Лев Кривицкий - Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции
В 28 м3 биогаза содержится количество энергии, эквивалентное 16,8 м3 природного газа или 20,8 л нефти. Биометаногенез осуществляется в цилиндрических цистернах дайджестерах при участии трёх видов бактерий. Для получения биогаза могут использоваться бытовые отходы, отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства, в том числе жидкий навоз. В свою очередь отходы метанового брожения насыщены белками, минеральными солями и витаминами. Они используются на корм скоту и рыбам в рыбных хозяйствах, а также в качестве удобрений. Биоэнергетическая технология как бы повторяет естественную эволюцию, которая в течение миллионов лет накапливала в недрах земли углеводородные соединения, образовывавшиеся в результате естественных биотехнологических процессов. Безотходные же технологии человеческой цивилизации создаются по образу безотходной технологии биосферы.
Другим направлением биоэнергетической технологии является производство этанола путём ферментативной переработки содержащих целлюлозу отходов промышленности и сельского хозяйства. Получаемый таким образом этиловый спирт может служить топливом или добавкой к бензину. Углеводородные соединения могут получаться и путём переработки некоторых водорослей, накапливающих эти соединения в своих клеточных стенках.
Космическая биотехнология связана с изучением воздействия особенностей космического полёта на биологические объекты, использованием этих особенностей для получения особых штаммов микроорганизмов, созданием замкнутых циклов обеспечения астронавтов и т. д. Фактически речь идёт о новых условиях эволюции жизни, которых никогда не было на Земле.
Экологическая биотехнология базируется главным образом на разведении и использовании бактерий для удаления химических загрязнений из воды и почвы, а также для очистки воздуха. Бактерии во всей совокупности их видов способны жить где угодно (кроме открытого Космоса) и питаться чем угодно. Они способны разлагать нефть, различные металлы, токсичные вещества и материалы. В экологической биотехнологии используются также некоторые грибки.
Концентрированное использование микроорганизмов обладает высокой эффективностью, но порождает и немало проблем. К ним относятся проблема обеспечения доступности микроорганизмов непосредственно к загрязнителям, проблема удаления самих микроорганизмов с разложившимися загрязнителями, проблема изоляции таких микроорганизмов от веществ, имеющих важное хозяйственное значение и многие другие. Эволюция живой природы была бы невозможной без постоянной биологической работы бактерий по усвоению и разложению разнообразных загрязнителей, и она не может продолжаться без ещё более активной работы по усвоению и разложению антропогенных загрязнителей.
Что касается военной биотехнологии, которая занимается выработкой микроорганизмов для поражения человека, то она представляет наибольшую опасность по сравнению со всеми созданиями биотехнологии и генной инженерии, поскольку направлена непосредственно против человека.
24.10. Эволюционные проблемы генной инженерии
Термин «генная инженерия» появился и вошёл в научное употребление с начала 70-х годов после того как в 1969 г. в лаборатории индийского учёного Гобинда Кораны в США был химическим путём синтезировал ген транспортной РНК дрожжей, а Дж. Беквит в соавторстве с Дж. Шапиро опубликовал работу, посвящённую описанию эксперимента по выделению гена лактозного оперона кишечной палочки.
Но важнейшим событием, определившим становление генной инженерии в качестве самостоятельной научной дисциплины, явилось получение в лаборатории Пола Берга (Стэнфордский университет, США) первой рекомбинантной молекулы ДНК из генетического материала трёх различных микроорганизмов. В 1973 г. американские генетики Стэнли Коэн и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки.
Возможности для практического осуществления манипуляций с генетическими структурами были подготовлены ещё раньше. В 60-е годы три исследовательские группы независимо друг от друга выделили из бактерий особые ферменты, рестриктазы, способные наподобие хирургического ножа рассекать молекулы ДНК на точно определённые исследователями фрагменты.
