Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

і в рослинному світі, при схрещуванні двох різних порід тварин може спостерігатися явище гетерозису. Наприклад, при схрещуванні

курей двох різних м’ясних порід у першому поколінні отримують швидкостиглих і швидкорослих бройлерів.

Селекція мікроорганізмів має свої особливості

Якщо можна здійснювати добір рослин і тварин із заданими якостями, то чому б не спробувати зробити те саме щодо мікроорганізмів?1 Людина здавна використовувала бактерії та мікроскопічні гриби для виробництва продуктів харчування (таких як хліб, вино, пиво, сир, квашені овочі), але навіть не підозрювала про їхнє існування. Унаслідок цього селекція мікроорганізмів як наука стала розвиватися порівняно пізно, лише у ХХ столітті. Ось деякі особливості селекції мікроорганізмів.

1.Селекціонер-тваринник працює лише з кількома десятками тварин, а при селекції мікроорганізмів добір здійснюється серед мільярдів живих істот.

2.Покоління мікроорганізмів змінюються в сотні разів швидше, ніж покоління тварин або рослин.

3.Більшість мікроорганізмів гаплоїдні, тобто мають один набір генів. Це означає, що всі мутації проявляються відразу ж, у першому поколінні.

4.У бактерій немає класичного статевого розмноження, тому гібридизацію в селекції мікроорганізмів не застосовують.

5.У селекції мікроорганізмів, як і в селекції рослин, широко використовують методштучногомутагенезу.Цедаєзмогузначнопідвищитичастотумутацій та,відповідно,отриматинайрізноманітнішийматеріалдляштучногодобору.

Методи селекції мікроорганізмів уможливили, наприклад, у сотні разів підвищити виробництво антибіотиків та інших корисних для людини продуктів.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Тритікале — це міжвидовий гібрид таких рослин, як

1Нагадаємо, що до мікроорганізмів належать усі бактерії, найпростіші, а також мікроскопічні гриби й водорості.

321

2Для поліплоїдизації клітини обробляють спеціальною речовиною — колхіцином. У результаті поділу такої клітини кількість хромосом у ній збільшується вдвічі. Укажіть структуру клітини, яку руйнує колхіцин.

А ядро Б хромосоми В веретено поділу Г центріолі Д цитоплазма

3Виберіть одне правильне твердження.

А рослини різних сортів можуть належати до одного біологічного виду Б до одного сорту можуть належати рослини різних біологічних видів В сорти в рослин — це те саме, що підвиди у тварин

Г рослини різних сортів не можуть схрещуватися між собою та давати плідне потомство

Д рослини різних порід отримують штучно в результаті селекції

4Перевага гібридів першого покоління неспорідненого схрещування перед

5У хромосомному наборі м’якої пшениці 7 хромосом. Чи можна вважати но-

вий сорт із 10-ма хромосомами результатом поліплоїдизації? А так, бо збільшилася кількість хромосом Б ні, бо поліплоїдія характерна лише для тварин

В ні, бо при поліплоїдизації кількість хромосом має бути кратною 7-ми Г ні, бо при поліплоїдизації кількість хромосом мала б зменшитися Д ні, бо поліплоїди мають непарну кількість хромосом

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Порівняйте особливості селекції тварин і рослин за такими критеріями, як: результат селекції, швидкість зміни поколінь, можливість отримання міжвидових гібридів, використання статевого та нестатевого розмноження.

7У селекції яких організмів застосовують штучний мутагенез? Із якою метою?

8Що таке поліплоїдизація? Яка її роль у селекції рослин?

9Які методи застосовують у селекції мікроорганізмів? У чому основні відмінності селекції мікроорганізмів та селекції рослин і тварин?

10Розгляньте рисунок 59.3 та опишіть риси подібності гібрида й батьківських видів.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Чому спостерігається таке велике різноманіття порід собак? Яка мета виведення тих чи тих порід?

12Які рослини-поліплоїди ми вживаємо в їжу? Чи є вони потенційно небезпечними для здоров’я людей?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Які міжвидові гібриди тварин і рослин отримали селекціонери? У чому переваги та недоліки цих гібридів порівняно з батьківськими видами?

14Окресли послідовність дій, потрібних для виведення нового штаму цвілевого гриба аспергіла, який синтезував би великі кількості вітаміну B2.

322

§ 60. Традиційні біотехнології

Людина здавна використовує біотехнологію

Слово «біотехнологія» 1919 року вперше вжив угорський інженер Карл Ерекі, коли описував процес вирощування свиней, що харчуються цукровим буряком. Згідно з його визначенням, біотехнологія — це всі види робіт, у яких із сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляють ті чи ті продукти. Відповідно до цього визначення, буряк — це сировина, із якої за допомогою живих організмів (свиней) отримують кінцевий продукт — свинину.

Визначення Ерекі актуальне й у наші дні, але набуло дещо іншого змісту та застосовується переважно для опису використання мікроорганізмів, клітинних культур або генетично модифікованих організмів у промисловому виробництві.

Історія розвитку біотехнології налічує кілька тисячоліть. Навіть не підозрюючи про існування мікроорганізмів, люди з найдавніших часів використовували їх для виробництва продуктів харчування.

Існування мікроорганізмів уперше виявив голландський натураліст-аматор Антоні ван Левенгук 1675 року. Лише майже через два століття, 1862 року, французький учений Луї Пастер дослідив роль мікроорганізмів у процесах бродіння. Це відкриття дало поштовх подальшому розвитку біотехнології як наукової дисципліни.

Зараз біотехнологія — одна з прикладних дисциплін, що розвиваються найдинамічніше. Вона використовує досягнення біохімії, молекулярної біології, генетики, клітинної біології та інших наук у комплексі з інженерними підходами для вирішення технологічних завдань. Біотехнологія відіграє найважливішу роль у виробництві продуктів харчування та багатьох медичних препаратів (антибіотиків, гормонів тощо). Найзначніших успіхів вона досягла наприкінці ХХ — на початку XXI століття з розвитком методів генної інженерії.

Мікроорганізми застосовують у виробництві продуктів харчування

323

рощених зерен злаків, найчастіше ячменю. У пивоварінні використовують дріжджі кількох різних видів і штамів, які об’єднані назвою пивні дріжджі.

Пивоваріння було відоме народам Давньої Месопотамії, Єгипту, Риму, Китаю та інших цивілізацій. Особливих успіхів пивоваріння досягло в середньовічній Європі. Річ у тім, що через відсутність ефективної каналізації та антисанітарію в європейських містах споживання простої питної води було вкрай ризикованим. З огляду на це шкода здоров’ю, яку завдає вживання пива, була, безсумнівно, меншим злом.

Незважаючи на популярність пива в усьому світі, воно, як і будь-які алкогольні напої, за надмірного споживання заподіює значну шкоду здоров’ю, особливо, якщо його вживають підлітки.

Виноробство. Вино стало першим продуктом, для виробництва якого була доведена необхідність мікроорганізмів. Вивчаючи дозріваюче вино французьких виноробів під мікроскопом, Луї Пастер виявив велику кількість мікроскопічних живих організмів і припустив, що саме вони відповідальні за зброджування виноградного соку. Пізніше було встановлено, що ці мікроорганізми — дріжджі, які живуть у природі на ягодах винограду, потрапляють до вичавленого виноградного соку та перетворюють його на вино завдяки процесу спиртового бродіння (рис. 60.2).

324

На відміну від інших молочнокислих продуктів, основним способом виробництва твердих сирів є згортання молока (рис. 60.4) під дією травного ферменту хімозину (відомого також під назвою сичужний фермент, або реннін). Раніше хімозин виділяли зі шлунків забитих молочних телят, але завдяки розвитку генної інженерії в 1990-ті роки почали виробляти хімозин за допомогою генетично модифікованих бактерій. Наразі використання хімозину із сичуга телят стрімко скорочується: до 80 % сиру у світі вже виготовляється за допомогою хімозину, утвореного бактеріями. Після згортання молока отриману сирну масу фільтрують, перемішують, просолюють і дають сирові

час дозріти. Увесь промисловий процес виробництва сиру ви мо-

жете побачити, переглянувши відео за посиланням.

Крім того, у виробництві деяких сирів використовують кілька видів їстівної плісняви пеніцилу (рис. 60.5). До таких сирів належать брі та камамбер, а також блакитні сири рокфор, дорблю, ґорґонцола та інші, що вирізняються характерними запахами.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Біотехнологічним процесом НЕ є А виробництво йогуртів із використанням молочнокислих бактерій

Б виробництво свинини з використанням цукрових буряків як корму В виробництво квасу з використанням дріжджів Г виробництво макаронних виробів із твердих сортів пшениці

Д виробництво людського інсуліну з використанням кишкової палички

2Мікробну природу бродіння вперше дослідив

325

3НЕ застосовують гриби у виробництві такого продукту, як

4Хімозин, вироблений бактеріями, застосовують для А виробництва сирів замість сичужного ферменту телят Б отримання бездріжджового хліба В виробництва пива Г прискореного квашення овочів

Д уповільнення бродіння виноградного соку

5Схема хімічного перетворення, що застосовується для виробництва про-

дуктів харчування й відбувається під дією мікроорганізмів, — це А амінокислоти → жири Б вуглеводні → ароматизатори В білки → етиловий спирт

Г вітаміни → лимонна кислота Д вуглеводи → молочна кислота

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Що означав термін «біотехнологія» спочатку і яке його сучасне значення?

