения геномов.

Так, затраты на проведение работ по проекту «Геном человека», который завершился в 2000 г., составили 13 млрд долларов. Появившиеся позднее новые массовые технологии секвенирования были основаны на параллельном анализе множества фрагментов ДНК (сначала – в микролунках, а сейчас – в миллионах микроскопических капель). В результате, например, расшифровка генома знаменитого биолога Д. Уотсона, одного из авторов открытия структуры ДНК, которая в 2007 г. обошлась в 2 млн долларов, всего через два года «стоила» уже 100 тыс. долларов.

В 2011 г. фирма «Ion torrent», предложившая новый метод секвенирования на основе измерения концентрации ионов водорода, выделяющихся при работе ферментов ДНК-полимераз, прочитала геном самого Мура. И хотя стоимость этой работы не оглашалась, создатели новой технологии обещают, что чтение любого генома человека не должно в будущем превышать 1 тыс. долларов. А их конкуренты – создатели еще одной новой технологии, секвенирования ДНК в нанопорах, уже в нынешнем году представили прототип устройства, на котором, потратив несколько тысяч долларов, можно секвенировать геном человека за 15 минут.

Синтетическая биология и синтетическая геномика – как просто стать Богом

Информация, накопленная за полвека развития молекулярной биологии, сегодня позволяет ученым создавать живые системы, никогда не существовавшие в природе. Как оказалось, сделать это совсем нетрудно, особенно если начать с чего-то уже известного и ограничить свои притязания такими несложными организмами, как бактерии.

В наши дни в США даже проводится специальный конкурс iGEM (International Genetically Engineered Machine), в котором студенческие команды соревнуются в том, кто сможет придумать наиболее интересную модификацию обычных бактериальных штаммов, используя набор стандартных генов. Например, пересадив в широко известную кишечную палочку (Escherichia coli ) набор из одиннадцати определенных генов, можно заставить колонии этих бактерий, растущие ровным слоем на чашке Петри, стабильно менять цвет там, где на них падает освещение. В результате можно получить их своеобразные «фотографии» с разрешением, равным размеру бактерии, т. е. около 1 мкм. Создатели этой системы дали ей имя «Колироид», скрестив видовое имя бактерии и название знаменитой фирмы «Поляроид».

В этой области есть и свои мегапроекты. Так, в фирме одного из отцов геномики К. Вентера был синтезирован из отдельных нуклеотидов геном бактерии-микоплазмы, который не похож ни на один из существующих микоплазменных геномов. Эту ДНК заключили в «готовую» бактериальную оболочку убитой микоплазмы и получили работающий, т.е. живой организм с полностью синтетическим геномом.

Лекарства от старения – путь к «химическому» бессмертию?

Сколько ни пытались за тысячи лет создать панацею от старения, легендарное средство Макропулоса так и осталось недосягаемым. Но и в этом, казалось бы, фантастическом направлении появляются подвижки.

Так, в начале прошедшего десятилетия большой бум в обществе произвел ресвератрол – вещество, выделенное из кожуры ягод красного винограда. ­Сначала с его помощью удалось значительно продлить жизнь клеткам дрожжей, а потом – и многоклеточным животным, микроскопическим червям-нематодам, плодовым мушкам-дрозофилам и даже аквариумным рыбкам. Потом внимание специалистов привлек рапамицин – антибиотик, впервые выделенный из почвенных бактерий-стрептомицетов с о. Пасхи. С его помощью удалось продлить жизнь не только клеткам дрожжей, но даже лабораторным мышам, которые жили на 10-15 % дольше.

Сами по себе эти препараты вряд ли будут широко применять для продления жизни: тот же рапамицин, к примеру, подавляет иммунную систему и повышает риск инфекционных заболеваний. Однако сейчас ведутся активные исследования механизмов действия этих и подобных веществ. И если это удастся, то мечта о безопасных лекарственных средствах для продления жизни вполне может стать явью.

Использование стволовых клеток в медицине – ждем революцию

Сегодня в базе данных клинических испытаний Нацио­нальных институтов здоровья США пере­числено почти полтысячи работ с использованием стволовых клеток, находящихся на разных стадиях исследования

Однако настораживает тот факт, что первое из них, касающееся использования клеток нервной системы (олигодендроцитов) для лечения травм спинного мозга, было прервано в ноябре 2011 г. по неизвестной причине. После этого американская компания «Geron Corporation» – один из пионеров в области «стволовой» биологии, которая проводила это исследование, объявила о полном сворачивании своих работ в этой области.

Тем не менее, хочется верить, что медицинское применение стволовых клеток со всеми их волшебными возможностями не за горами.

Древняя ДНК – от неандертальца до чумной бактерии

В 1993 г. вышел фильм «Парк Юрского периода», в котором на экране гуляли монстры, воссозданные из остатков ДНК из крови динозавров, сохранившейся в желудке замурованного в янтаре комара. В тот же год один из крупнейших авторитетов в области палеогенетики, английский биохимик Т. Линдал заявил, что даже при самых благоприятных условиях из ископаемых остатков нельзя извлечь ДНК старше 1 млн лет. Скептик оказался прав – ДНК дино­завров так и осталась недоступной, однако успехи в техническом совершенствовании методов извлечения, амплификации и секвенирования более молодой ДНК, достигнутые за последнее десятилетие, впечатляют.

На сегодня полностью или частично прочитаны геномы неандертальца, недавно открытого денисовца и множества ископаемых останков Homo sapiens , а также мамонта, мастодонта, пещерного медведя… Что касается более далекого прошлого, то была изучена ДНК из хлоропластов растений, чей возраст датируется 300-400 тыс. лет, и ДНК бактерий возрастом 400-600 тыс. лет.

Из исследований более «молодой» ДНК стоит отметить расшифровку генома штамма вируса гриппа, вызвавшего 1918 г. эпидемию знаменитой «испанки», и генома штамма чумной бактерии, опустошившей ­Европу в XIV в.; в обоих случаях материалы для анализа были выделены из захороненных останков умерших от болезни.

Нейропротезирование – человек или киборг?

Эти достижения принадлежат скорее к инженерной, а не биологической мысли, но от этого они не смотрятся менее фантастическими.

Вообще простейший тип нейропротеза – электронный слуховой аппарат – был изобретен еще более полувека назад. Микрофон этого устройства улавливает звук и передает электрические импульсы непосредственно на слуховой нерв или в ствол головного мозга – таким образом можно вернуть слух даже пациентам с полностью разрушенными структурами среднего и внутреннего уха.

Взрывообразное развитие микроэлектроники ­за по­следний десяток лет позволило создать такие виды нейро­протезов, что впору говорить о возможности скорого превращения человека в киборга. Это и искусственный глаз, действующий по тому же принципу, что и слуховой прибор; и электронные подавители проведения болевых импульсов через спинной мозг; и автоматические искусственные конечности, способные не только воспринимать управляющие импульсы мозга и выполнять действия, но и передавать ощущения обратно в мозг; и электромагнитные стимуляторы зон мозга, пораженных при болезни Паркинсона.

Сегодня уже ведутся исследования, касающиеся возможности интеграции разных отделов мозга с компьютерными микросхемами для улучшения умственных способностей. И хотя до полной реализации этой идеи далеко, но видеоклипы, показывающие людей с искусственными руками, уверенно пользующихся ножом и вилкой и играющими в настольный футбол, поражают воображение.

Нелинейная оптика в микроскопии – увидеть невидимое

Из курса физики студенты твердо усваивают понятие дифракционного предела: в самый лучший оптический микроскоп невозможно увидеть объект, размеры которого меньше половины длины волны, разделенной на показатель преломления среды. При длине волны 400 нм (фиолетовая область видимого спектра) и показателе преломления около единицы (как у воздуха) объекты мельче 200 нм неразличимы. А именно в этот размерный диапазон попадают, например, вирусы и множество интереснейших внутриклеточных ­структур.

Поэтому в последние годы широкое развитие в биологической микроскопии получили методы нелинейной и флуоресцентной оптики, для которых понятие дифракционного предела неприменимо. Сейчас такими методами удается в деталях исследовать внутреннее строение клеток.

