Ответы на задания заочного тура Третьей региональной олимпиады по биологии 2012 г

Ответы на задания заочного тура

Третьей региональной олимпиады по биологии 2012 г.

МКОУ Семёно-Александровская СОШ

Бобровский район Воронежской области

Команда:

Фёдорова Светлана, 9 класс

Савина Алёна, 8 класс

Учитель биологии:

Задание 1. Для некоторых растений характерна вивипария. Что это такое? С чем связано ее появление в растительном мире? Приведите конкретные примеры.

Одним из важнейших направлений современной биологии является изучение эмбриологических и молекулярных основ репродукции растений. Особое место в системе репродукции растений занимает живорождение или вивипария (лат. vivus - живой, pario - рожать).

Способность организма к живорождению нашла отражение в названиях видов растений - Festuca ovina vivipara (Овсяница овечья), Polygonum viviparum (Горец живородящий), Eriogonum viviparum (Эриогонум живородящий), Remusatia vivipara (Ремузатия живородящая) и др.

Вивипария у растений - способ воспроизведения потомства, при котором из зародыша в семени либо из выводковой почки образуются проростки на материнском организме без периода покоя.

В настоящее время вивипария обнаружена у 281 вида цветковых растений (Nymphaeaceae (Нимфейные или Кувшинковые), Ranunculaceae (Лютиковые), Orchidaceae (Орхидные), Poaceae (Злаки)). Также известно 197 видов живородящих папоротников. Первый обзор живородящих растений был сделан А. Брауном в 1859 году.

Вивипария бывает генеративная (мейоз и оплодотворение) и вегетативная (без мейоза и оплодотворения).

Генеративная вивипария осуществляется на базе генеративной диаспоры, содержащей половой зародыш, который прорастает на материнском растении (Диаспорой называется часть растения (или целое растение) различно морфологической природы, естественно отделяющаяся от материнского организма). При этом образовавшийся проросток либо освобождается от плодовых оболочек, либо остаётся в них.

Вегетативная вивипария осуществляется на базе вегетативной диаспоры, возникшей без участия полового процесса. При систематизации явления вивипарии учитывается также место формирования вегетативных диаспор на растении:

а) соцветие - инфлоральная вивипария;

б) лист - фолиарная;

в) стебель - каулигенная;

г) корень - ризогенная.

К вегетативной вивипарии следует относить также формирование проростков в результате метаморфоза пестика.

Под полувивипарией понимается образование и прорастание вегетативных диаспор в соцветии при наличии в нем нормальных цветков, а также формирование растением двух видов соцветий (только с вегетативными диаспорами и только с цветками). Как генеративная вивипария, так и вегетативная могут иметь облигатную и факультативную форму.

При нормальном развитии семени фаза созревания включает синтез запасных питательных веществ, прекращение роста зародыша и развитие устойчивости к высыханию. Как стало известно, ключевым регулятором генной экспрессии в позднем эмбриогенезе является абсцизовая кислота, которая опосредует ответы на различные экстремальные воздействия. Изменение в синтезе и чувствительности к абсцизовой кислоте может быть одной из причин, приводящих к вивипарии.

Потенциальная способность к вивипарии универсальна для цветковых растений: они имеют такой генетический признак, как автономность зародыша. Это свойство зародыша, характеризующее его способность к саморегуляции и независимому от материнского организма развитию.

Явление вивипарии наблюдается у растений в различных экологических условиях. Так, облигатная генеративная вивипария характерна для растительности мангровых (Bruguiera (Бругиера), Ceriops (Цериопс), Kandelia (Канделия), Rhizophora (Ризофора)). Эта особенность наряду с другими приспособлениями явилась адаптацией к жизни в условиях периодического затопления и высокого засоления. Прорастание семени на материнском растении способствует формированию солеустойчивого и способного к быстрому укоренению проростка. Выдвинуто предположение, что вивипария у мангровых возникла в результате задерживающего влияния хлор-иона на опадение плодов в сочетании с отсутствием периода покоя в образовавшемся семени.

Обитатель мангровых лесов ризофора (Rhizophora mucronata): 1 — ветка с цветками, плодами и проростками; 2 — продольный разрез плода, в котором начал формироваться проросток; 3 — отделение проростка от материнского растения: а — околоплодник; б — семядоли; в — подсемядольное колено; г — почечка проростка.

Генеративная вивипария установлена также у представителей других семейств, входящих в фитоценоз мангр: Avicenia (Авицения), Nypa (Пальма мангровая), Amphibolis (Амфиболис), Aegiceras (Эгицерас), Pelliciera (Пеллициера), Aegialitis (Эгиалитус).

К факультативной генеративной вивипарии следует отнести случаи преждевременного прорастания зародышей в зерновках хлебных злаков и в плодах яблони, некоторых тыквенных и бобовых. Данный тип вивипарии может вызываться стрессовым воздействием, например резким изменением влажности и температуры.

Способность растения к генеративной вивипарии выступает одним из резервов системы репродукции. При изменении внешних условий какая-то часть семян способна дать жизнеспособные проростки.

Причины возникновения вегетативной вивипарии:

- считается, что живородящие формы злаков - это спонтанно возникшие мутации;

- выдвинута гипотеза о гибридном происхождении живородящих растений;

- некоторые ученые связывают живорождение с полиплоидией;

- определенный световой режим, температура и влажность также предрасполагают растения к вивипарии.

Живородящие растения, для которых характерна вегетативная вивипария, произрастают главным образом в полярных, высокогорных и пустынных районах. Эти растения имеют в своем распоряжении очень короткий период, когда условия благоприятны для того, чтобы оставить потомство. В ряде случаев образование семян затруднено или невозможно вследствие отсутствия опылителей, нарушений в развитии мужского и женского гаметофита (например, некоторые виды Allium (Лук)). Тогда почти единственной возможностью поддерживать и увеличивать численность популяции становится способность к вегетативной вивипарии.

Как известно, у ряда растений в системе репродукции сочетаются процессы нормального развития семян и формирования живородков, что обеспечивает накопление в популяции потомков с различными генотипами (виды рода Poa (Мятлик) и Polygonum viviparium (Горец живородящий)). Способность к вивипарии арктических видов злаков позволила им быстро заселить освободившиеся от ледника земли.

Живородящая форма альпийского мятлика: 1 — общий вид растения; 2 — метёлка из соцветия; 3 — проросшая луковичка, сформировавшаяся в колоске вместо цветков.

Формирование живородков на вегетативных органах позволяет разнести в пространстве, а некоторых случаях во времени семенное и вегетативное размножение (Bryophyllum (Бриофиллум), Cardamine (Сердечник, или Зубянка), Hammarbia (Хаммарбия болотная)). Разная степень выраженности вивипарии в той или иной популяции обеспечивает пластичность системы репродукции. Сохранение биологического разнообразия во многом зависит от успешного сочетания различных способов размножения в общей системе репродукции вида.

Лист бриофиллума с «детками»: а — главный побег; б — боковой побег; в — растеньица «детки».

Задание 2. Существуют верховые и низинные болота. Растение росянку чаще всего можно встретить на верховых болотах. Почему? К какому трофическому уровню в биоценозе болота можно отнести росянку?

Для ответа на вопрос нужно пояснить, чем отличаются низинные болота от верховых.

Низинные болота образуются на самых низких участках рельефа. Питаются такие болота грунтовыми водами, которые сильно минерализованы и содержат большое количество растворенных элементов питания для растений. Поступая в болото, они обогащают его. Поэтому у произрастающих на таких болотах разнообразных растений есть все условия для бурного развития.

Верховые болота образуются чаще всего на водораздельных пространствах. Их питание осуществляется атмосферными остатками, которые бедны питательными веществами. Иногда верховые болота образуются на месте низинных, когда торф накапливается в большом количестве. Тогда корни растений с поверхности уже не достигают уровня грунтовых вод и начинают питаться только дождевыми водами. Не каждое растение сможет произрастать на таких болотах с бедным минеральным питанием. А вот растения-хищники облюбовали верховые болота, компенсируя недостаток корневого минерального питания хищническим гетеротрофным способом питания.

В связи с хищническим способом питания росянка имеет особенности строения: ловчие листья этого растения необычны — они напоминают небольшую тарелочку, верхняя часть которой покрыта многочисленными волосками, а на кончике каждого из них — искрящаяся на солнце капелька клейкой жидкости, привлекающая внимание потенциальной жертвы.

Лист росянки необычайно чувствителен — достаточно легчайшего прикосновения, и все его волоски приходят в движение, изгибаясь к центру в стремлении как можно “щедрее” облепить жертву клейким веществом и переместить ее в самую середину листа — туда, где находятся пищеварительные ворсинки. Раньше считалось, что насекомые просто прилипают к этой слизи, но недавно ученым удалось выделить из сока росянки два вещества (одно из них — алкалоид кониин), относящиеся к классу аминов, которые оказывают парализующее действие на насекомых. Постепенно лист росянки смыкается над насекомым, превращаясь в некое подобие крошечного желудка.

Если же на лист росянки упадет кусок сухой травинки или еще что-нибудь несъедобное, волоски-щупальца только чуть-чуть дрогнут и снова останутся неподвижными. Чарльз Дарвин, проводивший многочисленные наблюдения и эксперименты с росянкой крупнолистной, отмечал, что падение на лист даже крупных тяжелых капель дождя не вызывает движения волосков. Однако капля слабого раствора аминокислот или аммиака является для листа сильным раздражителем.

Процесс пищеварения обычно занимает несколько дней. Железы росянки выделяют жидкость, содержащую органические кислоты (в основном бензойную и муравьиную) и пищеварительные ферменты типа пепсина, расщепляющие белки насекомого до более простых соединений, которые растение способно усвоить. От насекомых же, пойманных росянкой, остаются лишь нерастворимые ферментами хитиновые покровы, которые вскоре смываются с поверхности ловчего листа дождем или уносятся ветром. Дарвин также обнаружил удивительную способность этого растения переваривать даже кусочки кости и хряща.

Процесс пищеварения требует образования большого количества жидкости. Поэтому растения-хищники обитают только в тех местах, где не бывает перебоев с влагой - в тропических лесах и на болотах.

