Підручник Біологія 9 клас - С. В. Межжерін - Підручники і посібники 2017

Тема 9. БІОЛОГІЯ ЯК ОСНОВА БІОТЕХНОЛОГІЇ ТА МЕДИЦИНИ

§ 59. Біотехнології. Клітинна інженерія та клонування

Терміни й поняття: біотехнологія, генетична (генна) інженерія, клітинна інженерія, химерні організми, гібридизація клітин, клонування.

Біотехнологія та перспективи людства. За визнанням багатьох авторитетних учених, XXI ст. повинно стати століттям біотехнології та генетики. Це викликано тим, що застосування біологічних властивостей і процесів у промисловості є більш перспективними, ніж просто використання традиційних способів виробництва, що базуються на технологіях, розроблених за законами й правилами фізики та хімії. Зазвичай у наш час під терміном «біотехнологія» розуміють різноманітні лабораторні маніпуляції з генетичним апаратом, які спричиняють появу нових клітин, з яких виростають організми з потрібними властивостями. Однак не потрібно думати, що біотехнологія — дітище лише сучасної науки. Термін «біотехнологія» запропонував угорський інженер Карл Ерек ще в 1917 р., коли описував процес виробництва свинини. Отже, це значно ширше поняття, ніж генетична інженерія. Правильним буде вважати, що медицина, сільське господарство та харчова промисловість і навіть біологічна зброя — це не що інше, як різноманітні біотехнології. Отже, біотехнологія — це галузь знань, спрямована на використання живих організмів для розв'язання важливих практичних завдань, що постали перед людством. Ця наука використовує знання генетики, екології, молекулярної біології, біохімії, ембріології, клітинної біології, а також прикладних дисциплін — хімічної, фізичної та інформаційної технологій, робототехніки.

Напрями біотехнології. Біологічні процеси завжди використовувалися людиною в практичних та промислових потребах. І це не лише одомашнення, вирощування чи розведення рослин і тварин, а й виробництво харчових продуктів. Адже випікання хліба, виготовлення кисломолочних продуктів, квасу чи пива, консервація м'яса чи виготовлення ковбаси — це справжні біотехнології, які людство опанувало вже тисячі років тому (іл. 59.1).

Іл. 59.1. Випікання хліба (а), виготовлення квасу (б) та консервація м'яса (в) — дуже давні біотехнології

Більш сучасними напрямами біотехнологій є отримання різних форм біопалива та створення штучного фотосинтезу з метою використання енергії Сонця в потребах людини. Дуже важливим напрямом завжди були медицина й охорона здоров'я — це виготовлення найрізноманітніших ліків, профілактика захворювань, створення вакцин проти нових хвороб та препаратів, що запобігали б алергіям, тощо. Величезні запити на нові біотехнологічні розробки існують від екологів, адже для очищення брудної води використовують бактерії, їжею яким може слугувати нафта, пестициди та інші забруднювачі середовища.

Особливості сучасних біотехнологій. Найсучасніші біотехнології мають певні ознаки, що відрізняють їх від традиційних. Голова відмінність та, що зараз під час створення нових технологій використовують штучно створені організми з новими біологічними властивостями, які ніколи не існували в природі. Наприклад, створення сортів пшениці з генами бактерій, що дозволяють культурним рослинам бути резистентними до певних комах-шкідників, патогенних грибків або до дії гербіцидів (отрутохімікатів, які знищують бур'яни); створення бактерій з генами, що синтезують людський інсулін. Це можуть бути організми, що складаються з клітин зовсім різних видів. За допомогою яких методів отримують таких дивовижних істот?

Існують два основні методи: клітинна інженерія — різноманітні дії з клітинами, які мають на меті одержання гібридних, химерних та клонових організмів: генетична, або генна, інженерія — різноманітні прийоми та методи, що дозволяють виводити певні гени з генетичного апарату одних організмів й уводити їх в інші.

Химерні організми. Одним з найбільш відомих напрямів клітинної інженерії є створення біологічних химер. У давньогрецькому міфі Химера (від грец. хімера — молода коза) — істота з левиною головою, козячим тулубом і хвостом дракона.

Зрозуміло, такого монстра породила людська фантазія, однак у біології прижилося таке поняття, як біологічна химера, або химерний організм.

Цей термін застосовують до організмів, що складаються з генетично різнорідних клітин, або, науковою мовою, — із соматичних клітин організмів, що беруть свій початок від різних зигот (іл. 59.2). Незважаючи на «жахливу» назву, найчастіше химери — це добре відомі всім організми: дика яблуня, на яку прищеплена гілка певного сорту, й прекрасна троянда, що квітне на корені шипшини. Химерою є яблуня, у крону якої прищеплена гілка груші.

Крім таких «садових» химер, сучасна наука використовує химери, які отримують у лабораторних умовах.

Для цього за допомогою спеціальних маніпуляцій здійснюють гібридизацію клітин, тобто зливають дві клітини в одну. Це можуть бути як клітини одного виду, так і клітини зовсім різних видів, наприклад, людини і миші. Зрозуміло, що такі гібридні клітини практично нежиттєздатні.

