Страница 113 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что такое биотехнология? Почему её так называют?

Биотехнология — это научная дисциплина и сфера производства, которая использует живые организмы, их системы или продукты их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также для создания и модификации продуктов для конкретного использования. Иными словами, это применение биологических знаний для практических нужд человека.

Сфера применения биотехнологии очень широка и включает:

• Медицину и фармацевтику: производство антибиотиков, вакцин, гормонов (например, инсулина), ферментов, разработка методов генной терапии и диагностики заболеваний.
• Сельское хозяйство: создание генетически модифицированных растений с улучшенными свойствами (устойчивость к вредителям, засухе, повышенная урожайность), улучшение пород скота, разработка биологических средств защиты растений.
• Пищевую промышленность: использование микроорганизмов в хлебопечении, пивоварении, виноделии, производстве кисломолочных продуктов, сыров.
• Промышленность: получение биотоплива (биоэтанол, биодизель), производство ферментов для стиральных порошков, биоразлагаемых пластиков.
• Экологию: биологическая очистка сточных вод и загрязненных территорий (биоремедиация), переработка отходов.

Название «биотехнология» происходит от комбинации двух греческих корней: «βίος» (биос), что означает «жизнь», и «τεχνολογία» (технология), что переводится как «мастерство», «искусство», «умение». Таким образом, дословно этот термин можно перевести как «технология жизни» или «применение мастерства к живому». Это название точно отражает суть данной области: использование живых систем в качестве инструментов в технологических процессах для получения полезных для человека продуктов и услуг.

Ответ: Биотехнология — это использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Её так называют потому, что название происходит от греческих слов «биос» (жизнь) и «технология» (мастерство), что дословно означает «технология жизни».

2. Какие процессы относят к традиционным биотехнологиям?

Традиционная биотехнология — это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы (преимущественно микроорганизмы) или продукты их жизнедеятельности для производства ценных для человека продуктов. Эти технологии зародились еще в древности и долгое время применялись эмпирически, без понимания их научной сути. В основе большинства таких процессов лежит микробный метаболизм, в частности, различные виды брожения.

К процессам, которые относят к традиционным биотехнологиям, принадлежат:

• Хлебопечение. Использование дрожжей (чаще всего Saccharomyces cerevisiae) для поднятия теста. Дрожжи осуществляют спиртовое брожение сахаров, содержащихся в муке, с выделением углекислого газа ($CO_2$). Пузырьки газа разрыхляют тесто, делая выпечку пористой и мягкой.

• Виноделие и пивоварение. В основе этих процессов также лежит спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами. В виноделии сбраживаются сахара виноградного сока, а в пивоварении — сахара, полученные из ячменного солода. Конечными продуктами являются этиловый спирт и углекислый газ.

• Производство кисломолочных продуктов. Для получения йогурта, кефира, творога, сыра, сметаны используются молочнокислые бактерии (например, родов Lactobacillus, Streptococcus) и/или дрожжи. Они вызывают молочнокислое брожение, в ходе которого молочный сахар (лактоза) превращается в молочную кислоту. Кислота вызывает коагуляцию (свертывание) белка молока казеина и обеспечивает консервацию продукта.

• Квашение (соление) овощей и плодов. Это способ консервирования, основанный на молочнокислом брожении. Молочнокислые бактерии, естественно присутствующие на поверхности овощей (капусты, огурцов), в анаэробных условиях производят молочную кислоту, которая подавляет рост гнилостных бактерий и плесени.

• Получение органических кислот и спиртов. Промышленное производство уксусной кислоты (уксуса) с помощью уксуснокислых бактерий (род Acetobacter), которые окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты. Также сюда относится получение лимонной кислоты с помощью плесневого гриба Aspergillus niger.

• Силосование. Это метод консервирования сочных кормов для скота. В герметично уложенной зеленой массе под действием молочнокислых бактерий происходит брожение, и образующаяся молочная кислота предотвращает порчу корма.

Ответ: К традиционным биотехнологиям относят процессы, основанные на естественной жизнедеятельности микроорганизмов: хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение кисломолочных продуктов (сыра, кефира, йогурта), квашение овощей, производство уксуса и силосование кормов.

Решение

Аэробная и анаэробная очистка сточных вод — это два основных биологических метода, которые используют микроорганизмы для удаления органических загрязнителей. Ключевое различие между ними заключается в потребности микроорганизмов в кислороде для их жизнедеятельности и, как следствие, в конечных продуктах метаболизма.