Эксперименты показывают, что растения, живущие только за счет корневого питания, в отличие от своих собратьев, получающих животную пищу, заметно отстают в росте и находятся в крайне угнетенном состоянии. Растения, обитающие на заболоченных почвах, страдают от недостатка различных веществ: фосфора, калия и особенно азота. В ходе эволюции у некоторых растений развились различные ловчие органы, представляющие собой не что иное, как видоизмененные листья, снабженные железами, выделяющими пищеварительные ферменты и органические кислоты, позволяющие растению усваивать пойманную добычу. Данная группа растений включает в себя почти 500 видов из 6 семейств, различные представители которых встречаются во всех частях света. Хотя наибольшее видовое разнообразие подобных хищников, конечно, присуще тропикам.

Невозможно однозначно определить, каким всё же звеном в цепи питания является росянка.

Энергию солнечного света могут непосредственно использовать только автотрофные фотосинтетики – растения и синезеленые водоросли, которые называются производителями, или продуцентами. Продуценты потребляют около 1% падающей на Землю солнечной энергии и превращают ее в энергию органических соединений. Продуцентами питаются травоядные животные, а также паразитирующие на растениях грибы и другие растения. Эти организмы называются первичными потребителями (консументами первого порядка). Их, в свою очередь, поедают вторичные потребители (консументы второго порядка), которыми могут питаться консументы третьего порядка. Такая последовательность представляет собой цепь питания (трофическую цепь), точнее, один из ее видов, называемый пастбищной цепью, или цепью выедания. Каждое из звеньев этой цепи называется трофическим уровнем. Таким образом продуценты являются первым трофическим уровнем, первичные консументы — вторым и т. д. Например, нектаром цветков (продуцент, первый уровень) питаются мухи (первичный консумент, второй уровень), их поедают насекомоядные птицы (консумент второго порядка, третий уровень), а их, в свою очередь, — хищные птицы (консумент третьего порядка, четвертый уровень).

Обычно организмы, входящие в какую-либо пищевую цепь, входят также и в состав других. Всеядные животные являются одновременно консументами первого, второго, а иногда и третьего порядков. Комар, питающийся кровью человека и хищных животных, находится на очень высоком трофическом уровне. Но комарами питается росянка, которая, таким образом, представляет собой и продуцент, и консумент высокого порядка. Соединение многих трофических цепей образует пищевую цепь экосистемы.

Задание 3. Гусеницы капустной белянки часто в огромном количестве встречаются на листьях крестоцветных культур. Объедая листья, они причиняют огромный вред сельскому хозяйству. В народе их часто называют «капустные черви». С биологической точки зрения поясните неправильность такого названия.

Из отложенного самкой капустной белянки яйца выходит маленькая гусеница— личинка, совершенно не похожая на будущую бабочку и имеющая скорее червеобразную форму (отсюда неправильные названия для многих гусениц: «капустный червь», «озимый червь», «шелковичный червь»).

Гусеница, в отличие от настоящих червей, имеет все признаки, характерные для насекомых: её тело разделено на ясно обособленную голову, на грудь, состоящую из трёх сегментов и несущую три пары членистых ножек, и на длинное брюшко, на котором членистых ножек уже нет (заменяющие их здесь «ложные ноги», которыми гусеница плотно держится на месте, имеют иное строение и происхождение).

Усики у неё зачаточные, есть глаза, хотя развиты слабо (в виде скопления отдельных боковых глазков), а ротовые части жующего типа, тогда как у бабочки усики длинные, глаза сложного строения и большие, а ротовые части преобразованы в длинный сосательный хоботок.

Грудные ножки у гусеницы очень короткие по сравнению с ножками будущей бабочки. Образ жизни у гусеницы и у бабочки также совершенно различен: гусеница крепко держится на листе и грызёт его своими челюстями, а бабочка летает по цветкам и сосёт из них жидкий нектар.

Гусеницы капустной белянки являются одними из самых прожорливых вредителей капусты. Гусеницы капустницы достигают длины 4 см, серовато-зеленые с черными пятнами и точками, сгруппированными в более или менее правильные поперечные ряды. По бокам тела эти существа имеют желтые полосы, брюшная поверхность желтая, а все тело покрыто густыми, очень короткими волосками, придающими ему бархатистый вид. Пестрая окраска гусениц - вывеска о несъедобности.

Также отличительной чертой гусениц бабочек-капустниц является ядовитая железа, расположенная на нижней поверхности тела, между головой и первым сегментом. Защищаясь, они отрыгивают зеленую кашицу изо рта, к которой примешивают и выделения ядовитой железы. Эти выделения представляют собой едкую ярко-зеленую жидкость, которой гусеницы стараются обмазать нападающего врага. Для мелких птиц доза в несколько особей этих животных может оказаться смертельной. Проглоченные гусеницы капустницы бывают причиной гибели домашних уток. Люди, собиравшие этих существ голыми руками, случалось, попадали в больницу. Кожа на руках краснела, воспалялась, руки распухали и зудели.

Ядовитые гусеницы чаще всего живут открыто на растениях, потому что не боятся врагов.

Молодые гусеницы первое время находятся все вместе. Они обгладывают мякоть листа с нижней стороны, не трогая верхней кожицы.

Позднее гусеницы расползаются по всему растению и объедают листья, преимущественно с краев. Взрослые гусеницы чаще находятся на верхней стороне листьев и могут сильно повреждать их, нередко оставляя нетронутыми лишь одни грубые жилки.

Капустная белянка (Pieris brassicae L.)

Развитие с полным превращением. Гусеница является личиночной стадией развития.

Задание 4. Позвоночные животные имеют скелет, служащий опорой для тела. За счёт чего могут поддерживать своё тело беспозвоночные животные, растения и грибы?

Растения. Растения могут поддерживать форму собственного тела за счёт многих специальных приспособлений. Можно рассмотреть несколько уровней организации.

На клеточном уровне.

1. Клеточные стенки (состоящие из целлюлозы) являются внутренним скелетом растения, который обеспечивает механическую прочность. Именно клеточные стенки придают клеткам определённую форму, защищают содержимое клетки, противостоят внутриклеточному тургорному давлению.

2. Тургор - напряжённое состояние клеточной стенки, создаваемое гидростатическим давлением цитоплазмы, нормальное физиологическое состояние клеточной стенки. Благодаря ему растение также сохраняет свою форму, занимает определённое положение в пространстве, противостоит механическим воздействиям.

На тканевом уровне.

1. Механические ткани обеспечивают прочность растения, способность противостоять действию тяжести собственных органов, порывам ветра, дождю, снегу, вытаптыванию животными. Они играют в растении роль скелета. У проростков, в молодых участках органов механических тканей нет, необходимую упругость они имеют благодаря тургору. По мере развития органа в нём появляются специализированные механические ткани - колленхима и склеренхима.

а) Колленхима развивается в стеблях и черешках листьев двудольных под эпидермой. В корнях её обычно нет. Её клетки вытянуты в длину, живые, часто содержат хлоропласты, клеточные стенки неравномерно утолщены. В зависимости от характера утолщения стенок и их соединения различают уголковую, рыхлую и пластинчатую колленхиму.

Строение колленхимы

б) Склеренхима встречается наиболее часто. Её клетки мёртвые, и стенки равномерно утолщённые, одревесневшие. Различают два типа склеренхимы: волокна и склереиды.

Строение склеренхимы

Строение склереиды

2. В проводящих комплексах растений также встречаются механические элементы - древесинные волокна (либриформ) и лубяные волокна.

На уровне органов.

Также опорную функцию выполняют придаточные корни, которые растут от ствола или от ветвей растения (например, у баньяна).

Грибы. Грибы поддерживают своё тело за счёт:

1. Внутреннего скелета, который включает в себя:

а) Клеточные стенки, которые включают в свой состав хитин или хитозан (они придают большую прочность клеточным стенкам). Также существуют некоторые представители, у которых вместо хитина в состав клеточной оболочки входит целлюлоза.

б) Высокое тургорное давление (см. ответ на вопрос про растения).

2. Также некоторые представители (например, шляпочные грибы) могут поддерживать своё тело за счёт плотного переплетения гиф.

Животные. Безусловно, у беспозвоночных животных настоящая кость, которая составляет основу скелета всех позвоночных, отсутствует. Тем не менее, это не означает, что у них отсутствуют какие-либо скелетные структуры. Начнём с клеточного уровня. Сама клетка не является аморфным образованием. В цитоплазме существует сложная сеть фибрилл. Она представлена, по меньшей мере, микротрубочками, промежуточными филаментами и микрофиламентами. Первые это трубочки диаметром около 24 нм, состоящие из белка тубулина. Они образуют каркас, называемый цитоскелетом, кроме того, участвуют в транспорте органелл внутри клетки и играют важную роль при делении. Микрофиламенты - это тонкие нити диаметром около 7 нм, состоящие из белка актина. Они также входят в состав цитоскелета и участвуют в движении как самой клетки, так и в транспорте веществ внутри клетки.

Многоклеточные организмы используют опорные элементы различного происхождения. В первую очередь, это жёсткие минеральные либо органические структуры, поддерживающие тело животного. Наиболее крупные примитивные беспозвоночные - это губки (Spongia). Размер некоторых тропических форм может достигать метра и более. В теле губок внутри специальных клеток (склеробластов) формируются иглы. Затем они постепенно увеличиваются в размерах, со временем обтягиваются цитоплазмой, могут приобретать самые разнообразные формы: от простой палочковидной до звёздчатой и шаровидной. Масса таких игл, состоящих из углекислого кальция или из кремнезёма, образует твёрдый даже по человеческим меркам скелет. У части губок элементы скелета органические и формируются внеклеточно несколькими клетками. В этом случае они состоят из белка спонгина. Есть и мелкие бесскелетные губки.

У нашей пресноводной гидры жёстких скелетных элементов нет, однако у неё мышечные элементы расположены в несколько слоёв и имеют взаимоперпендикулярное направление. Так что, координируя их работу, гидра может сжиматься или вытягиваться. Похожее строение имеют сцифоидные медузы (класс Scyphozoa). Но у них, помимо прочего, толстая мезоглея (пространство между экто - и энтодермой), заполнена студенистым веществом. Родственники гидры - морские колониальные полипы - имеют снаружи жёсткую оболочку (теку), выделяемую клетками эктодермы.

У кораллов (класс Anthozoa) скелет состоит из углекислой извести, реже из рогоподобного вещества. Так, у восьмилучевых кораллов (подкласс Octocorallia) скелет формируется в мезоглее. Шестилучевые кораллы, составляющие основную массу рифообразователей, имеют внешний скелет, выделяющийся клетками эктодермы. Индивидуальные "домики" каждого полипа, соединяясь вместе, образуют гигантские коралловые рифы.

Следующую группу составляют животные, опорную роль у которых играют кожно-мускульный мешок и паренхима. Прежде всего, это плоские черви (Plathelminthes). В клетках паренхимы у них находятся фибриллярные образования, что позволяет рассматривать в качестве одной из её функций опорную.

Круглые и кольчатые черви имеют особую опорную систему - гидроскелет. Они имеют относительно жёсткие покровы (например, слой наружной кутикулы у круглых червей) и полость тела, заполненную жидкостью (некоторую аналогию можно провести с автомобильным колесом). Такая конструкция обеспечивает опору для прикрепления мышц.

У моллюсков снаружи имеется раковина. Частично она тоже выполняет опорную функцию, однако основная её функция - защитная. В некоторых группах происходит редукция раковины и погружение её внутрь тела (например, у каракатицы). У головоногих (Cephalopoda) раковина либо вовсе отсутствует, либо сохраняется в виде небольшой подкожной пластинки. Кроме того, у головоногих, как правило, развит внутренний скелет. Он представлен пластинками из хрящеподобного вещества в основаниях щупалец и в хвостовых плавниках. У них имеется капсула, окружающая головной мозг. Так что, будучи большими мягкотелыми животными, они не лишены опорных элементов.

Другую большую группу составляют животные, имеющие наружный скелет - это членистоногие. Это ракообразные, паукообразные, насекомые и близкие к ним группы. Здесь снаружи от покровов имеется как правило жёсткая и сложно устроенная кутикула, состоящая главным образом из хитина (вещество, по строению близкое к целлюлозе). Такой наружный скелет служит защитой и составляет опору для прикрепления мышц. В некоторых случаях такой хитиновый покров впячивается внутрь и образует своего рода "внутренний скелет", служащий дополнительными местами прикрепления мышц, особенно в тех отделах, где мускулатура хорошо развита.

Таким образом, представители большинства групп беспозвоночных имеют различные по строению, положению и происхождению опорные структуры. Это внутренний известковый скелет у некоторых губок и кишечнополостных, наружный скелет у членистоногих, гидроскелет у круглых и кольчатых червей и т. д.

Задание 5. При некоторых тяжелых заболеваниях желудка иногда прибегают к удалению большей его части. Переваривание каких веществ затруднено в этом случае? Почему в пищеварительной системе все-таки происходит расщепление и всасывание этих веществ?

Желудок находится под ребрами, немного ниже солнечного сплетения. Большая его часть расположена в левом подреберье и эпигастрии. В среднем объем пустого желудка составляет 500 миллилитров, а полного - 1,5 литра.

Когда человек жует, еда во рту проходит обработку ферментом амилазой, расщепляющей полисахариды (к примеру, крахмал). После того как еда попадает в желудок происходит ее перемешивание с желудочным соком, в составе которого имеется большое количество фермента пепсина, благодаря которому происходит расщепление массивных молекул белков. Расщепление же жиров и углеводов происходит уже в кишечнике.

Обнаружены несколько факторов, которые предрасполагают к возникновению рака желудка. Это, например, злоупотребление продуктами, содержащими большое количество животных жиров, злоупотребление вяленой и копченой пищей, продуктами со значительным содержанием нитритов и нитратов, алкогольными напитками, специями и прочее. Непищевыми источниками нитратов и нитритов могут быть косметика и курение; пищевым же источником может стать употребление овощей, с большим содержанием нитритов и нитратов (морковь, капуста, свекла, сельдерей, шпинат); употребление алкоголя, особенно натощак. Алкоголь, по данным исследователей, сам по себе повышает риск возникновения рака.

В случае рака желудка лечение проводится одним основным методом - операцией по тотальному или частичному удалению пораженного опухолью желудка, вместе с региональными лимфоузлами. Существуют следующие виды резекции желудка: полная резекция, частичная проксимальная резекция – удаление части желудка более близкого к пищеводу, частичная дистальная резекция – удаление части желудка более близкого к кишечнику.

Желудок выполняет важнейшую функцию в пищеварительном процессе, но даже после его частичного удаления организм приспосабливается к новому состоянию, так как оставшаяся часть желудка способна выполнять пищеварительные функции.

Даже если удален весь желудок, хирурги соединяют пищевод с тонким кишечником таким образом, чтобы создать резервуар для пищи и позволить пищеварительной системе постепенно приспособиться к исполнению функций желудка. Например, в норме, большая часть белков именно в желудке расщепляется до аминокислот. Но расщепление белков возможно также и в двенадцатиперстной кишке благодаря наличию фермента трипсина. Трипсин синтезируется в поджелудочной железе в виде профермента трипсиногена, он катализирует гидролиз белков и пептидов.

Конечно, частичная и тем более полная резекция желудка влечет существенную коррекцию диеты. Потребуется пища с повышенным содержанием белков. Содержание углеводов в рационе, наоборот, должно быть снижено во избежание демпинг-эффекта, при котором легкоусваиваемые углеводы слишком быстро поступают в кишечник, вызывая симптомы гипергликемии. Будут значительно хуже усваиваться железо, кальций, витамин D, фолиевая кислота. Обеспечить нормальное содержание этих веществ в организме можно путем включения в питание продуктов, богатых ими. Также всасыванию железа из пищи помогает витамин C.

У большинства пациентов, перенесших резекцию желудка, почти полностью прекращается всасывание из пищи кобаламинов (витамина В12, который необходим для образования эритроцитов и регуляции нервной системы). В таком случае этот витамин приходится вводить инъекциями.

Задание 6. В традиционной медицине Ближнего Востока утверждается, что болезни можно диагностировать, исследуя лишь руку пациента. Это было удобно с учетом традиций и обычаев народов, там проживающих. Какие болезни и по каким признакам Вы бы смогли диагностировать, имея доступ только к кисти и запястью пациента?

Руки могут многое рассказать о здоровье владельца. Наши руки, как и листья дерева, показывающие состояние его корней, первыми отражают состояние внутренних органов. Изменения состояния кожи рук, формы пальцев и ногтей говорят о нарушениях в работе организма и начале развития заболевания. По ним, а также по особенностям пульса, как утверждает народная восточная медицина, можно поставить предварительный диагноз.

1. Кожа рук.

Сухая кожа рук чаще всего сигнализирует о недостатки жидкости в организме или проблемах с работой почек. Шелушиться кожа рук может из-за недостатка витамина А или поражения грибковыми заболеваниями. Кроме того, сухая кожа рук может быть симптомом начала развития сахарного диабета.

Красные руки. Чаще всего красноватый цвет кожи наблюдается у гиперстеников - людей с широкими костями. У них обмен веществ заметно ослаблен, а потому красные руки для них - это нормальное явление, не требующее лечения. Если же кости миниатюрные, то красные руки могут сигнализировать о гипертонии или нарушении выработки гормонов щитовидной железой.

Если красного цвета только ладони, то это может быть признаком цирроза печени или гепатита. Кровеносные сосуды, расширенные на внешней стороне рук возле мизинца, говорят о гормональных изменениях в организме из-за сбоя работы печени.

2. Ладони и пальцы.

Холодные руки говорят о пониженном давлении. Чаще всего холодные конечности бывают при недостатке железа и никотиновой кислоты в организме. Нельзя исключить и нарушения кровообращения.

Потные ладони - первый признак нарушения работы щитовидной железы. При гипертиреозе - увеличении выработки количества гормонов, регулирующих обмен веществ, наблюдается чрезмерная потливость, в том числе и ладоней. При гипотиреозе - снижении выработки гормонов щитовидной железой наблюдается отек пальцев. Пальцы иногда раздувает так, что невозможно снять кольцо.

Чрезмерная гибкость пальцев. У некоторых людей пальцы гнутся во все стороны. Повышенная эластичность тканей характерна при болезни под названием синдром Марфана. Обычно люди, страдающие этим синдромом, высокие ростом, худые, близорукие и гибкие. У всех больных этой болезнью определяется пролапс мерцательного клапана сердца.

Бугорки вокруг суставов пальцев. Появление твердых бугорков вокруг суставов характеризует о начале развития остеопороза.

Иногда опухоли вокруг пальцев появляются из-за скопления жировых клеток - ксантомы. Обычно они появляются при избыточном уровне холестерина в крови.

Большие ладони. Слишком большие ладони сигнализируют о наличии проблем с работой гипофиза, который выделяет слишком много гормонов роста. Как правило, заметное увеличение размеров ладони, ушей, губ и ступней происходит у мужчин старше 45-летнего возраста. Наиболее частой причиной таких изменений является доброкачественная опухоль гипофиза.

3. Ногти

Широкая форма ногтей. Пальцы "лопатой" встречается довольно часто. Они сигнализируют о возможных нарушениях в работе легких и сердца.

Синюшный цвет ногтей говорит о недостатке кислорода в крови из-за плохой работы сердца и легких.

Отсутствие лунок на ногтях. В норме на ногтях должны быть луночки - полукруги белого цвета, расположенные у основания. Но с возрастом эти луночки постепенно уменьшаются, а у некоторых и вовсе исчезают. Если у вас на большом пальце луночки заметно уменьшились или даже исчезли, то вам надо обследовать легкие и бронхи. Эти изменения могут быть связаны также с проблемой работы мозга. Обычно лунка на большом пальце отсутствует у заядлых курильщиков. Отсутствие лунки на указательном пальце свидетельствует о серьезных неполадках с работой кишечника. Если лунка среднего пальца стала совсем маленькой или совсем исчезла, то это говорит о неполадках в кровеносной системе. Возможно это повышенное давление или проблемы с сосудами. При наличии проблем в работе эндокринной системы, щитовидной железы и нарушении обмена веществ уменьшается лунка у безымянного пальца. Если нет лунки на мизинце, то это признак дисфункции тонкого кишечника или сердца.

Горизонтальные бороздки на ногтях - говорят о несбалансированном питании, отложении солей и наличии запущенных болезней;

Вертикальные линии - указывают на неудовлетворительные процессы пищеварения вследствие избыточного употребления углеводов и соли, что, в свою очередь, вызывает плохое усвоение минералов и белков. Кроме того, это сигнализирует о недостатке витамина В12 и железа. Также это является сигналом нездорового кишечника, пониженной функции печени и почек – что может вызывать ощущение общей усталости;

Обгрызенные ногти – это признак излишней нервозности, наличия кишечных паразитов, нехватки минералов. Это симптом невроза, гастрита, половых дисфункций у женщин;

Большие выпуклые, очень выступающие над поверхностью пальца (шишкоподобные) ногти - указывают на слабость сердца и легких, иногда - туберкулез легких.

