Підручники з Біології / Біологія 11 клас / Соболь В.І. Біологія 11 клас. 2019

Біологія + Медицина. Присяга лікаря

Побутує думка, що всі лікарі складають клятву Гіппократа й зобов’язані її дотримуватись. Насправді це не відповідає дійсності. Вітчизняні лікарі складають Присягу лікаря. Це урочиста й офіційна клятва, що її мають давати всі випускники вищих навчальних медичних закладів України. Текст Присяги лікаря зачитують і повторюють випускники вишу колективно. Підписана випускником, вона зберігається в його особистій справі. Якими мають бути морально-етичні принципи лікаря?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Етика. Генна інженерія: досягнення й ризики

У біоетиці є таке образне порівняння: «Генна інженерія – це потяг, що полетів уперед. Перша станція називалась «Молекулярні механізми активності генів мікроорганізмів», друга – «Мозаїчна організація генів тварини і людини», третя – «Трансгенні мікроби – суперпродуценти білків людини». Кому в великий бізнес – виходь! Четверта станція – «Генотерапія людини», п’ята – «Трансгенні рослини та тварини», шоста – «Розкодування геному людини – кодую-

чої нас інформації». Поки ми на цій станції. Попереду ж … сьома станція: «Клонування людини»... А далі, хто знає, чи то кінець, чи то початок» (Вєльков В. В., 2002). Генна інженерія – це кінець чи початок? Зло чи добро? Досягнення чи ризики? Висловіть свої судження про досягнення та ризики генної інженерії.

РЕЗУЛЬТАТ

§ 61. Біоетичні проблеми сучасної медицини

241

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У СЕЛЕКЦІЇ, МЕДИЦИНІ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

242

Доклади серця свого до навчання і вуха свої до розумних слів.

Притчі Соломона (гл. 23)

§62. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У БІОТЕХНОЛОГІЇ

Основні поняття й ключові терміни: БІОТЕХНОЛОГІЯ.

Пригадайте! Що таке біотехнологія?

У світі цікавого

Національна академія наук США оприлюднила доклад про те, що суспільство має готуватися до появи нових продуктів біотехнології у найближчі 5 – 10 років. Це бактерії, що діють як ліки, генетично модифіковані організми, м'ясо з пробірки, біолюмінесцентні організми, генний драйв для регуляції чисельності шкідників. А з якими напрямами біотехнології пов’язані ці продукти?

ЗМІСТ

Які основні завдання та напрями сучасної біотехнології?

БІОТЕХНОЛОГІЯ – це комплекс наук, засобів, методів, спрямованих на одержання і використання процесів, клітин, продуктів життєдіяльності організмів у промисловому виробництві. Різні сучасні методи біотехнології використовують у промисловості (харчовій, легкій, хімічній, будівельній), сільському господарстві (рослинництві, тваринництві), медицині, міському господарстві, кібернетиці, природокористуванні тощо. Наукові дослідження сучасної біотехнології спрямовано на розробку методів і спеці-

альних виробничих технологій для різних галузей діяльності людини. Через те виокремлюють такі основні розділи, як харчова, промислова, ветеринарна, екологічна, медична біотехнологія.

Основні завдання біотехнології пов'язують з розв’язуванням глобальних цілей сталого розвитку, якими є: подолання бідності й голоду, поліпшення стану охорони здоров'я і якості довкілля, сталий розвиток промисловості й сільського господарства (іл. 101). Сучасна екологічна біотехнологія передбачає пом’якшення наслідків зміни клімату, захист екосистем і морських ресурсів. Без цього неможливо подолати глобальну продовольчу, енергетичну, сировинну та екологічну проблеми, що постають перед людством.

