Гіпермаркет Знань>>Біологія>>Біологія 10 клас>> Біологія: Біотехнологія та її основні напрямки

Біотехнологія та її основні напрямки.

Пригадайте:

Що таке ген?

Які особливості будови і життєдіяльності вірусів?

Як відбувається транскрипція і подвоєння ДНК?

Що таке інтерферони, гормони?

Що таке біотехнологія?

Біотехнологія - сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси. Людина з давніх-давен застосовує біотехнологічні процеси для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін «біотехнологія» (від грец. біос - життя, технос - мистецтво і логос - учення) запровадили лише в 70-х роках XX століття.

У наш час різні види бактерій і грибів використовують у мікробіологічній промисловості для виробництва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків тощо. У харчовій промисловості високопродуктивні штами мікроорганізмів дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива), кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Біотехнологічні процеси застосовують і для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунту від побутового і промислового забруднення. Методи біологічного очищення ґрунтуються на здатності певних видів бактерій розкладати органічні сполуки, які потрапляють у довкілля. Завдяки селекційній роботі створено штами мікроорганізмів, здатних розкладати ті сполуки, які природні види не можуть мінералізувати. Для очищення стічних вод, природних водойм і ґрунту застосовують властивості деяких організмів накопичувати органічні та неорганічні сполуки або певні хімічні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпростіших).

Біотехнологічні процеси враховують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського і лісового господарств, а також паразитичними і кровосисними видами. Використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно знижують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи при цьому довкілля токсичними сполуками. Необхідною умовою використання біологічних препаратів у біологічному методі боротьби є їхня безпечність для корисних видів організмів.

Останнім часом у розробці біотехнологічних процесів все ширше застосовують методи генетичної і клітинної інженерії, які дають можливість одержати різноманітні сполуки і препарати.

Які завдання генетичної інженерії?

Генетична (генна) інженерія - прикладна галузь молекулярної біології, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Генна інженерія здійснює:

-    синтез генів поза організмом, видалення з клітин і перебудову окремих генів;
-    копіювання і розмноження виділених або синтезованих генів;
-    введення генів або їхніх груп у геном інших організмів;
-    експериментальне поєднання різних геномів у одній клітині.

Для перенесення синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують і плазміди (переважно одержані з клітин бактерій). Плазміди — позахромосомні фактори спадковості, найчастіше являють собою кільцеві молекули ДНК прокаріотів (наприклад, генетичний апарат мітохондрій і хлоропластів).

Одну з можливих схем перенесення певного гена до клітини бактерії наведено на малюнку 98.

З клітин, які містять у своєму геномі певний ген, виділяють молекулу іРНК, на якій, як на матриці, синтезують комплементарний ланцюг ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого іРНК вилучають, а на ланцюзі ДНК, що залишився, за принципом комплементарності синтезують другий. Створену таким чином молекулу ДНК вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

Іншим способом є фрагментація молекули ДНК, яка підлягає перенесенню. Утворені фрагменти молекули ДНК сполучають з молекулою ДНК переносника, яку перед цим переводять у лінійну форму. Крім того, переносять із клітини в клітину еукаріотів метафазні хромосоми. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні з яких втрачаються, а інші вбудовуються у хромосому клітини-хазяїна і там функціонують.

Об'єктами досліджень генетичної інженерії є переважно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріотів. Наприклад, у геном бактерій було введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, і бактерії почали синтезувати цей гормон. Методами генетичної інженерії одержані білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних інфекцій, гормон росту тощо. Щорічно зростає перелік медичних препаратів, одержаних за допомогою методів генетичної інженерії.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її молодість, відкриваються значні перспективи. Крім розв'язання перелічених вище питань, у майбутньому генетична інженерія буде здатна вирішувати і глобальніші завдання. Серед них: видалення дефектних алелей на найранніших етапах індивідуального розвитку і заміна їх нормальними, поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо.

Наприклад, перенесення з клітин азотфіксуючих бактерій генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, в клітини вищих рослин, значно скоротило б витрати на виробництво і внесення в ґрунт нітратних добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають виняткове значення і для теоретичної біології. Завдяки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різних організмів. Подальший розвиток генетичної інженерії пов'язаний зі створенням банків генів, тобто колекцій генів різноманітних організмів.

Робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, пов'язана і з етичними проблемами. Втручання в генотип хребетних тварин і особливо людини, навіть із найкращими намірами, може спричинити непередбачувані наслідки.

Що таке клітинна (тканинна) інженерія? Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні середовища, де вони продовжують жити і розмножуватися. Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещування організмів, яке неможливо зробити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.

Наприклад, гібридизацією клітин, здатних виробляти певні антитіла, з раковими одержано гібридні клітини. Найпродуктивніші з цих клітин переносили на поживні середовища і вирощували культури, які виробляли антитіла.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин {тканин) для отримання цінних речовин, що значно знижує собівартість лікарських препаратів (наприклад, препарати лікарської рослини женьшеню). Оскільки нестатеві клітини, як правило, містять усю спадкову інформацію про організм, то існує можливість вирощувати з них значну кількість організмів з однаковими спадковими властивостями.

Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон - гілка, нащадок) - сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відношенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні організми  (мал. 99).

Контрольні запитання:

1. Що таке біотехнологія? Яке її значення в житті людини?
2.Що таке генетична інженерія? Які методики вона використовує у своїх дослідженнях?
3. Які завдання постають перед клітинною (тканинною) інженерією?
4. На яких рівнях організації живої матерії проводять дослідження в галузі генетичної та клітинної інженерії?
5. Що таке клонування клітин або організмів?
 
Поміркуйте:

Яке значення має генетична і клітинна інженерія для розвитку теоретичної біології?
Яким чином можна ввести в іншу клітину синтезовані або виділені гени?

Про що ми дізналися з цього розділу

Генетика - наука, що вивчає закономірності спадковості та мінливості. Елементарною одиницею спадковості є ген - ділянка молекули нуклеїнової кислоти. Гени, що кодують певні ознаки організму, можуть знаходитися у різних станах, які називають алелями (або алельними генами). Сукупність спадкової інформації, закодованої в генах клітини або всього організму, називають генотипом. Унаслідок взаємодії генотипу з умовами довкілля формується фенотип особин - сукупність усіх їхніх ознак і властивостей.

Видатний чеський учений Грегор Мендель установив основні закони спадковості: одноманітності гібридів першого покоління (закон домінування), розщеплення, незалежного комбінування станів ознак, чистоти гамет.

Відомі випадки, коли одна алель тільки частково домінує над іншою або ж домінування кожної з алелей відсутнє (проміжний характер успадкування). Існують також летальні алелі, які, проявляючись у фенотипі, можуть спричинити загибель організму ще до набуття ним здатності до розмноження. Для перевірки генотипу гібридних особин застосовують аналізуюче схрещування.

Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення і успадковуються зчеплено. Зчеплене успадкування певних ознак може порушуватись унаслідок кросинговеру. Явище зчепленого успадкування вивчав відомий американський генетик Т.Х. Морган, який створив хромосомну теорію спадковості.

У роздільностатевих видів стать майбутньої особини визначають переважно у момент запліднення і вона залежить від певного поєднання статевих хромосом (X- та ?-хромосоми). Деякі ознаки успадковуються зчеплено зі статтю (гемофілія, дальтонізм у людини, черепахове забарвлення шерсті у котів тощо).

Генотип особин кожного виду є цілісною системою, що склалася в процесі його тривалого історичного розвитку. Формування станів більшості ознак є наслідком взаємодії як алельних, так і неалельних генів, а також їхньої множинної дії.

Існує спадкова і неспадкова мінливість. Неспадкову мінливість називають модифікаційною. Вона, зазвичай, має пристосувальний характер. Межі модифікаційної мінливості ознак називають нормою реакції. Спадкова мінливість буває комбінативною і мутаційною. Комбінативна мінливість виникає внаслідок нових варіантів поєднань алелей (рекомбінацій). Мутації - стійкі зміни спадкового матеріалу, що виникли раптово. Фактори, що спричиняють мутації, називають мутагенними. Залежно від природи їх поділяють на фізичні, хімічні та біологічні. На підставі того, що у близьких у генетичному відношенні організмів можуть виникати подібні мутації, відомий російський генетик М.І. Вавилов сформулював закон гомологічних рядів спадкової мінливості.

Селекція - наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення існуючих порід тварин, сортів рослин і штамів мікроорганізмів. Теоретично основою селекції є генетика, а основними методами — штучний добір і гібридизація.

Центри походження та різноманітності культурних рослин і одомашнення тварин, зазвичай, збігаються з давніми центрами землеробства й тваринництва. Ефективність селекції рослин, тварин і мікроорганізмів залежить від різноманітності вихідного матеріалу.

Особливою галуззю промисловості є біотехнологія, що використовує живі організми та біологічні процеси для одержання потрібних людині речовин і препаратів. Перспективним напрямом біотехнології є клонування організмів.

Підсумкові завдання:

Тематична перевірка знань

I  рівень

(вибрати із запропонованих відповідей правильну)

1. Сукупність генів гаплоїдного набору хромосом називають:
а) генотипом; б) геном; в) геномом; г) генофондом; ґ) каріотипом.
2. Прояв обох станів ознаки у фенотипі гібридів другого покоління називають: а) рекомбінацією; б) мутацією; в) розщепленням; г) модифікацією.
3. Мутації можуть виникати у клітинах: а) лише статевих;б) лише соматичних; в) як статевих клітинах, так і соматичних.
4. Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють: а) геном; б) генотип; в) каріотип; г) групу зчеплення; ґ)генофонд.
5. Зчеплене успадкування порушується внаслідок: а) рекомбінацій; б) кросинговеру; в) мутацій; г) модифікацій.
6. Схрещування особин, які відрізняються різними станами двох ознак, називають: а) моногібридним; б) дигібридним; в) полігібридним; г) аналізуючим.
7. Алельні гени займають: а) однакові ділянки гомологічних хромосом; б) різні ділянки гомологічних хромосом; в) однакові ділянки негомологічних хромосом; г) різні ділянки негомологічних хромосом; ґ) ділянки в одній хромосомі.
8. Число груп зчеплення організмів певного виду дорівнює: а) кількості хромосом у гаплоїдному наборі; б) кількості хромосом у диплоїдному наборі; в) кількості статевих хромосом; г) кількості аутосом.
9. Межі модифікаційної мінливості ознаки називають: а) варіаційним рядом; б) варіаційною кривою; в) модифікаціями;
г) нормою реакції.
10. Споріднене схрещування супроводжується: а) підвищенням гомозиготності нащадків; б) підвищенням гетерозиготності нащадків; в) гетерозисом; г) підвищенням частоти мутацій; ґ) не впливає на генотип нащадків.
11. Гетерозис найкраще проявляється у гібридів: а) першого покоління; б) другого покоління; в) третього покоління; г) восьмого покоління.
12. Виродження нащадків спостерігають у разі схрещування: а) спорідненого; б) неспорідненого; в) при віддаленій гібридизації; г) моногібридного; ґ) дигібридного.

II  і III рівні

(вибрати із запропонованих відповідей одну чи кілька правильних)

1. Г.Мендель сформулював: а) закон гомологічних рядів спадкової мінливості; б) хромосомну теорію спадковості; в) закон розщеплення; г) закон чистоти гамет; ґ) клітинну теорію.
2. Спадкова мінливість буває: а) модифікаційною; б) комбінативною; в) віковою; г) мутаційною; ґ) сезонною.
3. Цитоплазматична спадковість пов'язана з: а) позаядерними генами; б) генами, розташованими в статевих хромосомах; в) генами, розташованими в аутосомах; г) впливом цитоплазми яйцеклітини на формування ознак нащадків; ґ) дрейфом генів.
4. Певний стан ознаки може: а) визначатися впливом лише одного алельного гена; б) формуватися внаслідок взаємодії алельних генів; в) формуватися внаслідок взаємодії алельних і неалельних генів; г) формуватися лише під впливом умов довкілля; ґ) формуватися внаслідок взаємодії генотипу і умов довкілля.
5. Пристосованість організмів до періодичних змін умов довкілля забезпечують: а) модифікації; б) мутації; в) кросинговер; г) дрейф генів; ґ) зчеплене успадкування.
6. Геномні мутації пов'язані з: а) кратним збільшенням наборів хромосом; б) кратним зменшенням наборів хромосом; в) зміною кількості окремих гомологічних хромосом; г) зміною будови окремих хромосом; ґ) зміною структури окремих генів.
7. Прикладами успадкування, зчепленого зі статтю, є: а) хвороба Дауна; б) успадкування строкатості листків рослин; в) черепахове забарвлення шерсті котів; г) платинове забарвлення шерсті у лисиць; ґ) дальтонізм.
8. Усі варіанти генотипу гібридних особин проявляються у фенотипі за умов: а) повного домінування; б) неповного домінування; в) проміжного характеру успадкування; г) множинної дії генів; ґ) взаємодії неалельних генів.
9. Відхилення результатів розщеплення у фенотипі нащадків від очікуваного теоретично, згідно із законами спадковості, встановленими Г. Менделем, можливе внаслідок: а) повного домінування одних алельних генів над іншими; б) зчепленого успадкування певних ознак; в) множинної дії генів; г) взаємодії неалельних генів; ґ) модифікаційної мінливості.
10. Штучний добір буває: а) масовим; б) моногібридним; в) дигібридним; г) полігібридним; ґ) індивідуальним.
11. Явище гетерозису спричинюється: а) переходом рецесивних алелей у гетерозиготний стан; б) підвищенням гомозиготності нащадків; в) взаємодією неалельних генів; г) модифікаційною мінливістю; ґ) мутаційною мінливістю.
12. Ефективність селекційної роботи залежить від: а) різноманітності вихідного матеріалу; б) впливу чинників довкілля; в) обрання певних форм гібридизації; г) застосування певної форми штучного добору; ґ) систематичної належності організмів.

