ЭКОЛОГИЧЕСКИЕАСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
О.В. Мосин
Современная биотехнология далеко ушла от той науки о живой материи, котораязародилась в середине прошлого века. Успехи молекулярной биологии, генетики,цитологии, а также химии, биохимии, биофизики, электроники позволили получитьновыесведения о процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Быстрый ростчисленности населения нашей планеты и увеличение потребления природных ресурсовпри постоянном уменьшении площадей агросферы — главного источника питания, корма и сырья дляперерабатывающей промышленности — уже более не позволяют развиватьотечественную экономику старыми советскими методами. При этомсущественная роль в этом процессе должна уделяться экологии. Но уже сегодняочевидно, что необходимо увеличивать продуктивность как агросферы, так и техносферы.
И хотясегодня мы наблюдаем неоправданные восторги в связи с наступлением научно-технической революции и ностальгию по уходящей эпохе с ее экстенсивными методамипроизводства. Несомненно то, чтонаучный прогресс в совокупности сэкологическим мышлением является основой развития человеческого общества.ПРЕДИСЛОВИЕ
Среди ученых нет единого точного определения понятия «биотехнология». Можно сказать, чтобиотехнология изучает методы полученияполезных для человека веществ и продуктов в управляемых условиях,используя микроорганизмы, клетки животных ирастений или изолированные из клеток биологические структуры. Биотехнология позволила управлять клеточным биосинтезом микроорганизмов, но биотехнология — понятие более широкое, чем микробный синтез, посколькуиспользуются не только микроорганизмы, но и культуры растительных иживотных тканей, протопласты, клеточныеферменты и любые биологическиесистемы, способные к биосинтезу или биоконверсии.
В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия,культивирование тканей многоклеточных организмов, иммунокоррекция, манипуляцияс половыми клетками и др. Тесно связана с биотехнологией биоинженерия. Ее задачи — созданиебиореакторов, аэрирующих устройств, оборудования для стерилизации питательных сред ивоздуха, разработкаконтрольной и измерительной аппаратуры, а также масштабирование и моделирование биотехнологических процессов. Биотехнологиятакже связана с такими науками, как физиология микроорганизмов, растений и животных, цитология, биохимия, генетика, биофизика, молекулярная биология.
Сегодня многочисленные биотехнологические процессы широко используютсяв отечественной пищевой промышленности. С их помощью удается увеличить продуктивность сельского хозяйства. Сразвитием биотехнологии поднялась на новый уровень фармацевтическаяпромышленность, возрастает роль биотехнологии в защите окружающей среды.Биотехнология вторгается в металлургию и горнодобывающую промышленность, добычу нефти, развивается новаяотрасль — биогеотехнология.
Сама биотехнология возникла в процессе развития технической микробиологии.Люди пользовались одноклеточными микроорганизмами давно, даже не подозревая обих существовании, хотя таинственные процессы брожения и необъяснимая ферментативная активность природныхсубстратов привлекали внимание химиков еще вXVIII веке.
Например, способность дрожжей образовывать спирт в сахарсодержащих растворах зналишумеры и вавилонцы за 6 тыс. лет до н. э. Египтяне стали применять дрожжи для выпечкихлеба в четвертом тысячелетии до н. э.
Знакомстволюдей с микромиром, а также осознание незаменимости микроорганизмов всаморегулирующихся механизмах биосферы сталивозможны благодаря открытиям Л. Пастера. В процессе изучения микроорганизмов изменились наши представления о сущности живых организмов, овозникновении и эволюции жизни наЗемле, о круговороте веществ в биосфере и о причинах возникновения инфекционных заболеваний. После открытий Л. Пастера последовали новые выдающиесяоткрытия, на основе которыхмикроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда важных продуктов. Были созданы методы профилактики и лечения живых организмов.
На Третьемсъезде Европейской ассоциации биотехнологов (Мюнхен,1984 г.) голландский ученый Е. Хаувинк разделил историю биотехнологии на пять периодов, или эр.
Допастеровская эра Использованиеспиртового и молочнокислого броже-
(до 1865 г.) ния при получении пива, вина, хлебопекарных и пив-
ныхдрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса
Послепастеровская эра Производство этанола,бутанола, ацетона, глицеро-
(1866—1940 гг.) ла, органических кислот и вакцин. Аэробная очистка
канализационныхвод. Производство кормовых дрожжей из углеводов
Эра антибиотиков Производство пенициллина и других антибиотиков
{1941 — 1960 гг.) путем глубинной ферментации. Культивирование рас-
тительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическаятрансформация стероидов
Эра управляемого биосин- Производство аминокислот с помощью микробных
теза (1961 — 1975 гг.) мутантов. Получение чистых ферментов. Промыш-
ленноеиспользование иммобилизованных ферментов и клеток. Анаэробная очистка канализационных водиполучение биогаза. Производство бактериальных полисахаридов
Эра новой биотехнологии Использование генной и клеточной инженерии в це-
(после 1975 г.) лях получения агентов биосинтеза. Получение гиб-
ридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемныхкультур. Трансплантация эмбрионов
В XX веке учёным удалось расшифровать многиетайны природы, установить биохимическую ифизико-химическую сущность жизненных процессов. Освоение новыхбиологических методов определяет развитиедругих наук. В биотехнологии наряду с микробиологами, биохимиками работают вирусологи, генетики, цитологи, биофизики, электронщики, автоматчики, кибернетики.