Основні напрями досліджень. Засоби генної інженерії та трансгенні організми можна використати для підвищення продуктивності сільського господарства, розроблення вакцин і ліків проти СНІДу, малярії, туберкульозу та інших захворювань. Клітинна інженерія та її методи конструювання клітин застосо-

вують для розв’язування багатьох теоретичних проблем біології, у трансплантології, для охорони сексуального та репродуктивного здоров'я. Сфера діяльності біоінженерії простягається від створення штучних органів для компенсації знижених або втрачених фізіологічних функцій (біомедична інженерія) до молекулярного конструювання речовин із заданими властивостями (білкова інженерія, інженерна ензимологія). Для подолання бідності й забезпечення кожної людини достатнім харчуванням, чистою питною водою та засобами санітарії, утилізації токсичних відходів і забруднювальних речовин, створення будівельних матеріалів нового покоління (наприклад, біоцементу) реалізовують технологію мікро­ біологічного синтезу.

Загострення екологічних проблем спричинило розвиток екологічної інжене­ рії, спрямованої на отримання людиною чистої води, пом’якшення наслідків зміни клімату, збереження морських ресурсів, захист екосистем суходолу. Екологічні напрями біотехнології розв’язують проблеми екологічно чистих джерел енергії, громадського транспорту, створення зелених громадських територій.

Отже, основні завдання й напрями сучасної біотехнології пов’язані із реалізацією цілей сталого розвитку.

Які теоретичні основи й можливості сучасної біотехнології?

Біотехнологія – це одна з найперспективніших галузей діяльності людини. У найближчі роки разом з нею швидко розвиватимуться медицина, енергетика, переробка сировини й виробництво матеріалів, міське й сільське господарство. Теоретичною основою біотехнології є передусім біологічні науки. У багатьох випадках сучасна біотехнологія сприяє знаходженню нових розв’язків на стикові різних галузей. Так, виникають і розвиваються біоінформативний, біокібернетичний, біоінженерний напрями біотехнології. З’являються нові матеріали й пристрої – біопаливо, біоцемент, біосорбенти, біосенсори. Для розв’язування багатьох проблем, що виникають, досить часто залучають хіміків, фізиків, географів.

БІОТЕХНОЛОГІЯ

Напрями сучасної біотехнології розробляють і застосовують на всіх рівнях організації життя. За цим критерієм розрізняють такі технології:

•нанотехнологія – технологія наночастинок (наприклад, технологія адресної доставки ліків);

•цитотехнологія – клітинна технологія (наприклад, вирощування гібридів, отримання білків-інтерферонів, інсуліну, моноклональних антитіл);

•гістотехнологія – тканинна технологія (наприклад, вирощування штучного м’яса, шкіри, органів для трансплантації);

•ембріотехнологія – зародкова технологія (наприклад, пересаджування ембріональних стовбурових клітин пуповинної крові для лікування променевої

§ 62. Застосування результатів біологічних досліджень у біотехнології

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У СЕЛЕКЦІЇ, МЕДИЦИНІ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

•біоінженерна технологія із застосуванням технічного підходу (наприклад, тестування ДНК з використанням біочипів, біопротезування, створення біосенсорів);

•біотехнологія культивування організмів певних видів (наприклад, клональне мікророзмноження рослин, вермикультура, технологія вирощування печериці двоспорової);

•біотехнологія захисту екосистем (наприклад, технологія фіторемедіації ґрунтів, біодеградації токсичних речовин).

Отже, сучасна біотехнологія демонструє необмежені можливості використання організмів у різних галузях народного господарства.

Який внесок вітчизняних вчених у розвиток біотехнології?

Питанню сучасного розвитку біотехнології присвячено дослідження вітчизняних учених, зокрема А. А. Кучко, К. М. Ситника, Д. М. Гродзинського, В. С. Підгорського, В. В. Моргуна, В. П. Широбокова, Я. Б. Блюма, А. В. Єльської та ін.

Україна має певні наукові здобутки, що стосуються генної, клітинної інженерії, інженерної ензимології, створення нових видів ліків, вакцин, біопрепаратів для захисту рослин і тварин тощо. Досягнення вітчизняних учених безпосередньо пов’язані з дослідженням стовбурових клітин, створенням біодетекторів різноманітних забруднень, виробництвом біодобрив, рослинних біостимуляторів, пробіотиків, кормових ферментних домішок, отриманням комплексів ферментів для переробки сільськогосподарської сировини й побутових відходів.

