Современные направления в биологии

В обновленном кодификаторе экзамена (документ, утверждающий темы, которые проверяются на экзамене) появилось множество новых современных научных дисциплин.

Нанотехнологии – это конструирование, производство, применение структур, приборов, устройств и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне (1 нм = 0,000000001 м).

Основные направления:

• изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
• создание наномашин, механизмов и роботов размером с молекулу;
• манипуляция с атомами и молекулами, сборка различных объектов.

Нанобиотехнология – область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватывает широкий круг технологических подходов, включая:

• применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии;
• использование биологических молекул для нанотехнологических целей;
• создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в диапазоне 1–100 нм).

Примером нанобиотехнологий является создание различных нанообъектов из живых молекул, которые доставят лекарство именно в то место организма, где оно необходимо.

Примерами использования биологических макромолекул в нанобиотехнологии является так называемая ДНК-нанотехнология, использующая упорядоченную структуру молекул ДНК для разработки наноструктур определенной формы, а также разработка наномашин, прообразами которых являются молекулярные моторы живых клеток.

Это раздел генетики, изучающий наследуемые изменения активности генов во время роста и деления клеток, изменения синтеза белка, вызванных механизмами, не изменяющими последовательность нуклеотидов в ДНК.

Одним из примеров эпигенетических изменений является процесс дифференцировки клеток. Одна оплодотворённая яйцеклетка – зигота – даёт начало различным типам клеток: нейронам, мышечным клеткам, сосудам и пр. Это связано с активацией определенных генов во время деления.

Это раздел молекулярной генетики, изучающий геномы различных организмов и взаимодействие составляющих эти геномы генов.

Специалисты по геномике занимаются расшифровкой геномов различных обитателей Земли и сравнением их между собой.

Актуальный пример: изучение геномов коронавируса, сравнение геномов с ранними штаммами.

Значение науки: позволяет понять степень родства разных видов, а также проследить эволюцию отдельных групп организмов.

Медицинская геномика изучает связь различных заболеваний с генетическими аномалиями, помогает в профилактике и лечении многих заболеваний.

Это раздел молекулярной биологии, изучающий белки, их функции и взаимодействие в клетках разных организмов.

Основная задача протеомики: идентификация новых белков, их количественный анализ в клетке, ткани или в организме в определённый момент времени (то есть протеом).

Методы протеомики используются в медицине для постановки точных диагнозов, для поиска антигенов для создания новых вакцин, для диагностики, прогнозирования и лечения рака с помощью биомаркеров.

Сравнение протеомов здорового и больного человека позволяет выявить белки, способствующие развитию заболевания. Это используется в производстве новых лекарственных средств.

Биологическая безопасность – это сохранение живыми организмами своей биологической сущности, биологических качеств, характеристик, предотвращение потери биологической целостности.

Нарушение целостности может происходить в результате:

• внедрения чужеродных форм жизни в сложившуюся экосистему;
• введения чуждых вирусных или трансгенных генов;
• бактериального загрязнения пищи;
• воздействия генной инженерии или вирусов на органы и ткани;
• загрязнения природных ресурсов (воды, почвы).

В узком смысле, можно сказать, что биобезопасность – это деятельность человека, направленная на сохранение целостности биологической системы в определенных условиях. Чтобы было понятнее, рассмотрим конкретные примеры:

• Безопасность при работе с инфекционными агентами. При работе с инфекционными агентами следует руководствоваться практическими руководствами, в которых описывается соответствующее оборудование для безопасного хранения биологического материала, а также необходимое оснащение и мероприятия, которые должен выполнять персонал лабораторий.
• Безопасность при работе с генетически модифицированными организмами (ГМО). Биотехнология – это новая отрасль науки, и поэтому взаимодействие генетически модифицированных организмов (ГМО) с разнообразными экосистемами изучено еще не полностью. ГМО могут проявить свойства, не предусмотренные их разработчиками. Например, исходно безвредные микроорганизмы могут оказаться заразными, а растения – более конкурентоспособными, чем обычные растения того же или других видов.

Это раздел прикладной экологии, ориентированный на восстановление поврежденных, деградировавших или разрушенных экосистем, преимущественно с помощью активных хозяйственных мероприятий.

Существуют различные варианты действий, направленных на восстановление нарушенных экологических систем:

• полное восстановление того состояния, что было раньше;
• воссоздание экосистемы, по важным параметрам похожей на исходную (реабилитация);
• трансформация одной экосистемы в другую экосистему (замещение);
• невмешательство – самовосстановление экосистемы за счёт экологической сукцессии.