Altre scienze della vita. Altre scienze della vita Scienze della vita cosa comprendono

Le scienze non nascono da sole, non perché qualcuno le inventa semplicemente “per interesse”. Qualsiasi scienza appare come il risultato della necessità per l'umanità di risolvere alcuni problemi sorti nel processo del suo sviluppo. La biologia non fa eccezione, è nata anche in connessione con la soluzione di problemi molto importanti per le persone. Uno di questi è sempre stata una comprensione più profonda dei processi della natura vivente associati alla produzione di prodotti alimentari, ad es. la conoscenza delle caratteristiche della vita di piante e animali, i loro cambiamenti sotto l'influenza dell'uomo, i modi per ottenere un prodotto affidabile e raccolto sempre più ricco. Risolvere questo problema è una delle ragioni fondamentali per lo sviluppo della biologia.

Un'altra “molla” non meno importante è lo studio delle caratteristiche biologiche umane. L'uomo è un prodotto dello sviluppo della natura vivente. Tutti i processi della nostra vita sono simili a quelli che si verificano in natura. E quindi, solo una profonda comprensione dei processi biologici costituisce il fondamento scientifico della medicina. Anche l'emergere della coscienza, che significa un enorme passo avanti nell'autoconoscenza della materia, non può essere compreso senza una ricerca approfondita sulla natura vivente in almeno due direzioni: l'emergere e lo sviluppo del cervello come organo del pensiero (l'enigma del pensiero rimane ancora irrisolto) e l’emergere della socialità, dell’immagine pubblica della vita.

L’aumento della produzione alimentare e lo sviluppo della medicina sono importanti, ma non sono gli unici problemi che hanno determinato per migliaia di anni lo sviluppo della biologia come scienza. La fauna selvatica è la fonte di molti materiali e prodotti necessari all’umanità. È necessario conoscerne le proprietà per utilizzarli correttamente, sapere dove cercarli in natura e come ottenerli. In molti modi, la fonte iniziale di tale conoscenza è la biologia. Ma questo non esaurisce l’importanza delle scienze biologiche.

Nel 20 ° secolo La popolazione della Terra è aumentata così tanto che lo sviluppo della società umana è diventato un fattore determinante nello sviluppo della biosfera terrestre. Ormai è diventato chiaro che la natura vivente non è solo una fonte di cibo e di molti prodotti e materiali necessari, ma anche una condizione necessaria per l’esistenza dell’umanità stessa. I nostri legami con lei si sono rivelati molto più stretti e vitali di quanto si pensasse all'inizio del XX secolo.

Ad esempio, l'aria sembrava essere la stessa risorsa inesauribile e costante della natura, ad esempio, la luce solare. In realtà, questo non è vero. La composizione qualitativa dell'atmosfera a cui siamo abituati, con il suo 20,95% di ossigeno e lo 0,03% di anidride carbonica, è un derivato dell'attività degli esseri viventi: respirazione e fotosintesi delle piante, ossidazione della materia organica morta. L'ossigeno nell'aria nasce solo come risultato della vita delle piante. Le principali fabbriche di ossigeno sulla Terra sono le foreste tropicali e le alghe oceaniche. Ma oggi, come mostrano le osservazioni, la quantità di anidride carbonica nell’atmosfera terrestre è in costante aumento a causa del rilascio di enormi quantità di carbonio durante la combustione di petrolio, gas, carbone, legno e altri processi antropogenici. Dal 1958 al 1980 la quantità di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre è aumentata del 4%. Entro la fine del secolo, il suo contenuto potrebbe aumentare di oltre il 10%. Negli anni '70 XX secolo la quantità di ossigeno immessa nell'atmosfera a seguito dell'attività delle piante è stata stimata in t/anno, mentre il consumo annuale da parte dell'umanità è stato stimato in t/anno. Ciò significa che viviamo già delle riserve di ossigeno accumulate in passato, in milioni di anni di evoluzione degli esseri viventi sul pianeta.

Anche l'acqua che beviamo, o più precisamente, la purezza di quest'acqua, la sua qualità, sono determinate principalmente dalla natura vivente. I nostri impianti di trattamento non fanno altro che completare l'enorme processo che sta accadendo in natura, a noi invisibile: l'acqua nel terreno o nel serbatoio attraversa ripetutamente i corpi di miriadi di invertebrati, viene filtrata da loro e, liberata dalle impurità organiche e inorganiche, diventa la stessa come lo conosciamo nei fiumi, nei laghi e nelle sorgenti.

Pertanto, la composizione qualitativa sia dell'aria che dell'acqua sulla Terra dipende dall'attività vitale degli organismi viventi. Va aggiunto che la fertilità del suolo - la base del raccolto - è il risultato dell'attività vitale degli organismi viventi che vivono nel suolo: un numero enorme di batteri, invertebrati, alghe.

L’umanità non può esistere senza la natura vivente. Da qui la necessità vitale di mantenerlo “funzionante”.

Sfortunatamente, questo non è così facile da fare. Come risultato dell'esplorazione umana dell'intera superficie del pianeta, dello sviluppo dell'agricoltura, dell'industria, della deforestazione, dell'inquinamento dei continenti e degli oceani, un numero crescente di specie di piante, funghi e animali stanno scomparendo dalla faccia della Terra. Una specie scomparsa non può essere ripristinata. È il prodotto di milioni di anni di evoluzione e ha un pool genetico unico, un codice unico di informazioni ereditarie che determina le proprietà uniche di ciascuna specie. Secondo alcune stime, all'inizio degli anni '80. Nel mondo, in media, una specie di animale viene distrutta ogni giorno; entro il 2000, questo tasso potrebbe aumentare fino a raggiungere una specie all’ora. Nel nostro Paese scompare in media una specie di vertebrato ogni 3,5 anni. Come possiamo cambiare questa tendenza e ritornare al percorso evolutivamente giustificato di aumentare costantemente la “somma della vita” totale invece di diminuirla? Questo problema riguarda tutta l'umanità, ma è impossibile risolverlo senza il lavoro dei biologi.

In senso figurato, la biologia moderna è un enorme edificio a più piani contenente migliaia di "stanze": direzioni, discipline, intere scienze indipendenti. Il solo elencarli può richiedere decine di pagine.

Nell'edificio della biologia ci sono, per così dire, quattro “piani” principali, corrispondenti ai livelli fondamentali di organizzazione della materia vivente. Il primo “pavimento” è la genetica molecolare. L'oggetto dello studio degli esseri viventi qui sono le unità di informazione ereditaria (geni), i loro cambiamenti - mutazioni e il processo stesso di trasmissione delle informazioni ereditarie. Il secondo “piano” è ontogenetico, ovvero il livello di sviluppo individuale. Gli eventi su questo “piano” sono ancora i meno studiati in biologia. Qui avviene un processo misterioso che determina la comparsa nel posto giusto, al momento giusto, di ciò che dovrebbe apparire durante il normale sviluppo di ogni individuo: una gamba o un occhio in un animale, una foglia o una corteccia in una pianta. Il “piano” successivo è il livello della popolazione-specie. Le unità elementari di questo livello sono le popolazioni, cioè gruppi di individui della stessa specie relativamente piccoli e longevi, all'interno dei quali avviene lo scambio di informazioni ereditarie. I fenomeni elementari qui sono i cambiamenti irreversibili nella composizione genotipica delle popolazioni e, in definitiva, l'emergere di diversi adattamenti e di nuove specie. All'ultimo, quarto "piano", si svolgono processi in sistemi ecologici di varia scala: comunità complesse di molte specie, fino ai processi della biosfera nel loro insieme. Le strutture elementari di queste comunità sono biogeocenosi, e i fenomeni elementari sono la transizione della biogeocenosi da uno stato di equilibrio dinamico a un altro, che alla fine porta a un cambiamento nell'intera biosfera nel suo insieme. Ogni livello ha le proprie leggi, ma gli eventi che si verificano in ciascuno di essi sono strettamente correlati agli eventi degli altri livelli.

Negli ultimi decenni la biologia molecolare ha fatto qualche passo avanti (in termini di numero di scienziati impiegati in questo campo e di fondi stanziati nei diversi paesi per lo sviluppo di questa particolare area di ricerca). Sono stati ottenuti risultati notevoli, che vanno da quelli puramente teorici (decifrazione del codice genetico e sintesi dei primi geni artificiali) a quelli pratici (ad esempio, lo sviluppo dell'ingegneria genetica). La biologia delle popolazioni sta ora iniziando a svilupparsi rapidamente, il che consentirà di risolvere con successo molti problemi moderni associati all'aumento della produzione di prodotti alimentari necessari per una popolazione umana in crescita, preservando specie di organismi viventi in rapida estinzione, una serie di problemi associati all'ambiente compito grandioso di transizione alla gestione dello sviluppo evolutivo di una popolazione sempre più numerosa e di più tipologie. Lo sviluppo intensivo del “piano” della ricerca sulla biosfera non è lontano.

Non si deve pensare che i biologi dei campi classici – zoologia, botanica, morfologia, fisiologia, sistematica e altri – abbiano già fatto tutto. C'è ancora molto lavoro da fare qui. Sapevate che meno della metà degli organismi che popolano il nostro pianeta sono stati descritti scientificamente (vengono fornite descrizioni accurate e viene fornito un nome scientifico) - solo circa 4,5 milioni di specie e, secondo alcune stime, non più di un terzo o addirittura un un quarto? Anche nel nostro Paese, situato principalmente in una zona climatica temperata, non caratterizzata dalla diversità delle forme organiche, gli scienziati scoprono ogni anno dozzine di nuove specie (principalmente invertebrati).

Non è affascinante la ricerca dei paleontologi che, utilizzando resti sparsi di organismi fossili, ricreano l'aspetto di animali estinti da tempo, ricostruiscono la natura delle epoche passate e scoprono le modalità di sviluppo del mondo organico?

E qui i reperti più interessanti attendono i ricercatori. Quanto sensazionale è stata, ad esempio, la scoperta dei più antichi fossili prenucleari in rocce risalenti a più di 3 miliardi di anni fa! Ciò significa che già allora esisteva la vita sulla Terra. Non meno affascinante e ricco di scoperte è il lavoro di genetisti, zoologi, botanici, biochimici, fisiologi, ecc.