Аэробная очистка

Этот метод основан на жизнедеятельности аэробных микроорганизмов (бактерии, простейшие), которым для дыхания и разложения органических веществ необходим свободный кислород. Процесс происходит в специальных сооружениях — аэротенках, куда принудительно подается воздух (осуществляется аэрация).
Условие: Протекает в присутствии растворенного в воде кислорода ($O_2$).
Процесс: Органические загрязнители полностью окисляются до простых и безопасных неорганических соединений — углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$). При этом происходит быстрый рост микроорганизмов и образуется значительное количество новой биомассы (так называемого активного ила).
Энергетика: Процесс требует постоянных затрат энергии на аэрацию (работу компрессоров).
Скорость и применение: Отличается высокой скоростью и степенью очистки. Наиболее эффективен для сточных вод с низкой и средней концентрацией загрязнителей, таких как хозяйственно-бытовые стоки.

Анаэробная очистка

Этот метод используется в условиях полного отсутствия свободного кислорода. Разложение органических веществ производят анаэробные микроорганизмы в специальных герметичных реакторах — метантенках.
Условие: Протекает в бескислородной (анаэробной) среде.
Процесс: Это многостадийный процесс, в ходе которого сложные органические соединения поэтапно расщепляются до более простых и в конечном итоге превращаются в биогаз, состоящий преимущественно из метана ($CH_4$) и углекислого газа ($CO_2$). Прирост биомассы (ила) значительно меньше, чем при аэробной очистке.
Энергетика: Не требует затрат энергии на аэрацию и, более того, позволяет получать энергию в виде биогаза, который можно использовать как топливо.
Скорость и применение: Процесс протекает медленнее, чем аэробный. Он особенно эффективен для очистки высококонцентрированных промышленных стоков и для сбраживания осадков, образующихся после аэробной очистки.

Ответ:

Аэробная и анаэробная очистка сточных вод различаются по следующим ключевым параметрам:
1. Потребность в кислороде: аэробная очистка требует наличия кислорода, анаэробная протекает в его отсутствие.
2. Конечные продукты: в аэробном процессе органика разлагается до углекислого газа ($CO_2$), воды и большого количества биомассы (ила); в анаэробном — до биогаза (в основном метан $CH_4$ и $CO_2$) и незначительного количества ила.
3. Энергобаланс: аэробная очистка является энергозатратной (из-за необходимости аэрации), в то время как анаэробная позволяет производить энергию (биогаз).
4. Скорость процесса: аэробная очистка протекает значительно быстрее анаэробной.
5. Область применения: аэробный метод используется для очистки стоков с низкой концентрацией загрязнений (бытовые стоки), анаэробный — для высококонцентрированных стоков (промышленные) и осадков.

4. Что представляет собой генная инженерия?

Генная инженерия (также известная как генетическая инженерия или технология рекомбинантных ДНК) — это совокупность методов и технологий молекулярной биологии, направленных на целенаправленное изменение генетического аппарата (ДНК) живых организмов. Суть метода заключается в выделении генов из одного организма и их переносе в геном другого организма, часто принадлежащего к иному виду. Это позволяет создавать организмы с новыми, заранее заданными свойствами.

Основные этапы генной инженерии:

1. Получение изолированного гена. С помощью специальных ферментов-рестриктаз, которые действуют как "молекулярные ножницы", из ДНК организма-донора вырезается нужный ген, кодирующий интересующий признак (например, ген синтеза инсулина).
2. Создание вектора. Вырезанный ген встраивается в специальную транспортную молекулу ДНК — вектор. В качестве векторов чаще всего используют плазмиды (маленькие кольцевые ДНК бактерий) или модифицированные вирусы. Процесс "сшивания" гена и вектора осуществляется с помощью фермента ДНК-лигазы. В результате получается рекомбинантная (гибридная) ДНК.
3. Трансформация. Рекомбинантная ДНК вводится в клетку-реципиент (например, в бактериальную клетку). Этот процесс внедрения чужеродной ДНК называется трансформацией.
4. Клонирование и отбор. Клетки, которые успешно встроили рекомбинантную ДНК, отбираются (скрининг) и размножаются (клонируются). В результате получается популяция организмов, способных синтезировать новый белок и, следовательно, обладать новым признаком.

Генная инженерия нашла широкое применение в различных областях:

• Медицина: производство человеческих белков-лекарств (инсулин, интерферон, гормон роста) с помощью генетически модифицированных бактерий; разработка новых вакцин; генная терапия для лечения наследственных заболеваний.
• Сельское хозяйство: создание генетически модифицированных растений (ГМ-растений), устойчивых к вредителям, гербицидам, засухе или обладающих улучшенными питательными свойствами (например, "золотой рис" с повышенным содержанием бета-каротина).
• Промышленность: использование микроорганизмов с измененным геномом для производства ферментов, аминокислот, биотоплива, а также для очистки окружающей среды от загрязнений.

Ответ: Генная инженерия — это направление биотехнологии, которое занимается созданием искусственных комбинаций генов путем выделения фрагментов ДНК из одного организма и их переноса в геном другого. Это позволяет целенаправленно изменять наследственные свойства организмов для получения полезных для человека признаков, что используется в медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

Что такое клеточная инженерия?

Клеточная инженерия — это одно из ключевых направлений современной биотехнологии, которое занимается конструированием клеток нового типа. В основе клеточной инженерии лежат методы культивирования (выращивания) отдельных клеток, частей клеток или тканей вне организма (in vitro) на специальных питательных средах. Это позволяет управлять их ростом, размножением и дифференциацией.

Основными методами клеточной инженерии являются:

1. Метод культуры клеток и тканей. Он позволяет выращивать клетки растений и животных в стерильных условиях, получая большое количество клеточной массы или регенерируя из одной клетки или кусочка ткани целое растение.

2. Метод гибридизации соматических (неполовых) клеток. С помощью этого метода можно объединять клетки, принадлежащие разным видам и даже царствам (например, клетки животного и растения), получая гибридные клетки (гибридомы), которые несут признаки обоих родительских организмов. Это позволяет преодолевать барьеры межвидовой нескрещиваемости.

3. Метод реконструкции клеток. Позволяет создавать жизнеспособные клетки из отдельных фрагментов: ядра, цитоплазмы и мембраны, взятых от разных клеток.

Таким образом, клеточная инженерия не изменяет геном клетки напрямую (в отличие от генной инженерии), а работает с целыми клетками или их частями, конструируя новые клеточные организмы с заданными свойствами.

Ответ: Клеточная инженерия — это раздел биотехнологии, который занимается созданием новых типов клеток путем их культивирования вне организма, гибридизации и реконструкции для получения организмов или продуктов с полезными свойствами.

Каких успехов она достигла?

Клеточная инженерия достигла значительных успехов, которые находят применение в медицине, сельском хозяйстве и фундаментальной науке. Ключевые достижения можно разделить на несколько областей.

В медицине и фармакологии:

- Создание моноклональных антител. С помощью гибридомной технологии (слияние В-лимфоцита, производящего антитела, и раковой клетки миеломы) были созданы гибридомы — "вечные" клеточные линии, производящие строго специфичные антитела. Они используются для высокоточной диагностики заболеваний (включая рак и инфекции), в экспресс-тестах (например, на беременность) и для таргетной терапии онкологических и аутоиммунных заболеваний.

- Регенеративная медицина и терапия стволовыми клетками. Выращивание стволовых клеток с последующей их дифференцировкой в клетки нужного типа (нервные, мышечные, клетки крови) открыло путь к лечению ранее неизлечимых заболеваний: болезней крови (лейкозы), последствий инфарктов, болезни Паркинсона, диабета. Также выращиваются целые ткани, например, искусственная кожа для лечения ожогов.

- Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО). Этот метод клеточной инженерии позволил миллионам пар по всему миру преодолеть бесплодие.

- Выращивание тканей и органов. Уже сегодня успешно выращивают и пересаживают относительно простые органы и ткани, такие как кожа, хрящи, мочевые пузыри. Ведутся активные исследования по созданию более сложных органов (почки, печень, сердце).

В сельском хозяйстве и растениеводстве:

- Клональное микроразмножение растений. Этот метод позволяет в короткие сроки получить огромное количество генетически идентичных копий ценного растения (сорт с высокой урожайностью, редкий декоративный вид) из небольшого фрагмента его ткани. Это обеспечивает промышленное производство посадочного материала.

- Оздоровление растений. С помощью культуры меристемных тканей (клеток верхушечной почки, которые обычно свободны от вирусов) удается получить здоровые растения из экземпляров, пораженных вирусными заболеваниями.

- Создание новых сортов и гибридов. Метод соматической гибридизации позволяет скрещивать виды, которые невозможно скрестить половым путем. Так были получены гибриды капусты и редьки, картофеля и томата (помато), что позволяет объединять в одном растении хозяйственно ценные признаки разных видов (например, устойчивость к болезням и высокую продуктивность).

Ответ: Основные успехи клеточной инженерии включают создание моноклональных антител для диагностики и лечения, развитие регенеративной медицины на основе стволовых клеток, технологию ЭКО, а также методы клонального микроразмножения и создания устойчивых гибридов растений для сельского хозяйства.

Биотехнология и химическая технология — это две крупные отрасли промышленности, направленные на получение полезных продуктов. Несмотря на общую цель, они основаны на принципиально разных подходах и процессах. Сравним их по ключевым параметрам.

• Цель: Обе технологии нацелены на трансформацию сырья в ценные продукты для человека: лекарства, продукты питания, топливо, материалы и другие химические вещества.
• Научная основа: Обе являются наукоемкими отраслями. Биотехнология опирается на достижения биологии (микробиология, генетика, биохимия), а химическая технология — на достижения химии (органической, неорганической, физической) и физики.
• Промышленный масштаб: Обе применяются для массового, крупнотоннажного производства.

Основные различия между биотехнологией и химической технологией можно представить в виде таблицы:

Ответ:

Биотехнология и химическая технология, преследуя общую цель производства необходимых человеку продуктов, кардинально различаются. Биотехнология использует живые системы в мягких, энергосберегающих условиях, обеспечивая высокую специфичность и экологичность производства на основе возобновляемого сырья. Химическая технология, напротив, оперирует неживыми реагентами и катализаторами в жестких, энергозатратных условиях, используя преимущественно ископаемое сырье, и часто характеризуется образованием побочных продуктов и более значительным негативным воздействием на окружающую среду.

Сообщение по теме «Клонирование и перспективы его использования в медицине»

Введение

Клонирование — это процесс создания генетически идентичных копий (клонов) организма, его отдельных клеток или молекул (например, ДНК). Хотя идея клонирования человека вызывает множество споров и часто изображается в научной фантастике, в реальной медицине основной интерес представляет не создание людей-копий, а использование технологий клонирования для лечения заболеваний. В этом контексте различают два основных вида клонирования.

Виды клонирования и их цели

1. Репродуктивное клонирование. Его цель — создание организма, генетически идентичного донору соматической (неполовой) клетки. Самый известный пример — овечка Долли, появившаяся на свет в 1996 году. Репродуктивное клонирование человека запрещено законодательством большинства стран мира по этическим соображениям и из-за высокого риска для здоровья клона.

2. Терапевтическое клонирование (или перенос ядра соматической клетки, SCNT). Это направление не ставит целью создание целого организма. Его задача — получить эмбриональные стволовые клетки, генетически идентичные клеткам пациента. Именно этот вид клонирования открывает огромные перспективы для медицины. Процесс выглядит следующим образом:

• У пациента берут соматическую клетку (например, клетку кожи) и извлекают из нее ядро, содержащее ДНК.
• Берут донорскую яйцеклетку и удаляют из нее собственное ядро.
• Ядро из клетки пациента пересаживают в безъядерную яйцеклетку.
• Полученную клетку стимулируют к делению. Через несколько дней образуется бластоциста — ранняя стадия эмбриона.
• Из внутренней клеточной массы бластоцисты извлекают эмбриональные стволовые клетки, которые являются генетической копией клеток пациента.

Перспективы использования терапевтического клонирования в медицине

1. Регенеративная медицина. Это самое многообещающее направление. Стволовые клетки, полученные методом терапевтического клонирования, являются плюрипотентными, то есть могут развиться в любой тип клеток организма (нервные, мышечные, клетки крови и т.д.). Это позволяет:

• Выращивать ткани и органы для трансплантации. Можно создавать участки кожи для лечения ожогов, клетки сердечной мышцы для восстановления после инфаркта, нейроны для борьбы с болезнями Паркинсона и Альцгеймера, клетки поджелудочной железы, производящие инсулин, для лечения диабета 1-го типа.
• Избежать отторжения. Поскольку выращенные ткани генетически идентичны организму пациента, иммунная система не будет их атаковать. Это избавляет от необходимости пожизненно принимать тяжелые препараты-иммуносупрессоры, которые имеют множество побочных эффектов.

