 |
|
История развития биотехнологии.
Нельзя отделить развитие экобиотехнологии как науки от развития биотехнологии в целом. Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества, развитие ее, условно, можно разделить на 4 периода:
1. Эмпирический период или доисторический – самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива, сыра и кисломолочных продуктов, вина, шампанского, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силоса которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.
Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах.
2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822-95) – основоположника научной микробиологии.
Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.
В 1859 г. Л. Пастер впервые приготовил жидкую питательную среду.
В 1881 г. Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).
Среди достижений 2-го периода особо стоит отметить следующие:
- 1856 – чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности;
- 1869 – Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;
- 1883 – И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;
- 1892 – Д. Ивановский открыл вирусы;
- 1893 – В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;
- 1902 – Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;
- 1912 – Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;
-1913 – Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;
- 1926 – X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;
- 1928 – Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;
- 1932 – М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп.
В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма – ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.
3. Биотехнический период – с 1933 г. по 1972 г.
В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.
Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).
Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:
- 1936 – были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них – биореактора(ферментера);
- 1942 – М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;
- 1943 – пенициллин произведен в промышленных масштабах;
- 1949 – Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. coli;
- 1950 – Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов;
- 1952 – У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;
-1953 – Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК.
- 1960 – С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, синтезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;
- 1961 – М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического кода для аминокислоты фенилаланина;
- 1962 – X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;
-1969 – М. Беквит и С. Шапиро выделили ген lac-оперона (лактозного оперона) у Е. coli;
- 1970 – выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая (разрезающая) эндонуклеаза).
4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым, показав возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий.
Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии.
Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:
- 1975 – Г. Келлер и Ц. Мильштейн описали метод получения моноклональных антител;
- 1977 – М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер – путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов;
- 1981 – разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител;
- 1982 – поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;
- 1986 – К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР);
- 1988 – началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР;
- 1997 – клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.
Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:
1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).
2. Получение суперпродуцентов.
3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий.
4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.
5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.
6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов.
Современное экологическое состояние земельных ресурсов, необходимость альтернативного биологического земледелия. Сельскохозяйственные системы безотходного экологически чистого производства
Земельный фонд Украины (60,4 млн. га) характеризуется высоким уровнем освоенности. Распаханность территории составляет около 56 %, чего нет ни в одной стране мира. Для сравнения в США этот показатель 27 %, во Франции – 42 %, в ФРГ – 33 %. В среднем на одного жителя Украины приходится 0,81 га сельскохозяйственных угодий и 0,65 га пашни. Высокий уровень развития производительных сил и благоприятные почвенно-климатические условия для ведения сельского хозяйства обусловили интенсивное использование земель. Только 8% территории страны находится в естественном состоянии (болота, озера, горные массивы, покрытые и непокрытые лесом). В Украине все пригодные для землепользования территории уже введены в различные сферы хозяйственной деятельности.
Одновременно имеют место значительные потери угодий и отвод земель для несельскохозяйственных нужд. На смену земель, выбывших из оборота, осваивались места раскорчеванных многолетних насаждений, сенокосы, пастбища, осушенные заболоченные и переувлажненные угодья, рекультивированные территории. Качественный состав пахотных земель при этом ухудшился, так как из обращения были выведены более плодородные земли.
Вследствие экстенсивного развития сельского хозяйства происходит интенсивное развитие эрозионных процессов, уплотнение пахотного слоя почвы, снижение его плодородия, ослабления устойчивости природных ландшафтов Украины. Состояние почв в целом находится на грани истощения. Это обусловлено длительным экстенсивным использованием земельных угодий, и особенно пашни не компенсированное равнозначными мероприятиями по воспроизводству плодородия почв.
Вследствие нерационального применению средств химизации сельского хозяйства в почвах накапливаются остатки минеральных удобрений и пестицидов. Ежегодно используется свыше 4 млн. т минеральных удобрений, что в пересчете на душу население составляет почти 85 кг.
Анализ состояния земельных ресурсов показывает, что в результате интенсификации земледелия и бесконтрольного применения средств химизации качество почв постоянно ухудшается, а плодородие их снижается.