Siamo sempre più persone sulla Terra e vogliamo vivere sempre meglio. Pertanto, lo sviluppo della società richiede sempre più materie prime e una varietà di prodotti. Ciò dà origine all’enorme compito di intensificare l’intera economia nazionale, compresi i settori legati alla biologia, in primo luogo l’agricoltura, la silvicoltura, la caccia e la pesca. Ma non solo queste industrie. Nel nostro paese, ad esempio, è stata creata e si sta sviluppando con successo l'industria microbiologica: un enorme ramo dell'economia nazionale che fornisce prodotti alimentari e mangimi (per bestiame e pollame, pesce d'allevamento, ecc.), le ultime medicine e farmaci, e aiuta anche a estrarre vari minerali. Un altro ramo biologico dell'economia nazionale è iniziato e sta già dando i suoi primi frutti: la biotecnologia, basata sull'uso di processi e strutture scoperti dalla biologia fisico-chimica (molecolare) per creare sostanze e prodotti necessari per l'umanità. Lo sviluppo delle aree più importanti delle scienze biologiche, l'espansione della loro connessione pratica con la medicina e l'agricoltura sono discussi nelle "Direzioni principali dello sviluppo economico e sociale dell'URSS per il periodo 1986-1990 e per il periodo fino al 2000", adottate da il XXVII Congresso del PCUS.

L’intensificazione significa anche austerità delle risorse naturali e la loro conservazione nell’interesse di una società in via di sviluppo. Una proprietà notevole delle risorse naturali viventi è la loro rinnovabilità, la loro capacità di essere ripristinate a seguito della riproduzione di organismi viventi. Pertanto, intensificando l’uso delle risorse naturali viventi, è possibile e necessario garantire che esse ci servano per un tempo indefinitamente lungo. Ciò può essere fatto organizzando un reale uso economico ed economico e il mantenimento delle forze viventi della natura. Molti scienziati stanno lavorando per risolvere questi problemi. Il partito e il governo prestano grande attenzione a tutte queste questioni. Il Programma del PCUS (nuova edizione) afferma: “Il Partito ritiene necessario rafforzare il controllo sulla gestione ambientale ed espandere più ampiamente l’educazione ambientale della popolazione”.

Quando è nata l'idea di creare questo libro, uno dei compiti principali assegnati al team di autori è stato quello di parlare delle caratteristiche importanti e interessanti della biologia moderna, di ciò che è già stato realizzato nei suoi vari campi e di quali problemi irrisolti i biologi viso. Volevamo, senza ripetere il libro di testo, ma basandoci sulle conoscenze fornite dal curriculum scolastico in biologia, mostrare a cosa stanno lavorando i biologi nei laboratori e nelle spedizioni. Il dizionario contiene anche molti saggi su biologi eccezionali del nostro paese e di altri paesi. È grazie al lavoro dei nostri predecessori nel campo della scienza che disponiamo della conoscenza di cui disponiamo oggi.

Qualche parola su come leggere questo libro. Nel testo troverai spesso parole in corsivo. Ciò significa che nel dizionario c'è un articolo speciale su questo concetto. L'indice alfabetico situato alla fine del libro ti aiuterà a navigare nei contenuti del dizionario. Assicurati di dare un'occhiata all'elenco dei materiali di lettura consigliati.

Ci auguriamo che il "Dizionario enciclopedico di un giovane biologo" ti aiuti a imparare molte cose nuove e affascinanti sulla natura vivente, a trovare risposte alle tue domande e a risvegliare e sviluppare l'interesse per la meravigliosa scienza degli esseri viventi: la biologia.

11 luglio 2008

Scienze di vita(scienze della vita) combinano una varietà di rami della biologia, della biotecnologia e della medicina. Negli ultimi anni questa è stata una delle priorità della scienza e dell’economia mondiale. La scelta delle scienze della vita come area prioritaria di sviluppo si spiega con una serie di ragioni. Queste scienze sono la base per soddisfare i bisogni primari dell’umanità.

Prima di tutto, questa è l’assistenza sanitaria. Per prendersi cura della salute è necessario capire cosa succede a una persona sana e cosa succede nella patologia. Le scienze della vita stanno diventando particolarmente importanti con l’aumento dell’aspettativa di vita: la necessità di garantire ai membri più anziani della società una vecchiaia sana e attiva pone nuove sfide alla biologia e alla medicina. In secondo luogo, la crescente popolazione mondiale e la crescente prosperità richiedono lo sviluppo di nuovi modi per aumentare la produttività agricola, nuove varietà di piante - non solo più produttive, ma anche con proprietà di consumo migliorate. In terzo luogo, la crescente pressione esercitata dall’umanità sulla natura richiede uno studio sempre più approfondito dell’ecologia e l’adozione di misure per ridurre questo carico, ad esempio attraverso metodi di produzione di biocarburanti, plastica biodegradabile, pratiche agricole avanzate, riduzione dell’inquinamento ambientale e biorisanamento. – ripristino di biocenosi inquinate o distrutte.

L’anello centrale che unisce le scienze della vita è la biotecnologia nel senso più ampio del termine.

Priorità dei sistemi viventi

Identificazione personale e diagnosi affidabile di malattie, coltivazione di organi umani e creazione di colture con un alto contenuto di vitamine, grassi e proteine, nuovi vaccini e medicinali: queste e molte altre tecnologie appartengono giustamente allo spazio più ampio chiamato "sistemi viventi".

Creare un'economia sviluppata in una società postindustriale è impossibile senza aggiornare la struttura tecnologica e le forme di attività scientifica che corrispondono al sistema economico in uscita. Pertanto, uno dei compiti chiave del nostro Stato è la formazione di un settore efficace e competitivo della scienza e dell'innovazione. Lo strumento principale dello Stato nel campo dello sviluppo della scienza e della tecnologia è il programma obiettivo federale “Ricerca e sviluppo nelle aree prioritarie per lo sviluppo del complesso scientifico e tecnico della Russia per il periodo 2007-2012”. Nell'ambito di questo programma, lo Stato finanzia il lavoro che corrisponde alle priorità statali scientifiche e tecnico-scientifiche selezionate, una delle quali è "Sistemi viventi".

Aiuto STRF.ru:
Il lavoro nell'area prioritaria “Sistemi viventi” viene svolto anche nell'ambito del programma target federale “Ricerca e sviluppo nelle aree prioritarie di sviluppo del complesso scientifico e tecnologico della Russia per il periodo 2007-2012”. Nell'ambito di questa direzione nel 2008, in particolare, sono state sviluppate le seguenti tecnologie critiche:
– tecnologie biomediche e veterinarie per il supporto vitale e la protezione dell'uomo e degli animali;
– tecnologie biocatalitiche, biosintetiche e biosensori;
– tecnologie genomiche e post-genomiche per la creazione di medicinali;
– tecnologie cellulari;
– tecnologie di bioingegneria.

Concetto "Scienze di vita" venne a sostituire il consueto concetto di “scienze biologiche” e diede un nome comune a tutte le scienze sugli esseri viventi: zoologia e genetica, botanica e biologia molecolare, fisiologia e biochimica, ecologia e medicina. Chiunque lavori in questi campi si occupa di sistemi viventi, cioè di organismi viventi, sia esso una persona o un fiore, un virus o un batterio. Possiamo dire che i sistemi viventi sono tutto ciò che si riproduce, respira, si nutre e si muove.

Non si tratta però solo di cambiare nome. Il termine “sistemi viventi” è più attivo, più strutturato. Riflette un approccio sistematico a questo campo interdisciplinare della scienza e della conoscenza, in cui lavorano biologi, chimici, fisici e matematici. Inoltre, il termine “sistemi viventi” è molto tecnologico. Implica non solo la conoscenza e la scoperta dei principi di organizzazione degli esseri viventi, ma anche l'uso di questa conoscenza sotto forma di nuove tecnologie. Questo approccio invita diversi specialisti a passare congiuntamente da un'idea scientifica alla sua implementazione pratica e utilizzo nell'interesse delle persone.

Identificazione personale e diagnosi affidabile di malattie, coltivazione di organi umani e creazione di colture con un alto contenuto di vitamine, grassi e proteine, nuovi vaccini e medicinali: queste e molte altre tecnologie appartengono giustamente allo spazio più ampio chiamato "sistemi viventi". La ricerca e lo sviluppo condotti in questo settore riempiranno il nostro settore di tecnologie ad alta tecnologia, miglioreranno la salute e aumenteranno la sicurezza dei cittadini russi. Ecco perché i sistemi viventi rappresentano una delle principali priorità del governo nel campo della scienza e della tecnologia, attivamente sostenuti attraverso programmi federali mirati.

Questa raccolta introdurrà brevemente il lettore al concetto di piattaforme tecnologiche e biotecnologie, nonché ad alcuni sviluppi dei principali team scientifici russi che lavorano nella direzione prioritaria “Sistemi viventi”.

Aiuto STRF.ru:
Distribuzione dei finanziamenti nella direzione dei “Sistemi viventi” nell’ambito del Programma target federale nel 2008 per regione (milioni di rubli):
FEFD – 9 contratti, budget 116,5
Distretto Federale del Volga - 17 contratti, budget 140,1
Distretto Federale Nordoccidentale - 32 contratti, budget 156,0
Distretto Federale Siberiano - 34 contratti, budget 237,4
Distretto Federale degli Urali – 1 contratto, budget 50
Distretto Federale Centrale - 202 contratti, bilancio 2507,8
Distretto Federale Meridionale - 4 contratti, budget 34,85

La conoscenza come tecnologia

Nelle conversazioni sullo sviluppo di sviluppi fondamentali e applicati nel campo dei sistemi viventi, si incontra sempre più il concetto di "tecnologia". In un'economia moderna e postindustriale, la tecnologia è intesa come un insieme di conoscenze documentate per attività mirate che utilizzano mezzi tecnici (ad esempio tecnologie organizzative, tecnologie di consumo, tecnologie sociali, tecnologie politiche). Va notato che in un’economia di mercato la tecnologia, come tipo di conoscenza, è una merce. L’insieme di conoscenze denotato da questo concetto solleva interrogativi non solo su ciò che facciamo, ma anche su come e, soprattutto, perché lo facciamo.

Nel determinare le strategie per lo sviluppo del complesso scientifico e tecnico su scala nazionale, viene utilizzato il concetto di “piattaforma tecnologica”. Non esiste ancora una definizione chiara di questo termine. Tuttavia, è già ovvio che questo concetto comprende un insieme di conoscenze, metodi, basi materiali e tecniche e personale qualificato, che varia a seconda degli ordini esterni per il lavoro scientifico e tecnologico. La direzione prioritaria “Sistemi viventi” può essere considerata come una combinazione di diverse piattaforme tecnologiche.

Segreti rivelati

Dai sistemi viventi ricaviamo tecnologie che sono la norma della vita per la natura. Li usa durante la nascita, lo sviluppo e la morte di qualsiasi organismo vivente. Inoltre, a ciascun livello della gerarchia di un sistema vivente - genetico, cellulare, organismico - esiste un diverso insieme di soluzioni tecnologiche.

Qualsiasi sistema vivente inizia con la principale molecola della vita, il DNA, che immagazzina e trasmette le informazioni ereditarie di generazione in generazione. Il DNA può essere approssimativamente suddiviso in sezioni semantiche: i geni. Inviano comandi per sintetizzare alcune proteine ​​che formano le caratteristiche dell'organismo e ne assicurano la vita. Gli scienziati stimano il numero di geni negli esseri umani a 20-25mila. Se si verificano difetti nei geni, chiamati mutazioni, una persona sviluppa malattie gravi. La quantità di testi “registrati” nel genoma è identica a quella del quotidiano Izvestia da 30 anni.

Il DNA vive e lavora nella cellula. Una cellula vivente è la perfezione stessa. Sa trasformare sostanze inutili in sostanze utili, sintetizzare medicinali interni per il corpo, materiali da costruzione e molto altro ancora. Ogni minuto, milioni di reazioni chimiche avvengono in una cellula vivente nelle condizioni più ordinarie: in un ambiente acquatico, senza alta pressione e temperatura.

Una cellula vive da sola solo negli organismi unicellulari: i batteri, ma la maggior parte dei sistemi viventi sono multicellulari. Il corpo umano adulto contiene in media 10 14 cellule. Nascono, si trasformano, fanno il loro lavoro e muoiono. Ma allo stesso tempo vivono in armonia e cooperazione, costruendo sistemi collettivi di difesa (sistema immunitario), adattamento (sistema normativo) e altri.

Passo dopo passo sveliamo i segreti dei sistemi viventi e, sulla base di questa conoscenza, creiamo biotecnologia.

Biotecnologia

La biotecnologia può essere definita come processi in cui i sistemi viventi o i loro componenti vengono utilizzati per produrre sostanze o altri sistemi viventi. Gli esseri viventi sono “fabbriche” originali che trasformano le materie prime (nutrienti) in un’ampia varietà di prodotti necessari al sostentamento della loro vita. E poi queste fabbriche sono capaci di riprodursi, cioè di generare altre “fabbriche” molto simili.

Oggi sappiamo già molto su come sono strutturati e funzionano i “lavoratori” delle fabbriche viventi: il genoma, le strutture cellulari, le proteine, le cellule stesse e il corpo nel suo complesso.

Grazie a queste conoscenze, seppure ancora incomplete, i ricercatori hanno imparato a manipolare singoli elementi dei sistemi viventi - geni (tecnologie genomiche), cellule (tecnologie cellulari) - e creare organismi viventi geneticamente modificati con tratti a noi utili (ingegneria genetica). Sappiamo come adattare le “fabbriche” naturali per produrre il prodotto di cui abbiamo bisogno (biotecnologia industriale). E inoltre, modificare geneticamente queste fabbriche in modo che sintetizzino ciò di cui abbiamo bisogno.

È così che creiamo le biotecnologie, di cui parleremo più avanti. Ma prima di presentarvi esempi di tecnologie già messe al servizio dell'uomo, occorre spendere qualche parola su un'elegante soluzione che oggi aiuta gli scienziati a penetrare i misteri della vita e a comprendere i meccanismi dei sistemi viventi. Dopotutto, i processi che avvengono in una cellula sono invisibili e la ricerca scientifica richiede tecnologie con cui possano essere visti e compresi. A proposito, questa soluzione è di per sé una biotecnologia.

Scoiattoli luminosi

Per scoprire come funzionano i geni, è necessario vedere il risultato del loro lavoro, cioè le proteine ​​che vengono sintetizzate al loro comando. Come possiamo individuare esattamente quelli che stiamo cercando? Gli scienziati hanno trovato un metodo che rende le proteine ​​visibili, brillando alla luce ultravioletta.

Tali proteine ​​luminose si trovano in natura, ad esempio, nei crostacei marini e nelle meduse. Durante la seconda guerra mondiale i giapponesi utilizzarono come fonte di luce locale la polvere della “lucciola di mare”, un crostaceo dalla conchiglia bivalve. Quando era immerso nell'acqua, brillava intensamente. Fu da questa lucciola e medusa marina che O. Shimomura (Giappone) isolò per la prima volta le proteine ​​​​luminose alla fine degli anni '50 del XX secolo. Questo fu l'inizio della storia dell'ormai famosa GFP: proteina fluorescente verde. E nel 2008, O. Shimomura, M. Chelfi e R. Tsien (USA) hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per le proteine ​​fluorescenti. Con l'aiuto di queste proteine, è possibile far brillare un'ampia varietà di oggetti viventi, dalle strutture cellulari a un intero animale. Una torcia fluorescente, che potrebbe essere attaccata alle proteine ​​desiderate mediante manipolazione genetica, ha permesso di vedere dove e quando questa proteina viene sintetizzata e a quali parti della cellula viene inviata. È stata una rivoluzione nella biologia e nella medicina.

Ma le proteine ​​fluorescenti rosse furono scoperte per la prima volta nei coralli e in altri organismi marini da due ricercatori russi: Mikhail Mats e Sergei Lukyanov. Ora disponiamo di proteine ​​fluorescenti in tutti i colori dell’arcobaleno e le loro applicazioni sono molto ampie: dall’avanguardia della biologia e della medicina, compresa l’oncologia, e il rilevamento di sostanze velenose ed esplosive, ai pesci d’acquario luminosi.

Sotto la guida del membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa S. Lukyanov (Istituto di chimica bioorganica dell'Accademia delle scienze russa), è stata creata la società biotecnologica russa Evrogen, che fornisce agli scienziati di tutto il mondo etichette fluorescenti multicolori. Oggi Evrogen è uno dei leader nel mercato globale delle proteine ​​fluorescenti per la ricerca biologica.

Identificazione genetica

Siamo tutti molto diversi. Aspetto, carattere, abilità, suscettibilità ai farmaci, avversione per questo o quel cibo: tutto questo è geneticamente determinato. L'unicità del genoma di ognuno di noi lo rende uno strumento affidabile per identificare l'identità. Essenzialmente, i nostri geni sono le stesse impronte digitali, solo di natura diversa. Il metodo di identificazione del DNA è stato introdotto nella pratica forense dal ricercatore britannico Alik Jeffreys negli anni '80 del secolo scorso. Oggi questa è già una procedura comune e familiare in tutto il mondo.

Viene utilizzato anche in Russia. Acquistiamo però i reagenti per le analisi all'estero. Presso l'Istituto di genetica generale dell'Accademia russa delle scienze, sotto la guida del membro corrispondente dell'Accademia russa delle scienze Nikolai Yankovsky, viene creato un set di reagenti per l'identificazione del DNA umano. L'emergere di un tale strumento domestico è di grande attualità, poiché il 1 gennaio 2009 entrerà in vigore la legge "Sulla registrazione genomica", adottata dalla Duma di Stato della Federazione Russa il 19 novembre 2008. Lo sviluppo dei nostri scienziati non solo ci consentirà di rifiutare le importazioni, ma fornirà anche ai criminologi uno strumento più avanzato che, a differenza degli analoghi occidentali, funziona con DNA fortemente danneggiato. E questo è un caso comune nella medicina legale.

Con l'aiuto di questo strumento verrà risolto un altro importante compito sociale: la creazione di una banca di dati genetici dei trasgressori, che aumenterà l'individuazione dei crimini e ridurrà i tempi delle indagini. Nel Regno Unito, il database genetico delle persone che sono in un modo o nell'altro legate al mondo criminale conta già diversi milioni di persone.

Il metodo di identificazione del DNA è particolarmente utile per identificare le persone morte in guerre, disastri e altre circostanze. Oggi è utilizzato anche in Russia. Il caso più famoso è l'identificazione dei resti dell'ultima famiglia reale. La fase finale di questo grande lavoro - l'identificazione dei resti del figlio e della figlia dell'imperatore - è stata effettuata dal professor Evgeniy Rogaev, capo del dipartimento di genomica dell'Istituto di genetica generale dell'Accademia delle scienze russa.

Infine, un altro ambito di applicazione del metodo di identificazione del DNA è l’accertamento della paternità. La ricerca mostra che diversi per cento dei padri legali non sono biologici. Per molto tempo, la paternità è stata stabilita analizzando il sangue del bambino e del genitore: sono stati determinati il ​​gruppo sanguigno e il fattore Rh e i dati sono stati confrontati. Tuttavia, questo metodo era intrinsecamente inaffidabile, come ora capiscono i ricercatori, e produceva molti errori che provocavano tragedie personali. L'uso dell'identificazione del DNA ha aumentato la precisione dell'analisi quasi al 100%. Oggi questa tecnica per stabilire la paternità è disponibile in Russia.

Diagnostica genetica

Effettuare un'analisi completa del genoma di una persona attualmente costa un'enorme quantità di denaro: due milioni di dollari. È vero, tra dieci anni, con il miglioramento della tecnologia, si prevede che il prezzo scenderà a mille dollari. Ma è possibile non descrivere tutti i geni. Spesso è sufficiente valutare il lavoro solo di alcuni gruppi di geni critici per l'insorgenza di vari disturbi.

La diagnostica genetica richiede dispositivi speciali, miniaturizzati, veloci e precisi. Questi dispositivi sono chiamati biochip. Il primo brevetto al mondo per biochip per determinare la struttura del DNA appartiene alla Russia: il team dell'accademico Andrei Mirzabekov dell'Istituto di biologia molecolare da cui prende il nome. VA Engelhardt RAS. Poi, alla fine degli anni ’80 del secolo scorso, il team di Mirzabekov sviluppò la tecnologia della micromatrice. Successivamente iniziarono a chiamarsi biochip.

I microchip biologici sono una piccola lastra di vetro o plastica, sulla cui superficie sono presenti molte cellule. Ciascuno di questi pozzetti contiene un marcatore per l'una o l'altra parte del genoma che deve essere rilevato nel campione. Se il campione di sangue di un paziente viene depositato sul biochip, possiamo scoprire se contiene ciò che stiamo cercando: il pozzetto corrispondente si illuminerà grazie a un'etichetta fluorescente.

Esaminando un biochip esaurito, i ricercatori possono fare una diagnosi di predisposizione a determinate malattie, nonché rilevare virus pericolosi nel sangue del paziente, ad esempio la tubercolosi o l'epatite C. Dopotutto, un virus non è altro che un pezzo di DNA estraneo in un guscio proteico. Grazie alla nuova tecnica, la durata delle complesse analisi di laboratorio di materiali biologici è stata ridotta da diverse settimane a un giorno.

Oggi decine di aziende in Europa e negli Stati Uniti sviluppano microbiochip biologici. Tuttavia, i biochip russi resistono con successo alla concorrenza. Un’analisi effettuata con il sistema di test Biochip-IMB costa solo 500 rubli, mentre l’utilizzo di un analogo straniero costa dai 200 ai 500 dollari.

E l'Istituto di biologia molecolare dell'Accademia russa delle scienze ha iniziato a certificare i biochip che rilevano i tipi di virus dell'epatite C in un paziente. Il potenziale di mercato della nuova tecnologia è enorme. Dopotutto, con l'aiuto dei test tradizionali, in ogni terzo caso non è possibile scoprire a quale varietà appartiene il virus trovato. Ora questo problema è stato risolto.

Utilizzando la diagnostica del DNA, non solo puoi identificare le malattie e la predisposizione ad esse, ma anche adattare la tua dieta quotidiana. Ad esempio, se includere o meno il latte intero. Il fatto è che per molte persone il latte intero provoca nausea, diarrea e malessere generale. Ciò si verifica a causa della mancanza di un enzima che scompone lo zucchero del latte: il lattosio. Per questo motivo, sorgono problemi nel corpo. E la presenza dell'enzima è determinata geneticamente. Secondo studi genetici, da un terzo alla metà degli adulti nel nostro Paese (a seconda della regione) non sono in grado di digerire il latte intero. Tuttavia, la dieta scolastica prevede ancora un bicchiere di latte al giorno per ogni bambino. Utilizzando un test diagnostico del DNA sviluppato presso l'Istituto di genetica generale dell'Accademia delle scienze russa, è facile determinare a chi può essere consigliato il latte intero e a chi no. Questo è l'obiettivo del progetto “Preservare la salute delle persone sane”, realizzato dall'Accademia russa delle scienze insieme all'amministrazione della regione di Tambov.

Terapia genetica

La diagnostica genetica getta le basi per la medicina del futuro. Ma la medicina non è solo diagnosi, è anche cura. Possiamo correggere i geni difettosi in un organismo vivente o sostituirli con geni completi in quei casi gravi in ​​cui il trattamento tradizionale è impotente? Questo è proprio il compito che si prefigge la terapia genica.

L'essenza della terapia genica è semplice a parole: è necessario "riparare" un gene rotto nelle cellule di quei tessuti e organi in cui non funziona, oppure fornire un gene a tutti gli effetti nel corpo del paziente, cosa che noi può sintetizzare in vitro. Oggi sono stati sviluppati diversi metodi per introdurre nuovi geni nelle cellule. Ciò include il trasferimento di geni mediante virus neutralizzati, la microiniezione di materiale genetico nel nucleo cellulare, l’uso di cellule sparate da una pistola speciale con minuscole particelle d’oro che trasportano geni sani sulla loro superficie, ecc. Finora, c’è stato molto poco successo nel campo della terapia genica pratica. Tuttavia, sono state fatte scoperte brillanti e spiritose, anche nei laboratori russi.

Una di queste idee, destinate alla cura del cancro, può essere definita un “cavallo di Troia”. Uno dei geni del virus dell'herpes viene introdotto nelle cellule tumorali. Fino a un certo momento questo “cavallo di Troia” non si rivela. Ma non appena un medicinale ampiamente utilizzato per curare l’herpes (ganciclovir) viene introdotto nel corpo del paziente, il gene inizia a funzionare. Di conseguenza, nelle cellule si forma una sostanza estremamente tossica che distrugge il tumore dall'interno. Un’altra opzione per la terapia genica del cancro è la consegna di geni alle cellule tumorali che innescheranno la sintesi delle cosiddette proteine ​​“suicide”, portando al “suicidio” delle cellule tumorali.

La tecnologia per il trasferimento dei geni nelle cellule tumorali è stata sviluppata da un ampio team di scienziati dell'Istituto di chimica bioorganica da cui prende il nome. M.M. Shemyakin e Yu.A. Ovchinnikov RAS, Centro russo di ricerca oncologica RAMS, Istituto di genetica molecolare RAS, Istituto di biologia genetica RAS. Il lavoro è guidato dall'accademico Evgeniy Sverdlov. L'obiettivo principale del progetto è la creazione di farmaci contro il cancro ai polmoni (primo posto in termini di mortalità) e il cancro esofageo (settimo posto). Tuttavia, i metodi e i progetti creati saranno utili nella lotta contro qualsiasi tipo di cancro, di cui ce ne sono più di un centinaio. Dopo i necessari studi clinici, in caso di successo, i farmaci entreranno in pratica nel 2012.

Diagnosi di cancro

Un gran numero di gruppi scientifici in Russia e nel mondo stanno lavorando sul problema del cancro. Ciò è comprensibile: ogni anno il cancro miete un numero di morti leggermente inferiore rispetto alle malattie cardiovascolari. Il compito degli scienziati è creare tecnologie che consentano di individuare il cancro nelle prime fasi e di distruggere le cellule tumorali in modo mirato, senza effetti collaterali per l'organismo. Una diagnosi precoce e rapida, quando l’analisi richiede solo poche ore, è estremamente importante per la terapia tradizionale del cancro. I medici sanno che è più facile distruggere la malattia sul nascere. Pertanto, le cliniche di tutto il mondo necessitano di tecnologie diagnostiche che soddisfino questi requisiti. Ed è qui che la biotecnologia viene in aiuto dei ricercatori.

Un nuovo approccio per la diagnosi precoce e rapida del cancro è stato proposto per la prima volta al mondo da Alexander Chetverin dell'Istituto delle proteine ​​dell'Accademia russa delle scienze. L'essenza del metodo è identificare nel sangue quelle molecole di mRNA che rimuovono informazioni dalle parti corrispondenti del genoma e portano il comando per la sintesi delle proteine ​​​​tumorali. Se tali molecole sono presenti nel campione di sangue di un paziente, è possibile formulare una diagnosi di cancro. Il problema però è che nel campione di sangue sono presenti pochissime di queste molecole, mentre ce ne sono molte altre. Come trovare e discernere quei singoli esemplari di cui abbiamo bisogno? Questo problema è stato risolto da un team di scienziati sotto la guida di A. Chetverin.

I ricercatori hanno imparato a moltiplicare le molecole marcatori delle cellule tumorali, ricercate ma invisibili, utilizzando la cosiddetta reazione a catena della polimerasi (PCR).

Di conseguenza, intere colonie molecolari crescono da una molecola invisibile, che può già essere vista al microscopio. Se il campione di sangue di un paziente (ad esempio, un millilitro) contiene almeno una cellula tumorale e una molecola marcatore, è possibile rilevare la malattia incipiente.

L’analisi può essere effettuata in poche ore e costa diverse migliaia di rubli. Ma se lo usi in massa, ad esempio durante una visita medica preventiva annuale, il prezzo può scendere a 300-500 rubli.

Trattamento per il cancro

Anche nel campo della cura del cancro esistono diversi nuovi approcci che si basano sulla biotecnologia. Uno di questi è l’uso di anticorpi specifici come agenti antitumorali.

Gli anticorpi sono molecole proteiche prodotte dalle cellule del sistema immunitario. In realtà, questa è un'arma chimica che il nostro corpo utilizza nella lotta contro tutti i tipi di virus, così come le cellule degenerate del nostro stesso corpo: le cellule tumorali. Se il sistema immunitario stesso non riesce a far fronte al cancro, allora può essere aiutato.

Gli scienziati del Laboratorio di immunologia molecolare (Istituto di chimica bioorganica dell'Accademia russa delle scienze), sotto la guida del membro corrispondente dell'Accademia russa delle scienze Sergei Deev, stanno costruendo una nuova generazione di anticorpi che riconoscono il bersaglio e lo distruggono. Questo approccio si basa sul principio della cosiddetta “proiettile magico”, che trova sempre e con precisione la sua vittima. Gli anticorpi sono perfettamente adatti a questo ruolo. Una parte della loro molecola funge da “antenna” che punta verso il bersaglio: la superficie della cellula tumorale. E vari agenti dannosi - tossine, molecole organiche, isotopi radioattivi - possono essere attaccati alla coda dell'anticorpo. Hanno effetti diversi, ma alla fine uccidono tutti il ​​tumore.

Le cellule tumorali possono anche essere distrutte in modo quasi naturale. Basta innescare il meccanismo della morte cellulare programmata, una sorta di suicidio previsto dalla natura. Lo chiamano gli scienziati apoptosi. Il meccanismo del suicidio è innescato da enzimi intracellulari che distruggono le proteine ​​presenti all’interno della cellula e il DNA stesso. Sfortunatamente, le cellule tumorali sono sorprendentemente resistenti perché sono in grado di sopprimere i loro “stati d’animo” suicidi. Il problema è che ci sono pochissimi di questi enzimi nelle cellule tumorali, quindi è difficile innescare l’apoptosi.

Tuttavia, questo problema può anche essere risolto. Per innescare il meccanismo del suicidio, gli scienziati siberiani propongono di aprire le membrane delle strutture cellulari, ad esempio i mitocondri. Allora la cellula inevitabilmente morirà. L’Istituto di Chimica Bioorganica della Sezione Siberiana dell’Accademia Russa delle Scienze, il Centro Scientifico Statale “Vector” (villaggio di Koltsovo), l’Ospedale Chirurgico Polmonare Municipale (Novosibirsk), la Fondazione Scientifica e di Produzione “Tecnologie Mediche” (Kurgan), e l'Istituto di ricerca di immunologia clinica e sperimentale dell'Accademia russa delle scienze mediche (Novosibirsk) partecipano a questo grande progetto. Insieme, i ricercatori hanno selezionato sostanze in grado di aprire le membrane delle strutture cellulari e hanno sviluppato un metodo per fornire queste sostanze alla cellula tumorale.

Vaccini

La nostra conoscenza del sistema immunitario degli animali può essere utilizzata non solo per curare il cancro, ma anche qualsiasi malattia infettiva. Riceviamo l’immunità contro la maggior parte delle malattie “per eredità”; contro altre acquisiamo l’immunità soffrendo di una malattia causata da una nuova infezione. Ma l’immunità può anche essere allenata, ad esempio attraverso la vaccinazione.

L'efficacia della vaccinazione fu dimostrata per la prima volta più di 200 anni fa dal medico Edward Jenner, il quale dimostrò che una persona affetta da vaiolo bovino diventava immune al vaiolo. Da allora, molte malattie sono state poste sotto il controllo dei medici. Sin dai tempi di Pasteur, per i vaccini sono stati utilizzati virus indeboliti o uccisi. Ma questo impone delle limitazioni: non vi è alcuna garanzia che il vaccino sia completamente privo di particelle virali attive; lavorare con molte di esse richiede grande attenzione; la durata di conservazione del vaccino dipende dalle condizioni di conservazione.

Queste difficoltà possono essere superate utilizzando metodi di ingegneria genetica. Con il loro aiuto, puoi produrre singoli componenti di batteri e virus e poi iniettarli nei pazienti: l'effetto protettivo non sarà peggiore rispetto all'uso dei vaccini convenzionali. I primi vaccini ottenuti mediante l'ingegneria genetica erano vaccini per animali: contro l'afta epizootica, la rabbia, la dissenteria e altre malattie animali. Il primo vaccino geneticamente modificato per l’uomo è stato il vaccino contro l’epatite B.

