Межпредметный курс по выбору для 9 класса "Биология среди наук". Ч.4
Межпредметный курс по выбору для 9 класса "Биология среди наук". Ч.4
К занятию по теме: «Бионика:
ботаника и зоология – источник идей для инженерной мысли»
Мамонтов С.Г., Захаров В.Б. «Общая биология» (М., «Высшая школа», 1986 г)
Бионика – это направление в науке и технике, использующее биологические знания для решения инженерных задач.
*Растения – источник идей для инженерной мысли:
Каждый лист, каждая травинка, каждый лепесток могут служить живой моделью технических конструкций и быть использованы при проектировании различных типов сооружений или их элементов:
- по форме соломины (стебля злаков) построена Останкинская телебашня, на которой легко различить «узлы» и «междоузлия»
- в Москве много двухподъездных многоэтажных домов – «початков»
- на Востоке пагоды (буддийские мемориальные сооружения и хранилища реликвий) подобны кронам елей
и так далее.
*Животные – источник идей для инженерной мысли:
- простейшие: скелеты радиолярий – идея для конструирования мостов и плотин
- кишечнополостные: а) колокол медузы – идея для создания прибора
«ухо медузы» для прогноза шторма
б) движение медузы – идея для создания
реактивного двигателя
- насекомые: а) соты пчёл – элеваторы под Новосибирском и
Целиноградом из шестигранных призм
б) жужальца мух (видоизменённая вторая пара крыльев –
орган равновесия в полёте)
в) прибор гидротон (определяет угловое отклонение
полёта в скоростных самолётах и ракетах
- птицы и млекопитающие: а) механизм полёта птиц – летательные
аппараты Н. Жуковского
б) расположение костных пластин в костях
птиц и млекопитающих – 300 – метровая
Эйфелева башня в Париже
в) уши рукокрылых – локаторы
г) форма тела кита – форма подводных
лодок
д) глаз кошки – фотоаппарат
и другие.
К занятию по теме: «Биотехнология»
Вакула В. «Биотехнология: что это такое?»
(М., «Молодая гвардия», 1989 г)
1. Традиционная биотехнология
Человек издавна использует процессы жизнедеятельности живых организмов для получения продуктов питания.
Одним из самых древних биотехнологических производств считают хлебопечение, при котором используется спиртовое брожение с помощью одноклеточных грибов – дрожжей.
К традиционной биотехнологии также относится и производство молочнокислых продуктов с использованием молочнокислого брожения – разложения сахара до молочной кислоты молочнокислыми бактериями: С6Н12О6 → 2 С3Н6О3
- простоквашу получают с помощью молочнокислых стрептококков
- ацидофилин – с помощью ацидофильных палочек, молочнокислых стрептококков и кефирной грибковой закваски
- кефир – с помощью молочнокислых стрептококков, молочнокислых палочек, уксуснокислых бактерий и молочных дрожжей (т.е. кефир – это продукт смешанного брожения – молочнокислого и спиртового)
- йогурт – с помощью молочнокислых стрептококков и болгарской палочки
- сметану вырабатывают из сливок с помощью чистых культур молочнокислых стрептококков
- творог – белковый молочнокислый продукт – получают сквашиванием молока чистыми культурами молочнокислых бактерий с применением сычужных ферментов и удалением части сыворотки с отпрессовыванием белковой массы
- сыр – творожное изделие, подвергающееся созреванию (короткому 1 – 2 часа или чрезмерно длительному – 2 года, как итальянские сыры)
На производстве сыра остановимся подробно.
Итак, СЫРОДЛИЕ :
- 1 этап – образование казеинового сгустка:
молоко свёртывается с помощью молочнокислых бактерий в сочетании с сычужными ферментами телят (получают из сычугов 2 – 3 –недельных телят), чаще всего используются молочнокислые стрептококки: Str. Lactis, Str. Thermophilus,
молочнокислые палочки: Lact. Helvetcus, часто спрользуют также пропионовокислых бактерий, а для некоторых сыров (для рокфора, например) используют микроскопические грибы – Pen. Roqueforti.
- 2 этап – его обработка:
сгусток дробят при нагревании: он обезвоживается и образуется сырное зерно – белковые частицы по 3 – 6 мм (в сырных зёрнах находится большая часть микроорганизмов, а меньшая остаётся в сыворотке)
- 3 этап – прессование сырного зерна в формах:
2 – 12 часов зёрна обрабатывают пневматическим прессом для уплотнения, после прессования зёрна соединяются в крупные куски – монолиты шаровидной, цилиндрической, прямоугольной и др. форм.
- 4 этап – посолка в солильных бассейнах:
чтобы придать продукту определённый вкус – сыр выдерживают 6 – 8 суток в растворе соли (22 – 24%) при 8 – 10 градусах: соль способствует образованию корки, кроме того соль и такая температура замедляют деятельность бактерий
- 5 этап – созревание продукта в сырохранилищах:
в среднем 8 – 10 месяцев сыр созревает – находится на стеллаже в прохладной камере с температурой 12 – 14 градусов и влажностью воздуха около 90%, где каждые 2 – 3 для его переворачивают, по мере созревания гибнут микроорганизмы.
Примером традиционной биотехнологии может служить и ВИНОДЕЛИЕ:
Вино – продукт спиртового брожения виноградного или плодово-ягодного сока с помощью дрожжей: С6Н12О6 → 2 С2Н5 О Н + 2 С О2
Благоприятными для дрожжей условиями являются: наличие сахара (10 – 15%), кислая среда, температура около 30 градусов (при 50 градусах прекращается брожение, а при понижении температуры оно замедляется)
Этапы виноделия:
1. сбор винограда или плодов и ягод
2. отделение сока прессованием и его отстаивание
3. спиртовое брожение сока (периодический способ – в бочках, непрерывный – в резервуарах)
4. снятие вина с осадка, его фильтрация
5. вторичное брожение:
- резервуарный способ: брожение происходит в большой ёмкости – в бассейне – к вину добавляют сахар и дрожжи, через 1 – 2 месяца вино охлаждают, отстаивают и разливают в бутылки
- бутылочный способ: вино разливают в бутылки, добавляют сахар, дрожжи и материал для осветления, закупоренные бутылки выдерживают в подвалах при температуре 12 градусов 2 – 3 года, при медленном брожении углекислый газ растворяется, создавая в бутылке давление, в вине развивается букет, оно приобретает прозрачность, дрожжевой осадок постепенно переводят на пробку и удаляют из бутылки.
2. Новейшая биотехнология:
Микробиологический синтез витаминов:
Микроорганизмы способны синтезировать витамины группы В:
- дрожжи способны к синтезу витамина В1,
- дрожжеподобные грибы из рода Кандида продуцируют витамин В2,
- актиномицеты (микроорганизмы с чертами организации бактерий и грибов) синтезируют витамин В12 и т.д.
Получение антибиотиков:
Антибиотики – это вещества микробного происхождения, убивающие других микроорганизмов или тормозящих их развитие (т.е. обладающие мощным бактерицидным действием):
- пенициллин синтезируется плесневыми грибами пенициллами, он нарушает образование клеточных стенок у бактерий при их делении
- стрептомицин – лучистым грибком глобиспорус, он подавляет дыхательные системы у бактерий
- тетрациклин – актиномицетами, он подавляет синтез белков в бактериальных клетках
и другие (известно 6000 антибиотиков природного происхождения,
кроме того, получают ещё и полусинтетические антибиотики)
Эра антибиотиков началась в 70-ые годы Х1Х века, когда русские врачи Манассейн В.А. и Полотебнов А.Г. обратили внимание на антагонизм плесневых грибов и другой микрофлоры, они показали, что плесневые грибы можно использовать для лечения долго незаживающих ран в виде примочек, т.к. химически чистые вещества в те времена ещё получать не могли. Результаты были очень хорошими, но были и побочные явления: не было стерильности, в рану попадали и мицелий и другие вредные примеси, что вызывало нежелательные последствия.
В 1927 – 29 годы английский учёный А.Флемминг занимался изучением стафилококков и заметил, что в чашках Петри, где вросла зелёная плесень Penicillium notatum, стафилококки задерживали свой рост. Он назвал это вещество пенициллином, но в чистом виде его выделить не удалось.
В 1940 – 41 годах американские учёные Флори и Чейн получили химически чистый препарат пенициллин.
В 1941 году параллельно был получен советский пенициллин из культуры P.crustosum Зинаидой Виссарионовной Ермольевой (Татьяна Власенкова в романе В.Каверина «Открытая книга»).
Пенициллин был первым антибиотиком, а сейчас их известно свыше 6000. Способность синтезоровать антибиотики у бактерий, грибов, актиномицетов – это защитное приспособление: синтез идёт только в неблагоприятных условиях.
Производство ферментов:
Ферментные препараты применяются в более чем 200 отраслях промышленности: пищевой (хлебопечение, виноделие, пивоварение, в кондитерской, молочной и др. промышленностях, в производстве консервов и т.д.), лёгкой (текстильной, кожевенной, бумажной), медицинской промышленности и т.д.
Например, производство амилосубтилина на АО «Восток»
Амилосубтилин – это фермент амилаза (катализирует расщепление углеводов), продуцируемый сенной палочкой (Bacillus subtilis).
1 этап: выращивание посевного материала:
- на картофельных блоках –1 сутки
- в колбах с жидкой питательной средой – 3 суток
2 этап: приготовление и стерилизация питательной среды. Её состав:
крахмал, кукурузный экстракт, дрожжи, лактоза, минеральные соли,
кашалотовый жир и др.
3 этап: ферментация (выращивание сенной палочки в жидкой питательной среде в больших ёмкостях – ферментёрах) – 48 – 56 часов с периодической аэрацией и пеногашением, с микробиологическими и биохомическими анализами через каждые 4 часа
4 этап: концентрирование и высушивание культуральной жидкости в
двухступенчатой вакуум – выпарительной установке
5 этап: расфасовка и упаковка.
3. Клонирование: история овечки Долли.
Асланян М.М. «Удивительная история овечки Долли»
( журнал «Биология в школе» №1 – 1998 год)
Об овечке Долли слышали, наверно, все. Слава её велика. Вместе с удивительной историей этого животного многие впервые услышали слово «клон» и решили, что именно с Долли началась история клонирования. Но это те так. Начнём с того, что термин «клон» в переводе с греческого означает «черенок» или «веточка» и означает ряд поколений наследственно однородных потомков одной особи. Черенкование самой обычной малины или пересадка усов у содовой земляники – это клонирование, только не на клеточном уровне. В лабораторных условиях можно у растений из соматических клеток любых тканей сформированного организма можно получить взрослое полноценное растение (морковь, томаты, табак), можно получить и из изолированной клетки под воздействием растительных гормонов целое растение – этим занимается клеточная инженерия. Гораздо труднее обстоит дело с клонированием животных. Позвоночные животные, например, в процессе эволюции утратили способность воспроизводить потомство бесполым путём – делением соматических клеток, а беспозвоночные наряду с половым размножением могут размножаться путём деления клеток и создавать идентичные клоны ( например, это размножение амёбы: она производит несколько тысяч клеток, генетически идентичных ей самой, которые и называют клоном; если разрезать белую планарию на несколько десятков частей, то из каждого кусочка вырастет новый организм – это тоже клонирование). Долли получила такую известность, потому что она – первое успешно клонированное млекопитающее.
Итак, обо всём по - порядку. Человечество было потрясено известием о рождении Долли в феврале 1997 года. Шотландский учёный Ян Вильмут с коллегами провели успешные эксперименты по генетическому клонированию овцы. Попробуем разобраться в механизме появления Долли на свет. У этой овечки нет отца, но зато 3 матери:
- овца породы финский дорсет, давшая свой генетический материал (из клеток тканей молочной железы этой взрослой овцы извлекли соматические ядра)
- овца породы шотландская черномордая, от которой взяли яйцеклетку (из её яйцеклетки удалили гаплоидное ядро и поместили в цитоплазму клетки без ядра диплоидное ядро из клетки первой овцы)
- овца – реципиент породы тоже шотландская черномордая , которая выносила за 148 дней знаменитого ягнёнка (ей трансплантировали образовавшуюся диплоидную зиготу, которую предварительно стимулировали к дроблению электрошоком)
Какая же из них «настоящая» (биологическая) мать? Первая овечка, давшая своё ядро. С точки зрения генетики, Долли - точная копия (клон) именно этой овцы. Самое интересное, что эта настоящая мать умерла за 3 года до рождения свой дочери.
Эксперименты по трансплантации ядер, культивированию зародышей и пересадке их в организм матери технически очень сложные – экcпериментаторы использовали 256 яйцеклеток, прежде чем удалось получить одну живую овечку Долли массой 6,6 кг.
К 2002 году сама Долли произвела на свет естественным способом четырёх нормальных ягнят, ей самой исполнилось к этому времени 6 лет, т.к. на свет она появилась летом 1996 года, что несколько месяцев тщательным образом скрывали) – это для овцы далеко не преклонный возраст, но у Долли обнаружили заболевания, которые обычно проявляются в глубокой старости: у неё развился очень сильный артрит (болезнь суставов), отчего она практически не могла сама передвигаться, также обнаружилось заболевание лёгких и резкое старение клеток. Это было, по-видимому, связано с биологическим возрастом Долли (6,5 лет по «паспорту» плюс 6 лет донорной клетки, т.к. ядро было взято из клетки взрослой шестилетней овцы, в итоге это 12,5 лет жизни). Поэтому 14 февраля 2003 года учёные усыпили первую клонированную овечку.
За 8 лет, прошедших после появления на свет Долли, исследователям удалось клонировать множество других животных: мышей, кроликов, свиней, овец, коров и быков.
Внимание многих исследователей привлекают эксперименты по клонированию свиней, так как органы свиньи (сердце, печень, почки) по многим анатомическим и физиологическим показателям близки к человеческим и поэтому могут быть использованы для трансплантации человеку. Получение генетически модифицированных свиней с инактивированием определённых генов позволит пересаживать их органы человеку без отторжения иммунной системой.
Клонирование животных в будущем позволит реставрировать давно погибших видов животных, воспроизводить многочисленных генетических копий выдающихся по продуктивности животных-рекордистов и многое другое.
Метки: Биология