Принципы структуры организации живых организмов

Биотехнология как наука. Основные этапы развития. Объекты и методы биотехнологии.

Биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных цен-ных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микро-организмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, ри-босом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

В 1983 году на конгрессе социалистических стран по биотехнологии в Братиславе было принято следующее определение: «биотехнология – это наука, разрабатывающая научные основы крупнотоннажной реализации процессов получения с помощью биока-тализаторов различных веществ и средств защиты окружающей среды».

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и разви-тия человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 5 периодов: эмпирический, научно-практический, биотехнический, генотехнический, нанобиотехнологический.

Эмпирический – ок. 6000 лет до Р.Х. и до средины Х1Х века

Приемы воспроизведения естественных процессов в искусственно созданных усло-виях издавна используется человечеством при хлебопечении, выделке кож, льна, получе-нии натурального шелка, силосовании кормов для скота, изготовлении кисломолочных продуктов, сыров, квашенной капусты, производстве вина, пива.

Фармация и медицина существовавшие тогда в неразрывной связи использовали биотехнологические приемы в лечении ядами животных и растений, желчью, купирова-нии лихорадочных приступов при малярии настойкой из коры хинного дерева, гирудоте-рапии, использовании растительных опиатов и алкалоидов, профилактика натуральной оспы содержимым пустул телят, больных коровьей оспой и многое другое, что лежит в основе современной профилактической и клинической медицины.

Научно-практический период (1856-1933 годы) связан с именем выдающегося французкого ученого Л. Пастера – основоположникм научно микробиологии и ряда мик-робиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической и санитарной микробиологии). Пастером установлена микробная природа процессов брожения, дока-зан анаэробный путь метаболизма и возможности жизни в бескислородных условиях, со-зданы научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии (тем самым положено начало развитию иммунологии), предложен метод стерилизации, названный по его име-ни Пастеризацией и используемый до сих пор. Другой выдающийся ученый этого перио-да миколог де Бари – основоположник физиологической микологии, микофитопатоло-гии. Он создал классификацию, которая и сегодня лежит в основе современных класси-фикационных схем макро и микромицетов.

В ряду открытий всемирного значения этого периода открытие Д.И. Ивановским в 1892 г вируса табачной мозаики, которое после открытия вслед за ним ряда других виру-сов обеспечило формирование новой наки – вирусологии (1898 Р. Лефлер и П. Фрош – вирус ящура, 1901 Д. Кэррол – вирус желтой лихорадки, 1915 Ф. Туорт, 1917 Ф. д Эр-рель –вирусы бактерий бактериофаги).

Это период также знаменателен тем что удалось доказать индивидуальность микро-бов и выделить их в чистых культурах. Каждая культура могла быть размножена и вы-ращена на питательных средах в целях восроизведения различных природных процессов (брожения, окисления и пр.) В этот период начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, а также получение некоторых продуктов метаболизма бактерий (ацетона, бу-танола, лимонной и молочной кислоты. Во Франции приступили к созданию биоустано-вок для микробиологической очистки сточных вод.

Опубликована работа А. Клюйвера и Л.Х.Ц. Перкина «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов» в которой были изложены основные технические приемы, а также методические подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Эта работа положила начало промышленной био-технологии, внедрению в производство крупномасштабного герметизированного обору-дования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. В 1939-1945 гг происходило становление и развитие производства антибиотиков.

За 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, со-зданию и внедрению в практику промышленного оборудования в том числе биореакто-ров. Это оборудование используется и в настоящее время.

Четвертый период – молекулярный или генотенотехнический с 1972 г П. Берг с со-трудниками (США) получили первую рекомбинантную молекулу ДНК. А в 1982 г по-ступил в продажу генноинженерный человеческий инсулин. А в настоящее время име-ютсягенноинженерные интерфероны, фактор некроза опухоли (TNF), интерлейкин-2, соматотропный гормон человека.

К основным достижениям, которые определили развитие генетической инженерии можно отнести следующие:

1. Доказательства в 1944 г. О. Эйвери с соавт. роли ДНК как носителя генетической информации и открытия в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК.

2. Экспериментальное подтверждение универсальности генетического кода.

3. Интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали бакте-рииEsherichiacoli, а также вирусы и плазмидные ДНК.

4. Разработка методов выделения и очистки неповрежденных ДНК вирусов и плаз-мид, а также методов введения в клетки реципиента рекомбинантных ДНК, конструиру-емыхinvitro, обеспечивающих репликацию и экспрессию кодируемых ими генов.

Для генотехнического периода характерны:

1. Использование генетической и клеточной инженерии для получения новых про-дуцентов;

2. Получение моноклональных антител, гибридов и изолированных протопластов; трансплантация эмбрионов;

3. Разработка и внедрение экологически чистых и безотходных технологий;

4. Автоматизация и компьютеризация промышленного производства биотехнологи-ческой продукции.

Развитие биотехнологии революционизировало биологическую науку и дало мощ-ный толчок развитию фармацевтической промышленности на основе рекомбинантных ДНК.

Пятый период – с 2000 года нанобиотехнологии, биологическая ветвь нанотехно-логии, которой предшествовали успехи в геномике (расшифровка генома), протеомике (внеклеточный синтез белка в потоке) и, наконец, метаболомике, изучающий обмен ве-ществ организма как единую совокупность процессов, осуществляемую во взаимосвя-занныхполиферментных системах, функциональные единицы которых (ферменты –белки) являются результатом чтения генетической информации.

Новые биотехнологии осуществили революционные перевороты, например: предот-вратили деградацию лесов и обеспечили прогрессивное развитие лесного хозяйства, га-рантировали перспективу горно-добывающей промышленности за счет извлечения ме-таллов из бедных руд.

Принципы структуры организации живых организмов

Для организмов, населяющих нашу планету, характерны различные формы структурной организации. Наиболее часто встречаются следующие.

1. Одноклеточный организм. У таких организмов все функции жизнедеятельности выполняет одна-единственная клетка. При размножении одноклеточный организм обычно делится надвое, и каждая дочерняя клетка представляет собой новый организм. Одноклеточными организмами являются большинство бактерий, многие протисты (инфузория туфелька, амеба, хлорелла.,эвглена, зеленая и др.).

2. Сифоновая организация. Тело некоторых организмов представляет собой одну гигантскую многоядерную, часто разветвленную клетку. Такая структурная организация называется сифоновой. Она характерна для некоторых грибов (например,мукор а) и водорослей (например, каулерпы). На рисунке 68 вы видите, что тело каулерпы разделено на части, напоминающие листья и корни.

3. Колониальная форма. Среди водорослей часто встречаются колониальные формы в виде собрания отдельных клеток, объединенных слизью в одно целое. Форма таких колоний, их размеры и количество слизи у разных водорослей могут существенно различаться. В отличие от многоклеточных организмов колониальные формы состоят из слабо дифференцированных и относительно самостоятельных клеток. На отдельные раздражители у таких организмов часто реагируют отдельные клетки, а не вся колония в целом. В большинстве случаев клетки, искусственно извлеченные из колонии, не погибают, а приступают к активному делению, формируя новые колонии.

Только у немногих колониальных водорослей наблюдается специализация клеток. Например, у вольвокса большинство клеток колонии — вегетативные, они мелкие и не принимают участия в процессе размножения. Между ними разбросаны более крупные — генеративные — клетки, обеспечивающие размножение вольвокса.

Вольвокс представляет собой полый шар диаметром около 1 мм, состоящий из полужидкого студенистого вещества, в которое погружены клетки (рис. 69). Каждая из них имеет два жгутика. Клетки находятся у самой поверхности студенистого вещества, так что жгутики выступают наружу. Соседние клетки колонии соединены меязду собой цитоплазматическими мостиками, что дает им возможность координировать свои реакции. Благодаря согласованной работе жгутиков вольвокс перекатывается в воде (s.вольвокс:/ означает s.катящийся:/).

Колониальные организмы типа вольвокса рассматриваются как переходная форма от одноклеточных организмов к многоклеточным. Колониальные формы встречаются не только среди водорослей, но и в других группах живых организмов.

4.Многоклеточный организм. Тело многоклеточных организмов состоит из большого количества клеток. Клетки многоклеточного организма имеют одинаковый набор хромосом и генов, но при этом различаются по форме, размерам, расположению в организме, функциям. Различные типы клеток образуются путем клеточной дифференцировки— приобретения клетками индивидуальных специфических различий в ходе развития (рис. 70). С повышением уровня сложности организма число различных типов клеток в нем увеличивается. Благодаря специализации клеток возрастают функциональные способности организмов. Многоклеточными являются многие водоросли и грибы, а также все растения и животные.

Дифференцировка клеток приводит к формированию у растений и животных (кроме губок и кишечнополостных) тканей и органов.