Биологические открытия 21 века реферат

Обновлено: 02.07.2024

Генная инженерия вышла на новый уровень

Революционный метод манипуляции ДНК при помощи так называемого CRISP -механизма позволяет избирательно редактировать определенные гены, что раньше было невозможно.

Математика

Доказана теорема Пуанкаре

Астрономия

Открыта карликовая планета Эрида

Впервые Эриду сфотографировали еще 21 октября 2003 года, но заметили на снимках только в начале 2005-го. Ее открытие стало последней каплей в спорах о судьбе Плутона (продолжать ли его считать планетой или нет), что изменило привычный образ Солнечной системы (см. стр. 142–143).

Обнаружена вода на Марсе

Физика

Глобальное потепление — быстрее, чем ожидалось

В 2015 году ученые из Всемирного центра мониторинга ледников при Цюрихском университете (Швейцария) под руководством доктора Михаэля Цемпа, работая совместно с коллегами из 30 стран, установили, что темп таяния ледников на Земле к настоящему времени, по сравнению c усредненными показателями за XX век, вырос в два-три раза.

Обнаружена квантовая телепортация

Такая телепортация отличается от телепортации, о которой любят говорить фантасты, — при ней материя или энергия не передаются на расстояние. Эксперименты по передаче квантовых состояний на большие расстояния были удачно проведены за последние 15 лет не менее чем десятком научных групп. Квантовая телепортация очень важна для создания сверхзащищенных шифров и квантовых компьютеров.

Экспериментально подтверждено существование графена

Его двумерная (толщиной в один атом) кристаллическая решетка проявляет необычные электрофизические свойства. Впервые графен был получен Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году (Нобелевская премия за 2010-й). Его планируется использовать в электронике (в сверхтонких и сверхбыстрых транзисторах), композитах, электродах и т. д. Кроме того, графен — второй по прочности материал на свете (на первом месте — карбин).

Доказано существование кварк-глюонной плазмы

В эпоху бурного развития медицины и перехода к шестому технологическому укладу, существенно возрастает роль биологии, что мы сегодня и можем наблюдать. Различные исследования, связанные с генной инженерией, клеточными технологиями, нейробиологией и многими другими отраслями данной науки сегодня открывают совершенно невиданные доселе перспективы. В связи с этим данные исследования активно финансируются, и каждый год мы можем наблюдать все новые открытия и достижения современной биологии, которые способны удивить любого.

Технология печати органов на 3D-принтере

Аддитивные технологии или технологии 3D печати уже шагнули настолько далеко, что ученые даже пытаются с их помощью выращивать живые органы. И вот недавно израильским ученым удалось при помощи подобного устройства напечатать реальное человеческое сердце в миниатюре. Сердце имеет такие же кровеносные сосуды и клетки, которые выполнены из специальной смеси стволовых клеток человека и соединительной ткани. Сердце может сокращаться, и следующим этапом является совершенствование данной технологии, чтобы заставить его еще и перегонять кровь. Ученые полагают, что в ближайшие 10-15 лет мы сможет наблюдать, как подобные принтеры будут появляться в разных странах по всему миру, и с их помощью люди будут выращивать реальные органы.

Сердце, напечатанное на 3D принтере

Бессмертные существа – Тихоходки

Тихоходка под микроскопом

В другом эксперименте этих существ охлаждали в жидком кислороде (-193 °C) и гелии (-271 °C), после чего также обнаруживали тихоходок живыми и здоровыми. С ними даже проводили эксперименты в космосе, благодаря чему удалось выяснить, что они способны выживать в вакууме и выдерживать облучение критическими дозами ультрафиолета. В связи с этим ученые принялись активно исследовать генетику и особенности строения тихоходок, так как это может помочь в будущем при освоении дальнего космоса.

Достижение современной биологии – нанороботы

В результате синтеза нанотехнологий и достижений современной биологии ученым удалось создать уникальных нанороботов, которые способны поместиться внутри человеческих кровеносных сосудов. Плавая по крови, такие роботы способны очищать её от токсинов, вредных бактерий и других опасных веществ. Ученые считают, что такой способ в будущем может стать идеальным способом очистки организма и лечения различных заболеваний. Для создания роботов частично были использованы живые клетки, в которых были сохранены все их изначальные функции. Благодаря этому нанороботы представляют собой настоящих киборгов, живая ткань которых совмещает нановолокна золота и искусственные материалы.