IV рівень

1. Який зв'язок існує між законами спадковості та процесом мейозу? Відповідь обґрунтуйте.
2. У чому полягає біологічне значення того, що певний ген може бути представлений великою кількістю алелей?
3. Як часто між генами, які входять до однієї групи зчеплення, повинен відбуватися кросинговер, щоб стани ознак, які він визначає, успадковувалися незалежно? Відповідь обґрунтуйте.
4. З чим пов'язане утворення нових станів ознак під час схрещування організмів? Відповідь обґрунтуйте.
5. Чому летальні й сублетальні алелі переважно рецесивні? Відповідь обґрунтуйте.
6. Чому мутації, що супроводжуються кратним зменшенням набору хромосом, зазвичай, негативно впливають на життєдіяльність організмів? Відповідь обґрунтуйте.
7. Чому штучний мутагенез практично не застосовують у селекції тварин? Відповідь обґрунтуйте.
8. Які органи тварин у першу чергу потребують захисту від іонізуючого випромінювання? Відповідь обґрунтуйте.
9. Внаслідок мутацій можуть народжуватись діти, що мають лише статеву хромосому - Х-хромосому, але випадки народження дітей з однією У- хромосомою невідомі. Чому? 10.3 якою метою у селекції використовують споріднене та неспоріднене схрещування, а також віддалену гібридизацію?
11. Що спільного та відмінного у селекції тварин, рослин і мікроорганізмів?
12. Чому ефективність селекції залежить від різноманітності вихідного матеріалу?

Лабораторна робота № 3

Тема: Спостереження нормальних і мутантних форм дрозофіл

Обладнання  і матеріали:  Світлові мікроскопи, постійні препарати нормальних (диких) і мутантних форм дрозофіл.

Хід роботи:

1. Підготувати мікроскоп до роботи.
2. При малому збільшенні мікроскопа розглянути препарати нормальних дрозофіл. Звернути увагу на забарвлення мух, наявність і розміри крил.
3. Розглянути препарати мутантних форм дрозофіл. Звернути увагу на забарвлення комах, наявність, форму і розміри крил.
4. Порівняти фенотипи нормальних і мутантних форм дрозофіл.
5. Зробити висновки.

Лабораторна робота № 4

Тема: Описання фенотипів місцевих сортів культурних рослин. Вивчення мінливості у рослин. Побудова варіаційних рядів і кривих

Обладнання і матеріали: Гербарні зразки місцевих рослин (пшениця, ячмінь, кукурудза тощо), насіння різних видів рослин (квасолі, кукурудзи, соняшника та ін.), листя (дуба, клена, липи тощо), лінійка або міліметровий папір.

Хід роботи:

1. Порівняти кілька (3-5) рослин одного виду (злаки, насіння квасолі, бульби картоплі тощо) за фенотипом (зовнішній вигляд, розміри та ін.).
2. Знайти характерні видові ознаки у різних представників рослин. Пояснити це явище.
3. Виявити відмінності в будові різних представників рослин одного виду, а також порівняти їх з представниками інших видів. Пояснити причини, які зумовили ці розбіжності.
4. Вибрати не менш як 10 рослин одного виду (або їхніх частин) за певними ознаками (наприклад, кількість вічок у бульб картоплі чи темних плям на білих насінинах квасолі тощо).
5. Підрахувати кількість обраних показників у кожній з рослин і занести одержані дані в таблицю, де відзначити частоту зустрічальності кожного з цифрових значень цих показників та середню величину ознаки.
6. Побудувати на підставі одержаних результатів варіаційний ряд і варіаційну криву: на осі абсцис відкласти варіанти, а на осі ординат - частоти прояву певних чисельних (кількісних) показників певної ознаки. Дати характеристику варіаційних ряду і кривої.

Короткий словник термінів
 
Алельні гени (алелі) - різні стани гена; визначають різні стани ознаки, яку він кодує.
Аутосоми - нестатеві хромосоми. Біотехнологія - галузь промисловості, в якій використовують живі організми чи біологічні процеси.
Варіаційна крива - графічне зображення кількісних показників мінливості певної ознаки, яке ілюструє розмах мінливості й частоту зустрічальності окремих варіант.
Варіаційний  ряд  -  послідовність кількісних показників (варіант) певної ознаки, розташованих в порядку їхнього зростання чи зменшення. Ген - ділянка молекули нуклеїнової кислоти. Гени регуляторні - гени, які є місцем прикріплення ферментів та інших біологічно активних речовин. Гени структурні - містять інформацію про структуру РНК, білка або поліпептиду. Генетика - наука, що вивчає закономірності мінливості та спадковості. Геном - сукупність генів гаплоїдного набору хромосом організмів певного виду.
Генотип - сукупність генетичної інформації, закодованої в генах окремої клітини чи цілого організму. Генофонд - сукупність усіх генів особин окремої популяції чи виду. Гетерозигота - диплоїдна або поліплоїдна клітина (особина), гомологічні хромосоми якої містять різні алелі певних генів. Гетерозис - явище гібридної сили, що виявляється у першому поколінні гібридів, одержаних шляхом неспорідненого схрещування або віддаленої гібридизації.
Гетерохромосоми - статеві хромосоми, що відрізняються своєю будовою і набором спадкової інформації (такзвані X- та У-хромосоми). Гібридизація [схрещування) - процес схрещування організмів, які відрізняються різними станами певних ознак. Гібриди - нащадки, одержані внаслідок гібридизації.
Гомозигота - диплоїдна або поліплоїдна клітина (особина), гомологічні хромосоми якої містять однакові алелі певних генів.
Мінливість - здатність організмів набувати нових ознак і їхніх станів у процесі як індивідуального розвитку особин, так і історичного розвитку виду. Мутації- стійкі зміни генетичного матеріалу, що виникають раптово й спричинюють зміни спадкових ознак організму. Норма реакції - межі модифікаційної мінливості ознаки, що визначаються генотипом.
Плазміди - позахромосомні фактори спадковості.
Поліплоїдія - кратне збільшення набору хромосом у клітинах організму. Порода - створена людиною сукупність особин тварин одного виду, що характеризується певними особливостями будови, життєвих функцій і продуктивністю. Рекомбінація - явище перерозподілу генетичного матеріалу батьків у генотипі нащадків.
Розщеплення - прояв різних станів певних ознак у нащадків гібридних особин.
Селекція - наука, що розробляє теоретичні основи створення нових і поліпшення існуючих порід тварин, сортів рослин, штамів мікроорганізмів.
Сорт - створена людиною сукупність особин рослин одного виду, що характеризується певними особливостями будови, життєвих функцій і продуктивністю.
Спадковість - властивість живих організмів зберігати властиві їм ознаки та передавати їх нащадкам, забезпечуючи цим наступність поколінь.
Фенотип - сукупність усіх ознак і властивостей особини, що формуються внаслідок взаємодії її генотипу і умов довкілля.
Чисті лінії -  генотипно однорідні нащадки однієї особини, гомозиготні за більшістю генів.
Штам -  культура мікроорганізмів, одержаних від однієї клітини (так звана чиста культура).

М.Є.Кучеренко, Ю.Г.Вервес, П.Г.Балан, В.М.Войціцький, Біологія, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів 

_{Планування з біології, підручники та книги онлайн, курси та завдання з біології для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.