Praktyczne znaczenie nauk biologicznych
Nauki biologiczne, których zakres sięga od czasów najdawniejszych do współczesności zaskakują ciągle nowymi odkryciami sięgającymi daleko w przeszłość jak i w przyszłość. Pozwalają lepiej poznać powstanie i rozwój życia na Ziemi i przyczyniają się do możliwości sterowania nim dzisiaj. Z podziwem, nadzieją, ale i z rosnącym niepokojem obserwuje się kolejne osiągnięcia nauk biologicznych, ponieważ sposób ich wykorzystania może przynieść ludziom zarówno ogromne korzyści oraz przyczynić się do poprawy jakości życia na Ziemi np. poprzez tworzenie nowych odmian roślin i zwierząt, odkrywania przyczyn nieuleczalnych dotąd chorób, jak również przyczynić się do ich krzywdy czy zguby. Przykładem może być opracowywanie okrutnej broni biologicznej, klonowanie ludzi itd.
BIOTECHNOLOGIA
Ogólnie przyjmuje się, że perspektywiczną techniką stosowaną w biotechnologii jest inżynieria genetyczna. Możliwości, jakie stwarza, wydają się oczywiste. Wiele produktów białkowych otrzymywanych przez człowieka z naturalnych źródeł nie zaspokaja rosnącego popytu. Metody sztucznej rekombinacji DNA nie tylko umożliwiły powstanie nowych niezwykle użytecznych narzędzi do badania podstawowych mechanizmów funkcjonowania żywych komórek, lecz także przyczyniły się do rozwoju całkowicie nowych działów technologii. W niektórych przypadkach białka, a także żywe komórki uzyskane w wyniku manipulacji z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej zaczynają odgrywać ważną rolę w naszym życiu. Najbardziej spektakularnych przykładów dostarcza farmakologia i medycyna. Jednym z pierwszych białek, które dzięki zastosowaniu metod inżynierii genetycznej mogło być wytwarzane jako produkt handlowy, była ludzka insulina produkowana w E.coli. Przed uzyskaniem szczepów bakterii produkujących ten ludzki hormon insulinę otrzymywano wyłącznie z trzustek zwierząt. Wielu cukrzyków nabyło alergii w stosunku do insuliny pochodzenia zwierzęcego, której sekwencja aminokwasowa różni się nieco od sekwencji aminokwasowej insuliny ludzkiej. Możliwość wytwarzania ludzkiego białka za pomocą technologii sztucznej rekombinacji DNA ma ogromne znaczenie dla chorych cierpiących na cukrzycę.
Wytwarzany za pomocą tych samych metod ludzki hormon wzrostu jest niezbędny w leczeniu wad wzrostowych występujących u niektórych dzieci. Hormon ten uzyskiwano przedtem wyłącznie ze zwłok. Otrzymywano niewielkie jego ilości, a na dodatek niektóre preparaty wykazywały zanieczyszczenie wirusami. Stosowanie w medycynie produkowanego metodami inżynierii genetycznej czynnika VIII, białkowego czynnika krzepnięcia krwi, którego nie mają chorzy na hemofilię A, eliminuje ryzyko zakażenia wirusem HIV- powodującym AIDS. Ryzyko takie istnieje, gdy stosuje się preparaty czynnika VIII uzyskiwane z krwi. Lista produktów wytwarzanych za pomocą technologii sztucznej rekombinacji DNA stale się wydłuża. Organizmy wyższe, które włączyły do genomów swoich komórek obcy DNA, noszą nazwę organizmów transgenicznych. Terminu tego używa się zwykle tylko w odniesieniu do roślin i zwierząt. W celu wprowadzenia i włączenia obcego DNA do komórek tych organizmów wykorzystuje się szereg różnych sposobów.
Jedną z dróg uzyskiwania metodami inżynierii genetycznej białek zwierzęcych jest wykorzystanie do ich wytwarzania żywych zwierząt, do których komórek wprowadzono odpowiednio przygotowany gen. Transgeniczne potomstwo znajduje szerokie zastosowanie w różnego rodzaju badaniach naukowych. Dotyczą one regulacji ekspresji genów, funkcjonowaniu układu odpornościowego, chorób genetycznych, a także genów odpowiedzialnych za powstawanie nowotworów.
Osiągnięcia biotechnologii w medycynie związane z zastosowaniem technik inżynierii genetycznej to również produkowany przez bakterie czynnik przeciwwirusowy interferon, czy też wytwarzany w drożdżach antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki, stanowiący szczepionkę przeciw tej chorobie. Inżynierię genetyczną stosuje się w wielu technologiach biologicznych - od wytwarzania leków począwszy na produkcji piwa skończywszy. Inną techniką, z którą tak medycyna jak i przemysł wiążą duże nadzieje jest unieruchomienie enzymów na trwałych podłożach. Polega ona na wyizolowaniu i oczyszczeniu enzymu, a następnie związaniu go ze stałym podłożem w ten sposób, aby nie tracąc swej aktywności przestał być rozpuszczalny. Przez pojemnik unieruchomiony w ten sposób enzymem można przepuszczać powoli roztwór, w którym będzie zachodzić reakcja katalizowana przez obecny w pojemniku enzym. Zalet takiego wykorzystania enzymów jest wiele. W medycynie dąży się np. do związania z nośnikiem takich enzymów, których inaktywacja, zwykle uwarunkowana genetycznie, jest przyczyną choroby. W przypadku fenyloketonurii prostą i skuteczną terapię widzi się w związaniu ze stałym nośnikiem enzymu przekształcającego gromadzącą się we krwi chorego fenyloalaninę. Prowadzone są prace mające na celu wykorzystanie technologii biologicznych do skonstruowania roślin umiejących wiązać azot z powietrza, co byłoby rewolucją w rolnictwie. Ale również stosuje się biotechnologię do celów tak prozaicznych, jak produkcja proszków do prania. Biotechnologie są niezwykle korzystne w usuwaniu zanieczyszczeń wprowadzanych przez człowieka do otoczenia. Np. zmienione genetycznie grzyby i bakterie mają zdolność do rozkładania różnych zanieczyszczeń, m.in. siarką albo ropą naftową. Bardzo skomplikowane jest jednak ich stosowanie, ponieważ gdyby wydostały się spod kontroli, bakterie rozkładające produkty ropy naftowej skutki byłyby niewyobrażalne.
Można przypuszczać, że ta lista zastosowań biotechnologii będzie się wydłużać z roku na rok, podobnie jak wraz z upływem czasu pojawiają się coraz to nowsze technologie. W inżynierii genetycznej osiągniecie sukcesu wymaga zastosowaniu szeregu różnych doświadczeń pomocniczych oraz prób zasadniczych z użyciem wielu komórek. Niezbędne do tego jest dysponowanie wieloma kopiami danego genu, które uzyskuje się przez powielanie określonego odcinka w licznych, identycznych kopiach. Przeprowadza się to dwojako:
1) In vitro - przez klonowanie DNA, wprowadzając wyizolowany gen do komórki.
2) In vitro - przy wykorzystaniu tzw. Techniki PCR. Ta metoda pozwala na bardzo szybkie namnażanie określonego odcinka DNA w probówce.
Wprowadzenie genu do komórki wymaga zastosowania odpowiedniego wektora. Niezależnie od tego czy będziemy przeprowadzać klonowanie, czy też próbowali umieścić gen w komórce docelowej, niezbędne będzie połączenie go z wektorem. Wektor jest czymś w rodzaju opakowania umożliwiającego przenoszenie DNA z jednej komórki do drugiej. Umieszczenie genu w pożądanym rejonie nie jest proste. Jest to jeden z największych problemów, z jakim zetknęła się inżynieria genetyczna. Do dzisiaj bowiem nie opanowano techniki pozwalającej na umieszczanie genu w konkretnym miejscu. Prowadzi to często do efektów ubocznych, polegających na wyłączeniu innego genu. Jedynym wyjściem jest więc wykonywanie wielu prób i selekcjonowanie tych komórek, które wykazują komplet pożądanych cech. Ludzie którzy odnieśli konkretne korzyści płynące z zastosowania technologii sztucznej rekombinacji DNA, nie mają dziś wątpliwości, że rozwój tej technologii miał ważne i dobroczynne znacznie.
GENETYKA W ŻYCIU CZŁOWIEKA
Człowiek od dawna ingerował w układy genetyczne zwłaszcza zwierząt hodowlanych i roślin uprawnych. W ciągu ostatnich lat zaczęto do celów praktycznych wykorzystywać wiadomości zebrane przez genetykę molekularną. Najlepszym przykładem wykorzystania genetyki molekularnej jest inżynieria genetyczna.
Rozwój inżynierii genetycznej rozbudza nadzieje szczególnie wśród ludzi dotkniętych anomaliami genetycznymi. Naukowcy zaczęli integrować w materiał genetyczny człowieka wdając się w tzw. terapie genowe, które mają ogromną przyszłość. Polegać one mają na:
1. substytucji (podstawieniu) alleli "uszkodzonych" prawidłowymi;
2. korekcjach, czyli "naprawach uszkodzonych" genów;
3. wprowadzeniu, np. drogą transdukcji normalnego genu do zmutowanej komórki;
W tym przypadku problemem jest fakt, że w jednej komórce funkcjonują dwa geny, a efekt tego jest trudny do przewidzenia. Podobnych problemów technicznych jest więcej. Do rozwiązania pozostaje kwestia docierania z terapią genową do jak największej liczby określonych komórek ciała oraz precyzyjnego wstawienia genów we właściwe miejsca chromosomów. Niewłaściwa insercja może być tragiczna w skutkach, gdyż może dojść do unieczynnienia innego genu i pojawieniu się szeregu innych negatywnych skutków.
Jest wiele przykładów wspierania przez współczesną genetykę starań o poprawę zdrowia. Oto kilka przykładów:
a) organizmy transgeniczne mogłyby "produkować" ludzkie organy niezbędne do przeszczepów; tego rodzaju eksperymenty prowadzono już z transgenicznymi świniami. Chociaż to dopiero wstępny etap badań - wyniki są obiecujące.
b) upowszechnienie terapii genowych - byłoby niewątpliwie ogromnym osiągnięciem. Duże nadzieje wiąże się z leczeniem m. in. mukowiscydozy za pomocą inhalacji zawierających wektory wirusowe. W tych ostatnich przenoszone są prawidłowe geny kodujące białko, aktywujące kanały chlorkowe w komórkach pacjenta.
c) wczesne wykrycie szeregu chorób dziedzicznych możliwe stało się dzięki użyciu tzw. sond molekularnych (testy genetyczne). Sondą jest zwykle odpowiedni odcinek cDNA znakowany radioaktywnie. W badaniach tego typu wykorzystuje się zdolność sondy do hybrydyzacji z określoną sekwencją testowanego DNA (mieszańcowe DNA można wykryć metodami radiograficznymi. Z badań przeprowadzonych w National Institutes of Health w USA wynika, że w połowie 2000 roku wykorzystywano już kilkaset testów genetycznych. Przykładem mogą być testy na obecność zmienionych genów odpowiadających za fenyloketonurię, anemię sierpowatą, chorobę Huntingtona, czy też obecność zmutowanych genów BRCA. W tym ostatnim przypadku nie wiadomo jednak na ile geny te zwiększają ryzyko zachorowania na raka piersi lub jajników.
d) transkryptomika to dziedzina za pomocą, której określane jest miejsce i czas aktywności genów (ideałem jest powstanie naszego transkryptonu - ogółu cząsteczek mRNA wyprodukowanych przez ludzkie komórki). Do rozpoznawania sekwencji mRNA wykorzystuje się najczęściej jego zdolność do hybrydyzacji cDNA. W ten sam sposób można określić np. aktywność określonych genów w komórkach rakowych.
e) proteomika zajmuje się identyfikacją i określaniem białek kodowanych przez określone geny (ideałem jest tu określenie ludzkiego protenomu - zbioru wszystkich białek produkowanych przez ludzkie komórki). Poznanie sposobu wytwarzania i właściwości białek pozwala na szybkie opracowanie nowych generacji leków, np. wiążących białko produkowane przez komórki nowotworowe albo blokujących określone geny.
GENETYKA W GOSPODARCE CZŁOWIEKA
Celem zabiegów hodowlanych jest stworzenie odmian maksymalnie homozygotycznych, ponieważ ich potomstwo jest bardziej jednorodnie, a selekcjonowaniu ulegają cechy determinowane przez allele recesywne, bądź takie, które nie wykazują dominacji zupełnej.
Dla szybkiego osiągnięcia tego celu - roślin przez kilka pokoleń stosuje się samozapylenie, natomiast u zwierząt - chów wsobny (inbreeding), czyli kojarzenie osobników blisko spokrewnionych. Osiągnięcie homozygotyczności jest idealnym rozwiązaniem, tymczasem w wielu wypadkach kolejne pokolenia "wsobne" są coraz mniej żywotne i plenne. Najczęstszą przyczyną jest występowanie niekorzystnych, recesywnych genów, które w dzikich populacjach ujawniają się bardzo rzadko. Siedemdziesiąt lat temu wydawało się, że sytuacja stała się patowa i selekcja sztuczna wprowadziła hodowców i rolników w tzw. ślepą uliczkę. Jakież więc było zdziwienie amerykańskich badaczy, gdy na początku lat dwudziestych naszego stulecia krzyżowali ze sobą różne rachityczne linie czystej kukurydzy. Potomstwo (F1) części takich krzyżówek wyrosło bowiem niezwykle bujnie, wyraźnie przewyższając plennością wszystkie znane wówczas odmiany, zarówno dzikie jak i hodowane.
Przyczyną tego dość nieoczekiwanego sukcesu najprawdopodobniej był wysoki poziom heterozygotyczności mieszańców. To miałoby maskować obecność niekorzystnych alleli o charakterze recesywnym. Być może tak jest rzeczywiście. Jednak molekularne podłoże przewagi heterozygot nad homozygotami nie zostało do dzisiaj w pełni poznane. Heterozje można stwierdzić również u zwierząt, np. świni czy bydła.
Krzyżowanie rasotwórcze ma na celu utworzenie nowej rasy, lepiej dostosowanej do warunków. Efekt można osiągnąć przez uprzednio przedstawione krzyżowanie lub przez krzyżowanie kilku ras. Jest to proces długotrwały, ponieważ zmieszane stado wykazuje bardzo dużą zmienność wskutek rozczepienia się cech. Za rasę uznaje się odpowiednio liczebną grupę zwierząt, która wykazuje duże ujednolicenie w typie budowy i w celach użytkowych, a w potomstwie nie występuje większa zmienność niż w stadzie rodzicielskim. Przedstawione metody mają na celu zwiększenie wydajności hodowli zwierząt, co pozwala hodowcom na oszczędność stosowanych materiałów oraz oszczędność pracy ludzkiej.
Zadaniem hodowli roślin jest ulepszanie roślin uprawnych i tworzenie nowych odmian, podobnie jak w hodowli zwierząt, wykorzystano wiele nauk a przede wszystkim genetykę. Zaniechanie pracy nad ulepszaniem istniejących odmian (hodowli zachowawczej), prowadzi do szybkiego pogorszenia się materiału siewnego i spadku plonów. Natomiast tworzenie nowych odmian (hodowla twórcza), należy uznać za najszybszy i najbardziej istotny czynnik zwiększenia plonów u roślin.
Efekty krzyżowania:
a)większa zmienność roślin przystosowanych do nowych środowisk,
b)nowe kombinacje cech,
c)transgresja,
d)epistaza,
e)nowe sprzężenie genów,
f)jeżeli określona cecha roślin jest "jednogenowa" to w niewielkim stopniu uległa wpływom środowiska. Jest to ważne dla hodowców, bo dziedziczy się na podstawie praw Mendla - cechy wielogenowe powodują dużą różnorodność mieszańców, ale utrudniają hodowlę.
BOTANIKA
W botanice coraz częściej stosuje się metody eksperymentalne oraz badania procesów życiowych metodami biochemicznymi, biofizycznymi i fizykochemicznymi (np. spektroskopia komórkowa, badanie przyżyciowe połączone z filmowaniem, badanie za pomocą mikroskopu elektronowego, badania wykorzystujące chromatografię, elektroforezę i izotopy promieniotwórcze), a także swoistymi dla nauk botanicznych (np. w paleobotanice — analiza pyłkowa, w fizjologii — hodowla tkanek in vitro). Na czoło współczesnych problemów wysuwają się m.in.: badania ultrastruktur protoplastu i poznanie procesów na poziomie molekularnym, poznanie mechanizmu podziałów oraz zróżnicowania komórek i tkanek, wykrycie istoty procesów fotosyntezy oraz hormonalnej kontroli procesów wzrostu i różnicowania - badania te wymagają najczęściej skomplikowanych aparatów (np. w fizjologii fitotronów).
Ważnym elementem botaniki jest wprowadzenie przez Karola Linneusza dwuwyrazowego systemu nazewnictwa roślin (tzw. nomenklatura binominalna). Dzięki niemu, w dzisiejszym świecie można bez problemu wyróżnić różne gatunki roślin i zwierząt. To bardzo dobry i przydatny wynalazek przeszłości.
BIOLOGIA MOLEKULARNA
Dziedzina badań z pogranicza kilku nauk przyrodniczych (m.in. biochemii, biofizyki, genetyki) zajmująca się głównie ustalaniem związków między budową substancji wielocząsteczkowych a ich funkcjami w żywej komórce. Najważniejszym i najistotniejszym przykładem mogą być badania kwasów nukleinowych, które doprowadziły do ustalenia kodu genetycznego oraz sposobu przekazywania informacji genetycznej komórkom potomnym. Dzięki temu „wynalazkowi” możliwe będę częstsze badania i eksperymenty na ludzkim genomie. Może to umożliwić w przyszłości zmianę chorych genów na inne, a także leczenie licznych chorób wrodzonych.
Do zakresu biologii molekularnej włącza się także badania nad zorganizowaniem i współdziałaniem rozmaitych substancji w strukturach podkomórkowych (np. w błonach cytoplazmatycznych) i nad molekularnym podłożem funkcjonowania tych struktur.
Nauki przyrodnicze dają nam także wiele prozaicznych, wręcz oczywistych korzyści. Mają one znaczenie na przykład w:
a) helmintologii, czyli nauce o robakach pasożytniczych – dzięki niej możemy się dowiedzieć, jakie środki stosować na poszczególne pasożyty, by nie psuły nam np. drzew czy plonów;
b) entomologii, czyli nauce o owadach – można zasadzić odpowiednie kwiaty czy ogólnie rośliny, które będę zapylane przez dane owady;
c) ichtiologii, czyli nauce o rybach – łatwiej będzie ustalić, jakie gatunki ryb mogą żyć ze sobą w zgodzie, a jakie nie;
d) ornitologii, czyli nauki o ptakach – możliwa będzie ochrona niektórych gatunków ptaków przed „drapieżnikami”;
e) antropologii, czyli nauce o rozwoju rodowym człowieka, o zmienności jego cech fizycznych w czasie i przestrzeni – można bliżej zapoznać się z pochodzeniem człowieka i jego doświadczeniami w wieków ubiegłych;
f) bakteriologii – możliwe będzie uniknięcie zachorowania na różne choroby wywoływane przez bakterie;
g) wirusologii - możliwe będzie „unikanie” wirusów, w czasie największego ryzyka zachorowań;
h) fitopatologia, czyli nauka, która bada drobnoustroje chorobotwórcze dla roślin i sposoby ich zwalczania – można badać rośliny, sprawdzając ich odporność;
i) bionika, czyli nauka z pogranicza biologii i techniki, badająca budowę i zasady działania organizmów żywych do budowy urządzeń technicznych – np. do budowy samolotu;
j) bioenergetyka, czyli nauka biologiczna zajmująca się przemianami energetycznymi w żywych organizmach i ekosystemach – umożliwia dostarczanie odpowiedniej ilości pokarmu itp.;
k) ekologia – nauka zajmująca się relacjami między żywymi organizmami a ich środowiskiem – dzięki temu, można wykluczyć niezgodność między gatunkami lub lepiej dopasować środowisko dla organizmów.
Bibliografia:
1. Różne strony internetowe związane z biologią
2. Portal PWN
3. Encyklopedia Przyrody
4. Encyklopedia Biologii
5. Wielka Encyklopedia Szkolna
6. Encyklopedia PWN – Przyroda
7. „Z biologią na Ty”