Дизайнерские белки – эволюция в пробирке

Как и в синтетической биологии, речь идет о создании небывалого в природе, только на этот раз не новых организмов, а отдельных белков с необычными свойст­вами. Желать этого можно с помощью как усовершен­ствованных методов компьютерного моделирования, так и «эволюции в пробирке» – например, проводить селекцию искусственных белков на поверхно­сти специально созданных для этой цели бактериофагов.

В 2003 г. ученые из Вашингтонского университета с использованием методов компьютерного предсказания структуры создали белок Top7 – первый в мире ­белок, структура которого не имеет аналогов в живой природе. А на основе известных структур так называемых «цинковых пальцев» – элементов белков, узнающих участки ДНК с разной последовательностью, удалось создать искусственные ферменты, расщепляющие ДНК в любом заведомо заданном месте. Такие ферменты сейчас широко используются как инструменты для манипуляций с геномом: например, с их помощью можно удалить из генома человеческой клетки дефектный ген и заставить клетку заменить его нормальной копией.

Персонализированная медицина – получаем генные паспорта

Идея, что разные люди и болеют, и должны лечиться по-разному, далеко не нова. Даже если забыть про разный пол, возраст и образ жизни и не учитывать генетически обусловленные наследственные заболевания, все равно наш индивидуальный набор генов уникальным образом может влиять как на риск развития множе­ства болезней, так и на характер действия лекарств на организм.

Многие слышали про гены, дефекты в которых повышают риск развития онкозаболеваний. Другой пример касается приема гормональных контрацептивов: в случае, если женщина несет нередкий для европейцев «лейденский» ген фактора V (одного из белков системы свертывания крови), у нее резко повышается риск тромбоза, так как и гормоны, и этот вариант гена повышают свертываемость крови.

С развитием методов определения последовательно­сти ДНК стало возможным составление индивидуальных карт генетического здоровья: можно установить, какие известные варианты генов, связанных с заболеваниями или с ответом на лекарственные препараты, имеются в геноме конкретного человека. На основании такого анализа можно давать рекомендации о наиболее подходящем режиме питания, о необходимых профилактических осмотрах и о предосторожностях при применении тех или иных лекарств.

МикроРНК – о чем молчал геном

В 1990-х гг. было открыто явление РНК-интерференции – способности малых двуцепочечных дезоксирибонуклеиновых кислот снижать активность генов за счет деградации считываемых с них матричных РНК, на которых синтезируются белки. Оказалось, что клетки активно используют такой путь регуляции, синтезируя микроРНК, которые потом и разрезаются на фрагменты нужной длины.

Первая микроРНК была открыта в 1993 г., вторая – только через семь лет, при этом в обоих исследованиях была использована нематода Caenorhabditis elegans , которая сейчас служит одним из основных экспериментальных объектов в биологии развития. Зато потом открытия посыпались, как из рога изобилия.

Оказалось, что микроРНК участвуют и в эмбриональном развитии человека, и в патогенезе онкологических, сердечно-сосудистых и нервных заболеваний. А когда стало возможным одновременно прочитать последовательности всех РНК в клетке человека, оказалось, что огромная часть нашего генома, которая раньше считалась «молчащей», потому что не содержит генов, кодирующих белки, на самом деле служит матрицей для считывания микроРНК и других некодирующих РНК.

Д. б. н. Д. О. Жарков (Институт химической
биологии и фундаментальной медицины
СО РАН, Новосибирск) ­

Лекция:

Биология как наука

Отдельной наукой биология стала в 19-м веке, когда термин «биология» начали использовать сразу несколько ученых – Жан Батист Ламарк и Готфрид Рейнхольд Тревиранус в 1802 г и Фридрих Бурдах в 1800. До этого изучением некоторых аспектов живого занимались естественная история и медицина.

Объектом изучения биологии является жизнь в любых ее проявлениях – эволюция, распределение живого на планете, его структура, процессы функционирования, классификация, взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой.

Основой современной биологии являются 5 базовых принципов:

клеточная теория;

генетика;

эволюция;

гомеостаз;

Методы биологии

Методами биологии называются приемы, используемые учеными для приобретения новых знаний о живых организмах.

Основным правилом для любого ученого является принцип «ничего не принимать на веру» – каждое явление должно быть точно изучено и о нем должно быть получено достоверное знание.

