Развитие биотехнологий
Биотехнология (Βιοτεχνολογία, от греч. Bios – жизнь, techne – искусство, мастерство и logos – слово, учение) – использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология – междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества – ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.
История биотехнологий
С древнейших времен человек использовал биотехнологические процессы при хлебопечении, приготовлении кисломолочных продуктов, в виноделии и т.д., но только благодаря работам Луи Пастера в середине 19 века, была доказана связь процессов брожения с деятельностью микроорганизмов, традиционная биотехнология получила научную основу.
В 40-50-е годы ХХ века, когда был осуществлен биосинтез пенициллинов методами ферментации, началась эра антибиотиков, которая дала толчок развитию микробиологического синтеза и созданию микробиологической промышленности.
В 60-70-е годы ХХ века начала бурно развиваться клеточная инженерия.
С созданием 1972 группой П. Берга в США первой гибридной молекулы ДНК «in vitro» формально связано рождение генетической инженерии, открывшей путь к сознательному изменению генетической структуры организмов таким образом, чтобы эти организмы могли делать нужные человеку продукты и осуществлять необходимые процессы. Эти два направления определили облик новой биотехнологии, имеющей мало общего с той примитивной биотехнологией, которую человек использовал на протяжении тысячелетий. Показательно, что в 1970-е годы получил распространение и сам термин «біотехнологія». С этого времени биотехнология неразрывно связана с молекулярной и клеточной биологией, молекулярной генетикой, биохимией и биоорганической химией. За короткий период своего развития (25-30 лет) современная биотехнология не только достигла существенных успехов, но и показала неограниченные возможности использования организмов и биологических процессов в различных отраслях производства и народного хозяйства.
Биотехнология как наука
Биотехнология – это совокупность фундаментальных и прикладных наук, технических средств, направленных на получение и использование клеток микроорганизмов, животных и растений, а также продуктов их жизнедеятельности: ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.
Технология, где сочетаются естественные и инженерные науки с целью использования организмов, клеток, их частей или их молекулярных аналогов для производства определенных химических веществ и материалов.
Биотехнология, которая охватывает промышленную микробиологию, основывается на использовании знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии, позволяет извлекать пользу в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Современные биотехнологические процессы базируются на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизированных ферментов, клеток и клеточных органелл.
Основные направления исследований
Разработка научных основ создания новых биотехнологий с помощью методов молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии.
Получение и использование биомассы микроорганизмов и продуктов микробиологического синтеза.
Изучение физико-химических и биохимических основ биотехнологических процессов.
Использование вирусов для создания новых биотехнологий.
Биологические методы защиты
Биологический метод заключается в использовании для защиты растений от вредных организмов их естественных врагов (хищников, паразитов, гербифагив, антагонистов), продуктов их жизнедеятельности (антибиотиков, феромонов, ювеноидив, биологически активных веществ) и энтомопатогенных микроорганизмов для уменьшения их количества и вредоносности, а также создание благоприятных условий для деятельности полезных видов в агробиоценозах, то есть применение «живого против живого».
Положительным фактором в применении биологического метода является его экологичность. Биологические средства можно использовать без ограничения кратности применения, в то время как количество обработок растений химическими пестицидами строго регламентирована.
Биологическая защита растений основывается на системном подходе и комплексной реализации двух основных направлений: сохранение и содействие деятельности естественных популяций полезных видов (энтомофагов, микроорганизмов), самозащиты культурных растений в агробиоценозах и обновления агробиоценозов полезными видами, которых не хватает или которые отсутствуют. Принципиальным отличием биологического метода защиты растений от любого другого, является использование именно первого направления, которое осуществляют, применяя биологические препараты, способами сезонной колонизации, интродукции и акклиматизации зоофагов и микроорганизмов. Размножению и эффективности деятельности полезных видов способствуют агробиотехнические меры и некоторые способы обработки, с помощью которых можно создавать благоприятные условия для жизнедеятельности зоофагов.
Выращивание устойчивых к вредным организмам сортов культурных растений способствует формированию более-жизнеспособных популяций вредителей.
Каждое из основных средств биологического метода (применение зоофагов, полезных в защите растений микроорганизмов) имеет свои особенности и действенный в соответствующих условиях. Эти средства не устраняют, а дополняют друг друга. Сейчас особое внимание уделяется поиску путей совместного применения биологической защиты с другими методами в интегрированных системах защиты растений от вредных организмов. Основной задачей этого метода является изучение условий, которые определяют эффективность естественных врагов вредных организмов и разработка способов регулирования их количества и взаимоотношений с популяциями вредных организмов.
