Использование живых организмов для производства пищи и лечения
Хлеб поднимается, йогурт густеет, инсулин спасает жизни — всё это продукты жизнедеятельности организмов, используемые человеком. В этом разделе рассматриваются способы повышения урожайности (теплицы, удобрения, защита от вредителей), масштабное выращивание микроорганизмов (ферментеры) и целенаправленное изменение организмов: селекционное разведение, генная инженерия и клонирование.
Edexcel International GCSE Biology 4BI1, Раздел 5 (утверждения 5.1–5.20B) завершает курс. Утверждения с буквой B (рыбоводство, микропроращивание, клонирование млекопитающих) относятся только к биологии.
Производство пищи
Культурные растения. Теплицы и полиэтиленовые туннели удерживают тепло и защищают культуры, позволяя фермерам контролировать освещённость, температуру, CO₂ и влажность; повышение концентрации CO₂ и температуры до оптимального уровня увеличивает скорость фотосинтеза и урожайность. Удобрения восполняют минеральные ионы (нитраты для аминокислот, магний для хлорофилла), которые почва теряет с каждым урожаем. Защита от вредителей: пестициды быстро и полностью уничтожают вредителей, но создают риск биоаккумуляции, нанося ущерб другим видам и оставляя остатки; биологическая защита (введение хищника вредителя) является самовоспроизводящейся и специфичной, но медленной и менее контролируемой, если вид-контролёра сам начинает распространяться.
Микроорганизмы. Дрожжи ферментируют сахар: в анаэробных условиях они производят углекислый газ (который поднимает тесто) и этанол; Lactobacillus превращает молочный сахар в молочную кислоту, густея при этом. Промышленный ферментер поддерживает микроорганизмы в оптимальных условиях: стерильные меры предосторожности (отсутствие загрязнения), питательные вещества, оптимальная температура и pH, аэрация (подача воздуха для аэробных культур) и перемешивание (равномерное распределение тепла и питательных веществ).
(B) Рыбоводство эффективно обеспечивает белком: поддерживайте качество воды, контролируйте хищничество (внутривидовое — среди рыб — и межвидовое), контролируйте болезни, удаляйте отходы, контролируйте качество и частоту кормления, а также селективно разведите быстро растущие штаммы.
Селекция
Выберите родителей с желаемыми характеристиками → скрестите их → отберите лучших потомков → повторяйте на протяжении нескольких поколений. Это позволяет получать растения с более высокой урожайностью, устойчивостью к болезням или морозоустойчивость, а также животных с большим количеством мяса, молока или спокойным поведением — но это сужает генетический пул, увеличивая уязвимость к болезням, и занимает много поколений.
Генетическая модификация (генная инженерия)
Рестрикционные эндонуклеазы разрезают ДНК в специфических участках; лигаза соединяет фрагменты ДНК вместе. Плазмида (или вирус) служит вектором: ген человеческого инсулина вырезается, вставляется в открытую плазмиду, а рекомбинантная ДНК поглощается бактериями, которые размножаются в ферментере, производя человеческий инсулин. ГМО-растения могут быть устойчивы к вредителям или гербицидам, либо производить больше еды. Организм, получивший гены от другого вида, называется трансгенным.
Клонирование (B)
Микроразмножение (культура тканей): небольшой эксплант выращивают in vitro на питательной среде с гормонами роста, получая генетически идентичные саженцы — коммерческие количества растений с желаемыми характеристиками, свободных от болезней и быстрорастущих. Клонирование млекопитающих: диплоидное ядро из зрелой клетки вставляют в энуклеированную яйцеклетку (собственное ядро удалено); клетка делится, образуя эмбрион, который помещают в матку-носитель — овца Долли. Склонированные трансгенные животные могут производить человеческие белки в молоке.
Проверьте себя
- Назовите два способа, которыми теплица повышает урожайность культур.
- Укажите одно преимущество и один недостаток биологического контроля.
- Почему Lactobacillus загущает молоко?
- Перечислите пять условий, которые поддерживает ферментер.
- (B) Назовите два метода контроля хищничества в рыбоводстве.
- Назовите два недостатка селекционного разведения.
- Назовите фермент, разрезающий ДНК, и тот, который ее соединяет.
- Что такое вектор в генной инженерии?
- Объясните, почему бактерии с геном человеческого инсулина полезны как лекарство.
- (B) Опишите этапы клонирования млекопитающего.
Ответы: 1 Задерживает тепло около оптимума; CO₂, свет и вода контролируемы (любые два); 2 Преимущество — самовосстанавливающийся, без остатков; недостаток — медленный, и вид-контролер может распространиться; 3 Он преобразует лактозу в молочную кислоту, которая сворачивает молочный белок; 4 стерильные условия, питательные вещества, оптимальная температура и pH, аэрация, перемешивание; 5 (B) сетчатые загоны против межвидовых хищников; снижение плотности посадки против внутривидового хищничества; 6 сужает генетический пул, поэтому болезнь распространяется легко; занимает много поколений.
Ответы продолжаются: 7 Рендизационные ферменты разрезают; лигаза соединяет; 8 плазмида или вирус, доставляющий рекомбинантную ДНК в клетку; 9 они быстро размножаются в ферментере, секретируя человеческий инсулин — безопасно и в промышленных масштабах; 10 (B) Диплоидное ядро из зрелой клетки → энуклеированная яйцеклетка → деление на эмбрион → имплантация в суррогатную мать.