Методами биологии называют приемы, с помощью которых строится система точного научного знания. К ним относятся:

Наблюдение. Первое столкновение ученых с чем-то еще не изученным.

Описание явления, нового организма, его особенностей;

Систематизация. Это процесс соотнесения нового знания с уже имеющимися системами – определение места вновь открытого организма на древе эволюции, его химического строения, особенностей размножения и других свойств с уже имеющимися системами знания;

Сравнение. Поиск похожих явлений, изучение уже встречавшихся подобных свидетельств других ученых, описаний и неоконченных исследований;

Эксперимент. Проведение серий экспериментов для подтверждения или опровержения новой теории или гипотезы.

Аналитический метод. Подразумевает сбор и сравнение всей информации по какому-либо вопросу.

Исторический метод. Позволяет изучить закономерности исторического развития организмов, обращаясь к уже имеющемуся знанию.

Моделирование. Построение и расчет возможных вариантов строения организма, функционирования его органов, его взаимодействия с другими живыми организмами. Это могут быть компьютерные модели, трехмерные модели строения, математический метод.

Используются универсальные, общие для всех наук правила построения научных теорий :

наблюдение какого-либо явления, свойства живого организма, его особенности;

выдвижение гипотезы – как и почему возможен наблюдаемый феномен, его предварительное объяснение на базе ранее известных знаний;

эксперимент – постоянно ли явление или имеет случайный характер, одинаково ли проявляется при изменении условий эксперимента, какие конкретно условия оказывают на него влияние;

после экспериментального подтверждения гипотеза становится теорией ;

для проверки теории и поиска точных ответов на вопросы, ученые проводят дополнительные эксперименты.

А также применяются методы, свойственные каждой конкретной науке, для биологии это:

генеалогический . Поиск предков, соотнесение вновь открытого организма с возможными родственными на древе эволюции;

культура тканей. Для изучения физиологических особенностей организма, влияния на него различных факторов проводятся исследования образцов его тканей;

эмбриологический. Изучение процесса развития живого организма до его рождения;

цитогенетический. Исследования генома и строения клеток;

биохимический. Химические исследования клеточного содержимого, тканей, внутренней среды и выделений организма.

Биологических методов очень много, кроме вышеперечисленных в науке широко используются: гибридизация, палеонтологический, центрифугирование и многие другие.

Роль биологии в формировании естественнонаучной картины мира

Знания о биосфере помогают человечеству делать прогнозы долгосрочных и краткосрочных процессов на Земле и стараться управлять ими. Так, зная о роли зеленых растений в формировании кислородной среды планеты – человек понимает важность сохранения лесов. Владея знаниями о взаимоотношениях организмов – в настоящее время человечество уже не допускает опасных экспериментов по внесению в устойчивую экосистему новых животных и растений, это даже прописано в международном законодательстве. Таких ошибок, как завоз кроликов в Австралию или енотовидной собаки на Дальний Восток СССР человек уже не допускает. В настоящее время в Калифорнии проблемой стали заносные виды растений, угнетающие реликтовые ценные виды местной флоры.

Биологические науки позволяют решить многие проблемы с обеспечение продовольственной безопасности. Выведение новых сортов растений и видов животных, позволяют повысить урожайность, защитить посевы от вредителей, увеличить производительность сельского хозяйства.

Генетика и физиология на настоящий момент играют очень важную роль в получении медицинских знаний, способствуя развитию новых методов лечения, созданию лекарств, позволяя победить считавшиеся неизлечимыми заболевания и патологии, а также заранее предупредить и остановить их развитие.

С помощью микробиологии разрабатываются вакцины и сыворотки, новые сорта пищевых продуктов и напитков.

Дендрология и экология позволяют обеспечить восполняемым природным ресурсом – древесиной строительную и целлюлозно-бумажную отрасли промышленности.

Энтомология и ботаника – помогают разработать и улучшить уже известные виды тканей.

Любая из биологических наук, включая палеонтологию и прочие, кажущиеся неважными – оказывает сильное влияние на представление знаний об истории развития планеты, месте человека среди живых организмов, помогает повысить качество жизни и защитить от влияния вредных факторов внешней среды.