Apie kvantinius efektus fizikai žinojo daugiau nei šimtą metų, pavyzdžiui, kvantų gebėjimą išnykti vienoje vietoje ir atsirasti kitoje arba būti dviejose vietose vienu metu. Tačiau nuostabios kvantinės mechanikos savybės galioja ne tik fizikoje, bet ir biologijoje.

Geriausias kvantinės biologijos pavyzdys yra fotosintezė: augalai ir kai kurios bakterijos naudoja saulės šviesos energiją, kad sukurtų jiems reikalingas molekules. Pasirodo, fotosintezė iš tikrųjų remiasi stebinančiu reiškiniu – nedidelės energijos masės „ištiria“ visus įmanomus savęs panaudojimo būdus, o paskui „atrenka“ efektyviausią. Galbūt paukščių navigacija, DNR mutacijos ir net mūsų uoslė vienaip ar kitaip priklauso nuo kvantinių efektų. Nors ši mokslo sritis tebėra labai spekuliatyvi ir prieštaringa, mokslininkai mano, kad, pasisėmus iš kvantinės biologijos, idėjos gali paskatinti naujų vaistų ir biomimetinių sistemų kūrimą (biomimetrija yra dar viena nauja mokslo sritis, kurioje biologinės sistemos ir struktūros naudojamos kurti naujas medžiagas ir įrenginius).

3. Egzometeorologija

Jupiteris

Kartu su egzoceanografais ir egzogeologais egzometeorologai domisi natūralių procesų, vykstančių kitose planetose, studijomis. Dabar, kai galingi teleskopai leido ištirti netoliese esančių planetų ir mėnulių vidinius procesus, egzometeorologai gali stebėti jų atmosferos ir oro sąlygas. ir Saturnas su savo neįtikėtinu mastu yra pagrindiniai kandidatai tyrimams, kaip ir Marsas su nuolatinėmis dulkių audromis.

Egzometeorologai net tiria planetas už mūsų Saulės sistemos ribų. Įdomu tai, kad jie ilgainiui gali aptikti nežemiškos gyvybės ženklų egzoplanetose, aptikę atmosferoje organinių pėdsakų arba padidėjusį anglies dioksido kiekį – tai pramoninės civilizacijos ženklas.

4. Nutrigenomika

Nutrigenomika yra sudėtingų maisto ir genomo ekspresijos ryšių tyrimas. Šioje srityje dirbantys mokslininkai siekia suprasti genetinių variacijų ir mitybos reakcijų vaidmenį, kaip maistinės medžiagos veikia genomą.

Maistas tikrai turi didžiulį poveikį jūsų sveikatai – ir jis tiesiogine prasme prasideda molekuliniu lygmeniu. Nutrigenomika veikia abiem kryptimis: ji tiria, kaip tiksliai mūsų genomas veikia gastronomines nuostatas, ir atvirkščiai. Pagrindinis disciplinos tikslas yra sukurti individualizuotą mitybą – tai užtikrinti, kad mūsų maistas idealiai atitiktų mūsų unikalų genų rinkinį.

5. Kliodinamika

Kliodinamika – disciplina, jungianti istorinę makrosociologiją, ekonomikos istoriją (kliometriją), ilgalaikių socialinių procesų matematinį modeliavimą, taip pat istorinių duomenų sisteminimą ir analizę.

Pavadinimas kilęs iš graikų istorijos ir poezijos mūzos Clio vardo. Paprasčiau tariant, kliodinamika yra bandymas nuspėti ir apibūdinti plačius socialinius istorijos ryšius – tiek tyrinėti praeitį, tiek kaip potencialus būdas numatyti ateitį, pavyzdžiui, prognozuoti socialinius neramumus.

6. Sintetinė biologija

Sintetinė biologija – tai naujų biologinių dalių, prietaisų ir sistemų projektavimas ir konstravimas. Tai taip pat apima esamų biologinių sistemų atnaujinimą, kad būtų galima naudoti daugybę naudingų programų.

Craigas Venteris, vienas iš pirmaujančių šios srities ekspertų, 2008 metais paskelbė, kad atkūrė visą bakterijos genomą, suklijuodamas jos cheminius komponentus. Po dvejų metų jo komanda sukūrė „sintetinę gyvybę“ – skaitmeniniu būdu užkoduotas DNR molekules, vėliau atspausdintas 3D ir įterptas į gyvas bakterijas.

Ateityje biologai ketina analizuoti įvairių tipų genomus, kad sukurtų naudingus organizmus įnešti į organizmą ir biorobotus, galinčius nuo nulio gaminti chemines medžiagas – biokurą. Taip pat yra idėjų sukurti su tarša kovojančias dirbtines bakterijas ar vakcinas sunkioms ligoms gydyti. Šios mokslo disciplinos potencialas yra tiesiog milžiniškas.

7. Rekombinantiniai memetikai

Ši mokslo sritis tik pradeda formuotis, tačiau jau dabar aišku, kad tai tik laiko klausimas – anksčiau ar vėliau mokslininkai geriau supras visą žmogaus noosferą (visos žmonėms žinomos informacijos visumą) ir kaip informacijos sklaida veikia beveik visus žmogaus gyvenimo aspektus.

Kaip ir rekombinantinė DNR, kur skirtingos genetinės sekos susijungia, kad sukurtų kažką naujo, rekombinantinė memetika tiria, kaip iš žmogaus žmogui perduodamos idėjos gali būti koreguojamos ir derinamos su kitais memais ir memepleksais – nustatytais tarpusavyje susijusių memų kompleksais. Tai gali būti naudinga „socialinės terapijos“ tikslams, pavyzdžiui, kovojant su radikalių ir ekstremistinių ideologijų plitimu.

8. Skaičiavimo sociologija

Kaip ir kliodinamika, kompiuterinė sociologija tiria socialinius reiškinius ir tendencijas. Pagrindinė šios disciplinos dalis yra kompiuterių ir susijusių informacijos apdorojimo technologijų naudojimas. Žinoma, ši disciplina išsivystė tik atsiradus kompiuteriams ir plačiai naudojant internetą.

Ypatingas dėmesys šioje disciplinoje yra skiriamas didžiuliams informacijos srautams iš mūsų kasdienio gyvenimo, pavyzdžiui, elektroniniams laiškams, telefono skambučiams, socialinių tinklų įrašams, pirkimams kredito kortelėmis, paieškos sistemų užklausoms ir pan. Darbo pavyzdžiais galėtų būti socialinių tinklų struktūros ir informacijos platinimo per juos tyrimas ar intymūs santykiai užmezgami internete.

9. Kognityvinė ekonomika

Paprastai ekonomika nėra siejama su tradicinėmis mokslo disciplinomis, tačiau tai gali keistis dėl glaudžios visų mokslo krypčių sąveikos. Ši disciplina dažnai painiojama su elgesio ekonomika (mūsų elgesio ekonominių sprendimų kontekste tyrimas). Kognityvinė ekonomika yra mokslas apie tai, kaip mes mąstome. Lee Caldwell, tinklaraščio apie šią discipliną autorius, apie tai rašo:

„Kognityvinė (arba finansinė) ekonomika... žiūri į tai, kas iš tikrųjų vyksta žmogaus galvoje, kai jis pasirenka. Kokia yra vidinė sprendimų priėmimo struktūra, kas jai daro įtaką, kokią informaciją šiuo metu suvokia protas ir kaip ji apdorojama, kokias vidines pirmenybės formas turi žmogus ir, galiausiai, kaip visi šie procesai atsispindi elgesyje ?

Kitaip tariant, mokslininkai pradeda savo tyrimus žemesniu, supaprastintu lygmeniu ir formuoja sprendimų priėmimo principų mikromodelius, kad sukurtų didelio masto ekonominio elgesio modelį. Dažnai ši mokslo disciplina sąveikauja su susijusiomis sritimis, tokiomis kaip skaičiavimo ekonomika ar pažinimo mokslas.

10. Plastikinė elektronika

Elektronika paprastai apima inertinius ir neorganinius laidininkus ir puslaidininkius, tokius kaip varis ir silicis. Tačiau nauja elektronikos šaka naudoja laidžius polimerus ir mažas molekules, kurių pagrindą sudaro anglis. Organinė elektronika apima funkcinių organinių ir neorganinių medžiagų projektavimą, sintezę ir apdorojimą kartu su pažangių mikro ir nanotechnologijų kūrimu.

Tiesą sakant, tai nėra tokia nauja mokslo šaka; pirmieji pokyčiai buvo padaryti dar aštuntajame dešimtmetyje. Tačiau tik neseniai buvo įmanoma sujungti visus sukauptus duomenis, ypač dėl nanotechnologijų revoliucijos. Organinės elektronikos dėka netrukus galime turėti organinių saulės elementų, savaime besitvarkančių elektroninių prietaisų monosluoksnių ir organinių protezų, kurie ateityje galės pakeisti pažeistas žmogaus galūnes: ateityje vadinamieji kiborgai gali būti sudaryti iš daugiau organinių medžiagų nei sintetinių dalių.

11. Skaičiavimo biologija

Jei jums vienodai patinka matematika ir biologija, tada ši disciplina kaip tik jums. Skaičiavimo biologija siekia suprasti biologinius procesus matematikos kalba. Tai taip pat naudojama kitoms kiekybinėms sistemoms, tokioms kaip fizika ir kompiuterių mokslas. Otavos universiteto mokslininkai paaiškina, kaip tai tapo įmanoma:

„Tobulėjant biologinei įrangai ir lengvai prieinamai prie skaičiavimo galios, pati biologija turi dirbti su vis daugiau duomenų, o įgyjamų žinių greitis tik auga. Taigi, norint suprasti duomenis, dabar reikia skaičiavimo metodo. Kartu, fizikų ir matematikų požiūriu, biologija subrendo iki tokio lygio, kad teorinius biologinių mechanizmų modelius galima išbandyti eksperimentiškai. Tai paskatino kompiuterinės biologijos vystymąsi.

Šioje srityje dirbantys mokslininkai analizuoja ir matuoja viską – nuo ​​molekulių iki ekosistemų.

Kaip veikia „smegenų paštas“ – pranešimų perdavimas iš smegenų į smegenis internetu

10 pasaulio paslapčių, kurias pagaliau atskleidė mokslas

10 pagrindinių klausimų apie Visatą, į kuriuos mokslininkai šiuo metu ieško atsakymų

8 dalykai, kurių mokslas negali paaiškinti

2500 metų mokslinė paslaptis: kodėl mes žiovaujame

3 kvailiausi argumentai, kuriuos evoliucijos teorijos priešininkai naudoja norėdami pateisinti savo nežinojimą

Ar superherojų gebėjimus įmanoma realizuoti pasitelkus šiuolaikines technologijas?

2008 m. liepos 11 d

Gyvosios gamtos mokslai(gyvybės mokslai) jungia įvairias biologijos, biotechnologijų ir medicinos šakas. Pastaraisiais metais tai buvo vienas iš pasaulio mokslo ir ekonomikos prioritetų. Gyvybės mokslų, kaip prioritetinės plėtros srities, pasirinkimas paaiškinamas daugeliu priežasčių. Šie mokslai yra pirminių žmonijos poreikių tenkinimo pagrindas.

Visų pirma, tai yra sveikatos priežiūra. Norint rūpintis sveikata, reikia suprasti, kas atsitinka sveikam žmogui ir kas atsitinka patologijoje. Gyvybės mokslai tampa ypač svarbūs ilgėjant gyvenimo trukmei: būtinybė vyresnio amžiaus visuomenės nariams suteikti sveiką ir aktyvią senatvę kelia naujų iššūkių biologijai ir medicinai. Antra, augantis pasaulio gyventojų skaičius ir didėjanti gerovė reikalauja naujų būdų, kaip padidinti žemės ūkio produktyvumą, kurti naujas augalų veisles – ne tik produktyvesnius, bet ir pagerėjusias vartojimo savybes. Trečia, dėl didėjančio žmonijos daromo spaudimo gamtai reikia vis nuodugnesnių ekologijos studijų ir priemonių šiai apkrovai sumažinti, pavyzdžiui, naudojant biokuro, biologiškai skaidžių plastikų gamybos metodus, pažangią žemės ūkio praktiką, aplinkos taršos mažinimą ir biologinį atkūrimą. – užterštų ar sunaikintų biocenozių atkūrimas.

Pagrindinė gyvybės mokslus vienijanti grandis yra biotechnologijos plačiąja šio termino prasme.

Gyvųjų sistemų prioritetas

Asmens identifikavimas ir patikima ligų diagnostika, žmogaus organų auginimas ir daug vitaminų, riebalų ir baltymų turinčių javų kūrimas, naujos vakcinos ir vaistai - šios ir daugelis kitų technologijų teisėtai priklauso plačiausiai erdvei, vadinamai „gyvomis sistemomis“.

Sukurti išsivysčiusią ekonomiką postindustrinėje visuomenėje neįmanoma neatnaujinus išeinančią ekonominę sistemą atitinkančios technologinės struktūros ir mokslinės veiklos formų. Todėl vienas esminių mūsų valstybės uždavinių – efektyvaus ir konkurencingo mokslo ir inovacijų sektoriaus formavimas. Pagrindinė valstybės priemonė mokslo ir technologijų plėtros srityje yra federalinė tikslinė programa „Moksliniai tyrimai ir plėtra prioritetinėse Rusijos mokslo ir technikos komplekso plėtros srityse 2007–2012 m. Pagal šią programą valstybė finansuoja darbus, atitinkančius pasirinktus mokslinius ir mokslinius-techninius valstybės prioritetus, iš kurių vienas yra „Gyvosios sistemos“.

STRF.ru ​​pagalba:
Darbas prioritetinėje srityje „Gyvosios sistemos“ taip pat vykdomas pagal federalinę tikslinę programą „Moksliniai tyrimai ir plėtra Rusijos mokslo ir technologijų komplekso 2007–2012 m. plėtros prioritetinėse srityse“. Pagal šią kryptį 2008 m. buvo sukurtos šios kritinės technologijos:
– biomedicinos ir veterinarijos technologijos žmonių ir gyvūnų gyvybei palaikyti ir apsaugoti;
– biokatalitinės, biosintetinės ir biojutiklio technologijos;
– genominės ir postgenominės vaistų kūrimo technologijos;
– korinio ryšio technologijos;
– bioinžinerijos technologijos.

Koncepcija "Gyvosios gamtos mokslai" atėjo pakeisti įprastą „biologijos mokslų“ sąvoką ir suteikė bendrą pavadinimą visiems mokslams apie gyvas būtybes: zoologija ir genetika, botanika ir molekulinė biologija, fiziologija ir biochemija, ekologija ir medicina. Kiekvienas, dirbantis šiose srityse, susiduria su gyvomis sistemomis, tai yra su gyvais organizmais, ar tai būtų žmogus, ar gėlė, virusas ar bakterija. Galima sakyti, kad gyvosios sistemos yra viskas, kas dauginasi, kvėpuoja, maitinasi ir juda.

Tačiau tai ne tik pavadinimo keitimas. Sąvoka „gyvos sistemos“ yra aktyvesnė, labiau struktūrizuota. Tai atspindi sistemingą požiūrį į šią tarpdisciplininę mokslo ir žinių sritį, kurioje dirba biologai, chemikai, fizikai ir matematikai. Be to, terminas „gyvos sistemos“ yra labai technologiškas. Tai apima ne tik gyvų būtybių organizavimo principų pažinimą ir atradimą, bet ir šių žinių panaudojimą naujų technologijų pavidalu. Toks požiūris kviečia skirtingus specialistus kartu pereiti nuo mokslinės idėjos prie praktinio jos įgyvendinimo ir panaudojimo žmonių labui.

Asmens identifikavimas ir patikima ligų diagnostika, žmogaus organų auginimas ir daug vitaminų, riebalų ir baltymų turinčių javų kūrimas, naujos vakcinos ir vaistai - šios ir daugelis kitų technologijų teisėtai priklauso plačiausiai erdvei, vadinamai „gyvomis sistemomis“. Šioje srityje atliekami tyrimai ir plėtra užpildys mūsų pramonę aukštųjų technologijų technologijomis, pagerins Rusijos piliečių sveikatą ir padidins saugumą. Štai kodėl gyvosios sistemos yra vienas iš pagrindinių vyriausybės prioritetų mokslo ir technologijų srityje, aktyviai remiamas per federalines tikslines programas.

Šis rinkinys trumpai supažindins skaitytoją su technologinių platformų ir biotechnologijų samprata, taip pat kai kuriais pirmaujančių Rusijos mokslo grupių, dirbančių prioritetine kryptimi „Gyvosios sistemos“, raida.

STRF.ru ​​pagalba:
Finansavimo paskirstymas „Gyvųjų sistemų“ kryptimi pagal federalinę tikslinę programą 2008 m. pagal regionus (milijonai rublių):
FEFD – 9 sutartys, biudžetas 116,5
Volgos federalinė apygarda - 17 sutarčių, biudžetas 140,1
Šiaurės vakarų federalinė apygarda – 32 sutartys, biudžetas 156,0
Sibiro federalinė apygarda - 34 sutartys, biudžetas 237,4
Uralo federalinė apygarda – 1 sutartis, biudžetas 50
Centrinė federalinė apygarda – 202 sutartys, biudžetas 2507,8
Pietų federalinė apygarda – 4 sutartys, biudžetas 34,85

Žinios kaip technologija

Pokalbiuose apie esminių ir taikomųjų pokyčių vystymąsi gyvųjų sistemų srityje vis dažniau susiduriama su „technologijos“ sąvoka. Šiuolaikinėje, postindustrinėje ekonomikoje technologija suprantama kaip dokumentais pagrįstų žinių visuma, skirta tikslingai veiklai naudojant technines priemones (pavyzdžiui, organizacines technologijas, vartojimo technologijas, socialines technologijas, politines technologijas). Pažymėtina, kad rinkos ekonomikoje technologijos, kaip žinių rūšis, yra prekė. Šia sąvoka žymimas žinių bagažas kelia klausimų ne tik apie tai, ką darome, bet ir kaip, o svarbiausia – kodėl tai darome.

Nustatant mokslinio ir techninio komplekso plėtros nacionaliniu mastu strategijas, vartojama „technologinės platformos“ sąvoka. Kol kas nėra aiškaus šio termino apibrėžimo. Vis dėlto jau dabar akivaizdu, kad ši sąvoka apima žinių, metodų, materialinės ir techninės bazės bei kvalifikuoto personalo visumą, kuri skiriasi priklausomai nuo išorinių užsakymų moksliniams ir technologiniams darbams atlikti. Prioritetinė kryptis „Gyvosios sistemos“ gali būti traktuojama kaip kelių technologijų platformų derinys.

Paslaptys atskleistos

Iš gyvų sistemų gauname technologijas, kurios yra gamtos gyvenimo norma. Ji juos naudoja bet kurio gyvo organizmo gimimo, vystymosi ir mirties metu. Be to, kiekviename gyvos sistemos hierarchijos lygyje – genetiniame, ląsteliniame, organizmo – egzistuoja skirtingas technologinių sprendimų rinkinys.

Bet kuri gyva sistema prasideda nuo pagrindinės gyvybės molekulės – DNR, kuri saugo ir perduoda iš kartos į kartą paveldimą informaciją. DNR galima grubiai suskirstyti į semantines dalis – genus. Jie siunčia komandas sintetinti tam tikrus baltymus, formuojančius organizmo savybes ir užtikrinančius jo gyvybę. Žmogaus genų skaičių mokslininkai vertina 20–25 tūkst. Jei atsiranda genų gedimų, vadinamų mutacijomis, žmogus suserga sunkiomis ligomis. Į genomą „įrašyto“ teksto apimtis yra identiška dienraščio „Izvestija“ bylai 30 metų.

DNR gyvena ir veikia ląstelėje. Gyva ląstelė yra pati tobulybė. Ji moka nenaudingas medžiagas paversti naudingomis, sintetinti organizmui vidinius vaistus, statybines medžiagas ir dar daugiau. Kiekvieną minutę gyvoje ląstelėje vyksta milijonai cheminių reakcijų pačiomis įprasčiausiomis sąlygomis – vandens aplinkoje, be aukšto slėgio ir temperatūros.

Viena ląstelė pati gyvena tik vienaląsčiuose organizmuose – bakterijose, tačiau dauguma gyvųjų sistemų yra daugialąstės. Suaugusio žmogaus kūne yra vidutiniškai 10 14 ląstelių. Jie gimsta, transformuojasi, dirba savo darbą ir miršta. Tačiau tuo pat metu jie gyvena darniai ir bendradarbiaudami, kurdami kolektyvines gynybos (imuninės sistemos), prisitaikymo (reguliavimo sistema) ir kitas sistemas.

Žingsnis po žingsnio atskleidžiame gyvų sistemų paslaptis ir, remdamiesi šiomis žiniomis, kuriame biotechnologijos.

Biotechnologija

Biotechnologiją galima apibrėžti kaip procesus, kurių metu gyvos sistemos arba jų komponentai naudojami medžiagoms ar kitoms gyvoms sistemoms gaminti. Gyvos būtybės yra originalios „gamyklos“, kurios perdirba žaliavas (maistingąsias medžiagas) į įvairius produktus, reikalingus jų gyvybei palaikyti. Be to, šios gamyklos gali daugintis, tai yra, generuoti kitas labai panašias „gamyklas“.

Šiandien jau daug žinome apie tai, kaip yra struktūrizuoti ir funkcionuoti gyvų gamyklų „darbuotojai“ – genomas, ląstelių struktūros, baltymai, pačios ląstelės ir visas kūnas.

Šių žinių, nors ir vis dar neišsamių, dėka mokslininkai išmoko manipuliuoti atskirais gyvų sistemų elementais – genais (genominės technologijos), ląstelėmis (ląstelinės technologijos) – ir sukurti genetiškai modifikuotus gyvus organizmus, turinčius mums naudingų savybių (genų inžinerija). Mes žinome, kaip pritaikyti natūralias „gamyklas“ mums reikalingo produkto gamybai (pramoninė biotechnologija). Be to, genetiškai modifikuoti šias gamyklas, kad jos susintetintų tai, ko mums reikia.

Taip mes kuriame biotechnologijas, apie kurias bus kalbama toliau. Tačiau prieš supažindindami jus su technologijų, kurios jau buvo panaudotos žmogui, pavyzdžiais, reikia pasakyti keletą žodžių apie elegantišką sprendimą, kuris šiandien padeda mokslininkams įsiskverbti į gyvenimo paslaptis ir suprasti gyvųjų sistemų mechanizmus. Juk ląstelėje vykstantys procesai yra nematomi, o moksliniams tyrimams reikalingos technologijos, kuriomis juos būtų galima pamatyti ir suprasti. Beje, šis sprendimas yra biotechnologijos savaime.

Švytinčios voveraitės

Norėdami sužinoti, kaip veikia genai, turite pamatyti jų darbo rezultatą, tai yra baltymus, kurie sintetinami jiems vadovaujant. Kaip galime atpažinti būtent tuos, kurių ieškome? Mokslininkai rado metodą, pagal kurį baltymai matomi, švyti ultravioletinėje šviesoje.

Tokių šviečiančių baltymų randama gamtoje, pavyzdžiui, jūros vėžiagyviuose ir medūzose. Antrojo pasaulinio karo metais japonai kaip vietinį šviesos šaltinį naudojo miltelius iš „jūrinės ugniažolės“, vėžiagyvio su dvigeldžiu kiautu. Pamirkęs vandenyje, ryškiai švytėjo. Būtent iš šios jūrinės ugniažolės ir medūzos XX amžiaus 50-ųjų pabaigoje O. Shimomura (Japonija) pirmą kartą išskyrė šviečiančius baltymus. Tai buvo dabar žinomo GFP – žalio fluorescencinio baltymo – istorijos pradžia. O 2008 metais O. Shimomura, M. Chelfi ir R. Tsien (JAV) gavo Nobelio chemijos premiją už fluorescencinius baltymus. Šių baltymų pagalba galima priversti švytėti įvairiausius gyvus objektus – nuo ​​ląstelių struktūrų iki viso gyvūno. Liuminescencinis žibintuvėlis, kurį naudojant genetinę manipuliaciją buvo galima pritvirtinti prie norimų baltymų, buvo galima pamatyti, kur ir kada šis baltymas sintetinamas ir į kurias ląstelės dalis siunčiamas. Tai buvo biologijos ir medicinos revoliucija.

Tačiau raudonai fluorescencinius baltymus koraluose ir kituose jūrų organizmuose pirmieji atrado du Rusijos tyrinėtojai – Michailas Matsas ir Sergejus Lukjanovas. Dabar turime visų vaivorykštės spalvų fluorescencinių baltymų, o jų pritaikymas labai platus: nuo pažangiausių biologijos ir medicinos, įskaitant onkologiją, ir nuodingų bei sprogstamųjų medžiagų nustatymo, iki švytinčių akvariumo žuvų.

Vadovaujant Rusijos mokslų akademijos nariui korespondentui S. Lukjanovui (Rusijos mokslų akademijos Bioorganinės chemijos institutas), buvo sukurta Rusijos biotechnologijų įmonė „Evrogen“, aprūpinanti mokslininkus visame pasaulyje įvairiaspalvėmis fluorescencinėmis etiketėmis. Šiandien Evrogen yra viena iš lyderių pasaulinėje biologiniams tyrimams skirtų fluorescencinių baltymų rinkoje.

Genetinis identifikavimas

Mes visi labai skirtingi. Išvaizda, charakteris, gebėjimai, polinkis vaistams, pasibjaurėjimas tam ar kitam maistui – visa tai nulemta genetiškai. Kiekvieno iš mūsų genomo unikalumas daro jį patikimu tapatybės nustatymo įrankiu. Iš esmės mūsų genai yra tie patys pirštų atspaudai, tik kitokio pobūdžio. DNR identifikavimo metodą kriminalistikos praktikoje praėjusio amžiaus 80-aisiais įdiegė britų tyrinėtojas Alikas Jeffreysas. Šiandien tai jau įprasta ir pažįstama procedūra visame pasaulyje.

Jis taip pat naudojamas Rusijoje. Tačiau analizei reagentus perkame užsienyje. Rusijos mokslų akademijos Bendrosios genetikos institute, vadovaujant Rusijos mokslų akademijos nariui korespondentam Nikolajui Jankovskiui, kuriamas reagentų rinkinys žmogaus DNR identifikavimui. Tokios buitinės priemonės atsiradimas yra labai savalaikis, nes 2009 m. sausio 1 d. įsigalios 2008 m. lapkričio 19 d. Rusijos Federacijos Valstybės Dūmos priimtas įstatymas „Dėl genomo registravimo“. Mūsų mokslininkų tobulėjimas ne tik leis atsisakyti importo, bet ir suteiks kriminologams pažangesnį įrankį, kuris, skirtingai nei vakarietiški analogai, veikia su labai pažeista DNR. Ir tai yra dažnas atvejis teismo medicinoje.

Šio įrankio pagalba bus sprendžiamas dar vienas svarbus socialinis uždavinys - įstatymų pažeidėjų genetinių duomenų banko sukūrimas, kuris padidins nusikaltimų išaiškinimą ir sumažins tyrimo laiką. JK su nusikalstamu pasauliu vienaip ar kitaip susijusių žmonių genetinėje duomenų bazėje jau yra keli milijonai žmonių.

DNR identifikavimo metodas ypač tinka identifikuoti žmones, žuvusius karuose, nelaimėse ir kitomis aplinkybėmis. Šiandien jis taip pat naudojamas Rusijoje. Garsiausias atvejis – paskutinės karališkosios šeimos palaikų identifikavimas. Paskutinį šio didelio darbo etapą – imperatoriaus sūnaus ir dukters palaikų identifikavimą – atliko Rusijos mokslų akademijos Bendrosios genetikos instituto genomikos skyriaus vedėjas profesorius Jevgenijus Rogajevas.

Galiausiai, kita DNR identifikavimo metodo taikymo sritis yra tėvystės nustatymas. Tyrimai rodo, kad keli procentai teisėtų tėvų nėra biologiniai. Ilgą laiką tėvystė buvo nustatoma analizuojant vaiko ir tėvo kraują – buvo nustatyta kraujo grupė ir Rh faktorius bei lyginami duomenys. Tačiau šis metodas iš esmės buvo nepatikimas, kaip dabar supranta tyrėjai, ir padarė daug klaidų, kurios sukėlė asmenines tragedijas. DNR identifikavimo naudojimas padidino analizės tikslumą iki beveik 100%. Šiandien šis tėvystės nustatymo metodas yra prieinamas Rusijoje.

Genetinė diagnostika

Atlikti pilną vieno žmogaus genomo analizę šiuo metu kainuoja milžiniškus pinigus – du milijonus dolerių. Tiesa, po dešimties metų, tobulėjant technologijoms, prognozuojama, kad kaina nukris iki tūkstančio dolerių. Bet visų genų galima ir neaprašyti. Dažnai užtenka įvertinti tik tam tikrų genų grupių, kurios yra labai svarbios įvairiems negalavimams atsirasti, darbą.

Genetinė diagnostika reikalauja specialių prietaisų, miniatiūrinių, greitų ir tikslių. Šie įrenginiai vadinami biolustais. Pirmasis pasaulyje biolustų, skirtų DNR struktūrai nustatyti, patentas priklauso Rusijai – akademiko Andrejaus Mirzabekovo komandai iš Molekulinės biologijos instituto. V.A. Engelhardtas RAS. Tada, praėjusio amžiaus 80-ųjų pabaigoje, Mirzabekovo komanda sukūrė mikromatricos technologiją. Vėliau juos imta vadinti biolustais.

Biologinės mikroschemos yra nedidelė stiklo ar plastiko plokštelė, kurios paviršiuje yra daug ląstelių. Kiekviename iš šių šulinių yra žymeklis vienai ar kitai genomo daliai, kurią reikia aptikti mėginyje. Jei paciento kraujo mėginys yra lašinamas ant biočipo, galime sužinoti, ar jame yra tai, ko ieškome – atitinkamas šulinys švytės dėl fluorescencinės etiketės.

Ištyrę panaudotą biočipą, mokslininkai gali diagnozuoti polinkį sirgti tam tikromis ligomis, taip pat aptikti paciento kraujyje pavojingus virusus, pavyzdžiui, tuberkuliozę ar hepatitą C. Juk virusas yra ne kas kita, kaip svetimos DNR dalelė. baltyminiame apvalkale. Dėl naujos technikos sudėtingų laboratorinių biologinių medžiagų tyrimų trukmė sutrumpėjo nuo kelių savaičių iki vienos dienos.

Šiandien biologines mikrobiologines lustas kuria dešimtys įmonių Europoje ir JAV. Tačiau Rusijos biolustai sėkmingai atlaiko konkurenciją. Viena analizė naudojant Biochip-IMB testavimo sistemą kainuoja tik 500 rublių, o naudojant užsienio analogą – 200–500 USD.

O Rusijos mokslų akademijos Molekulinės biologijos institutas pradėjo sertifikuoti biočipus, aptinkančius paciento hepatito C viruso tipus. Naujos technologijos rinkos potencialas yra milžiniškas. Juk tradicinių testų pagalba kas trečiu atveju nepavyksta išsiaiškinti, kokiai veislei priklauso rastas virusas. Dabar ši problema išspręsta.

Naudodami DNR diagnostiką galite ne tik nustatyti ligas ir polinkį į jas, bet ir pakoreguoti savo kasdienę mitybą. Pavyzdžiui, ar įtraukti nenugriebtą pieną, ar ne. Faktas yra tas, kad daugeliui žmonių nenugriebtas pienas sukelia pykinimą, viduriavimą ir bendrą negalavimą. Taip nutinka dėl to, kad trūksta fermento, skaidančio pieno cukrų – laktozę. Dėl šios priežasties organizme kyla problemų. O fermento buvimas nulemtas genetiškai. Genetinių tyrimų duomenimis, mūsų šalyje nuo trečdalio iki pusės suaugusiųjų (priklausomai nuo regiono) nepajėgia virškinti nenugriebto pieno. Tačiau mokyklos dieta vis tiek reikalauja stiklinės pieno per dieną kiekvienam vaikui. Naudojant DNR diagnostinį testą, sukurtą Rusijos mokslų akademijos Bendrosios genetikos institute, nesunku nustatyti, kam galima rekomenduoti nenugriebtą pieną, o kam ne. Toks yra projekto „Sveikų žmonių sveikatos išsaugojimas“, kurį įgyvendina Rusijos mokslų akademija kartu su Tambovo srities administracija, tikslas.

Genų terapija

Genetinė diagnostika sudaro pagrindą ateities medicinai. Tačiau medicina yra ne tik diagnozė, bet ir gydymas. Ar galime tais sunkiais atvejais, kai tradicinis gydymas yra bejėgis, ištaisyti pažeistus genus gyvame organizme ar pakeisti juos pilnais? Būtent tokią užduotį išsikelia genų terapija.

Genų terapijos esmė paprasta žodžiais: reikia arba „sutaisyti“ sugedusį geną tų audinių ir organų ląstelėse, kur jis neveikia, arba į paciento organizmą pristatyti visavertį geną, kurį mes gali sintetinti in vitro. Šiandien buvo sukurti keli metodai naujų genų įvedimui į ląsteles. Tai apima genų pristatymą naudojant neutralizuotus virusus, genetinės medžiagos mikroinjekciją į ląstelės branduolį, ląstelių šaudymą iš specialaus ginklo su mažytėmis aukso dalelėmis, kurių paviršiuje yra sveikų genų, ir kt. Iki šiol sėkmės srityje buvo labai mažai. praktinė genų terapija. Tačiau yra ryškių ir šmaikščių atradimų, taip pat ir Rusijos laboratorijose.

Viena iš šių idėjų, skirtų vėžiui gydyti, gali būti vadinama „Trojos arkliu“. Vienas iš herpeso viruso genų patenka į vėžio ląsteles. Iki tam tikro laiko šis „Trojos arklys“ neatsiskleidžia. Tačiau kai tik į paciento organizmą patenka vaistas, plačiai naudojamas herpes gydymui (gancikloviras), genas pradeda veikti. Dėl to ląstelėse susidaro itin toksiška medžiaga, naikinanti auglį iš vidaus. Kitas vėžio genų terapijos variantas yra genų pristatymas į vėžines ląsteles, kurios sukels vadinamųjų „savižudybių“ baltymų sintezę, o tai sukels vėžio ląstelių „savižudybę“.

Genų pristatymo į vėžines ląsteles technologiją kuria didelė mokslininkų komanda iš pavadinto Bioorganinės chemijos instituto. M.M.Šemyakinas ir Yu.A.Ovchinnikovas RAS, Rusijos onkologijos tyrimų centras RAMS, Molekulinės genetikos institutas RAS, Genų biologijos institutas RAS. Darbui vadovauja akademikas Jevgenijus Sverdlovas. Pagrindinis projekto dėmesys skiriamas vaistų nuo plaučių vėžio (pirma vieta pagal mirtingumą) ir stemplės vėžio (septintoji vieta) kūrimui. Tačiau kuriami metodai ir dizainai bus naudingi kovojant su bet kokio tipo vėžiu, kurių yra daugiau nei šimtas. Po būtinų klinikinių tyrimų, jei pasiseks, vaistai bus pradėti naudoti 2012 m.

Vėžio diagnozė

Daugybė mokslinių grupių Rusijoje ir visame pasaulyje dirba su vėžio problema. Tai suprantama: kasmet vėžys skina šiek tiek mažesnį mirtiną derlių nei širdies ir kraujagyslių ligos. Mokslininkų užduotis – sukurti technologijas, kurios leistų aptikti vėžį ankstyviausiose stadijose ir tikslingai sunaikinti vėžines ląsteles, nesukeliant šalutinio poveikio organizmui. Ankstyva ir greita diagnostika, kai analizė trunka vos kelias valandas, yra nepaprastai svarbi tradicinei vėžio terapijai. Gydytojai žino, kad ligą lengviau sunaikinti pumpuruose. Todėl viso pasaulio klinikoms reikia šiuos reikalavimus atitinkančių diagnostikos technologijų. Ir čia tyrėjams į pagalbą ateina biotechnologijos.

Naują požiūrį į ankstyvą ir greitą vėžio diagnostiką pirmą kartą pasaulyje pasiūlė Aleksandras Četverinas iš Rusijos mokslų akademijos Baltymų instituto. Metodo esmė – nustatyti kraujyje tas mRNR molekules, kurios pašalina informaciją iš atitinkamų genomo dalių ir atlieka vėžio baltymų sintezės komandą. Jei tokių molekulių yra paciento kraujo mėginyje, galima diagnozuoti vėžį. Tačiau problema ta, kad šių molekulių kraujo mėginyje yra labai mažai, o daug kitų. Kaip rasti ir atskirti tuos pavienius egzempliorius, kurių mums reikia? Šią problemą išsprendė A. Četverino vadovaujama mokslininkų komanda.

Mokslininkai išmoko padauginti ieškomas, bet nematomas vėžio ląstelių žymenų molekules naudojant vadinamąją polimerazės grandininę reakciją (PGR).

Dėl to iš vienos nematomos molekulės išauga ištisos molekulinės kolonijos, kurias jau galima pamatyti ir pro mikroskopą. Jei paciento kraujo mėginyje (tarkime, viename mililitre) yra bent viena vėžinė ląstelė ir viena žymenų molekulė, tuomet galima nustatyti prasidedančią ligą.

Analizę galima atlikti vos per kelias valandas, o tai kainuoja kelis tūkstančius rublių. Bet jei jį naudosite masiškai, pavyzdžiui, kasmetinės profilaktinės medicininės apžiūros metu, kaina gali nukristi iki 300–500 rublių.

Vėžio gydymas

Vėžio gydymo srityje taip pat yra keletas naujų metodų, kurie remiasi biotechnologijomis. Vienas iš jų – specifinių antikūnų, kaip priešvėžinių medžiagų, naudojimas.

Antikūnai yra baltymų molekulės, kurias gamina imuninės sistemos ląstelės. Tiesą sakant, tai yra cheminis ginklas, kurį mūsų kūnas naudoja kovojant su visų rūšių virusais, taip pat su išsigimusiomis mūsų pačių kūno ląstelėmis – vėžinėmis ląstelėmis. Jei pati imuninė sistema negali susidoroti su vėžiu, tada jai galima padėti.

Molekulinės imunologijos laboratorijos (Rusijos mokslų akademijos Bioorganinės chemijos instituto) mokslininkai, vadovaujami Rusijos mokslų akademijos nariui korespondentui Sergejui Dejevui, konstruoja naujos kartos antikūnus, kurie atpažįsta taikinį ir jį sunaikina. Šis požiūris pagrįstas vadinamosios „stebuklingos kulkos“, kuri visada ir tiksliai suranda savo auką, principu. Antikūnai puikiai tinka šiam vaidmeniui. Viena jų molekulės dalis tarnauja kaip „antena“, nukreipta į taikinį – vėžinės ląstelės paviršių. O prie antikūno uodegos gali prisirišti įvairių žalojančių medžiagų – toksinų, organinių molekulių, radioaktyvių izotopų. Jie turi skirtingą poveikį, tačiau visi jie galiausiai nužudo naviką.

Vėžio ląstelės taip pat gali būti sunaikintos beveik natūraliai. Užtenka įjungti užprogramuotos ląstelių mirties mechanizmą, savotišką gamtos teikiamą savižudybę. Mokslininkai tai vadina apoptozė. Savižudybės mechanizmą sukelia viduląsteliniai fermentai, kurie naikina ląstelės viduje esančius baltymus ir pačią DNR. Deja, vėžio ląstelės yra nuostabiai atsparios, nes sugeba nuslopinti savo savižudiškas „nuotaikas“. Problema ta, kad vėžio ląstelėse šių fermentų yra labai mažai, todėl sunku sukelti apoptozę.

Tačiau ši problema taip pat gali būti išspręsta. Norėdami suaktyvinti savižudybės mechanizmą, Sibiro mokslininkai siūlo atidaryti ląstelių struktūrų, pavyzdžiui, mitochondrijų, membranas. Tada ląstelė neišvengiamai mirs. Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Bioorganinės chemijos institutas, Valstybinis mokslo centras „Vector“ (Koltsovo kaimas), savivaldybės plaučių chirurgijos ligoninė (Novosibirskas), Mokslo ir gamybos fondas „Medicinos technologijos“ (Kurganas), Šiame dideliame projekte dalyvauja Rusijos medicinos mokslų akademijos (Novosibirskas) Klinikinės ir eksperimentinės imunologijos tyrimų institutas. Mokslininkai kartu atrinko medžiagas, galinčias atverti ląstelių struktūrų membranas, ir sukūrė metodą, kaip šias medžiagas pristatyti į vėžinę ląstelę.

Skiepai

Mūsų žinios apie gyvūnų imuninę sistemą gali būti panaudotos ne tik vėžio, bet ir bet kokių infekcinių ligų gydymui. Daugeliui ligų imunitetą gauname „paveldimu“, o kitoms – susirgę naujos infekcijos sukelta liga. Tačiau imunitetą taip pat galima lavinti – pavyzdžiui, skiepijant.

Skiepijimo veiksmingumą pirmą kartą daugiau nei prieš 200 metų įrodė gydytojas Edwardas Jenneris, kuris įrodė, kad karvių raupais susirgęs žmogus tapo atsparus raupams. Nuo to laiko daugelis ligų pateko į gydytojų kontrolę. Nuo Pastero laikų vakcinoms buvo naudojami susilpninti arba nužudyti virusai. Tačiau tai nustato apribojimus: nėra garantijos, kad vakcinoje visiškai nėra aktyvių virusinių dalelių; dirbant su daugeliu jų reikia labai atsargiai; vakcinos tinkamumo laikas priklauso nuo laikymo sąlygų.

Šiuos sunkumus galima įveikti naudojant genų inžinerijos metodus. Jų pagalba galite pagaminti atskirus bakterijų ir virusų komponentus, o vėliau juos suleisti pacientams – apsauginis poveikis bus ne blogesnis nei naudojant įprastas vakcinas. Pirmosios vakcinos, gautos naudojant genų inžineriją, buvo vakcinos gyvūnams – nuo ​​snukio ir nagų ligos, pasiutligės, dizenterijos ir kitų gyvūnų ligų. Pirmoji genetiškai modifikuota vakcina žmonėms buvo hepatito B vakcina.

Šiandien nuo daugelio infekcijų galime pagaminti vakcinas – klasikines arba genetiškai modifikuotas. Pagrindinė problema susijusi su XX amžiaus maru – AIDS. Vakcinacija jam naudinga. Juk tai stiprina imuninę sistemą ir verčia organizmą gaminti daugiau imuninių ląstelių. Žmogaus imunodeficito virusas (ŽIV), sukeliantis AIDS, gyvena ir dauginasi šiose ląstelėse. Kitaip tariant, suteikiame jai dar daugiau galimybių – naujų, sveikų imuninės sistemos ląstelių užsikrėsti.

Tyrimai, skirti rasti vakcinas nuo AIDS, turi ilgą istoriją ir yra pagrįsti atradimu, kurį praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje padarė būsimieji akademikai R. V. Petrovas, V. A. Kabanovas ir R. M. Chaitovas. Jo esmė ta polielektrolitai (įkrautos polimero molekulės, kurios tirpsta vandenyje) sąveikauja su imuninės sistemos ląstelėmis ir skatina pastarąsias intensyviai gaminti antikūnus. Ir jei, pavyzdžiui, vienas iš baltymų, sudarančių viruso apvalkalą, yra prijungtas prie polielektrolito molekulės, suaktyvės imuninis atsakas prieš šį virusą. Šios vakcinos veikimo mechanizmas iš esmės skiriasi nuo visų anksčiau pasaulyje sukurtų vakcinų.

Pirmasis pasaulyje ir kol kas vienintelis polielektrolitas, kurį leidžiama įnešti į žmogaus organizmą, buvo polioksidoniumas. Tada gripo viruso baltymai buvo „prisiūti“ ant polimero. Rezultatas buvo „Grippol“ vakcina, kuri beveik 10 metų saugo milijonus žmonių Rusijoje nuo virusinės infekcijos.

Šiandien AIDS vakcina kuriama naudojant tą patį metodą. AIDS virusui būdingas baltymas buvo prijungtas prie polielektrolito. Gauta vakcina buvo sėkmingai išbandyta su pelėmis ir triušiais. Remiantis ikiklinikinių tyrimų rezultatais, Rusijos mokslų akademijos Imunologijos institutui buvo suteiktas leidimas atlikti klinikinius tyrimus dalyvaujant savanoriams. Jei visi vaisto testavimo etapai yra sėkmingi, jis gali būti naudojamas ne tik ŽIV infekcijos profilaktikai, bet ir AIDS gydymui.

Biotechnologijomis padovanoti vaistai

Vaistai vis dar išlieka pagrindine medicinos praktikos priemone. Tačiau liūto dalį vaistų gaminančios chemijos pramonės galimybės ribotos. Daugelio medžiagų cheminė sintezė yra sudėtinga ir dažnai neįmanoma, pavyzdžiui, daugumos baltymų sintezė. Ir čia į pagalbą ateina biotechnologijos.

Vaistų gamyba naudojant mikroorganizmus turi ilgą istoriją. Pirmasis antibiotikas penicilinas iš pelėsių buvo išskirtas 1928 m., o pramoninė jo gamyba pradėta 1940 m. Po penicilino buvo atrasti kiti antibiotikai ir pradėta masinė jų gamyba.

Ilgą laiką daugelio vaistų, kurių pagrindą sudaro žmogaus baltymai, buvo galima gauti tik nedideliais kiekiais, jų gamyba buvo labai brangi. Genų inžinerija suteikė vilčių, kad baltyminių vaistų asortimentas ir jų skaičius smarkiai išaugs. Ir šie lūkesčiai pasiteisino. Medicinos praktikoje jau pateko kelios dešimtys biotechnologinėmis priemonėmis gautų vaistų. Ekspertų teigimu, pasaulinės vaistų, kurių pagrindą sudaro genų inžinerija sukurti baltymai, rinkos apimtys išauga 15% ir iki 2010 metų sieks 18 mlrd.

Ryškiausias mūsų biotechnologų darbo šioje srityje pavyzdys – genetiškai modifikuotas žmogaus insulinas, kuris gaminamas pavadintame Bioorganinės chemijos institute. M.M.Shemyakin ir Yu.A.Ovchinnikovas RAS. Insulinas, tai yra baltyminės struktūros hormonas, reguliuoja cukraus skaidymą mūsų organizme. Jį galima išgauti iš gyvūnų. Taip jie darydavo anksčiau. Tačiau net kiaulių – biochemiškai artimiausių mums gyvūnų – kasos insulinas vis tiek šiek tiek skiriasi nuo žmogaus insulino.

Jo aktyvumas žmogaus organizme yra mažesnis nei žmogaus insulino aktyvumas. Be to, mūsų imuninė sistema netoleruoja svetimų baltymų ir daro viską, kad juos atmestų. Todėl sušvirkštas kiaulienos insulinas gali išnykti dar nespėjus turėti gydomojo poveikio. Problema buvo išspręsta genų inžinerijos technologija, kuri šiandien naudojama žmogaus insulino gamybai, taip pat ir Rusijoje.

Be genetiškai modifikuoto žmogaus insulino Bioorganinės chemijos institute. M.M. Shemyakina ir Yu.A. Ovchinnikova iš Rusijos mokslų akademijos, Bioorganinės chemijos instituto, Rusijos mokslų akademijos, kartu su Rusijos medicinos mokslų akademijos Hematologinių tyrimų centru sukūrė baltymų gamybos technologiją, skirtą kovoti su masiniais kraujo netekimas. Žmogaus serumo albuminas ir kraujo krešėjimo faktorius yra puikios pirmosios pagalbos ir gaivinimo priemonės, reikalingos nelaimių medicinoje.

Genetiškai modifikuoti augalai

Kasdien besiplečiančios mūsų genetinės žinios leido sukurti ne tik genetinius tyrimus ligoms diagnozuoti ir švytinčius baltymus, vakcinas bei vaistus, bet ir naujus organizmus. Šiandien vargu ar yra žmogaus, kuris nebūtų girdėjęs apie genetiškai modifikuotus arba transgeninius organizmus (GMO). Tai augalai arba gyvūnai, kurių DNR genai buvo įvesti iš išorės, suteikiant šiems organizmams naujų savybių, kurios yra naudingos žmogaus požiūriu.

GMO armija yra didelė. Tarp jos gretų yra naudingi mikrobai, dirbantys biotechnologijų gamyklose ir gaminantys daug mums naudingų medžiagų, pagerėjusių savybių pasėliai, žinduoliai, gaminantys daugiau mėsos ir daugiau pieno.

Žinoma, vienas iš labiausiai paplitusių GMO padalinių yra augalai. Juk nuo neatmenamų laikų jie tarnavo kaip maistas žmonėms ir gyvulių pašaras. Iš augalų gauname pluoštą statybai, medžiagas vaistams ir kvepalams, žaliavų chemijos pramonei ir energijai, ugnį ir šilumą.

Atrankinio selekcinio selekcinio veisimo būdu toliau geriname augalų kokybę ir kuriame naujas veisles. Tačiau šis kruopštus ir daug darbo reikalaujantis procesas užima daug laiko. Genų inžinerija, leidusi mums įterpti naudingus genus į augalų genomą, veisimą pakėlė į iš esmės naują lygį.

Pats pirmasis transgeninis augalas, sukurtas prieš ketvirtį amžiaus, buvo tabakas, o šiandien pasaulyje pramoniniu mastu naudojama 160 transgeninių augalų. Tarp jų – kukurūzai ir sojos pupelės, ryžiai ir rapsai, medvilnė ir linai, pomidorai ir moliūgai, tabakas ir burokėliai, bulvės ir gvazdikėliai ir kt.

Rusijos mokslų akademijos Bioinžinerijos centre, vadovaujamame akademiko K.G.Skrjabino. kartu su kolegomis baltarusiais jie sukūrė pirmąjį naminį genetiškai modifikuotą pasėlį - bulvių veislę Elizaveta, atsparią Kolorado vabalui.

Pirmieji genetiškai modifikuoti augalai, sukurti devintojo dešimtmečio pradžioje, buvo atsparūs herbicidams ir vabzdžiams. Šiandien genų inžinerijos pagalba gauname veisles, kuriose yra daugiau maisto medžiagų, atsparios bakterijoms ir virusams, atsparios sausrai ir šalčiui. 1994 m. pirmą kartą buvo sukurta pomidorų įvairovė, kuri nebuvo jautri puvimui. Ši veislė genetiškai modifikuoto maisto rinkose pasirodė per dvejus metus. Dar vienas transgeninis produktas – auksiniai ryžiai – tapo plačiai žinomas. Jame, skirtingai nei įprastuose ryžiuose, susidaro beta karotinas – vitamino A pirmtakas, kuris būtinai reikalingas organizmo augimui. Auksiniai ryžiai iš dalies išsprendžia tinkamos mitybos problemą tų šalių, kur ryžiai vis dar yra pagrindinis patiekalas dietoje. Ir tai yra mažiausiai du milijardai žmonių.

Mityba ir produktyvumas nėra vieninteliai tikslai, kurių siekia genų inžinieriai. Galima sukurti augalų veisles, kurių lapuose ir vaisiuose bus vakcinų ir vaistų. Tai labai vertinga ir patogu: iš transgeninių augalų pagamintos vakcinos negali būti užkrėstos pavojingais gyvūnų virusais, o pačius augalus lengva auginti dideliais kiekiais. Galiausiai, „valgomas“ vakcinas galima sukurti remiantis augalais, kai vakcinacijai pakanka suvalgyti tam tikrą kiekį bet kokių transgeninių vaisių ar daržovių, pavyzdžiui, bulvių ar bananų. Pavyzdžiui, morkose yra medžiagų, kurios dalyvauja formuojant organizmo imuninį atsaką. Tokius augalus kartu kuria mokslininkai iš dviejų pirmaujančių Sibiro biologijos institutų: Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Citologijos ir genetikos instituto ir SB RAS Cheminės biologijos ir fundamentaliosios medicinos instituto.

Negalima sakyti, kad visuomenė yra atsargi dėl genetiškai modifikuotų augalų (GMP). O pačioje mokslo bendruomenėje vyksta diskusija apie galimą GMR pavojų. Todėl visame pasaulyje atliekami tyrimai, siekiant įvertinti su GMR naudojimu susijusią riziką – maisto, agrotechnikos ir aplinkosaugos. Nors Pasaulio sveikatos organizacija teigia: „Per 10 metų sukaupta komercinio GM pasėlių naudojimo patirtis, specialių tyrimų rezultatų analizė rodo: iki šiol nėra nė vieno įrodyto registruoto GM toksiškumo ar neigiamo poveikio atvejo. pasėliai kaip maisto ar pašarų šaltinis pasaulyje.

Nuo 1996 m., kai buvo pradėtas komercinis GMR auginimas, iki 2007 m. bendras transgeniniais augalais užsėtas plotas išaugo nuo 1,7 mln. iki 114 mln. hektarų, o tai sudaro apie 9% viso pasaulio ariamo ploto. Be to, 99% šio ploto užima penkios kultūros: sojos pupelės, medvilnė, ryžiai, kukurūzai ir rapsai. Bendroje jų produkcijos apimtyje genetiškai modifikuotos veislės sudaro per 25 proc. Absoliutus GMR naudojimo lyderis yra JAV, kur jau 2002 metais 75% medvilnės ir sojos pupelių buvo transgeninės. Argentinoje transgeninių sojų pupelių dalis buvo 99%, Kanadoje tokiu būdu buvo išauginta 65% rapsų, o Kinijoje - 51% medvilnės. 2007 m. angliavandenilių auginimu užsiėmė 12 mln. ūkininkų, iš kurių 90 % gyvena besivystančiose šalyse. Rusijoje pramoninis angliavandenilių auginimas yra draudžiamas įstatymu.

Genetiškai modifikuoti gyvūnai

Genetikos inžinieriai naudoja panašią strategiją kurdami naujas gyvūnų veisles. Tokiu atveju į apvaisintą kiaušinėlį įvedamas genas, atsakingas už bet kokios vertingos savybės pasireiškimą, iš kurio toliau vystosi naujas organizmas. Pavyzdžiui, jei gyvūno genų rinkinys papildytas augimą skatinančio hormono genu, tai tokie gyvūnai greičiau augs suvartodami mažiau maisto. Rezultatas – pigesnė mėsa.

Gyvūnas gali būti ne tik mėsos ir pieno, bet ir šiame piene esančių vaistinių medžiagų šaltinis. Pavyzdžiui, vertingiausi žmogaus baltymai. Apie kai kuriuos iš jų jau kalbėjome. Dabar šį sąrašą galima papildyti laktoferinu – baltymu, apsaugančiu naujagimius nuo pavojingų mikroorganizmų, kol susiformuoja jų pačių imunitetas.

Moters organizmas šią medžiagą gamina su pirmosiomis motinos pieno porcijomis. Deja, ne visos motinos turi pieno, todėl žmogaus laktoferino turi būti dedama į mišinį, kad būtų išlaikyta naujagimių sveikata. Jei maiste pakanka apsauginių baltymų, tuomet dirbtinių kūdikių mirtingumas nuo įvairių virškinimo trakto infekcijų gali sumažėti dešimteriopai. Šis baltymas yra paklausus ne tik kūdikių maisto pramonėje, bet ir, pavyzdžiui, kosmetikos pramonėje.

Ožkos pieno gamybos su žmogaus laktoferinu technologija kuriama Rusijos mokslų akademijos Genų biologijos institute ir Baltarusijos nacionalinės gyvulininkystės mokslų akademijos moksliniame ir praktiniame centre. Šiais metais gimė pirmosios dvi transgeninės ožkos. Per kelerius metus trukusį tyrimą kiekvienam iš jų sukurti buvo išleista 25 milijonai rublių. Tereikia palaukti, kol jie užaugs, dauginsis ir pradės gaminti pieną su vertingais žmogaus baltymais.

Ląstelių inžinerija

Yra dar viena įdomi biotechnologijų sritis: ląstelių technologija. Žmogaus organizme gyvena ir dirba fantastiškos savo sugebėjimais kamieninės ląstelės. Jie pakeičia negyvas ląsteles (tarkime, eritrocitas, raudonasis kraujo kūnelis, gyvena tik 100 dienų), gydo mūsų lūžius ir žaizdas, atkuria pažeistus audinius.

Kamieninių ląstelių egzistavimą išpranašavo rusų hematologas iš Sankt Peterburgo Aleksandras Maksimovas dar 1909 m. Po kelių dešimtmečių jo teorinė prielaida buvo patvirtinta eksperimentiškai: buvo atrastos ir išskirtos kamieninės ląstelės. Tačiau tikrasis bumas prasidėjo XX amžiaus pabaigoje, kai eksperimentinių technologijų pažanga leido įžvelgti šių ląstelių potencialą.

Iki šiol medicinos pažanga, susijusi su kamieninių ląstelių naudojimu, buvo daugiau nei kukli. Mes žinome, kaip šias ląsteles izoliuoti, saugoti, padauginti ir eksperimentuoti su jomis. Tačiau mes vis dar iki galo nesuprantame jų magiškų virsmų mechanizmo, kai beveidė kamieninė ląstelė virsta kraujo ląstele ar raumenų audiniu. Mes dar iki galo nesupratome cheminės kalbos, kuria kamieninė ląstelė gauna nurodymą transformuotis. Šis nežinojimas kelia pavojų naudojant kamienines ląsteles ir trukdo aktyviai jas taikyti medicinos praktikoje. Tačiau yra pažanga gydant vyresnio amžiaus žmonių negyjančius lūžius, taip pat atkuriamąjį gydymą po širdies priepuolių ir širdies operacijų.

Rusijoje buvo sukurtas tinklainės nudegimų gydymo metodas, naudojant žmogaus smegenų kamienines ląsteles. Jei šios ląstelės patenka į akį, jos aktyviai judės į nudegimo vietą, nusėda pažeistos tinklainės išoriniame ir vidiniame sluoksniuose ir paskatins nudegimo gijimą. Metodą sukūrė Maskvos vardu pavadinto akių ligų tyrimo instituto mokslininkų grupė. G. Helmholtz Rusijos Federacijos Sveikatos apsaugos ministerija, Raidos biologijos institutas pavadintas. N.K.Koltsov RAS, Genų biologijos institutas RAS ir Rusijos medicinos mokslų akademijos Akušerijos, ginekologijos ir perinatologijos mokslinis centras.

Šiuo metu esame žinių apie kamienines ląsteles kaupimo stadijoje. Mokslininkų pastangos sutelktos į mokslinius tyrimus, infrastruktūros kūrimą, ypač kamieninių ląstelių bankus, iš kurių pirmasis Rusijoje buvo „Gemabank“. Organų auginimas, išsėtinės sklerozės ir neurodegeneracinių ligų gydymas – ateitis, nors ir ne tokia tolima.

Bioinformatika

Žinių ir informacijos kiekis auga kaip sniego gniūžtė. Suprasdami gyvų sistemų veikimo principus, suvokiame neįtikėtiną gyvosios medžiagos struktūros sudėtingumą, kurioje įvairios biocheminės reakcijos yra įmantriai susipynusios viena su kita ir sudaro sudėtingus tinklus. Išnarplioti šį gyvybės „voratinklį“ įmanoma tik naudojant šiuolaikinius matematinius metodus modeliuojant procesus gyvose sistemose.

Būtent todėl biologijos ir matematikos sankirtoje gimė nauja kryptis – bioinformatika, be kurios nebeįsivaizduojamas biotechnologų darbas. Žinoma, dauguma bioinformatinių metodų tinka medicinai, būtent naujų vaistinių junginių paieškai. Jų galima ieškoti remiantis žiniomis apie molekulės, atsakingos už konkrečios ligos vystymąsi, struktūrą. Jei tokia molekulė blokuojama kokia nors labai tiksliai parinkta medžiaga, tuomet ligos eiga gali būti sustabdyta. Bioinformatika leidžia atrasti blokuojančią molekulę, tinkamą klinikiniam naudojimui. Jei žinome taikinį, tarkime, „ligą sukeliančio“ baltymo struktūrą, tai naudodami kompiuterines programas galime imituoti cheminę vaisto struktūrą. Šis metodas leidžia žymiai sutaupyti laiko ir išteklių, skiriamų rūšiuojant ir išbandant dešimtis tūkstančių cheminių junginių.

Tarp narkotikų, naudojančių bioinformatiką, kūrimo lyderių Rusijoje yra bendrovė „Himrar“. Ieškodama galimų vaistų nuo vėžio, ji visų pirma dalyvauja daugelio tūkstančių cheminių junginių patikrinime. Tarp galingiausių Rusijos mokslo centrų, užsiimančių bioinformatika, taip pat yra Rusijos mokslų akademijos Sibiro filialo Citologijos ir genetikos institutas. Nuo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio Novosibirsko akademiniame mieste buvo suformuota unikali mokslinė mokykla, vienijanti biologus ir matematikus. Pagrindinė Novosibirsko bioinformatikų darbo sritis yra baltymų sąveikos ląstelės viduje analizė ir galimų molekulinių taikinių paieška naujiems vaistams.

Norint suprasti konkrečios ligos vystymosi mechanizmą, svarbu žinoti, kurie iš tūkstančių sergančioje ląstelėje veikiančių genų iš tikrųjų yra atsakingi už ligą. Šią visai nelengvą užduotį apsunkina tai, kad genai, kaip taisyklė, neveikia pavieniui, o tik kartu su kitais genais. Tačiau kaip galime atsižvelgti į kitų genų indėlį į konkrečią ligą? Ir čia gydytojams į pagalbą ateina bioinformatika. Naudojant matematinius algoritmus, galima sukurti žemėlapį, kuriame takų sankirtos rodo genų sąveikas. Tokie žemėlapiai atskleidžia genų grupes, veikiančias sergančioje ląstelėje skirtingose ​​ligos stadijose. Ši informacija itin svarbi, pavyzdžiui, pasirenkant vėžio gydymo strategiją, atsižvelgiant į ligos stadiją.

Pramoninė biotechnologija

Žmogus biotechnologijas naudojo nuo neatmenamų laikų. Žmonės iš pieno gamindavo sūrius, raugindavo kopūstus žiemai, iš visko, kas būdavo rauginta, ruošdavo linksmus gėrimus. Visa tai yra klasikiniai mikrobiologiniai procesai, kurių pagrindinė varomoji jėga yra mikroorganizmas, mažiausia gyva sistema.

Šiandien biotechnologijų sprendžiamų problemų spektras neįtikėtinai išsiplėtė. Jau kalbėjome apie genetinę ligų diagnostiką, naujas vakcinas ir vaistus, gautus naudojant biotechnologiją, genetiškai modifikuotus organizmus. Tačiau gyvenimas meta ir kitų iššūkių. Milžiniški chemijos gamybos įrenginiai, kuriuose gauname patogiai gyvenamajai aplinkai sukurti reikalingas medžiagas (pluoštas, plastikas, statybinės medžiagos ir daug daugiau), šiandien nebeatrodo tokie patrauklūs kaip prieš 60 metų. Jie sunaudoja daug energijos ir išteklių (aukštas slėgis, temperatūra, katalizatoriai iš tauriųjų metalų), teršia aplinką, užima brangią žemę. Ar biotechnologai gali pasiūlyti čia pakaitalą?

Taip, jie gali. Pavyzdžiui, genetiškai modifikuoti mikroorganizmai, kurie veikia kaip veiksmingi pramoninių cheminių procesų katalizatoriai. Tokie biokatalizatoriai buvo sukurti Visos Rusijos genetikos ir mikroorganizmų atrankos institute, pavyzdžiui, pavojingam ir nešvariam toksiškos medžiagos akrilamido gamybos etapui. Jis naudojamas polimerui gaminti poliakrilamido, naudojamas vandens valymui, sauskelnių gamyboje ir dengto popieriaus gamyboje bei daugeliui kitų tikslų. Biokatalizatorius leidžia cheminės reakcijos metu sukurti monomerą kambario temperatūroje, nenaudojant agresyvių reagentų ir aukšto slėgio.

Biokatalizatorius buvo pradėtas naudoti pramonėje Rusijoje ZAO Bioamid (Saratov) mokslinės komandos, vadovaujamos Sergejaus Voronino, pastangomis. Ta pati komanda sukūrė asparto rūgšties gamybos biotechnologiją ir sukūrė importą pakeičiantį širdies vaistą Asparkam L. Vaistas jau pateko į Rusijos ir Baltarusijos rinką. Rusijos vaistas yra ne tik pigesnis už importuotus analogus, bet, pasak gydytojų, yra ir veiksmingesnis. Faktas yra tas, kad Asparkam L sudėtyje yra tik vienas optinis rūgšties izomeras, turintis gydomąjį poveikį. Vakarietiškas analogas pananginas yra pagrįstas dviejų optinių izomerų L ir D mišiniu, iš kurių antrasis tiesiog tarnauja kaip balastas. „Bioamida“ komandos atradimas yra tas, kad jie sugebėjo atskirti šiuos du sunkiai atskiriamus izomerus ir pritaikyti procesą pramoniniu pagrindu.

Gali būti, kad ateityje milžiniškos chemijos gamyklos visai išnyks, o vietoje jų atsiras nedideli, saugūs, aplinkai nekenkiantys cechai, kuriuose dirbs mikroorganizmai, gaminantys visus reikalingus tarpinius produktus įvairioms pramonės šakoms. Be to, mažos žaliosios gamyklos, ar tai būtų mikroorganizmai, ar augalai, leidžia gauti naudingų medžiagų, kurių neįmanoma pagaminti cheminiame reaktoriuje. Pavyzdžiui, voro šilko baltymai. Tinklelių, kuriuos voras audžia savo aukoms, rėmo siūlai yra kelis kartus labiau tempiami nei plieniniai. Atrodytų, dirbtuvėse sodinate vorus ir traukiate iš jų baltyminius siūlus. Tačiau vorai negyvena tame pačiame stiklainyje – jie valgys vienas kitą.

Gražų sprendimą rado mokslininkų komanda, kuriai vadovavo biologijos mokslų daktaras Vladimiras Bogush (Valstybinis genetikos ir mikroorganizmų selekcijos institutas) ir biologijos mokslų daktarė Eleonora Piruzyan (Rusijos mokslų akademijos Bendrosios genetikos institutas). Pirma, iš voro genomo buvo išskirti genai, atsakingi už voro šilko baltymų sintezę. Tada šie genai buvo įterpti į mielių ir tabako ląsteles. Abu jie pradėjo gaminti mums reikalingus baltymus. Dėl to sukurtas pagrindas unikalios ir beveik natūralios konstrukcinės medžiagos, lengvos ir itin patvarios, gamybos technologijai, iš kurios galima pagaminti virves, šarvus ir daug daugiau.

Yra ir kitų problemų. Pavyzdžiui, didžiulis atliekų kiekis. Biotechnologijos leidžia atliekas paversti pajamomis. Šalutiniai žemės ūkio, miškininkystės ir maisto perdirbimo produktai gali būti paverčiami metanu – biodujomis, tinkamomis šildymui ir energijai. Arba galite naudoti metanolį ir etanolį – pagrindinius biokuro komponentus.

Biotechnologijų pramoniniai pritaikymai aktyviai dalyvauja Maskvos valstybinio universiteto Chemijos fakultete. M.V. Lomonosovas. Ją sudaro kelios laboratorijos, vykdančios įvairius projektus – nuo ​​pramoninių biojutklių kūrimo iki smulkiajai organinei sintezei skirtų fermentų gamybos, nuo pramoninių atliekų perdirbimo technologijų iki biokuro gamybos metodų kūrimo.

Mokslas, verslas, valdžia

Pasiekta sėkmė yra bendrų biologų, chemikų, gydytojų ir kitų specialistų, dirbančių gyvųjų sistemų erdvėje, pastangų rezultatas. Santykiai tarp skirtingų disciplinų pasirodė vaisingi. Žinoma, biotechnologijos nėra panacėja sprendžiant globalias problemas, o įrankis, kuris žada dideles perspektyvas, jei bus tinkamai naudojamas.

Šiandien bendra biotechnologijų rinkos apimtis pasaulyje siekia 8 trln. dolerių. Biotechnologijos taip pat pirmauja pagal mokslinių tyrimų ir plėtros finansavimą: vien JAV vyriausybinės agentūros ir privačios įmonės šiems tikslams kasmet išleidžia daugiau nei 30 mlrd.

Investicijos į mokslą ir technologijas galiausiai duos ekonominės naudos. Tačiau vien biotechnologijos neišspręs sudėtingų sveikatos ar maisto problemų. Turi būti sukurta palanki sveikatos priežiūros infrastruktūra ir pramonės struktūra, kuri garantuotų prieigą prie naujų diagnostikos metodų, vakcinų ir vaistų bei patobulintų savybių turinčių augalų. Čia itin svarbi ir efektyvi mokslo ir verslo komunikacijos sistema. Galiausiai, būtina sąlyga kuriant efektyvų inovatyvų ūkio sektorių yra mokslo ir komercinių struktūrų sąveika su valstybe.

Pagalba STRF.ru
2008 m. buvo pateiktos 939 paraiškos temų plėtrai „Gyvųjų sistemų“ kryptimi (palyginimui: iš viso programoje – 3180),
– konkursui pateiktos 396 paraiškos (iš viso 1597),
– surengtos 179 varžybos (iš viso 731)
– konkursuose dalyvavo organizacijos iš 23 skyrių (iš viso 36), iš jų laimėjo 17
– sudarytos 179 sutartys (iš viso 731)
– 120 sutarčių tęsiasi iki šiol (iš viso 630)
– 346 organizacijos (iš viso 842) atsiuntė paraiškas temų apie gyvąsias sistemas plėtrai
– Konkursui paraiškas kaip pagrindines paraiškas pateikė 254 organizacijos (iš viso 806).
– Konkursui paraiškas bendrai vykdytojais pateikė 190 organizacijų (iš viso 636)
– vidutinė sklypų konkurencija kryptimi yra 2 212 (programos vidurkis – 2 185)
– 2008 metų sutarties biudžetas siekė 1041,2 mln. (21,74 proc. viso programos biudžeto)

Augimo dinamika ir finansavimo paskirstymas gyvųjų sistemų srityje pagal federalinę tikslinę mokslinę ir techninę programą 2002–2006 m. ir federalinę tikslinę programą 2007–2012 m.
2005 – 303 sutartys, 1168,7 mln. (100 %)
2006 – 289 sutartys, 1227,0 mln. rublių. (105 %)
2007 – 284 sutartys, 2657,9 mln. rublių. (227 %)
2008 - 299 sutartys, 3242,6 milijono rublių. (277 %)

Fizinių ir matematikos mokslų daktaras Aleksandras Pechenas portalui Lenta.ru apibūdino perspektyviausias fizikos ir susijusių mokslų sritis, remdamasis didžiausio jaunųjų mokslininkų apdovanojimo – Nacionalinio Blavatniko apdovanojimo – rezultatais. Dabar Pechenas yra pagrindinis V.A. Matematikos instituto tyrėjas ir mokslinis sekretorius. Steklovo Rusijos mokslų akademijoje, įgijo išsilavinimą Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakultete, dirbo Prinstono universitete ir tapo vienu pirmųjų rusų, gavusių Blavatniko premiją 2009 m.

Pagrindinė tema

Nuotrauka: Jens Kalaene / ZB / Global Look

Fotonika tyrinėja šviesos panaudojimo galimybes informacijai perduoti, saugoti, apdoroti, valdyti mikroobjektus (ląsteles, makromolekules) ir kvantines sistemas (atskirus atomus). Fotonika pagrįstos technologijos gali pagreitinti arba padaryti informacijos perdavimą, saugojimą ir apdorojimą energijos vartojimo efektyvumo požiūriu. Tai svarbu, pavyzdžiui, duomenų centrams, kurie dabar yra didžiausi JAV energijos vartotojai. Moduliuota šviesa ir dirbtinai sukurtos ypatingų gamtoje neaptinkamų optinių savybių medžiagos yra lazerio ir fotochemijos pagrindas, taip pat tokie įdomūs dalykai kaip „nematomumo apsiaustai“ ir optiniai pincetai.

Fotonikos praktiniai pritaikymai

Nuotrauka: Tachi laboratorija, Tokijo universitetas

Metamedžiagos – tai nauja dirbtinių medžiagų klasė, pasižyminti ypatingomis optinėmis savybėmis, kurios leidžia paslėpti objektus ir padaryti juos nematomus. Teoriškai tokias medžiagas pirmasis ištyrė sovietų fizikas Viktoras Veselago.

Šiuo metu vyksta aktyvus tokių medžiagų kūrimas. Pavyzdžiui, 2009 m. fizikai atrado nematomus infraraudonųjų spindulių kilimus.

Optiniai pincetai yra įrankis, leidžiantis manipuliuoti mikroskopiniais objektais naudojant lazerio šviesą, pavyzdžiui, rūšiuoti ir perkelti atskiras ląsteles ir baltymų molekules.

Rusijos kilmės amerikiečių milijardieriaus Leonido Blavatniko įsteigtas prizas įteikiamas JAV dirbantiems mokslininkams iki 42 metų amžiaus. Suma – 250 tūkstančių dolerių – leidžia ją laikyti savotišku Nobelio premijos jauniesiems mokslininkams analogu. Šių metų laureatai buvo pagerbti JAV, surengtas simpoziumas, skirtas perspektyviausioms šių laikų mokslo kryptims.

Nominantai

Premija teikiama trijose kategorijose: „gyvybės mokslai“ (biologija, medicina, neurobiologija ir kt.), „Fiziniai ir inžineriniai mokslai“, „chemija“. 2015 metais buvo pasiūlyta beveik 300 nominantų iš 147 Amerikos institucijų ir universitetų. Kiekvienai disciplinai buvo atrinkta maždaug po dešimt finalininkų. Tada iš kiekvienos finalininkų grupės buvo atrinktas vienas laureatas. Visi trys šių metų apdovanotieji yra iš Kalifornijos universiteto: Edwardas Changas (San Francisko universitetas, gyvybės mokslai), Syedas Jafaras (Irvino universitetas, fiziniai mokslai) ir Christopheris Changas (Berklio universitetas, chemija).

Dabar fotonikoje formuojamas naujas požiūris į kvantinių sistemų, ty atskirų atomų ar molekulių, valdymą. (Tai yra pagrindinė Aleksandro Pecheno mokslinių darbų tema - apytiksliai „Tapes.ru“). Tradiciškai dalelės valdomos naudojant kintamo spinduliavimo intensyvumo lazerį. Nauji metodai tam naudoja aplinką. Tradicinėse sistemose jo įtaka beveik niekada nepanaikinama, o atominėms ir molekulinėms kvantinėms sistemoms jis daro destruktyvų poveikį. Tačiau dabar šioms sistemoms valdyti atsižvelgiama ir į išorinės aplinkos įtaką.

Kvantinės sistemos valdymas naudojamas kontroliuojant cheminių reakcijų greitį naudojant lazerius, siekiant padidinti norimo reakcijos produkto išeigą ir selektyviai nutraukti cheminius ryšius sudėtingose ​​molekulėse, izotopų atskyrimą naudojant lazerius arba nenuoseklią optinę spinduliuotę. Kvantinis valdymas naudojamas tiek kvantinėje kompiuterijoje, kuri dar tik tiriama, tiek praktikoje – magnetinio rezonanso skenerių greičiui didinti.

Kvantiniai simuliatoriai ir naujos medžiagos

Kvantinės medžiagos gali būti naudojamos kvantinės atminties įrenginiuose, kuriant aukštos temperatūros superlaidumą, kvantiniais taškais pagrįstą biodiagnostiką ir superkondensatorius, pagrįstus lazeriu sukeltu grafenu.

Norint imituoti biologines molekules, kristalus, atomų branduolius ir kitas sudėtingas sistemas, reikia apskaičiuoti daugybės dalelių kvantinę dinamiką, kuri yra visiškai neprieinama šiuolaikiniams skaičiavimo įrenginiams. Kvantiniai treniruokliai yra modeliuojamos kvantinės sistemos, kurių parametrus galima koreguoti, kad būtų galima imituoti kitas sudėtingas praktinio intereso sistemas. Tiesą sakant, kvantiniai treniruokliai yra analoginiai kvantiniai kompiuteriai.

Medicina ir biotechnologijos

Nuotrauka: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

Gyvybės mokslų srityje mokslininkai daugiau dėmesio skiria telemedicinos plėtrai – telekomunikacijų technologijų, tokių kaip išmanieji telefonai, naudojimas kartu su įvairiais medicininiais jutikliais ligų diagnostikai nuotoliniu būdu be asmeninio vizito pas gydytoją. Būtent ši kryptis buvo labiausiai pastebima tarp mokslo raidos komercializavimo pavyzdžių.

Tačiau viena iš perspektyvių neurologijos sričių yra optogenetika, tirianti neuronų valdymą naudojant šviesos impulsus. Šviesolaidinių šviesos kreiptuvų ir šviesai jautrių baltymų naudojimas leidžia pasiekti didelio tikslumo poveikį nervų ląstelėms. Specialiai suaktyvindama ir išjungdama įvairias smegenų sritis, optogenetika pastaraisiais metais pakeitė nervų sistemos tyrimus.

Matematinė fizika

Šiuolaikiniai teoriniai modeliai reikalauja sudėtingo matematinio aparato. Nors Nobelio premija šioje disciplinoje nėra teikiama, yra ir mažiau žinomų, taip pat nominacijų giminingose ​​srityse. Pavyzdžiui, Clementas Hongleris 2014 m. laimėjo regioninę Blavatniko premiją. Pastebėtina, kad daktaro laipsnį jis gavo vadovaujamas rusų matematiko ir Fieldso medalio laureato Stanislavo Smirnovo. Hongleris pranešė apie naujus tikslius Ising modelio, matematinio modelio, naudojamo medžiagų įmagnetinimo procesui apibūdinti, rezultatus. Ising modelis taip pat naudojamas kaip D-Wave, didžiausio iki šiol kvantinio skaičiavimo įrenginio, kurį gamina D-Wave Systems, pagrindas. Aš padarysiu išlygą, kad diskusijos tęstųsi apie tai, kokiu mastu šie kompiuteriai turėtų būti laikomi kvantiniais.

Honglerio darbas yra statistinės mechanikos, tikimybių teorijos, sudėtingos analizės ir kvantinio lauko teorijos sankirtoje. Jis ir jo bendraautoriai gavo griežtų Ising modelio tyrimo rezultatų, įskaitant tokią svarbią sritį kaip ryšio tarp kritinio Ising modelio ir Belavin, Polyakovo ir Zamolodčikovo konformalaus lauko teorijos – universalios teorijos, kuri tarnauja apibūdinti įvairius kritinius fizikos reiškinius, tai yra situacijas, kai nežymus kurio nors parametro pokytis, pavyzdžiui, temperatūra, lemia radikaliausius fizikinės sistemos elgsenos pokyčius.

Taip pat įdomios sritys, susijusios su klajojančiomis planetomis, nesusijusiomis su jokia žvaigžde, ir naujų stebėjimo prietaisų kūrimu, kurie netrukus bus pradėti eksploatuoti, norint ieškoti ir tirti planetas už Saulės sistemos ribų. Jie padės žymiai išplėsti mūsų žinias apie tokias planetas, ištirti jų atmosferų cheminę sudėtį, nustatyti organinių medžiagų buvimą ir ieškoti ten gyvybės.

Tyrimų komercializavimas

Dabartinė tendencija – mokslo atradimų komercializavimas. Minėtam apdovanojimui skirtame renginyje apdovanojimų laureatai įkūrė beveik dvi dešimtis medicinos diagnostikos, energijos kaupimo, duomenų analizės srities įmonių. Taip pat kuriamas Harvardo Blavatnik biomedicinos greitintuvas.

Šiuolaikinio mokslo lygis leidžia palyginti greitai pereiti nuo fundamentinių tyrimų prie taikomųjų tyrimų, o vėliau mokslo atradimus pritaikyti komerciniams produktams.

Mokslai neatsiranda savaime, ne todėl, kad kažkas juos sugalvoja tiesiog „iš susidomėjimo“. Bet koks mokslas atsiranda dėl to, kad žmonija turi išspręsti tam tikras problemas, iškilusias jo vystymosi procese. Biologija nėra išimtis, ji taip pat atsirado sprendžiant žmonėms labai svarbias problemas. Vienas iš jų visada buvo gilesnis gyvojoje gamtoje vykstančių procesų, susijusių su maisto produktų gamyba, supratimas, t.y. augalų ir gyvūnų gyvenimo ypatybių, jų pokyčių žmogaus įtakoje pažinimas, būdai gauti patikimą ir vis gausesnis derlius. Šios problemos sprendimas yra viena iš pagrindinių biologijos vystymosi priežasčių.

Kitas, ne mažiau svarbus „pavasaris“ – žmogaus biologinių savybių tyrimas. Žmogus yra gyvosios gamtos vystymosi produktas. Visi mūsų gyvenimo procesai yra panašūs į vykstančius gamtoje. Ir todėl tik gilus biologinių procesų supratimas yra mokslinis medicinos pagrindas. Sąmonės atsiradimas, reiškiantis milžinišką žingsnį į priekį materijos savęs pažinime, taip pat negali būti suprantamas be gilių gyvosios gamtos tyrimų bent dviem kryptimis – smegenų, kaip mąstymo organo, atsiradimo ir vystymosi (mįslė). mąstymo vis dar neišspręstas) ir socialumo atsiradimą, visuomenės įvaizdžio gyvenimą.

Didėjanti maisto gamyba ir medicinos plėtra yra svarbios, bet ne vienintelės problemos, tūkstančius metų lėmusios biologijos, kaip mokslo, raidą. Laukinė gamta yra daugelio žmonijai reikalingų medžiagų ir produktų šaltinis. Norint teisingai jas naudoti, reikia žinoti jų savybes, žinoti, kur jų ieškoti gamtoje ir kaip gauti. Daugeliu atžvilgių pradinis tokių žinių šaltinis yra biologija. Tačiau tai neišsemia biologijos mokslų svarbos.

XX amžiuje Žemės gyventojų skaičius taip išaugo, kad žmonių visuomenės raida tapo lemiamu Žemės biosferos vystymosi veiksniu. Jau dabar tapo aišku, kad gyvoji gamta yra ne tik maisto ir daugelio reikalingų produktų bei medžiagų šaltinis, bet ir būtina pačios žmonijos egzistavimo sąlyga. Mūsų ryšiai su ja buvo daug glaudesni ir gyvybingesni, nei jie manė XX amžiaus pradžioje.

Pavyzdžiui, oras atrodė toks pat neišsenkantis ir nuolatinis gamtos išteklius, kaip, tarkime, saulės šviesa. Tiesą sakant, tai netiesa. Kokybinė atmosferos sudėtis, prie kurios esame įpratę, su 20,95% deguonies ir 0,03% anglies dioksido, yra gyvų būtybių veiklos darinys: augalų kvėpavimas ir fotosintezė, negyvų organinių medžiagų oksidacija. Deguonis ore atsiranda tik dėl augalų gyvenimo. Pagrindinės deguonies gamyklos Žemėje yra atogrąžų miškai ir vandenyno dumbliai. Tačiau šiandien, kaip rodo stebėjimai, anglies dioksido kiekis Žemės atmosferoje nuolat didėja, nes deginant naftą, dujas, anglį, medieną ir kitus antropogeninius procesus išsiskiria didžiulis anglies kiekis. Nuo 1958 iki 1980 metų anglies dvideginio kiekis Žemės atmosferoje padidėjo 4 proc. Iki amžiaus pabaigos jo kiekis gali padidėti daugiau nei 10%. 70-aisiais XX amžiuje deguonies kiekis, patenkantis į atmosferą dėl augalų veiklos, buvo įvertintas t/metus, o žmonijos metinis suvartojimas – t/metus. Tai reiškia, kad mes jau gyvename iš deguonies atsargų, sukauptų praeityje, per milijonus metų gyvų būtybių evoliucijos planetoje.

Vandenį, kurį geriame, o tiksliau šio vandens grynumą, jo kokybę taip pat pirmiausia lemia gyvoji gamta. Mūsų valymo įrenginiai tik užbaigia didžiulį, mums nematomą, gamtoje vykstantį procesą: vanduo dirvožemyje ar rezervuare ne kartą pereina begalės bestuburių kūnus, yra jų filtruojamas ir, išvalytas nuo organinių ir neorganinių priemaišų, tampa toks pat. kaip žinome upėse, ežeruose ir šaltiniuose.

Taigi kokybinė oro ir vandens sudėtis Žemėje priklauso nuo gyvų organizmų gyvybinės veiklos. Reikia pridurti, kad dirvožemio derlingumas – derliaus pagrindas – yra dirvožemyje gyvenančių gyvų organizmų gyvybinės veiklos rezultatas: didžiulis kiekis bakterijų, bestuburių, dumblių.

Žmonija negali egzistuoti be gyvosios gamtos. Taigi mums gyvybiškai svarbu išlaikyti jį „darbinėje būsenoje“.

Deja, tai padaryti nėra taip paprasta. Žmonėms tyrinėjant visą planetos paviršių, vystantis žemės ūkiui, pramonei, naikinant miškus, užteršant žemynus ir vandenynus, nuo Žemės paviršiaus nyksta vis daugiau augalų, grybų ir gyvūnų rūšių. Išnykusios rūšies atkurti negalima. Tai milijonus metų trukusios evoliucijos produktas ir turi unikalų genofondą – unikalų paveldimos informacijos kodą, lemiantį unikalias kiekvienos rūšies savybes. Kai kuriais skaičiavimais, 80-ųjų pradžioje. Pasaulyje vidutiniškai kasdien sunaikinama viena gyvūnų rūšis, iki 2000 metų šis rodiklis gali išaugti iki vienos rūšies per valandą. Mūsų šalyje viena stuburinių gyvūnų rūšis išnyksta vidutiniškai kas 3,5 metų. Kaip galime pakeisti šią tendenciją ir grįžti į evoliuciškai pagrįstą kelią nuolat didinti bendrą „gyvybės sumą“, o ne ją mažinti? Ši problema rūpi visai žmonijai, tačiau be biologų darbo jos išspręsti neįmanoma.

Vaizdžiai tariant, šiuolaikinė biologija yra didžiulis, kelių aukštų pastatas, kuriame yra tūkstančiai „kambarių“ - krypčių, disciplinų, ištisų nepriklausomų mokslų. Vien jų sąrašas gali užtrukti dešimtis puslapių.

Biologijos pastate yra tarsi keturi pagrindiniai „aukštai“, atitinkantys pagrindinius gyvosios medžiagos organizavimo lygius. Pirmasis „aukštas“ yra molekulinis genetinis. Gyvų tyrinėjimo objektas čia yra paveldimos informacijos vienetai (genai), jų pokyčiai – mutacijos ir pats paveldimos informacijos perdavimo procesas. Antrasis „aukštas“ yra ontogenetinis, arba individualaus išsivystymo lygis. Įvykiai šiose „grinduose“ vis dar mažiausiai tyrinėjami biologijoje. Čia vyksta paslaptingas procesas, nulemsiantis, kad tinkamoje vietoje, tinkamu laiku atsiranda tai, kas turėtų atsirasti normaliai vystantis kiekvienam individui – gyvūno koja ar akis, augale – lapas ar žievė. Kitas „aukštas“ yra populiacijos-rūšies lygis. Elementarieji šio lygmens vienetai yra populiacijos, t.y. santykinai mažos, seniai egzistuojančios tos pačios rūšies individų grupės, kurių viduje vyksta paveldima informacijos mainai. Elementarūs reiškiniai čia yra negrįžtami populiacijų genotipinės sudėties pokyčiai ir galiausiai skirtingų adaptacijų bei naujų rūšių atsiradimas. Paskutiniame, ketvirtame „aukšte“, procesai vyksta įvairaus masto ekologinėse sistemose – sudėtingose ​​daugelio rūšių bendrijose iki biosferos procesų visumos. Šių bendruomenių elementarios struktūros yra biogeocenozės, o elementarieji reiškiniai yra biogeocenozės perėjimas iš vienos dinaminės pusiausvyros būsenos į kitą, o tai galiausiai lemia visos biosferos pokyčius. Kiekvienas lygis turi savo dėsnius, tačiau kiekviename iš jų vykstantys įvykiai yra glaudžiai susiję su įvykiais kituose lygmenyse.

Pastaraisiais dešimtmečiais molekulinė biologija šiek tiek pažengė į priekį (kalbant apie šioje srityje dirbančių mokslininkų skaičių ir įvairiose šalyse skiriamas lėšas šiai mokslinių tyrimų sričiai plėtoti). Gauta puikių rezultatų – nuo ​​grynai teorinių (genetinio kodo iššifravimas ir pirmųjų dirbtinių genų sintezė) iki praktinių (pavyzdžiui, genų inžinerijos kūrimas). Šiuo metu pradeda sparčiai vystytis populiacijos biologija, kuri leis sėkmingai išspręsti daugelį šiuolaikinių problemų, susijusių su maisto produktų, reikalingų augančiai žmonių populiacijai, gamybos didinimu, sparčiai nykstančių gyvų organizmų rūšių išsaugojimu, nemažai problemų, susijusių su gyvūnų augimu. grandiozinė užduotis pereiti prie vis didesnės ir didesnės populiacijos evoliucinio vystymosi valdymo.daugiau tipų. Intensyvi biosferos tyrimų „grindų“ plėtra nėra toli.

Nereikėtų manyti, kad klasikinių sričių – zoologijos, botanikos, morfologijos, fiziologijos, sistematikos ir kitų – biologai jau viską padarė. Čia dar reikia daug padirbėti. Ar žinojote, kad moksliškai aprašyta mažiau nei pusė mūsų planetoje gyvenančių organizmų (pateikiami tikslūs aprašymai ir mokslinis pavadinimas) – tik apie 4,5 milijono rūšių, o kai kuriais skaičiavimais, ne daugiau kaip trečdalis ar net ketvirtadalis jų? Net mūsų šalyje, esančioje daugiausia vidutinio klimato juostoje, neišsiskiriančioje organinių formų įvairove, mokslininkai kasmet atranda dešimtis naujų rūšių (daugiausia bestuburių).

Argi ne žavūs paleontologų tyrimai, kurie pasitelkdami išsklaidytas iškastinių organizmų liekanas atkuria seniai išnykusių gyvūnų išvaizdą, atkuria praeities epochų prigimtį ir išsiaiškina organinio pasaulio raidos būdus?

Ir čia tyrinėtojų laukia įdomiausi radiniai. Kaip sensacinga buvo, pavyzdžiui, seniausių ikibranduolinių fosilijų atradimas daugiau nei 3 milijardų metų senumo uolienose! Tai reiškia, kad gyvybė Žemėje egzistavo jau tada. Ne mažiau žavūs ir kupini atradimų genetikų, zoologų, botanikų, biochemikų, fiziologų ir kt.

Mūsų, žmonių, Žemėje daugėja, ir mes norime gyventi vis geriau. Todėl visuomenės vystymuisi reikia vis daugiau žaliavų ir produktų įvairovės. Dėl to kyla didžiulis uždavinys suaktyvinti visą šalies ūkį, įskaitant tas šakas, kurios yra susijusios su biologija, pirmiausia žemės ūkį, miškininkystę, medžioklę ir žvejybą. Bet ne tik šios pramonės šakos. Pavyzdžiui, mūsų šalyje sukurta ir sėkmingai vystosi mikrobiologinė pramonė – didžiulė šalies ūkio šaka, tiekianti maisto ir pašarų produktus (gyvuliams ir paukščiams, auginamoms žuvims ir kt.), naujausius vaistus ir vaistus, ir netgi padeda išgauti įvairius mineralus. Pradėjo ir jau duoda pirmuosius vaisius dar viena biologinė šalies ūkio šaka – biotechnologijos, paremtos fizikinės-cheminės (molekulinės) biologijos atrastų procesų ir struktūrų panaudojimu kuriant žmonijai reikalingas medžiagas ir produktus. Svarbiausių biologijos mokslų sričių raida, praktinio ryšio su medicina ir žemės ūkiu plėtra aptariama „SSRS ekonominės ir socialinės raidos pagrindinėse kryptyse 1986-1990 m. ir laikotarpiui iki 2000 m.“, priimtoje 2000 m. SSKP XXVII suvažiavimas.

Intensyvinimas reiškia ir gamtos išteklių taupymą bei jų tausojimą besivystančios visuomenės labui. Nepaprasta gyvųjų gamtos išteklių savybė yra jų atsinaujinimas, jų gebėjimas atkurti gyviems organizmams dauginantis. Todėl intensyvinant gyvųjų gamtos išteklių naudojimą galima ir būtina užtikrinti, kad jie mums tarnautų neribotą laiką. Tai galima padaryti organizuojant realų ūkinį, ekonomišką gyvųjų gamtos jėgų naudojimą ir priežiūrą. Daugelis mokslininkų dirba siekdami išspręsti šias problemas. Visiems šiems klausimams partija ir vyriausybė skiria didelį dėmesį. TSKP programoje (nauja redakcija) rašoma: „Partija mano, kad būtina stiprinti aplinkos tvarkymo kontrolę ir plačiau plėsti gyventojų aplinkosauginį švietimą“.

Kilus idėjai sukurti šią knygą, viena iš pagrindinių užduočių, iškeltų autorių komandai, buvo kalbėti apie svarbias ir įdomias šiuolaikinės biologijos ypatybes, apie tai, kas jau pasiekta įvairiose jos srityse ir kokios neišspręstos problemos biologams. veidas. Norėjome, nekartodami vadovėlio, o pasiremdami mokyklinėje biologijos programoje suteiktomis žiniomis, parodyti, ką biologai dirba laboratorijose ir ekspedicijose. Žodyne taip pat gausu rašinių apie iškilius mūsų šalies ir kitų šalių biologus. Mūsų pirmtakų moksle dėka turime žinių, kurias turime šiandien.

Keletas žodžių apie tai, kaip skaityti šią knygą. Tekste dažnai rasite žodžius kursyvu. Tai reiškia, kad apie šią sąvoką žodyne yra specialus straipsnis. Knygos pabaigoje esanti abėcėlinė rodyklė padės naršyti žodyno turinį. Būtinai peržiūrėkite rekomenduojamos skaitymo medžiagos sąrašą.

Tikimės, kad „Jaunojo biologo enciklopedinis žodynas“ padės sužinoti daug naujo ir įdomaus apie gyvąją gamtą, rasti atsakymus į rūpimus klausimus, pažadins ir ugdys domėjimąsi nuostabiu gyvų būtybių mokslu – biologija.