Важнейшие открытия в биологии ХХ века

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важнейшие открытия в биологии ХХ века

В XX веке с переоткрытием законов Менделя начинается бурное развитие генетики. К 1920-м гг. не только формируется хромосомная теория наследственности, но и появляются первые работы, ставящие своей задачей интеграцию нового учения о наследственности и теории эволюции. После Второй мировой войны начинается развитие молекулярной биологии. Во второй половине XX века был достигнут значительный прогресс в изучении жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровне.

Классическая генетика

1900 г. ознаменовался «переоткрытием» законов Менделя. Де Фриз и другие исследователи независимо друг от друга пришли к пониманию значимости работ Менделя. Вскоре после этого цитологи пришли к выводу, что клеточными структурами, несущими генетический материал, скорее всего являются хромосомы.

Схематическое изображение кроссинговера из работы Т.Х. Моргана

В 1910--1915 гг. Томас Хант Морган и его группа, работавшая на плодовой мушке дрозофиле, разработала «менделевскую хромосомную теорию наследственности». Следуя примеру Менделя, они исследовали явление сцепления генов с количественной точки зрения и постулировали, что в хромосомах гены расположены линейно, как бусы на нитке. Они начали создавать карты генов дрозофилы, которая стала широко используемым модельным организмом сначала для генетических, а затем и молекулярно-биологических исследований.

Де Фриз пытался соединить новую генетическую теорию с теорией эволюции. Он первым предложил термин мутация для изменений генов. В 1920--1930-х годах появилась популяционная генетика. В работах Фишера, Холдейна и других авторов теория эволюции, в конце концов, объединилась с классической генетикой в синтетической теории эволюции.

В 1980 г. Луис Альварес предложил метеоритную гипотезу вымирания динозавров. Тогда же в начале 1980х годов были статистически исследованы и другие явления массового вымирания в истории земной жизни.

Биохимия

В начале ХХ в. началось исследование витаминов. Улучшение техники лабораторных работ, в частности, изобретение хроматографии и электрофореза стимулировало развитие физиологической химии, и биохимия постепенно отделилась от медицины в самостоятельную дисциплину. В 1920-х--1930-х годах Ханс Кребс, Карл и Герти Кори начали описание основных путей метаболизма углеводов: цикла трикарбоновых кислот, гликолиза, глюконеогенеза. Началось изучение синтеза стероидов и порфиринов. Между 1930ми и 1950ми годами Фриц Липман и другие авторы описали роль аденозинтрифосфата как универсального переносчика биохимической энергии в клетке, а также митохондрий как её главного источника энергии. Эти традиционно биохимические области исследования продолжают развиваться до сих пор.

Происхождение молекулярной биологии

В связи с появлением классической генетики многие биологи, в том числе, работающие в области физико-химической биологии, пытались установить природу гена. Для этой цели Фонд Рокфеллера учредил несколько грантов, а чтобы обозначить задачу, глава научного отдела Фонда Уоррен Уивер ещё в 1938 г. использовал термин молекулярная биология. Он и считается автором наименования этой области биологии.

Как и биохимия, смежные дисциплины бактериология и вирусология (позже объединенные в виде микробиологии) в то время бурно развивались на стыке медицины и других естественных наук. После выделения бактериофага начались исследования вирусов бактерий и их хозяев. Это создало базу для применения стандартизированных методов работы с генетически однородными микроорганизмами, которые давали хорошо воспроизводимые результаты, и позволило заложить основы молекулярной генетики.

Кроме микроорганизмов объектами генетических экспериментов стали мушка дрозофила, кукуруза и хлебная плесень, что позволило применять также методы биохимии, а появление электронного микроскопа и высокоскоростных центрифуг позволило пересмотреть даже само понятие «жизнь».

В 1941 г. Бидл и Тейтем сформулировали свою гипотезу «один ген -- один фермент».

Основание теории биологической эволюции

Ч. Дарвин устанавливает основные факторы биологической эволюции - изменчивость, наследственность и отбор.

Согласно Ч. Дарвину, исходными факторами биологической эволюции являются индивидуальная, филогенетическая изменчивость и наследование приобретенных в онтогенезе признаков. Однако явления изменчивости и наследственности еще не объясняют в полной мере действительных причин биологической эволюции. Изменчивость сама по себе не несет какой-либо целесообразности, поскольку происходящие изменения могут быть для организма как полезными, так и вредными. Наследственность, в свою очередь, закрепляет и фиксирует лишь то, что доставляет ей изменчивость. Поэтому стояла задача найти реальную движущую силу биологического прогресса. Такой движущей силой, по мнению Дарвина, выступает механизм отбора и борьба за существование. Принцип естественного отбора заключается в том, что из массы живых форм, нарождающихся в геометрической прогрессии, сохраняются только те, которые оказываются наиболее приспособленными к условиям жизни. Следовательно, отбор предполагает сохранность и накопление таких признаков, которые обеспечивают организму выживание и наилучшее существование. Естественный отбор, или сохранение полезных организму признаков, происходит в борьбе за существование. Она представляет собой сложные внутри - и межвидовые отношения организмов. Борьба организмов за жизнь внутри вида, межвидовая борьба и борьба с неблагоприятными условиями природы - вот факторы, заставляющие организм приобретать и удерживать только такие признаки, которые необходимы для приспособления к условиям внешней среды и сохранения жизни. Выяснив факторы биологической эволюции (изменчивость, наследственность и отбор), Ч. Дарвин должен был теперь объяснить причины многообразия видов растений и животных. На основе наблюдений за животными, живущими в естественных условиях жизни, а также, опираясь на опыты по селекции растений и животных, Ч. Дарвин пришел к выводу, что для выживания организму выгоднее всего отличаться, а не быть похожим на другое существо: из прогрессивно размножающихся живых форм остаются только те, которые более всего различаются, а все промежуточные формы обречены на гибель и вымирание. Таким образом, ученым впервые было дано научное обоснование эволюции живых организмов во времени и пространстве.

Открытие стволовых клеток

«Ни одна область биологии при своем рождении не была окружена такой сетью предубеждений, враждебности и кривотолков, как стволовые клетки», - считает член-корреспондент РАМН, специалист в области медицинской клеточной биологии В.С. Репин. Хотя термин «стволовая клетка» был введен в биологию еще в 1908 г., статус большой науки эта область клеточной биологии получила в последнее десятилетие ХХ века.

В 1999 г. журнал «Science» признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних инструкций она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток.

Действительно, стволовые клетки - прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Таким образом, все клетки нашего организма возникают из стволовых клеток.

Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Они призваны восстанавливать и регенерировать организм человека с момента его рождения.

Потребности медицины в таком материале практически неограниченны. Только 10-20 процентов людей вылечиваются благодаря удачной пересадке органа. 70-80 процентов пациентов погибают без лечения на этапе ожидания операции.

Таким образом, стволовые клетки в каком-то смысле действительно могут стать «запчастями» для нашего организма. Но для этого вовсе не обязательно выращивать искусственные эмбрионы - стволовые клетки содержатся в организме любого взрослого человека.

Биоинженерия

Биоинженерия или биологическая инженерия -- направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине.

Биоинженерия (включая инженерию биологических систем) -- это применение понятий и методов биологии (и, во вторую очередь, физики, химии, математики и информатики) для решения актуальных проблем связанных с науками о живых организмах и/или их приложениями, с использованием аналитических и синтетических методологий инженерного дела, а также его традиционной чувствительности к стоимости и практичности найденных решений. В этой связи, в то время как традиционное инженерное дело применяет физику и математику для анализа, проектирования и изготовления неживых инструментов, структур и процессов, биологическая инженерия использует, в основном, быстро развивающуюся сферу молекулярной биологии для изучения и развития применения живых организмов.

Сфера деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов с помощью технических средств или поиска способов выращивания органов и тканей методами регенеративной медицины для компенсации пониженных либо утраченных физиологических функций (биомедицинская инженерия) и до разработки генетически модифицированных организмов, например, сельскохозяйственных растений и животных (генетическая инженерия), а также молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология).

Особенно важным приложением биоинженерии является анализ и эффективное (в рамках затрат) решение проблем, связанных со здоровьем людей, однако, оно не единственное: биологическая инженерия охватывает намного большую сферу знаний.

Слово «биоинженерия» было придумано британским ученым и диктором Хайнцом Вульфом в 1954 году. Понятие биоинженерия также используется для описания использования растительности в строительной инженерии.

Клонирование

Клонирование - это не экзотика. Клон (от греч. klon - ветвь, побег, отпрыск), ряд следующих друг за другом поколений наследственно однородных организмом (или отдельных клеток в культурах), образующихся в результате бесполого или вегетативного размножения от одного общего предка. Примером клона могут быть все сорта плодовых растений - груш, яблонь и др., полученные в результате размножения черенками, отводками, прививками, а также целые растения, выращенные из одной клетки. Однако в результате происходящих в пределах клона мутаций генотипическая однородность его относительна. У вегетативно размножаемых культурных растений (например, картофеля) часто сорта представляют собой отдельные клоны. Клонирование животных, искусственное получение генетически идентичных организмов с помощью экспериментальных манипуляций с яйцеклетками (ооцитами) и ядрами соматических клеток животных in vitro (в стекле, т. е в пробирке) и in vivo (на живом организме), подобно тому, как в природе появляются однояйцовые близнецы. Клонирование животных достигается в результате переноса ядра из дифференцированной клетки в неоплодотворенную яйцеклетку, у которой удалено собственное ядро, с последующей пересадкой реконструированной яйцеклетки в яйцевод приемной матери.

В конечном виде проблема клонирования животных была решена группой Яна Вильмута (Wilmut) в 1997, когда родилась овца по имени Долли - первое животное, полученное из ядра взрослой соматической клетки. В дальнейшем были проведены успешные эксперименты по клонированию различных млекопитающих с использованием ядер, взятых из взрослых соматических клеток животных (мышь, коза, свинья, корова).

Появление технологии клонирования животных вызвало не только большой научный интерес, но и привлекло внимание крупных компаний и финансового бизнеса во многих странах.

В целом технология клонирования животных еще находится в стадии развития. У большого числа полученных таким образом организмов наблюдаются различные патологии, приводящие к внутриутробной гибели или гибели сразу после рождения. Доля удачных опытов составляет 0,3-0,5%.

Клонирование - большая этическая проблема. В большом числе стран использование данной технологии применительно к человеку официально запрещено и преследуется по закону (США, Франция, Германия, Япония), причем во Франции, например, за эксперименты по клонированию человека предусмотрено тюремное заключение сроком до 20 лет.

Интеллект человека клонировать нельзя. Опять возникает проблема тела и "души живой".

Клонирование должно способствовать изучению проблем развития и старения организмов, лечения рака. В медицине представляется перспективной клеточная терапия на базе использования клонированных клеток. Такие клетки должны компенсировать недостаток и дефект собственных клеток организма и, главное, не будут отторгаться при трансплантации. Технология клонирования животных позволит, по-видимому, осуществлять и широкомасштабную ксенотрансплантацию органов, т.е. замену отдельных органов человека на соответствующие клонированные органы.

Список использованной литературы

наследственность хроматография молекулярный биология

1. http://ru.wikipedia.org.

2. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания.

3. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего.

4. Богданов А.А. Теломеры и теломераза.

Размещено на Allbest.ru