2. Изучение болезней и разработка лекарств. Технология позволяет создавать в лаборатории клеточные модели различных заболеваний. Взяв клетки у пациента с генетической патологией (например, боковой амиотрофический склероз или муковисцидоз), ученые могут вырастить из них целые культуры «больных» клеток. На этих моделях можно:

• Изучать механизмы развития болезни на клеточном и молекулярном уровне.
• Тестировать тысячи потенциальных лекарственных препаратов, чтобы найти наиболее эффективные и безопасные, не подвергая риску самого пациента.

3. Генная терапия. Терапевтическое клонирование можно комбинировать с технологиями редактирования генома (например, CRISPR/Cas9). Схема может быть такой: у пациента с наследственным заболеванием берут клетку, исправляют в ее ядре «сломанный» ген, а затем используют это отредактированное ядро для создания здоровых стволовых клеток, которые можно пересадить обратно пациенту для лечения болезни.

Проблемы и этические вопросы

Несмотря на огромный потенциал, на пути широкого внедрения клонирования в медицинскую практику стоит ряд серьезных препятствий:

1. Технические сложности. Процесс переноса ядра очень неэффективен и имеет низкий процент успеха. Кроме того, существует риск, что полученные стволовые клетки будут иметь аномалии или начнут бесконтрольно делиться, вызывая рак.

2. Этические дилеммы. Главный этический вопрос связан с тем, что для получения стволовых клеток необходимо создать и затем разрушить человеческий эмбрион на стадии бластоцисты. Это вызывает споры о моральном статусе эмбриона и моменте начала человеческой жизни. Также существуют опасения, что освоение терапевтического клонирования может стать шагом к запрещенному репродуктивному клонированию человека.

3. Высокая стоимость. На текущем этапе это чрезвычайно дорогая технология, что поднимает вопросы о ее доступности и социальной справедливости.

Заключение

Терапевтическое клонирование представляет собой одну из самых перспективных технологий в современной биомедицине, способную кардинально изменить подходы к лечению множества заболеваний, которые сегодня считаются неизлечимыми. Потенциальная польза в области регенеративной медицины, изучения болезней и генной терапии огромна. Однако для реализации этого потенциала необходимо решить серьезные технические проблемы и найти общественный консенсус по сложным этическим вопросам, которые неизбежно сопровождает эта революционная технология.

Ответ:

Клонирование — это создание генетически идентичных копий организмов или клеток. В медицине наибольшие перспективы имеет терапевтическое клонирование, направленное на получение стволовых клеток пациента для выращивания тканей и органов, которые не будут отторгаться организмом. Основные направления использования: 1) регенеративная медицина для замены поврежденных тканей (при инфарктах, ожогах, нейродегенеративных заболеваниях); 2) создание клеточных моделей для изучения болезней и тестирования лекарств; 3) комбинация с генной терапией для исправления генетических дефектов. Главными препятствиями являются техническая сложность, низкая эффективность, риски для здоровья (например, онкологические) и нерешенные этические вопросы, связанные с использованием и разрушением человеческих эмбрионов.

Решение

В основу классификации полимеров, исходя из приведённых в тексте примеров, положен их признак по происхождению (или способу получения). Согласно этому признаку, все полимеры можно разделить на три большие группы.

Природные

Это полимеры, которые существуют в природе и синтезируются в клетках живых организмов (биополимеры). Примеры из текста — белки (их мономеры — аминокислоты), нуклеиновые кислоты (мономеры — нуклеотиды) и полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза (мономер — глюкоза).

Искусственные

Это полимеры, которые получают путём химической модификации (переработки) природных полимеров. При этом сохраняется основная цепь макромолекулы природного полимера, но изменяются её свойства. В тексте упомянут целлофан, который получают из природной целлюлозы. Другими примерами являются ацетатный шелк и нитроцеллюлоза, также продукты переработки целлюлозы.

Синтетические

Это полимеры, которые получают синтезом из низкомолекулярных веществ (мономеров) с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Эти вещества, как правило, не имеют аналогов в природе. Пример из текста — полиэтилен, который получают реакцией полимеризации этилена: $n\text{CH}_2=\text{CH}_2 \rightarrow (-\text{CH}_2-\text{CH}_2-)_n$. К этой группе относится подавляющее большинство производимых сегодня пластмасс, каучуков и волокон.

Ответ: В основу классификации полимеров может быть положен признак по их происхождению, в соответствии с которым они делятся на природные, искусственные и синтетические.