7Схарактеризуйте роль досліджень Луї Пастера у створенні наукових засад біотехнологій.

8Навіщо в процесі виробництва хліба використовують дріжджі?

9Для виготовлення яких продуктів харчування використовують молочнокислі бактерії?

10Стисло опишіть технологію виготовлення сиру. Назвіть мікроорганізми, які можуть застосовувати в цьому виробництві.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Які дослідження привели Луї Пастера до відкриття біологічної природи бродіння?1

12За якими критеріями різні види прокаріотів об’єднують у групу молочнокислих бактерій? Які таксони бактерій належать до цієї групи?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Мікроорганізми використовують не лише в харчовій промисловості, а й для вирішення багатьох інших специфічних завдань. У яких іще сферах діяльності людини та з якою метою застосовують мікроорганізми?

14Одним із найважливіших завдань біотехнології є виробництво лікарських препаратів, наприклад, антибіотиків. Які ліки та як виготовляють із використанням методів біотехнології?

1 Як джерело інформації про ці та інші дослідження Луї Пастера ми радимо книгу Поля де Крайфа «Мисливці за мікробами», у якій надзвичайно цікаво описано історію розвитку мікробіології.

326

Доповнення XII

Чим чорний чай відрізняється від зеленого?

Запекла боротьба між прихильниками чаю та прихильниками кави на світських прийомах триває із середини XVII століття, коли чай уперше потрапив до Європи. Ще тривалішими є суперечки між поціновувачами чорного та зеленого чаїв, які ми успадкували з Китаю — батьківщини цього чудового напою. Скільки разів ви самі починали ранок із горнятка запашного чаю? Скільки разів відкладали всі справи й обіцяли собі, що сядете за роботу буквально за десять хвилин, щойно доп’єте чай? Цей напій так міцно узвичаївся в нашому житті, що став частиною культури, приводом для мільйонів

бесід, ухвалених і відкладених рішень, довгоочікуваних і випадкових зустрічей, кілограмів з’їденого «до чаю» печива.

Зелений, чорний чай, улун, пуер, жовтий, білий чай і сенча — на кожного витонченого поціновувача знайдеться свій неповторний смак. Але що ж зумовлює всі їхні відмінності?

Насправді всі ці напої — із завареного чи настояного сухого й попередньо обробленого листя чайного куща. Еге ж, одного куща, вам не почулося. Незважаючи на величезне різноманіття сортів чаю, усіх їх виготовляють із рослини одного виду — Камелії китайської. Вона не обдарована такими чудовими яскравими квітами, як інші камелії, й виглядає доволі непримітно. Але, як зазвичай і буває зі справжньою красою, вона прихована всередині.

Сорти чаю відрізняються місцем зростання, віком і найбільше — способом обробки чайного листя. Після збирання вручну чайне листя піддають ферментації — процесу окиснення, зумовленого його-таки ферментами. Саме цей етап виробництва чаю визначає, до якого типу та класу належатиме отриманий напій. Спочатку чайне листя підв’ялюють і скручують, після чогозалишаютьнаякийсьчас«бродитиувласномусоку».Щодовшетриваєетапферментації чайного листя, то темнішим буде його колір і насиченішим смак напою. Закінчується цей процес сушінням листя за високої температури. Зелений чай піддають мінімальному окисненню, небільшетрьохднів,натомістьдлявиготовленнячорногочаюцейпроцесподовжуютьінодідо місяця — допоки листя не окиснеться майже повністю.

Основний лікувальний ефект чаю забезпечують алкалоїди. Найвідоміший із-поміж них, безперечно, кофеїн. Як бачите, навіть непримиренні суперники за першість — чай

ікава — насправді не такі вже далекі один від одного. Але також у чаї містяться теобромін, нофілін, ксантин, гіпоксантин і параксантин. Останні — антагоністи кофеїну. Завдяки м’якшій ферментації зелений чай зберігає більший уміст кофеїну, що дає йому змогу проявляти сильніший тонізувальний ефект одразу після потрапляння всередину організму. Проте його дія дуже короткочасна, й у гру відразу ж вступають антагоністи, що знижують тонус судин

ізнижують артеріальний тиск. А чорний чай діє м’якше, і нехай його тонізувальні властивості не такі значні, зате завдяки високому вмістові вітамінів груп В та Р, що зберігаються в процесі ферментації, він довше підтримує тонус судин і не спричиняє різких перепадів тиску. Саме тому вважають, що зелений чай корисніше пити гіпертонікам, а чорний — гіпотонікам.

Але якому б із багатьох різновидів чаю ви не віддавали перевагу, будьте певні: крім корисних вітамінів та антиоксидантів, вам у комплекті дістануться внутрішня теплота, трохи спокійних роздумів і, звісно, незабутній аромат. Бо, хоча Маргарита з роману Олександра Дюма-сина й вибрала квітки камелії саме за те, що вони «практично позбавлені запаху», заварене сушене листя Камелії китайської повністю надолужило цю втрату.

Апоки ви розмірковуєте над цією історією, я піду заварю собі горнятко запашного чаю перед початком робочого дня. Чи все ж варто віддати перевагу каві?

327

§ 61. Генна та клітинна інженерія

молекула була пов’язана зі спадковістю!

Наприкінці 1960-х років було відкрито ендонуклеази рестрикції, або скорочено рестриктази, що дають змогу розрізати молекули ДНК у місцях розташування певних послідовностей (рис. 61.1).

Приблизно водночас із відкриттям рестриктаз, 1967 року був відкритий ще один ключовий фермент — ДНК-лігаза. Лігаза зшиває окремі молекули ДНК між собою, й поряд із рестриктазами її широко використовують у молекулярній біології та біотехнології.

1970 року Говард Темін і Девід Балтімор відкрили зворотну транскрипта-

зу — вірусний фермент, здатний синтезувати ДНК на матриці РНК (раніше вважалося, що це неможливо). Відкриття Теміна й Балтімора уможливило роботу не лише з геномною ДНК організмів, а й безпосередньо з їхньою РНК.

1972 рік можна вважати роком народження генної інженерії: у цьому році Пол Берг у Стенфорді отримав першу рекомбінантну молекулу ДНК, тобто молекулу, утворену шляхом убудовування одного фрагмента ДНК в інший (рис. 61.2). У 1980 році Пол Берг за цю роботу отримав Нобелівську премію з хімії.

1978 року технологію рекомбінантних ДНК було вперше застосовано на практиці: ген людського інсуліну було перенесено до кишкової палички, а вже 1982 року компанія Genentech випустила перший комерційний препарат рекомбінантного білка інсуліну1.

1Нагадаємо, інсулін — це гормон поліпептидної природи. Він виробляється підшлунковою залозою та регулює обмін речовин і, насамперед, концентрацію глюкози в крові.

328

Брак інсуліну призводить до тяжкого захворювання — цукрового діабету, який вважали невиліковним до 1922 року, коли було винайдено спосіб очищення інсуліну з бичачих підшлункових залоз. До 1982 року виділення інсуліну з тканин тварин було єдиним способом його отримання для лікування хворих на діабет. Сьогодні більшість інсуліну, що є на ринку, виробляють за допомогою генної інженерії.

1987 року Кері Мулліс розробив метод полімеразної ланцюгової реакції

(ПЛР) — простий спосіб швидкого отримання великої кількості копій певної ділянки ДНК, про який ви вже знаєте з § 39. Кері Мулліс 1993 року отримав Нобелівську премію з хімії за створення ПЛР.

Розвиток технологій рекомбінантних ДНК на цьому не зупинився. Наразі ген-

на інженерія (її ще називають генетичною інженерією), тобто сукупність ме-

тодів здійснення маніпуляцій із генами, стала найважливішим інструментом біотехнології. Із використанням методів генної інженерії виробляють рекомбінантні гормони, вакцини, інтерферон, антибіотики та інші продукти. Було розроблено методи переносу генів до клітин не лише бактерій, а й багатоклітинних організмів — рослин і тварин. Із питаннями отримання генетично модифікованих багатоклітинних організмів ми ознайомимося в § 63, а зараз розглянемо методи, що їх використовують у роботі з бактеріями.

Генна інженерія дає змогу вбудовувати гени одних організмів в інші

Розглянемо типову послідовність дій на простому прикладі створення бактерії,

329

тіше використовують клітини звичайної кишкової палички, але для різних цілей можуть застосовувати бактерії чи дріжджі інших видів.

Далі здійснюють добір трансформованих клітин. Вектори зазвичай містять не лише регуляторні послідовності ДНК, що змушують бактерію здійснювати транскрипцію вбудованих у вектор генів, а й гени-маркери (наприклад, гени стійкості до антибіотиків), що дають змогу швидко відбирати клітини, у які вектор вбудувався.

330