Биотехнологии и современные медицинские технологии
Что такое биотехнологии, какие у них шесть направлений и как они работают в еде, сельском хозяйстве и медицине.
- Что такое биотехнология и зачем она нужна
- Бионика и генная инженерия: учимся у природы и правим гены
- Биоинженерия, лазеры, нанороботы и нейротехнологии в медицине
На Земле уже 8 млрд человек, и около 500 млн из них голодают или питаются недостаточно (данные ООН от 15 ноября 2022 г.). Земли больше не становится. Как накормить всех, если поле не растянуть? Оказывается, ответ ищут в генах бактерии, в хвосте скорпиона и в крошечных роботах внутри человека.
Ты сможешь объяснить, что такое биотехнология, и назвать её главные задачи
Ты сможешь отличить бионику, генную инженерию и биоинженерию и привести пример каждой
Ты сможешь рассказать, как биотехнологии применяют в сельском хозяйстве и в современной медицине
Что такое биотехнология и зачем она нужна
Представь, что у человека есть помощники, которые работают бесплатно и сами размножаются: дрожжи, бактерии, растения. Раньше мы просто пользовались ими вслепую. Хлеб поднимается, сыр созревает, уксус киснет, и никто не знал почему. Биотехнология — это когда мы делаем это осознанно и ещё учимся улучшать самих помощников.
Технология использования живых организмов, систем этих организмов и продуктов их жизнедеятельности, а также создание в интересах человека новых живых организмов с необходимыми свойствами.
Аналогия: биотехнология — это «завод», где вместо станков работают живые существа, а продукцию делает их обычная жизнь. Зацепка по форме слова: БИО — живое, ТЕХНОЛОГИЯ — способ производства. Правило самопроверки: если живой организм или система живых организмов используется как часть целенаправленной технологии или источника нужного продукта, это биотехнология.
Слово придумали не так давно: термин «биотехнология» ввёл венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г. До 1971 г. его использовали преимущественно в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, а с 1979 г. — для лабораторных методов создания и модификации живых организмов.
Что она должна решать (ключевые задачи):
- повышать продуктивность сельскохозяйственных растений и животных, то есть обеспечивать людей качественным продовольствием;
- создавать новые породы животных и виды растений для сельского хозяйства;
- защищать окружающую среду и утилизировать отходы;
- создавать новые экологически чистые процессы преобразования энергии и получения минеральных ресурсов;
- предотвращать разрушение среды обитания и глобальное изменение климата;
- принципиально улучшать современные медицинские технологии.
Направлений у биотехнологии шесть: научные основы получения пищевых продуктов, технологии пищевой промышленности, бионика, генная инженерия, биоинженерия и нейротехнологии. С первых двух мы и начнём, потому что они самые привычные: хлеб, сыр, уксус. Современная пищевая биотехнология идёт дальше: создаёт новые виды продуктов, снижает себестоимость, обогащает пищу аминокислотами, витаминами, белками и пищевой клетчаткой, увеличивает сроки хранения.
Дрожжи поднимают тесто для хлеба. Это биотехнология или нет? Почему?
показать
Дрожжи поднимают тесто для хлеба. Это биотехнология или нет? Почему?
Да. Здесь используется живой организм (дрожжи) и продукты его жизнедеятельности. Это традиционный метод пищевой биотехнологии.
Какие из перечисленных задач являются приоритетными для современной биотехнологии?
Бионика и генная инженерия: учимся у природы и правим гены
Природа перебирала решения миллионы лет. Можно подсмотреть готовое решение и повторить его в железе. А можно пойти глубже и поменять сам «чертёж» организма. Первый путь — бионика, второй — генная инженерия.
Наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структуры живой природы.
Аналогия: бионика — это списывание у лучшего ученика в классе, а лучший ученик — природа. Она уже решила задачу, остаётся понять как и перенести в технику. Зацепка: БИОника — «БИО» значит живое: бионика переносит принципы живой природы в технику.
Примеры из учебника: одежда и обувь со встроенным автономным освещением (идея взята у светящихся насекомых) и компьютерное кресло «Скорпион», в котором повторено строение тела скорпиона.
Совокупность приёмов, методов и технологий создания новых генетических структур, входящих в состав каждой клетки живого организма, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Проще: ген — это строчка инструкции в клетке. Генный инженер находит нужную строчку у одного организма, вырезает и вставляет в другой, как абзац из одного документа в другой. Так получают трансгенные растения.
Растения, в которые пересажены гены других организмов.
Аналогия: растение получает «приложение» из чужой программы, и у него появляется новое умение. Зацепка: ТРАНСгенные растения — ТРАНС: гены «трансфером» пересаживаются от другого организма в растение. Правило самопроверки: в трансгенном растении есть ген, которого у его вида раньше не было.
Проблема: колорадский жук съедает ботву картофеля, и приходится опрыскивать поле химией.
Находим организм с нужным свойством: у почвенной тюрингской бациллы есть подходящий ген.
Выделяем этот ген из бациллы и вводим его в картофель.
Получаем трансгенное растение — картофель, устойчивый к колорадскому жуку.
Так же создавали морозоустойчивые томаты и кукурузу, устойчивую к пестицидам. Методы генной инженерии применены к более чем 50 видам сельскохозяйственных растений. Польза — сокращение использования химических средств защиты на 40—60%.
Чем бионика отличается от генной инженерии: что в каждом случае берут у живой природы?
показать
Чем бионика отличается от генной инженерии: что в каждом случае берут у живой природы?
Бионика берёт принцип, форму или функцию и воплощает их в технике (кресло по образцу скорпиона). Генная инженерия берёт сам ген и вводит его в другой организм (картофель с геном бациллы).
Как называется область науки, занимающаяся применением принципов организации и структур живой природы в создании технических устройств, таких как компьютерное кресло, повторяющее форму скорпиона?
Биоинженерия, лазеры, нанороботы и нейротехнологии в медицине
Четвёртое направление — генная инженерия, пятое — биоинженерия, а шестое — нейротехнологии. В этом разделе сосредоточимся на биоинженерии и нейротехнологиях, которые применяются в медицине.
Направление, объединяющее технические, инженерные подходы к решению медицинских проблем с достижениями биомедицинской науки и клинической практики.
Аналогия: врач — это диагност, инженер — это мастер по запчастям, а биоинженер умеет и то и другое. Правило самопроверки: если для лечения создали устройство или искусственную деталь организма, то это биоинженерия. Её достижения: искусственные суставы, кровеносные сосуды, аппараты искусственного кровообращения, магниторезонансная томография.
Технологии, предназначенные для улучшения и исправления функций мозга.
Аналогия: мозг — это главный пульт управления телом, а нейротехнологии чинят его проводку и подключают к нему новые устройства. Зацепка по форме слова: НЕЙРО — нерв, мозг. Примеры: нейрокомпьютерные интерфейсы, нейропротезирование органов чувств и конечностей, искусственные органы, управляемые центральной нервной системой.
Кроме этого, в современной медицине работают:
- лазерные технологии: операции на органах брюшной полости и лёгких, малоинвазивные операции в ЖКТ, зубоврачебная практика, удаление опухолей головного и спинного мозга, операции на глазах;
- нанотехнологии: нанороботы рассматриваются как перспективная технология: планируется использовать их для доставки лекарств к поражённым клеткам человека и для наблюдения, исправления и контроля биосистем на молекулярном уровне; идёт разработка таких систем.
| Бионика | Генная инженерия | Биоинженерия | |
|---|---|---|---|
Что берут | принцип или форму природы | гены организмов | инженерные методы для медицины |
Что получают | технику, дизайн | новые организмы и сорта | протезы, приборы, томографы |
Пример | кресло «Скорпион» | картофель с геном бациллы | искусственный сустав |
К какому направлению отнести искусственную руку, которой управляет мозг?
показать
К какому направлению отнести искусственную руку, которой управляет мозг?
К нейротехнологиям (нейропротезирование конечностей); при этом сам протез — достижение биоинженерии.
Какие возможности открывает развитие нейротехнологий и нейрокомпьютерных интерфейсов в будущем?
Земли не прибавляется, поэтому растёт урожай с того же поля. Генная инженерия делает растения устойчивыми к вредителям, морозу и пестицидам: картофель с геном тюрингской бациллы, морозоустойчивые томаты и кукуруза. Химии на защиту нужно на 40—60% меньше. Пищевые биотехнологии обогащают еду белками, витаминами и клетчаткой и увеличивают сроки хранения, а значит, меньше пропадает. Это не волшебная палочка: голод зависит ещё от многих причин, но биотехнологии могут быть одним из инструментов для решения этой задачи.
Биотехнология использует живые организмы и продукты их жизнедеятельности и создаёт новые организмы с нужными свойствами
Термин «биотехнология» ввёл Карл Эреки в 1917 г.
Бионика переносит принципы живой природы в технику, например кресло «Скорпион»
Генная инженерия пересаживает гены: так получают трансгенные растения, и химии нужно на 40—60% меньше
Биоинженерия, лазеры, нанороботы и нейротехнологии улучшают медицину
Технология использования живых организмов, систем этих организмов и продуктов их жизнедеятельности, а также создание в интересах человека новых живых организмов с необходимыми свойствами.
Наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структуры живой природы.
Совокупность приёмов, методов и технологий создания новых генетических структур, входящих в состав каждой клетки живого организма, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.
Растения, в которые пересажены гены других организмов.
Направление, объединяющее технические, инженерные подходы к решению медицинских проблем с достижениями биомедицинской науки и клинической практики.
Технологии, предназначенные для улучшения и исправления функций мозга.
- Биотехнология
использование живых организмов и создание новых с нужными свойствами
- Бионика
применение принципов живой природы в технике
- Генная инженерия
выделение генов и введение их в другие организмы
- Трансгенные растения
растения с пересаженными генами других организмов
- Биоинженерия
инженерные подходы плюс биомедицина для решения медицинских проблем
- Нейротехнологии
улучшение и исправление функций мозга
| Бионика | Генная инженерия | Биоинженерия | |
|---|---|---|---|
Берут | принципы природы | гены | инженерные методы |
Результат | техника, дизайн | новые сорта | протезы, приборы |
Пример | кресло «Скорпион» | картофель с геном бациллы | искусственный сустав |
- 1917 г.
Карл Эреки ввёл термин «биотехнология»
- 1979 г.
термин применяют к лабораторным методам модификации организмов
- Более 50 видов
сельскохозяйственных растений изменены генной инженерией
- 40—60%
сокращение химических средств защиты растений
Профессии в этой области: инженер-биотехнолог, биоинформатик, биохимик, молекулярный биолог.
Сначала слово «биотехнология» относилось к хлебу, сыру и сельскому хозяйству, а лабораторные методы создания живых организмов стали так называть только с 1979 г.
Что такое биотехнология?
Технология использования живых организмов, их систем и продуктов жизнедеятельности, а также создания новых организмов с необходимыми свойствами.
При производстве картофеля фермерское хозяйство решило использовать сорт, устойчивый к колорадскому жуку. Какая биотехнологическая манипуляция позволила добиться такого результата?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Биотехнологии и современные медицинские технологии: Учебное пособие
Данное пособие систематизирует информацию о роли биотехнологий и современных медицинских технологий в жизни человека, их основных направлениях, задачах и перспективах развития.
1. Основные концепции и задачи биотехнологии
Биотехнология представляет собой комплекс технологий, использующих живые организмы, их системы или продукты жизнедеятельности, а также создание новых организмов с заданными свойствами для удовлетворения потребностей человека.
Ключевые задачи биотехнологии:
- Обеспечение продовольствием: Повышение продуктивности сельскохозяйственных культур и животных для борьбы с глобальным голодом. По данным ООН на 15 ноября 2022 года, население Земли достигло 8 млрд человек, при этом около 500 млн человек голодают.
- Сельское хозяйство: Создание новых пород животных и видов растений.
- Экология: Защита окружающей среды, утилизация отходов и предотвращение глобального изменения климата.
- Энергетика и ресурсы: Разработка экологически чистых процессов получения энергии и минеральных ресурсов.
- Медицина: Принципиальное улучшение медицинских технологий для повышения качества и продолжительности жизни.
2. Основные направления современных технологий
Биотехнология тесно связана с множеством научных дисциплин. Ниже представлены ключевые направления и примеры их практического применения:
Направление · Описание · Примеры применения
- Бионика — Применение принципов организации и структур живой природы в технических устройствах.; Дизайн одежды со встроенным освещением (на основе светящихся насекомых); компьютерное кресло «Скорпион».
- Пищевая биотехнология — Использование традиционных и современных методов для улучшения качества продуктов.; Приготовление хлеба, сыра; обогащение продуктов аминокислотами и витаминами для увеличения срока хранения.
- Генная инженерия — Манипуляции с генами, создание новых генетических структур и пересадка их в другие организмы.; Создание картофеля, устойчивого к колорадскому жуку; морозостойкие томаты; кукуруза, устойчивая к пестицидам.
- Биоинженерия — Объединение инженерных подходов с биомедицинской наукой.; Искусственные суставы, кровеносные сосуды, аппараты МРТ, нейропротезирование конечностей.
- Нейротехнологии — Технологии для улучшения и исправления функций мозга.; Нейрокомпьютерные интерфейсы (управление устройствами усилием мысли), гибридный человеко-машинный мозг.
- Нанотехнологии — Работа с материей на молекулярном уровне.; Нанороботы для адресной доставки лекарств к пораженным клеткам; мониторинг биологических систем.
