Основная проблема, связанная с загрязнением окружающей среды, обусловлена термодинамическими ограничениями, заложенными в самой природе. Причины загрязнения ОС можно свести к следующим.
1. Неэффективное использование энергии, либо использование так называемых «деградированных форм энергии» для получения энергии более высокого качества, что требует привлечения огромных мощностей. Потребляя запасенную в природных структурах энергию нефти, газа и угля, человек вносит в биосферу хаос и разрушает ту упорядоченность (энергию химических связей высокомолекулярных соединений), которую создала свободная энергия солнечного излучения.
2. Рост мощностей для удовлетворения растущих потребностей современного общества.
Первые две причины объясняют, почему самой разрушительной по своему воздействию на природу из всех областей человеческой деятельности является энергетика.
Следующие причины связаны с предыдущими, однако, они не носят абсолютного характера и являются субъективными, т.е. зависящими от сознания и воли людей.
3. Использование неэффективных преобразователей энергии.
4. Нежелание поставщиков энергии перерабатывать вторичные продукты.
Действие этих причин можно значительно ослабить на путях научно-технического прогресса, хотя это требует значительных средств и определенной перестройки общественного сознания.
Из рассмотренного ранее вопроса о термодинамике живых систем следует, что негэнтропия, т.е. отрицательная энтропия, одной из составляющих которой является высококачественная энергия, необходима как в качестве фундамента жизни, так и для обеспечения производственной деятельности человечества. Негэнтропия является необходимым условием существования направленных процессов и образования упорядоченных структур. Для того, чтобы не возникало противоречий между деятельностью человека и объективными тенденциями развития материального мира, человек должен научиться правильному использованию запасов негэнтропии. А эта задача связана, прежде всего, с оптимальным выбором источников энергии.
В течение долгого времени традиционные источники негэнтропии – непосредственно солнечное излучение и его опосредованные формы: падающая вода, сила ветра приливов и отливов, природные топлива – поставляли человеку все необходимые для определенного уровня развития общества блага. Оптимальное расстояние от Земли до Солнца – этого гигантского термоядерного реактора обусловило возникновение и развитие жизни на нашей планете.
Обычно показателем технического развития общества служит количество потребляемой в единицу времени (обычно за год) энергии DE(t). Однако, из вышесказанного следует, что правильнее было бы оценивать потребление негэнтропии, исходя из реально возможных запасов негэнтропии. Это означает, что необходимо использовать объективные критерии научно-технического прогресса наряду со степенью истощения природных ресурсов и загрязнения ОС.
Из второго начала термодинамики следует, что любая машина теряет энергию, однако, можно использовать наиболее эффективные источники энергии, например, гравитационную энергию (энергия приливов, водопадов) для преобразования ее в электрическую. ( В настоящее время доля этих источников энергии в экономике индустриально развитых стран не превышает 8%). Хотя процесс деградации энергии неизбежен, 2-е начало не запрещает с помощью внешней работы преобразовывать продукты деградации в менее опасные. При этом возникает потребность в разработке и строительстве специальных устройств для переработки отходов, при этом важную роль должна сыграть информация, которая поддается преобразованию и «усилению». Дело в том, что даже деградированные формы массы (вещества – побочных продуктов, продуктов разложения) и энергии могут принять участие в процессах по организации информации. Примером такого организующего эффекта деградированных форм энергии и массы является генетическая мутация, получившая название «индустриальный меланизм». В загрязненной среде мутанты обладают наибольшими шансами на выживание. Загрязнение изменило характер многих экосистем, распределение живых организмов стало зависеть от характера загрязнения, а это тоже информация. Проблема в том, как оптимально использовать эти явления и управлять ими. В настоящее время информационный подход эффективно используется в системе экологического мониторинга – автоматизированного слежения и контроля параметров окружающей среды.
Роль информатизацииобщества. Энергетические затраты на производство информации невелики по сравнению с выигрышем, получаемым в энерго- и материалоемких процессах, управляемых с ее помощью. Это ярко проявляется в ходе так называемой информационной революции нашего времени. Так всего за три десятилетия быстродействие ЭВМ выросло более чем в 200 раз и продолжает расти, на несколько порядков вырос объем машинной памяти, причем предел эффективности ЭВМ еще далеко не достигнут. В то же время, не оправдались надежды на переход к так называемым безбумажным технологиям благодаря введению электронного документооборота. Наоборот, во всем мире расход бумаги резко возрос, что, безусловно, усиливает негативные воздействия на окружающую среду.
Разнообразие и устойчивость. Для самопроизвольно развивающейся экологической системы существует тенденция к усложнению, к вытеснению низкоорганизованных видов высокоорганизованными. Это проявляется в виде экологической сукцессии: пустое поле зарастает сначала сорняком, потом – цветами, кустарниками, деревьями, которые становятся все более разнообразными по видам. Система стремится к своему наиболее зрелому состоянию – климаксу. Экосистемы приобретают более длинные цепи питания, и взаимосвязи внутри системы усиливаются. Энергия в таких системах используется наиболее эффективно, так как все составляющие ее части оптимально «подогнаны» друг к другу. Таким образом, наиболее устойчивы те системы, которые состоят из максимального числа видов. Это относится и к человеческому обществу, разнообразие которого – залог его устойчивости и развития [2].