Oggi, per la maggior parte delle infezioni possiamo produrre vaccini: classici o geneticamente modificati. Il problema principale è legato alla piaga del ventesimo secolo: l'AIDS. La vaccinazione gli fa bene. Dopotutto, rafforza il sistema immunitario e costringe il corpo a produrre più cellule immunitarie. Il virus dell’immunodeficienza umana (HIV), che causa l’AIDS, vive e si moltiplica in queste cellule. In altre parole, gli diamo ancora più opportunità: nuove cellule sane del sistema immunitario da infettare.

La ricerca sulla ricerca di vaccini contro l'AIDS ha una lunga storia e si basa su una scoperta fatta negli anni '70 del secolo scorso dai futuri accademici R.V. Petrov, V.A. Kabanov e R.M. Khaitov. La sua essenza è questa polielettroliti (molecole polimeriche cariche solubili in acqua) interagiscono con le cellule del sistema immunitario e inducono quest'ultimo a produrre intensamente anticorpi. E se, ad esempio, una delle proteine ​​che compongono l’involucro del virus è attaccata a una molecola di polielettrolita, si attiverà una risposta immunitaria contro questo virus. Il meccanismo d’azione di questo vaccino è fondamentalmente diverso da tutti i vaccini precedentemente creati nel mondo.

Il primo al mondo e finora l'unico polielettrolita che può essere introdotto nel corpo umano è stato poliossidonio. Quindi le proteine ​​del virus dell’influenza sono state “cucite” sul polimero. Il risultato è stato il vaccino “Grippol”, che da quasi 10 anni protegge milioni di persone in Russia dall’infezione virale.

Oggi, il vaccino contro l’AIDS viene creato utilizzando lo stesso metodo. Una proteina caratteristica del virus dell'AIDS era legata a un polielettrolita. Il vaccino risultante è stato testato con successo su topi e conigli. Sulla base dei risultati dei test preclinici, l'Istituto di immunologia dell'Accademia russa delle scienze ha ottenuto il permesso di condurre studi clinici con la partecipazione di volontari. Se tutte le fasi dei test hanno esito positivo, il farmaco può essere utilizzato non solo per la prevenzione dell'infezione da HIV, ma anche per il trattamento dell'AIDS.

Farmaci donati dalle biotecnologie

I medicinali rimangono ancora lo strumento principale della pratica medica. Tuttavia, le capacità dell’industria chimica, che produce la maggior parte dei medicinali, sono limitate. La sintesi chimica di molte sostanze è complessa e spesso impossibile, come la sintesi della stragrande maggioranza delle proteine. Ed è qui che le biotecnologie vengono in soccorso.

La produzione di farmaci utilizzando microrganismi ha una lunga storia. Il primo antibiotico, la penicillina, fu isolato dalla muffa nel 1928 e la sua produzione industriale iniziò nel 1940. Dopo la penicillina furono scoperti altri antibiotici e iniziò la loro produzione in serie.

Per molto tempo molti farmaci a base di proteine ​​umane si sono potuti ottenere solo in piccole quantità e la loro produzione era molto costosa. L'ingegneria genetica ha dato speranza che la gamma di farmaci proteici e il loro numero aumenteranno notevolmente. E queste aspettative erano giustificate. Diverse dozzine di farmaci ottenuti con mezzi biotecnologici sono già entrati nella pratica medica. Secondo gli esperti, il volume annuo del mercato mondiale dei farmaci a base di proteine ​​create mediante l'ingegneria genetica aumenta del 15% e nel 2010 ammonterà a 18 miliardi di dollari.

L'esempio più eclatante del lavoro dei nostri biotecnologi in questo settore è l'insulina umana geneticamente modificata, prodotta presso l'omonimo Istituto di chimica bioorganica. M.M.Shemyakin e Yu.A.Ovchinnikov RAS. L'insulina, cioè un ormone con struttura proteica, regola la scomposizione dello zucchero nel nostro corpo. Può essere estratto dagli animali. Questo è quello che facevano prima. Ma anche l’insulina prodotta dal pancreas dei maiali – gli animali biochimicamente più vicini a noi – è leggermente diversa dall’insulina umana.

La sua attività nel corpo umano è inferiore all'attività dell'insulina umana. Inoltre, il nostro sistema immunitario non tollera le proteine ​​estranee e fa del suo meglio per respingerle. Pertanto, l’insulina di maiale iniettata può scomparire prima che abbia il tempo di avere un effetto terapeutico. Il problema è stato risolto grazie alla tecnologia dell’ingegneria genetica, oggi utilizzata anche in Russia per produrre l’insulina umana.

Oltre all'insulina umana geneticamente modificata presso l'Istituto di Chimica Bioorganica. M.M. Shemyakina e Yu.A. Ovchinnikova dell'Accademia Russa delle Scienze, Istituto di Chimica Bioorganica, Accademia Russa delle Scienze, insieme al Centro di Ricerca Ematologica dell'Accademia Russa delle Scienze Mediche, hanno creato una tecnologia per la produzione di proteine ​​per combattere la massiccia perdita di sangue. L'albumina sierica umana e il fattore di coagulazione del sangue sono eccellenti strumenti di primo soccorso e di rianimazione richiesti nella medicina delle catastrofi.

Piante geneticamente modificate

La nostra conoscenza della genetica, in espansione ogni giorno, ci ha permesso di creare non solo test genetici per diagnosticare malattie e proteine ​​luminose, vaccini e farmaci, ma anche nuovi organismi. Oggi difficilmente c'è una persona che non abbia sentito parlare di organismi geneticamente modificati o transgenici (OGM). Si tratta di piante o animali nel cui DNA sono stati introdotti geni dall'esterno, conferendo a questi organismi nuove proprietà utili dal punto di vista umano.

L’esercito degli OGM è numeroso. Tra le sue fila ci sono microbi benefici che lavorano nelle fabbriche biotecnologiche e producono molte sostanze utili per noi, colture con proprietà migliorate e mammiferi che producono più carne e più latte.

Una delle suddivisioni più diffuse degli OGM è, ovviamente, quella vegetale. Dopotutto, da tempo immemorabile sono serviti come cibo per l'uomo e come mangime per gli animali. Dalle piante si ottengono fibre per l'edilizia, sostanze per medicinali e profumi, materie prime per l'industria chimica e per l'energia, il fuoco e il calore.

Continuiamo a migliorare la qualità delle piante e a sviluppare nuove varietà attraverso l'allevamento selettivo. Ma questo processo minuzioso e laborioso richiede molto tempo. L'ingegneria genetica, che ci ha permesso di inserire geni utili nel genoma delle piante, ha portato la selezione a un livello fondamentalmente nuovo.

La primissima pianta transgenica, creata un quarto di secolo fa, fu il tabacco, e oggi nel mondo vengono utilizzate 160 colture transgeniche su scala industriale. Tra questi ci sono mais e soia, riso e colza, cotone e lino, pomodori e zucca, tabacco e barbabietole, patate e chiodi di garofano e altri.

Presso il Centro di Bioingegneria dell'Accademia Russa delle Scienze, diretto dall'Accademico K.G. Skryabin. insieme ai colleghi bielorussi, hanno creato la prima coltura domestica geneticamente modificata: la varietà di patate Elizaveta, resistente allo scarabeo della patata del Colorado.

Le prime colture geneticamente modificate, sviluppate all’inizio degli anni ’80, erano resistenti agli erbicidi e agli insetti. Oggi, con l'aiuto dell'ingegneria genetica, otteniamo varietà che contengono più sostanze nutritive, sono resistenti a batteri e virus e resistenti alla siccità e al freddo. Nel 1994 è stata creata per la prima volta una varietà di pomodori che non marciscono. Questa varietà è apparsa sui mercati degli alimenti geneticamente modificati entro due anni. Un altro prodotto transgenico, il riso dorato, è diventato ampiamente conosciuto. In esso, a differenza del riso normale, si forma il beta-carotene, un precursore della vitamina A, assolutamente necessario per la crescita del corpo. Il riso dorato risolve in parte il problema di un'alimentazione adeguata per i residenti di quei paesi in cui il riso è ancora il piatto principale della dieta. E si tratta di almeno due miliardi di persone.

Nutrizione e produttività non sono gli unici obiettivi perseguiti dagli ingegneri genetici. È possibile creare varietà di piante che conterranno vaccini e medicinali nelle foglie e nei frutti. Ciò è molto prezioso e conveniente: i vaccini prodotti da piante transgeniche non possono essere contaminati da virus animali pericolosi e le piante stesse sono facili da coltivare in grandi quantità. E infine, si possono creare vaccini “commestibili” a base vegetale, quando per la vaccinazione è sufficiente mangiare una certa quantità di qualsiasi frutto o verdura transgenica, ad esempio patate o banane. Ad esempio, le carote contengono sostanze coinvolte nella formazione della risposta immunitaria dell’organismo. Tali piante sono create congiuntamente da scienziati di due importanti istituti biologici della Siberia: l'Istituto di citologia e genetica del ramo siberiano dell'Accademia delle scienze russa e l'Istituto di biologia chimica e medicina fondamentale della SB RAS.

Non si può dire che la società sia diffidente nei confronti delle piante geneticamente modificate (GMP). E nella stessa comunità scientifica è in corso una discussione sul possibile pericolo potenziale del GMR. Pertanto, in tutto il mondo sono in corso ricerche per valutare i rischi associati all'uso di GMR: alimentare, agrotecnico e ambientale. Mentre l’Organizzazione Mondiale della Sanità afferma quanto segue: “L’esperienza maturata in oltre 10 anni di uso commerciale di colture GM, l’analisi dei risultati di studi speciali mostra: ad oggi, non esiste un solo caso provato di tossicità o di effetti avversi di GM registrati colture come fonti di cibo o mangimi nel mondo." "

Dal 1996, quando è iniziata la coltivazione commerciale di GMR, al 2007, la superficie totale coltivata a piante transgeniche è aumentata da 1,7 milioni a 114 milioni di ettari, ovvero circa il 9% di tutta la superficie coltivabile nel mondo. Inoltre, il 99% di questa superficie è occupata da cinque colture: soia, cotone, riso, mais e colza. Nel volume totale della loro produzione, le varietà geneticamente modificate rappresentano oltre il 25%. Il leader assoluto nell’uso degli OGM sono gli Stati Uniti, dove già nel 2002 il 75% del cotone e della soia erano transgenici. In Argentina, la quota di soia transgenica era del 99%, in Canada il 65% della colza veniva prodotto in questo modo e in Cina il 51% del cotone. Nel 2007, 12 milioni di agricoltori erano impegnati nella coltivazione di idrocarburi, di cui il 90% vive nei paesi in via di sviluppo. In Russia la coltivazione industriale di idrocarburi è vietata dalla legge.

Animali geneticamente modificati

Gli ingegneri genetici utilizzano una strategia simile per sviluppare nuove razze di animali. In questo caso, il gene responsabile della manifestazione di qualsiasi tratto prezioso viene introdotto nell'uovo fecondato, dal quale si sviluppa ulteriormente un nuovo organismo. Ad esempio, se l’insieme dei geni di un animale viene integrato con il gene di un ormone stimolante la crescita, tali animali cresceranno più velocemente consumando meno cibo. Il risultato è una carne più economica.

Un animale può essere una fonte non solo di carne e latte, ma anche di sostanze medicinali contenute in questo latte. Ad esempio, le proteine ​​​​umane più preziose. Di alcuni di essi abbiamo già parlato. Ora questo elenco può essere integrato con la lattoferrina, una proteina che protegge i neonati dai microrganismi pericolosi fino allo sviluppo della loro immunità.

Il corpo di una donna produce questa sostanza con le prime porzioni di latte materno. Sfortunatamente, non tutte le madri hanno latte, quindi la lattoferrina umana deve essere aggiunta all'alimentazione artificiale per mantenere la salute dei neonati. Se nella dieta sono presenti abbastanza proteine ​​protettive, la mortalità dei neonati artificiali dovuta a varie infezioni gastrointestinali può essere ridotta di dieci volte. Questa proteina è richiesta non solo nell'industria degli alimenti per l'infanzia, ma anche, ad esempio, nell'industria dei cosmetici.

La tecnologia per la produzione del latte di capra con lattoferrina umana è in fase di sviluppo presso l'Istituto di biologia genetica dell'Accademia russa delle scienze e il Centro scientifico e pratico per la zootecnia dell'Accademia nazionale delle scienze della Bielorussia. Quest'anno sono nate le prime due capre transgeniche. Nel corso di diversi anni di ricerca, per la creazione di ciascuno di essi sono stati spesi 25 milioni di rubli. Non ci resta che aspettare che crescano, si moltiplichino e inizino a produrre latte con preziose proteine ​​umane.

Ingegneria cellulare

Esiste un altro settore entusiasmante della biotecnologia: la tecnologia cellulare. Le cellule staminali, che sono fantastiche nelle loro capacità, vivono e lavorano nel corpo umano. Sostituiscono le cellule morte (ad esempio, un eritrocita, un globulo rosso, vive solo 100 giorni), guariscono le nostre fratture e ferite e ripristinano i tessuti danneggiati.

L'esistenza delle cellule staminali fu predetta dall'ematologo russo di San Pietroburgo, Alexander Maksimov, nel 1909. Diversi decenni dopo, la sua ipotesi teorica fu confermata sperimentalmente: furono scoperte e isolate le cellule staminali. Ma il vero boom iniziò alla fine del XX secolo, quando i progressi nel campo delle tecnologie sperimentali permisero di intravedere le potenzialità di queste cellule.

Finora, i progressi della medicina legati all’uso delle cellule staminali sono stati più che modesti. Sappiamo come isolare queste cellule, immagazzinarle, moltiplicarle e sperimentarle. Ma ancora non comprendiamo appieno il meccanismo delle loro magiche trasformazioni, quando una cellula staminale senza volto si trasforma in una cellula del sangue o in un tessuto muscolare. Non abbiamo ancora compreso appieno il linguaggio chimico con cui la cellula staminale riceve l'ordine di trasformarsi. Questa ignoranza crea rischi derivanti dall’uso delle cellule staminali e ne ostacola l’implementazione attiva nella pratica medica. Tuttavia, sono stati compiuti progressi nel trattamento delle fratture che non guariscono negli anziani, nonché nel trattamento riparativo dopo infarti e interventi chirurgici al cuore.

In Russia è stato sviluppato un metodo per il trattamento delle ustioni retiniche utilizzando cellule staminali cerebrali umane. Se queste cellule vengono introdotte nell'occhio, si sposteranno attivamente nell'area dell'ustione, si depositeranno negli strati esterno ed interno della retina danneggiata e stimoleranno la guarigione dell'ustione. Il metodo è stato sviluppato da un gruppo di ricerca di scienziati dell'Istituto di ricerca sulle malattie degli occhi di Mosca da cui prende il nome. G. Helmholtz Ministero della Sanità della Federazione Russa, Istituto di Biologia dello Sviluppo dal nome. N.K.Koltsov RAS, Istituto di biologia genetica RAS e Centro scientifico di ostetricia, ginecologia e perinatologia dell'Accademia russa delle scienze mediche.

Attualmente siamo nella fase di accumulo delle conoscenze sulle cellule staminali. Gli sforzi degli scienziati si concentrano sulla ricerca, sulla creazione di infrastrutture, in particolare sulle banche di cellule staminali, la prima delle quali in Russia è stata Gemabank. La crescita degli organi, la cura della sclerosi multipla e delle malattie neurodegenerative sono il futuro, anche se non così lontano.

Bioinformatica

La quantità di conoscenze e informazioni cresce come una palla di neve. Comprendendo i principi di funzionamento dei sistemi viventi, ci rendiamo conto dell'incredibile complessità della struttura della materia vivente, in cui una varietà di reazioni biochimiche sono strettamente intrecciate tra loro e formano reti intricate. È possibile svelare questa “rete” della vita solo utilizzando moderni metodi matematici per modellare i processi nei sistemi viventi.

Ecco perché, all'incrocio tra biologia e matematica, è nata una nuova direzione: la bioinformatica, senza la quale il lavoro dei biotecnologi non è più concepibile. La maggior parte dei metodi bioinformatici, ovviamente, funzionano per la medicina, vale a dire per la ricerca di nuovi composti medicinali. Possono essere ricercati in base alla conoscenza della struttura della molecola responsabile dello sviluppo di una particolare malattia. Se una tale molecola viene bloccata con una sostanza selezionata con alta precisione, il decorso della malattia può essere arrestato. La bioinformatica permette di scoprire una molecola bloccante adatta all'uso clinico. Se conosciamo l’obiettivo, ad esempio la struttura di una proteina “che causa la malattia”, allora utilizzando programmi per computer possiamo simulare la struttura chimica del farmaco. Questo approccio consente di risparmiare in modo significativo il tempo e le risorse necessarie per selezionare e testare decine di migliaia di composti chimici.

Tra i leader nella creazione di farmaci che utilizzano la bioinformatica in Russia c'è la società Himrar. Nella ricerca di potenziali farmaci antitumorali, è coinvolta, in particolare, nello screening di molte migliaia di composti chimici. Tra i più potenti centri scientifici russi impegnati nella bioinformatica figura anche l'Istituto di citologia e genetica della filiale siberiana dell'Accademia delle scienze russa. A partire dagli anni '60 del XX secolo, nella città accademica di Novosibirsk si formò una scuola scientifica unica, che univa biologi e matematici. L'area di lavoro principale dei bioinformatici di Novosibirsk è l'analisi delle interazioni proteiche all'interno delle cellule e la ricerca di potenziali bersagli molecolari per nuovi farmaci.

Per comprendere il meccanismo di sviluppo di una particolare malattia, è importante sapere quali delle migliaia di geni che lavorano in una cellula malata sono effettivamente responsabili della malattia. Questo compito per niente facile è complicato dal fatto che i geni, di regola, non funzionano da soli, ma solo in combinazione con altri geni. Ma come possiamo tenere conto del contributo di altri geni ad una specifica malattia? E qui la bioinformatica viene in aiuto dei medici. Utilizzando algoritmi matematici è possibile costruire una mappa sulla quale le intersezioni dei percorsi mostrano le interazioni dei geni. Tali mappe rivelano gruppi di geni che operano in una cellula malata in diversi stadi della malattia. Queste informazioni sono estremamente importanti, ad esempio, per scegliere una strategia di trattamento del cancro a seconda dello stadio della malattia.

Biotecnologie industriali

L’uomo utilizza le biotecnologie da tempo immemorabile. La gente produceva formaggio con il latte, faceva fermentare il cavolo per l'inverno e preparava bevande allegre con tutto ciò che veniva fermentato. Tutti questi sono processi microbiologici classici in cui la principale forza trainante è un microrganismo, il più piccolo sistema vivente.

Oggi, la gamma dei problemi risolti dalle biotecnologie si è ampliata incredibilmente. Abbiamo già parlato di diagnosi genetica delle malattie, di nuovi vaccini e medicinali ottenuti mediante la biotecnologia e di organismi geneticamente modificati. Tuttavia, la vita pone anche altre sfide. I giganteschi impianti di produzione chimica da cui otteniamo le sostanze necessarie per creare un ambiente di vita confortevole (fibre, plastica, materiali da costruzione e molto altro) oggi non sembrano più così attraenti come 60 anni fa. Consumano molta energia e risorse (alte pressioni, temperature, catalizzatori in metalli preziosi), inquinano l'ambiente e occupano terreni preziosi. I biotecnologi possono offrire un sostituto in questo caso?

Si Loro possono. Ad esempio, i microrganismi geneticamente modificati che funzionano come efficaci catalizzatori per i processi chimici industriali. Tali biocatalizzatori sono stati creati presso l'Istituto panrusso di ricerca genetica e selezione di microrganismi, ad esempio, per la fase pericolosa e sporca della produzione della sostanza tossica acrialamide. È usato per produrre un polimero poliacrilammide, utilizzato nel trattamento delle acque, nella produzione di pannolini, e per la produzione di carta patinata, e per molti altri scopi. Il biocatalizzatore consente una reazione chimica per produrre un monomero a temperatura ambiente, senza l'uso di reagenti aggressivi e ad alta pressione.

Il biocatalizzatore è stato portato all'uso industriale in Russia grazie agli sforzi del team scientifico di ZAO Bioamid (Saratov) sotto la guida di Sergei Voronin. Lo stesso team ha sviluppato la biotecnologia per la produzione di acido aspartico e ha creato il farmaco cardiaco sostitutivo delle importazioni Asparkam L. Il farmaco è già entrato nel mercato in Russia e Bielorussia. Il farmaco russo non solo è più economico degli analoghi importati, ma, secondo i medici, è anche più efficace. Il fatto è che Asparkam L contiene solo un isomero ottico dell'acido, quello che ha effetti terapeutici. E l’analogo occidentale, la panangina, si basa su una miscela di due isomeri ottici, L e D, il secondo dei quali funge semplicemente da zavorra. La scoperta del team Bioamida è che sono riusciti a separare questi due isomeri difficili da separare e ad avviare il processo su base industriale.

È possibile che in futuro i giganteschi impianti chimici scompariranno del tutto, e al loro posto ci saranno piccoli laboratori sicuri che non danneggiano l'ambiente, dove lavoreranno i microrganismi, producendo tutti i prodotti intermedi necessari per varie industrie. Inoltre, piccole fabbriche verdi, siano esse microrganismi o piante, ci permettono di ottenere sostanze utili che non possono essere prodotte in un reattore chimico. Ad esempio, la proteina della seta del ragno. I fili del telaio delle reti da cattura che il ragno tesse per le sue vittime sono molte volte più resistenti all'acciaio. Sembrerebbe che pianti ragni nelle officine e ne estragga fili proteici. Ma i ragni non vivono nello stesso barattolo: si mangiano a vicenda.

Una bella soluzione è stata trovata da un team di scienziati guidato dal dottore in scienze biologiche Vladimir Bogush (Istituto statale di ricerca sulla genetica e selezione dei microrganismi) e dalla dottoressa in scienze biologiche Eleonora Piruzyan (Istituto di genetica generale dell'Accademia russa delle scienze). Innanzitutto, i geni responsabili della sintesi delle proteine ​​della seta del ragno sono stati isolati dal genoma del ragno. Questi geni sono stati poi inseriti nelle cellule di lievito e tabacco. Entrambi hanno iniziato a produrre le proteine ​​di cui abbiamo bisogno. Di conseguenza, sono state create le basi per la tecnologia di produzione di un materiale strutturale unico e quasi naturale, leggero ed estremamente resistente, dal quale è possibile realizzare corde, armature antiproiettile e molto altro ancora.

Ci sono anche altri problemi. Ad esempio, un'enorme quantità di rifiuti. La biotecnologia ci consente di trasformare i rifiuti in reddito. I sottoprodotti dell’agricoltura, della silvicoltura e della lavorazione alimentare possono essere convertiti in metano, un biogas adatto al riscaldamento e all’energia. Oppure si possono utilizzare metanolo ed etanolo, i principali componenti dei biocarburanti.

Le applicazioni industriali della biotecnologia sono attivamente coinvolte nella Facoltà di Chimica dell'Università Statale di Mosca. MV Lomonosov. Comprende diversi laboratori impegnati in una varietà di progetti: dalla creazione di biosensori industriali alla produzione di enzimi per la sintesi organica fine, dalle tecnologie di riciclaggio dei rifiuti industriali allo sviluppo di metodi per la produzione di biocarburanti.

Scienza, economia, governo

I successi ottenuti sono il risultato degli sforzi congiunti di biologi, chimici, medici e altri specialisti che lavorano nello spazio dei sistemi viventi. Il rapporto tra le diverse discipline si è rivelato fruttuoso. Naturalmente, la biotecnologia non è una panacea per risolvere i problemi globali, ma uno strumento che promette grandi prospettive se utilizzato correttamente.

Oggi, il volume totale del mercato della biotecnologia nel mondo è di 8 trilioni. dollari. Le biotecnologie sono leader anche in termini di finanziamenti per la ricerca e lo sviluppo: solo negli Stati Uniti, agenzie governative e aziende private spendono più di 30 miliardi di dollari all’anno per questi scopi.

Gli investimenti nella scienza e nella tecnologia alla fine produrranno benefici economici. Ma la biotecnologia da sola non risolverà i complessi problemi sanitari o alimentari. È necessario creare un’infrastruttura sanitaria e una struttura industriale favorevoli per garantire l’accesso a nuove tecniche diagnostiche, vaccini e medicinali e piante con proprietà migliorate. Anche in questo caso è estremamente importante un efficace sistema di comunicazione tra scienza ed economia. Infine, una condizione assolutamente necessaria per costruire un efficace settore innovativo dell'economia è l'interazione delle strutture scientifiche e commerciali con lo Stato.

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Nel 2008 sono state presentate 939 domande per lo sviluppo di temi nella direzione dei “Sistemi viventi” (per confronto: il totale per il programma è 3180),
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– 190 organizzazioni hanno presentato domanda per il concorso come co-esecutori (636 in totale)
– la media dei concorrenti per i lotti nella direzione è 2.212 (media per il programma – 2.185)
– Il budget del contratto per il 2008 ammontava a 1.041,2 milioni di rubli. (21,74% dell'intero budget del programma)

Dinamiche di crescita e distribuzione dei finanziamenti nell'area dei sistemi viventi nell'ambito del programma scientifico e tecnico target federale del 2002-2006 e del programma target federale del 2007-2012:
2005 – 303 contratti, 1.168,7 milioni di rubli. (100%)
2006 – 289 contratti, 1.227,0 milioni di rubli. (105%)
2007 – 284 contratti, 2657,9 milioni di rubli. (227%)
2008 - 299 contratti, 3242,6 milioni di rubli. (277%)

I fisici conoscono gli effetti quantistici da più di cento anni, ad esempio la capacità dei quanti di scomparire in un posto e apparire in un altro, o di trovarsi in due posti contemporaneamente. Tuttavia, le straordinarie proprietà della meccanica quantistica si applicano non solo alla fisica, ma anche alla biologia.

Il miglior esempio di biologia quantistica è la fotosintesi: le piante e alcuni batteri utilizzano l’energia della luce solare per costruire le molecole di cui hanno bisogno. Si scopre che la fotosintesi si basa in realtà su un fenomeno sorprendente: piccole masse di energia "esplorano" tutti i modi possibili per utilizzare se stesse, quindi "selezionano" quella più efficiente. Forse la navigazione degli uccelli, le mutazioni del DNA e persino il nostro senso dell’olfatto si basano in un modo o nell’altro su effetti quantistici. Sebbene quest’area della scienza sia ancora altamente speculativa e controversa, gli scienziati ritengono che, una volta raccolte dalla biologia quantistica, le idee potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci e sistemi biomimetici (la biomimetria è un altro nuovo campo scientifico in cui i sistemi e le strutture biologiche vengono utilizzati per creare nuovi materiali e dispositivi).

3. Esometeorologia

Giove

Insieme agli exoceanografi e agli esogeologi, gli esometeorologi sono interessati a studiare i processi naturali che si verificano su altri pianeti. Ora che potenti telescopi hanno reso possibile studiare i processi interni dei pianeti e delle lune vicini, gli esometeorologi possono monitorare le loro condizioni atmosferiche e meteorologiche. e Saturno, con le sue incredibili dimensioni, sono i primi candidati per la ricerca, così come Marte, con le sue regolari tempeste di polvere.

Gli esometeorologi studiano anche i pianeti al di fuori del nostro sistema solare. E ciò che è interessante è che alla fine potrebbero trovare segni di vita extraterrestre sugli esopianeti rilevando tracce organiche o livelli elevati di anidride carbonica nell’atmosfera – un segno di civiltà industriale.

4. Nutrigenomica

La nutrigenomica è lo studio delle complesse relazioni tra il cibo e l’espressione del genoma. Gli scienziati che lavorano in questo campo stanno cercando di comprendere il ruolo delle variazioni genetiche e delle risposte alimentari nel modo in cui i nutrienti influenzano il genoma.

Il cibo ha davvero un enorme impatto sulla salute e inizia letteralmente a livello molecolare. La nutrigenomica funziona in entrambe le direzioni: studia come esattamente il nostro genoma influenza le preferenze gastronomiche, e viceversa. L'obiettivo principale della disciplina è creare un'alimentazione personalizzata: questo per garantire che il nostro cibo sia idealmente adatto al nostro insieme unico di geni.

5. Cliodinamica

La cliodinamica è una disciplina che combina la macrosociologia storica, la storia economica (cliometria), la modellazione matematica dei processi sociali a lungo termine, nonché la sistematizzazione e l'analisi dei dati storici.

Il nome deriva dal nome della musa greca della storia e della poesia, Clio. In parole povere, la cliodinamica è un tentativo di prevedere e descrivere le ampie connessioni sociali della storia, sia per studiare il passato che come potenziale modo per predire il futuro, ad esempio, per prevedere i disordini sociali.

6. Biologia sintetica

La biologia sintetica è la progettazione e costruzione di nuove parti, dispositivi e sistemi biologici. Implica anche l’aggiornamento dei sistemi biologici esistenti per un numero infinito di applicazioni utili.

Craig Venter, uno dei massimi esperti in questo campo, annunciò nel 2008 di aver ricostruito l'intero genoma di un batterio incollando insieme i suoi componenti chimici. Due anni dopo, il suo team ha creato la “vita sintetica”: molecole di DNA codificate digitalmente, poi stampate in 3D e inserite nei batteri viventi.

In futuro, i biologi intendono analizzare diversi tipi di genomi per creare organismi utili da introdurre nel corpo e biorobot in grado di produrre da zero sostanze chimiche - biocarburanti. Ci sono anche idee per creare batteri artificiali che combattono l’inquinamento o vaccini per curare malattie gravi. Il potenziale di questa disciplina scientifica è semplicemente enorme.

7. Memetica ricombinante

Questo campo della scienza è agli inizi, ma è già chiaro che è solo questione di tempo: prima o poi gli scienziati acquisiranno una migliore comprensione dell'intera noosfera umana (la totalità di tutte le informazioni conosciute dalle persone) e di come il la diffusione delle informazioni influisce su quasi tutti gli aspetti della vita umana.

Come il DNA ricombinante, dove diverse sequenze genetiche si uniscono per creare qualcosa di nuovo, la memetica ricombinante studia come le idee trasmesse da persona a persona possano essere adattate e combinate con altri memi e memeplex - complessi consolidati di memi interconnessi. Ciò può essere utile per scopi “sociali terapeutici”, ad esempio, combattendo la diffusione di ideologie radicali ed estremiste.

8. Sociologia computazionale

Come la cliodinamica, la sociologia computazionale studia i fenomeni e le tendenze sociali. Centrale in questa disciplina è l’uso dei computer e delle relative tecnologie di elaborazione delle informazioni. Naturalmente questa disciplina si è sviluppata solo con l’avvento dei computer e con la diffusione di Internet.

Particolare attenzione in questa disciplina è rivolta agli enormi flussi di informazioni della nostra vita quotidiana, ad esempio e-mail, telefonate, post sui social media, acquisti con carta di credito, query sui motori di ricerca e così via. Esempi di lavoro potrebbero essere lo studio della struttura dei social network e di come le informazioni vengono distribuite attraverso di essi, o di come nascono le relazioni intime su Internet.

9. Economia cognitiva

In generale, l’economia non è associata alle discipline scientifiche tradizionali, ma ciò può cambiare a causa della stretta interazione di tutti i campi scientifici. Questa disciplina viene spesso confusa con l’economia comportamentale (lo studio del nostro comportamento nel contesto delle decisioni economiche). L’economia cognitiva è la scienza del modo in cui pensiamo. Lee Caldwell, autore di un blog su questa disciplina, scrive a riguardo:

“L'economia cognitiva (o finanziaria)... esamina ciò che realmente accade nella mente di una persona quando fa una scelta. Qual è la struttura interna del processo decisionale, cosa lo influenza, quali informazioni percepisce la mente in questo momento e come vengono elaborate, quali forme interne di preferenza ha una persona e, in definitiva, come tutti questi processi si riflettono nel comportamento ?

In altre parole, gli scienziati iniziano la loro ricerca a un livello più basso e semplificato e formano micromodelli dei principi decisionali per sviluppare un modello di comportamento economico su larga scala. Spesso questa disciplina scientifica interagisce con campi correlati, come l’economia computazionale o le scienze cognitive.

10. Elettronica in plastica

L'elettronica tipicamente coinvolge conduttori e semiconduttori inerti e inorganici come rame e silicio. Ma un nuovo ramo dell’elettronica utilizza polimeri conduttori e piccole molecole conduttrici basate sul carbonio. L'elettronica organica prevede la progettazione, la sintesi e l'elaborazione di materiali funzionali organici e inorganici insieme allo sviluppo di micro e nanotecnologie avanzate.

In realtà non si tratta di un ramo della scienza così nuovo; i primi sviluppi risalgono agli anni ’70. Tuttavia solo di recente è stato possibile riunire tutti i dati accumulati, soprattutto grazie alla rivoluzione delle nanotecnologie. Grazie all'elettronica organica, presto potremmo avere celle solari organiche, monostrati auto-organizzanti in dispositivi elettronici e protesi organiche, che in futuro saranno in grado di sostituire gli arti danneggiati degli esseri umani: in futuro, i cosiddetti cyborg potrebbero essere costituiti da più materia organica che parti sintetiche.

11. Biologia computazionale

Se ti piacciono allo stesso modo la matematica e la biologia, allora questa disciplina è solo per te. La biologia computazionale cerca di comprendere i processi biologici attraverso il linguaggio della matematica. Questo è utilizzato anche per altri sistemi quantitativi, come la fisica e l'informatica. Gli scienziati dell'Università di Ottawa spiegano come ciò sia diventato possibile:

“Con lo sviluppo della strumentazione biologica e il facile accesso alla potenza di calcolo, la biologia in quanto tale deve operare con sempre più dati e la velocità della conoscenza acquisita non fa che aumentare. Pertanto, dare un senso ai dati ora richiede un approccio computazionale. Allo stesso tempo, dal punto di vista dei fisici e dei matematici, la biologia è maturata a un livello in cui i modelli teorici dei meccanismi biologici possono essere testati sperimentalmente. Ciò ha portato allo sviluppo della biologia computazionale”.

Gli scienziati che lavorano in questo campo analizzano e misurano tutto, dalle molecole agli ecosistemi.

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Il dottore in scienze fisiche e matematiche Alexander Pechen ha descritto a Lenta.ru le aree più promettenti della fisica e delle scienze correlate sulla base dei risultati del più grande premio per giovani scienziati, il Premio Nazionale Blavatnik. Ora Pechen è uno dei principali ricercatori e segretario scientifico del V.A. Mathematical Institute. Steklov all'Accademia Russa delle Scienze, ha studiato alla Facoltà di Fisica dell'Università Statale di Mosca, ha lavorato all'Università di Princeton ed è diventato uno dei primi russi a ricevere il Premio Blavatnik nel 2009.

argomento principale

Foto: Jens Kalaene / ZB / Global Look

La fotonica esplora le possibilità di utilizzare la luce per trasmettere, immagazzinare, elaborare informazioni, controllare microoggetti (cellule, macromolecole) e sistemi quantistici (singoli atomi). Le tecnologie basate sulla fotonica possono accelerare o rendere efficiente dal punto di vista energetico la trasmissione, l’archiviazione e l’elaborazione delle informazioni. Ciò è importante, ad esempio, per i data center, che oggi sono i maggiori consumatori di energia negli Stati Uniti. La luce modulata e i materiali creati artificialmente con proprietà ottiche speciali non presenti in natura sono la base del laser e della fotochimica, così come di cose interessanti come i “mantelli dell’invisibilità” e le pinzette ottiche.

Applicazioni pratiche della fotonica

Foto: Laboratorio Tachi, Università di Tokyo

I metamateriali sono una nuova classe di materiali artificiali con speciali proprietà ottiche che consentono di nascondere gli oggetti e renderli invisibili. Teoricamente, tali materiali furono studiati per la prima volta dal fisico sovietico Viktor Veselago.

Attualmente è in corso lo sviluppo attivo di tali materiali. Ad esempio, nel 2009, i fisici hanno scoperto tappeti invisibili per la luce infrarossa.

Le pinzette ottiche sono uno strumento che consente di manipolare oggetti microscopici utilizzando la luce laser, ad esempio, ordinare e spostare singole cellule e molecole proteiche.

Il premio, fondato dal miliardario russo-americano Leonid Blavatnik, viene assegnato ai ricercatori che lavorano negli Stati Uniti sotto i 42 anni. L'importo - 250mila dollari - ci consente di considerarlo una sorta di analogo del Premio Nobel per i giovani scienziati. I vincitori di quest'anno sono stati premiati negli Stati Uniti e si è tenuto un simposio dedicato alle tendenze scientifiche più promettenti del nostro tempo.

Candidati

Il premio viene assegnato in tre categorie: “scienze della vita” (biologia, medicina, neurobiologia, ecc.), “scienze fisiche e ingegneristiche”, “chimica”. Nel 2015 sono stati nominati quasi 300 candidati provenienti da 147 istituzioni e università americane. Per ciascuna disciplina sono stati selezionati circa dieci finalisti. È stato quindi selezionato un vincitore da ciascun gruppo di finalisti. Tutti e tre i vincitori di quest'anno provengono dall'Università della California: Edward Chang (Università di San Francisco, Scienze della vita), Syed Jafar (Università di Irvine, Scienze fisiche) e Christopher Chang (Università di Berkeley, Chimica).

Ora nella fotonica si sta formando un nuovo approccio al controllo dei sistemi quantistici, cioè singoli atomi o molecole. (Questo è il tema principale dei lavori scientifici di Alexander Pechen - ca. "Tapes.ru"). Tradizionalmente, le particelle vengono controllate utilizzando un laser con intensità di radiazione variabile. Nuovi metodi utilizzano l'ambiente per farlo. Nei sistemi tradizionali, la sua influenza non può quasi mai essere eliminata e ha un effetto distruttivo sui sistemi quantistici atomici e molecolari. Tuttavia, ora l’influenza dell’ambiente esterno viene presa in considerazione e utilizzata per controllare questi sistemi.

Il controllo dei sistemi quantistici viene utilizzato per controllare la velocità delle reazioni chimiche utilizzando i laser per aumentare la resa del prodotto di reazione desiderato e rompere selettivamente i legami chimici in molecole complesse, separazione isotopica utilizzando laser o radiazioni ottiche incoerenti. Il controllo quantistico viene utilizzato sia nell'informatica quantistica, che è ancora in fase di ricerca, sia nella pratica per aumentare la velocità degli scanner per immagini a risonanza magnetica.

Simulatori quantistici e nuovi materiali

I materiali quantistici possono essere utilizzati nei dispositivi di memoria quantistica, per creare superconduttività ad alta temperatura, biodiagnostica basata su punti quantici e supercondensatori basati sul grafene indotto dal laser.

Per simulare molecole biologiche, cristalli, nuclei atomici e altri sistemi complessi, è necessario calcolare la dinamica quantistica di un gran numero di particelle, cosa assolutamente inaccessibile ai moderni dispositivi informatici. I simulatori quantistici sono sistemi quantistici modello i cui parametri possono essere regolati per simulare altri sistemi complessi di interesse pratico. In effetti, i simulatori quantistici sono computer quantistici analogici.

Medicina e biotecnologie

Foto: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

Nel campo delle scienze della vita, gli scienziati prestano maggiore attenzione allo sviluppo della telemedicina - l'uso di tecnologie di telecomunicazione, come gli smartphone, insieme a vari sensori medici per la diagnosi remota delle malattie senza visita personale dal medico. È stata questa direzione ad essere la più evidente tra gli esempi di commercializzazione degli sviluppi scientifici.

Tuttavia, uno dei settori promettenti delle neuroscienze è l’optogenetica, che studia il controllo dei neuroni mediante impulsi luminosi. L'uso di guide luminose in fibra ottica e di proteine ​​fotosensibili consente di ottenere effetti di alta precisione sulle cellule nervose. Attivando e spegnendo specificamente diverse aree del cervello, l’optogenetica ha rivoluzionato negli ultimi anni la ricerca sul sistema nervoso.

Fisica matematica

I moderni modelli teorici richiedono apparati matematici complessi. Sebbene il Premio Nobel non venga assegnato in questa disciplina, ce ne sono altri meno conosciuti, così come nomination in campi correlati. Ad esempio, Clement Hongler ha vinto il Premio regionale Blavatnik nel 2014. È interessante notare che ha conseguito il dottorato di ricerca sotto la guida del matematico russo e vincitore della medaglia Fields Stanislav Smirnov. Hongler ha riportato nuovi risultati precisi nel modello di Ising, un modello matematico utilizzato per descrivere il processo di magnetizzazione dei materiali. Il modello di Ising funge anche da base per D-Wave, il più grande dispositivo di calcolo quantistico fino ad oggi prodotto da D-Wave Systems. Farò una riserva affinché continuino le discussioni sulla misura in cui questi computer dovrebbero essere considerati quantistici.

Il lavoro di Hongler si trova all'intersezione tra meccanica statistica, teoria della probabilità, analisi complessa e teoria quantistica dei campi. Lui e i suoi coautori hanno ottenuto risultati rigorosi dallo studio del modello di Ising, anche in un'area così importante come stabilire una connessione tra il modello critico di Ising e la teoria del campo conforme di Belavin, Polyakov e Zamolodchikov - una teoria universale che serve a descrivono vari fenomeni critici in fisica, cioè situazioni in cui un leggero cambiamento in alcuni parametri, come la temperatura, porta ai cambiamenti più radicali nel comportamento di un sistema fisico.

Interessanti anche gli ambiti relativi ai pianeti erranti non associati ad alcuna stella, e la realizzazione di nuovi strumenti di osservazione, che presto verranno messi in funzione per la ricerca e lo studio dei pianeti esterni al sistema solare. Aiuteranno ad espandere in modo significativo la nostra conoscenza su tali pianeti, esplorare la composizione chimica delle loro atmosfere, determinare la presenza di sostanze organiche e cercare la vita lì.

Commercializzazione della ricerca

La tendenza attuale è la commercializzazione delle scoperte scientifiche. In occasione dell'evento dedicato al suddetto premio, i vincitori del premio hanno fondato quasi due dozzine di aziende nel campo della diagnostica medica, dell'accumulo di energia e dell'analisi dei dati. È in fase di sviluppo anche l’acceleratore biomedico Harvard Blavatnik.

Il livello della scienza moderna consente di passare in tempi relativamente brevi dalla ricerca fondamentale alla ricerca applicata, per poi applicare le scoperte scientifiche ai prodotti commerciali.