Энтомофаги
К естественным врагам насекомых принадлежат энтомофаги (хищники и паразиты) и болезнетворные (энтомопатогенные) микроорганизмы. К последним относятся возбудители вирусных, бактериальных, грибковых, протозойных и нематодных (паразитические виды круглых червей) заболеваний. Многочисленные энтомофаги имеются среди насекомых, пауков, клещей. Значительную пользу в уничтожении вредителей оказывают позвоночные животные – насекомоядные птицы, рыбы, пресмыкающиеся и млекопитающие.
Эффективными хищниками также является ряд жесткокрылых, многие виды которых, применяемые для защиты растений от вредителей, принадлежат к семейству кокцинелид или божьих коровок, которые питаются тлей, листовертками, белокрылками, клещами-фитофагами.
Энтомофаги проживающих в различных экологических условиях и поэтому отличаются разным образом жизни. Хищники откладывают яйца в колонии вредителей или в среду, что их окружает. Одни питаются только в фазе личинки (мухи сирфиды, галлицы, золотоочкы обычная), или во взрослой фазе (скорпионовые мухи, муравьи, многие виды ос), другие – во взрослой фазе и фазе личинки (трипсы, клопы, большинство сетчатокрылых, кокцинелиды, жужелицы , мухи т.д.).
Много хищников среди клопов (макролофус, подизус). Большинство имеющихся хищников среди клещей, относятся к отряду паразитоформних и акариформных. Основными способами применения энтомофагов и акарифага против вредителей являются: сезонная колонизация, интродукция и акклиматизация, внутриареальное переселение, создание условий для их размножения.
Сезонная колонизация
Сезонная колонизация предполагает искусственное массовое разведение и выпуск энтомофагов в необходимую среду обитания. В популяциях энтомофагов часто немного, и они самостоятельно не могут сдерживать размножение вредителей. Массовый выпуск насекомых осуществляется в начале фазы, когда вредители лучше повреждаются энтомофагами, впоследствии они будут размножаться самостоятельно.
Способ сезонной колонизации предусматривает применение видов рода трихограмма, которые используются против подгрызающих, листогрызущих совок, белянок, моли, листоверток и т.д., а также паразитов тепличной белокрылки энкарзию, дракона – паразита хлопковой совки, стеблевой бабочки, паразита американской белой бабочки и тому подобное. Используют и хищников – криптолемуса против червецов, фитосейулюса против паутинного клеща, хищную галицу афидимиза для уничтожения тли в защищенном грунте и тому подобное.
Интродукция и акклиматизация применяются против карантинных вредителей, которые имеют ограниченное распространение в стране.
Естественные враги сдерживают размножение вредителя на его родине, а в новом географическом районе они отсутствуют. Эффективных зоофаги и микроорганизмов для завоза и акклиматизации находят на родине вредного организма и переселяют в новые районы. Наилучшие результаты получают при завозе узкоспециализированных видов, которые приспособлены к существованию за счет одного вредителя, болезни, сорняков. Внутриареальные переселения заключается в переселении эффективных, чаще специализированных, естественных врагов из старых очагов, где численность вредных организмов снижается, в новые части ареала, где эти враги отсутствуют или еще не накопились.
Микроорганизмы, которые повреждают вредные виды, для защиты растений применяются в форме биологических препаратов. Большинство биологических бактериальных препаратов создано на основе кристалосоздающих бактерий группы Bacillus thuringiensis Berl., которые создают споры и кристаллы, способные растворяться в кишечнике насекомых, куда они попадают с кормом.
Грибковые препараты содержат споры энтомопатогенных грибов, принадлежащих к несовершенным.
Вирусные биологические препараты изготавливаются на основе вирусов полиэдроза и гранулезы, которые чаще всего поражают чешуекрылых.
Биологически активные вещества
В живых системах на всех уровнях организации распространенным способом передачи данных, является химическое взаимодействие. В последнее время большое внимание уделяется разработке и применению биологически активных веществ, которые обеспечивают взаимоотношения между живыми организмами в биоценозах, их рост и развитие.
Феромоны
Основной группой биологически активных веществ является феромоны. Феромоны – химические вещества, которые производят и выделяют в окружающую среду насекомые. Эти вещества вызывают соответствующие поведенческие или физиологические реакции. Существуют различные группы феромонов – половые, агрегационные, следовые и тому подобное.
Наибольшее распространение в практике защиты растений приобрели половые феромоны, которые чаще всего выделяют самки для привлечения самцов. Наиболее изученными являются феромоны чешуекрылых, жесткокрылых, клопов, сетчатокрылых и термитов. На основе определения структуры природных феромонов насекомых создано их синтетические аналоги. Половые феромоны используются для обнаружения и определения зоны распространения вредителей, для сигнализации сроков применения защитных мер, определения плотности популяций вредителей, а также для защиты посевов путем массового отлова самцов («самцевого вакуума») и дезориентации, привлечения самцов при химической стерилизации.
Способ дезориентации насекомых предусматривает насыщение площади высокими концентрациями синтетического феромона и нарушения феромонных коммуникации между самцами и самками. В итоге, неспаренные самки откладывают неоплодотворенные яйца, что и приводит к снижению численности вида.
Гормоны
Установлено, что процессы метаморфозы, линьки, размножения и диапаузы насекомых регулируют гормоны. Наиболее изученными являются ювенильный (личиночный), экдизон (линочний) и мозговой гормоны.
Гормоны были синтезированы и получено как химические соединения, по структуре отличаются от природных, но подражают их биологической активности – выполняют роль регуляторов роста и развития насекомых. В защите растений практического применения приобрели ингибиторы синтеза хитина и ювеноидив. Гормональные препараты по своему действию значительно отличаются от традиционных инсектицидов. Они не ядовиты, но обусловливают нарушения эмбрионального развития, метаморфозу, вызывают стерилизацию. Ингибиторы хитина нарушают формирование кутикулы во время линьки. Ювеноиды вызывают гибель во время завершения личиночного или лялечкового развития, являются ингибиторами синтеза хитина во время очередной линьки.
Биологический способ борьбы с болезнями растений, заключается в использовании имеющихся в природе явлений сверпаразитизма, антибиоза, то есть антагонистических отношений между организмами, которые развиваются на растениях и в почве.
Антибиотики
Сейчас, в ХХI веке, наибольшее внимание уделяется изучению и использованию антагонистов и продуктов их жизнедеятельности – антибиотиков. Как антагонисты многие фитопатогены хорошо изучены и применяются, например, ка грибы рода Trichoderma. Они распространены в почвах различных типов и продуцируют антибиотики – глиотоксин, виридин, триходермин, соцукацилин, аламецин т.п., обладают антибактериальными и антигрибковые свойства. На основе этих возбудителей создан препарат триходермин.
Важная роль в биологической защите растений от болезней отведена микрофильным грибам – надпаразитам (рода Ampelomyces, Trichothecium). Несовершенный гриб Trichothecium roseum Lin образует антибиотик трихотецин, который подавляет развитие и рост многих грибков – возбудителей мучнистой росы огурцов, монилиоза и тому подобное. На его основе создан биологический препарат трихотецин.
Борьба с сорняками
Биологический метод борьбы с сорняками впервые было применено против кустарника лантана на Гавайских островах – червеца Orthezia insignis Pung. В Украине биологическая защита применяется против паразитической бесхлорофильные растения волчка, поражающей более 120 видов культурных растений, а больше подсолнечник. Среди организмов, которые уменьшают численность волчка, действенной является муха фитомиза. Сейчас большое значение приобретает борьба с амброзией полыннолистной, которая распространяется в Украине на пахотных землях, пастбищах, лугах, обочинах дорог. С 1978-го года против нее был использован интродуцированный из Северной Америки амброзиевый листоед.
Генетический метод
Генетический метод борьбы с вредными организмами был разработан и предложен А. С. Серебровским (1938, 1950). Этот метод предполагает насыщение природной популяции вредителя генетически неполноценными особями того же вида. Самки природной популяции, спариваясь с такими особями, откладывают нежизнеспособные яйца, не дают потомства, происходит самоуничтожения вредителя. Генетический метод осуществляется лучевой и химической стерилизацией. Лучевая стерилизация предусматривает массовое разведение вредителей, облучение их (гамма-лучами, рентгеновскими лучами) и следующий выпуск в плодовые насаждения, посевы сельскохозяйственных культур. В облученных особях возникают повреждения хромосомного аппарата. В случае химической стерилизации, в качестве стерилизаторов используются химические вещества, с алкилирующих соединий, антиметаболитов и антибиотиков. Первые вызывают половую стерильность самок и самцов, антиметаболиты обусловливают стерильность самок.
Генетический метод борьбы был применен в 1954 году против серой мясной мухи на острове Кюрасао, которая наносит значительный ущерб животноводству. Выпуск стерилизованных особей был успешным. Генетическому методу борьбы присуща избирательность, его применение не связано с негативным воздействием на окружающую среду и не способствует появлению устойчивости к факторам стерилизации.