Наросты на конце ногтей – хроническая инфекция легких;

Вогнутый ноготь (в форме ложки - в котором можно удержать каплю воды) - говорит о недостатке железа в организме.

Треугольный ноготь – указывает на проблемы с хребтом и спинным мозгом;

Плоский кривой ноготь (клюв попугая) - врожденная форма астмы, бронхита, туберкулеза, хронический кашель;

Ломкие ногти – признак недостаточного количества железа или витамина А в организме, нарушений функций щитовидной железы, почек и плохого кровоснабжения. Как правило, такие ногти характерны для меланхоликов;

Большой размер лунки около основы ногтя связан с тахикардией;

Отсутствие лунок – невроз сердца, недостаточность и нарушения
кровообращения;

Лунки голубого цвета – признак нарушений работы печени;

Лунки красного цвета - симптом сердечной недостаточности;

Лунки ногтей очерчены горизонтальной линией - показатель диабета;

Задирки - это сигнал о недостатке белков, витамина С и фолиевой
кислоты. Причиной этого может быть или недостаточное употребление или
их плохая усвояемость.

Слоящиеся ногти - сигнал о энергетическом истощении пищеварительной системы, а также о нарушениях в кровообращении, половой и нервной системах - ( в первую очередь - это функция яичек у мужчин и яичников у женщин), а нервные реакции заторможены;

При эндокринных заболеваниях ногти могут отделяться от ногтевого ложа. Так называемый синдром желтых ногтей свидетельствует о дефекте развития лимфатической системы, скорее всего, врожденного характера.

Бледное ногтевое ложе - один из признаков анемии.

Черный цвет ногтевые пластинки могут приобретать при диабетической гангрене в результате тромбоза артерии верхних конечностей.

При инфекции, вызванной синегнойной палочкой, ногтевая пластинка, а иногда и ногтевое ложе, окрашивается в зеленый цвет.

Темно-коричневыми становятся ногти при Аддисоновой болезни. Рентгеновское облучение пальцев тоже может вызвать темную пигментацию ногтевых пластин.

4. Пульс

Без специальной подготовки по пульсу можно определить только самые общие проблемы со здоровьем. В норме частота сердечных сокращений у взрослого человека составляет 60-80 ударов в минуту (у новорожденных 100-140 ударов в минуту, далее частота постепенно снижается на всем протяжении жизни).

Повышенная частота сокращений (тахикардия) может являться нормальным физиологическим явлением в результате физической нагрузки, волнения или страха, но в состоянии покоя может возникать как проявление многих различных заболеваний. Наиболее частыми причинами тахикардии служат нарушения вегетативной нервной системы, нарушения эндокринной системы, нарушения гемодинамики и различные формы аритмии.

Пониженная частота сокращений (брадикардия) может свидетельствовать о самых различных проблемах: склеротических изменениях в миокарде, повышении внутричерепного давления, снижении функции щитовидной железы, влиянии лекарственных препаратов или отравлении свинцом, никотином. Впрочем, у хорошо тренированных спортсменов и отдельных молодых здоровых людей низкий пульс - это нормальное явление при отсутствии других патологических симптомов.

О нарушениях в сердечно-сосудистой системе может сигнализировать аритмия, например, экстрасистолия — несвоевременное сокращение сердца или отдельных его камер. Эпизодическая экстрасистолия не опасна, но частая может быть следствием повреждения миокарда (ишемическая болезнь сердца, кардиосклероз, дистрофия, воспаление).

Для полного же освоения пульсовой диагностики по методам восточной медицины нужны были годы упорной работы под руководством опытного учителя. Восточные целители используют информацию о форме пульсовой волны, ее переднем и заднем фронтах, прохождении под пальцами, о реакции различных участков артерии на давление крови изнутри и на точно дозированное давление пальцев врача снаружи. При этом выделяется множество малозаметных признаков, акцентируется внимание на тонких ощущениях, которые трудно четко улавливать при диагностике.

Задание 7. Существование живых организмов неразрывно связано с ферментами, которые ускоряют реакции метаболизма. Но ферменты, представленные в основном белками, весьма чувствительны, в частности, к повышению температуры, приводящему к денатурации белка, а значит, к инактивации ферментов и, в конечном счете, к гибели организма. Как Вы полагаете, почему же тогда возможно существование микроорганизмов, в норме обитающих в экстремальных условиях (например, в гейзерах, где температура очень высока)? Предложите как можно больше версий.

Каким образом бактерии адаптируются к различным условиям окружающей среды, имеет очень важное значение для науки. Большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянной адаптаций в соответствии с постоянно изменяющимися условиями среды. Бактерии обладают весьма сложными и совершенными механизмами молекулярных адаптаций.

Жизнь встречается в самых суровых условиях: в горячих источниках, которые нередко отличаются повышенной кислотностью; в соленых озерах и солеварнях; в источниках с повышенной кислотностью (например, в рудничных стоках), которые могут содержать также токсичные тяжелые металлы в высоких концентрациях; на сухих поверхностях скал и в пустынях; при температурах около точки замерзания воды и даже ниже ее.

Зная границы жизни на Земле, можно составить представление о физических и химических пределах, в которых жизнь могла возникнуть не только на нашей, но и на других планетах.

Изучение механизмов выживания бактерий также имеет очень важное значение для медицины, ветеринарии, фармакологии. Устойчивость микроорганизмов к различным факторам среды ставит вопрос о специальных, новых методах стерилизации и хранения продуктов, что играет важнейшую роль для пищевой промышленности.

1.Механизмы выживания бактерий при низких температурах

Микроорганизмы не могут регулировать свою температуру. Их функциональная активность определяется температурой окружающей среды.

Микроорганизмы могут выжить в условиях с весьма неустойчивыми температурными характеристиками, например, благодаря образованию спор или цист.

При минимальной температуре и дальнейшем ее понижении микроорганизмы могут длительное время сохранять жизнеспособность. Микроорганизмы способны выжить в неустойчивых суровых условиях в состоянии, близком к анабиозу, например в Антарктике и зонах вечной мерзлоты, в течение тысячелетий благодаря следующим механизмам:

клетки содержат ферменты, имеющие низкую температуру активации, и в связи с этим способные наиболее эффективно функционировать при низкой температуре; при температуре выше 30 °С данные ферменты прекращают свою деятельность;

проницаемость мембран несмотря на низкую температуру, остается высокой в связи с большим количеством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в липидах, в результате мембраны не замерзают;

не утрачивается свойство образовывать полисомы при низкой температуре;

синтезируются криопротекторы, например, глицерол.

Автохтонные популяции микроорганизмов, которые отличаются низким, но постоянным уровнем активности и использованием для питания органических веществ, уже присутствующих в почве и зимогенные популяции, развивающиеся при поступлении в почву свежих соединений. В холодных местообитаниях с неустойчивым температурным режимом, таких, как верхние слои атмосферы или некоторые полярные районы, где температура в разное время года может колебаться от —50 до 5°С, представлена преимущественно зимогенная популяция. В неустойчивых холодных условиях активность микроорганизмов проявляется только во время короткого периода «оттаивания» летом. Зимогенные бактерии обычно отличаются широкой областью температур роста, поскольку наиболее важным фактором для их выживания является эффективный вторичный метаболизм, который должен осуществляться при температурах ниже оптимума роста.

Бурный рост микроорганизмов в природе происходит в ответ на изменение тех или иных физических факторов в неустойчивых условиях. За периодом активного роста следует лаг-фаза, во время которой микроорганизмы осуществляют процессы вторичного метаболизма, прекращают делиться и образуют синтетазы, превращающие первичные продукты обмена веществ во вторичные. Вторичные метаболиты не обладают биологической активностью; однако некоторые из них, например антибиотики и токсины, могут оказывать вторичный эффект, но обычно не на образующие их клетки, а на другие организмы. Длительное выживание бактериальных клеток связано с успешным протеканием вторичного метаболизма. Образование различных морфологических структур, например спор у Bacillus, удлинение «стебелька» у Caulobacter crescentus, образование кокковидных клеток у Arthrobacter и родственных организмов, а также возникновение цист у Azotobacter связаны с вторичным метаболизмом.

Оптимальная температура для вторичного метаболизма нередко бывает на 20°С ниже оптимума роста соответствующего организма и обычно лежит в сравнительно узком интервале 5—10°С. Следовательно, микроорганизмы должны иметь два четких температурных оптимума: один для роста, а другой для вторичного метаболизма; эффективное осуществление последнего обеспечивает выживание.

У психротрофных бактерий в холодных условиях процессы первичного метаболизма протекают с очень низкой скоростью и, следовательно, более эффективно. Это особенно важно в связи с низким уровнем содержания питательных веществ в местах обитания в большинстве холодных районов, так как чрезмерно быстрый метаболизм привел бы к быстрому истощению имеющегося источника питания, что вызвало бы голодание клеток, а в дальнейшем - их гибель.

2.Механизмы выживания бактерий при высоких температурах

С повышением температуры скорость роста микроорганизмов вначале увеличивается, достигая максимальной, но дальнейшее увеличение температуры ведет к необратимой инактивации клеточных компонентов, прежде всего денатурации белков и нуклеиновых кислот, и гибели клетки. Для большинства организмов характерен весьма незначительный интервал между оптимальной и максимальной температурами.

Термофилия включает в себя множество молекулярных механизмов и не может быть объяснена каким-либо одним свойством организма.

2.1 Молекулярные механизмы термофилии

Возможность существования термофилов при высокой температуре обусловлена следующими особенностями:

составом липидных компонентов клеточных мембран, а именно высоким содержанием длинноцепочечных С17—С19 насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями;

высокой термостабильностью белков и ферментов (последние имеют низкую молекулярную массу и содержат значительное количество ионов кальция);

термостабильностью клеточных ультраструктур.

Метаболизм термофильных микроорганизмов соответствует их существованию при высоких температурах. В частности, ферменты отличаются не только высокой термостабильностью, но имеют оптимум активности при существенно более высокой температуре, чем их мезофильные аналоги. Термостабильность ДНК обеспечивается суперспирализацией, которая достигается действием специфического фермента — обратной гиразы. Высокой термостабильностью отличаются также рибосомальный аппарат и цитоплазматические мембраны, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты. В состав мембран гипертермофильных архей вместо жирных кислот входят специфические липиды — углеводородсодержащие бифитаниловые эфиры.