Контрольные вопросы
1. Когда начали формироваться представления о биосфере?
2. Кто автор термина «биосфера»?
3. Что такое биосфера?
4. Чем ограничена биосфера?
5. Что изучает экология?
6. Что такое трофическая цепь?
7. Поясните роль продуцентов, консументов и редуцентов в экологической системе.
8. Что такое экологический фактор. На какие категории они подразделяются?
9. Перечислите основные абиотические факторы.
10. Перечислите основные биотические факторы.
11. Назовите и объясните основные типы взаимоотношений между животными в биоценозе.
12. Сформулируйте закон Либиха.
13. Что такое лимитирующие факторы? Поясните.
14. Дайте определение экологической ниши.
15. Назовите основные глобальные экологические проблемы.
16. Что такое «парниковый эффект» и что является его причиной?
17. Какова роль озонового слоя?
18. В чем заключается опасность хлорфторуглеводородов?
19. Опишите кратко механизм образования «кислотных дождей».
20. В чем заключается опасность вырубки влажных тропических лесов?
21. Объясните понятие «ноосферы».
22. Как объяснить загрязнение ОС с позиций термодинамики?
23. Может ли деградированная энергия стать источником организации информации? Поясните.
24. Что является главным источником негэнтропии на Земле?
25. Как связаны разнообразие в экологической системе и ее устойчивость?
Литература
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
3. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.: Высшая школа, 1988.
Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
| 1. Микробиология 2. Инженерная энзимология 3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика. 3.1. Генная и клеточная инженерия 3.2. Евгеника 3.3. Клонирование 3.4. Расшифровка генома человека 3.5. Биоэтика Контрольные вопросы Литература |
Микробиология
Микробиология - это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли) - х систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, распространение и роль в круговороте веществ в природе, практическое значение.
Возникновение и развитие микробиологии. Начало микробиологии связывают с именем голландского исследователя А. Левенгука (16321723), который впервые увидел бактерии и дрожжи, рассматривая с помощью изготовленных им микроскопов зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Однако, подлинным творцом микробиологии как науки был Л. Пастер, выяснивший роль микроорганизмов в брожении (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни - бешенства. Работы Пастера послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей микробиологии в России С. Н. Виноградским, открывшим хемоавтотрофные микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ атмосферы за счёт энергии окисления неорганических веществ и бактерии, разлагающие целлюлозу в аэробных условиях. В развитии медицинской микробиологии важная роль принадлежит Р. Коху, открывшему возбудителей туберкулёза и холеры и предложившему плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов. Существенный вклад в развитие медицинской микробиологии и иммунологии внесли Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР - И. И. Мечников, Л. А. Тарасевич, Д. К. Заболотный, Н. Ф. Гамалея.
Развитие микробиологии и потребности практики привели к обособлению ряда разделов микробиологии в самостоятельные научные дисциплины, в частности, такие как:
1. Общая микробиология изучает фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов.
2. Техническая, или промышленная микробиология, задачей которой является изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений, а также получение путём микробиологического синтеза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п.
3. Сельскохозяйственная микробиология, которая выясняет состав почвенной микрофлоры, её роль в круговороте веществ в почве, а также её значение для структуры и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В ее задачу входят также изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми - вредителями, методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами.
4. Геологическая микробиология, объектом изучения которой является роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Результатом прикладных исследований в этой области являются методы получения (выщелачивания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий.
5. Водная микробиология изучает количественный и качественный состав мик- офлоры солёных и пресных вод и её роль в биохимических процессах, протекающих в водоёмах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод.
6. Медицинская микробиология исследует микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и разрабатывает эффективные методы борьбы с ними.
Следует отметить, что если ранее к объектам изучения микробиологии относили также и вирусы, то в настоящее время своеобразие строения и размножения вирусов, а также применение специальных методов их исследования привели к возникновению вирусологии как самостоятельной науки, не относящейся к микробиологии.
В наши дни микробиология бурно развивается. Существуют три основных причины такого развития:
· благодаря успехам физики, химии и техники микробиология получила большое число новых методов исследования
· начиная с 40х гг. 20 в. резко возросло практическое применение микроорганизмов.
· микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др.
Успешное развитие современной микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органном и молекулярном уровнях. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроскопической техники. Так, в СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.
Для изучения обмена веществ и химического состава микроорганизмов получили распространение различные методы физикохимической биологии: хроматографии, массспектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез. С помощью электронного микроскопа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).
Широкое распространение получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие культуры, т. е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся изменением их физиологии. Примером может служить тот факт, молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами. Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.
Практическое значение микробиологии. В настоящее время весьма велика роль прикладных исследований в области микробиологии. Еще в глубокой древности, за несколько тыс. лет до возникновения микробиологии как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при силосовании кормов, мочке льна.
Микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины 19 в. до 40х гг. 20 в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые связаны с появлением нового поколения оборудования и аппаратуры. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена.
Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и сельскохозяйственные растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов.
Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности нитрагина, приготовляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками - вредителями сельскохозяйственных растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов.
Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных.
Известно, что деление микроорганизмов на полезных и вредных условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлазой). В то же время эти же микроорганизмы разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани и т.д. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний.
Микроорганизмы используются, когда возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль мик- оорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).
Инженерная энзимология
Инженерная энзимология - это новое научнотехническое направление, появление которого связано с необходимостью интенсификации биотехнологических процессов.
Задачи инженерной энзимологии - конструирование органических катализаторов (энзимов) с заданными свойствами на основе ферментов и полиферментных систем, выделенных из клеток или находящихся в них.
Термин "заданные свойства" имеет в виду, что эти свойства задаются практическими потребностями в данном катализаторе, условиями проведения ферментативного процесса, специфичностью, необходимой производительностью и т.д.
Инженерная энзимология основана на принципах органического и ферментативного катализа, химической технологии, биотехнологии и биохимии и со времени своего зарождения целиком обращена к практике.
Хотя основная направленность современной инженерной энзимологии - спользование каталитической активности иммобилизованных (см. ниже) ферментов и клеток, ее рамки гораздо шире. Цель этой дисциплины - ботка научных основ применения ферментных катализаторов для создания новых биотехнологических производств, новых методов в диагностике и терапии, органическом синтезе и др., а также решение фундаментальных проблем энзимологии при помощи иммобилизованных ферментов.
Практические разработки в области инженерной энзимологии связаны с решением следующих задач:
· получением нового продукта;
· улучшением качества известного продукта;
· повышением экономичности биотехнологического процесса.
Иммобилизованные ферменты.
Ферменты в качестве биологических катализаторов применяются в различных отраслях промышленности - щевой, текстильной, фармацевтической, кожевенной, в медицине, сельском хозяйстве, в тонком органическом синтезе и т.д. Более широкое использование ферментов в биотехнологии до последнего времени сдерживалось вследствие ряда причин, а именно:
· трудоемкости отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;
· нестабильности ферментов при хранении и при действии различных факторов;
· высокой стоимости чистых ферментных препаратов.
Создание биокатализаторов нового поколения - ммобилизованных, т.е. связанных ферментов открыло перед прикладной энзимологией новые перспективы.
Иммобилизация фермента - это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какуюлибо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. В качестве такой фазы может применяться, например, уголь (это установлено еще в 1916 г. Дж. Нельсоном и Е. Гриффином). В 1959 г. был применен принципиально новый методический прием - ковалентное связывание. С этого времени и ведется целенаправленная разработка гетерогенных катализаторов на основе ферментов.
Иммобилизованные ферменты имеют существенные преимущества. Так, например, они легко отделимы от реакционной среды. Это дает возможность остановить реакцию в любой момент, получить продукт, незагрязненный катализатором, и использовать ферментный препарат многократно. Иммобилизованные ферменты технологичны, что определяется возможностью вести биотехнологический процесс непрерывно и регулировать скорость катализируемой реакции и выход продукта путем изменения скорости протока. Подбором соответствующих носителей и методов иммобилизации можно целенаправленно модифицировать такие свойства ферментов, как специфичность, рН- температурозависимость, а также стабильность фермента при денатурирующих воздействиях.
Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.
Применение иммобилизованных ферментов.
Иммобилизованные ферменты можно использовать, главным образом, в трех направлениях:
1. Анализ различных веществ, в качестве лечебных средств и биокатализато- ов для использования в биотехнологических производствах.
2. Лечебные средства. Такие средства применяются либо в том случае, когда необходимый фермент отсутствует в тканях, вследствие генетических или других нару- ений, либо в качестве агентов, разрушающих нежелательные компоненты, например, мочевину. Использование чужеродных (бактериальных) ферментов зачастую нежелательно, вследствие того, что они могут стать причиной аллергических реакций и, кроме того, они крайне неустойчивы. Иммобилизация позволяет обойти эти барьеры, так как она повышает стабильность фермента и препятствует его взаимодействию с иммунной системой макроорганизма. Например, в аппарате "искусственная почка", предназначенном для освобождения крови от различных шлаков, в том числе и мочевины, путем ультрафильтрации, используется колонка с иммобилизованной уреазой. Ферменты применяют в лечебных целях и тогда, когда они необходимы, но по причине различных патологических процессов отсутствуют, например, для растворения кровяных тромбов.
3. Применение в различных производствах. Иммобилизованные ферменты широко используются в бумажной, текстильной, химической и фармацевтической промышленности, а также для обработки сточных вод.