Новая биотехнология началась после открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком строения генетического материала— ДНК- Главным объектом исследований до сихпор остается живая клетка, но центральноеместо в биотехнологических экспериментах занимают, пожалуй, манипуляции с ДНК. Пользуясь методами генетической инженерии, создают искусственные, заранеезапрограммированные генетическиеструктуры в виде рекомбинантных молекулДНК, осуществляют трансплантацию генов между разными видами микробныхклеток, а также между клетками одноклеточныхи многоклеточных организмов. Пристальное внимание современных исследователей привлекаютбиологические мембраны. Созданатеория хемоосмотической циркуляции протонов в биологических мембранах.
Весьма многообразны биотехнологические манипуляции с клеточнымиструктурами и протопластами. Например, в результате искусственного слияния лимфоцитов и меланомныхклеток (разновидность опухоли) полученыгибридомы, которые синтезируют моноклональные антитела, имеющие важноезначение в иммунологических реакциях. Учениео моноклональных антителах — важныйраздел современной биотехнологии.
В 1972 г. Дж. Эдельманом, Р. Портером установлен химический состав антител —важного фактора иммунологической системы человека и животных. В 1975 г. путемгибридизации соматических клеток получены гибридомы, секретирующие моноклональные антитела.
К числу последних достижений биотехнологии можно отнести разработанные А. С. Спириным основыбесклеточного синтеза белка в протоке, создание новых генно-инженерных сортоврастений и животных, клонировании животных.
Дальнейшийпрогресс человечества связывают с широким применением во всех сферах жизнибиотехнологии. В промышленно развитых странахобъем выпуска химических веществ,полученный микробным синтезом, составляет 8—10% всей химической продукции.
Продукты биотехнологической промышленности можно условно разделить накрупнотоннажные (этанол, дрожжи, органические кислоты, фруктозные сиропы) имедикаменты, аминокислоты, гормоны и другие продукты тонкого микробногосинтеза.
Биотехнологические методы широко применяют в медицине и сельском хозяйстве.Уже сейчас в производственных условиях выращивают клеточную массу женьшеня,биотехнологические методы применяют при создании новых сортов культурных и декоративных растений, при оздоровлениикартофеля и других растений.
Генетические манипуляции, которые проводят в настоящее время с половыми клетками иэмбрионами животных, позволяют ускорить размножение высокопродуктивных животных для ихдальнейшего клонирования.
МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯСИТУАЦИЯ И РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В ЕЕ УЛУЧШЕНИИ.
Интенсификация сельского хозяйства, технический прогресс в промышленности, натранспорте привели к образованию диспропорций в окружающей среде, к деформацииустановившихся равновесий экосистем, к ухудшению экологической ситуации во всех сферах деятельности человека.Промышленные предприятия загрязняют атмосферугазообразными и твердыми выбросами,водоемы — стоками, которые содержат большое количество вредных, а иногдаи сильно ядовитых веществ, от которых страдаютфауна и флора. Эти вещества через растения и животных поступают в пищу человека. Химизациясельскохозяйственного производства также приводит к загрязнению почвы,водоемов, воздуха, пищевых продуктов. В некоторых регионах и городах планеты создалась напряженная экологическаяситуация.
Вторая половина ушедшего столетия характеризовалась бурным развитием техники,индустриализацией народного хозяйства, интенсификацией производства пищевыхпродуктов для обеспечения питанием непрерывно увеличивающегося населения планеты. В 2000 годунаселениеземного шара составляло 7 млрд против 5 млрд в 1986 г. Отмечается тенденция кросту городского населения. Такая демографическая ситуация отрицательно влияет на экологию.
Рост населения Земли требует увеличенияресурсов продовольствия. В период так называемой «зеленой революции» (1956— 1970 гг.) в мире былодостигнуто среднегодовое увеличение продуктов питания на 2,2 % в результатеселекции высокоурожайных сортов сельскохозяйственных растений, широкого применения минеральныхудобрений, гербицидов, пестицидов, ирригации земель, механизации.
Стремлениеувеличить ресурсы питания приводит к быстрому ухудшениюэкологической ситуации в сфере сельскохозяйственного производства.Происходят истощение почвы (уменьшение гумуса),ее уплотнение и засорение минеральными веществами, ядохимикатами,загрязнение водоемов, продуктов питания. В результате недостатка в почвеорганических удобрений в последнее времянаблюдалось существенное снижение гумуса.
Потери гумуса в процессах минерализации при культивировании различных культур приведеныниже.