Визуализация гибридных нанороботов к крови человека

Схожие технологии также хотят использовать для того, чтобы адресно доставлять по кровеносной системе человека лекарства и другие полезные вещества к тому органу, который этого требует. Нанороботов вполне можно запрограммировать на выполнение конкретного задания в организме человека или поиск источника заболевания. При помощи магнитных технологий в будущем ученые планируют научиться управлять нанороботами прямо в теле человека, таким образом, их функции и задачи можно будет менять уже после того, как эти роботы попадут внутрь кровеносной системы.

Клеточная биология: стволовые клетки человека

На сегодняшний день клеточные технологии являются одним из главных трендов современной биологии, в русле которого проводится множество исследований. Такие технологии направлены на то, чтобы научиться управлять биологическими процессами в организме на клеточном, т.е. на базовом биологическом уровне, а также получить возможность персонализировать медицинское вмешательство, сделав его максимально эффективным для каждого отдельного человека.

Сердце человека, выращенное из стволовых клеток

Биология 21 века как наука о живых существах должна ответить на вопросы о том, как жизнь и природные системы развиваются, управляются и реагируют на изменение окружающей среды.

Эта наука должна понять основные биологические процессы, которые управляют жизнью на этой планете—те, которые являются общими для всех организмов, а также те, которые обеспечивают уникальную адаптацию к различным средам.

Нам также необходимо срочно определить все формы жизни на этой планете и понять их взаимосвязь и географическое распределение.

В этой статье представлены примеры того, что считается наиболее важным для решения критических вопросов в биологии 21 века.

Актуальность науки биологии

Биология 21 века должна применять новые и существующие знания для решения насущных проблем современности, к которым относятся экологические кризисы глобального изменения климата, подкисление океана, утрата биоразнообразия и интродукция (заселение) неродственных видов, серьезные опасения за здоровье человека, возникающие и пандемические заболевания, а также критические потребности в сельскохозяйственном производстве и производстве биотоплива.

Чтобы преуспеть в решении проблем биологии 21-го века, ученые должны генерировать, иметь доступ, интерпретировать и архивировать больше информации, чем когда-либо прежде. Современные биологи должны уметь расшифровывать информацию окружающей среды о том, как организмы выживают и размножаются.

Ученым биологам необходимо изучить, как сложные биологические системы работают на разных уровнях организации, от клеток до экосистем, и в разных временных масштабах, от миллисекундной реакции нейронных систем до долгосрочной реакции эволюционных изменений.

Мы должны быть в состоянии проследить влияние изменений в последовательности ДНК или эпигенетической регуляции на несколько фенотипов организма, понять как эти изменения влияют на экологические отношения. Есть достаточно примеров чтобы начать формулировать новые теории функции организма и эволюции.

Решение проблем биологии 21-го века требует интеграции подходов и результатов в различных субдисциплинах биологии, таких как генетика, физиология, экология, а также технологий, информации и подходов из других дисциплин, таких как инженерия, информатика, физика, химия, математика, геологические и атмосферные науки.

Однако у биологов не достаточно инструментов, необходимых для достижения этого видения. По многим важным вопросам биологии прогресс тормозится отсутствием необходимых инструментов для быстрого продвижения вперед. В некоторых случаях определенные устройства или технологии существуют в других областях, но в настоящее время недоступны для биологов. В других случаях нужны инструменты, которые ученые еще не придумали. Для разработки способов изучения этой науки в 21 веке могут потребоваться новые технологии, программное обеспечение, модельные организмы и социальные структуры для содействия созданию инструментов, обмену, сотрудничеству в области исследований и междисциплинарному обучению.

Исследователям нужны инструменты, позволяющие осуществлять высокопроизводительный сбор и синтез информации на всех уровнях иерархии биологической организации, а также во всех биологически значимых областях пространственных и временных масштабов. К ним относятся технологии, программное обеспечение и устройства, связанные с мониторингом, информатикой и системной биологией, датчиками и визуализацией, архивирование информации.

Изучение последовательности геномов

Инструменты на основе ДНК оказывают глубокое междисциплинарное воздействие, начиная с более быстрой и дешевой полевой идентификации видов и распространяясь на оценки геномных паттернов генетической изменчивости в различных средах. Это определит, что в живом существе позволяется или ограничивается способность к адаптации в меняющихся условиях. Планирование секвенирования геномов 10 000 различных видов позвоночных уже началось и подобные планы, безусловно, появятся для беспозвоночных и растений. В некоторых случаях также будут существовать последовательности генома для тысяч особей, принадлежащих к одному и тому же виду.

Биология 21 века предполагает много таких проектов для видов, которые являются важными моделями в лаборатории или играют особенно важную экологическую роль в различных средах, или которые расположены в критических точках ветвления в филогении.

Это исследования, которые сравнивают, например, геномы неандертальцев и Хомо сапиенс.

Древняя ДНК может быть использована для изучения основных эволюционных закономерностей и диверсификации, вымирания и временных изменений в генетической изменчивости.

Древняя ДНК также может быть использована для понимания молекулярных реакций на прошлые изменения климата и, таким образом, поможет предсказать потенциальные реакции в будущем, но для облегчения изучения ДНК и нуклеотид необходимы более совершенные инструменты. Усовершенствованные методы обработки ДНК, которые позволяют получить секвенируемую ДНК из исторических образцов, несмотря на неоптимальную сохранность, необходимы для создания все более творческого использования древней ДНК в будущем.

Метагеномика

Метагеномика изучает генетический материал для выявления новых видов микробов, штаммов и генов до описания микробных сообществ, связанных с различными частями человеческого тела.

Нетрудно представить себе возможность распространения этого подхода на клетки живых организмов, особенно мелких. Например, расположенные на сельскохозяйственных полях ловушки для насекомых имеют, например, автоматизированный конвейер метагеномного секвенирования и информатики. Анализ генов этих насекомых может использоваться для мониторинга вспышек сельскохозяйственных вредителей или переносчиков болезней человека.

Новые лабораторные и вычислительные инструменты также необходимы чтобы использовать секвенирование генома для всеобъемлющей революции. Исследователям нужны улучшенные технологии для высокопроизводительного опроса РНК и новые методы для гибридизации, чтобы точно отображать изменения в экспрессии генов и осветить наше понимание ключевых биологических процессов.

Чтобы понять сложность биохимических процессов в живой клетке или организме, технологии получения комплексных профилей других молекул—таких как метаболиты (метаболомика), белки (протеомика), элементы (иономика) и стабильный изотопный состав организмов также важны, как и геномные инструменты. Полученная информация может быть применена к различным проблемам, включая разработку новых лекарственных препаратов, улучшение питания человека и понимание последствий изменения климата.

Новые методы биоинформатики

Биологи 21 века нуждаются в новых методах биоинформатики для определения и сравнения геномов и функций между особями и таксонами, а также для поиска и синтеза значимых паттернов в потоках геномных данных.

Программное обеспечение для биологов

Новое программное обеспечение должно быть легко доступно для биологов, а компьютерные программы не должны требовать от исследователей наличия обширных навыков программирования для использования больших интегрированных наборов данных геномной, фенотипической, филогенетической и экологической информации. Существует потребность в киберинфраструктуре, состоящей из баз данных, протоколов связи и вычислительных служб, призванных помочь сделать данные и вычислительные средства более удобными для биологов. И в основе этой новой киберинфраструктуры должны лежать все более мощные компьютеры, обеспечивающие доступ к высокопроизводительным вычислениям.

Надвигающаяся революция в биологии 21 века потребует, чтобы традиционные сравнительные методы геномики, которые хорошо служили в исследованиях с несколькими генами, уступили место новым визуализационным и аналитическим подходам, которые одновременно могут использовать тысячи последовательностей генома.

Наличие тысяч последовательностей генома должно позволить разработать новые алгоритмы для лучшего обнаружения отдаленно родственных видов с целью изучения эволюции сложных признаков, таких как цветение, развитие и социальное поведение, или открыть новые механизмы производства биотоплива.

Современное программное обеспечение необходимо для извлечения и синтеза геномных данных, чтобы последовательности ДНК стали, по сути, новым хранилищем биологической информации.

Представьте себе, что эколог-биолог, нуждающийся в модельном виде для изучения рисков, связанных с определенным типом экологического токсиканта, ставит следующий вопрос: какие виды особенно уязвимы к этому экологическому токсиканту? Этот вопрос побуждает программное обеспечение выполнять автоматический поиск на основе знаний для идентификации генов используя мощные алгоритмы интеллектуального анализа. Если бы ответ был доступен, то программа провела бы веб-поиск всех последовательностей генома, чтобы найти и сообщить о тех видах, у которых нет соответствующего гена или генов, или о тех людях в пределах вида с определенными однонуклеотидными полиморфизмами. Не вся информация, полученная в результате такого поиска, будет полезна; например, существует множество технических причин, по которым ген может отсутствовать в сборке конкретного генома.

Способность плавно перемещаться между содержанием генома и биологическими вопросами более высокого уровня предоставит биологам 21 века новые и мощные средства извлечения информации из геномов.

Системный анализ

Системный анализ на всех уровнях биологической информации обещает обеспечить инновационную основу для понимания сложных признаков, в том числе на молекулярном уровне. Это поможет пролить свет на то, как вариация генотипа связана с вариацией фенотипа. Ученым понадобятся новые биоинформационные инструменты для интеграции данных в сложные модели регуляторных сетей генов и белков. Для изучения того, как организмы адаптируются к изменениям окружающей среды, биоинформатика должна быть в состоянии интегрировать информацию, полученную из регуляторных, сигнальных и метаболических сетей с другими типами фенотипических и популяционных генетических данных полученных в различных условиях окружающей среды.

Биология 21 века должна уметь ориентироваться, легко перемещаясь вверх и вниз по биологической иерархии от микро к макроуровням.

Эти биологи-исследователи нуждаются в удобных инструментах моделирования с алгоритмами, которые могут вывести причинно-следственные связи из больших наборов данных, чтобы помочь им разработать гипотезы.
Научные базы данных и литература должны быть более интерактивными и динамичными. Усовершенствованные формы анализа в биологии должны использовать статистический анализ для выявления новых биомаркеров заболеваний человека или для исследования, как гены влияют на социальное поведение.

В силу быстрого технического прогресса и общего эволюционного развития человечества, с каждым годом все больше и больше люди учатся познавать этот мир. Все науки развиваются. Развиваются они благодаря новым открытиям в определенной области. И биология не исключение. Современные открытия в биологии, в частности, открытия 2014 года запомнились нам стремительным прогрессом в изучении флоры и фауны биосферы Земли, а также совершенно новыми техническими изобретениями.

Развитие биологии, как самостоятельной науки о жизни, началось еще в древние времена и продолжается сейчас в нескольких направлениях. В частности если говорить о менее упоминающих открытиях в биологии (это не значит, что они менее значительны), хочется вспомнить следующие:

значительно усовершенствовались технологии и методы определения белковых цепочек. Люди научились определять последовательности в структуре ДНК, а также устанавливать определенные аминокислотные последовательности белков. Такое открытие позволяет ученым практически полностью без всяких трудностей читать генетический код любого живого организма;
ускорилась и улучшилась разработка искусственных органов. Ученые научились выращивать мышцы, ткани печени, волосы и даже работающие клапаны сердца. От дальнейшего развития этих открытий, возможно, зависит множество человеческих жизней.

Открытие новых биологических видов

Практически каждый день в общие мировые базы ДНК добавляются все новые и новые данные о неизвестных до сих пор человечеству видах живых организмов. За период конца 2013-2014 годов удалось собрать данные о многих новых представителях флоры и фауны, мы же тут вспомним лишь некоторые из них.

Олингито

Это хищное млекопитающее по своему внешнему виду напоминает безобидную плюшевую игрушку, поэтому с его открытием образовался настоящий фурор среди любителей зверей. Животное было открыто в августе 2013 года в результате многолетних исследований зоолога из США Кристофера Хелджена.

Дерево дракона Кавесака

Как отдельный биологический вид это дерево было идентифицировано лишь в прошлом году. Почему этот яркий представитель флоры Таиланда долгие годы оставался незамеченным до сих пор остается загадкой. Тем не менее, вид был обнаружен недавно, поэтому относится к современным открытиям в биологии.

Микроб стерильных помещений

Официальное биологическое название на латыни этого вида организмов –Tersicoccus phoenicis. Микроб был обнаружен в середине 2014 года в абсолютно стерильных помещениях, где располагаются космические аппараты. В силу этих обстоятельств, многие ученые опасаются, что Tersicoccus phoenicis мог даже загрязнить Марс, попав на соседнюю планету вместе с марсоходами. Tersicoccus phoenicis – яркое доказательство того, в каких невероятно сложных условиях может существовать жизнь.

Эксперименты над своим телом. Безумие или жертва ради науки?

Ученые нашли новый вид млекопитающего — Олингито — видео

Читайте также: