Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики

Тема: «Бионика как одно из направлений биологии и кибернетики»

Цели:

• Образовательные: познакомить с понятием «биотехнология», методами биотехнологии, их значением.

• Развивающие: развивать мышление, способность анализировать, выделять причинно- следственные связи, ориентироваться в современной информации, делать выводы.

• Воспитательные: воспитывать интерес к изучаемому предмету, чувство патриотизма на примере достижений отечественных научных открытий.

Компетенции: учебно – познавательные, информационно – коммуникативные

Тип занятия: изучение нового материала.

I.Организационный момент.

II. Актуализация знаний.

Беседа по вопросам:

-Какими методами ведется селекция растений и животных?

-В чем проявляются особенности селекции животных?

-Каких отечественных селекционеров вы знаете?

-Расскажите об их достижениях.

III.Формирование новых знаний.

• Биотехнология – производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью биологических объектов и процессов. (Появление термина “биотехнология” в 1970-х гг. связано с успехами молекулярной генетики.)

1.Особенности селекции микроорганизмов:

-Более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении

-Устойчивость к заражению посторонней микрофлорой

-Простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.

-Микроорганизмы характеризуются большой скоростью размножения, часто путем простого деления пополам.

Например: бактериальная клетка в благоприятных условиях делится пополам через каждые 20-25 минут.

-Разнообразны по физиологическим и биохимическим свойствам, некоторые живут в условиях, непригодных для жизни других.

Например: выдерживают высокий уровень радиации, высокие (75–105°С) и низкие (-80°С) температуры, концентрацию хлорида натрия до 30%, отсутствие кислорода (анаэробы).

-Очень продуктивны.

Например: 1 корова массой 500 кг вырабатывает в сутки 0,5 кг белка.
500 кг растений – 5 кг белка.
500 кг дрожжей – 50 т белка (а это масса 10 слонов!)

! При определенных условиях микробная клетка способна за равное время продуцировать в 100 000 раз больше белка, чем животная клетка. При этом использует дешевые вещества (крахмальные растворы, сточные воды).

- Чрезвычайная приспособляемость, т.е. их можно быстро и легко селекционировать

Например: чтобы получить новый сорт хлебного злака, необходимы десятилетия или даже столетия, а у кистевидной плесени всего за 30 лет удалось в 1000 раз повысить продуктивность.

- Микроорганизмы повсеместно распространены в природе, играют важную роль в круговороте веществ (благодаря большому разнообразию микроорганизмы бывают автотрофами, хемоавтотрофами и гетеротрофами, в трофических цепях часто являются редуцентами).

Микроб, этот гадкий утенок первых лет эпидемиологии,
благодаря успехам науки и техники, достижениям человеческого гения,
превратился в прекрасного лебедя генетической инженерии современной биотехнологии и индустрии живых клеток

Б.Я. Нейман

2.Отрасли современной биотехнологии:

• Использование микроорганизмов.

• Пищевая промышленность.

• Химическая промышленность.

• Металлургия.

• Сельское хозяйство.

• Охрана природы

• Хлебопечение
  Виноделие

• Сыроварение, получение молочно-кислых продуктов, уксуса, кормовых белков.

• Производство антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот, синтетических вакцин, получение метана как топлива.

• Выщелачивание некоторых металлов из бедных руд (медь, уран, золото, серебро).

• Производство силоса и азотфиксаторов, биологическая защита растений.

• Очистка сточных вод.
  Ликвидация разлива нефти.

3. Методы биотехнологии:

• Клеточная инженерия – метод получения новых клеток и тканей на искусственной питательной среде. В основе метода лежит высокая способность живых культур к регенерации.

1-ый метод – Культивирование. Метод основан на способности клеток растений и животных делиться при помещении их в питательную среду, где содержатся все необходимые для жизнедеятельности вещества.

Например: Культура клеток женьшеня нарабатывает ценные для человека вещества, выращенные клетки кожи используют для лечения ожогов.

2-ой метод – Реконструкция (метод “in vitro”– в пробирке). Помещая клетки растений в определенные питательные среды, размножают редкие и ценные виды. Это позволяет создавать безвирусные культуры редких растений.

3-ий метод – Клонирование. Метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки позволяет получать генетические копии одного организма.

• Хромосомная инженерия

1-ый метод– Метод гаплоидов. Метод основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Всего за 2–3 года получают полностью гомозиготные растения вместо 6–8 лет инбридинга.

2-ой метод-Метод полиплоидов. Получение полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом

3-ий метод-замена некоторых хромосом в геноме одного организма на сестринские из генома другого организма этого же или близкого вида.

• Генная инженерия – основана на выделении (или на искусственном синтезе) нужного вида из генома одного организма и введении его в геном другого организма, зачастую далекому по происхождению (впервые процесс был проведен в 1969 году).

Например: Излюбленный объект генных инженеров – кишечная палочка. С помощью нее получают соматотропин (гормон роста), интерферон (белок, который помогает справиться со многими вирусными инфекциями), инсулин (гормон поджелудочной железы)

Растения и животные, геном которых изменен с помощью подобных операций, называют трансгенными.

В 1983 в США, Бельгии и Германии впервые получены трансгенные растения.

Сейчас – 17 стран выращивают трансгенные растения, которые имеют необходимые для человека сроки созревания, их плоды обладают способностью к длительному хранению и не теряют товарный вид при транспортировке.

Уже получены трансгенные свиньи, овцы и кролики, в геном которых были введены гены различного происхождения – вирусов, микроорганизмов, грибов, человека; получены трансгенные растения с генами животных, микроорганизмов, вирусов и искусственно созданными генами. Большая часть трансгенных культур выращивается в США.

Например: Китай – табак, рис, соя, томаты, быстрорастущие сорта, которые могут расти на засоленных почвах.

США – хлопчатник, кукуруза, картофель – устойчивы к вредителям, так как эти растения вырабатывают энтомоксин

Генетики работают над получением растений-вакцин, т.е. растений, содержащих готовые антитела на различные заболевания или вещества, препятствующие развитию болезни.

Например: картофель вырабатывает антитела холеры (Россия). Красный помидор содержит в 3,5 раза больше ликонина (красный пигмент). Ликонин, обладая окислительными свойствами, снижает вероятность раковых заболеваний (США).

IV. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии.

- Клонирование человека.

Что такое клонирование? Вначале нужно взять клетку взрослого человека, например, из кожи. Выделить из нее ядро, перенести его в женскую яйцеклетку, из которой ее собственное ядро было удалено заранее. Клетку с новым ядром помещают в сосуд со специальной питательной средой. Ее подталкивают к дроблению, и она начинает делиться, через несколько дней превращаясь в зародыш, который имплантируется в матку. А через девять месяцев на свет появляется младенец. Он будет выглядеть полной копией того человека, от которого брали первую взрослую клетку, получится этакий брат – близнец (или, в случае, если клетка была взята от женщины, сестра - близнец), но гораздо моложе.

(Зав.лаб.отдела генетики Института РАН Борис Конюхов)
Клони́рование челове́ка — прогнозируемая методология, заключающаяся в создании эмбриона и последующем выращивании из эмбриона людей, имеющих генотип того или иного индивида, ныне существующего или ранее существовавшего.

- Создание генетически модифицированных штаммов вирусов и бактерий.

V .Диспут.

«За» и «Против» клонирования

VI. Сообщение обучающегося – «Перспективы биотехнологий»

VII. Презентация «Биотехнология, ее достижения и перспективы развития».

VIII. Подведение итога урока. Рефлексия.