Сьогодні теоретичні й практичні аспекти біотехнології розв’язують у ряді наукових і вищих навчальних закладів. Серед них – Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Інститут фізіології рослин та генетики НАН України, Інститут молекулярної біології та генетики НАН України, Інститут картоплярства НААН України, Інститут садівництва НААН України, Інститут біоенергетичних культур і цукрових буряків, Нікітський ботанічний сад та інші.

В Україні розроблено низку Державних програм, що визначають пріоритетні завдання новітніх біотехнологій:

•«Мікробна біотехнологія» (наприклад, довготривале зберігання промислових штамів мікроорганізмів);

•«Біотехнологія рослин та біобезпека» (наприклад, біотехнологія кріоконсервації культур клітин, картування геномів важливих культурних рослин);

•«Нові лікарські препарати» (наприклад, створення антибіотиків спрямованої дії);

•«Нові технології та засоби діагностики і лікування найбільш поширених захворювань» (наприклад, розроблення технології лікування онкологічних захворювань);

•«Генна та аналітична біотехнологія» (наприклад, технологія генної терапії атеросклерозу, отримання цитокінів людини, створення біосенсорних сис-

Отже, застосування результатів досліджень біотехнології є завданням пріоритетного значення, що може стати одним із суттєвих важелів підвищення ефективності економіки.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійнаробота.Сучаснабіотехнологіяякосновасталогорозвитку

Назвіть розділи біотехнології, біологічні науки, що є їх теоретичною основою та приклади конкретних технологій, що вже застосовуються. Заповніть таблицю і сформулюйте висновок про роль біотехнології у розв’язуванні глобальних проблем людства.

Проект на тему «Трансгенні організми: за і проти»

Державні органи, дослідницькі інститути, неурядові організації й професійні об'єднання в усьому світі наводять аргументи «за» й «проти» штучного коригування генетичного коду організмів. Підготуйте проект і сформулюйте власну позицію щодо трансгенних організмів і перспективи використання генетично модифікованих харчових продуктів.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Вибір професії. Професії майбутньої біотехнології

У майбутньому розвиток біотехнології приведе до появи багатьох нових професій у галузях харчової, промислової, медичної, ветеринарної, екологічної біотехнології, серед яких архітектор біосистем, архітектор медобладнання, урбаніст-еколог, системний біотехнолог, біофармаколог, біоетик, ГМОагроном, сіті-фермер, ІТ-медик. У чому суть цих професій?

РЕЗУЛЬТАТ

§ 62. Застосування результатів біологічних досліджень у біотехнології

245

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У СЕЛЕКЦІЇ, МЕДИЦИНІ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

Основні поняття й ключові терміни: МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА. МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ. БІОХІМІЯ.

Пригадайте! Які теоретичні основи біотехнології?

Новини науки

Поки що не існує ефективних методів лікування спадкових захворювань сітківки (наприклад, пігментного ретиніту). Відбувається збій, через який фоторецептори починають гинути, що призводить до сліпоти. Для розв’язування цієї проблеми вчені намагаються створити біотехнологію доставки до цих клітин необхідних генів за допомогою вірусів або плазмід. Які біологічні науки можуть їм у цьому допомогти?

ЗМІСТ

Яке значення досягнень молекулярної генетики для біотехнології?

МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА – це галузь біології, що вивчає молекулярні основи спадковості й мінливості живих організмів і вірусів. Найголовнішими досягненнями молекулярної генетики, що застосовуються в біотехнології, є закономірності організації та збереження генетичного матеріалу (хімічна природа гена, штучний синтез гена, механізми реплікації й репарації ДНК). Молекулярна генетика стала теоретичною основою генної інженерії, метою якої є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак.

До найважливіших методів молекулярної генетики, що їх використовують у генній інженерії, належать:

•метод гібридизації ДНК з використанням ДНК-зондів – визначення фрагментів ДНК або РНК з певною генетичною інформацією за допомогою одноланцюжкових комплементарних фрагментів ДНК (ДНК-зондів);

•методи секвенування генів – встановлення послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК;

•метод полімеразної ланцюгової реакції – збільшення кількості фрагментів ДНК у біологічному матеріалі;

•метод генетичних маркерів – ідентифікація фрагментів ДНК за допомогою специфічних нуклеотидних послідовностей з відомою первинною структурою;

•методи перенесення генів за допомогою вірусних векторів або плазмід. Для отримання генів, їх поєднання з векторами (плазмідами або вірусами)

каталізують синтез нитки ДНК на матриці іРНК), рестриктази (ферменти, що розрізають нуклеотидні послідовності в певних місцях), лігази (ферменти, що з’єднують нуклеотидні послідовності).

Отже, досягнення молекулярної генетики дають змогу отримувати гени й переносити їх з метою конструювання клітин й організмів зі зміненою спадковою інформацією.

Яке значення молекулярної біології для біотехнології?

МОЛЕКУЛЯРНА БІОЛОГІЯ – галузь біології, що вивчає біологічні процеси на рівні біополімерів – нуклеїнових кислот і білків та їх надмолекулярних структур. Для біотехнології фундаментальне значення мають такі досягнення цього розділу, як встановлення механізмів реалізації генетичної інформації, біосинтезу білків, мембранного транспортування, ферментного каталізу, а також вивчення регуляторних механізмів цих процесів. Молекулярна біологія разом з молекулярною генетикою стали фундаментом для клітинної інженерії, мета якої –

створення нових клітин та отримання тканин, органів й організмів з клітинного матеріалу.

Основними методами молекулярної біології, що їх застосовують у біотехнології, є:

•метод соматичної гібридизації – поєднання соматичних клітин різних тканин або організмів для отримання нових комбінацій ознак;

•метод культури клітин (тканин) – виділення й перенесення клітин з організму на поживні середовища для отримання генетично однорідних популяцій клітин;

•метод клонування організмів – отримання із застосуванням нестатевих способів розмноження клонів, що складаються з генетично однорідних клітин. Основою клонування є явище тотипотентності – здатність однієї клітини багатоклітинного організму давати початок цілому новому організму шляхом поділу. Технологія пересаджування ядер соматичних клітин в яйце-

клітину, з якої власне ядро було вилучене, й наступне вирощування та отримання організму набуло широкого застосування як соматичне клонування (наприклад, клонування вівці Доллі). У клітинній інженерії розрізняють ще ембріональне клонування, за якого донорами ядер є морули або бластоцисти (наприклад, отримання й клонування химерних мишей).

Отримання клітин і клітинних продуктів експресії було б неможливим без участі таких ферментів, як полімерази (ДНК-полімерази, РНК-полімерази), син­ тетази (ферменти синтезу білків), протеази (ферменти розщеплення білків), нуклеази (ферменти розщеплення нуклеїнових кислот).

Отже, досягнення молекулярної біології є основою більшості галузей біотехнології.

Для яких напрямів біотехнології фундаментальною основою є біохімія?

БІОХІМІЯ – наука про хімічний склад і хімічні процеси, що відбуваються в клітинах живих організмів. Сучасна біохімія вивчає організми на молекулярному рівні за допомогою цілої низки методів: електрофорезу, хроматографії, електронної мікроскопії, ультрацентрифугування, полярографії, методу мічених атомів.

§ 63. Застосування досягнень молекулярної генетики, молекулярної біології та біохімії у біотехнології

247

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У СЕЛЕКЦІЇ, МЕДИЦИНІ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

На ґрунті її фундаментальних досліджень створюються біотехнології для медицини, сільського господарства, промисловості, охорони довкілля: одержання харчових продуктів (наприклад, кефірів, йогуртів, сухого молока, хліба, соків), отримання лікарських препаратів (наприклад, вакцин, антибіотиків, вітамінів, ферментів), безвідходні технології очищення довкілля (наприклад, біотехнологія розкладу штучних полімерних матеріалів), добування екологічно чистих видів палива (наприклад, біогазу, біодизелю), кормів для сільськогосподарських тварин (наприклад, кормових білків із парафінів нафти), створення засобів догляду й захисту рослин (наприклад, створення біодобрив, біогумусу). Великим є значення біохімії у розв’язуванні екологічної проблеми утилізації та переробки відходів, створенні будівельних матеріалів нового покоління та створенні біотехнології отримання біорозщеплюваних матеріалів (наприклад, полігідроксіалканоатів).

Успіхи біохімії є фундаментом для розвитку таких напрямів біотехнології, як:

•інженерна ензимологія – це галузь, що ґрунтується на використанні каталітичних функцій ферментів у ізольованому стані або у складі певних клітин для одержання продуктів (наприклад, біотехнологія отримання ферментів для освітлення фруктових соків);

•мікробіологічний синтез – галузь, що займається створенням промислових способів добування речовин і сировини за допомогою мікроорганізмів (архей, бактерій, нижчих грибів, одноклітинних рослин) і продуктів їхньої життєдіяльності (наприклад, біотехнологія одержання антибіотиків, штучних кормових білків, ферментів, вітамінів В2, В12, С, гіберелінів, стероїдних речовин);

•екологічна інженерія – галузь,

Отже, біохімія є фундаментальною основою таких напрямів біотехнології, як інженерна ензимологія, мікробіологічний синтез, екологічна інженерія.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з ілюстрацією

Перед вами схема окремих етапів створення трансгенного сорту суниць. Назвіть ці етапи й укажіть методи й ферменти, що їх було використано під час створення сорту.

Бактерія

Agrobacterium tumefaciens

Проект на тему «Клонування організмів»

5 липня 1996 р. – день народження вівці Доллі. Її поява символізувала видатний прорив у біотехнології. Підготуйте проект, в якому розкрийте досягнення й проблеми цього методу клітинної інженерії, сформулюйте перспективи клонування та висловіть свої судження щодо застосування клонування в сільському господарстві, промисловості, медицині, ветеринарії.

СТАВЛЕННЯ Біологія + Хімія. «Зелена хімія»

«Зелена хімія» – галузь екологічної інженерії, що займається створенням, розробленням і застосуванням хімічних продуктів і процесів, що зменшують або унеможливлюють використання й утворення шкідливих речовин. У 1998 р. П. Т. Анастас і Дж. С. Уорнер у своїй книжці «Зелена хімія: теорія і практика» сформулювали дванадцять принципів «зеленої хімії». Назвіть ці принципи. Обґрунтуйте значення біотехнології для досягнення цілей «зеленої хімії».

1.Що таке молекулярна генетика і генна інженерія? 2. Назвіть досягнення молекулярної генетики. 3. Що таке молекулярна біологія й клітинна інже-

1– 6 нерія? 4. Назвіть найвідоміші відкриття молекулярної біології. 5. Що таке біохімія й мікробіологічний синтез? 6. Яке значення біохімії для екологічної інженерії?

7.Яке значення досягнень молекулярної генетики для біотехнології? 8. Яке зна-

7– 9 чення молекулярної біології для біотехнології? 9. Для яких напрямів біотехнології фундаментальною основою є біохімія?

§ 63. Застосування досягнень молекулярної генетики, молекулярної біології та біохімії у біотехнології

249

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У СЕЛЕКЦІЇ, МЕДИЦИНІ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

250

Стережіться лихого в усякому вигляді!

З Нового Заповіту

§64. ПОНЯТТЯ ПРО БІОЛОГІЧНУ НЕБЕЗПЕКУ ТА БІОЛОГІЧНУ БЕЗПЕКУ

Основні поняття й ключові терміни: БІОЛОГІЧНА НЕБЕЗПЕКА. Біологічна зброя. Біологічний тероризм. БІОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА. Біологічний захист.

Пригадайте! Що вивчає біологія?

Вступна вправа

Символ біологічної небезпеки був розроблений у 1966 р. компанією Dow Chemical для власних потреб. Нині символ використовується в місцях виробництва, зберігання або застосування шкідливих для здоров'я людини біологічних речовин, ним маркують біологічну зброю. Який із цих знаків є символом біологічної небезпеки?

ЗМІСТ

Якими є чинники біологічної небезпеки?

БІОЛОГІЧНА НЕБЕЗПЕКА – це небезпека для здоров'я й життя людини, пов'язана із впливом на нього агентів біологічної природи. До біологічних

звичайний, тис ягідний) (іл. 103);

•генетично модифіковані організми та