Information om den moderna biologins prestationer. Analys av moderna prestationer inom biologi. Sammanfattning: Prestation av modern naturvetenskap i biologi. Var används biologins prestationer. Nya gränser inom genterapi

Om du går längs stranden och hittar en intressant fossil sten förstår du direkt att den kan tillhöra en sedan länge utdöd art. Tanken att arter håller på att dö ut är så bekant för oss att det är svårt att ens föreställa sig en tid då människor trodde att varje enskild varelsetyp fortfarande lever var som helst. Folk trodde att Gud skapade allt – varför skulle han skapa något som inte kunde överleva?

George Cuvier var den första personen som ställde denna fråga. 1796 skrev han en artikel om elefanter där han beskrev afrikanska och asiatiska sorter. Han nämnde också en tredje typ av elefant som vetenskapen bara känner till från dess ben. Cuvier noterade viktiga skillnader i den tredje elefantens käkform och föreslog att arten måste vara helt separat. Forskaren kallade det en mastodont, men var är då de levande individerna?

Enligt Cuvier "stämmer alla dessa fakta överens med varandra och motsäger inte något annat budskap, så det förefaller mig möjligt att bevisa existensen av en värld som föregick vår och som förstördes på grund av en sorts katastrof." Han stannade inte bara vid denna revolutionära idé. Cuvier studerade fossiler av andra forntida djur - myntade termen "pterodactyl" längs vägen - och fann att reptiler en gång var den dominerande arten.

De första cellerna växte utanför kroppen

Om en biolog vill studera djurcellers inre funktion är det mycket lättare om dessa celler inte är en del av djuret vid den tidpunkten. För närvarande odlar biologer breda remsor av celler i ett provrör, vilket avsevärt förenklar uppgiften. Den första personen som försökte hålla celler vid liv utanför värdkroppen var Wilhelm Roux, en tysk zoolog. 1885 placerade han en del av ett kycklingembryo i saltlösning och höll det vid liv i flera dagar.

Under flera decennier fortsatte forskningen att använda just denna metod, men 1907 bestämde sig plötsligt någon för att odla nya celler i lösning. Ross Harrison tog vävnader från ett grodembryo och kunde odla nya nervfibrer från dem, som han sedan höll vid liv i en månad. Idag kan cellprover hållas vid liv nästan på obestämd tid – forskare experimenterar fortfarande med cellvävnader från en kvinna som dog för 50 år sedan.

Upptäckten av homeostas

Du har säkert hört något om homeostas, men i allmänhet är det väldigt lätt att glömma hur viktigt det är. Homeostas är en av de fyra viktiga principerna modern biologi, tillsammans med evolution, genetik och cellteori. Huvudidén passar in i en kort fras: organismer reglerar sin inre miljö. Men som med andra viktiga begrepp som kan pressas in i en kort och koncis fras - föremål med massa attraheras av varandra, kretsar runt solen, det finns ingen hake - detta är en riktigt viktig förståelse av vår världs natur.

Idén om homeostas lades först fram av Claude Bernard, en produktiv vetenskapsman från mitten av 1800-talet som hölls vaken av Louis Pasteurs berömmelse (även om de var vänner). Bernard gjorde allvarliga framsteg i att förstå fysiologi, trots att hans kärlek till vivisektion förstörde hans första äktenskap - hans fru gjorde uppror. Men den verkliga betydelsen av homeostas - som han kallade milleu interieur - erkändes årtionden efter Bernards död.

I en föreläsning från 1887 förklarade Bernard sin teori så här: ”Den levande kroppen, även om den behöver en miljö, är relativt oberoende av den. Detta oberoende av den yttre miljön härrör från det faktum att i en levande varelse är vävnaderna väsentligen separerade från direkta yttre påverkan och skyddade av en verklig inre miljö, som i synnerhet består av vätskorna som cirkulerar i kroppen.

Forskare som är före sin tid blir ofta okänd, men Bernards andra arbete var tillräckligt för att stärka hans rykte. Ändå tog det nästan 50 år för vetenskapen att testa, validera och utvärdera hans viktigaste idé. Ett inlägg om det i Encyclopedia Britannica för 1911 säger ingenting alls om homeostas. Sex år senare kallar samma artikel om Bernard homeostas för "epokens viktigaste prestation."

Första isoleringen av enzymet

Enzymer lär man sig vanligtvis först i skolan, men om du har hoppat över klassen, låt oss förklara: de är stora proteiner som hjälper kemiska reaktioner att äga rum. Dessutom gör de ett effektivt tvättpulver baserat på dem. De ger också tiotusentals kemiska reaktioner i levande organismer. Enzymer (enzymer) är lika viktiga för livet som DNA - vårt genetiska material kan inte replikera sig utan dem.

Det första enzymet som upptäcktes var amylas, även kallat diastas, och det finns i din mun just nu. Det bryter ner stärkelse till socker och upptäcktes av den franske industrikemisten Anselme Payen 1833. Han isolerade enzymet, men blandningen var inte särskilt ren. Under lång tid trodde biologer att det kunde vara omöjligt att extrahera ett rent enzym.

Det tog nästan 100 år för den amerikanske kemisten James Batchler Sumner att bevisa att de hade fel. I början av 1920-talet började Sumner isolera enzymet. Hans mål var så djärva att de faktiskt kostade honom vänskapen mellan många av de ledande experterna på området, som trodde att hans plan skulle misslyckas. Sumner fortsatte och isolerade 1926 ureas, ett enzym som bryter ner urea till sina kemiska komponenter. Några av hans kollegor tvivlade på resultatet i flera år, men till slut fick de också ge upp. Sumners verk gav honom Nobelpriset 1946.

Antagandet att allt liv har en gemensam förfader

Vem var den första som antydde att allt liv utvecklades från en enda varelse? Du säger: . Ja, Darwin utvecklade denna idé - i sin "Arternas ursprung" skrev han följande: "Det finns en viss storhet i en sådan syn på ett sådant liv, med dess olika manifestationer, som ursprungligen förkroppsligades i flera former eller i en. " Men även om vi inte på något sätt minimerar Darwins prestationer, lades idén om en gemensam förfader fram årtionden tidigare.

År 1740 föreslog den berömde fransmannen Pierre Louis Moreau de Maupertuis att "blind öde" producerade ett brett spektrum av individer, av vilka endast de mest kapabla överlevde. På 1790-talet noterade Immanuel Kant att detta kunde syfta på livets ursprungliga förfader. Fem år senare skrev Erasmus Darwin: "Skulle det vara för djärvt att anta att alla varmblodiga djur härstammar från en enda levande tråd?". Hans barnbarn Charles bestämde sig för att det inte var "för mycket" och gissade.

Uppfinningen av cellfärgning

Om du någonsin har sett fotografier av celler tagna med ett mikroskop (eller tittat på dem själv), är det en mycket stor chans att de först färgades. Färgning gör att vi kan se de delar av cellen som vanligtvis inte är synliga och generellt ökar bildens klarhet. Det finns många olika metoder för att färga celler, och detta är en av de mest grundläggande teknikerna inom mikrobiologi.

Den första personen som färgade ett prov för undersökning i mikroskop var Jan Swammerdam, en holländsk naturforskare. Swammerdam är mest känd för sin upptäckt av röda blodkroppar, men han gjorde också en karriär av att titta på allt i mikroskop. På 1680-talet skrev han om "färgad sprit" av dissekerade maskar, som "gör det möjligt att bättre identifiera de inre delarna, eftersom de är av samma färg."

Till Swammerdams beklagande publicerades inte denna text på minst 50 år till, och vid tidpunkten för publiceringen var Jan redan död. Samtidigt kom hans landsman och naturforskare Anthony van Leeuwenhoek, oberoende av Swammerdam, på samma idé. År 1719 använde Leeuwenhoek saffran för att färga muskelfibrer för vidare undersökning och anses vara fadern till denna teknik. Eftersom båda männen kom på denna idé självständigt och fortfarande gjorde sitt rykte som pionjärer inom mikroskopi, måste de ha fungerat ganska bra för dem.

Utveckling av cellteori

"Varje levande varelse består av celler" - den här frasen är lika bekant för oss som "Jorden är inte platt". Idag tas cellteorin för given, men i själva verket var det bortom vår kunskap fram till 1800-talet, 150 år efter att Robert Hooke först såg celler genom ett mikroskop. År 1824 skrev Henri Duroche om cellen: ”Det är uppenbart att det är den grundläggande enheten i ett ordnat tillstånd; ja, allt kommer i slutändan från cellen.”

Förutom att vara livets grundläggande enhet, innebär cellteorin också att nya celler bildas när en annan cell delar sig i två. Duroce hoppade över denna del (enligt hans åsikt bildas nya celler inuti deras förälder). Den slutliga förståelsen av att celler delar sig för att reproducera beror på en annan fransman, Barthelemy Dumortier, men det fanns andra människor som gjorde ett betydande bidrag till utvecklingen av idéer om celler (Darwin, Galileo, Newton, Einstein). Cellteorin skapades i små kvalster, ungefär som idag modern vetenskap.

DNA-sekvensering

Fram till sin död nyligen var den brittiske vetenskapsmannen Frederick Sanger den enda levande personen som vann två Nobelpriser. Det var arbetet med andrapriset som ledde till att han kom på vår lista. 1980 fick han det högsta vetenskapspriset tillsammans med Walter Gilbert, en amerikansk biokemist. 1977 publicerade de en metod för att ta reda på sekvensen av byggstenarna i en DNA-sträng.

Betydelsen av detta genombrott återspeglas i hur snabbt Nobelkommittén belönade vetenskapsmän. Så småningom blev Sangers metod billigare och enklare, och blev standard för ett kvarts sekel. Sanger banade väg för revolutioner inom områdena straffrätt, evolutionsbiologi, medicin och mer.

Upptäckt av virus

På 1860-talet blev Louis Pasteur känd för sin bakterieteori om sjukdomar. Men Pasteurs mikrober var bara halva striden. Tidiga förespråkare av bakterieteorin trodde att alla infektionssjukdomar orsakades av bakterier. Men det visade sig att förkylningar, influensa, hiv och andra oändliga hälsoproblem orsakas av något helt annat – virus.

Martinus Beijerinck var den första som insåg att det inte bara är bakterier som bär skulden för allt. 1898 tog han juice från tobaksplantor som led av den så kallade mosaiksjukdomen. Sedan filtrerade jag saften genom en så fin sil att den borde ha filtrerat bort alla bakterier. När Beijerinck smorde friska växter med saft blev de sjuka ändå. Han upprepade experimentet – och blev fortfarande sjuk. Beijerink drog slutsatsen att det var något annat, kanske en vätska, som orsakade problemet. Han kallade infektionen vivum fluidum, eller lösliga levande bakterier.

Beijerink tog också upp det gamla engelska ordet "virus" och gav det till den mystiske agenten. Upptäckten att virus inte var flytande tillhör amerikanen Wendell Stanley. Han föddes sex år efter upptäckten av Beijerinck och förstod tydligen omedelbart vad som behövde göras. Stanley fick 1946 års Nobelpris i kemi för sitt arbete med virus. Kommer du ihåg vem du delade med? Ja, med James Sumner för arbetet med enzymer.

Avvisande av preformism

En av de mest ovanliga idéerna i historien var preformism, en gång den ledande teorin om skapandet av barnet. Som namnet antyder föreslog teorin att alla varelser var förskapade - det vill säga att deras form redan var klar innan de började växa. Enkelt uttryckt trodde folk att en människokropp i miniatyr fanns inuti varje spermie eller ägg och letade efter en plats att växa. Denna lilla lilla man kallades en homunculus.