Навіщо ж потрібні лабораторні химери? Часто їх використовують для створення нових декоративних рослин.

Крім того, за їх допомогою вивчають клітинні процеси, зокрема роботу генетичного апарату. Саме вони допомагають вивчати генетичні закономірності сумісності тканин під час трансплантації органів. Клітинна інженерія важлива й для вчених, які вивчають причини виникнення та механізм розвитку ракових пухлин.

Штучне клонування. Ще одним з напрямів клітинної інженерії є штучне клону вання. Цим терміном позначають процес вирощування із соматичних клітин у лабораторних умовах низки генетично тотожних організмів — клону. Результату досягають різними шляхами, однак обов'язково завдяки мікрохірургічній техніці. За допомогою мікроскальпеля вдається легко поділити ембріон ссавця на кілька частин у стадії перших поділів дробіння, а потім з кожної частини виростити організм. Цей процес насправді є ніщо інше як штучне створення низки монозиготних блюзнюків. Оскільки близнюки, що походять від однієї зиготи є генетично тотожними, то їх цілком правильно називають клоном. Слід зазначити, що ембріони ссавців добре зберігаються за умови наднизьких температур.

Перше штучне клонування серед хребетних тварин було здійснене ще в 50-х роках XX ст. і мало дещо інший вигляд. З метою отримання клону особин з клітин епітелію кишечнику пуголовка жаби озерної вилучали ядра, які потім підсаджували до яйцеклітин, з яких попередньо видаляли ядра. Якщо операція проходила вдало, яйцеклітини починали дробитися й з них розвивалися пуголовки, які в деяких випадках доростали до дорослого стану. Варто зазначити, що більшість таких «гібридних» особин мали значні вади розвитку й досить низьку життєздатність (іл. 59.3).

Здавалося б, подібні маніпуляції з клітинами амфібій, що нині стали звичайними в добре оснащених лабораторіях, можна проводити у значних масштабах, зокрема на ссавцях і людині. Однак більшість подібних спроб дотепер залишаються марними.

Іл. 59.2. Строкаті кімнатні фіалки — справжні химерні організми, бо складаються з генетично різних клітин

Іл. 59.3. Клонування зелених жаб:

1 — незапліднене яйце; 2 — ультрафіолетове опромінювання, за допомогою якого знищують ядро; 3 — пуголовок, у якого беруть клітини кишечнику; 4 — клітини кишечнику; 5 — мікропіпетка з ядром клітини кишечнику; 6 — яйце, до якого переносять ядро; 7 — бластула; 8 — випадок, коли розвиток не відбувається; 9 — ненормальний розвиток ембріона; 10 — пуголовок, що розвивається з нормальної бластули; 11 — жаба

Наприклад, у ссавців пересадження ядра епітеліальної клітини в яйцеклітину з наступним розвитком зародка та його успішним народженням виявилися складними процесами, адже генетичний апарат ссавців складніший, ніж в амфібій, а головне — розвиток ембріону ссавців відбувається всередині іншого (материнського) організму.

Однак вважають, що й у справі клонування ссавців досягнуто певних успіхів. Найбільш відомим випадком одержання клонового ссавця з ядер соматичної тканини стала вівця Доллі (1966 р., Велика Британія). В експерименті було задіяно 277 яйцеклітин, до яких були пересаджені ядра епітелію, вилучені з вим'я самок овець. У такий спосіб було отримано 29 ембріонів, один з яких вижив і став дорослою вівцею.

Перші успіхи породили привабливі перспективи. Здавалося, що в такий спосіб можна одержати клон геніального вченого, художника, музиканта і таким чином створити низку геніїв рівня Леонардо да Вінчі, «накарбувати» Рафаелів або Шаляпіних. Але, на жаль, сьогодні такий шлях вирішення проблеми безсмертя виявляється нереальним, а багато вчених вважають, що він принципово неможливий, адже в соматичних клітинах за період їхнього життя накопичується чимало мутацій. Навіть якби сурогатні матері й виносили дітей з клітин геніїв людства, такі нащадки не просто були б мало схожими на своїх геніальних батьків, а, найімовірніше, виявилися б виродками, які б узагалі довго не прожили (що до речі й трапилося з вівцею Доллі, яка прожила лише 6,5 років).

Біотехнології — це галузь людських знань, що спрямована на використання живих організмів для розв'язання важливих практичних завдань, що стоять перед людством, зокрема збільшення продовольства й зменшення нестачі енергії та мінеральних ресурсів, розробки нових ліків і методів лікування, поліпшення якості навколишнього середовища.

Сучасні біотехнології базуються на досягненнях генетичної й клітинної інженерії та мають за мету створення в лабораторних умовах організмів з досі невідомими, однак цінними для людини властивостями.

1. Що таке біотехнологія і які існують напрями її застосування? 2. Чим відрізняються сучасні біотехнології від традиційних? 3. Які організми в біології називають химерами? 4. Що таке клонування? 5. Чому завдяки клонуванню неможливо досягти безсмертя людини?

• Чи правильно вважати такі терміни, як «генетична інженерія» і «генна інженерія» повністю тотожними?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити