Важнейшие открытия в биологии 21 века. Николай Иванович Вавилов

В биологии произошло несколько событий, которые позволили абсолютно по-новому подойти к исследованию сущности жизни. Самое главное – ученые научились читать генетическую информацию. Прочли гены уже многих бактерий, некоторых растений и простейших животных, практически прочитали геном человека. Здесь еще остались сложные, но в основном математические, технические проблемы. Когда объявили, что расшифрован геном человека, имелось в виду, что получен «буквенный текст». Сейчас появились методы, позволяющие быстро читать такие тексты.

Например, такие принципы могут возникать в результате конвергентной эволюции, т.е. эволюции видов с различным происхождением по отношению к подобным формам или характеристикам и понимания вероятных путей, которые эволюция может принять для решения определенных проблем. В качестве альтернативы могут быть определены принципы, которые могут объяснить функциональное поведение какой-либо конкретной биологической системы в широких условиях, не обязательно быть точным отражением того, что происходит внутри системы.

Такие принципы могут оказаться полезными с точки зрения возможности манипулировать поведением более крупной системы, в которой внедрена более мелкая система, хотя они не могут быть полезны для обеспечения подлинного понимания системы, с которой они связаны.

Все, что заложено в нашей генетике, закодировано сочетаниями «букв», каждая из которых состоит из трех «символов». Символы, так называемые нуклеотиды, обозначаются как А, Г, Т и Ц. Это довольно простые молекулы. Тройки этих символов образуют буквы, их двадцать штук. Каждая буква кодирует некоторую аминокислоту. Однако самое интересное - узнать, что означает каждая фаза этого текста. Например, фаза может быть кодом некоторого белка – в одном белке обычно от ста до тысячи аминокислот.

Практически все интроны отбрасываются клеткой, но в некоторых случаях интрон был найден сам по себе - для другого белка. Сознательную аналогию можно разделить на разницу между объектным кодом и исходным кодом на компьютере. Код объекта, состоящий из двоичных цифр, является тем, что выполняется на компьютере. Исходный код, обычно написанный на языке программирования высокого уровня, компилируется в объектный код, чтобы программа запускалась, но исходный код и, следовательно, структура программы и логика - гораздо более понятны для людей.

Исходный код также гораздо легче сменяется. Как философский вопрос, понятие редукционистского объяснения имеет давнюю историю в философии науки. Жизнь состоит из материи, а материя регулируется законами физики. Итак, окончательное объяснение редукционистов предполагает, что жизнь может быть объяснена свойствами уравнения Шредингера.

Закодированы там и функции организма в целом – но более сложным способом. Есть специальные фазы, которые определяют, как сложатся клетки, когда должна умереть данная клетка, когда другая должна возникнуть и т. д.

Но чтобы закодировать все свойства организма в одной молекуле, нужно колоссальное сжатие информации. Молекула ДНК очень длинная, иногда в десятки сантиметров (!), а размер одного символа – один нанометр. У нас десяток таких молекул, у бактерии- одна. Давно просчитано, что там можно записать все, что нужно.

Протеом представляет собой полный набор всех белков, участвующих в конкретном пути, органелле, клетке, ткани, органе или организме, которые могут быть изучены согласованно, чтобы предоставить точные и полные данные об этой системе. Это не значит отрицать, что исчисление также имеет применение в системной биологии, но исчисление не является таким же центральным для системной биологии, как и для физических наук, и не является центральным, как вычислительная и информационная технология для системной биологии.

Число возможных различных геномов 3-миллиардных пар-оснований, предполагающих только простые базовые замещающие мутации, составляет 4 к 3-миллиардной энергии. Фактически, он настолько велик, что отношение этого числа к числу частиц в известной вселенной намного больше, чем отношение диаметра Вселенной к диаметру атома углерода. Таким образом, исчерпывающее компьютерное моделирование этого пространства состояний эффективно исключается. Еще более сговорчивые пространства состояний, такие как число различных возможных генотипов гаплоидов человека, все еще порождают гигантские числа.

Уже известно, как записаны, например, белки, сбраживающие сахар у нас в кишечнике. Сегодня мы имеем полную библиотеку всего текста, который содержится в каждой живой клетке. Поняты отдельные его фрагменты – в основном то, что относится к биохимии клетки. Но есть и текст, вообще не имеющий смысла – с нашей, современной точки зрения. Может быть, некоторые места в конце концов так и не будут поняты.

Например, если мы предположим, что вся человеческая популяция гетерозиготна только в 500 местах по всему геному, причем каждый сайт имеет только два состояния, то число возможных гаплотипов человека составляет от 2 до 500-й степени, что также превышает число электронов в известной вселенной. Эти расчеты с обратной связью также показывают, что пространство состояний существующих генотипов человека не может существовать ни в одном приближении к равновесию связи.

Многие люди внесли выдающийся вклад в область микробиологии в первые два десятилетия этого столетия, а выбор десяти - непростая задача. Саттон был основателем Микробиологической сети и Фармацевтического Микробиологического Форума, оба из которых способствуют микробиологическому пониманию и образованию, особенно в области контроля загрязнения. Саттон провел некоторые ранние исследования в области противомикробных препаратов и рассмотрел способы нейтрализации эффектов антибиотиков. В последнее время он принимал участие в определении того, что именно представляет собой «нежелательные микроорганизмы» в отношении нестерильных продуктов, и что должны знать те, кто связан с выпуском таких продуктов.

Часто приходится слышать, что некие квантовые эффекты играют существенную роль при передаче генетической информации, но никаких научных данных за этим нет, есть только вера. Пока нет никаких оснований считать, что репликация ДНК обеспечивается чем-то, кроме обычной химии. Делается зеркальная копия этой молекулы, а потом копия копии, и возникает молекула, тождественная исходной. ДНК – это единственная саморазмножающаяся молекула в нашем организме.

Элизабет Грис - человеческая микробиома кожи 09. Грайс стал ведущим показателем микробиома кожи. В сравнительно недавних исследованиях исследовательская группа доктора Грайса обнаружила, что микробиома кожи управляется древней ветвью иммунной системы, называемой комплементом. В свою очередь, появляются микробы на коже, настраивают систему комплемента, а также иммунный контроль кожи.

То, как это взаимодействует с разными людьми, дает подсказки о нескольких основных заболеваниях кожи. Ким Льюис - Открытие первого нового класса антибиотиков за 30 лет 08. Открытие имеет большее значение, особенно в эпоху антибиотического кризиса, в котором растущее число микробных штаммов развивает устойчивость к общему антибиотику. Следующим новым открытием был доктор Льюис, являющийся заслуженным профессором Северо-Восточного университета и директором Центра антимикробных исследований. Он является одним из ведущих ученых в поисках новых противомикробных препаратов.

Какие же задачи будет решать биология в 21 веке?

В основном биологи считают, что первая задача это старение. Здесь две точки зрения. Одна – общепринятая, что старение – это поломка сложной системы, которая рано или поздно должна произойти. Но Вейсманом (Weismann) в конце 19 века была высказана другая точка зрения – что смерть была придумана эволюцией для того, чтобы выбраковывать ненужные особи, чтобы быстрее сменялись поколения, чтобы популяция не засорялась монстрами (чем старше организм, тем больше вероятность, что он родит уродливое потомство). Чтобы все это предотвратить, была – специально! – придумана смерть в результате старения.

Майкл Курилла - исследование Эбола 07. Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний. Курилла предприняла некоторые новаторские исследования вируса Эбола. Его исследование показало, что вирус умеет выглядеть невидимым и тем самым избегает врожденной иммунной системы организма. Частично это делает, применяя три различных структурных формы в течение своего жизненного цикла. Эти структурные формы каким-то образом объясняют, почему то, что является сравнительно простым вирусом, оказывается настолько сложным для защиты человека от хозяина.

Первые указания в пользу вейсмановской точки зрения уже есть. Обнаружены такие гены, при поломке которых существо живет дольше. Есть такой червячок, у которого удалось вышибить два определенных гена – и его жизнь удлинилась в шесть раз. В 1999 году был проделан опыт на мышах: им испортили ген (это называется нокаут гена), который кодирует так называемый белок р66 , - и продолжительность жизни подопытных особей возросла на 30 процентов.

Куриллахас сказал, что мы не должны продолжать рассматривать Эболу как геморрагическую лихорадку, поскольку большинство смертей являются результатом кишечной диареи. Эндрю Гевиртз - Связь между бактериями и ожирением 06. Состав бактерий в кишечнике человека формирует ли человек более склонный к ожирению. В свою очередь, эта композиция кишечника может быть затронута диетой с обработанными пищевыми продуктами, представляющими некоторые современные проблемы дня. Это недавний ключевой вывод, сделанный профессором Эндрю Гевиртцем из Центра воспаления, иммунитета и инфекции, основанного в Университете штата Джорджия.

Есть и много других интересных задач. Одну из них лучше всех сформулировал Илья Ильич Мечников: « Человек, явившийся в результате длинного цикла развития, носит в себе явные следы животного происхождения. Приобретя неведомую в животном мире степень умственного развития, он сохранил многие признаки, оказавшиеся ему не только не нужными, но прямо вредными». Вот это была идея всей его жизни. Мечников считал, что старение происходит оттого, что в нашем толстом кишечнике есть вредные бактерии. У него была простая идея, что толстый кишечник изобретен эволюцией, чтобы испражняться реже. Птичка все эти дела делает на лету, ей это не мешает, и у нее нет толстого кишечника. Но когда заяц убегает от волка и вдруг по дороге присядет – волк его настигнет, а если волк займется этим в погоне за зайцем, он его упустит. Мечников был одержим идеей бактериальных токсинов, которые порождаются бактериями, живущими в толстом кишечнике. Впоследствии оказалось, что токсины такие есть – но не из-за них мы стареем. Мечников же предлагал просто удалять толстый кишечник! Говорил, что вы чаще будете ходить в туалет, зато будете жить гораздо дольше.

Профессор Гевиртц специализируется на исследованиях врожденного иммунитета, микробиома, воспаления кишечника и ожирения. Его исследования показали, что воспаление играет центральную роль во многих болезненных состояниях. Джонатан Эйзен - Морская биология 05.

Он является одним из ведущих мировых авторитетов в области морской биологии. Его работа привела к более глубокому пониманию того, как сообщества микробов взаимодействуют друг с другом или с хозяевами растений и животных для создания новых функций. Это связано с продвижением в области филогеномики. Гордон Дуган - Микробные болезни 04.

Но он абсолютно прав, в том, что мы унаследовали от неразумной природы уже ненужные нам эволюционные механизмы. Старение – как раз один из них.

Есть еще очень интересная задача для наступившего века – решение проблемы старения генетического материала. У бактерий генетический материал имеет форму кольца. Когда нужно сделать копию, на эту кольцевую молекулу в определенных местах может сесть определенный белок, фермент, который по ней ползет и наращивает ее копию. Естественно, у него при этом всегда и справа и слева есть молекула ДНК, ведь она же кольцевая. А когда появились так называемые эукариоты, более сложные клетки, то ДНК разорвалась, она стала линейной. Но поразительно, что «копирующий» механизм остался прежним. Он по-прежнему работает только тогда, когда у него и справа и слева есть генетический материал. Соответственно, самый кончик молекулы ДНК не копируется. Этот переход случился сотни миллионов лет назад. За это время возникло множество других ферментов, изменились старые ферменты – но вот этот механизм почему-то остался прежним.

Он внес важный вклад в области вакцинологии, особенно в связи с улучшением доставки вакцин в районы с ограниченными ресурсами. Джулиан Пархилл - микробная геномика 03. Профессор Пархилл был новатором в использовании высокопроизводительного секвенирования и фенотипирования для изучения разнообразия и вариаций патогенов, включая несколько патогенов человека и животных. Это привело к улучшению понимания причинными факторами заболеваний: туберкулезом, чумой, брюшным тифом, коклюшем, проказой, дифтерией и менингитом.

Рассматривая, как тесно связанные штаммы внутри вида или группы видов взаимодействуют, это помогло ответить на вопросы о том, как и почему организмы специализируются на конкретных хозяевах, как они развивались? И как вариации соответствуют вирулентности? Дидье Рауль - Микробная генетика 02.

Поэтому каждая следующая копия короче предыдущей. Как если бы писарь, переписывая книгу, всегда ленился переписать последнюю страничку. И это продолжается миллионы лет… Как же природа из этого выпуталась? Она стала наращивать на концы молекулы ДНК некий бессмысленный текст, который делается совершенно иначе, без участия фермента. От того, что этот текст обтрепывается, никому ни тепло ни холодно. У эмбриона работает специальный белок, наращивающий бессмысленные участки. Потом, когда эмбрион рождается, этот фермент – почему-то – прекращает работать. И мы начинаем стареть. А в раковых клетках – наоборот, фермент активируется и начинает наращивать кончики.

Он известен открытием нескольких «гигантских вирусов». Рауль является ведущим практиком в области палеомикробиологии, который включает изучение причин смерти от микроорганизмов в истории. Энтони Хилтон - Микробиологическое образование 01. Его основной исследовательский интерес связан с хроническими и инфекционными состояниями. Профессор Хилтон, будучи ведущим исследователем, появился на многих телевизионных программах, обучая людей микробиологии.

Его просветительская деятельность включает в себя интерпретацию исследований по изучению бактерий, обнаруженных в автомобилях, на мобильных телефонах, на руках и под ногтями, для широкой аудитории. Это завершает список и мои заметки, касающиеся важности каждого человека, либо из-за их исследований, открытий, либо вклада в образование микробиологии.

Возникает вопрос, почему же эволюция допустила такое безобразие? Самая ценная молекула – и такая неточность считывания. Недавно американский биолог Джефф Боулз (Jeff Bowles) выдвинул такую идею: разрыв кольца и был изобретением смерти от старости. Так природа изобрела старение (бактерии же не стареют). Отсюда мы выходим на проблему рака совсем с другой стороны: может быть, если удастся убить этот фермент, мы победим раковую опухоль. Вот опять вернулись к теме старения, но если даже гипотеза Вейсмана неправильна, то может быть, рак удастся излечить исходя из этой философии.

Редакторы Журнала вирусологии находятся в привилегированном положении, чтобы наблюдать, как наше поле развивается и развивается. В то время как рациональное предсказание будущих событий основано на экстраполяции того, что мы знаем сейчас, мы не можем ожидать сюрпризов, вызванных бесперспективностью исследований. Открытия, исходящие из вирусологии за последние 50 лет, были просто поразительными, и некоторые из них можно было предсказать или даже представить себе на основе предшествующих знаний. Не случайно вирусологи сыграли важную роль в биологических революциях прошлого века.

Вообще, в биологии сейчас происходят удивительные вещи. Не так давно, у бактерий был обнаружен самый настоящий электромотор. Оказалось, что они вращают жгутики за счет разности потенциалов на оболочке. Это не образное выражение, там самый настоящий электродвигатель, причем с реверсом, - даже не поменяв направление поля, бактерии могут вращать жгутик в обратном направлении. Они включают и выключают свой мотор когда хотят, у них очень сложная система принятия решений. Бактерии суммируют некоторую информацию и принимают решения. Они удивительные существа. Например, вязкость среды измеряют точнее, чем самый лучший вискозиметр. Температуру измеряют с потрясающей точностью. Информация попадает внутрь, обрабатывается, и выдается некоторое решение: оставаться на месте или уплывать. Обычно говорят, что колесо изобрел человек. А вот они – какое там колесо, электромотор изобрели! Можно создать разность потенциалов на этой оболочке искусственно – и он будет крутиться.

Вирусные генные продукты затрагивают все ключевые узлы биологии, начиная от атомарного и заканчивая организмом, и, таким образом, служат идеальными инструментами для исследования самых сложных жизненных процессов. Наши радости и проблемы - выявлять и понимать эти биологические узлы и экстраполировать из этой информации, как вирусы копируют, распространяют и иногда вызывают заболевания. Мы обсуждаем несколько общих сил, ведущих будущее нашей дисциплины: развитие технологий, здравоохранение, обработка информации и, конечно же, личное любопытство.

Теперь человеческая клетка, фибробласт, из подкожной клетчатки. А вот в ней, внутри, - клеточная электропроводка, настоящий электрический кабель, который ученые обнаружили с помощью специального красителя, - он окрашивает только те участки клетки, где есть разность потенциалов. По этим проводам течет ток, разность потенциалов поперек оболочки кабеля (мембраны) может достигать четверти вольта. Пока неясно, в чем функция этих проводов, но то, что ученые обнаружили новые свойства живой клетки – совершенно ясно.

Возможно, что более важно, чтобы обеспечить максимальную научную отдачу, мы должны продолжать давать воображение и уверенность. Вирусы и вирусные заболевания на протяжении тысячелетий были в центрах науки, сельского хозяйства и медицины, и некоторые из наших самых больших проблем и триумфов связаны с вирусологией. Оспа является ярким примером: величайший убийца человечества, который буквально изменил ход истории во время европейского завоевания Нового Света, также является единственной болезнью, когда-либо искорененной со всего земного шара.

И в завершении хотелось бы сказать, что сейчас возникает новая химия, оперирующая веществами, которых нет в природе. Вот пример одной недавней и совершенно фантастической работы: нахождение вещества, блокирующего белок р53. Этот ключевой белок, называется «стражем генома», есть в каждой клетке. Он ползает по молекуле ДНК и проверяет, не порвалась ли она где-нибудь. Если порвалась, он дает команду починить, а сам продолжает ползать. Если ДНК не чинится, белок дает другой приказ – запрещает клетке делиться. А потом если за длительный срок повреждение не исправлено, дает приказ на самоубийство – приводит в действие самурайский закон, и клетка сама себя убивает.

Так вот, оказывается, что в половине всех случаев рака этот замечательный белок сломан. По этому клетка с поврежденной ДНК и шалеет – сигнала на самоубийство нет. С другой стороны, при инфарктах, инсультах, септическим шоке это самоубийство охватывает сразу огромное количество клеток в жизненно важном органе. Итак, с одной стороны, р53 очень хорош своим антираковым действием, с другой – отчасти из-за него мы гибнем от инфаркта и инсульта. По этому хорошо было бы найти на него управу. Молодой, очень талантливый биолог Андрей Гудков (раньше он работал в Москве, в Онкоцентре, сейчас живет в США) подошел к задаче следующим образом. Он взял «библиотеку веществ» (многие тысячи различных соединений) и протестировал их, используя автоматизированную систему, на способность этот белок блокировать. Так удалось найти нужную молекулу.

Список использованной литературы:

Еженедельник «Компьютера» от 20 февраля 2001 г. #7 (384).Владимир Скулачев. « Я предполагаю, что в биологии действует «самурайский закон»». стр. 46.

Автомобиль, телевизор или компьютер. Научные открытия в 20 веке оказали существенное влияние на всё человечество. В 20 веке было сделано больше научных открытий, чем за все предыдущие столетия. Знания человечества стремительно растут, поэтому можно с уверенностью сказать, что если такая тенденция сохранится, то в 21 веке будет совершено ещё больше научных открытий, что может в корне изменить жизнь человека.

В 20 столетии произошёл существенный прорыв в основном в двух сферах: физике и биологии.

Научные открытия в области физики

В этой области революция началась в самом начале 20-го столетия, когда Макс Планк вывел формулу распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела, из которой следовало, что энергия излучается не равномерно, как предполагали раньше, а частями - квантами. На этой основе Альберт Эйнштейн в 1905 году развил квантовую теорию фотоэффекта. Дальше Нильс Бор предложил модель строения атома, где электроны вращаются по орбитам вокруг ядра атома, словно планеты вокруг солнца.

Но на этом революция не закончилась. Альберт Эйнштейн в 1916 году разработал общую теорию относительности , что практически перевернуло представления всех учёных того времени. В соответствии с этой теорией, гравитация - это не процесс взаимодействия полей и тел в пространстве, а результат искривления пространства-времени. Эта теория объяснила появление так называемых чёрных дыр, а также искривление световых лучей от звёзд при их прохождении рядом с Солнцем.

В 1932 г. Джеймс Чэдвик доказал существование нейтрона. Это научное открытие привело к бомбардировке Хиросимы и Нагасаки, к развитию гонки вооружения и к холодной войне. Но в то же время это открытие послужило толчком к развитию атомной энергетики, а также к использованию радиоизотопов в различных научных сферах. За открытие нейтрона Джеймс Чэдвик в 1935 г. получил Нобелевскую премию в области физики.

16-го декабря 1947 г. Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли открыли свойства полупроводника - управление большими токами при помощи малых. Так появился транзистор - прибор, который состоял из пары p-n переходов. Принцип работы транзистора послужил основой для развития многих сфер научной деятельности и не только. Его изобретение привело к появлению микросхем и микропроцессоров - основы для современных компьютеров и радиоэлектронной аппаратуры и т.д.

Научные открытия в области биологии

Революция в этой области связана с открытием двойной спирали ДНК. Еще в 1869 ДНК открыл швейцарский биолог Фридрих Мишер. Но тогда он не предполагал, что это носитель генетической информации, который объединяет все живые существа, начиная от человека до земляного червя.

В 20-м веке английский учёный Розалин Франклин, проводя рентгеновский дифракционный анализ молекул ДНК, пришла к выводу, что ДНК имеет форму двойной спирали, которая напоминает винтовую лестницу. Розалин рассказала о результатах своего анализа исследователям Кембриджского Университета Фрэнсису Крику и Джеймсу Уотсону, которые также изучали структуру ДНК. И в 1953 г. они предложили трёхмерную структуру молекулы ДНК, за что и получили Нобелевскую премию. Но, несмотря на это, Розалин и дальше продолжала изучать свойства ДНК, открывая всё новые её качества. Научные работы Розалин впоследствии подтолкнули учёных к разработке новых медицинских препаратов, появлению генной инженерии, клонированию животных, органов человека и даже к попытке клонирования самого человека.

Важную роль в развитии биологии сыграл известный ученый Сидни Бреннер, который сделал открытие в области генетической регуляции развития органов. Он изучал вопрос об ограниченной продолжительности жизни клетки. Впоследствии было высказано предположение о запрограммированной смерти клетки - апоптозе.

Бреннер совместно с Джоном Салстоном занимался расшифровкой генома человека . Выполняя исследовательскую работу на земляном черве - нематоде, Сталстон определил первый ген самоубийства клетки.

Роберт Горвиц в 70-е годы, продолжая работу в этом направлении, открыл два гена клеточного самоубийства. Позднее он открыл ген, который удерживает клетку от самоуничтожения. Он нашел соответствующие гены у других животных и человека. Эти научные открытия позволяют продолжить работы в сфере управления процессами старения организмов и предположить возможность контроля развития многих смертельных заболеваний. В 2002 г. Горвиц и Салстон получили Нобелевскую премию в сфере физиологии и медицины.

Человек - царь природы?

Научные открытия 20 века стали непосредственной производительной силой, которая обусловила качественные перемены в жизни человека. Бесспорно, эти открытия существенно изменили не только материальную сферу человека, но в то же время повлияли на духовное развитие человека и даже привели к общему упадку уровня нравственности. Это проявляется в неудержимом стремлении человека к материальным благам в ущерб моральным принципам.

Такое бурное и бесконтрольное развитие науки и техники в 20-м веке кроет в себе и большую опасность. Экологический кризис и создание оружия массового уничтожения, техногенные катастрофы и природные катаклизмы… причиной которых стал научно-технический прогресс. Что мы наблюдаем в настоящее время? Взрыв контейнера с радиоактивными отходами в 1957 г. под Челябинском, авария на химическом заводе в Бхопале (Индия) в 1984 г. авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. огромный разлив нефти из танкера Вальде у побережья Аляски в 1989 г. поджог 732 нефтяных скважин в Кувейте в 1991г. распространение вирусов СПИДа, атипичной пневмонии, свинного гриппа, - и это далеко не полный перечень.

Эта ситуация требует разумного контроля развития достижений науки . Но формальное сдерживание правовыми, юридическими методами сейчас не сможет предупредить многие негативные явления, способные причинить неприятности человечеству в ближайшем будущем. Человек вынужден сделать шаг навстречу природе, стать на один уровень с ней, изменить своё сознание. Homo sapiens должен осознать, что он не царь природы, а лишь её часть.

20 САМЫХ ВАЖНЫХ ОТКРЫТИЙ 21 ВЕКА



 

Возможно, будет полезно почитать: