Ни для кого уже не секрет, что в XXI веке биология выступает лидером естествознания. Это обусловлено, прежде всего, возрастанием ее практических возможностей, ее программирующей ролью в аграрной, медицинской, экологической и других сферах деятельности, способностью решать важнейшие проблемы жизнедеятельности человека, в конечном счете даже определять судьбы человечества, например, в связи с перспективами развития биотехнологий, в том числе и генной инженерии.
С каждым днём всё больше молодеет аудитория школьников, которые начинают интересоваться современной биологией. Некоторые ребята уже готовы этим заниматься чуть ли не с дошкольного возраста. Идеи о том, что можно скрещивать между собой разных представителей животного и растительного мира, о том, что можно выводить мутантов с запрограммированными свойствами, и даже о том, что можно добиться «метаморфоза» собственных рук и ног в нужный момент времени, будоражат воображение многих наших учеников уже не один десяток лет. Мир фантастики тесно переплетается с повседневной реальностью. Ежесекундно всем желающим, детям и взрослым доступны несметные богатства в виде оцифрованных фильмов, книг, компьютерных игр на описанные выше темы. Жанры тоже разнообразны: от классической научной фантастики и серьёзного «научпопа» до приключений, боевиков, фэнтези и волшебных сказок.
Неожиданно быстро молодеет интерес к тематике сада и огорода на подоконнике, наблюдается массовое стремление детей и подростков попробовать на вкус и даже вырастить самим как можно больше всяких видов и сортов съедобных культурных растений, особенно редких, экзотических, необычных. Уже никого не удивишь чёрными помидорами, красными бананами, белой малиной или синей картошкой. Было время, всего каких-то 15−20 лет назад, когда этим интересовались лишь пенсионеры, дачники-огородники. Нынешние школьники, в своём активном большинстве, вовсе не стремятся возделывать грядки на даче или в деревне под руководством бабушек. Им подавай «умные теплицы», соединенные с компьютером, которые сами всё вырастят. Нужно только открыть готовый набор, произвести сборку устройства, растворить что-то из пакетиков и баночек, залить, засыпать, подключить к электропитанию и к интернету, скачать программное обеспечение, настроить и… ждать урожай, регулярно выкладывая фото на своих страницах соцсетей или в блогах. Ничего плохого в этом не вижу. Вполне нормальная познавательная деятельность. Кто-то из них вдруг почувствует потребность углубиться в начатые исследования, приложит усилия для усовершенствования своей «умной теплички», захочет вырастить что-то ещё более необычное, подготовит свой проект для участия в конкурсе, выступит с этой работой на научно-практической конференции школьников.
Юные герпетологи разводят амфибий и рептилий с удивительной окраской и необычным рисунком на теле. Встречаются даже светящиеся в темноте животные; и это вовсе не насекомые, не рыбки, а разные мышки, лягушки, змейки и прочие позвоночные.
Всё чаще встречаются выведенные методами генной инженерии так называемые трансгенные организмы: бактерии, грибы, растения и животные, которые имеют практическое значение или пока просто удивительные, привлекают внимание своей необычностью… Таким образом, совсем не случайно большим спросом пользуются кружки для школьников 8−12 лет, которые хотели бы начать изучать основы селекции и биотехнологии.
Селекция – это искусственный отбор организмов с полезными для человека свойствами для их дальнейшего размножения и выведения новых сортов растений, пород животных или штаммов микроорганизмов. Желаемыми признаками могут быть, например, размер и форма плодов, урожайность растений, плодовитость животных и их спокойный нрав, устойчивость к факторам внешней среды и необычный внешний вид у декоративных растений. Успехи селекции в наши дни часто не мыслимы без использования биотехнологий.
Биотехнологии – это технологические процессы, реализуемые с использованием биологических систем – живых организмов и компонентов живой клетки, основанные на последних достижениях многих отраслей современной науки – биохимии и биофизики, вирусологии, физикохимии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и других направлений теории и практики.
Обо всём этом учащиеся 8−12 лет узнают на популярном, доступном уровне с показом необходимых видеосюжетов и с комментариями приглашенных специалистов (онлайн). В ходе обучения по предложенной программе ребята выполняют познавательные мини-проекты, посвященные фармакологическим, пищевым и экологическим биотехнологиям. Особый интерес у начинающих биотехнологов всегда вызывает генная инженерия.
Фармакологические биотехнологии широко используются в современном здравоохранении. В древности для лечения больных применяли вещества растительного, животного и минерального происхождения. Начиная с XIX века в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX века – антибиотики, особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX века фармакологи на основе индивидуальных биологически активных соединений стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы («подавители», дезактиваторы) определенных ферментов, суть действия которых – в вытеснении патогенной микрофлоры, болезнетворных микробов при помощи не вредной для здоровья людей микрофлоры (использование так называемого микробного антагонизма). По этой тематике наши учащиеся выполняют познавательные мини-проекты и выступают с ними на конференциях школьников.
Экологические биотехнологии выступают одним из важнейших способов решения экологических проблем. Они применяются для устранения загрязнений окружающей среды (например, очистка воды от нефтяных загрязнений), для восстановления разрушенных биоценозов (тропических лесов, северной тундры), восстановления популяций исчезающих видов или акклиматизации растений и животных в новых местах обитания. Так, с помощью биотехнологий решается проблема освоения загрязненных территорий устойчивыми к этим загрязнениям видами растений. Выведение сортов растений для озеленения с новыми свойствами повышенной устойчивости к загрязнителям является одним из важнейших направлений экологической биотехнологии.
Очень перспективна и ресурсная биотехнология, то есть использование биосистем для разработки полезных ископаемых. Чрезвычайно востребована близкая по сути к ресурсной биотехнологическая переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха с использованием особых бактериальных штаммов. По этой тематике наши учащиеся также делают мини-проекты и выступают с ними перед сверстниками на конкурсах и турнирах.
Генная инженерия открыла перспективы конструирования новых биологических организмов – трансгенных растений и животных с заранее заданными свойствами. По сути непреодолимых природных ограничений для синтеза, произвольного конструирования генов нет. Например, существуют программы по созданию трансгенной овцы, покрытой вместо шерсти шёлком, вместо белка кератина тело будет покрыто фиброиновым «волосом»; по созданию трансгенной козы, молоко которой содержит ценный для человека интерферон; по созданию трансгенного шпината, который вырабатывает белок, подавляющий ВИЧ-инфекцию… Это реальные темы познавательных проектов, выбранных ребятами в прошлые годы. Таким образом, трансгенная биотехнология занимается конструированием и применением трансгенных организмов. Это важный раздел в программе нашего кружка.
В неразрывной связи с разработкой технологий генной инженерии развиваются фундаментальные исследования в молекулярной биологии. Одним из важнейших направлений молекулярной биологии и генной инженерии является изучение геномов растительных и животных видов и разработка способов их реконструкции. Общая логика исследования ведет молекулярную биологию от выяснения способов воссоздания генома конкретного биологического вида к разработке способов воссоздания генотипа особи.
Начинаются занятия кружка для будущих селекционеров и биотехнологов с изучения популярных основ химии жизни. Кратко знакомимся с Периодической таблицей Д.И. Менделеева. Выделяем так называемые биогенные химические элементы, атомы которых входят в состав веществ, формирующих живые организмы. Перечисляем, с конкретными практическими примерами, основные группы биоорганических соединений: белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), липиды (жиры и жироподобные вещества), углеводы (сахара и полисахариды). Обсуждаем разнообразие организмов на службе у человека, проводим их сравнение. Рассматриваем неклеточные (вирусы) и клеточные формы жизни: прокариоты и эукариоты. Сравниваем строение и жизнедеятельность бактериальной, животной, растительной и грибной клетки. Как в них хранится, воспроизводится, изменяется и реализуется наследственная информация. Это сложный, но очень интересный и важный учебный материал, который по школьной программе изучается только в 9 классе. Мы же приобщаемся к этим тайнам природы заранее, с опережением. Существует достаточно много желающих заняться этим уже в возрасте 8−12 лет. Всё зависит от конкретного человека, от личной мотивации.
На занятиях кружка мы обсуждаем культивирование и использование разных конкретных организмов. Знакомимся с историей, популярными основами генетики и селекции растений и животных. Изучаем способы размножения организмов, особенности их наследственности и изменчивости. Особое внимание уделяется гибридологическому методу исследования в биологии и в сельском хозяйстве. Серьёзно рассматриваем классические опыты Грегора Менделя с растительными гибридами на примере гороха посевного. Анализируем научное наследие школы классической генетики Томаса Моргана: хромосомную теорию, сцепленное наследование, генетику пола. Знакомимся с широко известной в научных кругах плодовой мушкой (чернобрюхой дрозофилой) как модельным организмом в самых разных биологических исследованиях, изучаем особенности её содержания и разведения в лабораториях для научных целей.
С большим интересом ребята изучают разнообразие и происхождение культурных растений; их практическое деление на пищевые, технические и декоративные; пути и методы получения новых сортов растений этих групп. Нам также очень интересны истории одомашнивания конкретных видов и групп животных, разнообразие домашних и сельскохозяйственных птиц и зверей, процесс и результаты выведения новых пород животных разных видов.
Большой популярностью в тематике детских проектов пользуется растениеводство закрытого грунта, так называемый сити-фарминг, умные многоярусные теплицы XXI века, выращивание пищевых растений в автоматизированных тепличных установках, в условиях большого города. Привлекает ребят и разведение декоративных растений в комнатных условиях, а также в теплицах и оранжереях. С большим интересом изучаем, как ежегодно выращивают миллиарды единиц рассады самых разных цветов для городских клумб, садов и парков Москвы.
Сити-фарминг (city-farming) – это городское сельское хозяйство, выращивание сельскохозяйственных культур на вертикальных фермах. Такие фермы, то есть прочные, устойчивые многоэтажные, многоярусные конструкции в виде вертикальных столбов, колонн с горизонтальными полками позволяют выращивать растения без использования плодородного грунта. В специальных закрытых помещениях создаётся особый благоприятный микроклимат, а сами культуры растут в стерильных питательных растворах (гидропоника). Укажем некоторые преимущества сити-ферм: нужно меньше площадей для выращивания по сравнению с традиционными методами; потребление воды снижается на 75–95 %; из-за отсутствия земли в готовых продуктах нет остатков почвы и мелких вредителей. На многоярусной ферме можно выращивать разные виды зелени, овощей, фруктов и цветов. В более широком смысле так называемое городское сельское хозяйство представляет собой разнообразную практику выращивания, переработки и распределения продуктов питания в городской местности или вокруг неё. Городское сельское хозяйство может также включать животноводство, аквакультуру, агролесоводство, городское пчеловодство и растениеводство. Эти виды сельского хозяйства могут также базироваться и в пригородных районах, что соответствует более привычному и ранее широко распространенному определению сити-фарминга.
В профессиональной среде сити-фермеров, агрономов и инженеров «умных теплиц» на слуху сейчас термины фитокибернетика и фитотроника. Это составные части биокибернетики растений. Биокибернетика − это научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств кибернетики, то есть всеобщей науки о процессах управления, в биологию. Основная теоретическая задача биокибернетики – изучение общих закономерностей управления, хранения, переработки и передачи информации в живых системах. Практическая задача биокибернетики – изучение и разработка методов управления в сложных динамических системах, включающих живые организмы, состояние которых непрерывно меняется под влиянием внешних воздействий или в зависимости от фазы функционирования. Используются устройства фитомониторинга – аппаратура, которая следит за отдельными физиологическими процессами и регистрирует связь воздействий внешней среды с физиологическим состоянием организма. Цель фитокибернетики и фитомониторинга – обеспечить растения в любой момент времени условиями, обеспечивающими их наивысшую продуктивность. Очень близкое понятие – фитотроника. О ней – более детально.
Фитотроника – научно-техническая дисциплина, которая занимается разработкой и использованием технологий для управления ростом растений в искусственно созданных условиях. Объединяет элементы биологии, экологии, агрономии и инженерии. Задачи у фитотроники следующие: ускорение роста растений; повышение урожайности; улучшение качества растений (например, их питательной ценности или устойчивости к болезням); изучение реакций растений на разные условия для применения в сельском хозяйстве и биотехнологиях. Используются фитотроны – специальные камеры или помещения для выращивания растений в контролируемой среде. Простейший тип – вегетационный шкаф (небольшая камера около 1 м³), в которой уход и наблюдения за растениями осуществляются через специальный люк в боковой стенке. Широко применяются светодиоды (LED) для точного регулирования фотосинтетически активного света. Чаще всего сочетаются определенным образом распределенные точечные красные и синие источники, что даёт «загадочный» для многих прохожих розовый свет. Фитотроника используется в разных областях. Например, в сельском хозяйстве: воспроизведение климатических условий, соответствующих любой местности и в любое время года, для изучения растений, предназначенных для выращивания в новых сельскохозяйственных районах. Фитотроника пригодилась в селекционных исследованиях: разработка методов ускорения научного поиска и получения ряда гибридных поколений в течение одного года в воспроизводимых условиях окружающей среды. Фитотроника в космическом растениеводстве – выращивание растений для поддержания жизни в космосе. Также достижения теоретической и практической фитотроники применяются в экспериментах по адаптации растений к изменению климата; для автоматизации процессов выращивания растений с помощью сенсоров, робототехники и программного управления. По этим темам в течение нескольких последних лет было сделано несколько ученических мини-проектов, которые были представлены на городском конкурсе «Мы и биосфера», который проводится центром экологического образования дворца пионеров в рамках Городской конкурсной программы «Новые вершины».
Одним из важнейших направлений современных биотехнологий по праву считается промышленная микробиология (микробная биотехнология), которая непосредственно связана с разведением и использованием разных групп организмов: бактерий, грибов, водорослей и вирусов. О промышленной микробиологии говорят, когда требуется получить большое количество клеточной массы этих организмов или обеспечить значительный выход продуктов жизнедеятельности этих клеток, разных полезных веществ. Если речь идёт о вирусах, например, о бактериофагах, то имеется в виду производство больших серий противобактериальных лекарственных препаратов на фармацевтических биофабриках.
Бактерии широко используются в пищевой промышленности для ферментации (заквашивания) молочных продуктов, для производства, например, сыра и йогурта. Они превращают молочный сахар (лактозу) в молочную кислоту, которая в дальнейшем служит естественным консервантом и модификатором вкуса. Для ферментации цельного молока и сливок применяют лактококки, лактобациллы или молочнокислые стрептококки. Звучит страшновато, но получается вкусно. В сельском хозяйстве бактерии применяют для производства микробных удобрений, обогащения почвы азотом. Также бактерии используются в биологической очистке сточных канализационных вод. Штаммы микроорганизмов способствуют окислению органических веществ, удалению загрязнителей.
Микроскопические грибы, к которым относятся дрожжи и плесени, уже давно используются для получения ферментов, антибиотиков, спиртов, стероидов, глицерина, органических кислот, полисахаридов. Например, из грибов получают энзимы, которые применяются при ферментировании пищевого сырья. Цельная масса специально выведенных селекционных штаммов используется как пекарские и пивные дрожжи. Плесневые мицелии и почкующиеся одноклеточные грибы служат для производства биологически активных веществ (БАВ), в том числе витаминов, антиоксидантов, жирных кислот и аминокислот, полезных микроэлементов. Разводимые паразитические грибы незаменимы в сфере биологического контроля за размножением вредных насекомых, нематод и фитопатогенных микроорганизмов.
Объектом микробной биотехнологии также считают микроводоросли разных систематических групп, прежде всего, одноклеточных и нитчатых зелёных водорослей, а также цианобактерий (цианей, сине-зелёных водорослей). Из получаемой водорослевой массы путём переработки с использованием методов биохимической инженерии добывают различные витамины, липиды, спирты (в частности, этанол) и антибиотики. Например, одноклеточная зелёная водоросль дуналиелла солоноводная используется для промышленного культивирования. Из неё получают каротин и полиненасыщенные жирные кислоты. Биомасса этой водоросли применяется в качестве кормовых добавок в животноводстве и птицеводстве. Из некоторых видов красных водорослей производят агар-агар, ценный полисахарид, используемый в микробиологии для создания питательных сред, а также в кондитерской пищевой промышленности.
Современные микробные биотехнологии связаны и с разведением некоторых полезных вирусов. Например, бактериофаги (бактериальные вирусы) программируются на целевую бактерию или группу бактерий и уничтожают их. Это применяется в медицине, а также имеет практическое значение для контроля за распространением бактериальных инфекций в промышленных процессах. Вирусы могут применяться в биотехнологических процессах, в генной инженерии. Некоторые вирусы используются в качестве векторов (биомолекулярного транспорта) для доставки генетического материала в клетки организмов, что позволяет создавать новые сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов, более устойчивые к болезням. Созданные таким образом трансгенные культуры клеток или полноценные трансгенные организмы могут приобретать способность производить конкретные полезные вещества.
Микробные биотехнологии тесно связаны с развитием биоэнергетики. Известно, что потребление энергетических ресурсов во всем мире намного превосходит процессы восстановления запасов полезных горючих ископаемых в земных недрах. Все ускоряющиеся темпы развития цивилизации приводят к истощению энергетического потенциала. Понятно, что необходимы поиски новых нетрадиционных решений. Мощный потенциальный источник энергии – это биомасса зеленых растений, которые являются живыми «аккумуляторами» солнечной энергии. В качестве этой зелёной биомассы можно использовать культуры одноклеточных водорослей и цианобактерий. Проводится конверсия в биогаз (неочищенный метан с примесью углекислого газа) и/или в биоэтанол (используется как моторное топливо или как его компонент). Каждый год несколько человек выбирают это направление для конкурсных работ и подают заявки на участие в городских научно-практических конференциях школьников.
Очень популярно среди наших учащихся и их родителей пищевое грибоводство (синонимы: фунгикультура, микокультура). Ребята делают познавательные и практические проекты, посвященные промышленному и/или домашнему производству пищевых грибов. Во всём мире широко распространились культуры так называемых сапротрофных грибов (шампиньоны, вёшенки, шиитаке, опёнок). Для их разведения не требуются живые деревья и кустарники, с которыми устанавливаются симбиотические связи. Для выращивания микоризных грибов (трюфелей, белых грибов, маслят, лисичек) как раз строго обязательно наличие живых древесно-кустарниковых растений, корни которых оплетает грибница, проникая внутрь растения и заменяя по функции всасывающие корневые волоски. Эта тематика также пользуется спросом при выборе темы индивидуальных проектных и исследовательских работ.
В течение нескольких лет устойчивый интерес сохраняется и к тематике аквакультуры. Примерно поровну распределяется выбор между марикультурами (разведением растений и животных в морской воде) и пресноводными культурами. Каждый год кто-то делает работы про водоросли (альгокультура). К марикультурам относятся бурые и красные водоросли, которые условно можно отнести к группе «макроводорослей». Одноклеточные и нитчатые зелёные водоросли, а также внешне очень похожие на них цианобактерии (цианеи, сине-зелёные водоросли) относят к группе микроводорослей. Их тоже разводят во многих странах как в пресной, так и в морской воде для самого разного использования: в качестве сырья для получения биотоплива, кормов для животных, пищи и биологически активных добавок для населения, переработки с выделением полезных веществ, применения в качестве «зеленых удобрений».
К аквакультурам относится современное рыбоводство: морское и пресноводное. Сюда же можно отнести разведение некоторых ракообразных в качестве пищи и кормов в искусственно созданных условиях. Аквакультура включает производство живых пищевых моллюсков. Большим спросом пользуются различные кормовые водные беспозвоночные. Вся эта тематика находит отражение в материалах наших занятий в течение всего учебного года, а также в выборе тематики индивидуальных проектов и исследований.
В качестве интересного и довольно перспективного научно-практического направления деятельности нашего кружка можно выделить разведение полезных беспозвоночных в наземно-воздушной среде и в почвогрунте. С некоторых пор пользуется популярностью разведение бабочек для эстетических, декоративных целей. Всё чаще ребят интересует роль насекомых в биологической защите растений. Юные террариумисты, герпетологи увлеченно разводят кормовых насекомых, их личинок для удовлетворения пищевых потребностей своих питомцев. Каждый год кто-то выбирает тему про разведение гибридных дождевых червей породы «Старатель», так называемое вермикультивирование, то есть производство биогумуса на червяных фермах в качестве ценного удобрения. Иногда учащиеся проявляют интерес и к шелководству, к технологии разведения тутового шелкопряда, процессу получения коконов, извлечения нити и создания тканей. Довольно интересна и необычна тематика получения разных красящих веществ, пигментов животного происхождения. Например, разведение кошенильного червеца и получение красного красителя – кармина. В качестве направлений работы медицинских биофабрик интерес может представлять разведение пиявок для процедур гирудотерапии. Или, например, разведение комаров и мух для испытания синтетических репеллентов и инсектицидов.
Кружки для будущих селекционеров и биотехнологов, которые посещают учащиеся 8−12 лет, можно рассматривать в качестве подготовительной группы для дальнейшего поступления в нашу «Вечернюю биолого-химическую школу» (ВБХШ): в младших кружках подрастает смена учащихся наших старших кружков.