En av de viktigaste förespråkarna för preformism var Jan Swammerdam, uppfinnaren av cellfärgningstekniken som diskuterades ovan. Idén var populär i hundratals år, från mitten av 1600-talet till slutet av 1700-talet.

Ett alternativ till preformism var epigenes, tanken att liv uppstår i en rad processer. Den första personen som lade fram denna teori mot bakgrund av en kärlek till preformationism var Caspar Friedrich Wolff. 1759 skrev han en artikel där han beskrev utvecklingen av ett embryo från flera lager av celler till en person. Hans arbete var mycket kontroversiellt på den tiden, men utvecklingen av mikroskop satte allt på sin plats. Embryonal preformism dog långt ifrån att vara i knoppen, men den dog, ursäkta ordleken.

Baserat på materiallistverse.com

Tio största prestationer under årtiondet inom biologi och medicin, oberoende expertversion

Nya DNA-sekvenseringsmetoder med hög genomströmning – "priset" på genomet faller

MicroRNA - vad genomet var tyst om

Nya DNA-sekvenseringsmetoder med hög genomströmning – "priset" på genomet faller

En av grundarna av det berömda företaget "Intel" G. Moore formulerade vid en tidpunkt en empirisk lag, som fortfarande är uppfylld: prestanda för datorer kommer att fördubblas vartannat år. Prestandan hos DNA-sekvenserare, som används för att dechiffrera nukleotidsekvenserna av DNA och RNA, växer ännu snabbare än enligt Moores lag. Följaktligen sjunker kostnaderna för att läsa genom.

Således uppgick kostnaden för arbetet med projektet "Human Genome", som avslutades 2000, till 13 miljarder dollar. Nya masssekvenseringsteknologier som dök upp senare var baserade på parallell analys av många DNA-fragment (först i mikrobrunnar och nu i miljontals mikroskopiska droppar). Som ett resultat, till exempel, dechiffrera genomet av den berömda biologen D. Watson, en av författarna till upptäckten av DNA-strukturen, som 2007 kostade 2 miljoner dollar, bara två år senare "kostade" 100 tusen dollar.

Under 2011, Ion torrent, som erbjöd ny metod sekvensering baserad på mätning av koncentrationen av vätejoner som frigörs under driften av DNA-polymerasenzymer, läs genomet av Moore själv. Och även om kostnaden för detta arbete inte avslöjades, lovar skaparna av den nya tekniken att läsningen av något mänskligt genom inte bör överstiga $1 000 i framtiden. Och deras konkurrenter, skaparna av en annan ny teknik, nanopore DNA-sekvensering, presenterade redan i år en prototyp av en enhet som, genom att spendera flera tusen dollar, är möjligt att sekvensera det mänskliga genomet på 15 minuter.

Syntetisk biologi och syntetisk genomik - hur lätt det är att bli Gud

Information som samlats under ett halvt sekel av utveckling av molekylärbiologi, tillåter idag forskare att skapa levande system som aldrig har funnits i naturen. Som det visar sig är detta inte svårt att göra, särskilt om du börjar med något som redan är känt och begränsar dina påståenden till så enkla organismer som bakterier.

Idag finns det till och med en speciell iGEM-tävling (International Genetically Engineered Machine) i USA, där studentlag tävlar om att komma fram till den mest intressanta modifieringen av vanliga bakteriestammar med hjälp av en uppsättning standardgener. Till exempel transplanterad till den välkända Escherichia coli ( Escherichia coli) en uppsättning av elva specifika gener, är det möjligt att göra kolonier av dessa bakterier, som växer i ett jämnt lager på en petriskål, konsekvent ändra färg där ljus faller på dem. Som ett resultat är det möjligt att få deras ursprungliga "fotografier" med en upplösning som är lika med storleken på en bakterie, det vill säga cirka 1 mikron. Skaparna av detta system gav det namnet "Koliroid" genom att korsa bakteriens artnamn och namnet på det berömda Polaroid-företaget.

Detta område har också sina egna megaprojekt. Så, i sällskap med en av genomikens fäder, K. Venter, syntetiserades genomet av en mykoplasmabakterie från individuella nukleotider, vilket inte liknar något av de befintliga mykoplasma-genomen. Detta DNA var inneslutet i ett "färdigt" bakterieskal av en dödad mykoplasma och ett fungerande erhölls, d.v.s. en levande organism med ett helt syntetiskt genom.

Läkemedel för åldrande - vägen till "kemisk" odödlighet?

Oavsett hur många människor som har försökt i tusentals år att skapa ett universalmedel för åldrande, har Makropoulos legendariska botemedel förblivit utom räckhåll. Men även i denna till synes fantastiska riktning syns framsteg.

Så i början av det senaste decenniet gav resveratrol, ett ämne isolerat från skalet på röda druvor, en stor boom i samhället. Först, med dess hjälp, var det möjligt att avsevärt förlänga livslängden för jästceller, och sedan till flercelliga djur, mikroskopiska nematodmaskar, fruktflugor, fruktflugor och till och med akvariefiskar. Då lockades specialisternas uppmärksamhet av rapamycin, ett antibiotikum som för första gången isolerats från jordbakterier-streptomycetes från ca. påsk. Med dess hjälp var det möjligt att förlänga livslängden för inte bara jästceller, utan även laboratoriemöss, som levde 10-15% längre.

I sig är det osannolikt att dessa läkemedel kommer att användas i stor utsträckning för att förlänga livet: samma rapamycin, till exempel, dämpar immunförsvaret och ökar risken infektionssjukdomar. Emellertid pågår aktiv forskning nu om verkningsmekanismerna för dessa och liknande ämnen. Och om det lyckas, då drömmen om säkert mediciner att förlänga livet kan mycket väl bli verklighet.

Användningen av stamceller i medicin - vi väntar på en revolution

Idag listar den amerikanska National Institutes of Health Clinical Trials Database nästan ett halvt tusen studier med stamceller i olika forskningsstadier.

Men det är alarmerande att den första av dem, om användningen av celler nervsystem(oligodendrocyt) för behandling av ryggmärgsskada, avbröts i november 2011 av okänd anledning. Efter det tillkännagav det amerikanska företaget "Geron Corporation" - en av pionjärerna inom området "stambiologi", som genomförde denna studie, den fullständiga inskränkningen av sitt arbete på detta område.

Det skulle jag dock vilja tro medicinsk tillämpning stamceller med alla sina magiska möjligheter är precis runt hörnet.

Urgammalt DNA - från neandertalmannen till pestbakterier

1993 släpptes filmen Jurassic Park, där monster gick på skärmen, återskapade från resterna av DNA från dinosauriernas blod, bevarade i magen på en mygga i bärnsten. Samma år uttalade en av de största auktoriteterna inom paleogenetikens område, den engelske biokemisten T. Lindahl, att även under de mest gynnsamma förhållanden DNA äldre än 1 miljon år kan inte extraheras från fossiler. Skeptikern visade sig ha rätt - dinosaurie-DNA förblev otillgängligt, men framstegen i teknisk förbättring av metoder för att extrahera, amplifiera och sekvensera yngre DNA som gjorts under det senaste decenniet är imponerande.

Hittills har neandertalmannens genom, den nyligen upptäckta Denisovan och många fossila lämningar lästs helt eller delvis. Homo sapiens, såväl som mammut, mastodont, grottbjörn ... När det gäller det mer avlägsna förflutna studerades DNA från växtkloroplaster, vars ålder går tillbaka till 300-400 tusen år, och DNA från bakterier 400-600 tusen år gamla.

Från studier av mer "ungt" DNA är det värt att notera avkodningen av arvsmassan av stammen av influensaviruset som orsakade epidemin 1918 av den berömda "spanska sjukan", och genomet av stammen av pestbakterien som ödelade Europa på 1300-talet; i båda fallen isolerades materialen för analys från de begravda kvarlevorna av dem som dog av sjukdomen.

Neuroprotetik - människa eller cyborg?

Dessa prestationer hör mer till ingenjörskonst än till biologisk tanke, men det gör dem inte mindre fantastiska.

I allmänhet är den enklaste typen av neuroprotes elektronisk hörapparat- uppfanns för mer än ett halvt sekel sedan. Mikrofonen i den här enheten tar upp ljud och överför elektriska impulser direkt till hörselnerven eller hjärnstammen - sålunda är det möjligt att återställa hörseln även för patienter med helt förstörda strukturer i mellan- och innerörat.

Den explosiva utvecklingen av mikroelektronik under de senaste tio åren har gjort det möjligt att skapa sådana typer av neuroproteser att det är dags att prata om möjligheten till en snabb förvandling av en person till en cyborg. Detta och konstgjorda ögat fungerar enligt samma princip som en hörapparat; och elektroniska dämpare av smärtimpulser genom ryggrad; och automatiska konstgjorda lemmar som inte bara kan ta emot kontrollimpulser från hjärnan och utföra handlingar, utan också överföra förnimmelser tillbaka till hjärnan; och elektromagnetiska stimulatorer av hjärnområden som påverkas av Parkinsons sjukdom.

Idag pågår redan forskning kring möjligheten att integrera olika delar av hjärnan med datachips för att förbättra mentala förmågor. Och även om den här idén är långt ifrån att förverkligas fullt ut, är videoklippen som visar människor med konstgjorda händer som med säkerhet använder kniv och gaffel och spelar bordsfotboll fantastiska.

Icke-linjär optik i mikroskopi - se det osynliga

Från fysikkursen förstår studenterna rejält konceptet med diffraktionsgränsen: i det bästa optiska mikroskopet är det omöjligt att se ett föremål vars dimensioner är mindre än halva våglängden dividerat med mediets brytningsindex. Vid en våglängd på 400 nm (violett område av det synliga spektrumet) och ett brytningsindex på ungefär enhet (som luft), är föremål mindre än 200 nm omöjliga att skilja. Detta storleksintervall omfattar nämligen till exempel virus och många intressanta intracellulära strukturer.

Därför, i senaste åren metoder för icke-linjär och fluorescerande optik, för vilka konceptet med diffraktionsgränsen inte är tillämpligt, har utvecklats i stor utsträckning inom biologisk mikroskopi. Nu, med hjälp av dessa metoder, är det möjligt att i detalj studera cellernas inre struktur.

Designerproteiner - evolution in vitro

Liksom i syntetisk biologi talar vi om att skapa något som saknar motstycke i naturen, men den här gången inte nya organismer, utan individuella proteiner med ovanliga egenskaper. Detta kan önskas med hjälp av både avancerade datormodelleringsmetoder och ”in vitro evolution” – till exempel att utföra urvalet av artificiella proteiner på ytan av bakteriofager speciellt framtagna för detta ändamål.

År 2003 skapade forskare från University of Washington, med hjälp av metoder för förutsägelse av datorstruktur, Top7-proteinet - världens första protein, vars struktur inte har några analoger i naturen. Och på basis av de kända strukturerna hos de så kallade "zinkfingrarna" - element av proteiner som känner igen DNA-sektioner med olika sekvenser, var det möjligt att skapa konstgjorda enzymer som klyver DNA på alla kända platser. Sådana enzymer används nu i stor utsträckning som verktyg för att manipulera genomet: de kan till exempel användas för att ta bort en defekt gen från genomet av en mänsklig cell och tvinga cellen att ersätta den med en normal kopia.

Personlig medicin – vi får genpass

Tanken att olika människor blir sjuka och ska behandlas olika är inte ny. Även om vi glömmer bort olika kön, ålder och livsstil och inte tar hänsyn till genetiskt betingade ärftliga sjukdomar, fortfarande kan vår individuella uppsättning gener på ett unikt sätt påverka både risken att utveckla många sjukdomar och karaktären av läkemedels verkan på kroppen.

Många har hört talas om gener, defekter som ökar risken för att utveckla cancer. Ett annat exempel gäller användningen av hormonella preventivmedel: om en kvinna bär på "Leiden" faktor V-genen (ett av proteinerna i blodkoagulationssystemet), vilket inte är ovanligt för européer, har hon en kraftig ökning av risken för trombos, eftersom både hormoner och denna genvariant ökar blodets koagulering.

Med utvecklingen av DNA-sekvenseringsmetoder har det blivit möjligt att upprätta individuella genetiska hälsokartor: det är möjligt att avgöra vilka kända varianter av gener som är förknippade med sjukdomar eller med ett svar på mediciner, finns i genomet hos en viss person. Baserat på denna analys kan rekommendationer ges om den mest lämpliga kosten, om nödvändiga förebyggande undersökningar och om försiktighetsåtgärder vid användning av vissa läkemedel.

MicroRNA - vad genomet var tyst om

På 1990-talet Fenomenet med RNA-interferens upptäcktes - förmågan hos små dubbelsträngade deoxiribonukleinsyror att minska aktiviteten hos gener på grund av nedbrytningen av budbärar-RNA som läses från dem, på vilka proteiner syntetiseras. Det visade sig att celler aktivt använder denna regulatoriska väg, syntetiserar miRNA, som sedan skärs i fragment av den erforderliga längden.

Det första mikroRNA:t upptäcktes 1993, det andra bara sju år senare, och båda studierna använde en nematod Caenorhabditis elegans, som nu fungerar som ett av de viktigaste experimentella objekten inom utvecklingsbiologi. Men så regnade upptäckterna ner, som från ett ymnighetshorn.

Det visade sig att mikroRNA är involverade både i mänsklig embryonal utveckling och i patogenesen av onkologiska, kardiovaskulära och nervsjukdomar. Och när det blev möjligt att samtidigt läsa sekvenserna av alla RNA i en mänsklig cell, visade det sig att en stor del av vårt genom, som tidigare ansågs vara "tyst" eftersom det inte innehåller proteinkodande gener, faktiskt fungerar som en mall för att läsa mikroRNA och andra icke-kodande RNA.

D. b. n. D. O. Zharkov (Institute of Chemical
biologi och grundläggande medicin
SB RAS, Novosibirsk)­

Lektionens ämne: Biologi är vetenskapen om levande natur.

Huvudmål och mål: Att ge elever i 5:e klass en första förståelse för vad biologi är och vad den gör.

Särskild uppmärksamhet ägnas åt mångfalden av biologisk forskning och bildandet av skillnader mellan levande och icke-levande natur.

Lektionsplanering:

1. Vad studerar biologi?
2. Biologiska underavdelningar
3. Var används biologins prestationer?
4. Representanter för den levande världen
5. Hur skiljer sig levande organismer från icke-levande?

Under lektionerna

1. Vad studerar biologi?

Biologi som en vetenskap om levande natur handlar om studiet av alla dess manifestationer. Dess namn innehåller två grekiska ord: bios, som betyder liv, och logos, som betyder vetenskap.

Inom biologin är alla levande organismer, utan undantag, viktiga, från den största till den minsta. Biologer (det är vad forskare som är engagerade i biologi kallas) utforskar livet i alla dess manifestationer. Vad exakt gör de:

• Studera strukturen hos organismer;
• Undersök reproduktionsprocessen;
• Spåra ursprung och relationer mellan enskilda grupper;
• De studerar förhållandet mellan levande och icke-levande saker.

Praktisk uppgift:

Som i all annan komplex vetenskap finns det många underavdelningar inom biologi. Var och en av dem fokuserar på olika aspekter av naturen:

• Botanik är vetenskapen om växter;
• Zoologi är vetenskapen om djur;
• Genetik - vetenskapen om ärftlighet och gener;
• Fysiologi - vetenskapen om den vitala aktiviteten hos en integrerad organism;
• Cytologi - vetenskapen om celler, deras struktur, funktion, reproduktion studeras;
• Anatomi - vetenskapen om den inre strukturen hos levande organismer, plats och interaktion inre organ;
• Morfologi är vetenskapen om organismers form och struktur;
• Mikrobiologi - vetenskapen om mikroskopiska ämnen (mikrober);

Praktisk uppgift:

Tänk på vad följande vetenskaper är fokuserade på: embryologi (vetenskapen om utvecklingen av embryon), biogeografi (vetenskapen som studerar den geografiska fördelningen och placeringen av djur på planeten), bionik (vetenskapen om hur man tillämpar principer som fungerar i levande och icke-levande ting i tekniska anordningar och systemorganismer), molekylärbiologi (vetenskapen om lagring och överföring av genetisk information, på nivån av proteiner och nukleinsyror), radiobiologi (tillägnad studien av effekten av strålning om biologiska föremål), rymdbiologi (studerar organismers livsmöjligheter under rymdflygningsförhållanden och livsuppehållande på rymdstationer), fytopatologi (vetenskapen om växtsjukdomar), biokemi (studerar sammansättningen av levande celler och organismer).

3. Var används biologins prestationer?

Biologi är en teoretisk vetenskap, men resultaten av biologernas forskning är ofta av tillämpad karaktär. Var kan biologiska upptäckter användas?

• Jordbruk - för att öka nivån på skörden, öka produktiviteten för djurhållning, uppfinningen av metoder för skadedjursbekämpning.
• Medicin - studier användbara egenskaper föremål av livlig och livlös natur hjälper till att uppfinna nya läkemedel.
• Miljöskydd - biologi visar i vilka riktningar en person förstör den existerande ordningen av saker i naturen och hjälper till att hitta sätt att hantera dessa fenomen.

4. Representanter för den levande världen

I den levande världen idag, liksom för 4 miljarder år sedan, finns det:

• Precellulära organismer är virus. De blir levande först när de har möjlighet att manifestera sig i levande organismers celler.
• Prokaryoter. De har en cell, cellen har ingen kärna. Ett annat namn för bakterier är bakterier.
• Eukaryoter. Detta inkluderar svampar, växter och djur. De har välformade kärnor i sina celler.

Bakterier, svampar, växter och djur bildar de 4 kungadömena av levande organismer.

Praktisk uppgift:

Vilka virus känner du till? (virus som orsakar SARS) olika sorter influensa etc.).

5. Hur skiljer sig levande organismer från icke-levande?

Om vi ​​redan har talat om objekt av levande natur, så har vi ännu inte berört frågorna om vad objekt av livlös natur är. Dessa inkluderar först och främst stenar, is, sand och så vidare. Vilka är de utmärkande egenskaperna hos levande varelser?

• De andas.
• De äter. Ingen levande organism kan existera utan att dra energi utifrån. Men vad han kommer att konsumera och bearbeta - kött, mjölk, spannmål eller morötter - är inte så viktigt.
• De reproducerar, det vill säga de reproducerar sin egen sort. Alla Utan detta skulle livet på planeten ha torkat ut och tagit slut för länge sedan. Det är i denna egenskap som livets oändlighet på planeten Jorden manifesteras.
• De reagerar på miljöpåverkan och är beroende av de förhållanden de lever under. Det är därför björnar övervintrar för vintern och harar ändrar färg.
• Levande organismer har en cellstruktur. De kan bestå av en cell (det finns en speciell klass av encelliga), eller så kan de bestå av många (till exempel djur eller människor). Det är bara virus som inte har celler, så de kan leva uteslutande i andra djurs, växters eller människors organismer.
• Levande varelser är lika kemisk sammansättning- i deras struktur finns det organiska föreningar (proteiner. Fetter, kolhydrater), såväl som oorganiska (den vanligaste av dem är vatten).
• De flesta levande organismer är kapabla att röra sig. Alla vet om denna möjlighet för djur, men hur är det med växter? Närvaron av rötter och att vara i posten gör dem oförmögna att manifestera denna egenskap. Detta är dock inte riktigt sant. Solrosen ändrar till exempel sin position beroende på solens rörelse. På samma sätt reagerar bladen på många växter på solljus.

Genom dessa tecken kan de särskiljas, men i vila visar vissa levande föremål inte tecken på vital aktivitet (till exempel växtfrön, blompollen).

Utvärdering: Be eleverna svara på testfrågor. Enligt deras svar kommer det att vara möjligt att avgöra hur mycket de har behärskat lektionsmaterialet:

• Vad är biologi?
• Vad studerar biologi?
• Vilka grenar av biologi känner du till?
• Vilka riken av levande organismer känner du till?
• Vilka är de viktigaste skillnaderna mellan en levande organism och livlösa föremål.

6. Lektionssammanfattning:

Under kursen fick eleverna lära sig:

• Med vad biologi är, vilka frågor den studerar, vad är dess huvudfokus.
• Vilka är biologins grenar och vad gör de.
• Inom vilka områden används biologins prestationer.
• Vad är skillnaden mellan levande organismer och icke-levande.

Läxa:

Som läxa bör eleverna ges möjlighet att skriva ett kreativt arbete "Där biologins prestationer används", eftersom denna fråga behandlades mycket ytligt under lektionen.

1. Slutet på antibiotikaens era

2017 visade att antibiotikatiden, som varade i nästan ett sekel, har kommit till sitt slut. Bakterier har lärt sig att utveckla resistens mot kända läkemedel och det finns varken tid eller tillräckliga medel för att utveckla nya. Läkare och forskare drar dystra förutsägelser: om inget görs kommer mikroorganismer att döda mänskligheten mycket tidigare än klimatförändringarna. Detta hot tas dock fortfarande inte på allvar. Anledningen till uppkomsten av superbugs är mikroorganismernas reproduktionshastighet och deras förmåga att utbyta genetisk information. Den enda bakterien som har utvecklat en läkemedelsresistensgen kommer att dela den med sina kongener. För att mänskligheten ska kunna överleva letar forskare efter ersättningsläkemedel. För att bekämpa superbugs föreslår de att man använder CRISPR, nanopartiklar och nya, mer kraftfulla antibiotika. Utvecklingen av dessa och andra metoder är endast möjlig genom forskning om de molekylära mekanismerna för uppkomsten av resistens.

2. Klargjorde tiden för livets uppkomst

Frågan om hur livet uppstod på jorden är en av de viktigaste inom biologin. De exakta datumen och villkoren för livets ursprung är fortfarande en fråga om debatt. Förra året studerade forskare från Australien stenar i åldern 3,48 miljarder år och hittade spår av mikroorganismer i dem. Det betyder att primitiva livsformer kunde ha dykt upp ännu tidigare - för cirka 4 miljarder år sedan. Intressant nog hör de studerade stenarna till landavlagringar, vilket betyder att livets vagga inte kan vara havet utan varma källor på land. Även förra året utforskade forskare de molekylära mekanismerna som följde med de tidiga stadierna av uppkomsten av levande organismer. I synnerhet ifrågasattes den populära hypotesen om RNA-världen: enligt ny forskning tog RNA och proteiner lika stor del i livets uppkomst.

3. Uppkomsten av en ny fågelart

Evolution är vanligtvis en mycket lång process, nästan omärklig för det mänskliga ögat. Det tar hundratals och tusentals år för en egenskap att etablera sig i en befolkning. Därför tvingas forskare ta itu med bevis på evolution, fångad i fossiler och DNA, och vanliga människor tvivlar på evolutionens verklighet. Förvandlingen av en art till en annan är ännu sällsyntare, och att observera något sådant är ett riktigt lyckokast, som kastar ljus över många av evolutionens mysterier. Under det senaste året meddelade forskare att de kunde se födelsen av en ny fågelart.

Upptäckten gjordes på en plats för tillbedjan för alla biologer - Galapagosöarna, vilket inspirerade Charles Darwin att skapa sin teori. Rosemary och Peter Grant, ornitolog vid Princeton University, har studerat Darwins finkar här i fyrtio år. När de arbetade på Daphne Islet upptäckte de att en nykomling från den avlägsna ön Hispaniola, en Geospiza conirostris-hane, med smeknamnet Big Bird, hade anslutit sig till de lokala finkarna. På grund av bristen på honor av hans art parade han sig med lokala fåglar. Dessa förbunds ättlingar är så olika från andra finkar i sång och utseende att de kan kännas igen som en ny art.

4. Evolution erkänns som oändlig

2017 markerade årsdagen för ett av de längsta experimenten i biologins historia. Forskare under ledning av mikrobiologen Richard Lensky har observerat utvecklingen av bakterier i 30 år. coli Escherichia coli. Under denna tid har 67 000 generationer förändrats, vilket motsvarar en miljon år av mänsklig evolution. Trots den ärevördiga åldern fortsätter experimentet och ger nya upptäckter. En analys av hans resultat förra året motbevisade en av de populära idéerna inom modern biologi. Enligt många experter finns det en gräns för anpassning: efter att en art har perfekt anpassat sig till en stabil miljö kommer dess utveckling att stanna. Men årtionden av observation av mikroorganismer har visat att evolutionen kommer att fortsätta även i detta fall, och det finns ingen gräns för anpassningsförmågan. Detta är mer i linje med Charles Darwins åsikter än med moderna specialisters idéer.

5. Nya tecken på en biologisk mångfaldskris

Många forskare är benägna att tro att vi lever i den sjätte massutrotningens era – den största sedan dinosauriernas försvinnande för 65 miljoner år sedan. Utrotningshastigheten för arter är nu mycket högre än någon gång under de senaste miljontals år - processen kallas redan "biologisk förintelse", och den som förstör djur, växter och deras livsmiljö är skyldig till det. En av de mest oroande fakta som blev kända för vetenskapen under det senaste året var resultatet av en studie av holländska miljöaktivister som studerade antalet flygande insekter i Tyskland. De fann att på bara 28 år har den minskat med 76 %, och denna siffra har nått 82 % för sommarmånaderna.

Forskare runt om i världen har tidigare misstänkt att insekter blir mindre, men en så strikt och skrämmande bedömning görs för första gången. Det är särskilt obehagligt att studien genomfördes på naturreservatets territorium, där mänskligt ingripande i naturen är begränsat. Författarna fann att utrotningen av insekter inte kan förklaras vare sig av väderförhållanden eller landskapsdrag. Kanske är klimatförändringarna eller användningen av bekämpningsmedel skyldiga. Försvinnandet av insekter är en mycket alarmerande signal, eftersom de tjänar som mat för många andra arter och är viktiga pollinatörer, utan vilka inte bara vilda växter, utan även jordbruket kommer att dö.

6. Forskare har lärt sig att selektivt radera minnen

Neurovetenskapen utvecklas snabbare än någon annan gren av biologin. Under 2017 gjordes många fantastiska upptäckter om hur hjärnan fungerar: forskare tog reda på vilken effekt smartphones har på den, upptäckte ett självrengörande system i den och fick reda på att människor, precis som AI, är kapabla till djupinlärning. Bland dessa nyheter är det svårt att peka ut den huvudsakliga, men kanske bör detta kallas ett nytt steg mot minneshantering. Genom att experimentera med havsmollusken Aplysia, ett klassiskt modellobjekt för att studera minne, har forskare lärt sig att stänga av minnen inspelade i neuroner. För att göra detta var det nödvändigt att blockera enzymet protein kinas M i rätt celler. I framtiden kan studien hjälpa människor som lider av smärtsamma minnen. Denna teknik kan vara särskilt effektiv i kampen mot posttraumatiskt syndrom.

7. Kost kan bota diabetes

Spridningen av diabetes har fått karaktären av en verklig epidemi: enligt vissa prognoser kommer upp till en tredjedel av USA:s invånare att drabbas av det i mitten av seklet. Den största ökningen är typ 2-diabetes, som är förknippad med övervikt och undernäring. På tidiga stadier läkare rekommenderar att kontrollera det med diet. Men som en studie av forskare från Yale University visade, kan allvarliga kostbegränsningar till och med bota typ 2-diabetes helt.

Bevis för detta har förekommit tidigare, men en grundlig studie genomfördes för första gången. Det visade sig att kosten gjorde levern mer mottaglig för insulin genom att minska mängden fett och förhindra produktionen av glukos från andra ämnen. I ett experiment med gnagare började positiva förändringar så tidigt som 3 dagar efter införandet av kostrestriktioner. Dessa fynd stöds av arbetet från forskare från University of Glasgow. En studie som involverade 300 patienter visade att en minskning av antalet kalorier som konsumeras per dag till 800 under en period av 3 till 5 månader kan helt bota diabetes utan droger.
8. Ett effektivt preventivmedel för män har utvecklats

Forskare har länge försökt skapa ett effektivt och bekvämt preventivmedel för män, liknande p-piller för kvinnor. Kondomer, en vanlig lösning idag, verkar för många vara obekväma och minska kvaliteten på sex, och vasektomi är för radikal. Som ett resultat, i de flesta par, faller preventivmedel på kvinnors axlar, eller opålitliga metoder som coitus interruptus används. Under 2017 verkar det som om ett genombrott uppnåddes i denna riktning.

Teamet av forskare använde en gel för preventivmedel, som injiceras i sädesledaren och blockerar dem, vilket gör att spermierna stannar kvar i kroppen och löses upp. Tvååriga försök på makaker visade 100% effektivitet av läkemedlet, såväl som frånvaron av bieffekter som inflammation. Gelens verkan är reversibel: "pluggarna" kan tas bort genom att agera på dem med ultraljud. En alternativ lösning använder hormoner, som i kvinnliga preventivmedel. En gel som innehåller gestagen och testosteron måste gnidas in i axlarna, vilket gör att antalet spermier sjunker till nivåer som gör graviditet omöjlig. Storskaliga försök med läkemedlet kommer att påbörjas under 2018. Forskarna hoppas att deras utveckling, till skillnad från tidigare hormonella manliga preventivmedel, inte kommer att orsaka humörsvängningar och andra obehagliga konsekvenser.

9. Mer avancerade proteser

Skapandet av komplexa moderna proteser är ett område där medicin och biologi möter artificiell intelligens och högteknologi. Utvecklare av konstgjorda lemmar är inte längre nöjda med att göra bekväma och lätta proteser, nu är deras mål att göra proteser lika funktionella och fingerfärdiga som riktiga människohänder. Under 2017 lyckades forskare och ingenjörer komma närmare att lösa detta problem. Robohand, skapad av personalen på Georgia Institute of Technology, låter bäraren röra varje finger individuellt. Denna förmåga uppnås genom samverkan mellan protesen och musklerna i resten av armen. En ultraljudssond inbäddad i handen bestämmer vilka av dem som rör sig, och med hjälp av en speciell algoritm översätts denna information till fingerrörelser. Enheten är perfekt nog att du kan spela piano med den.

10. Jakten på liv i rymden

Intresset för rymden har stadigt ökat de senaste åren, och frågan "Är vi ensamma i universum?" blossade upp med förnyad kraft. Varje NASA-presskonferens 2017 åtföljdes av förväntningar på att vi skulle tillkännages om upptäckten av utomjordiskt liv. Tyvärr hände det inte förra året. Men forskare har förbättrat sätt att söka efter tecken på liv i rymden med hjälp av biomarkörer och har utvecklat nya uppdragsprojekt till potentiellt beboeliga världar, som Saturnus måne Enceladus.

Ett av årets främsta förhoppningar var upptäckten av sju jordliknande planeter i TRAPPIST-1-systemet, varav sex är i den potentiellt beboeliga "Goldilocks-zonen" (senare upptäcktes ytterligare en, runt den röda dvärgen Ross 128). Vissa forskare tror dock att livet är omöjligt där: graden av UV-strålning från stjärnan är för hög och lämnar inget utrymme för existensen av atmosfären och kolliv. En annan besvikelse var upptäckten av skotska forskare som bevisade att Mars yta är giftig för bakterieliv. Astronomer och biologer tror dock att utomjordiskt liv kommer att upptäckas om 10-15 år.

Slutet av 1900-talet och början av 2000-talet ledde till en rad upptäckter. Nya upptäckter inom biologin väcker ett gäng frågor som får forskare att tro att allt inte är så enkelt i den här världen. Sökandet efter sanning är forskarnas huvudmål.

Upptäckter i biologin av XX-talet

1951 kom forskaren Erwin Chargaffu till en slutsats som radikalt förändrade synen på strukturen hos nukleinsyror. Tidigare trodde man att alla nukleinsyror skapas från tetrablock och därför saknar specificitet. I tre år var vetenskapsmannen engagerad i forskning och kunde slutligen bevisa att nukleinsyror erhållna från olika källor, skiljer sig i sin sammansättning från varandra - de är specifika. Forskaren byggde en modell av DNA, som i sitt utseende såg ut som en dubbelspiral, när den placerades på ett plan såg den ut som en stege. Det visade sig att strukturen hos en enda DNA-gren bestämmer strukturen för dess andra gren - detta beror på det faktum att basen av de intilliggande bestämmer sekvensen för andra guider. Således definierades en ny egenskap hos DNA - komplementaritet.

Ytterligare studier behövdes inom området molekylärbiologi, som skulle dechiffrera mekanismen för DNA-replikation och transkription. Forskare föreslog att tråden lindas upp, dess trådar divergerar, och sedan, i enlighet med regeln om komplementaritet, bildas en molekyl från varje tråd. Lite senare bekräftade experiment denna hypotes.

1954 föreslog Georgy Antonovich Gamov, baserat på en studie av Erwin Chargaff, att aminosyror kodas från en kombination av tre nukleotider.

1961 återskapade de franska forskarna Jacques Monod och François Jacob kretsen som reglerar aktiva gener. Forskare sa att DNA inte bara har informationsgener, utan även operatörsgener och regulatorgener.

Nya upptäckter i biologin på XXI-talet

År 2007 genomförde ett team av forskare från University of Wisconsis-Madison och Kyoto University ett experiment som fick vuxna hudceller att bete sig som embryonala stamceller. Cellen kunde omvandlas till nästan vilken typ som helst. Den ekonomiska ramen kan kasseras, för på så sätt kan celler från mänskligt DNA bli ett organ för transplantation. Ett organ som odlats på detta sätt kommer inte att stötas bort av patientens kropp.

Human Genome Study avslutades 2006. Detta projekt har kallats den viktigaste forskningen inom biologin. Huvudmålet med arbetet är att bestämma nukleotidsekvensen, samt att studera cirka 20 000 tusen mänskliga gener. Under ledning av vetenskapsmannen James Watson, 2000. en del av genomets struktur presenterades och 2003. strukturstudier har slutförts. Trots att "Human Genome" officiellt avslutades 2006, fortsätter analysen av vissa avsnitt idag. Denna studie öppnar upp för nya teorier om evolution. Den kunskap som inhämtats under arbetet används redan aktivt inom medicinen.

Under 1900-talet tog biologin som vetenskap stora framsteg, och början av 2000-talet är redan anmärkningsvärt för upptäckter. Det kan antas att nya upptäckter inom biologi kommer att avslöja många hemligheter och mysterier, som kanske kommer att kunna vända över all tidigare kunskap och godkända teorier.

Tio betydande upptäckter under det första decenniet av XXI-talet - video