2.1.1 Особенность липидов и мембран

Липиды термофильных организмов имеют более высокие температуры плавления, чем липиды нетермофильных. Верхний температурный предел роста бактерий определяется температурой плавления клеточных липидов. Возрастание процентного содержания насыщенных и разветвленных жирных кислот при повышении температуры выращивания микроорганизмов приводит к образованию более устойчивой клеточной мембраны. К главным липидным компонентам экстремальных термофилов относятся жирные кислоты, содержащие 17, 18 и 19 атомов углерода.

Липиды играют важную роль в молекулярном механизме термофилии, а их соединения с углеводами (гликолипиды) способствуют термостабильности мембран. Липиды мембран действуют как изоляторы, препятствующие переносу тепла из внешней среды и предотвращающие таким образом тепловую денатурацию растворимых ферментов. Это, своего рода, липидная «шубка».

Термофильный ацидофил Thermoplasma acidophilum. Термофилия этого организма, растущего при температуре 59°С, связана с наличием длинных изопреновых цепей липидов. Большая часть содержащихся в мембране нейтральных липидов этерифицирована жирными кислотами, а основная масса глико- и фосфолипидов состоит из длинных цепей с простыми эфирными связями. Аминокислотный состав мембранного белка характеризуется относительно низким уровнем заряженных аминокислот и довольно высоким содержанием остатков цистеина. Высокое содержание кислых аминокислот, является обязательным условием для его роста в термофильных условиях.

Термофилы способны контролировать физические свойства цитоплазматической мембраны, изменяя ее состав в ответ на изменение температуры. Температурные границы оптимального функционирования мембраны, от которых зависит величина кардинальных температур роста организма, определяются характером химических модификаций веществ, входящих в состав мембраны.

2.1.2 Термостабильность макромолекул

Выделенные из термофильных организмов макромолекулы обнаруживают большую термостабильность, чем их аналоги из мезофилов. Термостабильность свойственна всем макромолекулам клетки, включая ферменты главных метаболических путей, ферредоксин, рибосомы и флагеллин.

Классическим примером служит фермент миокиназа, которая сохраняет активность после нагревания при температуре 100°С. У тетрамера авидина в присутствии биотина температура перехода в денатурированное состояние составляет 132°С.

В отличие от белков мезофилов, которые обычно денатурируются при температуре ниже 60°С, термофильные белки при повышении температуры от комнатной до 55 или 60° претерпевают, небольшие конформационные изменения, не сопровождаемые денатурацией.

Термофильные белки чаще всего содержат большое число неполярных боковых цепей, поэтому в результате стабилизации дополнительными гидрофобными взаимодействиями возникает повышенная термостабильность таких участков термофильных белков.

Термофильные белки более устойчивы к индуцируемой нагреванием агрегации, что связано с тенденцией к понижению изоэлектрических точек этих белков и повышению устойчивости их молекул к развертыванию, благодаря чему неполярные участки остаются скрытыми в глубине молекул

Термостабильность белков обусловлена также более низким содержанием цистеина и особенно вспомогательных сульфгидрильных групп, которые обычно располагаются на поверхности белка и поэтому легко подвергаются окислению.

Образование дополнительных центров связывания кальция в случае термолизина и альфа-амилазы, очевидно, имеет отношение к повышенной термостабильности этих белков. Так, термостабильность термолизина при температурах приблизительно от 50 до 80°С повышается в результате стабилизации одного или двух участков ионами Са2+.

Степень стабильности белков также определяется специфическим положением в полипептидной цепи определенных аминокислот, поэтому огромное влияние на термостабильность молекулы белка может оказать замена в ней всего лишь одной аминокислоты в процессе различных мутаций генетического материала бактерии.

3.Механизмы выживания бактерий при экстремальных значениях рН

Установлено, что концентрация водородных ионов играет роль фактора, определяющего границы существования живой матери, и является одним из важнейших факторов, влияющих на рост и размножение микроорганизмов. Значения реакции среды различных природных вод и растворов, где развиваются микроорганизмы (от рН 1 — 2 в кислых источниках и рудничных стоках до рН 10 в содовых озерах), покрывают почти весь теоретически возможный диапазон значений рН (0— 14). Большая часть организмов наилучшим образом развивается при концентрации ионов водорода, близкой к рН=7, что характерно для многих природных сред. Очень высокие (кислая реакция) или очень низкие (щелочная реакция) концентрации водородных ионов обычно токсичны для большинства организмов.

В зависимости от положения оптимального рН развития различают ацидофильные, нейтрофильные и алкалифильные микроорганизмы. Встречаются как природные, так и антропогенные местообитания, которые можно отнести к экстремальным: экстремально кислые с рН < 4,0 и экстремально щелочные с рН >10,0. Примером ацидофилов служат молочнокислые, уксуснокислые бактерии, многие грибы.

Есть примеры алкалифильных организмов, требующих для своего роста значений рН до 10 и выше (уробактерии и многие цианобактерии). Среди бактерий обнаружено несколько видов, устойчивых к щелочной среде (рН 8,5 и выше). Бактерия Bacillus pasteurii расщепляюет мочевину и хорошо растёт при реакции среды, близкой к рН 11. Цианобактерии могут развиваться в природной среде с рН 7,5—10, некоторые из этих бактерий имеют оптимум рН 10.

Среды, имеющие рН, близкий к обычному нижнему пределу (3—4), встречаются довольно часто. Примерами среднекислых сред обитания служат многие озера, некоторые истощенные почвы и кислые болота. Из этих сред было выделено множество малоизвестных бактерий: Bactoderma, Caulobacter, Microcyclus, Planctomyces и Thiovobium, обнаруженных в сфагновых болотах с рН от 3 до 5. У бактерии Acetobacter acidophilum prov. sp. оптимум роста находился при рН 3, нижний предел роста при рН=2,8, а верхний - при рН=4,3.

3.1 Основные механизмы выживания

Преимуществом микроорганизмов, обладающих способностью расти и размножаться при низких или высоких значениях рН, является то, что при таких условиях резко ограничивается конкуренция других организмов. Например, ацидофил Thiobacillus thiooxidans может использовать в кислой среде ионы двухвалентного железа, которые при рН выше 5 самоокисляются, вследствие чего этот производящий энергию субстрат становится недоступным для данного организма. При высоких значениях рН алкалофил Bacillus pasteurii специфически нуждается в аммиаке для транспорта и окисления таких субстратов, как глутаминовая кислота, изолейцин, треонин, а также промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот — ацетата, а-кетоглутарата и малата. В этом случае преимущество существования В. pasteurii при высоких значениях рН заключается в том, что щелочная среда обеспечивает доступность NH3 для организма.

Изменения рН окружающей среды могут вызывать у многих микроорганизмов компенсаторные ферментативные сдвиги. Например, Escherichia coli реагирует на повышение кислотности среды синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в результате амины приводят к снижению кислотности среды. Повышение щелочности среды стимулирует образование дезаминаз аминокислот, что приводит к снижению рН. Экстремальные ацидофилы не просто переносят низкие значения рН, но действительно нуждаются в ионах водорода для своего роста и стабильности. Устойчивость клеток к высокой кислотности или щелочности, вероятно, объясняется их структурными или метаболическими особенностями.

4.Жизнь бактерий при высоких концентрациях солей, растворенных веществ и в условиях недостатка воды

Небольшие изменения в концентрации растворенных веществ и активности воды могут приводить к значительным физиологическим изменениям. Многоклеточные организмы выработали механизмы для поддержания постоянного состава не только жидкостей тела, но и внутриклеточной среды. Однако микробные клетки должны самостоятельно приспосабливаться к внешней водной среде.

Большинство микроорганизмов покрыто жесткой клеточной стенкой, предотвращающей их лизис в результате высокого осмотического давления, возникающего внутри этих клеток. У простейших, которые имеют более гибкие стенки, проблемы, связанные с высоким осмотическим давлением, решаются другим путем: вода, поступающая в клетки, собирается в сократительные вакуоли, а затем выделяется из них наружу.

Для удержания воды в цитоплазме в условиях высокой солености у галофильных микроорганизмов существуют разнообразные механизмы. Основным механизмом приспособления к осмотическому состоянию среды служит синтез микроорганизмами осмопротекторов (осмолитов, или совместимых растворителей) — низкомолекулярных органических веществ, концентрация которых в цитоплазме уравновешивает внешнее давление. К осмопротекторам относятся некоторые аминокислоты и их производные (глутаминовая кислота, пролин), сахара (в частности, трегалоза), гетерогликозиды, полиспирты, глицин-бетаин.

Адаптация к солености у экстремально галофильных архей основана на аккумуляции ионов К+. Помимо концентрации солей повышенное осмотическое давление и низкая активность воды создаются высоким содержанием органических веществ. Приспособленные к таким условиям организмы называют осмофилами — это спироплазмы, размножающиеся в нектаре цветов, мицелиальные грибы и дрожжи, обитающие в варенье, сиропах, сухофруктах.

Для микроорганизмов, развивающихся на суше, большое значение имеет приспособление к сухости и контакту с воздухом. Условия водного стресса и опасность высыхания создаются на поверхности скал, камней, деревьев, различных сооружений, в почве, особенно почве пустынь. Основными механизмами защиты от высыхания служит образование слизистых капсул или переживающих клеток (спор, конидий, цист). Высокую устойчивость на воздухе обнаруживают многие микобактерии с высоким содержанием липидов в клеточной стенке. Типичными компонентами микроценозов, развивающихся на поверхности камня и в почве, являются микрококки, артробактеры, нокардии, проактиномицеты и актиномицеты.

При этом бактерии с мелкими клетками устойчивее, чем с крупными; кокки устойчивее палочек; грамположительные бактерии устойчивее к высушиванию, чем грамотрицательные и тем более микоплазмы. Высокой устойчивостью к высушиванию обладают микобактерии, клеточные стенки которых содержат большое количество липидов. Споры не только бактерий, но и других микроорганизмов хорошо переносят высушивание.

В условиях недостатка воды некоторые микроорганизмы обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглощают влагу. Бактерии, обитающие на корнях пустынных растений, выделяют такие значительные количества гигроскопической слизи, что обеспечивают водой не только самих себя, но и растения.

Выживаемость бактерий в почве значительно возрастает, если данный организм образует какие-либо устойчивые формы. Но Arthrobacter не имеет явно выраженной покоящейся или защитной формы в цикле развития. Здесь играет определенную роль переход из палочковидной в шарообразную форму и обратно, который претерпевает Arthrobacter. Шарообразная форма клеток обладает большей устойчивостью к обезвоживанию, чем палочковидная.

5.Реакции бактерий на тяжелые металлы и токсичные вещества окружающей среде

Среди микроорганизмов есть формы, устойчивые к действию общих клеточных и метаболических ядовитых веществ (фенол, окись углерода, сероводород и др.), отдельные виды обладают способностью использовать эти соединения в качестве источников питания. Считают, что устойчивость микроорганизмов к токсичным веществам во многих случаях определяется плазмидами.

В выработке устойчивости бактерий к токсичным веществам участвуют трансмиссивные плазмиды, несущие гены множественной устойчивости — R-факторы (от англ. resistance — устойчивость). R - факторы обусловливают устойчивость микроорганизмов к нескольким (девять и более) группам веществ — солям тяжелых металлов, а также антибиотикам, лекарственным веществам, и др. Гены, которые определяют устойчивость бактерий, могут находиться в транспозонах, способных перемещаться в разные участки хромосомы и на плазмиды. Распространению множественной устойчивости бактерий способствует комбинация трансмиссивной плазмиды с транспозоном.

Влияние на микроорганизмы токсичных веществ в небольших концентрациях, не вызывающих их гибели, рассматривают как один из вариантов стрессовых воздействий. В таких условиях включаются специальные механизмы клеточного метаболизма, которые обеспечивают выживание бактерий.

В некоторых случаях возникают толерантные к тяжелому металлу, мышьяку или сурьме резистентные штаммы, т. е. такие, для воздействия на которые необходима более высокая концентрация токсичного вещества, чем для воздействия на родительские штаммы. Обычно эта резистентность обусловлена генетическими модификациями, часто связанными с плазмидами, а иногда — с половым фактором или с хромосомами. Причиной повышенной резистентности может быть уменьшение проницаемости клетки для токсичного вещества или его биохимическое обезвреживание. Одни микробы обезвреживают тяжелые металлы, мышьяк или сурьму, вырабатывая вещества, реагирующие с указанными элементами внутри клетки (например, при метилировании ртути или мышьяка) или вне ее, т. е. делают их недоступными для ассимиляции микробом (например, осаждение арсената или арсенита ионами железа в процессе окисления арсенопирита при участии Thiobacillus ferrooxidans). Другие микроорганизмы нейтрализуют токсичные соединения, превращая их ферментативным путем в менее вредные (примером может служить восстановление HgCl2 до HgO).

Более устойчивы к действию химических веществ из неспорообразующих шаровидные формы. Палочковидные и извитые формы микробов при прочих равных условиях быстрее погибают.

Споры почти не содержат свободной воды, имеют плотную двойную оболочку, поэтому отличаются более высокой устойчивостью к действию химических веществ. Таким образом, действие химических веществ зависит от состава, концентрации, экспозиции, температуры и других факторов.

Кислые сточные воды шахт представляют собой пример условий окружающей среды с исключительно высокими концентрациями тяжелых металлов, а также, возможно, мышьяка и сурьмы, токсичными для многих микроорганизмов. Тем не менее, в этих сточных водах была обнаружена смешанная микрофлора, состоящая из водорослей, грибов, простейших и бактерий, которая, по-видимому, специфически адаптировалась к таким условиям.

у некоторых микроорганизмов выработались специфические механизмы взаимодействия с тяжелыми металлами, мышьяком и сурьмой, присутствующими в окружающей среде, иногда в концентрациях, которые токсичны для многих других микробов и высших форм жизни. Микроорганизмы могут использовать эти вещества в качестве источников энергии или акцепторов электронов в процессе дыхания. В ряде случаев у микробов выработались способы удаления этих веществ из среды путем их осаждения, адсорбции или улетучивания. Эти реакции вносят вклад в детоксикацию среды, которая становится более пригодной ие только для микробов, катализирующих такие реакции, но и для других организмов, неспособных развиваться без подобной «помощи».

6.Жизнь микроорганизмов в условиях интенсивного облучения

Стимулом для исследования реакции микроорганизмов на облучение послужило стремление решить проблемы, связанные с опасностью радиации для человечества.

Многие виды микроорганизмов используют не один, а большее число способов борьбы с радиационными повреждениями.

Адаптация к высоким дозам излучений основана на механизмах, участвующих в исправлении повреждений, вызываемых облучением. Известны три независимые системы репарации повреждений ДНК, индуцируемых облучением. Одна из них представляет собой обратную фотохимическую реакцию, происходящую под действием видимого света и фотореактивирующего фермента; вторая — вырезание и замещение поврежденного участка ДНК до ее репликации, а третья — пострепликативную репарацию. Первый из упомянутых механизмов действует только на пиримидиновые димеры, индуцируемые ионизирующим излучением. Многие организмы для защиты от неблагоприятного воздействия радиации используют все три системы. Несмотря на то, что репаративные механизмы имеются у всех исследованных в этом отношении микроорганизмов, последние различаются по своей способности переносить облучение. Самый яркий пример такой вариабельности — исключительно высокая резистентность М. radiodurans и родственных ему видов. Одно из последствий облучения — возникновение мутаций — может дать организму преимущество при отборе.

Радиорезистентность, можно разделить на две большие группы. К первой относятся системы, предотвращающие возникновение повреждений в клетке. Вторая включает механизмы, которые восстанавливают (репарируют) повреждения в ДНК.

Имеется корреляция между резистентностью организма и уровнем радиации в среде его обитания. Так, микроорганизмы, выделенные из радиоактивных минеральных источников, в 3— 10 раз более резистентны к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной воды.

Обнаружен вид Pseadomonas, обитающий в ядерных реакторах, где средняя доза излучения, по-видимому, превышает 106 ФЭР (физический эквивалент рентгена).

В связи с такими случаями явной адаптации микроорганизмов к радиоактивному излучению был поднят вопрос о том, насколько вероятно появление радиорезистентных организмов при использовании облучения для стерилизации. Действительно, Micrococcus radiodurans, обладающий наиболее высокой радиорезистентностью из всех изученных бактерий, был первоначально обнаружен в консервированном мясе, которое подвергалось Y-облучению в дозе несколько мрад. Этот организм может переносить дозы облучения до 500 крад без какой-либо заметной инактивации.

Более устойчивы к излучению грамположительные микробы и менее устойчивы грамотрицательные. Повышенная устойчивость к излучениям отмечена у клостридий ботулизма: они погибают только после воздействия на них дозами в 25—40 кГр. Для достижения стерильности в некоторых случаях необходимо излучение в 50 кГр. Устойчивы к излучению и риккетсии; их устойчивость примерно такая же, как и у спор бацилл.

Некоторые микробы (возбудитель сибирской язвы, кишечная палочка и др.) приобретают устойчивость к излучениям. После нескольких облучений она у них повышается в два или более раза.

Для радиорезистентных организмов обычно характерна усиленная пигментация, что чаще всего является причиной резистентности. Пигменты действуют как «энергетические ловушки», препятствующие радиации или ее продуктам достигать ДНК или любых других жизненно важных мишеней.

Резистентность может быть обусловлена также присутствием определенных продуктов метаболизма (внутриклеточных радиопротекторов). Защитное действие экстрактов из М. rаdiodurans связано с уменьшением выхода радикалов при участии механизма, аналогичного тому, который действует в отношении известных химических веществ-протекторов.

Радиорезистентность может определяться уровнем каталазной активности в. клетке. Было показано, что для некоторых бактерий с повышенной радиорезистентностью характерно высокое содержание каталазы.

С возрастанием радиорезистентности увеличивается длина клеток: значительная часть клеток наиболее резистентных штаммов была в 30—40 раз длиннее нормальных. У клеток этих штаммов наблюдалось также своеобразное явление почкования.

Увеличение содержания ДНК в клетке служит одним из факторов ее радиорезистентности. Это может быть обусловлено либо увеличением числа нуклеоидов в клетке, либо ее полиплоидностью.

В основе радиорезистентности бактерий лежат разнообразные внутриклеточные процессы, участвующие в репарации поврежденной ДНК.

Эксцизионная репарация требует присутствия ферментов, которые узнают нарушения структуры ДНК, удаляют затронутые участки, замещая их нормальными нуклеотидными последовательностями, и, наконец, восстанавливают первоначальную структуру ДНК, замыкая полинуклеотидную цепь. За разрывом цепи ДНК следует дополнительная деградация ДНК с образованием брешей. Затем бреши заполняются с помощью ДНК-полимеразы, использующей в качестве матрицы интактную комплементарную цепь ДНК. Заключительный шаг в этой последовательности событии состоит в восстановлении целостности полинуклеотидной цепи в результате сшивания разрыва лигазой.

Большинство микроорганизмов не способно репарировать двухцепочные разрывы ДНК. Однако бактерия Мicrococcus radiodurans обладает способностью к репарации таких разрывов. Ионизирующее излучение индуцирует у М. radiodurans освобождение связанной с клеточной поверхностью экзонуклеазы, чем и объясняется его высокая резистентность к ионизирующему излучению.

7.Роль стрессосом как факторов выживания микроорганизмов

О кризисных явлениях в окружающей среде большинству бактерий сигналит особый центр. Этот центр чаще всего является крупной молекулой и назван «стрессосомой». Как правило, бактерия имеет в своём составе около 20 стрессомом. Когда бактерия оказывается в опасной ситуации, сигнал передается с поверхности клетки внутрь, предупреждая бактерию об угрозе выживанию.

Стрессосомы, получая сигнал опасности, формируют ответ в виде отделения нескольких белков. Эта белковая структура провоцирует серию сигналов внутри клетки, позволяющих ей адаптироваться и выжить в новой среде.

Стрессосомы клетки являются важнейшими элементами для защиты клетки, поскольку они позволяют очень быстро реагировать на опасность. Цепные реакции, происходящие в результате их активации, позволяют бактерии адаптироваться к изменениям в её окружающей среде почти мгновенно. Каскад событий внутри бактериальной клетки, который возникает вследствие сигнала стрессосомы, заставляет конкретные гены внутри клетки усиливать процесс трансляции. Это означает, что некоторые гены внутри клетки включаются в момент опасности и вызывают увеличение количества определённых белков. Именно такие изменения в клетке позволяют ей выживать во враждебных ей условиях.

Задание 8. Дайте развернутый ответ на вопрос: каковы перспективы развития биотехнологии, клеточной генной инженерии в мировом обеспечении продуктами, медикаментами и другими товарами?

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения разнообразных технологических задач. Термин «биотехнология» появился почти сто лет назад и до 70-х годов XX века означал процессы модификации микроорганизмов, растений и животных путем искусственного отбора и гибридизации. Затем, бурное развитие методов генной инженерии значительно расширило понятие биотехнологии. Сейчас под биотехнологиями понимается настолько широкий комплекс научных направлений, что для оценки их текущих достижений и дальнейших перспектив каждое направление нужно рассмотреть отдельно.

1. Генная инженерия в применении к растениям.

Продовольственная проблема является одной из важнейших проблем человечества. Особенно остро она стоит в развивающихся странах, где происходит стремительный рост населения до 100 млн. человек в год, и очень развито сельское хозяйство. Численность населения в мире уже превысила 7 млрд. человек и неуклонно растёт, что требует резкого увеличения объемов производства продуктов питания. Несмотря на то, что за последние 40 лет традиционное производство сельскохозяйственной продукции выросло более чем в 2 раза, дальнейший рост представляется маловероятным. Большая часть пригодных к возделыванию земель уже вовлечена в сельскохозяйственное производство.

Неудивительно, что первые опыты по выращиванию генно-модифицированных культурных растений вызвали в мировом сообществе гигантский ажиотаж и веру в светлое будущее. Технология обещала быстро завалить мир продукцией, полученной из новых растений со значительно увеличенным урожаем, устойчивых к вредителям и неблагоприятным факторам среды. Реальность, впрочем, несколько скорректировала эти радужные мечты.

Генетическая инженерия отличается от традиционной селекции тем, что при селекции перенос генов осуществляется только между близкородственными растениями, генная же инженерия позволяет перенести в растение гены из любого организма. Генетическая инженерия - получение новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм. Цель заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Необыкновенная притягательность трансгенов кроется также в том существенном факте, что биотехнологии позволяют выводить новые культуры за 2-3 года. Обычные же методы селекции путем отбора и скрещивания - это 10 и более лет.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

- расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

- быстрое секвенирование всех нуклеотидов в очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

- конструирование рекомбинантной ДНК;

- клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

- введение рекомбинантной ДНК в клетки непосредственно или с помощью переносчиков – модифицированных бактерий или вирусов.

В 70-х годах группа американских исследователей сообщила о выделении в лаборатории первой гибридной молекулы ДНК – то есть генетического материала, объединившего в себе гены разных организмов. С этого момента формально и взяла старт генная инженерия. В 1983 году американцы вывели трансгенный табак, неуязвимый для определенного вида вредителей. Уже через 4 года трансгенные растения, устойчивые к насекомым и гербицидам, поступили в массовую продажу. Сейчас самые распространенные ГМ-растения - соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, картофель. Всего в мире допущено к производству более 140 линий генетически модифицированных растений, под их производство занято более 7% всех посевных площадей в мире.

Чаще всего культурные растения наделяют устойчивостью к гербицидам, насекомым или вирусам. Устойчивость к гербицидам позволяет «избранному» растению быть невосприимчивым к смертельным для других дозам химикатов. В результате поле очищается от всех лишних растений, то есть сорняков, а культуры, устойчивые к гербицидам, выживают. Устойчивая к насекомым флора становится поистине бесстрашной: например, непобедимый колорадский жук, съедая листик картофеля, погибает. Почти все такие растения содержат встроенный ген природного токсина, вырабатываемого земляной бактерией Bacillus thuringiensis.

Был созданы растения, в которые для увеличения морозоустойчивости вживили ген североамериканской камбалы. Гибрид томата и рыбы получил неофициальную кличку "завтрак Франкенштейна".

Проводились также опыты по выращиванию помидоров-гигантов кубической формы, риса с повышенным содержанием каротина, изменению цвета хлопка, и даже по созданию растений, светящихся в темноте.

Несмотря на первоначальные успехи, у генной инженерии растений сразу же появились скептики. Противники ГМО утверждали, что влияние новых белков, которые продуцируют встроенные в ГМО чужеродные гены, неизвестно и последствия невозможно предугадать. К тому же часть генетического материала переносчиков могла встраиваться в геном полученного организма с непредсказуемыми следствиями. К сожалению, такие опасения оказались обоснованными.

Как оказалось, исследования по влиянию ГМО на животные организмы проводились в слишком короткие сроки, недостаточные для полного изучения влияния. Мало того, по признанию некоторых ученых, работающих в биотехнологической отрасли, они были вынуждены изменить данные своих результатов по «настойчивой просьбе» спонсоров. Например, еще первое предмаркетинговое исследование генетически модифицированного томата на безопасность, проведенное в США в 1994 г., официально было признано успешным и послужило основанием для разрешения не только его продажи в магазинах, но и для "облегченной" проверки последующих ГМ-культур. Однако позже открылось, что в течение двух недель после его проведения 7 из 40 подопытных крыс умерли, и причина их смерти неизвестна.

В конце 90-х годов английские ученые на основании проведенных опытов впервые заявили о том, что употребление подопытными крысами генетически модифицированного картофеля привело к серьезным повреждениям их внутренних органов и иммунной системы. У животных возник целый набор серьезных изменений желудочно-кишечного тракта, печени, зоба, селезенки. Но самое зловещее - уменьшился объем мозга.

Тогда же были вовремя остановлены опыты по введению в сою генов бразильского ореха. В продажу мог быть выпущен аллерген, смертельно опасный для тысяч людей, не переносящих орехи. Причем тестирование животных не выявило опасности, а тестирование ГМ-продуктов на людях-аллергиках не входит в обязательную программу испытаний новых продуктов. Так что аллерген был вовремя замечен только по счастливой случайности.

Проведенная в России в 2006 году проверка влияния ГМ-сои, устойчивой к гербициду раундапу, на потомство лабораторных крыс показала повышенную смертность крысят первого поколения, недоразвитость выживших крысят, патологические изменения в органах и отсутствие второго поколения.

Возможным ущербом для здоровья людей опасность ГМО-растений не ограничивается. Доказано, что некоторые ГМ-растения смертельно опасны для живущих на поле или рядом с ним грызунов и насекомых. Последствия нарушения биоценоза в окрестностях плантаций таких ГМ-растений никто не берётся предсказать.

Также существует реально доказанная опасность передачи трансгена от культурного растения его дикорастущим сородичам. В результате может получиться устойчивый к действию пестицидов и гербицидов, не боящийся ни жары, ни холода, не угрызаемый жуками и паразитами и страшно плодовитый суперсорняк. По этой причине, в США, являющихся лидером в создании и производстве ГМ-растений, плантации натуральных и генетически модифицированных растений далеко разнесены друг от друга. Например, во Флориде ГМ-хлопок разрешено выращивать только в северной части штата, а натуральный – в южной.

Обещанное увеличение урожая оказалось не столь значительным, чтобы закрыть глаза на многочисленные страшилки генно-модифицированных растений. В итоге восторженное настроение в мире сменилось на осторожное. В Европе целые города и округи позиционируют себя как «зоны, свободные от ГМО». В России производство ГМО запрещено (а импорт почему-то разрешён). У нас в продажу допускаются продукты с добавлением ГМО. По закону, если их содержание превышает 0,9% от общего объёма, на упаковке таких продуктов должно быть нанесено предупреждение. Есть сведения, что в нашей стране этот порядок не всегда соблюдается.

Перспективы: Скептические. В 2008 г. ООН и Всемирный банк впервые выступили против крупного агробизнеса и генетически-модифицированных технологий. Эксперты ООН убеждены, что в голоде сотен миллионов людей заинтересован крупный агробизнес, который строит свою политику на создании искусственного дефицита продовольствия. Впервые ООН фактически осудила использование в сельском хозяйстве генетически-модифицированных технологий, поскольку они, во-первых, не решают проблемы голода, а во-вторых, представляют угрозу здоровью населению и будущему планеты.

В последние годы сложилось впечатление, что крупные агропромышленные корпорации потихоньку сворачивают исследования по генной модификации растений и переключаются на более благодарную сферу деятельности - микроорганизмы.

2. Генная инженерия микроорганизмов.

2.1. Биосинтез.

Корни биотехнологии применительно к микроорганизмам уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, брожение с участием микроорганизмов, было известно и широко применялось еще в древнем Вавилоне.

Микроорганизмы синтезируют целый ряд ценных веществ. С развитием генной инженерии удается не только увеличить продуктивность биосинтеза, но и получать вещества, химическое производство которых ранее было невозможно. Пищевые добавки, аминокислоты, витамины, ароматизаторы, ферменты – вот далеко не полный перечень веществ, которые получают при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. В ряде случаев, биотехнологические методы производства этих соединений уже заменили традиционный химический синтез.

Преимущества биотехнологического производства с использованием генетически модифицированных микроорганизмов очевидны: микроорганизмы быстро растут и, в большинстве случаев, легко культивируются. В отличие от традиционного химического синтеза, биосинтез протекает при нормальных условиях, а значит, для него не требуется создание таких дополнительных условий как повышенная температура, давление, или применение агрессивных химикатов.

Генетически модифицированные микроорганизмы используются в настоящее время для производства фармацевтических препаратов, вакцин, продуктов тонкого органического синтеза, пищевых добавок и других сопутствующих соединений пищевой промышленности. Вот только некоторые примеры продуктов микробного синтеза: витамин B2, витамин С, лимонная кислота, консерванты натамицин, низин, лизоцим, аминокислоты глутамат, аспартам, цистеин. Впечатляющим успехом является производство в промышленных масштабах человеческого инсулина, вырабатываемого генно-модифицированной кишечной палочкой.

Кроме крупных корпораций, биосинтезом сейчас занялись небольшие стартапы, выращивающие генно-модифицированные дрожжи. Роботизированные системы тасуют гены иногда с умыслом, иногда случайным образом, получая и проверяя десятки тысяч штаммов в месяц. Наиболее удачные выращиваются на продажу в чанах вместимостью 200 тыс. л в Бразилии — поближе к сахарному тростнику, который служит дрожжам пищей. Таким образом им удается получать различные вещества, гораздо более дешевые, чем оригиналы – от пряностей (ваниль, шафран, экстракты цитрусовых и сандалового дерева) до лекарств (пока известно о морфине и противомалярийном препарате артемизинине).

Методы биосинтеза с использованием микроорганизмов встречают в мире гораздо меньшее сопротивление, чем выращивание генно-модифицированных растений. Связано это с тем соображением, что в качестве продукции биосинтеза человеком употребляются не сами микроорганизмы, а продукты их метаболизма. Считается, что методы контроля качества исключают попадание генетического кода бактерий и грибов в конечный продукт, и этот продукт ничем не отличается от природного оригинала.

