1 Критерии и методы оценки безопасности генетически модифицированных организмов

Риск и оценка риска. По наиболее общему определению риск – это вероятность нежелательного события. Учитывая также величину потенциального ущерба в случае, если данное событие будет реализовано, риск определяется математическим выражением:

риск = вероятность × последствие,

или

риск = вероятность негативного воздействия фактора риска × величина последствий воздействия.

Часто риск определяют через взаимодействие фактора риска и экспозиции (exposure), т.е. степени, продолжительности воздействия на «мишень» (здоровье человека, окружающую среду). Степень подверженности «мишени» тому или иному фактору риска выражается как частота и продолжительность контакта человека или другого биологического объекта, например экосистемы, с вредным веществом определенной концентрации. Следовательно, подверженность фактору риска пропорциональна вероятности и величине (значимости) воздействия фактора риска на существо (объект) этого воздействия. А риск определяется как

риск = фактор риска × подверженность «мишени» фактору риска (экспозиция).

Риск генно-инженерной деятельности (ГИД). Для получения экономической выгоды от внедрения биотехнологии в производство в настоящем и будущем в каждом государстве должен функционировать регуляторный механизм, который обеспечит безопасное и устойчивое развитие. Обязательным компонентом такого механизма является идентификация и минимизация любых потенциальных рисков для здоровья человека и окружающей среды, возникающих вследствие генно-инженерной деятельности. При этом оценка риска производится на всех уровнях манипуляций с ГИО: от лабораторных исследований до широкого внедрения ГИО или продуктов, содержащих ГИО, на товарный рынок.

В соответствии с действующими международными правовыми документами (в частности директивными документами Европейского союза) целью процедуры оценки риска ГИД является идентификация всех возможных вредных для здоровья человека и окружающей среды прямых и непрямых, немедленных и отдаленных воздействий ГИО; оценка вероятности осуществления данных воздействий в рамках рассматриваемой ГИД и размера ущерба здоровью человека и окружающей среде при допущении, что они осуществятся.

В итоге процедура оценки риска должна дать ответ на следующие вопросы:

1. Является ли потенциальный риск ГИД приемлемым в сопоставлении с выгодами, получаемыми в результате ее осуществления?

2. Имеются ли регуляторные механизмы, адекватные для безопасного осуществления ГИД?

Принцип принятия мер предосторожности. Источники появления и применения принципа принятия мер предосторожности проистекают из экологического общественного движения 70-х гг. прошлого века, когда он был сформулирован как реакция на скептицизм относительно возможности научной оценки риска и предотвращения вредных последствий применения сложных технологий. Принцип гласит, что при отсутствии необходимых знаний (научная неопределенность) предпочтительнее осуществлять меры безопасности с избытком, страхующим здоровье человека и окружающую среду в случае ошибок в оценке риска. Принятие мер предосторожности является политической аксиомой. Строгая (жесткая) интерпретация принципа – никаких неприемлемых рисков – требует «высокого стандарта» доказательств о безопасности технологии ГИД от тех, кто ее внедряет. Практически это требование интерпретируется выражением – «не предпринимай никаких действий, пока ты не уверен, что они не нанесут вреда» (т.е. риски исключаются или пренебрежительно малы). Груз ответственности за биобезопасность ГИД на ее апологетов налагает и менее строгая (мягкая) трактовка принципа предосторожности – отсутствие полноты знаний не оправдывает бездействие (ибо потворствует нанесению вреда). Комиссия ЕС выработала правила использования принципа принятия мер предосторожности в процедурах оценки и управления риском ГИД «прозрачным» образом:

• Адекватность. Меры по управлению риском ГИД должны быть пропорциональны желаемому уровню защиты, а не должны ставить своей целью снижение риска до нуля.

• Отсутствие дискриминации. Сходные ситуации при оценке и управлении риском ГИД не должны рассматриваться различным образом, а различные ситуации не должны рассматриваться сходным образом без объективных оснований осуществлять оценку именно таким образом.

• Пропорциональность соответствия. Меры по управлению риском ГИД в условиях, когда получены все необходимые данные, не обязаны быть точь-в-точь такими, как принимавшиеся ранее в подобных случаях – главное эффективность.

• Изучение выгоды и стоимости действия или отсутствия действия. Такое изучение должно включать экономический анализ (расчет соотношения цены и выгоды), когда он возможен и выполним.

• Изучение научного развития. Меры по управлению риском должны иметь предварительный (временный) характер в ожидании возможности получить более достоверные научные данные. Научные исследования должны продолжаться до получения более полных данных.

• Учет развития научных данных о факторе риска при его оценке. Новые научные данные по фактору риска немедленно учитываются в алгоритмах оценок и действиях.

Применяемая в разных странах методика оценки риска ГИД в большей или меньшей степени соответствует приведенной выше системе оценки риска. Требования к процедуре оценки риска ГИД, характерные для Европейского союза, приведены в директивных документах ЕС, являющихся базовыми, на основании которых разработаны соответствующие процедуры многих европейских стран, в том числе Республики Беларусь. Оценка риска возможных неблагоприятных последствий использования ГИО включает следующие этапы:

1. Выявление любых генотипических и фенотипических характеристик ГИО, связанных с генетической модификацией, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на здоровье человека и окружающую среду (выявление факторов риска ГИД). При этом сравнительный анализ ГИО и традиционного аналога в предполагаемых условиях осуществления ГИД будет способствовать идентификации неблагоприятных эффектов, обусловленных именно генетической модификацией исходного организма.

2. Оценка возможных последствий каждого неблагоприятного воздействия ГИД, если оно осуществится.

3. Оценка вероятности неблагоприятного воздействия каждого идентифицированного фактора риска с учетом характера среды осуществления ГИД и ее особенностей.

4. Оценка риска, обусловленного его каждым идентифицированным фактором.

Р исунок 17 – Компоненты идеальной системы оценки риска

5. Оценка совокупного риска использования ГИО на основе оценки вероятности воздействия и масштаба последствий выявленных факторов риска.

6. Вынесение рекомендаций относительно того, являются ли риски приемлемыми или регулируемыми, включая, если это необходимо, определение стратегий для регулирования таких рисков.

Требования законодательства к полевым испытаниям трансгенных растительных организмов

Наиболее часто рассматриваемыми факторами риска для окружающей среды, связанными с использованием ГМО, являются риски, связанные с высвобождением трансгенных растений при введении их в сельскохозяйственную культуру. Это вполне объяснимо, так как воздействия ГМ-растений на природные ландшафты обусловлены их способностью распространяться на обширные территории и сохраняться там достаточно долго. При этом учитываются:

1. эволюционно закрепленная способность к обмену генетическим материалом посредством пыльцы, которая переносится на значительные расстояния с помощью ветра, насекомых и др.;

2. способность к образованию специальных вегетативных органов (клубней, столонов, корневищ), позволяющих выживать в неблагоприятных условиях, быстро размножаться и заселять новые участки местности.

Предотвращение возможного негативного влияния трансгенных растений при их высвобождении является одной из важнейших задач, решаемых учеными и государственными органами охраны природы. В лабораторных условиях изучают генетические механизмы регуляции экспрессии новых, в первую очередь хозяйственно-ценных, признаков ГМ-растений, но эти растения физически изолированы от окружающей среды и не представляют для нее никакой опасности.

Проведение полевых испытаний является следующим шагом изучения трансгенных растений, так как оно проводится в реальных климатических условиях, но с соблюдением изоляции от окружающей природы, на специальных испытательных полях (полигонах). Полигон является охраняемым полем размера ≤1 га, которое обустраивают так, чтобы предотвратить несанкционированное перемещение семян и вегетативной массы испытуемых растений (рисунок 18).

Основными целями выращивания ГМ-растений на испытательном поле является изучение генетических, физиологических и других механизмов формирования хозяйственно-ценных признаков, заданных введением в генотип испытуемых растений определенных генов, а также исследование возможных генетических механизмов интродукции чужеродных генов в живые организмы окружающей природы и их последствий. При этом интродуцированные в растения гены не должны попасть с пыльцой в окружающую среду, так как она может оказаться вовлеченной в скрещивания с растениями, произрастающими на окружающей полигон местности; кроме того, ни семена, ни растительные остатки трансгенных растений не должны попасть в пищевую цепочку животных, а тем более – людей. На основании результатов оценки ожидаемых и непредвиденных рисков при выращивании трансгенных растений в условиях испытательного полигона принимается решение о возможности (невозможности) их выпуска в коммерческое производство.

Маркировка продукции, содержащей ГМИ. В разных странах используются различные нормативные требования в отношении маркировки продукции, содержащей ГМИ. В частности, в России и странах ЕС допускается отсутствие маркировки ГМ-продуктов при условии, если содержание ГМИ не превышает 0,9 %. Как отмечалось выше в разделе 2.2, в Республике Беларусь принята беспороговая система маркировки и исследование продуктов из сои и кукурузы согласно перечню таблицы 4.

Постановлением Минздрава и Госстандарта Республики Беларусь «Об утверждении перечня продовольственного сырья и пищевых продуктов, подлежащих контролю за наличием генетически модифицированных составляющих (компонентов) устанавливает порядок исследований и перечень продуктов, содержащих сою и кукурузу.

Методы детекции ГМИ. Цель анализов по определению ГМИ заключается в определении и количественной оценке в заданной матрице генетических элементов или белков, свойственных генетически модифицированным организмам и произведенным из них продуктов.

При детекции ГМИ в практике используются следующие основные методы, основанные на:

• выявлении белков-продуктов трансгенов (ELISA-тест);

• детекции фрагментов ДНК, характерных для трансгенных вставок;

• полимеразная цепная реакция (ПЦР) + электрофорезе;

• ПЦР в реальном времени;

• ПЦР+детекция ДНК на биочипе.

Билет № 18

1. Механизмы памяти (кратковременные и долговременные изменения в синапсах).

Кратковременные и долговременные изменения в синапсах.

Нейроны и память. Основы памяти, как и предполагал в начале XX века великий испанский нейрогистолог, лауреат Нобелевской премии Сантьяго Рамон-и-Kахал, кроются в структуре нейронных ансамблей, особенностями формирования которых в онтогенезе и управляют гены. Действительно, с морфолого-физиологической точки зрения любой поведенческий акт или процесс обучения обусловлен формированием и замыканием новых нервных связей, т.е. памятью. При этом, поскольку запоминание часто происходит мгновенно, по всей вероятности, физиологической основой этого события является прорыв не функционировавших ранее синаптических контактов между нейронами, включенными в выполнение такой реакции. Эти синапсы являются предсуществующими: они формируются в результате химического взаимодействия дифференцирующихся в онтогенезе нервных клеток и как бы ждут, когда придет их черед, когда возникшие в ходе жизни функциональные нагрузки "включат" их в общую, активно работающую в определенных условиях, нервную сеть.

Раньше исследователи постулировали, что образование новых нервных связей и соответственно их включение в функционирование нейронных ансамблей обусловлены образованием и ростом новых отростков, соединяющих изолированные нейроны. Однако скорость этого роста слишком мала (миллиметры в сутки), чтобы объяснить процесс быстрого запоминания. Отмечаемые порой различия в активности генетического аппарата или отдельных генов между хорошо и плохо обучающимися линиями животных являются их исходной характеристикой, сложившейся в процессе дифференцировки мозга в онтогенезе и обусловленной генетически детерминированными межлинейными различиями. Можно назвать и такие генетически детерминированные особенности мозга, от которых зависит эффективность его функционирования:

• масса ткани, количество составляющих ее клеток, что в свою очередь определяется соотношением размножения и гибели клеток в ходе онтогенеза;

• способность нейронов к образованию отростков и синаптических окончаний – контактов между клетками: чем больше отростков и синапсов образуется в ходе онтогенеза и клеточной дифференцировки и чем больше связей установится между клетками, тем лучше;

• способность образовавшихся синапсов к функционированию;

• региональные особенности распределения клеток внутри органа, соотношение нервных и вспомогательных, глиальных клеток;

• адаптивные и регуляторные способности клеток;

• способность определенных клеток погибать в определенный момент индивидуального развития, дабы обеспечить более эффективное функционирование оставшимся в живых нейронам.

Говоря о длительности хранения информации, т.е. памяти, мы будем опираться на механизмы этого процесса: электрофизиологические процессы, биохимические реакции и структурные изменения в нейронах и синапсах ЦНС. При этом значение временного параметра (длительность хранения информации) также сохраняется, т.е. можно говорить о кратковременной, промежуточной и долговременной памяти.

Кроме того, в раннем онтогенезе следует выделить память, образующуюся по механизму импринтинга, которая связана с экспрессией в нейронах мозга специфических ранних генов cfos и cjun, функцией которых является перестройка работы генетического аппарата нервных клеток под влиянием запечатлеваемого воздействия. По механизму импринтинга у взрослых животных запечатляется действие жизненно значимых подкрепляющих факторов. По мере индивидуального развития механизм импринтинга все больше уступает место другим механизмам памяти.

Кратковременная (электрофизиологическая) память. Этот вид памяти формируется на основе непосредственного сенсорного отпечатка внешнего мира. Запоминание любой информации начинается с электрофизиологических процессов в нейронных сетях головного мозга (возникновение ВПСП – возбуждающего постсинаптического потенциала, ПД – потенциала действия, выделение различных медиаторов в синаптическом аппарате мозга). Это свидетельствует о том, что в основе механизма кратковременной памяти лежит импульсная активность нейронов и, в частности, циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям. Считают, что в замкнутых нейрональных цепочках циркуляция длится минутами, сохраняя информацию в виде последовательности импульсов, передающихся от нейрона к нейрону. Известно, что пока циркуляция продолжается, сохраняется нейрональный след о прошлом воздействии того или иного раздражителя на организм.

Промежуточная (нейрохимическая) память. Это процесс перевода кратковременной памяти в долговременную, который продолжается несколько часов. Следы кратковременной памяти становятся устойчивыми примерно через 4 часа. В консолидации памяти (так еще называют промежуточную память) важную роль играют нейропептиды. Известно, что пептиды могут находиться в пресинаптических терминалях в качестве сопутствующего медиатора. Например, вместе с норадреналином часто выделяются нейропептид У, опиоидные пептиды, соматостатин. Дофамин обычно выделяется окончаниями аксонов вместе с холецистокинином, энкефалином; ацетилхолин – с вазоактивным интестинальным пептидом (ВИП), энкефалином, люлиберином; серотонин – с веществом Р, тиреолиберином, холецистокинином.

Нейропептиды оказывают пре- и постсинаптическое модулирующее воздействие. Доказано, что выделение пептидов в пресинаптических окончаниях зависит от частоты работы нейрона, при этом избыточное выделение пептида-спутника всегда наблюдается при усилении активности нейронов. Пептид-спутник может значительно повысить сродство рецептора постсинаптической мембраны с основным медиатором. Например, ВИП усиливает сродство с ацетилхолином более чем в 10000 раз.

Повышение содержания нейропептидов обнаружено в цереброспинальной жидкости животных при обучении. Это дало основания Г.Унгару ставить вопрос о возможности переносов выработанных навыков от одного животного к другому с помощью образованных в ходе обучения и «отвечающих» за соответствующий навык специфических пептидов. Гипотеза Г. Унгара основана на фактах обнаружения накопления в мозгу особого пептида, кодирующего страх темноты и способного транспортировать этот страх от обученных доноров к необученным реципиентам. Пептид с такими свойствами скотофобин (в пер. с греч. боязнь темноты) был синтезирован и использовался в различных лабораториях для проверки способности переноса химическим путем определенной информации. Было установлено, что скотофобин действительно вызывает стрессовую реакцию животных в темноте.

Установлено, что животные с врожденным дефектом выработки вазопрессина не способны к образованию оборонительных навыков. Выработка навыка восстанавливается у них только при дополнительном введении вазопрессина. Характерно, что при этом у животных затрудняется не процесс обучения, а консолидация сформировавшихся энграмм (следов, оставляемых в мозгу тем или иным событием, в частности, при обучении). Другой олигопептид окситоцин нарушает сохранение выработанных навыков независимо от типа обучения животных. Нейропептиды в механизмах памяти тесно взаимодействуют в синапсах с медиаторами, и после обучения кругооборот катехоламинов в мозгу увеличивается. Заметно улучшают память эндогенные опиатные пептиды эндорфины и энкефалины.

Долговременная (нейроструктурная) память. Структурные изменения в нейронах являются морфофизиологической основой долговременной памяти. Ее отличают длительность (часы, дни и на протяжении всей жизни при повторении информации) и практически безграничный объём. Долговременная память по своему механизму качественно отличается от кратковременной и промежуточной памяти, так как не нарушается при многих экстремальных воздействиях на мозг: при механической травме, электрошоке, наркозе и др. Долговременная память формируется на основе кратковременной и промежуточной, при этом важную роль играют синаптические процессы.

Под влиянием обучения в центральной нервной системе увеличиваются размеры нейронов и количество выделяемых медиаторов, разрастаются дендриты, увеличивается число шипиков на них, количество коллатералей аксонов – все эти явления в течение месяца исчезают. Одни и те же медиаторы могут оказывать разные эффекты в процессах усвоения и хранения информации. Серотонин, в частности, ускоряет обучение и удлиняет сохранение навыков при положительном эмоциональном подкреплении, например пищевом, и блокирует у животных выполнение оборонительных навыков. Норадреналин ускоряет обучение в условиях применения отрицательного подкрепления (электрокожного).

После открытия способа кодирования генетической информации в ДНК (генетической памяти) и успешного изучения иммунологической памяти были предприняты попытки отыскать молекулярные основы нейронной памяти, т.е. возможного нервного субстрата энграммы. Открытие структурных изменений нейронов в ходе формирования памяти дало основание предполагать ключевую роль синтеза белка в консолидации памяти.

К отличительным особенностям генома нервных клеток относится их высокий по сравнению с другими тканями уровень функционально активных (транскрибируемых) последовательностей ДНК. Для нервных клеток характерно также прогрессирующее увеличение в них (в течение индивидуальной жизни) численности открытых для синтеза уникальных кодонов ДНК, чего не происходит в тканях других органов. В частности, у эмбриона человека в возрасте 22 недель количество активных генов в нервной клетке составляет 8,2%, у взрослого человека эта величина достигает 24,6%, а в некоторых зонах мозга – 38%, тогда как в мышцах с возрастом она не меняется. Транскрибируемость ДНК и ее синтез в нейронах увеличиваются при обучении животных и содержании их в условиях информационно обогащенной среды. Блокада синтеза ДНК или РНК препятствует переходу кратковременной памяти в долговременную в результате нарушения синтеза белка.

2. Поликультура как пример жизнеспособного устойчивого сельского хозяйства.

Билет № 19

1. Экология и биотехнология.

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

Научные открытия происходят не часто, однако когда они происходят, то получают широкий общественный резонанс, находят практические приложения, будят споры юридического, политического, морального и экономического характера. Все это становится реальностью с новыми открытиями в области генетических технологий. В этом случае происходит ломка традиционных научных догм, открываются перспективы коренного преобразования производства, встают беспрецедентные юридические и этические проблемы, касающиеся ответственности ученых перед обществом.

Изменить генетическую программу развития организма, заставить миниатюрные «фабрики» выпускать новую продукцию, – вот главная стратегия, которую использует современная биотехнология. Наука биологического цикла – генетика – смещает акценты на изучение кодирования, передачи и декодирования генетической информации. Такое понимание предмета биологии оказывается весьма плодотворным, поскольку она становится строгой и точной наукой, в основе которой лежит абстрактный и аналитический подход к явлениям жизни. Живые организмы – это сложные системы, функционирование которых, в конечном счете, подчиняется определенной логике, а изучение процессов и форм их организации возможно на основе анализа структуры и упорядоченности. Такой взгляд на природу живых существ резко отличается как от привычного, который на первый план выдвигает многообразие проявлений, внутреннюю целесообразность, эстетические качества, так и от традиционного, свойственного натуралистам, изучающим образ жизни и внешние условия существования организмов. В основе биологии этого типа лежат функциональные абстракции: понятие информации, представление об универсальном коде, идея внутренней программы, управляющей процессами на уровне клетки.

Начало экспериментальной биологии было положено опытами Г.Менделя, который установил существование факторов, осуществляющих передачу признаков у растений по наследству. Впоследствии выяснилось, что носителями такой информации являются молекулы ДНК, расшифровка которых была осуществлена Л.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году. С этого времени молекулярная генетика приобрела статус ведущей биологической дисциплины, фактически к 1965г. позволила установить природу гена и расшифровать механизмы рекомбинации ДНК. Благодаря этому стало возможным воспроизвести ДНК в искусственных условиях, и выделить первые рестриктазы – своеобразные биологические ножницы, на основе чего стало реальным выделение генов как фрагментов ДНК, а также лигаз, способных сшивать эти фрагменты. Это позволило конструировать генетические структуры по заранее намеченному плану.

Единицы наследственности – гены – определяют наследственные формы организмов, каждый ген отвечает за синтез присущего только ему типа белка и в конечном итоге – за свойство организма, определяемое данным белком. Ген представляет собой отрезок ДНК, несущий информацию, необходимую для синтеза одного белка в закодированном виде. Гены в клетках функционируют не все одновременно – часть генов находится в активном (функциональном) состоянии, а часть в пассивном. В каждой дифференцированной клетке (например, клетке печени, или почки, или кожи и т.п.) в активном состоянии находятся только те гены, которые определяют ее специфическую структуру и функцию. Для того чтобы придать организму новое наследственное свойство, необходимо ввести в него соответствующий ген (группу генов) и добиться его функционирования в соответствующих клетках. Таким образом, возможна передача наследственных свойств от одного организма к другому неполовым путем.

Уровень достигнутых знаний в понимании сущности наследственности и разработанность методов исследований сделали возможным переход к направленному конструированию молекул наследственности, отдельных клеток и целых организмов.

Биологи уже не ограничиваются изучением жизни как конечного продукта эволюции, они активно вмешиваются и создают новые варианты живых организмов, которые отсутствуют в живой природе. Благодаря этому возникли новые направления в биологии – генетическая и клеточная инженерия, которые составляют предмет генной инженерии. В узком смысле «генная инженерия» относится к отдельному гену или генам, в задачу которой входят выделение, конструирование и клонирование новых рекомбинантных генов и молекул ДНК, создание банков генов. В широком смысле генетическая инженерия изучает проблемы направленного конструирования с помощью методов генной инженерии новых живых существ с заданными наследственными признаками и свойствами.

Для того чтобы изучать структуру генома (совокупности всех генов данного организма) или его отдельные гены, нужно иметь банк или библиотеку генов. Банк может быть полным или частичным. Подсчитано, например, что у кишечной палочки генов должно быть примерно 850, для дрозофилы – около 30 тысяч, а для кролика – 600 тысяч.

Первый банк генов был впервые создан в 1976 году для кишечной палочки, а сейчас эта работа развернута для всех видов организмов. В Беларуси уже созданы банки генов для некоторых растений, как, например, создана частичная клонотека генома ячменя и картофеля.

Банки, или библиотеки, генов служат источником материала для изучения регуляции, структуры и функционирования генов и белков в организме. Их можно также использовать для сохранения генофонда исчезающих видов и, конечно, для конструирования новых генетических структур.

За сравнительно короткий срок своего существования генетическая инженерия позволила успешно манипулировать отдельными генами вирусов, бактерий и дрожжей с целью конструирования организмов с заданными наследственными признаками и свойствами для производства с их помощью микроорганизмов, лекарств, витаминов, продуктов питания, энергии и др. Хотя вероятность успешного существования новых биотехнологических проектов в целом не превышает 12-20% и лишь 60% проектов из них достигают стадии технического завершения, а 30% — коммерческого освоения, все же главной сферой современных инвестиций становится именно биотехнология. Так в США коммерческий интерес к биотехнологиям проявляют более 400 компаний, в Японии более 300 фирм и компаний. Ежегодные общие расходы США на генно-инженерные и биотехнологические исследования составляет более 500 млн $США. В Японии государственные организации совместно с частным сектором разработали десятилетнюю программу развития биотехнологии и микробиологии, на которую ассигнуется свыше 517 млн. $США. Наибольшее развитие получает мировой рынок медицинских препаратов, получаемых с использованием методов генетической и клеточной инженерии, его доля достигает 60% в общем объеме продаж. Сфера производства фармацевтических препаратов (антибиотиков, гормонов, органических кислот, вакцин) полученных такими методами очень широка. В медицине биологические препараты начинают вытеснять препараты, синтезированные химическим путем, и это связано с невиданной эффективностью биологических препаратов и невысокими энергетическими затратами на их изготовление.

С развитием биотехнологии связывают решение таких сложных проблем как энергетическая, сырьевая, продовольственная и экологическая. Можно назвать несколько перспективных направлений в этих областях. Так, одним из них является переработка стоков в анаэробных (бескислородных) условиях смешанной микрофлорой, в результате чего попутно образуется биогаз, состоящий в основном из метана и (СО2) углекислого газа. Такая переработка энергетически высокоэффективна, поскольку позволяет сохранять и концентрировать энергию, содержащуюся в различных компонентах стоков (с газом регенерируется более 80% свободной энергии). В некоторых случаях с помощью этого процесса можно получать значительную часть необходимой энергии. Так, в Китае построено более 18 млн. генераторов биогаза. В развитых странах с высоким потреблением энергии превращение отходов в биогаз может покрыть лишь несколько процентов их энергетических потребностей. Тем не менее, на крупных заводах по переработке отходов биогаз часто сжигают в тепловых машинах, которые приводят в действия электрогенераторы.

Производство белка – другая важная задача, которую можно решать с помощью биотехнологии. На протяжении десятилетий активно обсуждаются и исследуются перспективы увеличения доли белка микроорганизмов в общем балансе производимого во всем мире белка. Такое увеличение возможно как в косвенной форме, путем введения белковых добавок в корм животных, так и в прямой, путем получения продуктов питания.

Чтобы отличить такой тип продуктов от белков высших многоклеточных животных и растений, для микробного белка существует специальное название – белок одноклеточных организмов (БОО), производство которого связано с крупномасштабным выращиванием определенных микроорганизмов, которые собирают и перерабатывают в пищевые продукты.

В крупных промышленных масштабах этот процесс использовался уже в Германии: там, в ходе первой мировой войны выращивали дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые добавляли главным образом в колбасу и супы. Таким путем удавалось компенсировать около 60% довоенного импорта пищевых продуктов. Сходные процессы на основе пищевых дрожжей Candida arborea и Candida utilis использовались и во время второй мировой войны. В 60-х годах ряд нефтяных и химических компаний начали исследования и разработки по созданию новых процессов получения белка одноклеточных организмов, предназначенного для добавления в пищу людям и животным. В какой-то мере это было связано с недостатком белковой пищи в мире. В качестве субстратов использовали нефть, метан, метанол и крахмал.

Биотехнология используется и в тяжелой промышленности, в том числе и металлургии. Способность микроорганизмов накапливать металлы, известна уже давно. Некоторые прогрессивные технологии уже включают биологические процессы для получения металлов в растворенном состоянии или в виде твердых частиц из моечных вод, остающихся от переработки руд в горнодобывающей промышленности (реутилизация руд). А процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах.

Важная ветвь современной биотехнологии связана с производством лекарственных веществ: инсулина, интерферона, гормонов роста, вакцин, производства антибиотиков. Инсулин применяется для лечения сахарного диабета. Благодаря этому препарату миллионы людей имеют возможность вести практически нормальный образ жизни, тогда как без систематических инъекций им грозили бы инвалидность и смерть. Традиционно инсулин добывают из надпочечников животных, однако потребность в нем так велика, что значительная его доля уже сейчас производится с помощью методов биотехнологии. Еще одно обстоятельство заставляет прибегать к помощи биотехнологии. Животный инсулин не всегда хорошо воспринимается организмом человека, бактерии же производят вещество, полностью идентичное натуральному продукту.

Интерферон вырабатывается клетками организма в ответ на действие вирусов. Интерферон сразу был признан эффективным средством борьбы с вирусными заболеваниями. Однако экстрагирование этого вещества из донорской крови не может удовлетворить потребностей практики. Стоимость его также очень высока. Поэтому сейчас налаживается производство интерферона при помощи биотехнологического производства. Интерферон предполагается использовать для лечения и профилактики рака.

Сфера применения гормонов роста не столь широка, как у инсулина и интерферона. Примерно один ребенок из 5 тысяч страдает их недостатком. В Англии ежегодно около 600 детей проходят курс лечения гормонами роста, в США – около 2 тыс. Инъекции проводятся примерно 3 раза в неделю. Лечение оказывается довольно успешным, в результате карлики сейчас встречаются значительно реже, чем 50 лет назад. Гормоны роста вырабатываются в организме небольшой железой – передней долей гипофиза. Вес это доли – меньше одной десятой грамма, и лишь небольшая часть клеток занята выработкой гормона роста. Раньше эти гормоны для терапевтических целей получали из трупов. Обеспечение курса лечения одного больного в течение года требовало обработки 70 желез. Соответственно стоимость лечения была очень высокой.

Использование гормонов роста в медицине ограничено, однако открывается новое поле их применения – для стимулирования роста скота. Правда, здесь требуется осторожность, так как остатки этих веществ с мясом могут попасть в организм человека и вызвать нежелательные последствия.

Активное внедрение методов генной инженерии в промышленную микробиологию открыли новые возможности в вопросах направленного конструирования штампов с заданными новыми и улучшенными свойствами. Таким путем создано многих бактериальных штаммов, клетки которых содержат искусственно веденные, реплицирующиеся и активно функционирующие гены, программирующие синтез многих ценных, в том числе несвойственных бактериям, соединений.

Первые попытки получения направленных изменений у растений были предприняты еще в конце 20-х – начале 30-х годов ХХ века, в частности, в агроселекционных разработках, осуществляемых под руководством и при самом непосредственном участии академика Н.И.Вавилова. Однако лишь благодаря серьезной технической оснащенности научных лабораторий, только к концу 60-х – началу 70-х годов в странах Западной Европы и СССР удалось осуществить полномасштабный прорыв в этом сложнейшем направлении научной деятельности.

В отношении отечественных разработок следует отметить ВНИИ прикладной молекулярной биологии и генетики ВАСХНИЛ (лаборатория И.В. Турбина) и Институт генетики и цитологии АН БССР (Н.А. Картель). Наследственные изменения у растений под действием чужеродной ДНК были получены также Леду (Бельгия) на арабитопсисе, Хессом (ФРГ) на петунии, В.А.Курдюмом и В.В.Моргуном (Киев) на кукурузе и некоторыми другими исследователями.

Уже к середине 80-х годов стало реальным конструирование растений с заданными свойствами, когда гены бактериального, животного и растительного происхождения успешно работают в растительном геноме. Именно таким путём «сконструированы» растения с признаками, которых они раньше никогда не имели и которые невозможно создать традиционными методами селекции. В этом же русле были поставлены опыты по переносу гена запасного белка таксономически отдаленного вида растения – бобов в клетки подсолнечника. В результате были созданы химерные культуры, получившие название сан-бин (от английских названий подсолнечника и бобов), в которых шел нормальный синтез белка. По своей структуре и биологическим свойствам образующийся белок был аналогичен белку бобов.

Как видим, огромные возможности открывает генетическая инженерия в сельском хозяйстве. Как известно, численность населения на земном шаре уже достигла 6,5 млрд. человек. В то же время в мире производится только около 25 млн. т пищевого белка, которого хватает для удовлетворения потребностей в полноценном питании лишь половины населения земного шара. Статистика свидетельствует, что ежегодно в мире 1 млрд. человек недоедают, а 400 млн. – голодают. Согласно прогнозам к 2025 году численность населения на земном шаре достигнет более 8,5 млрд. человек. Поэтому, чтобы обеспечить хотя бы минимальные пищевые потребности, необходимо в ближайшие 25 лет резко увеличить производство пищевого белка, довести его количество хотя бы до 45-50 млн. т в год. Естественно, здесь важная роль отводится генетической инженерии, методы которой позволяют резко повысить эффективность микробиологического синтеза, т.е. создать новые штаммы – сверхпродуценты аминокислот, витаминов, ферментов и других веществ.

Американская фирма “Монсанто” на основе трансгенных растений, полученных на сорте Russet Berbank, создала коммерческие сорта таких сельскохозяйственных культур, как картофель, устойчивый к колорадскому жуку (New beat); хлопок, устойчивый к насекомым и вирусным болезням (Billiard); кукуруза, устойчивая к кукурузному мотыльку Gild Gard и целый ряд других.

По различным оценкам мировой рынок сбыта сортов растений, полученных методами клеточной и генетической инженерии, уже в начале этого века составит более 95 млрд. долл. Предполагается, что доходы от использования биотехнологии в сельском хозяйстве будут сравнимы с доходами нефтехимической промышленности.

Области применения генетической инженерии в растениеводстве достаточно широки, и используются для генетического усовершенствования сортов растений, повышения устойчивости к заболеваниям, вредителям, инсектицидам; повышения урожайности, процентного содержания белков, сахаров и масел; повышения устойчивости растений к засухе, холоду; повышения кислотоустойчивости растений; создания азотофиксирующих растений, расширения спектра растений – симбионтов и др.

Первая экспериментальная попытка введения чужеродного гена в геном животного (мыши) была осуществлена еще в 1980 году американским ученым Гордоном. Полученные таким способом животные получили называние трансгенных. В последующие годы это направление исследований стало очень быстро развиваться в различных странах. Первыми были получены измененные (мутантные) под действием чужеродной ДНК плодовые мушки дрозофилы. Однако, лишь в 1985 г. Р. Земмеру вместе с сотрудниками удалось получить первых трансгенных сельскохозяйственных животных – кроликов, овец, свиней.

Даже из такого весьма краткого изложения истории вопроса видно, что получение трансгенных животных оказалось не только возможными, но и перспективными с точки зрения решения различных научных, народно-хозяйственных, медицинских и экологических задач. И, несмотря на то, что по ряду важных моментов и проблем еще не преодолен “мышиный барьер” (т.е. использование в качестве модели трансгенных мышей), у данного направления многообещающие перспективы. До появления генетической инженерии главными способами получения животных с необходимыми свойствами были отбор и селекция. Селекция, осуществляемая на протяжении многих поколений, может оказать воздействие на природу организма. С помощью этого метода удалось вывести организмы, обладающими свойствами, более нужными человеку, чем самому организму в его естественном окружении. Однако с помощью селекции можно воздействовать только на организмы, уже существующие в природе, благоприятствуя тем из них, чей геном, т.е. весь набор генов, обусловливает синтез желаемых продуктов. Селекция не способна ввести в геном новую информацию и в этом ее принципиальное отличие от генетических технологий. Сейчас опыты по созданию трансгенных животных с различного рода новыми ценными признаками ведутся во многих странах мира. Получение таких животных рассматривается в большинстве развитых стран как одно из наиболее приоритетных направлений.

Важность осуществления такого рода работы актуальна и для стран СНГ. «Если Россия, Беларусь и другие страны СНГ не будут уделять должного внимания развитию работ по генетической инженерии, то может повториться ситуация, которая у нас уже была с генетикой и кибернетикой. Эти науки долгое время отодвигались на второй план. В будущем даже госбезопасность наших стран будет зависеть в какой-то мере от уровня развития определенных биотехнологий. ХХІ век, по свидетельству ведущих ученых и многих политических деятелей, будет веком биотехнологий” (Картель Н.А.).

Генетическая инженерия приобретает исключительно большое значение для решения самых разнообразных практических задач медицины, сельского хозяйства, фармацевтической, химической промышленности, охраны окружающей среды.

Одновременно, огромные возможности генетической инженерии таят в себе непредсказуемые результаты. Уже после первых успешных экспериментов по получению рекомбинантных ДНК многие ученые забили тревогу: опасности заключаются, во-первых, в непреднамеренном создании новых генетических структур с неизвестными свойствами. Созданные искусственным путем организмы способны выйти из-под «контроля» человека, и могут привести к непредсказуемым последствиям в природе. Новые свойства, полученные этими организмами, органически увязаны с множеством других. И здесь встает противоречие: «общественная потребность» лишь в определенных свойствах организмов не может поставить границ их формированию и целостному функционированию со всеми известными и неизвестными свойствами. Показательными в этом отношении могут быть опыты с кишечной палочкой. Она является обычным объектом работ по генной инженерии и входит в состав флоры кишечника человека. При манипуляциях с геномом этой бактерии, возникшие новые организмы могут приобрести патогенные свойства, быть особо опасными для человека, поскольку в ходе предыдущей эволюции человеческий организм никогда не встречался с такими формами и может оказаться, поэтому безоружным.

Отсутствие предохранительных мер при проведении экспериментов является второго рода опасением, которое связано с возможностью бесконтрольного распространения за пределы лабораторий опасных клеток и может угрожать здоровью и жизни, как человека, так и всего живого на Земле. Оценка социальных последствий использования генетической инженерии возникла в 70-х годах. После опубликования результатов по созданию первых рекомбинантных молекул ДНК ученые предостерегли о возможной опасности этих экспериментов и выдвинули целый ряд разнообразных сценариев предвидимого будущего.

Такого рода озабоченность по поводу последствий современного развития биологии далеко не беспочвенна, поскольку новые технологии, основывающиеся на генной и клеточной инженерии, дают возможность преодоления эволюционных барьеров, произвольного конструирования и перемещения генов между организмами. Это может принести человечеству значительные выгоды, но, и не исключены роковые ошибки из-за недоучета экологических последствий включения этих новых организмов в мир живой природы. В первую очередь озабоченность ученых мира обусловливается тем, что организмы, с которыми чаще всего проводят эксперименты, широко распространены и обладают способностью к обмену генетической информацией. В результате манипуляций с такими объектами не исключено создание организмов с совершенно новыми генетическими качествами, ранее не встречавшимися на Земле.

Любая технология не может быть абсолютно безопасной, поскольку в ней содержится определенный набор рисков и выгод. Это присуще как трансгенным растениям, полученным методами генной инженерии, так и к традиционным сельскохозяйственным культурам. Генетически модифицированные (ГМ) растения могут сильно отличаться по своей «генетической новизне» от традиционных культур. Они могут создать определенные экологические проблемы, поскольку ранее растения с подобным генотипом в природе не встречаются. Поэтому за созданием ГМ-растения должна следовать всестороння оценка рисков и выгод от его использования.

Риск – вероятностная величина, выражающая комбинацию опасности и продолжительности действия (экспозиции) фактора опасности.

1) Риск, возникающий при переносе генов: это т.н. горизонтальный перенос генов (то, что мы считаем генной инженерией – перенос генетической информации из одного организма в другой). Горизонтальный перенос генов, это генная инженерия, реализованная Природой. Так некоторые простейшие, (например, трипаносома и молярийный плазмодий), приобрели за последние 1 – 1,5 млрд. лет последовательность генов из хлоропластов синезеленой водоросли, а некоторые цветковые за последние 100 млн. лет – митоондриальные гены из грибов. С риском захвата территорий, вытеснением местных видов связывают перенос семян, перенос пыльцы, которые рассматриваются в основном как опасность передачи «новых» свойств дикорастущим родственникам.

2) Риск, связанный с растением как таковым. ГМ-растение может стать фактором риска, если его «новые» свойства позволяют ему стать инвазивным видом (способным захватывать территории, вытесняя местные виды) или сорняком. На практике большинство культурных растений не могут произрастать без усилий со стороны человека, однако при определенных условиях (например, томаты), обладают способностью к натурализации. Тем не менее, само по себе ГМ-растение не обязательно способно становиться инвазивным видом.

3) Риск нецелевого действия. Например, возможное действие уже упоминавшегося белка Cru Bacillus thuringiensis не на вредителя, а на другие организмы. Гипотетически это может быть прямое воздействие на полезных насекомых через пищевую цепь. Большинство обсуждавшихся негативных эффектов в этой области получены в лабораториях и ни разу не воспроизводились в естественных условиях.

4) Риск возможного увеличения применения гербицидов. Гербициды убивают и сорняки, и культурные растения, поэтому культурные растения должны быть нечувствительны к гербицидам в дозах, подавляющих сорняки. Этой цели добиваются и в традиционной селекции и при создании ГМ-растений, которые могут привести к увеличению потребления этих гербицидов (сократив расход других).

5)Риск, связанный с возможностью возникновения устойчивости вредителей и патогенов. У всех вредителей неизбежно возникает устойчивость при применении одних и тех же средств борьбы ГМ-растения устойчивые к вредителям и патогенам, сами по себе выступают в роли пестицидов, и, стало быть, могут способствовать повышению устойчивости. Чтобы воспрепятствовать этому, концентрация действующего начала в тканях растений строго контролируется.

Ясно, что риск использования ГМ-растений нередко оправдывается их определенной пользой. Например, ГМ-растения способны предотвращать эрозию почв, т.к. при их выращивании используется щадящий беспахотный метод обработки почвы. За счет перехода на беспахотный метод увеличивается биоразнообразие, снижается химическая загрязненность воды и почвы благодаря применению более «мягких» гербицидов.

Попытки управления и контроля над работами по экспериментированию с гибридными молекулами предпринимаются с середины семидесятых годов (1974 г.). Группа исследователей во главе с П.Бергом, обратилась к ученым всего мира с призывом наложить мораторий на научные исследования в двух наиболее опасных направлениях: во-первых, предлагалось воздержаться от экспериментов по связыванию с бактериями генов, кодирующих факторы сопротивления антибиотикам, и генов, кодирующих токсины. Во-вторых, предлагалось не проводить эксперименты по связыванию сегментов ДНК онкогенных или других животных вирусов, поскольку ученые не знают, могут ли эти вирусы оказаться опухолевидными. Кроме того, рекомендовалось проявлять особую осторожность при проведении «экспериментов дробовика», суть которых состоит в присоединении наугад к бактериальной плазмиде различных фрагментов ДНК животных и во введении этой плазмиды в бактерию. Опасность подобных экспериментов усматривалась в том, что многие типы ДНК животных содержат последовательности нуклеотидов, аналогичные онкогенным вирусам. Этот призыв к научному сообществу по вопросам саморегулирования научной деятельности поддержали многие ученые во всем мире.

При нынешнем, довольно ограниченном уровне исследований в этой области оценка потенциальных биологических опасностей оказалась крайне затруднительной. Это заставило прийти к выводу, что благоразумно проявлять значительную осторожность в ходе исследований. Участники конференции согласились, что большая часть работ по конструированию рекомбинантных молекул ДНК может проводится, если применяются достаточные меры предосторожности, главным образом биологические и физические барьеры, позволяющие удерживать вновь созданные организмы в пределах лаборатории.

С течением времени регламентации на проведение генетических исследований постепенно пересматривались и ослаблялись. Это связано с тем, что со времени Асиломара многие ученые стали более искушенными в вопросах обеспечения безопасности, и за минувшие десятилетия активнейших исследований в этой области не было ни одного случая с нежелательными последствиями. И хотя пока в мире не зафиксировано сколько-нибудь вредных последствий продуктов генетической инженерии, теоретически такая опасность существует.

Не могут быть приемлемыми попытки под благовидным предлогом заботы о прогрессе науки, освободится от принятых соглашений и запретов, тормозящими прогресс научных исследований. Поэтому следует объявить их, как и вообще любые дискуссии о проблемах науки «вредными», положительно оценивать мораторий на некоторые виды подобных исследований, даже понимая ограниченность такого рода мер.

Некоторые развитые страны (в частности, США), стремятся обойти запреты, принятые законом в их стране, становясь «экспортерами» того риска, с которым сопряжено введение в живую природу генетически измененных организмов.

Специалисты по генной инженерии нашли новый путь решения проблемы нескрещиваемости различных видов организмов – путь создания химерных организмов путем объединения клеток зародышей. Как известно, обычный зародыш возникает из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), которая дробится на две клетки, затем на четыре и так далее. Возникает шаровое скопление клеток, которое называется бластоцитой. Чтобы создать химеру, надо соединить две несхожие бластоциты и вырастить из них единый организм.

Началом таких работ явились исследования А.Тарковского из Краковского университета, сообщившего в 1961 г. об успешном объединении делящихся мышиных эмбрионов. Сегодня с химерами млекопитающих работают десятки лабораторий, где, в полном смысле слова “лепят животных”. В дело идут кусочки крошечных эмбрионов, а точнее фрагменты бластоцит или целые бластоциты. Объединенные бластоциты имплантируют в организм приемной матери. У новорожденных организм оказывается построенным из разных клеток, ведущих родословную не от двух, как обычно, а от четырех и более родителей.

Работа с химерами становится удобным методом в работе селекционеров. Часто хозяйственные показатели какой-то породы животных улучшаются скрещиванием ее с другой породой. Но с какой именно скрещивать? Объединение двух или более типов клеток в одной химере позволит быстро увидеть, как сочетаются признаки разных линий друг с другом. При этом становится ясно, стоит вести долгую селекционную работу по объединению признаков двух пород, или нет.

С помощью химер можно законсервировать также редкий генофонд. Если клетки животных вымирающего или очень редкого вида поместить в бластоциту другого вида, то в появившемся на свет химерическом животном будут сохранены гены исчезающего вида и со временем, есть надежда, с помощьюбиотехнологии восстановить и сами эти виды.

Научно-технические достижения в области биотехнологии, молекулярной биологии, генетики создали предпосылки для конструирования новых видов организмов, несущих как потенциальную возможность получения видов с улучшенными свойствами, так и несущих потенциальную опасность. В этой связи важно обеспечивать безопасность вновь созданных организмов и донесение этой информации до общества. Применительно к современным условиям развития биотехнологии общественное мнение формируется не только на уровне научного знания, но и на уровне обыденного сознания, когда оно наряду с элементами науки включает в себя элементы, крайне далекие от научного понимания действительности, и больше того, когда эти последние, в общем и целом превалируют в содержании мнений. Это касается вопросов клонирования, искусственного вживления органов, эвтаназии, трансплантации, исправления генов и др., то есть тех вопросов, которые непосредственно затрагивают жизненно важные интересы человека.

Средства массовой информации обеспечивают постоянный интерес общественности и такого рода исследованиям. Частично это объясняется коммерческой переориентацией фундаментальной науки, что будет ниже нами показано на примере развития геномики. «Геномика» (от лат. genomics), используется для обозначения многопланового, не имеющего устойчивых границ феномена. Центральную часть его занимают фундаментальные исследования, объединенные в рамках Международного проекта «Геном человека», который ставил своей задачей к 2003 году завершить первый этап на пути исчерпывающего описания последовательности нуклеотидов в ДНК человека (сиквентирование) и подготовки полной карты человеческих генов с их точной локализацией в хромосомах (картирование).

Реализация проекта «Геном человека» имеет важное значение для фундаментальной науки, поскольку значительно углубит знания об организации и функционировании генетического аппарата человека. Зная точно сходство и различие в строении ДНК и приматов, можно будет более достоверно реконструировать процесс антропогенеза. На основе изучения генетических сходств и различий на уровне популяций удастся более точно реконструировать происхождение человеческих рас и этносов и решать многие другие вопросы. Трудно переоценить значение геномного проекта для медицинской практики. Уже сейчас разработаны десятки новых тестов для ДНК – диагностики наследственных болезней человека. Определение локализации и физической структуры генов, ответственных за возникновение тех или иных генетических нарушений человека, дает возможность исправления наследственного материала методами генетической терапии. Следует также отметить, что осуществление проекта «Геном человека» сопряжено с революционизацией молекулярно-биологических технологий, которые впоследствии могут найти применение в диагностике и коррекции генетически детерминированных заболеваний, а также в промышленных целях.

Вместе с тем, неоднократно высказывались обоснованные предположения о том, что открытия в области генной инженерии могут вызвать процессы, представляющие большую опасность для человека. Вторжение в молекулярные механизмы наследственности не сопоставимо с селекционной деятельностью и может привести к тому, что творение станет неподвластно воле его создателя. Генная инженерия в принципе позволяет удовлетворить самые разнообразные желания человека, однако с этической точки зрения может поставить перед людьми совершенно новые проблемы. Работа с человеческим эмбрионом (например, замораживание и реактивация эмбриона через десятилетия) способна привести к драматическому столкновению поколений и т.п.

Первое клонирование человек стал практиковать еще 4 тыс. лет назад на растениях путем их размножения неполовым путем, т.е. не семенами, а черенками, почками или клубнями. Клонирование же растений из небольших групп клеток, или даже из отдельных клеток началось немногим более 20 лет назад. В лабораторных условиях почти любую изолированную и лишенную оболочки растительную клетку можно простимулировать к делению. В результате чего сначала образуется что-то вроде бесформенного недифференцированного нароста (каллуса), из которого затем образуется маленькое растеньице. Экспериментальные исследования показали, что любая растительная клетка, у которой сохранилось ядро и цитоплазма, может дать начало новому растению. Это свойство получило название тотипотентность выражающее способность растений к регенерации. При клонировании геном родителя не распределяется по потомкам, как в случае полового размножения, а копируется практически неизменным в течение многих поколений. Поэтому клонированные организмы имеют по сравнению друг с другом абсолютно одинаковый набор генов и фенотипически (внешне) не различаются между собой.

С перенесением этих технологий на животных возникли определенные трудности, поскольку у них много специализированных тканей и органов, которые отсутствуют у растений. Растения отличаются между собой устройством клеточной стенки, за которой находится более или менее однотипное содержимое. Клетки животных по сравнению с растениями гораздо более специализированы и на ранних стадиях эмбрионального развития в ходе клеточной дифференцировки на специфические ткани, происходит блокирование определенных генов, и клетки животных теряют тотипотентные свойства. Это представляет главное препятствие для клонирования взрослых позвоночных животных.

Работы по клонированию между тем в различных лабораториях мира продолжались и в 1997 г. мировое сообщество взбудоражило сообщение группы ученых из Шотландского института физиологии и генетики, работающих под руководством Я.Уилмута, о том, что методом клонирования был получен вполне жизнеспособный ягненок по кличке Долли. Он был выращен из одной-единственной клетки молочной железы овцы породы “инн дорсет”. Донором послужила черномордая овца, на которую Долли была совсем не похожа.

Появлению Долли предшествовала большая работа, проводившая вначале на эмбрионах амфибий (лягушек), мышей, кроликов. Она сводились только к клонированию эмбрионов, и еще несколько лет назад ни один исследователь не ставил вопрос об использовании в качестве доноров ядер соматических (неполовых) клеток взрослых животных. Вот поэтому ученый мир поразило сообщение группы Я. Уилмута о том, что для получения клонального животного использовалась именно такая клетка.

Использование методов Я.Уилмута позволит не только сохранить генотипы ценных трансгенных и элитных особей, но и размножать их в неограниченном количестве. Известна, правда, особенность таких животных (на примере овцы Долли), которую необходимо изучить более подробно (на примерах других) и по возможности, преодолеть. Есть сообщения, что клоном наследуется вся генетическая информация из взрослой (старой) клетки. Сколько лет рождающемуся организму? Ведь Долли быстро состарилась и умерла, не прожив обычных для овцы лет.

Освоение технологии клонирования ставит возможность возрождения давно исчезнувших видов. Так, в середине 1999 г. австралийские исследователи высказали идею о возможности клонирования тасманийского волка, который исчез из мировой фауны около 60 лет назад. Правда в музейных экспонатах существует законсервированный эмбрион этого вида, которому 130 лет.

Эдинбургский эксперимент с овцами показал, что клонирование пока сопровождается очень большим процентом неудач, из 277 испытаний единственно удачной оказалась овца Долли, поэтому всякие попытки перенесения таких методик на человека в настоящее время этически недопустимы.

Можно предположить, что различные страны будут по-разному использовать достижения биотехнологии и генной инженерии, в которых заложены широкие возможности применения в различных областях человеческой деятельности. Задача заключается в раскрытии этих возможностей для максимального использования их в гуманистических целях.

По сути дела, вопросы клонирования и евгеники непосредственно связаны между собой, что порождает различные подходы. Рядом ученых высказываются биологизаторские взгляды на человека и выдвигаются концепции, используемые как для оправдания господства одних людей над другими, так и для создания улучшенных людей (от eugens – хорошего рода) с целью улучшения наследственности человечества- увеличения полезных качеств и уменьшения или устранения вредных

Евгенику как науку обычно разделяют на «негативную» и «позитивную». Негативная или медицинская евгеника ставит своей задачей улучшение наследственности человека путем ограничения близкородственных браков, в результате которых скорее проявляются вредные мутации. Что же касается евгеники «позитивной», то она ставит перед собой более широкие цели: выведение «нового человека» путем селекции генотипов, полученных от потомства людей, обладающих выдающимися умственными или физическими качествами. Это направление евгеники было использовано (иногда вопреки гуманным намерениям его сторонников) разного рода реакционерами и расистами, в особенности можно отметить теоретиков и практиков фашистской «расовой гигиены» и геноцида. Подобная дискредитация идей евгеники не могла не привести к ее банкротству, хотя во многих случаях, она опиралась на ряд научно обоснованных предположений и авторитет крупных ученых, известных своими гуманистическими взглядами (Г.Мёллер, Дж.Б.С. Холдейн, Дж.Хаксли и др.).

Перспектива улучшения природы человека путем создания близнецов высокоодаренных людей привлекает многих ученых-генетиков. Однако данный процесс может привести к ряду проблем. Не приведет ли появление такой элиты к вытеснению людей, которые рождаются «обычным способом»?. Не воспользуются ли этим методом безответственные, аморальные люди, превратно истолковывающие понятия добра и зла? Производство большого количества детей от одного выдающегося индивида может быть опасна еще и тем, что любой диктатор, обладающий властью, но не обладающий способностями, может широко использовать свою власть для производства потомства.

Ряд ученых (Н.П.Дубинин, А.Т.Фролов, А.Н.Леонтьев, В.М.Гиндилис, А.Ф.Шишкин и др.)] считают целесообразным запрещение проектов, связанных с реконструкцией генетики человека, поскольку они могут быть использованы во вред человечеству. Многие считают, что само знание здесь потенциально так опасно, что его не следует делать широкодоступным, а сами евгенические процедуры неэтичны.

Развитие биомедицинской науки привело к осознанию сложности решения вопросов о практическом применении новых методов и технологий, например, при клинических испытаниях лекарственных препаратов и медицинских технологий. Эти сложности связаны с удовлетворением самых разнообразных желаний человека, таких, как продление здоровой и полноценной жизни, воссоздание некоторых личностных характеристик человека и др.. На пути достижения этих целей стоят определенные трудности, например, предстоит еще выяснить, можно ли говорить о генах, например, “интеллигентности” или “депрессивности”. Ведь тогда возможность получить, скажем, образование и занять определенное положение в обществе может быть предопределена генетическими особенностями человека без учета всего комплекса социальных, экологических и естественноисторических обстоятельств. Но без опоры на анализ этих факторов невозможно создание прочной, в том числе этической, основы, на которой могут быть применены новые технологии. Кроме того, свойства человека определяются чрезвычайно сложными генетическими структурами. Ученые сегодня еще очень далеки от их полного понимания, не говоря уже о возможностях манипулирования ими.

Каким образом связана генная технология и нооевгеника? Ответ на этот вопрос может быть дан на основе анализа основных достижений в области биотехнологии. Наиболее важным для работ с наследственным материалом человека явилось то, что в первом приближении прочитан геном человека и составлена его генетическая карта, поэтому может быть дана оценка так называемого “нормального” генетического состояния и получены ответы на вопросы: что такое здоровая наследственность, “хороший” или “плохой” ген, какая степень аномалий допустима для общества. Практика генетической диагностики вынуждает пользоваться критериями евгеники, а практическая деятельность генетических консультаций выливается в проведение своеобразной “генетической политики”. Одним из примеров такой диагностики генетической конституции, когда надо рассортировать “хорошую” и “плохую” наследственность, служит так называемая экогенетика. Эта наука претендует на преодоление экологического кризиса путем своеобразного отбора. Имеется в виду выявление определенных генов, ответственных за процессы детоксикации в организме человека. В настоящее время известно уже около 30 генетических признаков, сопутствующих повышенной чувствительности к экзогенным (внешним) факторам и потому вопрос о защите будущих поколений от угрозы генетических нарушений под действием опасных промышленных веществ принимает весьма острый характер.

Существует ли генетическая предрасположенность к действию вредных химических веществ? Не подвергается сомнению тот факт, что люди очень по-разному реагируют на ядовитые вещества, в основе чего лежат различия в обменных процессах, которые можно выявить с помощью генной технологии. Однако каждый год промышленность выпускает сотни новых химических веществ, ранее неизвестных и несуществующих в природе. Ясно, что различия в ответных реакциях людей на эти вещества невозможно объяснить проявлением лишь врожденных признаков. Здесь вступает в действие множество и других факторов – предыдущее воздействие вредных веществ, накопление их организмом, прием лекарств, общее физическое состояние и др., которые в свою очередь влияют на генетически обусловленные обменные процессы. Игнорировать сопутствующие факторы неправомерно, поэтому маловероятным кажется обещание ученых избежать риска профессиональных заболеваний, тем более, что объемы вредного промышленного производства продолжают возрастать.

Недопустимо также преднамеренно рассматривать варианты возможной социализации наследственных особенностей личности. Данные генетического анализа могут создавать не только представление о неполноценности гражданина, но и будучи включенными в информационные банки служб здравоохранения, социального обеспечения, могут использоваться против личности. Неправомерно особенности человека редуцировать до биологической оценки, которая основана на одностороннем подходе. Уже сегодня технически возможно завершение составления генетической карты человека, содержащей около 100 тыс. генов, где будет идентифицировано место каждого из генов в одной из 23 пар хромосом, и младенцу в колыбель, возможно, будут класть список его полиморфизмов и факторов риска. В этом случае в центре внимания окажутся вопросы личной свободы выбора, права человека распоряжаться собственной судьбой. Достижения биотехнологии в лечении наследственных болезней можно свести к трем основным направлениям. Первое связано с введением в организм больного человека нормального вещества, обычно белка, который ввиду генетического дефекта в организме отсутствует или имеется в дефектной форме. Белки и полипептиды можно получать в больших количествах биотехнологическим путем.

Второе направление – это введение в организм больного генетически здоровых клеток, берущих на себя функцию, отсутствующую у клеток генетически измененных. Третье направление – это выделение из организма больного генетически дефектных клеток, исправление в них генетического дефекта и обратная их пересадка.

Уровень использования результатов биотехнологий в практике жизни конкретного человека должен регулироваться социально-этическими и правовыми нормами. Информация, получаемая в результате биоисследований, должна иметь в первую очередь прогностический характер, а этические гарантии становятся при этом доминирующими. Использование генетической информации непременно должно сочетаться с учетом таких принципов как право на полное информирование, высшая степень конфиденциальности, социальная безопасность и т.п.

Очевидно, что немаловажным условием социального прогресса и возможным источником опасностей в новейшей истории выступает прогресс биотехнологический. Наступает новая эра войн – оружия новых технологий, эра войн за получение, например, более экономически выгодных способов выращивания продукции, биотерроризма и т.д. Возникают новые проблемы, связанные с будущим человека, использованием достижений биотехнологического прогресса и в этой связи с национальной и глобальной безопасностью. Принимая во внимание процессы глобализации современного мира, можно констатировать, что происходит универсализация риска и возрастание угроз. Имеется в виду тенденция постоянного возрастания возможности глобальных катастроф, касающихся каждого конкретного человека, например, перспектива последствий потепления климата или разрушение озонового слоя. Происходит глобализация риска, который охватывает огромные регионы и касается большого количества людей. Факторы риска – это объекты, явления или процессы, которые при определенных условиях могут стать опасными в каком-либо отношении. Их выявление и изучение позволяет своевременно принять меры безопасности. В реальности наших дней человечество уже столкнулось с рядом угроз имеющих биотехнологический характер.

При создании систем безопасности в расчет необходимо принимать инновационные процессы, определяемые развитием социальных систем, новых технологий, т.ч. биотехнологий.

Фактор безопасности выступает как специально созданный свод правовых норм, законодательных и исполнительных органов, а также средств, методов и направлений их деятельности по обеспечению надежной защиты разнообразных объектов. Он представляет собой непрерывный процесс, заключающийся в обосновании и реализации наиболее оптимальных методов способов и путей совершенствования и развития системы безопасности, выявлении потенциальных опасностей и угроз. Как мера противодействия опасностям разрабатываются доктрины национальной безопасности; создаются конкретные программы достижения политической, экономической и социальной стабильности современного мира.

Высокие технологии, способные стать спасением от голода и болезней для большей части человечества, могут оказаться опасными. Данные новейшей истории свидетельствуют о том, что в тех случаях, когда генетически измененные продукты появляются на рынке без должной проверки, возникают серьезные проблемы.

Экологическая безопасность предполагает сконцентрировать физические усилия, финансовые и материальные затраты не на решение исключительно локальных проблем стабилизации эколого-социальных аспектов, координацию средств всего мирового сообщества на разработку системно-целостных целевых программ комплексного решения экологических проблем современности, как первостепенной задачи выживания цивилизации. Данные науки о состоянии биосферы должны изменить сложившиеся стереотипы мышления, чтобы действия, которые совершают люди, были адекватны природным законам

2. Номенклатура, основные свойства и нейрональные эффекты цитокинов.

Цитокины. Каким образом защитные клетки, циркулирующие в крови или осевшие в органах и тканях иммунной системы, отдаленных от входных ворот (очага инфекции), получают и воспринимают сигнал опасности микробной агрессии? Как обеспечивается строгая последовательность включения отдельных типов клеток в борьбу с инфекцией? Откуда узнает иммунная система, какие именно защитные механизмы следует использовать при данной инфекции? Чтобы ответить на эти вопросы, познакомимся с семейством молекул, получивших название цитокины. Название отражает основное назначение этих молекул, которые являются переносчиками, передатчиками сигналов от клетки к клетке (по латыни клетка – cytos).

Цитокины – это небольшие белки (мол. масса (М.м.) от 8 до 80 КДа), действующие аутокринно (т.е. на клетку, которая их продуцирует) или паракринно (на клетки, расположенные вблизи). Образование и высвобождение этих высокоактивных молекул происходят кратковременно и жестко регулируются.

В настоящее время в номенклатуре цитокинов встречается ряд несоответствий. Так, многие цитокины, открытые в разных областях науки с использованием различных методик исследований, имеют несколько названий. Для цитокинов характерен сложный сетевой характер функционирования. Цитокин может обладать несколькими эффектами, разные цитокины – одинаковыми эффектами. Цитокин может воздействовать на ряд клеток и тканей организма. В большинстве случаев клетка организма является мишенью нескольких цитокинов. Один цитокин может регулировать образование и функционирование другого. Обычно отдельные цитокины служат "буквами алфавита", образующими целое "цитокиновое слово". И влияние каждого цитокина реализуется только в результате воздействия на клетку именно такого "слова". Все вышеперечисленное затрудняет создание единой классификации цитокинов.

Все цитокины, а их в настоящее время известно более 100, и численность их постоянно возрастает, по структурным особенностям и биологическому действию делятся на несколько самостоятельных групп.

Группировка цитокинов по механизму действия позволяет разделить цитокины на следующие группы:

 провоспалительные, обеспечивающие мобилизацию воспалительного ответа;

 противовоспалительные, ограничивающие развитие воспаления;

 регуляторы клеточного и гуморального иммунитета (естественного или специфического), обладающие собственными эффекторными функциями (противовирусными, цитотоксическими).

По функциональному признаку цитокины сгруппированы в несколько больших семейств:

 интерлейкины (ИЛ, IL);

 интерфероны;

 хемокины;

 колониестимулирующие факторы (КСФ, CSF);

 факторы некроза опухолей (ФНО; Tumor Necrosis Factor, TNF);

 факторы роста, в частности фактор роста нервной ткани (ФРНТ; Nerve Grow Factor, NGF).

В геноме клетки имеются специальные гены, ответственные за синтез определенных цитокинов. До определенного времени эти гены «молчат», ничем не проявляя своего присутствия. Однако стоит клетке распознать внедрение в организм микробов-паразитов, гены цитокинов переходят в активное состояние. С этих генов считывается информация о структуре соответствующих молекул, идет белковый синтез, и новые молекулы цитокинов начинают выделяться (секретироваться) клеткой в окружающую среду.

Для восприятия и распознавания различных сигналов, в том числе от внедрившихся микробов-паразитов, клетки несут на своей поверхности специальные сложно устроенные молекулы-рецепторы. Для каждого цитокина существует свой особый рецептор, к которому молекула цитокина подходит, как ключ к замку. Как только ключ-цитокин входит в скважину предназначенного для него замка-рецептора, с поверхности клетки к ядру передается соответствующий сигнал включения определенных генов в этой клетке: информация передана, воспринята и реализуется (рисунок 8).

Цитокины, являясь своеобразным межклеточным языком, позволяют клеткам общаться, взаимодействовать, объединяя усилия в борьбе с микробами-паразитами. На внедрение и размножение микробов организм отвечает мобилизацией защитных клеток и продукцией защитных молекул – иммунным ответом. Чтобы иммунный ответ состоялся, оказался достаточно эффективным, выполнил свои защитные функции и был своевременно выключен за ненадобностью, необходимы четкие межклеточные взаимодействия, которые и обеспечиваются цитокинами. Попробуем проследить, как складываются такие межклеточные взаимодействия.

Макрофаги называют клетками-мусорщиками из-за их способности захватывать, поглощать, убивать и переваривать все, с чем они соприкасаются. Часть макрофагов ведет оседлый образ жизни, найдя себе место в селезенке, в одном из лимфоузлов, в печени, в легких или даже в костях. Другие ведут блуждающий образ жизни, ползая по серозным оболочкам и передвигаясь внутри рыхлой соединительной ткани. Все они происходят из моноцитов крови, а те, в свою очередь, из промоноцитов костного мозга, которые постепенно созревают из более ранних клеток-предшественников. У макрофагов есть обратная связь с этими клетками-предшественниками: зрелый макрофаг может продуцировать специальные цитокины – ростовые факторы, которые с кровью поступают в костный мозг и усиливают процессы деления и созревания клеток-предшественников.

При инфекции, когда многие макрофаги погибают в борьбе с микробами, им на смену приходят молодые макрофаги, ускоренно созревающие в костном мозгу. Такая угроза возникает, например, при ранении, когда нарушается целостность защитного барьера кожи или слизистой оболочки. Рана служит входными воротами для микробов. Их проникновение через входные ворота и размножение в тканях организма служат сигналом мобилизации защитных клеток на борьбу с микробами. Уже во входных воротах на борьбу с бактериями-агрессорами поднимаются фагоцитирующие клетки – гранулоциты и макрофаги. Первый сигнал мобилизации эти клетки получают от самих бактерий в виде молекул их токсинов. Одновременно с фагоцитозом бактерий макрофаги начинают синтезировать и выделять воспалительные цитокины – интерлейкин-1, фактор некроза опухолей и др. Под влиянием цитокинов усиливается прилипание циркулирующих лейкоцитов к эндотелию сосудов, их выход из сосудов и мобилизация в очаг инфекции. Те же цитокины усиливают антибактериальную активность фагоцитов. Интерлейкин-1 выполняет также роль межклеточного сигнала, вовлекающего в процесс активации Т-лимфоциты и включающего механизмы специфического иммунного ответа. Активированные Т-лимфоциты пополняют ресурсы воспалительных цитокинов, синтезируя гамма-интерферон, активирующий макрофаги. Существенную помощь фагоцитирующим клеткам в борьбе с бактериями оказывают продукты В-лимфоцитов – специфические антитела-иммуноглобулины.

В отличие от бактерий вирус является внутриклеточным паразитом, т.е. живет и размножается исключительно внутри клеток хозяина и за их счет. Поэтому у организма существуют на выбор два пути: или атаковать и убивать зараженные вирусами клетки вместе с вирусами, или каким-либо образом воспрепятствовать внутриклеточному размножению вирусов, если не удалось во входных воротах помешать их внедрению.

Первый вариант реализуют разные типы цитотоксических клеток-киллеров, защищающие организм от вирусов. Распознав на поверхности зараженной клетки чужеродные антигены, клетки-киллеры впрыскивают в такую клетку-мишень содержимое своих цитоплазматических гранул, куда входят фактор некроза опухолей, протеолитические и липолитические ферменты и другие молекулы, повреждающие атакуемую клетку. Результатом атаки киллера, как правило, является гибель клетки-мишени вместе с внутриклеточными паразитами.

Другой механизм защиты против вирусов – молекулярный. Соответствующие молекулы получили название интерфероны, что отражает их способность интерферировать, т.е. противодействовать процессам биосинтеза вирусных частиц в клетке хозяина. Интерферон синтезируется клеткой-продуцентом в ответ на заражение вирусом. Клетка-продуцент выделяет молекулы интерферона, которые соединяются с соответствующими рецепторами на поверхности клеток, зараженных вирусом. Взаимодействие цитокина (в данном случае интерферона) со своим специфическим рецептором влечет за собой передачу внутриклеточного сигнала к ядру клетки. В ней включаются гены, ответственные за синтез белков и ферментов, препятствующих самовоспроизведению вируса в этой клетке. Таким образом, интерферон блокирует биосинтез вирусных частиц в зараженной клетке. Это позволяет использовать при вирусных инфекциях препараты интерферона в качестве лечебных.

Билет № 20

1. Культура клеток и тканей. Промышленные технологии получения биологически активных веществ с помощью культивируемых растительных клеток.

Культуры клеток высших растений имеют две сферы применения.

Во-первых, изучение биологии клетки, существующей вне организма, обуславливает ведущую роль клеточных культур в фундаментальных исследованиях по генетике и физиологии, молекулярной биологии и цитологии растений. Популяциям растительных клеток присущи специфические особенности: генетические, эпигенетические (зависящие от дифференцированной активности генов) и физиологические. При длительном культивировании гетерогенной по этим признакам популяции идет размножение клеток, фенотип и генотип которых соответствуют данным условиям выращивания, следовательно, популяция эволюционирует. Все это позволяет считать, что культуры клеток являются новой экспериментально созданной биологической системой, особенности которой пока мало изучены.

Во-вторых, культивируемые клетки высших растений могут рассматриваться как типичные микрообъекты, достаточно простые в культуре, что позволяет применять к ним не только аппаратуру и технологию, но и логику экспериментов, принятых в микробиологии. Вместе с тем, культивируемые клетки способны перейти к программе развития, при которой из культивируемой соматической клетки возникает целое растение, способное к росту и размножению.

Роль культуры изолированных клеток и тканей в биотехнологии следует рассматривать в трех направлениях.

Первое связано со способностью изолированных растительных клеток продуцировать ценные для медицины, парфюмерии, косметики и других отраслей промышленности вещества вторичного синтеза: алкалоиды, стероиды, гликозиды, гормоны, эфирные масла и др.

Второе направление – это использование культуры изолированных тканей для размножения и оздоровления посадочного материала.

Третье направление – использование изолированных клеток в селекции растений, дающее возможность получать быстрорастущие растения, устойчивые к различным неблагоприятным факторам среды: засуха, засоление, низкие и высокие температуры, фитопатогены, тяжелые металлы и др. Это направление предусматривает создание новых растений путем слияния изолированных протопластов и получения неполовых (соматических) гибридов. Культивирование изолированных пыльников и семяпочек на искусственных питательных средах дает возможность получать гаплоиды, культивирование зародышей позволяет получать растения из невсхожих (с плохо развитым эндоспермом) гибридных семян. Оплодотворение в пробирке позволяет преодолеть нескрещиваемость некоторых растений.

В настоящее время в разных странах около ста видов растений используется в биосинтетической промышленности для получения экономически важных веществ, среди них — женьшень, раувольфия змеиная, наперстянка шерстистая и пурпурная, диоскорея дельтовидная, воробейник, беладонна, паслен дольчатый, дурман обыкновенный, ландыш майский, клещевина, агава, мак снотворный и др.

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью.

Одно из направлений создания новых технологий на основе культивируемых тканей и клеток растений – это получение биологически активных веществ растительного происхождения:

традиционных продуктов вторичного метаболизма (токсинов, гербицидов, регуляторов роста, алкалоидов, стероидов, терпе-ноидов, имеющих медицинское применение);

синтез новых необычных соединений, что возможно благодаря исходной неоднородности клеточной популяции, генетической изменчивости культивируемых клеток и селек-тивному отбору клеточных линий со стойкими модификациями, а в некоторых случаях и направленному мутагенезу;

культивируемые в суспензии клетки могут применятся как мультиферментные системы, способные к широкому спектру биотрансформаций химических веществ (реакции окисления, восстановления, гидроксилирования, метилирования, деметили-рования, гликолизирования, изомеризации). В результате биотрансформации получают уникальные биологически активные продукты на основе синтетических соединений или веществ промежуточного обмена растений других видов.

Самые ранние работы по изолированию культур принадлежат Блоцишевскому (1876), Брауну и Моррису (1892), Боннэ, Саксу (1893). Еще в XIX в. Х. Фёхтинг провел ряд экспериментов, доказывающих тотипотентность растительной клетки. Этим растения отличаются от животных, у которых этим свойством обладают только оплодотворенные яйцеклетки и клетки зародыша на самых ранних стадиях развития).

Начало длительным и удачным исследованиям по культивированию клеток и тканей растений положили работы американского исследователя Ф. Уайта и француза Р. Готре.  Они показали, что изолированные органы и ткани при пересадке на свежую питательную среду могут расти в культуре неограниченно долгое время. Такую же способность наблюдал Ф. Уайт для клеток опухолевого происхождения.

Результаты чужих и собственных экспериментов Уайт обобщил в монографии «Культура растительных тканей», которая была переведена на русский язык и издана в СССР в 1949 году. В ней он выделяет несколько периодов в истории развития метода культуры клеток, тканей и органов растений:

1834–1900 гг. - создание и разработка клеточной теории.

1900–1922 гг. - сформулирована идея культуры тканей.

1922–1934 гг. - безуспешные поиски методов, обеспечивающих длительное культивирование тканей.

1934–1939 гг. - детальная разработка техники культуры растительных тканей.

Период 1940–1960 гг. значительно расширил список видов, выращиваемых in vitro. В монографию Готре, вышедшую в 1959 г., включено уже 142 вида.

В 1960–1975 гг. положено начало методу получения изолированных протопластов из тканей корня и плодов томатов путем обработки их смесью пектолитических и целлюлолитических ферментов. Основоположник этого метода - Э. Коккинг. В лабораториях Р. Г. Бутенко, Ю. Ю. Глебы проводились исследования поведения ядерного и цитоплазматического геномов партнеров в гибридных клеточных линиях и потомстве соматических гибридов растений - регенерантов. В этот же период были разработаны методы получения безвирусных растений из меристематических тканей. Начались эксперименты по созданию установок для глубинного культивирования клеток.

Начиная с 1976 г., разрабатывались методы электрослияния протопластов и селекции гибридных клеток, культивирования гаплоидных клеток и получения новых форм и сортов сельско­хозяйственных растений. Удалось создать системы иммобили­зованных клеток для получения различных химических соединений и их биотрансформации. Ведутся работы по переносу генов в растительные клетки и получению трансгенных растений.

Особенности культивирования растительных клеток в качестве источников биологически активных веществ по сравнению с традиционным растительным сырьем

Культура клеток и тканей растений in vitro

Культивирование клеток и тканей растений производят на специальных питательных средах, которые содержат все необходимые для их роста макро- и микроэлементы, углеводы, витамины и фитогормоны. Питательная среда является прекрасным субстратом для микроорганизмов. Поэтому для того, чтобы на ней можно было культивировать клетки растений, ее необходимо стерилизовать. Среды стерилизуют путем автоклавирования в течение 20—30 мин при давлении 0,7—0,8 кг/см2. Термолабильные элементы (некоторые фитогормоны: зеатин, кинетин, индолилуксусную кислоту, гиббереллин и др.) стерилизуют с помощью фильтрации через бактериальные фильтры и добавляют в уже проавтоклавированные и охлажденные до 40—50°С питательные среды.

Культуру клеток получают из так называемого первичного эксплантата: изолированного зародыша семени, верхушки или средней части стебля, сегмента листа и т.д. Манипуляции с изолированными тканями — введение эксплантатов в культуру, пересадку культур на свежую питательную среду — производят в условиях асептики.

В целом культура клеток растений аналогична культуре бактерий. Применяются два основных способа культивирования: на твердых (агаризованных) и жидких питательных средах. В первом случае после помещения первичного эксплантата на питательную среду образуется так называемый каллюс: неорганизованная, активно пролиферирующая ткань, состоящая из недифференциро-ванных клеток.

Обязательным условием процесса дедифферен-циации (т.е. утраты свойств, характерных для определенных тканей: листовой, корневой и т.д.) клеток первичного эксплантата для большин-ства видов растений является присутствие в питательной среде двух групп фитогормонов: ауксинов и цитокининов.

Если каллюсную культуру поместить в жидкую питательную среду и обеспечить автоматическое ее перемешивание, то мы получим так называемую суспензию клеток растений. Суспензионные культуры – отдельные клетки или группы клеток, выращиваемые во взвешенном состоянии в жидкой среде. Представляют собой относительно гомогенную популяцию клеток, которую легко подвергнуть воздействию химических веществ.

Суспензионные культуры широко используются в качестве модельных систем для изучения путей вторичного метаболизма, индукции ферментов и экспрессии генов, деградации чужеродных соединений, цитологических исследований и др.

Для глубинного культивирования растительных клеток применимы способы, разработанные в микробиологии. Различают два вида систем культивирования: открытую и закрытую.

Для закрытой системы характерен периодический режим выращивания. Клеточная масса (инокулят) помещается в определенный объем среды. Система закрыта по всем параметрам, кроме газов, до конца выращивания. Периодически подается свежая питательная среда, а старая удаляется в том же объеме. Клетки остаются в системе в течение всего цикла выращивания.

Открытые (проточные) культуры характеризуются поступлением свежей питательной среды, при котором отбирается не только старая питательная среда, но и часть урожая клеточной массы.

Для культивирования суспензий в производственных масштабах применяется аппаратура, разработанная для микробиологической промышленности, однако исследования последних лет показали, что растительные клетки в силу своих специфических особенностей требуют особых сосудов для культивирования. Клетки растений в десятки, сотни раз крупнее клеток бактерий и грибов, кроме того, их размеры меняются в процессе онтогенеза.

Суспензионные культуры используют для промышленного получения вторичных метаболитов. Вещества, продуцируемые растительными клетками используются в медицине, парфюмерной промышленности, растениеводстве и других отраслях промышленности. К ним относятся: алкалоиды, терпеноиды, гликозиды, полифенолы, полисахариды, эфирные масла, пигменты, антиканцерогены (птотецин, харрингтонин), пептиды (ингибиторы фитовирусов).

Следует также упомянуть о такой важной разновидности культивирования клеток растений на жидких пита-тельных средах, как культура протопластов. Протопласты получают из клеток парен-химы листа, из каллюсных и суспензионных культур.

Перспективные направления использования культивируемых растительных клеток для получения БАВ

Как мы уже говорили, культуры клеток и тканей растений считаются потенциальным источником специфических вторичных метаболитов, к которым относятся такие соединения, как алкалоиды, стероиды, масла, пигменты. Многие из этих веществ все еще получают путем экстракции из растений. Не ко всем видам растений в настоящее время применимы методы микробиологической промышленности. За исключением некоторых видов растений, суспензионные и каллюсные культуры клеток синтезируют вторичные метаболиты в меньших количествах, чем целые растения, хотя рост биомассы в ферментере может быть значительным.

Новым подходом, направленным на увеличение выхода вторичных метаболитов, является иммобилизация клеток и тканей растений. В последнее время интерес к иммобилизации клеток растений значительно возрос. Это связано с тем, что иммобилизованные клетки имеют определенные преимущества перед каллюсными и суспензионными культурами при использовании их для получения вторичных метаболитов.

Какие это преимущества?

1. Клетки, иммобилизованные в/на инертном субстрате, образуют биомассу гораздо медленнее, чем растущие в жидких суспензионных культурах. Низкая скорость роста иммобили-зованных клеток способствует высокому выходу метаболитов.

2. Кроме медленного роста иммобилизация клеток позволяет им расти в тесном физическом контакте друг другом, что благоприятно отражается и на химических контактах.

3. Регулировать выход вторичных метаболитов можно также, изменяя химический состав окружающей среды.

4. При использовании иммобилизованных клеток относительно легко осуществляется обработка их химическим веществами, индуцирующими высвобождение требуемых продуктов. Это снижает ингибирование по типу обратной связи, ограничиваю-щее синтез веществ вследствие накопления их внутри клетки.

Существует 2 типа систем культивирования иммобилизованных клеток:

1. Система культуры с плоской основой, клетки выращиваются в горизонтально расположенном сосуде.

2. Система колоночной культуры, где клетки выращиваются в вертикальном сосуде.

В обеих системах жидкая среда циркулирует вокруг физически неподвижных клеток. Однако в системе колоночной культуры возрастает число клеток, на которые капает среда, что увеличивает зону, где происходит накопление больших количеств вторичных метаболитов. Питательная среда капает под действием силы тяжести из цилиндрического сосуда объемом 70 мл (1) в стеклянный сосуд для культивирования (3) объемом 350 мл, где находятся клетки (40 – 50 г сырой массы), посаженные на субстрат – подстилку из нетоксичной полипропи-леновой ткани. Питательная среда проникает сквозь ткань под действием капиллярных сил, снабжая клетки. После этого использованная пита-тельная среда откачивается из сосуда для культивирования с помощью перистальтического насоса (2) обратно в резервуар и используется повторно.

В сосуде с питательной средой (1) 50 мл жидкой среды, которая под действием силы тяжести капает в вертикальную стеклянную колонку, содержащую иммобилизованные клетки (3). Среду собирают со дна колонки и вновь используют в цикле, перекачивая с помощью перистальтического насоса в резервуар со средой. Клетки закрепляют в нейлоновую сеть, используя инертный, проницаемый и стабильный гель. Подходящим материалом для размещения клеток оказались нейлоновые мочалки. Материал нетоксичен, легко режется, выдерживает автоклавирование. Сеточка структурирует гель, а клетки могут прорастать через ячейки, контактируя друг с другом. В качестве субстратов для погружения клеток используют агар и альгинат кальция.

Общие рекомендации к культивированию клеток:

1. Клетки должны выращиваться физически стационарно, в тесном контакте друг с другом, чтобы стимулировалось развитие физических и химических градиентов и обеспечивалась частичная дифференцировка культуры. Некоторые виды растений необходимо культивировать при освещении и индуцировать образование хлоропластов, чтобы обеспечить уровень метаболизма, близкий к происходящему в клетках интактного растения.

2. Состав питательной среды и уровень кислорода необходимо регулировать для замедления роста культуры. Рекомендуется использовать регуляторы роста для имитации процессов дифференциации, происходящих in vivo.

3. Клетки необходимо снабжать предшественниками, но в низких концентрациях. Предшественники должны быть максимально близки в цепочке превращений к исходному продукту.

4. Желательно использовать клетки, которые секретируют необходимые метаболиты в питательную среду или клетки, у которых такую секрецию можно индуцировать.

П ротопласты растительных клеток как объект биологи-ческого конструирования

Протопласты – уникальная модель для изучения фундаментальных физиологических проблем у растений. Они незаменимы при изучении состава, структуры и функционирования плазмалеммы в норме и при воздействии на нее гормонами, ингибиторами, фито-тотоксинами, а также при взаимодействии самих протоплас-тов в популяции. Кроме того, протопласты можно использовать для определения состава и архитектоники первичной клеточ-ной стенки и изучения механизма ее репарации после разрушения.

Создание искусственных ассоциаций культивируемых клеток высших растений с микроорганизмами

Создание искусственных ассоциаций - новое, сравнительно молодое направление клеточной инженерии по получению новых клеток и клеточных систем путем введения микроорганизмов в клетки или в популяции культивируемых клеток растений. Экспериментальные клеточные системы называются ассоциациями. Ассоциации могут быть как внутриклеточные (эндосимбиотического типа), так и межклеточные (экзосимбиотического типа).

В первом случае микроорганизмы вводят в изолированные протопласты высших растений. Во втором - совместно культивируют клетки и ткани растений с микроорганизмами.

При создании ассоциаций предполагается, что клетки и их популяции должны приобретать новые свойства, обусловленные присутствием в них микроорганизмов.

Цели создания популяций:

Экспериментальная проверка гипотезы теории симбиотического происхождения эукариотической клетки, которое предположительно проходило через стадии эндо- и экзосимбиоза. Реконструкция отдельных стадий эволюционного процесса симбиогенеза.

Моделирование природных симбиотических отношений растений и микроорганизмов, играющих огромную роль в процессе фиксации атмосферного азота (обеспечение связанным азотом природных экосистем, а также агроценозов).

Повышение продуктивности растительных клеток-продуцентов экономически важных веществ.

Получение растений с новыми свойствами, при условии, что отношения, складывающиеся между клетками партнеров при совместном выращивании, сохраняются в растениях-регенерантах.

Некоторые алкалоиды активно синтезируются в фазе максимальной митотической активности (экспоненциальный рост), что является исключением. Знание таких закономерностей позволяет регулировать процессы получения ценных веществ. Механизмы и условия, блокирующие активный рост клеток и клеточную пролиферацию, одновременно активируют ферменты вторичного метаболизма. Неспецифические стрессовые условия, воздействующие на клетки в конце экспоненциальной фазы, могут стимулировать переход к синтезу вторичных метаболитов и увеличивать их выход.

Существует положительная корреляция между накоплением вторичных метаболитов и степенью дифференцировки в культуре клеток. Полученные данные свидетельствуют о том, что дифференциация и накопление вторичных продуктов обмена веществ происходит в конце клеточного цикла. При снижении роста процессы дифференциации ускоряются.

Изучение содержания алкалоидов, накапливаемых многими растениями in vitro, показало, что компактные, медленно растущие культуры клеток содержат алкалоиды в больших количествах, чем рыхлые, быстро растущие культуры. Организация клеток необходима для их нормального метаболизма. Наличие организованности в ткани и ее последующее действие на различные физические и химические градиенты – четкие показатели, по которым различаются высоко- и низкопродуктивные культуры.

Регуляция синтеза вторичных метаболитов находится как под генетическим, так и под эпигенетическим (внеядерным) контролем, то есть любые изменения в цитоплазме могут привести к количественным и качественным изменениям в образовании вторичных метаболитов. В свою очередь, цитоплазма представляет собой динамическую систему, находящуюся под влиянием окружающей среды.

Из внешних условий на метаболизм существенное влияние оказывают 2 важных фактора: концентрация кислорода и углекислого газа, а также уровень освещения. Свет играет роль и в процессе фотосинтеза, и в таких физиологических процессах, как деление клеток, ориентация микрофибрилл, активация ферментов. Интенсивность и длина световой волны определяется положением клетки в массе других клеток, то есть зависят от степени организованности ткани. В организованной структуре существуют центробежные градиенты концентрации О2 и СО2, которые играют исключительно важную роль в процессе дифференциации.

Этапы разработки промышленных технологий получения БАВ с помощью культивируемых растительных клеток

Характеристика синтезируемого БАВ. Состоит из описания, основного назначения, краткого описания свойств препарата.

Сырье и материалы. Следует описывать с учетом требований к качеству сырья и материалов, максимального выхода целевого продукта, воспроизводимости результатов. В случае биосинтеза БАВ даются описание продуцента, синтезирующего БАВ, особенности его развития, методы определения биологической активности, условий хранения.

Аппаратурная схема синтеза или биосинтеза. Этап включает технологическую схему процесса с указанием основных аппаратов и приборов, конструкции, размера, последовательности работ по производству БАВ с подразделением по стадиям.

Технологический процесс описывается по стадиям. Оцениваются объемы, концентрации веществ, входящих в среду, рН среды, степень аэрации, используемые растворители, пеногасители, условия перемешивания, продолжительность процесса развития продуцента, температуру и другие показатели.

Контроль производства. Здесь описываются особые требования к оборудованию (герметичность ферментатора и всех коммуникаций, исправность, надежность). Дается анализ качества сырья, соответствующего определенным стандартам. Определяются режимы стерилизации.

Отходы производства, вентиляционные выбросы в атмосферу, их использование и обезвреживание. Даются перечень возможных отходов и выбросов в атмосферу, наличие в отходах ценных веществ и рекомендации к их использованию и вредных с точки зрения загрязнения окружающей среды и способы их обезвреживания.

Техника безопасности, пожарная безопасность и производственная санитария. Указывается класс опасности токсичных веществ. Описываются предполагаемые способы снижения уровня загрязнения этими отходами, способы утилизации.

Технико-экономические нормативы. Указываются выходы конечного и промежуточного продуктов, удельные нормы расхода сырья и материалов, удельные нормы расхода технологических энергозатрат (пара, воды, сжатого воздуха, электроэнергии).

Информационные материалы. Указываются биологические и физико-химические свойства вещества, степень очистки, степень вредности, фармакологические свойства.

2. Экология и окружающая среда.

За время своего существования и особенно в XX веке человечество ухитрилось уничтожить около 70 процентов всех естественных экологических (биологических) систем на планете, которые способны перерабатывать отходы человеческой жизнедеятельности, и продолжает их "успешное" уничтожение. Объем допустимого воздействия на биосферу в целом превышен сейчас в несколько раз. Более того, человек выбрасывает в окружающую среду тысячи тонн веществ, которые в ней никогда не содержались и которые зачастую не поддаются или слабо поддаются переработке. Все это приводит к тому, что биологические микроорганизмы, которые выступают в качестве регулятора окружающей среды, уже не способны выполнять эту функцию.

Как утверждают специалисты, через 30 - 50 лет начнется необратимый процесс, который на рубеже XXI - XXII веков приведет к глобальной экологической катастрофе. Особо тревожное положение сложилось на Европейском континенте. Западная Европа свои экологические ресурсы в основном исчерпала и соответственно использует чужие.

В европейских странах почти не осталось нетронутых биосистем. Исключение составляет территория Норвегии, Финляндии, в какой-то степени Швеции и, конечно, евразийской России.

На территории России (17 млн. кв. км) имеется 9 млн. кв. км нетронутых, а значит, работающих экологических систем. Значительная часть этой территории - тундра, которая биологически малопродуктивна. Зато российская лесотундра, тайга, сфагновые (торфяные) болота - это экосистемы, без которых невозможно представить нормально действующую биосистему всего земного шара.

Человек и окружающая среда в прошлом

С какой стороны ни смотри, но говорить о том, что все серьезные изменения, произошедшие в природной среде за время существования планеты, - дело рук человека, было бы верхом самоуверенности. Никто сегодня не будет спорить с тем, что воздействие человека на природу происходит на фоне естественных изменений, масштабы которых порой бывают очень значительны.

Так за последние десятки тысячелетий одним из главных факторов подобных "фоновых" перестроек ландшафтов был климат: существование гигантских ледников на пространствах Северной Евразии и Северной Америки влекло за собой серьезные климатические изменения практически по всей Земле. Исследователи также отмечают наличие определенных циклов для этих самых перестроек.

Например, для Европы или даже, как считают некоторые ученые, для всего северного полушария отмечено общее потепление и увлажнение климата, начавшееся примерно 11-12 тысячелетий назад, после таяния ледникового покрова (с волной общего похолодания - около 9 тысячелетий назад). Так продолжалось до времени атлантического потепления между 8-5-м тысячелетием тому назад, когда широко распространилась теплолюбивая растительность. В последующий период из-за общего похолодания ландшафтные зоны сместились к югу. Наконец, около 2,5 тыс. лет назад началось некоторое потепление климата. Выделяется нередко и так называемый малый ледниковый период - волна общего похолодания, прокатившаяся сравнительно недавно, несколько столетий назад.

Хотя никто не станет спорить и с тем, что в последние десятки тысячелетий с антропогенным воздействием на природу планете приходится считаться.

Интересно, что многие исследователи сам факт появления и значительного распространения человека на Земле называют одной из крупнейших экологических катастроф древности.

Так известно, что формирование и становление кроманьонского человека завершилось в течение считанных тысячелетий. Сравнительно быстро это событие вызвало экологические последствия. И, прежде всего - небывалое в геологической истории распространение одного биологического вида практически на всей обитаемой суше. Никогда - за миллионы, миллиарды лет - ни один вид не имел такого распространения.

Именно тогда и зародилось неразрешимое до сих пор противоречие между катастрофически быстро развивающимся биологическим видом-потребителем природных ресурсов и самой природной средой - между человеком и породившей его природой.

Всё (если и не абсолютно всё, то многое) начиналось, как и водится, с огня. Доказательства варварского истребления лесов первобытными племенами поступают даже не из такого уж давнего прошлого - что особо ценно. Голландский мореплаватель А. Я. Тасман и его команда, первыми из европейцев увидевшие берега Тасмании, аборигенов не обнаружили, хотя обратили внимание на клубы дыма, поднимавшиеся в разных местах над лесом. Последующие исследователи острова постоянно сталкивались с лесными пожарами или с обилием костров, разводимых аборигенами. И хотя тасманийцы занимались охотой, рыболовством, собирательством, главным "рычагом", с помощью которого они "переворачивали" свою землю - перестраивали ландшафты радикально, - был огонь.

В результате подобной "природопреобразующей деятельности" на обширных пространствах Тасмании произошла смена растительности; произошли изменения в характере почвы, изменился климат.

Многие исследователи сходятся на том, что до появления человека, в частности, в Исландии до 40% площади острова были заняты березовыми лесами с примесью ивы, рябины и можжевельника. Со времени освоения Исландии викингами леса стали быстро сокращаться, и ныне их площадь не превышает 0,5%.

В других регионах к подобным же результатам привела система первобытного земледелия, предполагавшего выжигание огромных лесных пространств регулярно - раз в несколько земледельческих сезонов.

Интересен тот факт, что учеными доказана большая продуктивность нетронутых человеком естественных природных комплексов чем экосистем, искусственно им созданных. И это актуально даже для сегодняшнего уровня развития сельского хозяйства. А, следовательно, и собирательство и охота на начальном этапе должны были быть более эффективны, чем земледелие и скотоводство. Но только в том, случае, если окружавшая человека природа не переживала очередную экологическую катастрофу. Именно разрушающее воздействие человека на окружающую среду стимулировало, как ни странно это звучит, развитие цивилизации - в поисках новых ресурсов человечество постепенно переходило от присваивающего хозяйства к производящему.

Однако вслед за одной бедой спешила другая. Созданная примитивными способами новая природная среда чрезвычайно хрупка, быстро истощает почву и нежизнеспособна в обычных условиях (будучи оставленной человеком после истощения). Выжигание растительности, рыхление поверхности земли в сочетании с уничтожением деревьев и кустов наносит значительный ущерб почве, приводит к эрозии. Поэтому осваиваемые первобытным человеком участки земли вскоре приходили в полную непригодность и люди вынуждены были искать новые территории. Следами тех экологических катастроф древности, выглядящими сегодня в наших глазах, как извечные степи и пустыни, планета покрыта до сих пор.

Именно так человечество прошло с окружающей его природной средой бок о бок сквозь десятки, сотни тысячелетий - борясь с миром за существование и создавая себе победами в этой борьбе только всё новые и новые проблемы…

За прошедшие тысячелетия цивилизация и технологии сделали заметный скачок в своём развитии. Изменился вид человеческих поселений, канули в Лету языки древности, сам внешний облик "человека разумного" изменился до неузнаваемости. Но одно в жизни человека осталось неизменным: все, что цивилизация способна собрать в своих амбарах, складировать за высокими заборами специальных баз, распихать по полкам домашних шкафов и холодильников - все это взято из окружающей среды. И весь ритм жизни человечества, как в прошедшие эпохи, так и сегодня, определялся одним - возможностью доступа к тем или иным природным ресурсам.

Классификация проблем

По масштабам распространения экологические проблемы можно подразделить на:

- локальные: загрязнение подземных вод токсичными веществами,

- региональные: повреждение лесов и деградация озер в результате атмосферных выпадений загрязнителей,

- глобальные: возможные климатические изменения вследствие увеличения содержания углекислого газа и других газообразных веществ в атмосфере, а также истощения озонового слоя.

Совокупное воздействие интенсивного сельского хозяйства, возросшей добычи полезных ископаемых и урбанизации значительно усилило деградацию потенциально возобновимых ресурсов - верхнего почвенного слоя, лесов, пастбищ, а также популяций диких животных и растений.

Индустриализация значительно увеличила власть людей над природой и в то же время уменьшила численность населения, живущего в непосредственном контакте с ней. В результате люди, особенно в промышленно развитых странах, еще сильнее уверились в том, что их назначение состоит в покорении природы. Многие серьезные ученые убеждены, что, пока будет сохраняться подобное мироощущение, будут продолжать разрушаться и системы жизнеобеспечения Земли.

Загрязнение почвы

Охрана почв от человека является одной из важнейших задач человека, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека.

Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоемы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд.

Во-вторых, эти загрязнения из почвенной влаги, грунтовых вод и открытых водоемов попадают в организмы животных и растений, употребляющих эту воду, а затем по пищевым цепочкам опять-таки попадают в организм человека.

В-третьих, многие вредные для человеческого организма соединения имеют способность аккумулироваться в тканях, и, прежде всего, в костях.

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20-30 млрд. т. твердых отходов, из них 50-60 % органических соединений, а в виде кислотных агентов газового или аэрозольного характера - около 1 млрд. т. И всё это меньше чем на 6 млрд. человек!

Как же вещества-загрязнители литосферы попадают в почву? Различные почвенные загрязнения, большинство из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику поступления этих загрязнений.

С атмосферными осадками. Многие химические соединения (газы - оксиды серы и азота), попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву.

Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей.

При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

С растительным опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают в почву.

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление дается по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина загрязнения почвы:

мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами, тяжелыми металлами, пестицидами, микотоксинами, радиоактивными веществами.

Воздух

Существуют природные ресурсы, необходимые человечеству, как воздух. Но нет, пожалуй, такого ресурса, кроме самого воздуха, отсутствие которого становилось бы неразрешимой проблемой для человека уже менее чем через минуту.

Известно, что загрязнение атмосферы происходит в основном в результате работы промышленности, транспорта и т. п., которые в совокупности выбрасывают ежегодно выбрасывают "на ветер" более миллиарда твердых и газообразных частиц.

Основными загрязнителями атмосферы на сегодняшний день являются окись углерода и сернистый газ. Но, конечно, нельзя забывать и о фреонах, или хлорфторуглеводородах. Именно их большинство ученых считают причиной образования так называемых озоновых дыр в атмосфере. Фреоны широко используются в производстве и в быту в качестве хладореагентов, пенообразователей, растворителей, а также в аэрозольных упаковках. А именно с понижением содержания озона в верхних слоях атмосферы медики связывают рост количества раковых заболеваний кожи.

Известно, что атмосферный озон образуется в результате сложных фотохимических реакций под воздействием ультрафиолетовых излучений Солнца. Хотя его содержание невелико, его значение для биосферы огромно. Озон, поглощая ультрафиолетовое излучение, предохраняет все живое на земле от гибели. Фреоны же, попадая в атмосферу, под действием солнечного излучения распадаются на ряд соединений, из которых окись хлора наиболее интенсивно разрушает озон.

Благодатные капли дождя - еще один дар небес - всегда радовали человека. Но в некоторых районах земного шара дожди превратились в серьезную опасность. Возникла сложная и трудная в своем решении проблема кислотных дождей, которая на международном уровне была впервые поднята Швецией на конференции ООН по окружающей среде. С тех пор она превратилась в одну из главных природоохранных проблем человечества.

Кислотные дожди губительно действуют на природу водоёмов, наносят ущерб лесной растительности и сельскохозяйственным культурам, наконец, все эти вещества представляют определенную опасность для жизни человека.

В последние годы происходит некоторое изменение баланса азота в атмосфере за счет хозяйственной деятельности людей. Возросла фиксация азота, включение атмосферного азота в сложные химические соединения при производстве азотных удобрений. Уменьшается поступление его в атмосферу из-за нарушения почвообразовательных процессов на больших территориях, например в Западной Сибири.

Однако из-за огромного количества азота в атмосфере проблема его баланса не так серьезна, как баланс кислорода и углекислого газа. Известно, что около 3,5-4 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере было в тысячу раз меньше, чем сейчас, так как не было основных продуцентов кислорода - зеленых растений.

Жизнедеятельность живых организмов поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления углекислого газа и кислорода и их поступление в атмосферу сбалансированы.

С развитием промышленности и транспорта кислород используется на процессы горения. Так, на сжигание разных видов топлива сейчас требуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, саванн, степей и увеличения пустынных территорий. Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах из-за загрязнения рек, озер, морей и океанов. Ученые полагают, что в ближайшие 150-180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с современным его содержанием.

Увеличение потребления кислорода происходит одновременно с увеличением выделения в атмосферу диоксида углерода. Некоторое увеличение углекислого газа в атмосфере положительно сказывается на продуктивности растений. Например, насыщение углекислым газом воздуха теплиц повышает урожайность овощей за счет интенсификации процессов фотосинтеза. Однако общее увеличение содержания СО2 в атмосфере приводит к сложным глобальным явлениям. Углекислый газ свободно пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает тепловые лучи, идущие от нагретой земной поверхности. Это явление получило название парникового эффекта. Дополнительный нагрев нижних слоев атмосферы дает сжигание топлива. Это особенно заметно на территории крупных городов, где температура центральных их частей на 2-4°С выше среднегодовой для данного района. Повышение среднегодовой температуры нижних слоев атмосферы Земли может вызвать таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению низменных участков материков, усилению тектонических процессов, изменению климата.

Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным (или антропогенным). Естественное загрязнение атмосферы происходит при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе в атмосферу кристалликов солей. Природные источники не вызывают существенных загрязнений атмосферы.

Источниками искусственного загрязнения служат промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Основным поставщиком загрязнений служат промышленные предприятия. Они выделяют в атмосферу несгоревшие частицы топлива, пыль, сажу, золу. В индустриальных районах выпадает свыше 1 т пылевых частиц на 1 км2 в сутки. Мощными поставщиками тончайшей пыли в атмосферу служат цементные заводы.

По данным изучения пузырьков газа во льдах Антарктиды, содержание метана в атмосфере за последние 200 лет увеличилось. Измерения в начале 1980-х годов содержания угарного газа в воздушном бассейне штата Орегон (США) в течение 3,5 лет показали, что оно возрастало в среднем на 6 % в год. Имеются сообщения о тенденции повышения в атмосфере Земли концентрации углекислого газа и связанной с ней угрозы парникового эффекта и потепления климата. В ледниках вулканического района Камчатки обнаружены как современные, так и древние канцерогены. В последнем случае они имеют, по-видимому, вулканическое происхождение.

Главный химический загрязнитель атмосферы - сернистый газ выделяющийся при сжигании каменного угля, сланцев, нефти, при выплавке железа, меди, производстве серной кислоты и др. Сернистый газ служит причиной выпадения кислотных дождей.

При высокой концентрации сернистого газа, пыли, дыма во влажную тихую погоду в промышленных районах возникает смог - ядовитый туман, резко ухудшающий условия жизни людей. В Лондоне во время такого смога из-за обострения легочных и сердечных заболеваний с 5 по 9 декабря 1952 г. умерло на 4000 человек больше, чем обычно.

Под воздействием интенсивного солнечного излучения химические вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом, могут вступать в реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Такой вид смога получил название фотохимического.

Вода

Третий, не менее важный, чем небо над головой и земля под ногами, фактор существования цивилизации - водные ресурсы планеты.

На свои нужды человечество использует главным образом пресные воды. Их объём составляет чуть больше 2% гидросферы, причём распределение водных ресурсов по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод. Общее же потребление речных вод возрастает из года в год во всех районах мира. Известно, например, что с начала нынешнего века потребление пресных вод возросло в 6 раз, а в ближайшие несколько десятилетий возрастёт еще, по меньшей мере, в 1,5 раза.

Недостаток воды усугубляется ухудшением её качества. Используемые в промышленности, сельском хозяйстве и в быту воды поступают обратно в водоёмы в виде плохо очищенных или вообще неочищенных стоков.

Таким образом, загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. Согласно расчетам ученых, в конце ХХ века для разбавления этих самых сточных вод может потребоваться 25 тыс. кубических км. пресной воды, или практически все реально доступные ресурсы такого стока! Нетрудно догадаться, что именно в этом, а не в росте непосредственного водозабора - главная причина обострения проблемы пресной воды.

В настоящее время к числу сильно загрязненных относятся многие реки - Рейн, Дунай, Сена, Огайо, Волга, Днепр, Днестр и др. Растет загрязнение мирового океана. Причем здесь существенную роль играет не только загрязнение стоками, но и попадание в воды морей и океанов большого количества нефтепродуктов. В целом, наиболее загрязнены внутренние моря - Средиземное, Северное, Балтийское, Внутреннее Японское, Яванское, а также Бискайский, Персидский и Мексиканский заливы.

Кроме того, человек осуществляет преобразование вод гидросферы путем строительства гидротехнических сооружений, в частности водохранилищ. Крупные водохранилища и каналы оказывают серьезное отрицательное воздействие на окружающую среду: изменяют режим грунтовых вод в прибрежной полосе, влияют на почвы и растительные сообщества, в конце концов, их акватории занимают большие участки плодородных земель.

Наиболее важными антропогенными процессами загрязнения воды являются стоки с промьшленно-урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, выпадение с атмосферными осадками продуктов антропогенной деятельности. Эта процессы загрязняют не только поверхностные воды (бессточные водоемы и внутренние моря, водотоки), но и подземную гидросферу (артезианские бассейны, гидрогеологические массивы), Мировой океан (в особенности акватории и шельфы). На континентах наибольшему воздействию подвергаются верхние водоносные горизонты (грунтовые и напорные), которые используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Аварии нефтеналивных танкеров, нефтепроводов могут быть существенным фактором резкого ухудшения экологической обстановки на морских побережьях и акваториях, во внутриконтинентальных водных системах. Отмечается тенденция увеличения этих аварий в последнее десятилетие.

Набор веществ, загрязняющих воду, очень широкий, а формы их нахождения разнообразны. Главные загрязнители, связанные с природными и антропогенными процессами загрязнения водной среды, во многом сходны. Отличие заключается в том, что в результате антропогенной деятельности в воду могут поступать значительные количества таких чрезвычайно опасных веществ, как пестициды, искусственные радионуклиды. Кроме того, искусственное происхождение имеют многие патогенные и болезнетворные вирусы, грибки, бактерии.

На сельскохозяйственных территориях с высокой агронагрузкой выявлено заметное увеличение в поверхностных водах соединений фосфора. Отмечается также возрастание в поверхностных и грунтовых водах устойчивых пестицидов.

Фауна

Изменяя свой мир, человек, желает он того или нет, существенно вмешивается в жизнь своих соседей по планете. По данным Международного союза охраны природы, с 1600 г. на Земле вымерло 94 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Кроме того, уменьшаются в количестве и исчезают редкие насекомые, что связано как с реакцией на применение различного рода пестицидов, так и с уничтожением их коренных мест обитания.

Механизм гибели вида гораздо проще, чем его можно себе представить. Зоологи поняли это, когда им удалось проанализировать большое число неудачных случаев акклиматизации животных в угодьях, безусловно, подходящих для завозимых видов. Оказалось, что неудачами кончался завоз малых групп животных. Выяснилось, что 2-3 пары животных при отсутствии постоянных, пусть даже сравнительно редких контактов с себе подобными, не могут обжить территорию. В большинстве случаев у них подавляется способность к размножению или они гибнут от так называемого "стресса", или болезни напряжения. Подобное же положение возникает при большом разряжении естественной популяции. Совершенно необязательно уничтожать всех до одного животных, чтобы обречь вид на исчезновение, достаточно сильно сократить его численность, уменьшить или разрознить участки обитания, в чем человечество, особенно в последние столетия, заметно преуспевает.

Острота современных экологических проблем требует участия в их решении широких масс населения. Любые технологические, организационные и экономические меры могут дать должный эффект лишь в том случае, если экологическая идея овладеет массами. Массовое экологическое образование призвано формировать экологическое мировоззрение, нравственность и экологическую культуру людей. Для достижения этих целей нужна интеграция всех знаний, как о природных, так и общественных законах функционирования окружающей среды.

В настоящее время во всём обширном многообразии задач, стоящих перед человечеством, большое значение и остроту приобрели глобальные геоэкологические проблемы. Это отчётливо продемонстрировала Международная конференция по проблемам окружающей среды и развитию в Рио-де-Жанейро. Решение глобальных проблем требует единства международных усилий, скоординированных действий многих государств. Ни одна из стран мира, даже самая развитая и богатая, не в состоянии собственными силами предотвратить или хотя бы смягчить глобальные экологические следствия деятельности людей.

Формирование экологического мировоззрения опирается на осознание необходимости ограничения потребления. Но при этом вовсе не отвергается известная социальная формула: "от каждого по способностям, каждому - по потребностям". Она точно отражает острейшие социально-экологические проблемы современности. Под потребностями подразумевается нужда в чём-либо объективно необходимом для поддержания жизнедеятельности и развития организма.

А это, прежде всего, полноценное питание и благоприятные для жизни экологические качества окружающей природной среды.

Два - три десятилетия назад популяризаторы экологических идей видели свою главную задачу в том, чтобы вызвать обеспокоенность общества состоянием природной среды. К концу 80-х годов казалось, что в нашей стране эта цель достигнута. В 1991 году экологические проблемы, по мнению россиян, занимали второе место среди проблем, стоящих перед человечеством. В настоящее время рейтинг экологических проблем на порядок понизился и продолжает падать.

Перспективы развития и решения экологических проблем

Говоря о возможных вариантах развития экологической ситуации на планете, наиболее осмысленным, кажется разговор о некоторых из существующих сегодня направлениях природоохранной деятельности. Иначе пришлось бы говорить исключительно об ужасах истощения природных ресурсов.

В 1982 году ООН приняла специальный документ - Всемирную хартию охраны природы, а затем создала специальную комиссию по окружающей среде и развитию. В 1983 году в ООН была создана комиссия по окружающей среде и развитию, которая издала в 1987 году доклад "Наше общее будущее". Лейтмотивом доклада стала знаменитая фраза: "Человечество способно сделать развитие устойчивым - обеспечить, чтобы оно удовлетворяло нужды настоящего, не подвергая риску способность будущих поколений удовлетворять спои потребности". Хотя как это сделать - не разъяснялось.

Характерно, что совет Римского клуба в 1989 году также квалифицировал устойчивое развитие как утопию, но "заслуживающую, чтобы к ней стремиться" Вместе с тем, совет клуба решил сменить тактику своей деятельности и перейти от обсуждения экологической проблематики к выработке Стратегии международных действий на ХХI.век. По мнению клуба, эти действия должны привести к "первой глобальной революции". Однако содержание и механизмы этой социально-экологической революции ни в завещаниях А. Печчеи, ни в книге новых руководителей клуба раскрыты не были.

Несмотря на то, что каждая из обсуждавшихся глобальных проблем имеет свои варианты частичного или более полного решения, существует некий набор общих подходов к решению проблем окружающий среды. Кроме того, за последнее столетие человечество разработало ряд оригинальных способов борьбы с собственными, губящими природу недостатками.

К числу таких способов (или возможных путей решения проблемы) можно отнести возникновение и деятельность разного рода "зеленых" движений и организаций. Кроме пресловутого "Green Peace'а", отличающегося не только размахом своей деятельности, но и, порой, заметным экстремизмом действий, а также аналогичных организаций, непосредственно проводящих природоохранные акции, существует другой тип экологических организаций - структуры, природоохранную деятельность стимулирующие и спонсирующие - типа Фонда дикой природы. Все экологические организации существуют в одной из форм: общественные, частные государственные либо организации смешанного типа.

Кроме разного рода объединений, отстаивающих у цивилизации права постепенно уничтожаемой ею природы, в сфере решения экологических проблем существует целый ряд государственных или общественных природоохранных инициатив. Например, природоохранное законодательство в России и других странах мира, различные международные соглашения или система "Красных книг".

Международная 'Красная книга" - список редких и находящихся под угрозой исчезновения видов животных и растений - в настоящий момент включает 5 томов материалов. Кроме того, существуют национальные и даже региональные "Красные книги".

В числе важнейших путей решения экологических проблем большинство исследователей также выделяет внедрение экологически чистых, мало- и безотходных технологий, строительство очистных сооружений, рациональное размещение производства и использование природных ресурсов.

Хотя, несомненно, - и это доказывает весь ход человеческой истории - важнейшим направлением решения стоящих перед цивилизацией экологических проблем стоит назвать повышение экологической культуры человека, серьезное экологическое образование и воспитание, все то, что искореняет главный экологический конфликт - конфликт между дикарем-потребителем и разумным обитателем хрупкого мира, существующий в сознании человека.

Билет № 21

1. Чужеродные (инвазийные/адвентивные) виды растений, животных и грибов в фауне и флоре Беларуси.

Чужеродные (инвазийные/адвентивные) виды растений, животных и грибов в фауне и флоре.

Аборигенные и адвентивные формы, интродукция и натурализация.

Аборигенные формы – формы, возникшие и в процессе эволюции продолжающие обитать до настоящего времени в данной местности. От латинского aborigines (ab origine – от начала). Соответствует др.-греч. названию автохтон (autochthones).

Адвентивный вид – вид, проникший за пределы своего первичного ареала либо естественным путем (с воздушными потоками, по морю), либо непреднамеренно занесенный человеком (с транспортом, с грузами, непосредственно), либо появившийся в результате интродукции); т.е. это вид, преодолевший географический барьер и обнаруженный за пределами естественного ареала. В русскоязычной ботанической литературе чаще используется термин «адвентивный вид», а в зоологической – «чужеродный».

Интродукция (внеареальное расселение) – введение видов полезных организмов (растений или животных) в какую-либо местность, в которой они ранее не обитали. Иногда под интродукцией понимают случайный занос любых чужеродных для данной территории видов. Интродукция полезных организмов для регулирования численности вредителя представляет собой суть классического биологического метода защиты растений и применяется чаще в отношении адвентивных вредителей.

Натурализация – 1. способность вида приживаться в новых для него природных экосистемах; для натурализовавшихся видов характерно преодоление репродуктивного барьера, такие виды способны размножаться и формировать устойчивые популяции в месте внедрения; 2. процесс внедрения адвентивного вида в природную среду. Натурализация является синонимом термина обоснование; первый чаще используется в ботанической литературе, второй – в зоологической, особенно в энтомологических работах.

Адаптация – совокупность особенностей строения и жизнедеятельности организма, реакций растений, вплоть до генетических изменений, обеспечивающих способность существовать в определенных условиях внешней среды и устойчивость для сохранения вида.

Акклиматизация – 1. комплекс приспособительных реакций вида, которые позволяют ему закрепиться в новом месте обитания; в первую очередь – приспособление к новым климатическим условиям. 2. комплекс мероприятий по внесению (введению) какого-либо вида в новые для него места обитания, проводимый в целях обогащения естественных или искусственных биоценозов полезными для человека организмами. Успех акклиматизации достигается при подборе видов, максимально приспособленных к климату в местах предполагаемого использования.

Внедрение инвазийных видов в сообществе, его последствия.

Инвазия (вселение, вторжение, внедрение) – активное распространение чужеродного вида (после его проникновения и обоснования); результат преодоления видом барьеров, связанных с распространением потомства и внедрением в местные полуестественные или естественные сообщества.

Правило «десяти» – теория, оценивающая успех инвазии. Согласно правилу «десяти» на каждую из стадий инвазионного процесса переходит лишь 10% видов; так 10% из занесенных видов задерживаются (повторно встречаются) в местах заноса, из них 10% могут обосноваться в месте заноса, и лишь 10% последних распространяются далее и могут стать «агрессорами» (Williamson, Brown, 1986).

Причины инвазии

В самом общем виде к инвазиям в широком смысле относят миграцию и вселение видов в результате:

естественного расширения ареала по типу диффузии (проникновения) и перемещений, связанных с экстраординарными климатическими или геологическими явлениями;

интродукции и реинтродукции важных (“полезных”) организмов;

индукции (с балластными водами, с импортной сельскохозяйственной продукцией, вместе с “полезными” интродуцентами, багажом и т.п.);

антропогенных влияний – строительство плотин, водохранилищ, судоходных каналов; наземный транспорт и судоходство; эрозия почвенного покрова, распашка земель под пахотные угодья; формирование искусственных антропогенных экосистем (сельских); ирригация и мелиорация; глобальные и локальные изменения климата; фрагментация природного экосистемного покрова – формирование пестрой мозаики естественных и нарушенных экосистем.

Занос всегда идет с юга на север, из стран с более теплым климатом в страны с более холодным климатом, но не в обратном направлении. Быстрая смена экологических условий ведет к усилению передвижений видов, к их естественным и искусственным миграциям, к обогащению флоры новыми видами

В Российской Федерации проблемы инвазий чужеродных видов входят в сферу интересов разнообразных ведомств: Министерства науки и образования, Министерства сельского хозяйства (МСХ), Министерства природных ресурсов (МПР), а также ряда академических и научно-прикладных учреждений (Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Институт географии РАН, Зоологический институт РАН, Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН, Институт океанологии РАН, Всероссийский НИИ рыбного хозяйства и океанографии, Азовский НИИ рыбного хозяйства, Всероссийский НИИ карантина растений, Всероссийский НИИ фитопатологии РАСХН и др.). В этих учреждениях отдельными научными коллективами самостоятельно решаются узковедомственные аспекты проблемы, часто в пределах одной группы живых организмов (рыбы, млекопитающие, насекомые, фитопатогенные микроорганизмы, нематоды, растения и пр.). При этом отсутствует единый информационный центр, который объединял бы усилия всех заинтересованных сторон в разработке проблем инвазий чужеродных организмов.

Между тем, в различных регионах мира проблемам инвазий уделяется большое внимание. Существует множество национальных программ и проектов, расширяется международное сотрудничество. Под эгидой ряда авторитетных международных организаций (включая IUCN, UNEP) осуществляется глобальная программа по инвазионным видам (Global Invasive Species Programme). Во многих странах на решение проблем, связанных с инвазиями чужеродных видов, выделяются значительные государственные средства.

Прикладные аспекты проблемы.

Инвазии чужеродных видов – представителей различных групп живых организмов – за пределы их первичных ареалов носят глобальный характер. Инвазийные виды часто выступают в роли биологических загрязнителей и могут угрожать экологической безопасности страны. Их обоснование и дальнейшее распространение часто влечет за собой нежелательные экологические, экономические и социальные последствия.

Чтобы убедиться в значимости проблемы, достаточно привести несколько примеров: колорадский жук, моллюск дрейссена, гребневик мнемиопсис, рыба ротан, сорняки рода амброзия, золотистая картофельная нематода, патогенный для подсолнечника гриб фомопсис. Все это – инвазийные виды, занесенные в разные годы из различных регионов мира на территорию России. Площадь, занятая колорадским жуком, за 30 последних лет увеличилась более чем в 12.000 раз, достигнув 3 млн. га. По данным РАСХН в 1999 г. некоторые области России в результате деятельности жука потеряли до 40% картофеля. Аллергенный сорняк амброзия полыннолистная распространен в России на 6 млн. га и вызывает массовые поллинозы у населения.

Инвазия гребневика мнемиопсиса в бассейны Черного, Азовского и Каспийского морей привела к существенному сокращению здесь добычи рыбы. Моллюск дрейссена полиморфа из Каспийского моря через всю европейскую часть России по водным путям проник в Балтийское море, после чего был занесен в Северную Америку. Появление дрейссены всюду сопровождается существенными изменениями водных экосистем. В настоящее время идет инвазия другого вида – бугской дрейссены.

Инвазия гребневика мнемиопсиса в бассейны Черного, Азовского и Каспийского морей привела к существенному сокращению здесь добычи рыбы. Моллюск дрейссена полиморфа из Каспийского моря через всю европейскую часть России по водным путям проник в Балтийское море, после чего был занесен в Северную Америку. Появление дрейссены всюду сопровождается существенными изменениями водных экосистем. В настоящее время идет инвазия другого вида – бугской дрейссены.

Заросли ядовитого борщевика планируется уничтожить в Беларуси. "Минприроды усилило контроль за ходом уничтожения землепользователями зарослей борщевика. По всей республике выдано более 1,6 тыс. предписаний об уничтожении посевов этого ядовитого растения", - сообщили в Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды Беларуси. Только в Минске это растение занимает 129 гектаров. Борщевик Сосновского для Беларуси не является аборигенным видом, он был завезен в республику в середине прошлого века в качестве силосной культуры. Борщевик не получил широкого применения в качестве корма для скота, но расселился в дикую природу - занял берега водоемов, пустыри, полосы отвода дорог, необрабатываемые участки полей. Сок борщевика вызывает сильнейшие ожоги, он опасен для людей и животных.

Адвентивная фракция рецентной фауны Беларуси и прогноз ее пополнения в современный период.

Последние десятилетия отмечены широким проникновением на территорию Республики чужеродных для фауны и флоры видов. Это обусловлено главным образом хозяйственной деятельностью человека. Проблеме проникновения чужеродных видов сейчас уделяется большое внимание, в связи с тем, что эта группа организмов животного и растительного мира за короткий период времени смогла освоить новые для себя биотопы и конкурировать с аборигенными видами.

Касаясь проблемы экспансии инвазивных видов животных и растений на территории Беларуси, в НАН Беларуси сообщили, что "составлен список особо агрессивных видов животных, которые попали в Беларусь и вытесняют аборигенные виды". Среди животных, которые отнесены к категории особо агрессивных чужеродных видов - енотовидная собака, американская норка, также признаны чужеродными два вида моллюсков - дрейсена инвазия и дрейсена полиморфная, полосатый американский рак, ротан, черноморский бычок.

Современный таксономический состав животного мира Березинского биосферного заповедника является результатом процессов естественного формирования фауны с некоторым влиянием антропогенных факторов (интродукция, реинтродукция отдельных видов). В целом, рецентная фауна возникла за счет взаимопроникновения, определяющегося зоогеографическим положением заповедника, на его территорию бореальных и неморальных видов. Это подтверждается как общим анализом зоогеографических групп животных, так и наличием в составе зообиоты заповедника некоторых типичных представителей сибирской и европейской фаун. В последние годы, в связи с общеевропейской тенденцией, отмечается проникновение на охраняемую территорию ряда видов с южными ареалами: средиземноморскими, дальневосточными, а также видов, заселяемых в новые местообитания с помощью человека. В фауне заповедника отсутствуют эндемики, но имеется целый ряд реликтов, в основном с бореальными или борео-монтанными ареалами.

В последние годы на ряде водоемов, расположенных непосредственно на территории заповедника (оз. Плавно), либо неподалеку от его границ (оз. Медзазол) осуществлялся выпуск видов, ранее отсутствовавших в составе местной ихтиофауны (толстолобик, белый амур, карп). Особое опасение вызывает находка в Сергучском канале в окрестностях д. Крайцы в октябре 2007 г. панцирной щуки. Вселение на территорию заповедника инородных видов рыб может негативно сказаться как на кормовой базе, так и на состоянии отдельных видов исторически сложившейся здесь ихтиофауны.

Изменения в видовом списке орнитофауны достаточно заметны, особенно в последние годы. Только за период с 1990 по 2007 гг. в заповеднике отмечено 13 новых видов, еще для четырех доказано гнездование. Основной причиной этих изменений являются общие для европейского региона тенденции расширения ареалов некоторых птиц. Как правило, это - расселение ряда южных и юго-восточных видов на северо-запад. В 90-е годы на территории заповедника также сделаны находки ряда северных видов на пролете и гнездовании. Залеты некоторых птиц связаны с антропогенной деятельностью – на заповедной территории отмечены большой баклан (Phalacrocorax carbo L.), горихвостка-чернушка (Phoenicurus ochruros Gm.), мандаринка (Aix galericulata L.). На пролете обнаружен ряд видов, останавливающихся на территории заповедника только во время миграции: черная казарка (Branta bernicla L.), пискулька (Anser erythropus L.), белоглазая чернеть (Aythya nyroca Guld.), белохвостый песочник (Calidris temminckii Leisl.), краснозобик (Calidris ferruginea Pontopp.), чернозобик (Calidris alpina L.), короткохвостый поморник (Stercorarius parasiticus L.) и большая морская чайка (Larus marinus L.).

Обнаруженные интервенты являются сорными.

Промысловой ценности не имеют. При массовом распространении будут активно вытеснять более ценных представителей ихтиофауны. Представляют угрозу для человека, являясь потенциальными переносчиками нехарактерных для Беларуси видов паразитов и болезней.

Родина ротана - бассейн реки Амур. В последние годы появился и в водоемах Беларуси (озера и бассейнах рек Днепр, Припять, Западный Буг, Неман, Западная Двина).

Предпочитает стоячие водоемы, пруды и болота. Выдерживает почти полное высыхание и промерзание водоемов, зарываясь в ил.

По одной из версий: завезен аквариумистами .

По другой версии: посадочным материалом при завозе из бассейна реки Амур толстолобика и амура белого. Опасный пищевой конкурент и прямой враг другим рыбам.

Ротан - хищное и исключительно прожорливое животное. Небольшие водоемы к осени нередко полностью опустошаются от всевозможных водных животных

Количество инвазивных чужеродных растений с каждым годом увеличивается: на 2008 год в республике насчитывалось более 50 видов растений.

2. Причины, механизмы и особенности аутоиммунных заболеваний.

Билет № 22

1. Демографические проблемы Беларуси.

Беларусь

До 1994 г. как среди городского, так и среди сельского населения происходило постепенное выравнивание структуры населения по полу, нарушенное войной. На начало 1994 г. на 1000 мужчин приходилось 1128 женщин (в городах и сельской местности соответственно 1110 и 1168). В течение последующего времени изменения в структуре населения были обусловлены более высоким темпом роста смертности мужчин, особенно в трудоспособном возрасте. На начало 2001 г. половая структура населения республики представлена следующим образом: женщины составили 53,1%, а мужчины - 46,9%. На 1000 мужчин приходилось 1130 женщин, в т.ч. в городах – 1125 и на селе - 1142. В разрезе возрастных групп это соотношение имеет свои особенности. Среди детей мальчики составляют 51,3%, девочки - 48,7%; в подростковом возрасте юноши и девушки составляют 51,2% и 48,8%. В возрасте старше 60 лет соотношение мужчин и женщин становится 1 : 1,8, а после 80 лет - 1 : 3,6.

За последнее десятилетие существенно изменилась и возрастная структура населения. С 1970 по 2000 г. доля детей (0-14 лет) уменьшилась с 28,9% до 18,9%, а удельный вес людей в возрасте 60 лет и старше увеличился с 13,2% до 18,9%. Темпы снижения численности детского населения, обусловленные снижением рождаемости. С 1989 г. детское население республики уменьшилось на 516 тысяч.

Современная демографическая ситуация в большинстве стран мира характеризуется неуклонным постарением населения. Общество находится в стадии демографической старости, когда лица старше 60 лет составляют более 12 % в структуре населения. В Беларуси этот показатель уже в 1970 г. составлял 13,2%, в 1996 г. - 17,7%, а на начало 2000 г. - 18,9%. К 2010 г. доля лиц данного возраста может достигнуть 27%. Эксперты ООН считают население старым, если процент лиц старше 65 лет превышает 7%. В 1995 г. в нашей республике этот контингент составлял 12,6%, а в 1999 г. - 13,2%. Возрастная структура населения Беларуси, согласно классификации ООН, до 1970 г. имела прогрессивный (доля детей 29%), в 1980 г. - стационарный (23%), а с 1987 г. - регрессивный тип.

Наиболее выражен процесс старения сельского населения, что особенно четко прослеживается на фоне интенсивной урбанизации. Удельный вес населения после 60 лет на селе составляет 30,7%, в то время как в городах - 13,9%.

Современная ситуация в отношении рождаемости в республике сложилась под влиянием ее динамики в прошлом. На протяжении нынешнего столетия в Беларуси, как и в других европейских государствах, происходил постепенный переход от высокого к среднему и низкому уровню рождаемости . Начиная с середины 1960-х гг., рождаемость в стране не обеспечивает простого воспроизводства населения - детей меньше, чем их родителей. В 1990-е гг. негативные тенденции рождаемости были усилены общей динамикой общественно-политической и социально-экономической обстановки в стране.

Подъем рождаемости в Беларуси был зафиксирован в послевоенные годы (выше 25 на 1000 населения), а с 60-х до начала 80-х годов отмечалось ее снижение. В 1983 г. рост рождаемости был связан с введением льгот, но в течение 1987-1997 гг. ее падение вновь приобретает четко выраженный характер: с 17,1 (1986 г.) до 8,8 на 1000 населения в 1997 г.

Стабилизация и некоторое увеличение уровня рождаемости зарегистрировано в течение двух последних лет. За 1998-2000 гг. уровень рождаемости увеличился на 5,7% и составил 9,4 на 1000 населения.

По регионам республики уровни рождаемости имеют некоторые отличия: в течение последнего десятилетия наиболее высоким он был в Брестской области - 10,8 на 1000 жителей, низкий уровень отмечается в г. Минске и Витебской области - 8,5 на 1000 жителей.

Современный уровень рождаемости не обеспечивает простого воспроизводства населения в республике. Суммарный показатель рождаемости составляет 1,3 ребенка на одну женщину, в то время как для простого воспроизводства нужно не меньше 2,15, т.е. в стране идет процесс депопуляции.

Стабилизация и некоторое увеличение уровня рождаемости зарегистрировано в течение двух последних лет. За 1998-2000 гг. уровень рождаемости увеличился на 5,7% и составил 9,4 на 1000 населения.

По регионам республики уровни рождаемости имеют некоторые отличия: в течение последнего десятилетия наиболее высоким он был в Брестской области - 10,8 на 1000 жителей, низкий уровень отмечается в г. Минске и Витебской области - 8,5 на 1000 жителей.

Современный уровень рождаемости не обеспечивает простого воспроизводства населения в республике. Суммарный показатель рождаемости составляет 1,3 ребенка на одну женщину, в то время как для простого воспроизводства нужно не меньше 2,15, т.е. в стране идет процесс депопуляции.

Снижение рождаемости в республике сопровождается ростом общей смертности населения. Низкие показатели смертности отмечались в 60-е годы (1960 г. – 6,6 на 1000 населения). С 1970 г. ее уровень вырос с 7,6 до 14,2 в 1999 г. в 2000 году общая смертность снизилась до13,5. Небольшое снижение было зарегистрировано в 1986-1987 гг. Этот факт связывают с проведенной антиалкогольной кампанией. За период 1990-1999 гг. смертность выросла на 32,7%.

Наиболее высокий уровень смертности населения на территории Беларуси, до 1995 г. включительно, регистрировался в Витебской области: от 12,4 до 14,7 на 1000 населения. С 1996 г. на первом месте в республике по данному показателю находится Минская область - 14,9-15,7 случаев на 1000 населения. Относительно благополучным в отношении смертности в течение всего анализируемого периода был г. Минск. Начиная с 1993 г., в республике регистрируется такой социальный феномен, как "демографические ножницы", когда смертность превышает рождаемость. При такой демографической ситуации коэффициент естественной убыли может снизиться до -7.

2. Международная и государственная регламентация биобезопасности.

Международная и государственная регламентация биобезопасности

Биологическая безопасность и сохранение биоразнообразия. В дискуссии о безопасности использования трансгенных растений и животных в сельском хозяйстве участвуют правительственные комиссии и неправительственные организации типа «Гринпис». На рисунке 13 представлена карта мира с указанием стран, в которых использование генетически модифицированных организмов разрешено или запрещено, а в таблице 2 – аргументы за и против использования ГМО.

Р исунок 13 – Отношение государства к использованию ГМО в различных странах мира

Таким образом, проблемы биологической безопасности и сохранения биоразнообразия выходят за рамки науки на уровень первостепенных задач государств и международных организаций, в обязанности которых входит обеспечение благоприятных условий для жизни населения на планете Земля.

Конвенция о биологическом разнообразии и Картахенский протокол по биобезопасности. Одним из важных документов, регламентирующих генно-инженерную деятельность (ГИД) и одновременно регулирующих межгосударственные отношения, является Конвенция о биологическом разнообразии (КБР, Рио-де-Жанейро, июнь 1992 г.). В ней провозглашается ответственность человечества за сохранение, устойчивое использование и долгосрочное развитие биологического разнообразия. В Конвенцию также включены проблемы сохранения природных мест обитания, рационального использование биологических ресурсов, восстановления деградировавших экосистем и исчезающих видов, строгого контроля над современными биотехнологиями, разработки национальных экологических сетей и законодательной институциональной базы. В соответствии с принципом принятия мер предосторожности (§15 КБР), в 2000 г. был разработан, 11 сентября 2003 г. вступил в силу и, по состоянию на август 2010 г., ратифицирован большинством стран-сторон КБР (160 из 192 государств-членов ООН) Картахенский протокол по биобезопасности (КПБ) к КБР. Цель КПБ – содействие правительствам стран в обеспечении надлежащего уровня защиты в области безопасной передачи, обработки и использования живых (генетически) измененных организмов (ЖИО/ГИО), являющихся результатом применения современной биотехнологии (в том числе генетической модификации, ГМ) и способных оказать неблагоприятное воздействие на сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия, с учетом рисков для здоровья человека и проявления особого внимания к их трансграничному перемещению.

Наряду с очевидными позитивными возможностями генно-инженерной деятельности, существует также потенциальный риск негативного влияния живых измененных организмов (ЖИО по терминологии Картахенского протокола) при их выпуске в окружающую среду. Этот аспект ГИД вызывает огромное беспокойство у ученых и общественности, так как известно, что наличие трансгенных конструкций в геноме может приводить к непредсказуемым изменениям в составе нуклеиновых кислот и балансе экспрессии генетического материала.

Возможные отрицательные явления можно подразделить на две составляющие. Во-первых, у самих ЖИО (в том числе в продуктах из них) могут проявиться или усилиться токсичность и аллергенность, патогенность и инвазивность (например, у микроорганизмов); биологическая агрессивность – опасность вытеснения ими ценных и редких аборигенных видов или утрата последних в результате засорения генами, перенесенными от ЖИО; ядовитое воздействие на нецелевые виды (например, на пчел, бабочек, муравьев, жужелиц и др.). Во-вторых, возникновение ряда нежелательных и даже вредных последствий от использования измененных организмов, как в сфере природопользования (например, акселерация появления суперрезистентных вредителей; опасность превращения ЖИО в сорняк, возникновение более вредоносных сорняков в результате переноса трансгенов другим видам); накопление в почве и воде токсинов трансгенных растений; так и сельскохозяйственного производства (неблагоприятные психолого-экономические взаимоотношения между производителями продукции из ГИО (фермерами, например) и поставщиками семян трансгенных растений и химикатов к ним (биотехнологические и химические фирмы); неожиданные ситуации, например, непредвиденные дополнительные расходы на пестициды для уничтожения вредителей ″второй волны″, размножившихся после снятия конкурентного прессинга основного насекомого-вредителя, или накопление в зоне выращивания ГМ-растений и прилегающих зонах гербицидов, к которым данные ГМ-растения устойчивы; накопление в почве и воде токсинов трансгенных растений и иные неблагоприятные воздействия на экосистемы.

Национальный координационный центр биобезопасности (НКЦБ). С учетом всех этих проблем, согласно постановлению Совета Министров Республики Беларусь «О создании Национального координационного центра биобезопасности» от 19 июня 1998 г. № 963 соответствующие функции были возложены на Институт генетики и цитологии НАН Беларуси, в котором и был создан Национальный координационный центр биобезопасности (НКЦБ) (рисунок 14).

Основной целью НКЦБ является упорядочение и координация работ в области реализации стратегии и национального плана действий по сохранению и устойчивому использованию биоразнообразия в рамках конвенции ООН (КБР). Задачи НКЦБ:

1. сбор, анализ и систематизация информации о законодательстве и научных исследованиях по вопросам биобезопасности, полевых испытаниях генно-инженерных объектов, ввозе (вывозе), коммерческом использовании в Беларуси ГИО и продуктов на их основе, а также указанной информации по биобезопасности из баз данных международных информационных сетей, развитие национальной базы данных о биобезопасности и ГИО;

2. предоставление этой информации заинтересованным министерствам и иным органам государственного управления, средствам массовой информации, гражданам и общественным объединениям;

3. обмен информацией с координационными центрами других стран и международными организациями;

4. ведение государственного реестра экспертов по биобезопасности в области ГИД (совместно с Минприроды);

5. обеспечение проведения научной экспертизы безопасности ГИО (совместно с экспертами государственного реестра);

6. оказание консультативных услуг министерствам и иным республиканским органам государственного управления в разработке проектов актов законодательства, касающихся ввоза (вывоза) и безопасного использования ГИО и продуктов на их основе, руководств по оценке и предупреждению риска для окружающей среды и здоровья человека, инструкций по технике безопасности для лабораторий генетической инженерии;

7. оказание консультативных услуг министерствам и иным республиканским органам госуправления в подготовке предложений по заключению двусторонних и региональных соглашений, в разработке международных соглашений по вопросам биобезопасности и осуществление соответствующих законодательству функций.

Национальная система безопасности генно-инженерной деятельности. Присоединившись 6 мая 2002 г. к Картахенскому протоколу, Республика Беларусь разработала национальную систему безопасности ГИД (рисунок 15).

Постановлением Совета Министров Республики Беларусь «О мерах по реализации положений Картахенского протокола по биобезопасности к Конвенции о биологическом разнообразии» от 5 июня 2002 г. № 734 создан ряд компетентных национальных органов. В качестве таких органов определены Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды (далее – Минприроды) в части функций, связанных с высвобождением ЖИО/ГИО в окружающую среду, Министерство здравоохранения и Министерство сельского хозяйства и продовольствия – по вопросам использования ЖИО в хозяйственной деятельности. Этим же постановлением на НКЦБ возложена функция связи с секретариатом КПБ.

Рисунок 15 – Структура системы биобезопасности Республики Беларусь

В основу концепции государственного регулирования безопасности ГИД в Беларуси положен накопленный мировой опыт, белорусское законодательство и сложившаяся в стране система государственного управления, ее обязательства по международным соглашениям. Важнейшие положения концепции нашли отражение в Законе Республики Беларусь «О безопасности генно-инженерной деятельности» (далее – Закон), принятом 9 января 2006 г. Этот закон вместе с актами действующего законодательства и другими правовыми документами, разработанными в его развитие, составляют основу нормативной правовой базы формирующейся национальной системы биобезопасности, в задачу которой входит реализация прав граждан Беларуси на жизнь, охрану здоровья, информацию и на предотвращение нарушения этих прав.

Закон устанавливает правовые и организационные основы обеспечения безопасности ГИД. Его положения не распространяются на отношения, связанные с применением генетической инженерии к человеку, его органам и тканям, обращением с фармацевтическими препаратами, продовольственным сырьем и пищевыми продуктами, кормами для животных, полученными из ГИО или их компонентов (ст. 2), так как они регулируются специальным законодательством о здравоохранении. В ст. 5 Закона определены следующие меры по обеспечению безопасности ГИД: принятие (издание) нормативных правовых актов; утверждение и введение в действие технических нормативных правовых актов в области безопасности ГИД и их реализации; проведение государственной экспертизы безопасности ГИО; осуществление контроля в области безопасности ГИД и ряд других мер обеспечения безопасности.

Оценки рисков использования ГИО в Беларуси регламентирует Постановление Совета Министров от 4 мая 2010 г. № 677 (утверждено декретом Президента Республики Беларусь № 5/31786, подписанным 07.05.2010) «Об утверждении Положения о порядке проведения оценки риска возможных вредных воздействий генно-инженерных организмов на здоровье человека». Определены порядок и единые требования проведения оценки риска возможных вредных воздействий ГИО на здоровье человека. В постановлении используются следующие основные термины: оценка риска – определение вероятности вредного воздействия ГИО на здоровье человека; факторы риска – характеристики ГИО, связанные с генетической модификацией, которые могут оказать вредное воздействие на здоровье человека. Оценка риска проводится в целях определения возможных вредных воздействий ГИО на здоровье человека, оценки вероятности и степени опасности таких воздействий, а также способов их предупреждения и контроля (менеджмента). Порядок оценки риска включает следующие этапы:

1. выявление (идентификация) факторов риска;

2. оценку вероятности вредного воздействия каждого идентифицированного фактора риска на здоровье человека с учетом использования генно-инженерных организмов;

3. оценку масштаба возможных последствий каждого идентифицированного вредного воздействия ГИО на здоровье человека при потенциальной их реализации;

4. оценку величины риска, обусловленного каждым идентифицированным фактором риска, с учетом его вероятности и масштабов возможных неблагоприятных последствий;

5. оценку совокупного риска на основании отдельной оценки вероятности и масштабов последствий каждого идентифицированного фактора риска;

6. подготовку информации об оценке риска и его приемлемости;

7. определение стратегии для управления такими рисками.

На рисунке 16 представлена структура алгоритмов оценки рисков от высвобождения ЖИО в Республике Беларусь.

Принципами оценки риска являются:

• научно обоснованный, интегрированный и индивидуальный подходы;

• сравнение идентифицированных характеристик ГИО, несущих потенциальную угрозу здоровью человека, с аналогичными характеристиками немодифицированных, исходных организмов;

• последовательность анализа каждого этапа создания ГИО с учетом типа рассматриваемого ГИО, способа его предполагаемого использования и потенциальной среды высвобождения.

При оценке риска определяются:

• безопасность любых эффектов, возникших в результате генетической модификации;

• безопасность новых белков, возникших в результате ГМ (токсичность, аллергенность);

• снижение пищевой ценности ГМ-продуктов; вероятность переноса в микрофлору желудочно-кишечного тракта генов устойчивости к антибиотикам.

Рисунок 16 – Структура алгоритмов оценки рисков от высвобождения ГМО/ЖИО в Республике Беларусь

Оценки проводятся осуществляющими ГИД экспертами, юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями. Полученная информация в установленном законодательством порядке включается в материалы, предоставляемые юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями в Минприроды для проведения государственной экспертизы безопасности ГИД. При поступлении новой информации о ГИО и его воздействии на здоровье человека результаты оценки риска могут быть пересмотрены. Одной из важнейших мер по обеспечению ГИД является установление ответственности за нарушение требований законодательства (ст. 5 Закона «О безопасности генно-инженерной деятельности»). В целях реализации указанного предписания 18 мая 2007 г. был принят Закон РБ «О внесении дополнений в некоторые кодексы Республики Беларусь по вопросам установления ответственности за нарушение законодательства о безопасности генно-инженерной деятельности», которым внесен ряд дополнений в административное и уголовное право страны. В части 1 статьи 15.4 Кодекса Республики Беларусь об административных правонарушениях (далее – КоАП) предусмотрена ответственность за нарушение правил безопасности производства, хранения, использования, транспортировки, захоронения и иного обращения с радиоактивными, бактериологическими, химическими веществами или отходами производства и потребления. Законом от 18 мая 2007 г. данная норма КоАП была дополнена указанием на то, что такую же ответственность влечет и совершение аналогичных действий с ГИО. Также в части 1 статьи 278 Уголовного кодекса сформулированы дополнения, аналогичные внесенным в части 1 статьи 15.4 КоАП, согласно которым установлена ответственность за аналогичные нарушения правил безопасности – при наличии административной преюдиции (т.е. уже вступившего в законную силу судебного решения) – налагается штраф в размере от 20 до 1000 базовых величин (≈ 10 тыс. у.е.); размер уголовной ответственности за подобные нарушения – до 7 лет лишения свободы.

Законодательство стран ЕС и СНГ в области биобезопасности. Для стран ЕС нетипичны многие сельскохозяйственные культуры (соя, кукуруза, канола, хлопок) и площади, засеянные этими, заметим, не трансгенными культурами, составляют от 0,5% (соя) до 3% (кукуруза), в то время как именно они занимают >90% всех посевов ГМ-растений в мире. Введение в оборот нового ГМ-растения осуществляется поэтапно: сначала растение проходит испытания в лаборатории или в теплицах (с присвоением идентификационного номера), и затем, с учетом накопленного опыта – полевые испытания, сроки проведения которых ограничены так же, как и площадь опытных полей. Перед каждым выпуском ГМО в окружающую среду должно быть получено разрешение органов власти, осуществляющих контроль над соблюдением предусмотренных мер безопасности.

В ЕС для этого задействованы специальные компетентные ведомства. Так, в Германии этими вопросами занимается Федеральное ведомство по защите прав потребителей и безопасности продуктов питания, причем в выдаче разрешения на использование ГМО принимают участие: Федеральное ведомство по охране природы, Федеральный институт по оценке риска, Институт Роберта Коха, а также Федеральный биологический научно-исследовательский центр сельского и лесного хозяйства. Непосредственно оценку возможного риска для людей, животных и окружающей среды дают компетентные экспертные комиссии (советы) по биобезопасности. В частности, Центральная Комиссия по биобезопасности Германии состоит из экспертов в области микробиологии, токсикологии, генетики, растениеводства и экологии, а также специалистов в сфере экономики, сельского хозяйства, охраны окружающей среды, охраны природы, защиты прав потребителей и организаций, финансирующих исследования. Подобный состав комиссий по оценке риска при национальных органах в ЕС обеспечивает участие всех общественных групп; во внимание принимаются также выводы ученых, скептически относящихся к генной инженерии. В любом случае, компетентные организации и общественность должны в ходе тщательных экспертиз получать доказательства допустимости приемлемых рисков (прямых и опосредованных, немедленных и отдаленных) или их отсутствия (одновременно разрабатываются и меры ликвидации негативных сценариев с высвобождением ЖИО/ГМО). Если ни при одном из испытаний ЖИО не будет выявлено возможность недопустимых рисков, может быть подано заявление на выдачу разрешения на введение ГМ-растений в оборот. Разрешенные для использования трансгенные растения вносятся в общедоступный реестр, в том числе публикуемый на специальных сайтах Интернета (напр., www.transgen.de). В качестве дальнейшего обеспечения безопасности продолжительность действия разрешения на введение в оборот ограничивается сроком до 10 лет. По истечении этого срока разрешение может быть продлено, но при этом вновь проводится проверка наличия всех необходимых предпосылок для разрешения с учетом новых научно обоснованных данных. С каждым заявлением предоставляется план наблюдения с целью обнаружения ранее неизвестных воздействий на человека и окружающую среду в период срока действия разрешения. В случае появления опасений в отношении безопасности, разрешение на использование растения может быть в любое время аннулировано. Таким образом создаются все гарантии, что ЖИО и произведенные из них продукты, представляющие опасность для здоровья, не попадут в окружающую среду или продовольственные магазины.

Таблица 3 – Сравнительный анализ регламентации в разных странах маркировки продукции содержащей ЖИО/ГМО.

ЕС, СНГ, Россия, Молдова	После экспертизы маркируются только те продукты (корма), в которых содержится более чем 0,9% ингредиентов из ЖИО/ГМО
Беларусь	Ведется регламентная предварительная экспертиза и соответствующей маркировке подлежат все продукты, содержащие ингредиенты ЖИО/ГМО, независимо от их концентрации
США	Специального маркирования продуктов питания из ЖИО/ГМО(или содержащих ГМ-ингредиенты), не требуется, так как нет оснований полагать, что они существенно отличаются от традиционных, поэтому не представляют собой какие-либо новые (увеличенные) риски для здоровья потребителей. Маркировка изменяется, если в ходе экспертизы будут найдены отличительные особенности, которые надлежит указать на этикетке; если же содержание белков и ДНК ЖИО мало (от 0,1 до 0,5 %), то и такая маркировка не обязательна

В ЕС для обеспечения безопасности продуктов питания и кормов из ЖИО проводятся строгий контроль и исследования в соответствии с существующими законодательными актами (Директивами ЕС). Свободный выбор потребителей обеспечивается благодаря маркировке продуктов питания, ингредиентов и добавок, изготовленных из ЖИО или содержащих их компоненты. Международно-признанные принципы анализа рисков продуктов из ГМО и специальные положения по проведению оценки безопасности трансгенных растений и микроорганизмов разработаны так называемым Продовольственным кодексом (Codex Alimentarius). Речь идет о маркировке в процессе производства (напр., "содержит ГМО-компоненты" или "не содержит ГМО-компоненты"), дающей информацию о применении ГИД независимо от вещественного состава сходных продуктов питания (состав бывает одинаков).

Из-за сложности оценки риска Организация экономического сотрудничества и развития (OECD) в 1993 г. сформулировала концепцию "эквивалентности по существу" (принята во всем мире), определяющую не абсолютную, а относительную величину биобезопасности ГМ-продукта (за исходный уровень биобезопасности принимается адекватная традиционному аналогу). Согласно действующим нормам ЕС для животной продукции (мяса, молока, яиц) маркировка не обязательна, если животных кормили генетически модифицированными кормами. Часто этот момент критикуется союзами по защите окружающей среды и прав потребителей как ограничение свободы выбора конечного потребителя. Однако Европа не может сохранить требуемый уровень производства мяса, молока и яиц без импорта кормов из ГМ-растений (кукуруза, рапс, соя). В результате большая часть европейской животной продукции должна была бы маркироваться как произведенная с использованием ГМ-кормов. Покупая животную продукцию, многие потребители хотели бы знать, получали ли животные ГМ-корма или нет. Поэтому, например, в Германии Федеральное министерство продовольствия, сельского хозяйства и защиты прав потребителей прилагает максимум усилий для разработки практичного и небюрократического решения в сфере маркировки всех продуктов, изготовленных с применением ГМО.

Законодательство Беларуси не запрещает использование и оборот пищевого сырья и продуктов питания, произведенных из ГМО, но в соответствии с законами республики "О качестве и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов для жизни и здоровья человека" [Национальный реестр правовых актов (НРПА). 2003, № 79, 2/966) и "О защите прав потребителей" (НРПА. 2003, № 8, 2/932) покупатель имеет право на получение информации о продуктах питания, в том числе – о содержании в них ГМО или их компонентов.

Для организации ГМО-контроля в республике создано 15 испытательных лабораторий, из них в системе Минздрава – 6, Госстандарте – 6, НАН Беларуси – 2, Минсельхозпроде – 1. Определение ГМО растительного происхождения в продовольственном сырье и пищевых продуктах осуществляется в лабораториях по двум методам: ПЦР в реальном времени (количественное исследование) и ПЦР + иммуноферментный анализ (качественное исследование). Указанные методы имеют как общие, так и отличительные признаки, в целом же позволяют объективно и качественно проводить исследования.

Можно заключить, что белорусское законодательство по биобезопасности совершенствуется в соответствии с новыми достижениями науки и современными требованиями в таких областях, как государственная экспертиза безопасности генно-инженерной деятельности, механизмы информирования и участия общественности в принятии решений.

В настоящее время к основным направлениям генно-инженерной деятельности, регулируемым законодательством Республики Беларусь, относятся следующие:

1. генно-инженерная деятельность в замкнутых системах;

2. высвобождение генно-инженерных организмов в среду обитания для проведения испытаний;

3. использование ЖИО в хозяйственных целях;

4. ввоз в Беларусь, вывоз и транзит через ее территорию генно-инженерных организмов;

5. хранение и обезвреживание генно-инженерных организмов.

Анализ, проведенный зарубежными экспертами, показал, что национальная система биобезопасности Республики Беларусь, созданная отечественными специалистами в процессе выполнения проектов ЮНЭП-ГЕФ, находится в логическом и функциональном соответствии с действующими в этой сфере законодательствами стран СНГ и Евросоюза. Это значит, что Республика Беларусь в сфере биобезопасности полностью выполняет свои международные обязательства, а ее правительство – обязательства перед своими гражданами.

Билет № 23

1. Современные представления о биологических основах интеллекта.

Интеллект. Известно множество определений и моделей интеллекта, о чем более подробно говорится в разделе пособия о когнитивной психологии. Согласно одному из наиболее распространенных определений интеллект – это общие способности к познанию, пониманию и разрешению проблем. Понятие «интеллект» объединяет все познавательные способности индивида: ощущение, восприятие, память, представление, мышление, воображение. Согласно определению академика Н.Н.Моисеева интеллект – это, прежде всего, целеполагание, планирование ресурсов и построение стратегии достижения цели. На материалах, рассмотренных выше, мы могли убедиться, что человеческий интеллект появился не на пустом месте. Его зачатками обладают животные, многие их действия разумны и продуманны, и уже на этом уровне их интеллект посредством механизмов целеполагания и достижения целей влиял и влияет на эволюцию животных. Человек же коренным образом отличается от животных наличием потенции к развитию средств межличностной коммуникации, отражающей все многообразие окружающего мира. Эти средства коммуникации могут быть знаковыми, вербальными, письменными. Пример адаптации к человеческому обществу реальных, а не книжных Маугли, или советский опыт обучения слепоглухонемых детей доказывает, что это именно потенциальная способность, которая может реализоваться только в процессе общения с себе подобными.

Модели интеллекта. Что же понимается под термином «интеллект»? В гештальтпсихологии (Вольфганг Кёлер, Макс Вертхаймер) он рассматривается как способность к формированию обобщенных зрительных образов. В школе швейцарского биолога и философа Жана Пиаже – это наиболее совершенная форма адаптации организма к среде. Американский психометрист Луис Леон Терстоун рассматривал интеллект как способность к саморегуляции психической активности. Список определений можно продолжать до бесконечности.

Еще один вопрос, который вызывает ожесточенные споры: является ли интеллект единым качеством или же представляет собой комбинацию разнообразных самостоятельных способностей? Так, в 1938 г. тот же Луис Терстоун вывел «многофакторную теорию интеллекта». Согласно ей общего интеллекта не существует, а имеется семь независимых первичных способностей: умение оперировать в уме пространственными отношениями, детализировать зрительные образы, выполнять основные арифметические действия, понимать значение слов, быстро подбирать слово по заданному критерию, запоминать и выявлять логические закономерности.

Другой ученый – Джой Гилфорд – пошел еще дальше. В 1967 г. он предложил свою «структурную модель интеллекта», в которой насчитал 120 независимых интеллектуальных способностей! Не случайно американский психолог Эдвин Боринг еще в 1923 г. дал такое шутливое определение: «Интеллект – это то, что измеряют тесты интеллекта».

Так что же отражает это многообразие: реальную природу интеллекта или особенности методик, применяемых для его исследования? Ответом на этот терминологический кризис вроде бы стало появление в конце 1980-х – начале 1990-х гг. нового поколения теорий, рассматривающих интеллект не как комбинацию разных способностей, а как иерархию различных когнитивных процессов.

Вообще говоря, искусственный интеллект не занимается изучением мозга, но пользуется результатами его изучения для решения задач, не имеющих алгоритмов решения. А это довольно обширная область, охватывающая в первую очередь создание искусственных интеллектуальных систем, способных к восприятию и анализу информации различной сенсорной природы, познанию и автономному поведению.

Этому посвящен ряд крупных проектов в технологически развитых странах. Все чаще в ходе их реализации исследователи ориентируются на учет особенностей организации обработки информации мозгом животных и человека. В числе таких проектов следует отметить осуществляемые в США программы DARPA «Машинное чтение» (Machine Reading Program MRP) и «Системы DARPA нейроморфной пластичной масштабируемой электроники» (DARPA’s Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics initiative SyNAPSE). Целью начатой в 2009 г. программы MRP является создание автоматизированной системы чтения и понимания текстов на естественном языке, способной извлекать востребованную информацию из текста без участия человека. Целями осуществляемой с сентября 2008 г. программы SyNAPSE является изучение синапсов, разработка материалов для их аппаратного моделирования, создание искусственных нейросетей. С программой SyNAPSE тесно связан начатый корпорацией IBM в ноябре 2008 г. проект разработки принципиально новой архитектуры вычислительной системы, строящейся на принципах организации живого мозга под названием “Создание компьютера, способного к познанию с помощью синаптроники и высокопроизводительных вычислений» (Cognitive Computing via Synaptronics and Supercomputing (C2S2). Заявленная IBM цель проекта – «создание интеллектуальных компьютеров, способных к самостоятельному усвоению новых знаний из различных источников, распознаванию образов, продолжительному обучению, пониманию контекстуального значения многозначной информации для решения сложных проблем в условиях реального мира на основе способностей к восприятию, действиям и познанию». Являясь по сути частью программы SyNAPSE, проект C2S2 осуществляется и в рамках внутренней программы IBM «Когнитивная компьютерная инициатива» (IBM’s cognitive computing initiative) и основывается на научных результатах, полученных Д. Модхой и его коллегами в исследовательских центрах IBM в Альмадине, Аустине, Хайфе и Токио, центре им. Уотсона, а также в ходе реализуемого с 2005 г. под эгидой IBM на базе Швейцарского федерального технологического института проекта «Blue Brain Project» (BBP, руководитель – Г. Маркрам). Целью BBP является детальное моделирование отдельных нейронов и образуемых ими колонок коры мозга – неокортикальных колонок.

Создание искусственных нейросетевых интеллектуальных систем требует моделирования как молекулярных и субмолекулярных взаимодействий в нервной клетке и межклеточном пространстве, обеспечивающих выполнение нейроцитом функции базового элемента когнитивной системы, так и разработки сетевых архитектур. Нейрон объединяет молекулярный и сетевой уровни. Именно поэтому как нейробиологами, так и кибернетиками уже предложены сотни различных моделей нейронов. В большинстве простых формальных моделей нейронов имеются такие недостатки, как отсутствие моделирования каскада фаз формирования памяти; отсутствие различных типов активирующих и тормозящих медиаторов; отсутствие моделирования разнообразия видов межклеточных соединений и их взаимодействия; отсутствие модели генетического регулирования клеток и сетей на их основе. Таким образом, важной задачей является создание моделей нейрона, которые обладали бы способностями живого нейроцита, но были бы и достаточно компактными для реализации сверхбольших, динамически изменяющихся искусственных НС. Их разработки активно ведутся, причем характерной особенностью этих работ является ориентация на организацию биологических нейросетей, в частности, на архитектуру неокортикальных колонок.

2. Современные направления классификации – фенетика, кладизм, филистика.

В последарвиновский период и вплоть до настоящего времени господствуют две теории зоологической классификации: кладизм и эволюционная систематика. Кладизм, или кладистика (от др.-греч. κλάδος (kládos) - ветвь) - теория, согласно которой организмы получают ранг и классифицируются исключительно в зависимости от "давности происхождения от общего предка". Основные идеи кладизма (другое название - филогенетическая систематика) восходят к выдающемуся немецкому энтомологу и систематику Вилли Хеннигу (1913–1976), который предложил свою стройную систему логических построений в биологической систематике. Принципы Хеннига сводятся в основном к следующему.

1. Классификация последовательно отождествляется с филогенией, точнее даже, с генеалогией.

2. Система представляется как иерархия дихотомического (надвое) деления групп, которые должны быть строго монофилетическими.

3. Порядок соподчинения групп (относительный ранг), определяется только временем их возникновения.

Методологическую основу кладистики, а с ней и почти всей новой филогенетики, составил принцип экономии. Он означает «экономию мышления», т.е. по возможности исключение исходных домыслов об исследуемом явлении. С этой точки зрения исторические реконструкции должны проводиться при минимальных априорных допущениях о свойствах эволюционного процесса. Общая концепция эволюции как адаптациогенеза, обязывающая к детальному прописыванию эволюционных сценариев, взвешиванию признаков соответственно их адаптивной значимости и т.п., оказывается избыточной. В предельном выражении, нашедшем своё воплощение в некоторых методах нумерической филетики, названный принцип приводит к полному отказу от априорного определения характера эволюции признаков. Соответственно, всё историческое развитие сведено к кладогенезу, в котором нет ни параллельных линий, ни ступеней эволюционного развития — только события, связанные с возникновением новых видов.

Особый раздел новой филогенетики, разрабатывающий количественные методы оценки сходства организмов и конструирования филогенетических деревьев, — нумерическая филетика. В настоящее время эти методы в филогенетике преобладают: развита своего рода «индустрия» по их производству и реализации в виде легко доступных компьютерных программ. Несомненным достоинством нумерической филетики является возможность манипулирования большими массивами данных. Морфолог чаще всего способен охватить интуицией лишь ограниченное число структур, которые можно описать несколькими десятками формализованных признаков. Однако едва ли без применения количественных техник можно сравнить десятки таксонов по нуклеотидным последовательностям, состоящим из нескольких тысяч пар оснований.

Кладистике противостоит фенетика, основанная на количественной оценке так называемого общего сходства (англ. overall similarity). Здесь предполагается учет как можно большего числа доступных признаков организма в целом. При их анализе возможны лишь заключения о том, насколько далеки друг от друга сравниваемые величины без обсуждения относительно конкретных эволюционных событий. Хотя идеи и многие методы фенетики существовали почти с начала века, основные положения теории были сформулированы Р. Сокалом и Ф. Снитом в 1963 г.

И з трех главных конкурирующих подходов кладизм опирается на синтетическую теорию эволюции, игнорирующую дискретность биоразнообразия. Поэтому кладистическая система учитывает только дивергенции и признает лишь таксоны, охарактеризованные синапоморфиями. Филистика и фенетика опираются на эпигенетическую теорию эволюции и заняты прослеживанием разрывов (гиатусов – отсутствия переходных форм) между таксонами. Фенетика одной из важнейших причин общности эволюционных тенденций считает устойчивость онтогенетических программ, порождающих сходные фенотипы в сходных условиях среды, и использует доступные признаки как таковые – это существенно эмпирический подход. Филистика же занимает промежуточное положение между фенетикой и кладизмом в том, что она пытается отразить полный баланс сходств и различий, включая и те, что еще не изучены. Для этого филистика использует прогностические возможности филогенеза, который выступает в качестве эвристического метода контроля системы, построенной фенетическими методами.

Билет № 24

1. Наследственные и врожденные болезни человека.

Принципы молекулярной диагностики наследственных и ненаследственных заболеваний человека на разных этапах онтогенеза

В результате изучения генома человека появилась молекулярная медицина, одно из направлений которой – генная диагностика болезней, их профилактика и генотерапия, что имеет большое медицинское и социальное значение. Сегодня вполне реальна не только пренатальная диагностика наследственных болезней, но и досимптоматическая. Выявление гетерозиготного носительства мутаций в семьях высокого риска стало важным разделом медико-генетической службы. В России такие исследования проводятся во многих государственных и коммерческих центрах, в Беларуси лидером в этом направлении является РНПЦ «Мать и дитя», предшественником которого в медицинской генетике был НИИ наследственных и врожденных заболеваний Министерства здравоохранения Республики Беларусь. Этот институт был создан членом-корреспондентом РАМН и НАНБ Г.И.Лазюком и многие годы входил в число лучших медико-генетических учреждений Европы.

Принципиально различают прямую и непрямую ДНК-диагностику моногенных наследственных болезней. В общем случае использование прямых методов диагностики возможно лишь для клонированных генов с известной нуклеотидной последовательностью полноразмерной кДНК; при этом необходимо предварительное генотипирование мутантных аллелей у родителей.

В случае прямой диагностики объектом молекулярного анализа является сам ген, точнее, мутации этого гена. Такой подход особенно эффективен при наличии точной информации о природе, частоте и локализации наиболее распространенных (доминирующих по частоте) мутаций соответствующих генов, а также о наличии в них особенно легко мутирующих «горячих» точек. Главное преимущество прямого метода – высокая, доходящая до 100%, точность диагностики и отсутствие необходимости анализа всей семьи на предмет ее информативности. Последнее обстоятельство особенно важно для проведения пренатальной диагностики тяжелых, зачастую ведущих к летальному исходу наследственных болезней (муковисцидоза, миодистрофии Дюшена, гемофилии А и др.).

Однако для огромного количества наследственных болезней мутации пока не описаны. Кроме того, всегда сохраняется возможность присутствия у пробанда неизвестных мутаций. Далеко не всегда возможно примененять такой подход и вследствие очевидных финансовых и временных ограничений. Однако такие трудности успешно преодолеваются благодаря наличию непрямых (косвенных) методов молекулярной диагностики.

Этот исторически наиболее ранний подход основан на использовании сцепленных с геном полиморфных маркеров, с помощью которых проводится идентификация мутантных хромосом (точнее хромосом, несущих мутантный ген) в семьях высокого риска, т.е. у родителей больного и его ближайших родственников.

В настоящее время применять косвенные методы молекулярной диагностики принципиально возможно для выявления практически всех моногенных заболеваний с известной локализацией контролирующего гена, для каждого из которых уже разработана удобная система вне- и внутригенных полиморфных индексных маркеров. Косвенные методы молекулярной диагностики пригодны даже для тех болезней, гены которых еще не идентифицированы и мутации неизвестны. Единственным и непременным условием применения этой методики является наличие полиморфных сайтов рестрикции либо коротких тандемных повторов типа STR, находящихся в непосредственной близости от мутантного гена или, что еще лучше, внутри него (чаще всего в интронах). При помощи этих полиморфных сайтов удается маркировать мутантные аллели гена и проследить их передачу потомству.

В качестве еще одного примера работы белорусских исследователей следует назвать лабораторию молекулярной генетики Института генетики и цитологии НАН Беларуси, где под руководством академика НАНБ Н.А.Картеля многие годы ведутся исследования молекулярных механизмов возникновения и развития рака щитовидной железы. В 2006 г. его учеником Д.Г.Ярмолинским защищена кандидатская диссертация на тему «Молекулярно-генетический анализ генома опухолевых клеток щитовидной железы у белорусских пациентов», в которой изучены молекулярно-генетические аспекты развития папиллярных карцином щитовидной железы, удаленных в период с 1996 по 2001 гг. у пациентов, которые проживали в белорусской зоне радиационного облучения во время аварии на Чернобыльской АЭС.

2. Методы селекции с использованием культуры клеток и тканей.

Создание клеточных линий сверхпродуцентов

Генетические изменения (мутации), возникающие в культивируемых клетках, процессы адаптивной селекции, идущие в популяции, приводят к появлению из первичной каллюсной ткани линий клеток, различающихся генетически и фенотипически. Это позволяет создавать линии клеток, сохраняющих биосинтетические процессы, присущие исходному растению, а также линии клеток, синтезирующих принципиально новые вещества.

Как и для микроорганизмов, для выделения из полученных клеток растений сверхпродуктивных линий используются разнообразные методы.

Селекция – это искусственный отбор организмов с лучшими в своем поколении показателями. Главный недостаток этого метода – его чрезвычайная длительность.

Более эффективен индуцированный мутагенез, основанный на мутагенном воздействии рентгеновского и УФ излучения или некоторых химических соединений. Мутагены вызывают изменения ДНК, приводящие к сдвигу метаболических реакций, в результате чего часть обычных клеток превращаются в сверхпродуцентов.

Как правило, методы мутагенеза и селекции используются в совокупности.

Достижения в области генетики и молекулярной биологии позволили биотехнологам начиная с 1970х гг., перейти от слепого отбора мутантов к сознательному конструированию геномов, используя для этой цели технологию рекомбинантной ДНК – основу современной генной инженерии.

Для клональной селекции мутантных, гибридных или трансформированных клеток используются методы выращивания изолированных (отдельных) клеток, которые получаются путем выделения их из суспензий с помощью микроманипуляторов либо посредством разведения, а также из регенерированных протопластов.

Билет № 25

1. Использование явления РНК-интерференции и малых РНК в функциональной геномике и экспериментальной генотерапии.

История открытия РНК-интерференции. Малые РНК как индукторы РНК-интерференции.

Использование явления РНК-интерференции и малых РНК в функциональной геномике и экспериментальной генотерапии.

Этот защитный механизм, предохраняющий клетку от вирусов и мобильных генетических элементов, можно использовать в терапевтических целях. Самое главное для практического применения РНК-интерференции – то, что для фермента аргонавта не имеет значения, какую информационную РНК уничтожать: он слепо следует указаниям микро-РНК.

Обычно лекарства действуют на уровне конечных стадий биохимического «производства»; они, образно говоря, «выключают» (или «ломают») работающие «станки» или уничтожают «готовые изделия». Открытие РНК-интерференции делает возможной применение иной стратегии: не обезвреживать нежелательный биохимический продукт (рискуя нарушить заодно и какой-либо нормально протекающий процесс), а просто "нацеливать" собственный защитный механизм клетки – RISC – на определенную информационную РНК, предотвращая таким способом образование нежелательного продукта. Достаточно сконструировать правильную микро-РНК. Это на современном этапе вполне выполнимая задача, поскольку геном человека уже секвенирован, а для некоторых болезней известны вполне определенные гены, за них ответственные. Ныне уже разработан метод РНК-интерференции, который предполагает внесение в клетку дцРНК, специально сконструированной под определенный ген

Недавние эксперименты на животных показали, что с помощью дцРНК можно погасить ген, обусловливающий, например, высокий уровень холестерина в крови; есть надежда использовать в перспективе РНК-интереференцию для лечения вирусных инфекций, в том числе СПИДа, рака и обменных нарушений. Высокая специфичность и эффективность siRNA-методов в совокупности с их низкой токсичностью вселяют оптимизм.

Вот примеры из офтальмологии: новые подходы к лечению макулярной дегенерации сетчатки (macular degeneration) – болезни, которая приводит к потере зрения. Ежегодно в мире регистрируется полмиллиона новых случаев этого заболевания. Болезнь заключается в том, что в центральной части сетчатки неконтролированно растут новые кровеносные сосуды, что приводит к разрушению светочувствительных нервных клеток.

Филадельфийская компания Acuity Pharmaceuticals проводит клинические испытания экспериментального метода лечения макулярной дегенерации сетчатки с помощью РНК-интерференции. Больному непосредственно в глаз вводят короткие фрагменты рибонуклеиновой кислоты, которые заглушают ген, обусловливающий аномальное разрастание капилляров.

Американская фармацевтическая фирма Sirna начала клинические испытания первого лекарства, механизм действия которого основан на РНК-интерференции (пока оно называется «Sirna-027»). «Sirna-027» – это специфическая микро-РНК, которая запускает механизм разрушения информационной РНК, обеспечивающей синтез рецептора фактора роста эндотелия сосудов. Для терапевтического применения микро-РНК химически модифицирована особым образом, поскольку «обычные» РНК, введенные в организм, плохо проникают в клетки и быстро разрушаются.

Р исунок 7 – Одна из искусственных молекулярных конструкций для доставки генетического материала в клетку, разработанная в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Водоотталкивающие шарообразные липидные молекулы связываются с окаймляющими их молекулами ДНК или РНК в единый комплекс

Сегодня, кроме макулярной дегенерации сетчатки, фирма «Sirna» выполняет программы (пока на доклинических стадиях) по раку, гепатитам В и С, диабету, астме, болезни Хантингтона (прогрессирующая дегенерация нервных клеток, приводящая к инвалидности) и облысению (это пока тоже неизлечимое явление). Главная проблема в области клинического применения микро-РНК – не конструирование самих молекул, специфических для определенных генов-мишеней, а их доставка в клетку (рисунок 7). В отличие от многих обычных лекарств молекулы РНК сравнительно большие и обладают физико-химическими свойствами, которые мешают им проходить через внешнюю мембрану клетки.

Решением этой проблемы занимается целая отрасль современной науки (drug delivery). Применяются две стратегии: во-первых, использование «готовых» систем доставки РНК или ДНК в клетку, получаемых из некоторых вирусов, а во-вторых, создание искусственных конструкций из молекул (например, липосом).

Т еперь – о лечении СПИДа. Если удастся тем или иным способом доставить siRNA, обладающую способностью связываться с каким-либо участком РНК-генома ВИЧ, можно попытаться не допустить его встраивания в ДНК клетки хозяина. Можно также воздействовать на различные этапы размножения ВИЧ в уже зараженной клетке. Последний подход не обеспечит излечения, однако существенно уменьшает скорость размножения вируса и дает иммунной системе больного шанс "отдохнуть" от вирусной атаки и самой попытаться расправиться с остатками заболевания.

Рисунок 8 – Этапы развития ВИЧ

На рисунке 8 крестиками отмечены те два этапа размножения ВИЧ в клетке, которые, как надеются, можно заблокировать с помощью siRNA (этапы 4–5 – встраивания вируса в хромосому – и этапы 5–6 – сборка вируса и выход из клетки).

Сегодня, правда, эта возможность относится, скорее, к области теории. На практике терапия siRNA встречается с затруднениями. Например, в случае антивирусной терапии именно высокая специфичность siRNA может сыграть злую шутку: вирусы обладают способностью быстро мутировать, т.е. изменять состав своих нуклеотидов. Особенно преуспел в этом ВИЧ, частота изменений которого такова, что у человека, заразившегося одним подтипом вируса, через несколько лет может быть выделен абсолютно непохожий на него подтип. В этом случае измененный штамм ВИЧ автоматически станет нечувствительным к siRNA, подобранной в начале терапии.

Учитывая эти затруднения, предлагаются альтернативные варианты противовирусной siRNA-терапии. В случае ВИЧ, например, показано, что блокирование одной из молекул-рецепторов на клеточной поверхности, необходимых для прикрепления вируса к клетке (CCR5, этап 6b на рисунке 8), также может предотвращать заражение ВИЧ. Преимуществом данного подхода является то, что ген CCR5 и соответственно его мРНК, отличаются (по сравнению с ВИЧ) гораздо большей стабильностью своего состава, а значит, подобрать для нее эффективную siRNA гораздо легче.

РНК-интерференция широко используется также в научных целях в функциональной геномике для анализа функций различных генов. После описания нуклеотидных последовательностей геномов многих животных и человека перед наукой встала очередная глобальная задача: выяснить роль каждого гена. Одним из основных инструментов, применяемых генетиками для решения этого вопроса, является "выключение" гена. Действительно, чтобы хотя бы в первом приближении оценить функцию гена, нужно посмотреть, как поведет себя клетка без него, какие биохимические процессы при этом нарушатся.

Если раньше на поиски удачного способа блокировки гена и приведение его в действие требовалось от нескольких месяцев до года, то с помощью метода siRNA, или генного нокдауна, практически с любым геном любого организма, последовательность нуклеотидов которого известна, эту процедуру можно проделать в 1–2 недели, значительно повысив специфичность блокирования. При этом инъекция двухцепочечных фрагментов РНК, комплементарных участку информационной РНК, возможна на различных этапах клеточного цикла. Например, таким способом было систематически инактивировано 5690 генов C.elegans для определения генов, регулирующих продолжительность жизни.

В Институте цитологии и генетики СО РАН в Новосибирске установлена возможность сиквенс-специфического подавления экспрессии гена-мишени короткой синтетической интерферирующей РНК в головном мозге млекопитающих in vivo. Результаты исследований открывают новые возможности изучения функции генов в центральной нервной системе и применения РНК-интерференции для воздействия на патологические процессы в головном мозге.

Согласно этому, ранее неизвестному механизму стресс, терапия или даже материнская забота низкого качества, изменяющие экспрессию нейрогена в раннем онтогенезе, способны предрасполагать к развитию психопатологии.

Но не все получается так гладко в связи с использованием методов siRNA. Основная проблема состоит в том, что не все гены подвержены РНК-интерференции, а в норме в организме животных дцРНК вообще не образуется, кроме того, до сих пор неизвестны ферменты, которые могли бы с ней взаимодействовать.

2. Глобальные тенденции динамики населения и его структуры, их причины и возможные экологические последствия.

Человек, будучи «Царем природы», сам является ее частью и подчиняется (хотя бы частично) ее законам, в т.ч. эволюционным и экологическим. В процессе превращения Homo sapiens в современного «одомашненного» человека, он сам создает новые факторы отбора. Так, переход к оседлости породил скученность, не характерную для животных, снижение физической активности, изменения в типе питания (больше соли и жиров). В частности, приматы живут стаями от 30 до 200 особей, как правило родственных между собой. Тесные контакты между людьми вызывают новые виды стрессов. Освоение земледелия привело к снижению разнообразия питания (больше углеводов, меньше белков), открытие животноводства породило такой фактор отбора, как новые болезни от контакта с одомашненными животными – например туберкулез. Создание запасов продуктов питания породило новые инфекции и интоксикации, не свойственные животным (чума от крыс, ботулизм и т.п.).

Насколько мощным быть давление отбора показывает пример средневековых эпидемий чумы в Европе, когда в отдельных странах вымирало до 90% населения. Торговля, освоение новых территорий способствовали распространению инфекций («завоз» венерических заболеваний в Европу после открытий Колумба и европейских болезней в Америку). Этот процесс идет и сейчас – достаточно вспомнить атипичную пневмонию, птичий, а в этом году свиной грипп. Все это в той или иной степени сказывается на народонаселении и демографических показателях.

Чтобы предсказать, как будет изменяться численность населения, надо понять, какие факторы влияют на эти изменения. Предсказать картину изменений численности при наличии нескольких взаимодействующих факторов невозможно без математических моделей. Модели, в которых переменная величина зависит только от внешних параметров, то есть отсутствуют обратные связи, называются моделями нулевого порядка. Модели динамики нулевого порядка всегда неравновесны (то есть численность не достигает постоянного (равновесного) значения, вокруг которого происходят небольшие колебания), и в зависимости от параметров предполагают или бесконечный рост численности популяции, или ее снижение до нуля

Более сложные модели учитывают влияние плотности населения на дальнейшие изменения его численности, то есть учитывают наличие обратной связи. К таким моделям относят так называемую логистическую модель, предло-женную бельгийским математиком Пьером Франсуа Ферхюльстом. Введенный им в уравнение Мальтуса дополнительный отрицательный член, пропорциональный квадрату скорости роста, отражает уменьшение численности за счет ограниченности ареала обитания или же количества ресурсов.

Описываемые логистической моделью динамические процессы характеризуются сходимостью к равновесному положению, часто именуемому емкостью среды (емкость среды может возрастать при появлении технических инноваций, но в ряде моделей для простоты считается постоянной). Такие модели называются моделями первого порядка, так как в них обратная связь действует без задержки, в результате чего модель описывается одним уравнением с одной переменной (например, логистическая модель).

Согласно этой модели, по достижении численности, соответствующей емкости среды, ситуация стабилизируется, и флуктуации численности населения может объясняться только внешними, экзогенными причинами. Эффекты обратной связи первого порядка проявляются быстро. К примеру, у территориальных млекопитающих, как только численность популяции достигает значения, при котором все доступные территории оказываются заняты, все избыточные особи становятся не имеющими собственной территории «бомжами» с низкой выживаемостью и нулевыми шансами на репродуктивный успех. Таким образом, как только численность популяции достигает значения емкости среды, определяемой общим числом территорий, скорость роста популяции незамедлительно снижается до нуля.

Более сложную картину представляют процессы, в которых динамика численности зависит от влияния внешнего фактора, интенсивность которого, в свою очередь, зависит от численности изучаемой популяции. Такой фактор мы будем называть эндогенным («внешним» по отношению к исследуемой популяции, но «внутренним» по отношению к динамической системе, включающей популяцию). В этом случае мы имеем дело с обратной связью второго порядка. Классический для экологии животных пример популяционной динамики с обратной связью второго порядка — взаимодействие хищника и жертвы (для человеческой популяции – это ресурсы и потребители). Когда плотность популяции жертвы оказывается достаточно высокой, чтобы вызывать рост численности хищника, влияние этого на скорость роста популяции жертвы сказывается не сразу, а с определенной задержкой. Задержка вызвана тем, что для того, чтобы численность хищника достигла достаточного уровня, чтобы начать влиять на численность жертвы, уходит некоторое время.

Более сложную картину представляют процессы, в которых динамика численности зависит от влияния внешнего фактора, интенсивность которого, в свою очередь, зависит от численности изучаемой популяции. Такой фактор мы будем называть эндогенным («внешним» по отношению к исследуемой популяции, но «внутренним» по отношению к динамической системе, включающей популяцию). В этом случае мы имеем дело с обратной связью второго порядка. Классический для экологии животных пример популяционной динамики с обратной связью второго порядка — взаимодействие хищника и жертвы (для человеческой популяции – это ресурсы и потребители). Когда плотность популяции жертвы оказывается достаточно высокой, чтобы вызывать рост численности хищника, влияние этого на скорость роста популяции жертвы сказывается не сразу, а с определенной задержкой. Задержка вызвана тем, что для того, чтобы численность хищника достигла достаточного уровня, чтобы начать влиять на численность жертвы, уходит некоторое время.

В середине 1960-х годов В.А.Геодакян, сотрудник Института биологии развития АН СССР, выдвинул гипотезу, проливающую свет на ряд "загадочных" явлений, связанных с полом у человека, животных и даже растений. В чем, например, причина различной смертности полов, когда "на десять девчонок по статистике девять ребят", хотя на 100 девочек рождается в среднем 106 мальчиков, а учет смертности в эмбриональный период доводит эту цифру до 150 или даже 200? Почему у большинства животных также среди новорожденных самцов на 5–10% больше, чем самок? Как объяснить так называемый "феномен военных лет", когда во время 1-ой и 2-ой мировых войн в воюющих странах был отмечен статистически достоверный сдвиг в соотношении новорожденных на 1,5–2% в пользу мальчиков? Отчего, наконец, одними заболеваниями страдают преимущественно мужчины, тогда как другими женщины?

Для популяции живых существ получение информации от среды сводится в конечном счете к гибели одних особей, отсутствию потомства у других и, наконец, к усиленному размножению третьих, наиболее устойчивых к влиянию данной среды. В результате такой перестройки популяция "выходит" из-под влияния вредного для нее фактора среды – эволюционирует. Однако для того, чтобы популяция вовремя чувствовала приближение фронта вредного фактора, какая-то часть ее должна находиться в контакте с этим фактором, платя за информацию своей смертью.

Эту роль в процессе биологической эволюции принял на себя мужской пол, отличающийся повышенной чувствительностью ко всем вредным факторам среды. Таким образом, по мнению Геодакяна, главной эволюционной задачей мужского пола является связь со средой, получение и передача от среды к популяции новой генетической информации, а женского пола - сохранение этой информации и ее закрепление в новых поколениях.

П оэтому соотношение полов оказывается одним из наиболее важных параметров раздельнополой популяции, определяющим эволюционную пластичность вида: чем больше в популяции самцов, тем больше шансов у всей популяции как единого целого приспособиться к действию вредных для нее факторов среды – и наоборот. Эта пластичность реализуется через дисперсию полов, означающую, что генотип у мужского пола связан с фенотипом гораздо "жестче", чем у женского пола. Это приводит к проявлению и "отбраковке" средой любого мужского генотипа, тогда как женские генотипы могут "ускользнуть" от действия среды. Иначе говоря, норма реакции женского пола шире, чем мужского.

Р азличие эволюционных ролей полов приводит к тому, что эволюционные изменения признаков, по которым наблюдается половой диморфизм, происходят обычно от нормы женского пола к норме мужского пола. Признаки, характерные для недалекого прошлого вида, будут чаще встречаться у женских особей, для недалекого возможного будущего – у мужских особей. Таким образом, по Геодакяну процесс эволюции рассматривается как метод проб и ошибок. Разделение единой популяции на две подсистемы (пола) позволяет в одной из них – мужском поле локализовать как пробы (поиск), так и неизбежные при этом ошибки. И только удачные находки, успешно "сдавшие" эволюционный "экзамен", получают возможность с помощью второй подсистемы (женского пола) закрепиться в популяции.

На молекулярном уровне такому механизму соответствует разделение на половые хромосомы и аутосомы. При этом эволюционно новая генетическая информация передается от Y- к X-хромосоме, а затем закрепляется в аутосомах. Эволюционно «старая» информация проходит обратный путь: аутосомы → X-хромосома → Y-хромосома… и удаляется, укорачивая ее!

Основные экологические проблемы человечества:

рост численности населения;

истощение и деградация природных ресурсов;

загрязнение окружающей среды.

Эти проблемы взаимосвязаны и только их комплексное решение поможет нам сохранить нашу среду обитания - планету Земля.

Рост численности населения. Темпы роста. Если нанести на график численность населения, оцененную на определенные промежутки времени, мы получим экспоненциальную кривую роста. Такая закономерность имеет место, когда какой-либо фактор, например численность населения, имеет постоянный процентный рост от всего количества за каждый промежуток времени.

В течение нескольких первых миллионов лет истории человечества люди жили небольшими группами и обеспечивали себя за счет охоты на диких животных и сбора дикорастущих растений. В этот период численность населения росла экспоненциально, но медленно, со средней скоростью только 0,002%в год. С тех пор скорость ежегодного прироста существенно увеличилась и достигла наивысшего уровня в 2,06% в 1970 г., затем в период между 1980 и 1988 годами слегка снизилась, до 1,75%, а в 1989 г. вновь повысилась до 1,8%.

При таких темпах экспоненциального роста все меньше времени требуется для добавления каждого нового миллиарда людей. В течение двух миллионов лет численность населения возросла до одного миллиарда человек, в течение 130 лет добавился еще один миллиард, 30 лет - еще один, третий миллиард, 15 - четвертый и только 12 - пятый. Сейчас численность населения Земли превышает 6 млрд. человек. В настоящее время ежегодный прирост народонаселения Земли составляет 90 млн. чел., т.е. 3 чел./с. Примерно 90 % детей рождается в беднейших регионах Земли. При современных темпах роста численность населения по оценкам могла достичь 7 миллиардов к 2007 г.

Численность населения в различных группах стран. 175 стран мира могут быть подразделены на две группы в соответствии со среднедушевым распределением валового национального продукта (ВНП) - средней величины рыночной стоимости всей произведенной продукции и услуг в год на одного человека. 33 более развитые страны мира (БРС) имеют высокую степень индустриализации и высокий средний ВНП на человека. Большинство из них расположены в умеренных (или средних) широтах с наиболее благоприятными климатическими условиями. БРС включает в Японию, Россию, Австралию, Новую Зеландию, все европейские страны, США, Канаду. Эти БРС с населением 1,2 млрд. человек (23% населения мира используют около 80% мировых энергетических и минеральных ресурсов. Эти страны характеризуются низким или даже нулевым темпом роста численности населения.

142 менее развитые страны (МРС) имеют низкий или умеренный уровень индустриализации и такой же среднедушевой ВНП. Большинство из них расположены в тропических (или низких) широтах Африки, Азии и Латинской Америки. В МРС проживает 4,0 млрд. человек, что составляет 77% населения мира, однако используют эти страны лишь 20% мировых энергетических и минеральных ресурсов. Эти страны характеризуются очень высокими темпами роста численности населения. Подразделение на более и менее развитые страны довольно условно. Некоторые БРС более богаты и развиты в промышленном отношении, чем другие, а некоторые МРС беднее других. В то же время нищета имеется и в наиболее богатых странах.

В течение девяностых годов, когда скорость роста населения Земли заметно снизилась (во многом в связи с резким падением рождаемости в густонаселенных развивающихся странах, прежде всего в Китае и в Индии), стало ясно, что былые предсказания катастрофы требуют пересмотра. При этом снижение численности населения в  большинстве европейских стран (которое особенно заметно в странах Восточной Европы, но было бы не менее выражено и в Западной Европе, если бы не маскирующий эффект иммиграции), привело к тому, что в прессе обсуждение этой проблемы приобрело совсем иной оборот. Теперь обеспокоенность вызывает то, что сокращающееся число работающих людей не сможет поддерживать всё возрастающее число пенсионеров. Некоторые из рассчитываемых сегодня прогнозов доходят до не меньших крайностей, чем прошлые предсказания конца света. Например, российские популярные издания регулярно предсказывают, что к 2050 г. население страны уменьшится вдвое.

Однако обзор исторических данных показывает, что типичная картина, наблюдаемая в человеческих популяциях, не соответствует ни экспоненциальному росту, ни, тем более, постоянному падению численности населения. В реальности фазы роста и падения чередуются, и динамика численности населения обычно выглядит как длительные колебания с периодичностью 150–300 лет (так называемые «вековые циклы») на фоне постепенного роста.

Даже беглого взгляда на изменения численности населения, происходившие в тече-ние последних нескольких тысячелетий, достаточно, чтобы убедиться в том, что рост численности населения Земли не был таким неуклонно экспоненциальным, как это обычно представляют. По-видимому, было несколько периодов быстрого роста, перемежающихся отрезками, на которых рост замедлялся. При этом в разных странах и регионах изменения числен-ности народонаселения могут быть несогласованными.

Во-первых, они пользуются не возрастными коэффициентами смертности, а данными об общем чисел умерших, пытаясь скрыть потери от "реформ" среди всех умерших, число которых монотонно возрастает в соответствии с общим постарением населения

Во вторых, они анализируют совместно два последовательных процесса - снижение смертности в 1985-1987 гг. в результате антиалкогольной компании и повышение смертности в 1991-1994 гг. вследствие "реформ". Они показывают, что мужские поколения, родившиеся между 1945 г. и 1984 г., и женские поколения, родившиеся между 1945 и 1974 г. (т.е. основные рабочие возраста), от совместного действия этих двух процессов проиграли, остальные (дети и пожилые люди) несколько выиграли. Это говорит только о том, что положительный эффект антиалкогольной компании оказался перекрыт потерями населения в первые годы "реформ", но не может привести к выводу об отрицании этих потерь. Из двух указанных ошибок первая является основной. Нельзя рассматривать только общую смертность. Анализ возрастных коэффициентов - основа изучения демографических процессов, а попытки непосредственно анализировать сводные характеристики порождают ошибки.

188