Первой к этому открытию пришла лаборатория Д. Натанса и В. Арбера (1962), затем – группа Г. Смита, К. Уилкокса и Дж. Келли (1968), и наконец – коллектив сотрудников во главе с М. Мезельсоном и Р. Юанем (1969). Все три группы использовали оригинальные технологии и навсегда вошли в историю зарождения генной инженерии. В 1978 г. за открытие рестриктаз Дэниэл Натан, Вернер Арбер и Гамильтон Смит были удостоены нобелевской премии. В дальнейшем были открыты тысячи разновидностей рестристаз.
Рестриктазы являются мощным биологическим оружием бактерий, позволяющим им защищаться от вирусов и сохранять идентичность своего вида в эволюции от проникновения чуждых бактериальных ДНК. Это в какой-то мере обусловливает подобие естественности в генной инженерии, активно применяющей рестрикцию ДНК для своих манипуляций с генами.
В 1967 г. М. Геллерт с сотрудниками выделили из бактерий фермент ДНК-лигазу, или просто лигазу, способный склеивать (сшивать) различные фрагменты ДНК в единое целое. Развитию генной инженерии способствовало также создание методов, посредством которых клетки растений и животных обретают способность расти и размножаться отдельно от своих многоклеточных организмов, в искусственно созданных условиях (in vitro). Тем самым эти клетки допускают такое же манипулирование их генетическими структурами, как клетки бактерий и других одноклеточных организмов. Подобные же методы позволяют экспериментировать в искусственных условиях и с молекулами ДНК, и с отдельными генами.
Всё это позволило совершить переход от анализа генов в «классической» генетике к их целенаправленному синтезу в биологической работе, осуществляемой извне человеком, и от изучения генетических структур к их активной переработке и трансформации.
На основе манипуляций с генетическими структурами возникли четыре направления исследований и их практического применения – собственно генная инженерия, осуществляющая трансформацию генотипа, генетическая инженерия, осуществляющая трансформацию генотипа, геномная инженерия, преобразующая последовательности ДНК и клеточная инженерия, занятая преобразованием клеток. Все эти четыре направления объединяются в рамках генной инженерии в широком смысле как подсистемы в её системе.
Значительные трудности встали перед исследователями в связи с необходимостью решения проблемы введения готовых генов в клетки растений и животных. Открытие Фредериком Гриффитом явления обмена генетическими структурами у бактерий, происходящего вследствие развития зачаточного состояния полового процесса, позволило найти ключи к решению проблемы введения синтезированных человеком генов в клетки бактерий.
Проводниками в попадании искусственных генов в бактериальные клетки стали плазмиды – закольцованные фрагменты нехромосомной ДНК. Плазмидные технологии позволили вводить внутрь бактерий человеческие гены и превращать бактериальные клетки в «фабрики» по производству человеческих гормонов.
Для проникновения в клетки многоклеточных организмов пришлось в качестве «троянских коней» использовать некоторых вирусов или бактериофагов, которые, паразитируя на чужих клетках впрыскивают в их генетический аппарат свои генетические структуры и синтезируют с их помощью необходимые им для жизни белки.
Встраивая в ДНК вирусов нужную человеку генетическую информацию, специалисты в области генной инженерии способствуют инфицированию ими определённых клеток растений и животных, обеспечивая тем самым перенос этой информации в клеточный генотип. Процесс получил название трансфекции, то есть транспортируемой инфекции, заражения генетическим материалом, внедряемым человеком.
Возможности, открываемые генной инженерией, сразу же нашли применение в научных исследованиях для изучения функционирования генетических структур. Для выявления функций того или иного гена стал применяться так называемый «нокаут гена» – техника удаления одного или нескольких взаимосвязанных генов с последующим анализом последствий их отключения. Альтернативным методом, применяемым с той же целью, является искусственная экспрессия, связанная с внедрением в какой-либо организм чужеродного гена и анализом последствий его включения.
Грандиозная научная программа по расшифровке генома человека была реализована прежде всего благодаря достижениям генной инженерии. То же можно сказать и о программах расшифровки геномов других видов живых организмов.
Первые же практические результаты, подтвердившие возможности генной инженерии как с медицинской, так и с экономической точек зрения, были получены с помощью генетически модифицированной кишечной палочки, широко распространённой бактерии, многие клоны которой проводят свой жизненный путь в кишечнике человека, способствуя пищеварению.
