Биотехнологии и нанотехнологии реферат
Обновлено: 05.07.2024
Наверняка многие слышали о таких молодых и развивающихся разделах науки как нано- и биотехнологии. Сейчас эти разделы становятся востребованными в самых разнообразных прикладных отраслях: от медицины до самолетостроения. Но чем именно занимаются нано- и биотехнологи? И какие перспективы открываются благодаря развитию этих наук? Об этом мы расскажем в нашей статье.
Нанотехнологии — область фундаментальной и прикладной науки и техники, практических методов исследования, анализа и синтеза с помощью контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Иными словами, это любые способы взаимодействия с отдельными молекулами для создания чего-то нового и результат такого взаимодействия, то, что создаётся таким образом.
Основной принцип нанотехнологий заключается в том, что вещество может приобретать совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. В контексте нанотехнологий обычно рассматриваются объекты от 1 до 100 нм (нанометр — это 10 -9 метра, что в миллион раз меньше, чем маковое зёрнышко). В рамках нанотехнологий разрабатываются как новые материалы, так и разнообразные механизмы, о которых речь пойдет в следующих разделах.
Биотехнологии — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов для решения технологических задач, а также возможности создания генетически модифицированных живых организмов.
Всем известные ГМО (генетически модифицированные организмы), также как и любые манипуляции с геномом — это и есть биотехнологии. Также к биотехнологиям относят промышленное получение различных биологических молекул при помощи живых организмов. Например, бактерия e.coli (кишечная палочка) с модифицированным геномом может производить белок инсулин, необходимый людям, страдающим диабетом. Помимо этого, биотехнологии связаны с использованием бактерий и микроорганизмов для очистки воды, почвообразования и так далее.
В отличие от нанотехнологий, фокус в биотехнологиях не столько на размере объектов, сколько на методе получения новых объектов или модификации имеющихся.
Модификация объектов, от одной клетки до комплексного организма, создание наномашин, в тысячу раз меньших, чем животная клетка, создание ксеноботов и генномодифицированных животных и людей. Все эти перспективы звучат невероятно интригующе. Но помимо новых возможностей появятся и новые поводы для беспокойства. Сможет ли человечество обрести гармонию в мире с такими технологиями?
Ксенобот — синтетические организмы, которые автоматически создаются компьютерами для выполнения определенных функций, и строятся путем объединения различных биологических тканей.
Ксеноботы имеют ширину менее 1 миллиметра и состоят только из двух элементов: клеток кожи и клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток эмбрионов лягушки. Клетки кожи представляют собой жесткую раму организма, а клетки сердца выполняют роль небольших моторов, сжимаясь и расширяясь в объёме, тем самым обеспечивая ксеноботу возможность двигаться вперёд.
В настоящее время разработанные ксеноботы способны ходить, плавать, толкать гранулы, переносить полезные грузы и работать совместно, например, чтобы собирать мусор в аккуратные кучки. Они могут выживать за счёт собственных резервов в течение нескольких недель без дополнительного питания и даже излечивать себя после разрезания.
Зачем заниматься прогнозированием и вообще предсказывать развитие науки и технологий? На этот вопрос каждый может ответить по-своему, в зависимости от собственных целей и степени причастности к "строительству" будущего.
Так, подростку, выбирающему область деятельности, с которой он свяжет свою жизнь, стоит знать, какие направления активно развиваются, какие появятся в обозримом будущем, и какие специалисты будут востребованы через несколько лет. Чтобы разобраться во множестве разнообразных профессий, вызовов и достижений науки, их нужно систематизировать. Выбирая профессию, хочется иметь представление о том, какой она будет через 5, 10, 20 лет, и какое будущее ждет специалистов в той или иной области.
Глобально же прогнозирование помогает сориентироваться в постоянно меняющемся мире науки и технологий как отдельному человеку, так и государствам или мировому научному сообществу. Благодаря прогнозированию мы можем представить будущее, которое нас, вероятно, ожидает, и решить для себя, что в этом будущем для нас желательно, а что может оказаться для человечества фатальным. Исходя из научных прогнозов можно и необходимо действовать с целью достижения желаемых результатов и предотвращения опасных последствий.
Кроме того, прогнозирование необходимо для определения того, какой посильный вклад мы можем привнести в глобальный процесс формирования будущего, и вовремя этот вклад совершить.
Одними из первых ученых, кто стали предсказывать развитие нано- и биотехнологий стали Ричард Фейнман (в 1959 г.) и Эрик Дрекслер (в 1986 г.). Что интересно, Фейнман предсказал развитие нанотехнологий — области знания, которой на момент предсказания ещё существовало! — очень точно: многие из его предсказаний уже сбылись, а над некоторыми идеями, такими как нанороботы и молекулярные ассемблеры, работают современные ученые.
На основе анализа статьи Ричарда Фейнмана "Там, внизу, полно места. " и книги Эрика Дрекслера "Машины создания" мы выделили основные направления развития нано- и биотехнологий, которые не теряют своей актуальности по сей день.
Понятие нанотехнологий успело поменяться несколько раз с момента его первого произнесения Ричардом Фейнманом в своей лекции в 1959 году. Однако что-то осталось и неизменным. В фантастике описаны удивительные версии реальности, в которых прогресс нанобиотехнологий приводит к возможности путешествовать среди звезд, жить почти безгранично долго, производить любую вещь по запросу.
Разобраться, какие из этих образов базируются на фундаментальных основаниях, а какие - пустые фантазии, было одной из задач Лаборатории нанобиотехнологий на Архипелаге 2121 в Великом Новгороде. Другой важной задачей являлся поиск границ того, что в настоящее время можно реализовать с инженерной и экономической точек зрения, а что пока что остается демонстрацией принципиальной возможности, которая существует как красивый одиночный эксперимент. Участники Лаборатории искали связи между фундаментальной наукой, государственными программами, работой корпораций, экономикой и следующим социотехническим укладом в области нано- и биотехнологий, которые еще 100 лет назад показались бы магией, а сейчас стали полем для прогноза и стратегического анализа.
В ходе работы Лаборатории мы определили перспективы развития нано- и биотехнологий, а также, основываясь на трендах развития и новейших открытиях, построили примерный прогноз на ближайшие тридцать лет. Мы рассмотрели ключевые направления нано- и биотехнологий: молекулярные машины, молекулярные фабрики, инструменты нанотехнологий, молекулярный дизайн, биомедицину, генная и клеточная инженерию. Чтобы сделать прогноз более точным и обоснованным, мы проанализировали развитие био- и нанотехнологий с момента их зарождения как отдельных наук до настоящего времени, то есть рассмотрели период времени с 1960 по 2021 год.
Стоит отметить, что среди открытий и достижений в сфере нано- и биотехнологий были такие, которые становились катализаторами развития всего направления или значительной его части, а также поднимали практические возможности и теоретическую базу на новый уровень. Примеры таких событий.
Открытие атомно-силовых микроскопов (АСМ), ставшее катализатором становления нанотехнологии как отдельной науки. АСМ позволили увидеть мир на наноуровне и понять, как можно выстраивать мир "изнутри" и "снизу вверх".
Подробнее
Открытие трансгенеза позволило производить манипуляции с геномом. А появившаяся после более совершенная технология умных ножниц CRISPR Cas 9, позволила с более высокой точностью изменять геном организмов. Кроме того, возможность редактирования генома позволила ученым понять, как работает реализация наследственной информации у живых организмов.
Подробнее
Первый трансгенный перенос (трансгенез) ДНК вируса обезьяны SV40 в эмбрион мыши, осуществленный Р. Янишем в 1974 стал первым шагом к созданию трансгенных фабрик микроорганизмов и их применению в биомедицине.
Подробнее
Открытие фуллерена С60 повлекло за собой создание множества новых соединений с фуллереном, что дало толчок для развития нанотехнологий и новых материалов.
Подробнее
Трансгенез — процесс введения человеком либо природой чужеродного гена, называемого трансгеном, в живой организм. При этом организм получает свойства, которые он может передавать потомству
В нашем понимании, трансгенная фабрика — это организм, который производит органические вещества для промышленности благодаря добавленным в него генам других организмов
В 2020 году ученые осуществили программирование клеток через изменение ДНК, а также были проведены опыты по созданию ксеноботов из различных клеток. Пока не ясно, к чему именно приведут эти эксперименты, однако вполне возможно, что данные опыты лягут в основу нового направления развития нанотехнологий. Для построения точного прогноза необходимо анализировать пути развития научной области с учетом подобных событий.
- Неизбежное — открытия, которые с большой долей вероятности будут сделаны, если наука продолжит развиваться в том же направлении, что и в настоящее время.
- Вероятное — открытия, которые будут сделаны, если темпы развития науки и технологий сохранятся.
- Предельно видимое — открытия, для совершения которых пока не хватает теоретических и практических знаний. Однако, это базовый сценарий, актуальный в случае, если за тридцать лет взгляды и мышление людей не поменяются радикально.
Мы прогнозируем, что при благоприятном сценарии развития технологий в обозримом будущем неизбежно появятся молекулярные машины и фабрики, более совершенные инструменты и способы наносборки, а также новые наноматериалы. Это откроет новые пути развития промышленности и позволит перейти на качественно новый уровень материалов, используемых в разных сферах жизни. Станет возможной генная терапия наследуемых заболеваний, что, в свою очередь, приведет к увеличению продолжительности жизни и повышению ее качества.
В будущем вероятно создание нанороботов и наноинструментов нескольких типов, а также новых наноматериалов. Развитие генной инженерии должно привести к возможности ее применения в области биомедицины. Например, для лечения методом генной терапии генетических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и эпилепсия, и аллергии, что приведет к расширению физических возможностей человека. Кроме того, развитие генной инженерии скажется на научных проектах, например, таких как генная модификация насекомых с последующим их заселением на другие планеты.
К предельно видимым достижениям мы относим возникновение молекулярных ассемблеров, какими их представлял Эрик Дрекслер, создание координирующих систем наномашин и множества инструментов с разнообразными функциями, а также суперматериалов нового поколения. Предельно видимые горизонты медицины - это отказ от лекарств в пользу более эффективных методов лечения и поиск средств для победы над хроническими заболеваниями. В области генной инженерии обозримый предел - это возможность целенаправленно изменять генотип человека для совершенствования его организма, в том числе для подготовки к полётами в космос.
Читайте также: