СОДЕРЖАНИЕ Введение Первобытная биотехнология - основа цивилизации Успехи "домолекулярной" биотехнологии Микроорганизмы - продуценты веществ и энергии Некоторые сведения из молекулярной биологии Принципы и методы генетической инженерии Инженерия клеток Биотехнология синтеза белков человека Перенос генов в клетки животных и растений Заключение Литература [показать] Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года. - М.: Политиздат, 1986. Биология развития и управление наследственностью / Отв. редактор член-корреспондент АН СССР В. А. Струнников. - М.: Наука, 1986. Биотехнология / Под ред. академика А. А. Баева. - М.; Наука, 1984. Биотехнология. Подписной теоретический и научно-практический журнал Министерства медицинской и микробиологической промышленности СССР. Выходит с 1985 г. Беккер М. Е. Введение в биотехнологию. - М.: Пищевая промышленность, 1978. Вепринцев Б.Н., Ротт Н.Н. Проблема сохранения генофонда. - М.: Знание (серия "Биология"), 1985. Березин Й. В., Яцимирский А. К. Биотехнология и ее перспективы, - М.: Знание (серия "Биология"), 1986. ДубиниЙ Н. П. Очерки о генетике. - М.: Советская Россия, 1985. Достижения биологии - Продовольственной программе, - М.: Знание (серий "Биология"), 1984. Пехов А. П. Биология и научно-технический прогресс. - М.: Знание (серия "Биология"), 1984, Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. - М.: Мир, 1984. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. - М.: Мир, 1983.

В брошюре рассказывается о научных предпосылках биотехнологии - успехах в изучении биологии клетки, строения и функций генетического аппарата и о путях использования этих теоретических знаний в решении практических задач, важных для сельского хозяйства, биологической промышленности и медицины. Рассматриваются основные направления современной биотехнологии, ее близкие и далекие перспективы. НЕЙФАХ Александр Александрович - доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института биологии развития АН СССР. Автор открытия периодичности морфогенетической функции ядер (1962 г.) и более 150 научных работ и 5 книг по вопросам молекулярной биологии развития, изданных у нас и за рубежом. Рецензент Н.Г. Xрущов, член-корреспондент АН СССР.

Успехи "домолекулярной" биотехнологии

К концу XIX в. были созданы очень продуктивные сорта растений и пород животных. К этому времени практики-селекционеры уже выработали правила скрещивания и отбора, основанные не на знании генетики, а на многовековом опыте. Правда, получение чистого сорта или хорошей породы обычно занимало много десятилетий. Незнание генетики приводило иногда к смешным предрассудкам. В коневодстве и собаководстве, например, почти до наших дней сохранилось убеждение, что на потомстве сказываются признаки не только обоих родителей, но и самцов, осеменявших эту самку раньше.

Продуктивность животных и растений в сельском хозяйстве определяется не только их генетическими свойствами, но в неменьшей мере условиями или технологией их выращивания. Благодаря улучшению сортов и пород и развитию этой технологии урожайность растений и продуктивность животных в развитых странах непрерывно возрастали. Однако возрастали и потребности в совершенствовании биотехнологии.

Это происходит по ряду причин. Во-первых, развитие промышленности отвлекает значительную часть населения, в результате все меньшее число людей, производящих продукты сельского хозяйства, должны суметь прокормить все большее число едоков. Во-вторых, население земного шара все время увеличивается. Наконец, в развитых странах происходит улучшение "качества жизни", когда хорошее питание становится доступным более широким слоям населения - люди стали есть больше мяса, молочных продуктов, фруктов. Ресурсы тех методов биотехнологии, которые были созданы за минувшие века, сейчас в значительной мере исчерпаны. Поэтому в производстве пищи все большую роль, особенно в последние десятилетия, стала играть наука - в первую очередь биология и химия. В создании новых сортов и пород решающую роль сыграла генетика.

Генетика как наука возникла в начале нынешнего века, через 30 лет после открытия Г. Менделем генетических законов. Но потребовалось еще 40-50 лет, прежде чем знание генетики привело к кардинальным практическим результатам, в первую очередь к широкому использованию гетерозиса при выращивании кукурузы и созданию новых урожайных сортов пшеницы и риса.

Гетерозис состоит в том, что при скрещивании двух различных сортов растений или пород животных часто (хотя и не всегда) первое поколение превосходит по продуктивности обоих родителей. Генетики создали несколько пар чистых сортов (линий) кукурузы, каждый из которых дает не очень высокий урожай. Но при скрещивании этих линий внутри пары первое поколение таких межлинейных гибридов проявляет гетерозис, т. е. оказывается значительно урожайнее этих родительских линий и других негибридных сортов. Разведение и поддержание родительских линий и получение гибридных семян требуют значительной квалификации и усилий, и этим обычно занимаются специальные семеноводческие хозяйства и фирмы. Такие семена обходятся дороже обычных, но их применение вполне окупает себя. Рекордные урожаи кукурузы достигают 240 ц/га.

Выведение в послевоенные годы новых сортов пшеницы (в Мексике) и риса (на Филиппинах) было основано на длительном изучении их генетики и, в частности, обнаружении генов карликовости и полукарликовости. Это позволило создать сорта, в которых удачно сочетались высокая урожайность, устойчивость ко многим болезням и вредителям, отзывчивость на высокие дозы удобрений и низкий прочный стебель, обеспечивающий неполегание растений. Это последнее качество очень важно, так как у многих урожайных сортов тяжелые колосья (у риса - метелки) сгибают высокие растения с тонким стеблем и делают их недоступными машинной уборке. Средние урожаи новых сортов пшеницы достигают 100 ц/га (рекорд - 140 ц/га).

Очень показательны успехи в получении новых сортов риса, которые за последние 30 лет обеспечили быстрый подъем его урожайности. Рис составляет 50% пищи почти половины населения Земли, т. е. 2 млрд. людей, в основном жителей Азии и Океании. Его исходная урожайность в Африке и в средневековой Японии не превышала 10-15 ц/га. К началу нашего века урожайность риса в Японии удвоилась, а за последние 80 лет удвоилась еще раз и составляет сейчас в среднем по стране 60 ц/га. Это достигается не только за счет выведения новых сортов, но и применения больших количеств азотных удобрений.

Селекционная работа с рисом, однако, должна вестись постоянно. Дело в том, что важное достоинство новых сортов - устойчивость к вредителям риса не остается постоянной. Такие вредители, как, например, коричневая цикадка, быстро приспосабливаются к новому сорту; в результате он теряет свою устойчивость, которую приходится снова повышать путем дальнейшей генетической работы. Резервы селекции риса еще не вполне исчерпаны, так как на отдельных опытных участках удается получать до 130 ц/га. Это, по-видимому, близко к теоретическому пределу урожайности, который соответствует усвоению около 3% энергии солнечного света, падающего на поле. Дальнейший успех может быть достигнут за счет новых быстрорастущих и раносозревающих сортов, которые в тропических странах позволяют получать три урожая в год.

В результате успехов генетики и технологии выращивания произошли изменения не только в урожайности риса, но и в экономике целых стран. В странах с высокоразвитым сельским хозяйством, где урожаи и раньше были высокими, новые сорта не вызвали резких изменений, но в развивающихся странах введение этих новых сортов (например, пшеницы - в Мексике и риса - в Индии) произвело то, что сейчас называют зеленой революцией. В целом положение с селекцией и технологией выращивания риса можно пока считать благоприятным; в то время как численность населения в странах Азии возрастает на 3% в год, урожайность риса увеличивается на 5%. "Зеленая революция" решила продовольственную проблему во многих странах, однако не во всех и не навсегда. По мере роста населения вследствие социальных причин, частых засух и наступления пустынь в слаборазвитых государствах Африки нехватка продовольствия остается важнейшей проблемой.

Урожайность сама по себе не единственная проблема, которую решают генетическими методами. В современном сельском хозяйстве все большее место занимает использование машинной технологии для выращивания самых разнообразных культур. Например, при уборке хлопка или томатов с помощью машин решающим становится одновременное созревание коробочек хлопка или плодов томатов. В Японии были разработаны промышленные методы получения триплоидных семян арбуза, из которых вырастают бескосточковые арбузы.

Может быть, центральной в растениеводстве остается проблема источников связанного азота, которая в большинстве случаев решается внесением азотных удобрений. Поэтому при селекции риса нужны не те сорта, которые не нуждаются в удобрениях, а, напротив, те, которые от них больше зависят. Дело в том, что естественные источники связанного азота на рисовых полях (чеках) в принципе не могут дать урожая больше, чем 10 ц/га. Каждые следующие 10 ц требуют внесения удобрений, содержащих 20 кг связанного азота. Лучшие сорта риса способны воспринять столько азотных удобрений, что средний урожай, как уже говорилось, достигает 60 ц/га. Природные источники азотйых удобрений практически исчерпаны, а химическое получение связанного азота сопровождается значительными энергетическими затратами.

В животноводстве, помимо выведения новых пород, большой прогресс был достигнут путем создания сбалансированных рационов корма. Проблема тут состоит в том, что соотношение различных аминокислот в белках растений иное, чем в белках животных: в растительных белках заметно меньше лизина, а также метионина и треонина. Поэтому, чтобы получить достаточное количество этих незаменимых аминокислот, животные должны поедать намного больше, приблизительно в 1,5-2 раза, растительных кормов. Это количество можно было бы значительно уменьшить, если добавлять в корм недостающие компоненты.

Полностью сбалансированная и рациональная диета - та, где все необходимые компоненты находятся в оптимальных соотношениях, а стоимость корма минимальна. Особенно эффективными такие рационы оказались для роста цыплят - на 1 кг привеса им достаточно менее 2 кг хорошо сбалансированного корма. Это сделало куриное мясо во многих странах дешевым мясным продуктом. Обогащение растительных кормов недостающими аминокислотами или белками, содержащими такие аминокислоты, а также некоторыми витаминами стало обязательным в современной биотехнологии получения мяса. Основным источником кормовых белков, аминокислот и витаминов являются микроорганизмы, растущие на дешевых средах. Поэтому микробиологическая промышленность стала важнейшим звеном биотехнологии.

Источник: Нейфах А.А. Клеточные и генетические основы биотехнологии. - М.: Знание (серия "Биология"), 1987.