3. Генная инженерия: достижения и вызовы
Генная инженерия является мощным инструментом биотехнологии. Она позволяет создавать трансгенные растения — организмы, в которые пересажены гены других видов.
- Успехи: Методы применены более чем к 50 видам растений (картофель, кукуруза, рис, пшеница и др.). Например, внедрение гена почвенной тюрингской бациллы в картофель делает его губительным для колорадского жука, но безвредным для человека.
- Экологический эффект: Использование ГМО позволило сократить применение химикатов (пестицидов и средств борьбы с вредителями) на 40–60%.
- Проблемы: Существуют опасения, связанные с наследованием измененных признаков и влиянием ГМО на традиционные организмы.
4. Глоссарий терминов
- Биотехнология — технология использования живых организмов и их систем, а также создание новых организмов с необходимыми свойствами.
- Бионика — наука о применении в технике принципов и функций живой природы.
- Генная инженерия — совокупность методов создания новых генетических структур и манипуляций с генами.
- Трансгенные растения — растения с внедренными генами других организмов.
- Биоинженерия — направление, решающее медицинские проблемы с помощью технических и инженерных подходов.
- Нейротехнологии — технологии, предназначенные для улучшения или исправления функций мозга.
- Малоинвазивные операции — хирургические вмешательства без разрезов, проводимые через проколы (например, с применением лазера).
5. Практикум: Краткие вопросы
- Кто и когда ввел термин «биотехнология»? (Ответ: Венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году).
- Какое достижение бионики вдохновило дизайнеров на создание кресла «Скорпион»? (Ответ: Строение тела скорпиона).
- На сколько процентов применение генной инженерии сократило использование химических средств защиты растений? (Ответ: На 40–60%).
- Какую роль нанороботы должны выполнять в медицине будущего? (Ответ: Транспортировка лекарств к пораженным клеткам, слежение и контроль за биосистемами на молекулярном уровне).
- Что такое нейрокомпьютерный интерфейс? (Ответ: Технология, позволяющая мозгу обмениваться информацией с внешними устройствами, например, компьютером).
6. Темы для эссе и дискуссий
- «Проблема мирового голода и биотехнологии: спасение или риск?»
- Основа для размышлений: Используйте данные ООН о населении в 8 млрд человек и возможности трансгенных растений по повышению урожайности.
- «Нейротехнологическая революция: что ждет человечество в 2030-х годах?»
- Основа для размышлений: Рассмотрите перспективы создания гибридного человеко-машинного мозга и нейропротезирования органов чувств.
- «Достоинства и недостатки генно-модифицированных продуктов».
- Основа для размышлений: Сопоставьте снижение использования пестицидов с неопределенностью влияния ГМО на немодифицированные виды.
- «Роль лазерных и информационных технологий в современной хирургии».
- Основа для размышлений: Проанализируйте преимущества малоинвазивных операций и использования компьютеризированной диагностической аппаратуры.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Биотехнология | Технология использования живых организмов, систем этих организмов и продуктов их жизнедеятельности, а также создание в интересах человека новых живых организмов с необходимыми свойствами. | Традиционные методы приготовления хлеба, сыра, уксуса; введение в состав продуктов аминокислот, витаминов, белков. |
| Бионика | Наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структуры живой природы. | Одежда и обувь со встроенным автономным освещением (на основе свечения насекомых), компьютерное кресло «Скорпион». |
| Генная инженерия | Совокупность приёмов, методов и технологий создания новых генетических структур, входящих в состав каждой клетки живого организма, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. | Создание картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, за счёт введения гена почвенной тюрингской бациллы. |
| Трансгенные растения | Растения, в которые пересажены гены других организмов. | Трансгенные томаты, легко переносящие заморозки; кукуруза, устойчивая к воздействию пестицидов. |
| Медицинские технологии | Технологии, напрямую связанные с развитием биотехнологий, информационных, лазерных технологий и нанотехнологий, направленные на повышение качества медицинских услуг. | Компьютеризированная аппаратура для диагностики, лазерные операции без разрезов (через проколы), использование нанороботов для транспортировки лекарств. |
| Биоинженерия | Направление, объединяющее технические, инженерные подходы к решению медицинских проблем с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. | Разработка искусственных суставов, кровеносных сосудов, аппаратов искусственного кровообращения, магниторезонансной томографии. |
| Нейротехнологии | Технологии, предназначенные для улучшения и исправления функций мозга. | Нейрокомпьютерные интерфейсы (включение телевизора усилием мысли), нейропротезирование органов чувств и конечностей. |