Нельзя, правда, не вспомнить о случае в США в конце 80-х годов, когда бактерия, генно-модифицированная для производства пищевой добавки триптофан, стала вдруг по неизвестным причинам также вырабатывать токсичное вещество этилен-бис-триптофан. В результате употребления пищевой добавки погибло 38 человек, и более тысячи стали инвалидами. К счастью, в дальнейшем подобных крупных инцидентов не было зафиксировано.

Перспективы: Очень хорошие. Единственные недовольные голоса раздаются от разоряющихся производителей тех натуральных веществ, чья продукция постепенно вытесняется биосинтезом. Впрочем, подобные соображения в мире ещё никого не останавливали.

2.2. Использование микроорганизмов для утилизации промышленных и бытовых отходов.

Биотехнология активно применяется в целях очистки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и др.) от загрязняющих веществ. Кроме того, существенным является не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторичного сырья.

Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. В начале ХХ века произошла революция в очистке сточных вод с помощью активного ила - сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывно аэрировать её воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объёмы стоков с самыми разнообразными загрязнениями от хозяйственно-бытовых до промышленных. Оставшийся ил затем подвергают брожению с получением ценного удобрения.

Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.

С утилизацией твердых отходов дело обстоит сложнее. Например, различные пластмассы, составляющие сейчас, наверное, основной компонент городских свалок, разлагаются в естественных условиях за сотни лет. Эффективной технологии микробиологической переработки пластмассы пока не найдено. Тем не менее, недавно появились сообщения, что на пластиковом мусоре, скапливающемся в океанах в виде плавучих островов, обнаружены обширные колонии микроорганизмов. На поверхности пластика при тщательном осмотре были найдены микроскопические трещины и ямки, появление которых косвенно демонстрирует способность данных микробов разлагать углеводороды. Это оставляет надежду на разработку технологии биодеградации пластмасс в ближайшем будущем.

Описаны также опыты по успешному очищению почвы от загрязнения пестицидами, ртутью и тяжелыми металлами. Опытные участки засеиваются модифицированными бактериями, способными перерабатывать или связывать опасные вещества. Причем бактерии высеиваются вместе с питательным веществом, дозировка которого строго рассчитана. По прошествии определенного срока времени питательное вещество заканчивается и бактерии, сделав своё дело, погибают. Так предотвращается неконтролируемый рост модифицированных бактерий. Технология, безусловно, будет в дальнейшем развиваться.

В 2010 году в Мексиканском заливе в ликвидации последствий разлива нефти участвовали бактерии-деструкторы, выведенные российскими учеными.

Перспективы: С неизбежностью хорошие. Переработка промышленных и бытовых отходов микроорганизмами - дело, конечно, хлопотное. Особенно по сравнению с излюбленным традиционным методом утилизации - «свалил всё в овраг и забыл». Однако непрекращающийся рост промышленного производства и вообще населения Земли просто не оставляет альтернатив биологическим методам переработки отходов и загрязнений.

2.3. Биотопливо.

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

Биогаз можно получать практически из любого органического сырья. Раньше биогаз ассоциировался только с навозом, но сейчас его также получают из разнообразных отходов пищевой промышленности. Даже из отходов деревообрабатывающей промышленности можно извлекать биогаз, хотя целлюлоза и лигнин разлагается бактериями дольше.

Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. В ряде стран Европы активно используются автобусы на биогазе.

В развивающихся странах Азии строят недорогие малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 40 млн биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек.

Еще одно перспективное биотопливо - обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы (из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника). Большим потенциалом также обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд.

Биоэтанол используется в основном как топливо для двигателей автомобилей. Обычный двигатель внутреннего сгорания может работать на топливе с процентным содержанием этанола до 15%. Для использования чистого этанола созданы другие двигатели (они называются Flex-fuel - «гибкое топливо»). Многотопливными также являются двигатели всех современных танков.

Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Содержащийся в этаноле кислород позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 % содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы угарного газа — на 30 %.

Перспективы: Хорошие. Речь, конечно же, не идёт о полном переводе всей экономики Земли на биотопливо, мощностей просто не хватит. Тем не менее, этот экологически чистый источник энергии является существенным подспорьем для экономики стран с развитым агропромышленным комплексом, и, наоборот, для мелких крестьянских хозяйств в развивающихся странах.

3. Генная инженерия в применении к животным.

В отношении генно-модифицированных животных справедливы, в принципе, те же опасения, что и в случае генно-модифицированных растений. В настоящее время мясо генетически модифицированных животных использовать в пищу запрещено. Исследования тем не менее проводятся, в том числе и в нашей стране. Имеются определённые достижения в этой области и направления использования трансгенных животных весьма разнообразны. Одним из них является создание животных с улучшенными хозяйственными признаками: повышенной продуктивностью (например, усиление роста шерсти у овец). Другое — использование в качестве биофабрик по наработке различных медицинских препаратов (инсулина, интерферона, фактора свертываемости крови и гормонов), которые выделяются с молоком. Ведутся работы по созданию трансгенных свиней, чьи органы не отторгаются иммунной системой человека и могли бы использоваться для трансплантации.

Трансгенные лабораторные животные широко используются в исследовательских целях — на них моделируют различные заболевания человека, отрабатывают методы лечения, изучают функции различных генов и др. Дикой популярностью в лабораториях пользуются зелёные флуоресцирующие мышки, которым внедрили ген медузы Aequorea victoria.

Перспективы: Неясные. Методы изменения генетической информации у животных намного сложнее, чем у растений или микроорганизмов. По словам ученых, многое декларируется, но не всё получается. ГМ-животные вряд ли будут в дальнейшем использоваться в качестве пищи, а вот в медицинских целях - вполне возможно.

4. Генная инженерия в медицине.

Наиболее захватывающие перспективы открываются перед генной инженерией именно в медицине. Производство лекарственных препаратов с помощью генно-модифицированных организмов и опыты по трансплантации органов животных уже упоминались. Но нас ждет нечто новое - генная терапия человека.

На людях технология генной инженерии была впервые применена для лечения четырёхлетней девочки, страдавшей от тяжёлой формы иммунодефицита. Работающая копия необходимого ей гена была введена в клетки крови с помощью модифицированного вируса. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

Наибольшие ожидания связаны с использованием стволовых клеток. Они являются неспециализированными клетками, которые возобновляют сами себя в течение долгого времени путем клеточного деления. При определенных физиологических или экспериментальных условиях они могут быть индуцированы для превращения в клетки со специальными функциями, такие как клетки сердечной мышцы или инсулин-синтезирующие клетки поджелудочной железы.

Области применения стволовых клеток обширны. Их можно пересадить в пораженный орган, где стволовые клетки превращаются в здоровые соматические. Так, в Японии в декабре 2007 года сообщили об успешном завершении эксперимента по восстановлению работы сердца путем пересадки клеток-миобластов, извлеченных из скелетной мышцы пациента. Новый метод оказался настолько эффективным, что врачи решили отказаться от пересадки сердца, которая была рекомендована больному до начала лечения.

Из стволовых клеток уже удалось вырастить в пробирке ткани печени, мышц, нейроны, роговицу глаза и даже целый мочевой пузырь. В ближайшем будущем ожидается, что из стволовых клеток пациента можно будет выращивать целые здоровые органы и пересаживать их донору клеток. Иммунная система должна принять такой орган за родной, что исключит возможность отторжения.

До недавнего времени в экспериментах использовались клетки эмбриона человека. По этическим соображениям, в развитых странах лечение стволовыми клетками было запрещено, но проводилось подпольно или в странах третьего мира без должного контроля. Существует мнение, что именно лечение некачественно очищенными стволовыми клетками привело к заметному изменению внешности бывшего президента Украины Ющенко.

Настоящая революция в генной терапии произошла в 2006 году, когда японскими учеными были получены так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) из фибробластов взрослой мыши. Команда Шинья Яманака из Университета Киото определила гены, которые особенно активны в эмбриональных стволовых клетках, и использовала ретровирусы для трансфекции некоторых из этих генов в фибробласт. В следующем году эта же команда получила стволовые клетки из фибробласта человека, а затем - из клеток кожи и крови. А в 2012 году китайские ученые получили стволовые клетки и вовсе из урины (точнее, из эпителиальных клеток почек, выделяемых человеком в окружающую среду).

Самое невероятное, что в процессе перепрограммирования дифференцированных клеток в стволовое состояние и обратно, над генетическим материалом можно провести корректирующие манипуляции. Затем дважды перепрограммированные, но уже здоровые клетки возвращаются в исходный организм. Для демонстрации этой возможности в лаборатории профессора Рудольфа Джениша избавили взрослую мышь от ранее неизлечимого генетического заболевания - серповидно-клеточной анемии.

В конце текущего 2013 года в Японии впервые собираются провести лечение людей новым методом - пациентов с тяжелой формой возрастной дегенерации желтого пятна – заболеванием, являющимся наиболее распространенной причиной слепоты среди людей старше 50 лет. Планируется взять биопсию кожи с предплечья пациента размером с горошину и выделить его взрослые клетки, которые затем, путем внесения специальных белков, будут перепрограммированы в ИПСК. Добавление других факторов приведет к трансформации ИПСК в клетки сетчатки. Затем небольшой пласт клеток будет помещен в поврежденную область сетчатой оболочки глаза, где при удачном исходе вмешательства клетки начнут расти и восстанавливать пигментный эпителий.

В текущем 2013 году появились сообщения, что исследователи из Калифорнийского Университета Сан-Франциско разработали новый способ точного «выключения» генов, названный CRISPR-интерференция. Разработанная технология основана на поиске короткой последовательности ДНК в геноме и контроле экспрессии гена там, где эта последовательность расположена. Исследователи намерены далее объединить эту платформу с ферментом, который запустит систему не только для выключения, но и включения генов.

Комбинация CRISPR-интерференции и перепрограммирования клеток сулит фантастические возможности для лечения людей на самом глубинном генетическом уровне из всех возможных. Управляя точным включением и выключением генов, а значит, управляя генерацией в организме конкретных белков и ферментов, можно в перспективе вылечить абсолютно любое заболевание вплоть до рака и СПИДа.

Перспективы: Захватывающие. Мы стоим на пороге величайших достижений в медицине. На наших глазах начинают осуществляться самые невероятные достижения генной инженерии в лечении человека.

Приложение: Презентация «Перспективные направления биотехнологии»