Объекты, используемые в биотехнологии (они включают представителей как прокариот, так и эукариот), чрезвычайно разнообразны по своей структурной организации и биологическим характеристикам. К объектам биотехнологии относятся:

• вирусы;
• бактерии и цианобактерии;
• водоросли;
• лишайники;
• грибы;
• водные растения;
• клетки растений и животных.

В группу низших растений входят и микроскопически малые организмы (одноклеточные и многоклеточные), и очень крупные по размерам. Но все они объединены такими общими признаками, как отсутствие расчленения тела на вегетативные органы и разнообразие способов размножения.

К низшим относят следующие отделы: Вирусы, Бактерии, группа отделов Водоросли (Синезеленые, Зеленые, Диатомовые, Бурые, Красные и др.), Миксомицеты, Грибы, Лишайники. По способу питания их подразделяют на две группы: автотрофы (водоросли и лишайники), способные к фотосинтезу, и гетеротрофы (вирусы, бактерии – за небольшим исключением, – миксомицеты, грибы), использующие для питания готовые органические вещества.

Низшие растения прошли длинный исторический путь развития, но многие их представители до сих пор сохранили черты примитивной организации. На определенном этапе развития они дали начало высшим растениям, венцом которых являются покрытосеменные.

2.1. Вирусы

Вирусы (от лат. virus - яд) – это мельчайшие организмы (не более 200-300 нм), невидимые в световой микроскоп, не имеющие клеточного строения, лишенные собственных систем энергообеспечения, отличающиеся паразитическим способом существования, т. е. являющиеся внутриклеточными паразитами. Детальное изучение вирусов стало возможным с развитием электронной микроскопии, биохимии, молекулярной биологии.

Вирусы – сборная группа, не имеющая общего предка.

Структура. Вирусные частицы (вирионы) имеют белковую капсулу – капсид, содержащий геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров – белковых комплексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров. Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими ее белками и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу «экономить» место в геноме. Белки капсида комплементарны определенным молекулярным структурам в клетке хозяина и вступают с ними во взаимодействие, необходимое для проникновения и существования вируса. Капсид защищает вирус только вне живой клетки. Вне клетки-хозяина вирусы ведут себя как вещество (могут быть получены в кристаллической форме); попав в живую клетку, они вновь проявляют активность.

Механизм инфицирования. Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на следующие этапы.

Присоединение к клеточной мембране – так называемая адсорбция. Обычно, для того чтобы вирус адсорбировался на поверхности клетки, она должна иметь в составе своей плазматической мембраны специфический белок (часто гликопротеин) – рецептор, специфичный для данного вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хозяев данного вируса, а также его тканеспецифичность.

Проникновение в клетку. На этом этапе вирусу необходимо доставить внутрь клетки свою генетическую информацию. Некоторые вирусы привносят также собственные белки, необходимые для ее реализации. Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии. Вирусы также различаются по локализации их репликации: часть вирусов размножается в цитоплазме клетки, а часть – в ее ядре.

Перепрограммирование клетки. При заражении вирусом в клетке активируются специальные механизмы противовирусной защиты. Зараженные клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы, например интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противовирусное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом (или программируемой клеточной гибелью). От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты напрямую зависит его выживание. Неудивительно, что многие вирусы, эволюционируя, приобрели способность подавлять синтез интерферонов, апоптозную программу и т. д. Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стремятся создать в клетке максимально благоприятные условия для развития своего потомства.

Персистенция. Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние (так называемая персистенция), слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активироваться лишь при определенных условиях. На этом построена, например, стратегия размножения некоторых бактериофагов: до тех пор пока зараженная клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает ее, наследуется дочерними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании зараженной фагом бактерии в неблагоприятную среду возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами так, что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги. Клетка превращается в «фабрику», способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов связаны некоторые онкологические заболевания.

Создание новых вирусных компонентов. Размножение вирусов в самом общем случае предусматривает три процесса:

• транскрипцию вирусного генома, т. е. синтез вирусной мРНК;
• трансляцию мРНК, т. е. синтез вирусных белков;
• репликацию вирусного генома.

У многих вирусов существуют системы контроля, обеспечивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной мРНК накоплено достаточно, транскрипция вирусного генома подавляется, а репликация, напротив, активируется.

Созревание вирионов и выход из клетки. В конце концов новосинтезированные геномные РНК или ДНК «одеваются» соответствующими белками и выходят из клетки. Следует отметить, что активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая ее разрыва. Таким образом, клетка может продолжать жить и продуцировать вирус.

Классификация вирусов. Систематику и таксономию вирусов кодифицирует и поддерживает Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV), поддерживающий также и таксономическую базу The Universal Virus Database ICTVdB.

Форма представления генетической информации лежит в основе современной классификации вирусов. В настоящее время их подразделяют на ДНКи РНК-содержащие вирусы.

К вирусам относятся бактериофаги – паразиты микроорганизмов. Они состоят из двух частей: призматической головки и хвостового отростка. Если добавить к микробам бактериофаг, действующий именно на данный вид микробов, через несколько минут его можно обнаружить на поверхности микробной клетки, к которой он прикрепляется отростком. Затем бактериофаг выделяет фермент, растворяющий оболочку бактерии в месте прикрепления отростка. Сквозь это отверстие ДНК, находящаяся в головке, попадает в клетку. Капсид остается снаружи. Под влиянием ДНК фага обмен веществ бактерии перестраивается, белоксинтезирующие системы бактерии образуют белки фага, происходит репликация фаговой ДНК. Через 15-30 мин оболочка клетки разрывается, и огромное количество фагов выходит в окружающую среду. Фаги заражают новые клетки, вызывая их лизис.

Значение вирусов. Вирусы вызывают ряд опасных заболеваний человека (оспу, гепатит, грипп, корь, полиомиелит, СПИД, рак и т. д.), растений (мозаичную болезнь табака, томата, огурца, карликовость, увядание земляники), животных (чуму свиней, ящур). Однако препараты соответствующих бактериофагов применяют для лечения бактериальных заболеваний – дизентерии и холеры.

Получение интерферона – особого клеточного белка, препятствующего размножению вирусов, – широко используют в медицине, особенно во время вспышек эпидемий гриппа. Это вещество универсального действия, активное по отношению ко многим вирусам, хотя чувствительность разных вирусов к нему неодинакова. Будучи продуктом самой клетки, интерферон полностью лишен токсического воздействия на нее. Сейчас применяют готовый интерферон, его можно синтезировать в клетках, культивируемых вне организма.

2.2. Бактерии

До конца 1970-х гг. термин «бактерия» служил синонимом прокариот, но в 1977 г. на основании данных молекулярной биологии прокариоты подразделили на царства архебактерий и эубактерий (собственно бактерий).

Строение бактерий. Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть шаровидными (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже – звездчатыми, тетраэдрическими, кубическими, Сили О-образными. Обязательными клеточными структурами бактерий являются:

• нуклеоид;
• рибосомы;
• цитоплазматическая мембрана (ЦПМ).

Прокариоты, в отличие от эукариот, не имеют в цитоплазме обособленного ядра. Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной двухцепочечной ДНК (бактериальная хромосома), имеющей форму замкнутого кольца. Она в одной точке прикреплена к ЦПМ. ДНК в развернутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, т. е. практически все прокариоты гаплоидны, хотя в отдельных случаях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы. Деление хромосомы сопровождается делением клетки. Область клетки, в которой локализована хромосома, называется нуклеоидом; она не окружена ядерной мембраной. В связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, т. е. процессы транскрипции и трансляции могут протекать одновременно. Ядрышка нет.

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды – замкнутые в кольцо небольшие молекулы ДНК, способные к независимой репликации. Они содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. В них кодируются механизмы устойчивости к отдельным лекарственным препаратам, способности к переносу генов при конъюгации, синтеза веществ антибиотической природы, способности использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ. То есть плазмиды действуют как факторы адаптации. В некоторых случаях гены плазмиды могут интегрировать в хромосому бактерии.

Рибосомы прокариот отличаются от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (у эукариот – 80 S).

У разных групп прокариот имеются локальные впячивания ЦПМ – мезосомы, выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие ее на функционально различные части. Считается, что мезосомы принимают участие в делении бактерий. Когда на мембранах мезосом располагаются окислительно-восстановительные ферменты, они являются эквивалентами митохондрий клеток растений и животных. У фотосинтезирующих бактерий во впячивания мембран вмонтирован пигмент – бактериохлорофилл. С его помощью и осуществляется бактериальный фотосинтез.

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоев (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки, пили).

У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам. Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана муреина с большим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов. У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружен наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривленную форму.

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула – аморфный слой гидратированных полисахаридов, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру.

Многие бактерии способны к активному движению с помощью жгутиков – выростов цитоплазмы.

Размножение бактерий. Бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящих к образованию от 4 до 1000 новых клеток под оболочкой материнской клетки).

У прокариот может происходить горизонтальный перенос генов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосредственного контакта передает клетке-реципиенту часть своего генома (в некоторых случаях – весь геном). Участки ДНК донорной клетки могут обмениваться на гомологичные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.

Бактериальная клетка может поглощать и свободно находящуюся в среде ДНК, включая ее в свой геном. Данный процесс носит название трансформации. В природных условиях обмен генетической информацией протекает с помощью бактериофагов (трансдукция). При горизонтальном переносе новых генов не образуется, однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Эти свойства бактерий очень важны для генетической инженерии.

Спорообразование у бактерий. Некоторые бактерии образуют споры. Их формирование характерно для особо устойчивых форм с замедленным метаболизмом и служит для сохранения в неблагоприятных условиях, а также для распространения. Споры могут сохраняться продолжительное время, не теряя жизнеспособности. Так, эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °С, высушивание в течение тысячи лет и, по некоторым данным, сохраняются в жизнеспособном состоянии в почвах и горных породах миллионы лет.

Метаболизм бактерий. За исключением некоторых специфических моментов, биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклеотидов, у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных биохимических путей и, соответственно, по степени зависимости от поступления органических веществ извне бактерии различаются. Часть бактерий может синтезировать все необходимые им органические молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, которые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Классификация бактерий. Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, основанная на строении их клеточной стенки. На основе этой классификации построен «Определитель бактерий Берги», девятое издание которого вышло в 1984-1987 гг. Крупнейшими таксономическими группами в ней стали четыре отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы) и Mendosicutes (археи).

Значение бактерий. Бактерии-сапрофиты играют большую роль в круговороте веществ в природе, разрушая в экосистемах мертвый органический материал. Хорошо известна их роль во всех биогеохимических циклах на нашей планете. Бактерии принимают участие в круговоротах химических элементов (углерода, железа, серы, азота, фосфора и др.), в процессах почвообразования, определяют плодородие почв.

Многие бактерии «населяют» организмы животных и человека, стоят на страже здоровья.

Биотехнологические функции, выполняемые бактериями, разнообразны. Их применяют при производстве различных веществ: уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых напитков и продуктов (Lactobacillus, Leuconostoc)f а также микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis) и гербицидов, белков (Methylomonas), витаминов (Clostridium – рибофлавин); при переработке отходов, получении бактериальных удобрений, растворителей и органических кислот, биогаза и фотоводорода. Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, т. е. способность к фиксации атмосферного азота.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяют в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике и биохимии, в генно-инженерных работах при создании геномных клонотек и введении генов в растительные клетки (агробактерии). Информация о метаболических процессах бактерий позволила производить бактериальный синтез витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективными направлениями являются очистка с использованием бактерий почв и водоемов, загрязненных нефтепродуктами или ксенобиотиками, а также обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий.

Нельзя забывать о том, что отдельные виды бактерий вызывают опасные заболевания у человека (чуму, холеру, туберкулез, брюшной тиф, сибирскую язву, ботулизм и др.), животных и растений (бактериозы). Некоторые виды бактерий могут разрушать металл, стекло, резину, хлопок, древесину, масла, лаки, краски.

2.3. Водоросли

Водоросли – наиболее древняя и разнородная группа организмов. Они обитают в водной среде, почве, на поверхности растений и в других местах. Большинство водорослей являются автотрофами, так как содержат хлорофилл и могут использовать солнечный свет, но нередко их зеленая окраска маскируется другими пигментами. Некоторые водоросли утратили способность к фотосинтезу и перешли на гетеротрофный тип питания.

Особенности строения водорослей. По строению тела различают одноклеточные, колониальные и многоклеточные водоросли. Оно может быть представлено талломом, или слоевищем, и не подразделяется на вегетативные органы. По форме многоклеточного таллома выделяют нитчатые, пластинчатые и сифоновые водоросли.

Клетки многих водорослей похожи на растительные. У них имеются клеточная стенка, одна крупная или несколько мелких вакуолей с клеточным соком, а также хлоропласты, которые называются хроматофорами. В хроматофорах находятся пигментные системы, в состав которых входят хлорофиллы (зеленые пигменты), каротиноиды (желто-оранжевые пигменты) и фикобиллины (сине-фиолетовые пигменты). Их соотношение определяет окраску водоросли.

Форма хроматофоров очень разнообразна. Она может быть пластинчатой, цилиндрической, лентовидной, чашевидной, звездчатой и т. д. В хроматофорах расположены пиреноиды, вокруг которых откладываются запасные вещества в виде крахмала или близкого к нему углевода.

Вегетативные клетки таллома снаружи покрыты твердой стенкой, состоящей из целлюлозы и пектиновых веществ. Иногда снаружи клеточная стенка покрыта или инкрустирована кремнеземом. Цитоплазма заполняет всю полость клетки или расположена послойно. В клетке находится одно или несколько ядер. Кроме крахмала, в качестве запасных продуктов могут накапливаться капельки масла.

Размножение водорослей. Для водорослей характерны, как правило, одноклеточные органы размножения, спороношения и полового размножения.

Размножение у водорослей может происходить тремя способами:

• вегетативным (деление клеток пополам, фрагментами колоний и нитей, специализированными структурами – клубеньками – у харовых);
• собственно бесполым (подвижными зооспорами и неподвижными апланоспорами);
• половым (с участием гамет или без образования гамет, путем слияния ядер вегетативных клеток).

Собственно бесполое размножение осуществляется с помощью зооспор или клеточных образований, возникающих внутри вегетативных клеток или в особых органах (зооспорангиях или спорангиях) путем деления их содержимого. Вскоре после выхода в воду через отверстия в стенке спорангия зооспоры сбрасывают жгутики, покрываются клеточной оболочкой и прорастают в новую особь.

Половой процесс возможен в формах:

• изогамии, при которой происходит слияние одинаковых по размеру и форме подвижных гамет;
• гетерогамии, при которой сливаются подвижные гаметы, имеющие одинаковую форму, но отличающиеся по размерам;
• оогамии, когда сливается неподвижная крупная женская гамета – яйцеклетка с мелким подвижным сперматозоидом.

У некоторых зеленых водорослей половой процесс осуществляется в форме конъюгации.

У одних водорослей одна и та же особь может образовывать гаметы или споры – в зависимости от возраста и условий окружающей среды, у других – функции полового и бесполого размножения выполняют разные особи.

Водоросли, на которых развиваются органы бесполого размножения, называются спорофитами, а водоросли, на которых развиваются половые органы, – гаметофитами. Эти два поколения в цикле развития организма могут сильно отличаться по структуре или, наоборот, быть внешне похожими друг на друга. Строго упорядоченные жизненные циклы, сходные с циклами высших растений, существуют лишь у эволюционно продвинутых видов, таких, как представители бурых и зеленых водорослей.

Классификация водорослей. Многочисленные виды водорослей отличаются между собой анатомическим строением как всей особи, так и отдельных клеток, различием в пигментах и других включениях и т. д. На основании этих признаков водоросли подразделяют на 10 отделов. Рассмотрим те из них, которые нашли применение в биотехнологии.

Бурые водоросли

Свое название бурые водоросли получили из-за высокого содержания в хроматофорах (помимо хлорофилла) бурого пигмента фукоксантина. Изучено около 1,5 тыс. видов этих водорослей, которые распространены главным образом в морях и океанах, преимущественно в прибрежном мелководье. Иногда их находят и вдали от берегов. Бурые водоросли считаются важным компонентом бентоса.

Постоянные скопления бурых водорослей известны в той части Атлантического океана, которое носит название Саргассово море (соответственно сами эти водоросли называют саргассами). Они не являются бентосными, а обладают плавучестью благодаря воздушным пузырькам, за счет которых постоянно дрейфуют. В прибрежной же части они ведут обычный бентосный образ жизни.

Таллом бурых водорослей многоклеточный, часто достигает гигантских размеров (до 30-50 м). У самых развитых, крупных видов таллом пластинчатый, т. е. многослойный, и разделен как бы на «ткани», выполняющие разные функции. Клетки бурых водорослей одноядерные. Многочисленные хлоропласты чаще дисковидные. Запасные продукты накапливаются в виде ламинарина (полисахарид), маннита (сахароспирт) и масла. Пектиново-целлюлозные клеточные стенки легко ослизняются. Продолжительность жизни бурых водорослей достигает нескольких лет.

Вегетативное размножение бурых водорослей может осуществляться обрывками таллома. У некоторых видов имеются выводковые почки, которые легко отламываются и вырастают в новую особь.

Бесполое размножение (отсутствует у фукусовых) происходит с помощью многочисленных двухжгутиковых зооспор, образующихся в одногнездных (изредка – в многогнездных) зооспорангиях, либо с помощью неподвижных тетраспор, образующихся в одногнездных тетраспорангиях.

Половой процесс у бурых водорослей встречается во всех формах. У простейших – в форме изоили гетерогамии, у наиболее высокоорганизованных (например, у ламинарии) половой процесс оогамный. Размножение ламинарии происходит с помощью спор. Зооспоры у нее заключены в многочисленные спорангии, или мешочки. При выходе спор наружу окружающая вода приобретает мутный оттенок. Постепенно споры разносятся течением и оседают на дно, где прикрепляются к шероховатостям и прорастают. На развившихся ростках (гаметофитах) образуются разнополые клетки. На одних ростках (мужских) появляются мелкие подвижные сперматозоиды, на других (женских) – яйцеклетки. Осенью происходит оплодотворение будущей ламинарии. Зигота вскоре прорастает в водоросль (спорофит), достигающую через год длины 4-5 м. Этой же осенью из развившегося растения выходят споры. Старое слоевище разрушается, и на его месте развивается новое, которое к весне следующего года достигает нормальной промысловой длины.

Основные представители: ламинария, фукус, падина, макроцистис, алярия и др.

Красные, или багряные, водоросли

Почти все красные водоросли являются морскими обитателями, обычными в бентосе, находящемся на значительной глубине. Лишь немногие из них обитают в пресноводных бассейнах и в почве.

Разнообразная окраска этих водорослей объясняется наличием, помимо хлорофилла, еще двух пигментов: красного – фикоэритрина и синего – фикоцианина. От соотношения этих пигментов окраска таллома может варьировать от малиново-красной до голубовато-стальной. Благодаря такому пигментному составу образуется специфический запасной продукт – багрянковый крахмал, который от йода приобретает буро-красный цвет.

Клеточные стенки вместе с межклеточным веществом у некоторых видов сильно ослизняются, из-за чего весь таллом приобретает слизистую консистенцию. В связи с этим многие красные водоросли используют для получения агар-агара.

Большинство красных водорослей – двудомные организмы. Они размножаются бесполым и прогрессивным половым путем. Многие «багрянки» характеризуются правильной сменой гаметофита и спорофита, внешне неотличимых друг от друга. У некоторых красных водорослей циклы развития носят сложный характер.

Основные представители: порфира, филлофора, анфелъция и др.

Зеленые водоросли

Зеленые водоросли характеризуются травянисто-зеленой окраской, зависящей от преобладания хлорофиллов над каротиноидами. Клетка большинства таких водорослей покрыта целлюлозной оболочкой. У многих из них наблюдается свойственное высшим растениям правильное чередование бесполого и полового поколения; некоторые зеленые водоросли перешли к наземному существованию.

Представители этого отдела (около 15 тыс. видов) распространены в пресных водах, некоторые – в морях, и очень немногие обитают в условиях периодического увлажнения (на почве, стволах деревьев, заборах, цветочных горшках и т. д.).

Типичным представителем является водоросль рода Хламидомонада. Это одноклеточная водоросль, со жгутиками, многочисленные виды которой обитают в лужах, канавах и других мелких пресных водоемах. В случае их массового развития вода нередко принимает зеленую окраску. При подсыхании водоема хламидомонады теряют жгутики, ослизняются и в таком неподвижном состоянии пережидают неблагоприятные условия, а при попадании в воду клетки снова вырабатывают жгутики и возвращаются к подвижному состоянию. В благоприятных условиях эти водоросли интенсивно размножаются бесполым путем, формируя большое количество зооспор. У большинства видов половой процесс изогамный.

Род Хлорелла широко распространен в пресных водах, где эта водоросль придает воде зеленый цвет. Она встречается также на сырой земле, на коре деревьев и т. д. Хлорелла – представитель одноклеточных зеленых водорослей, у которых отсутствуют жгутики. При бесполом размножении содержимое клетки распадается, образуя от 4 до 64 дочерних клеток, которые освобождаются после разрыва стенки материнской клетки. Половой процесс отсутствует. В клетках хлореллы накапливается много запасных продуктов, витаминов, антибиотиков, поэтому ее культивируют в различных целях.

Ярким представителем зеленых водорослей, имеющих таллом в виде разветвленной нити, сложенной из одноядерных клеток, может служить род Улотрикс. Эти водоросли встречаются в прибойной полосе больших озер, образуя ватообразные обрастания на камнях.

К классу конъюгатов относится представитель рода Спирогира, имеющий нитчатый таллом без жгутиков. Многочисленные виды этого рода имеют лентовидные, спирально закрученные хроматофоры с пиреноидами, окруженные крахмальными зернами. Ядро находится в центре клетки и погружено в цитоплазму.

Половой процесс – конъюгация – заключается в слиянии протопластов вегетативных клеток. Это так называемая лестничная конъюгация, которая происходит между клетками параллельно расположенных нитей. Образовавшаяся в результате слияния протопластов конъюгирующих клеток зигота вырабатывает толстую стенку и переходит в состояние покоя. Ядра сливаются незадолго до прорастания зиготы, после чего образуются четыре гаплоидных ядра, причем из четырех ядер только одно остается жизнеспособным и поэтому развивается только одна особь. Помимо конъюгации, широко распространено вегетативное размножение. Оно осуществляется благодаря разрыву нитей на отдельные участки, клетки которых начинают делиться и образуют новые нити.

Основные представители: хлорелла, улъва, спирогира, улотрикс, вольвокс, эвглена и др.

Диатомовые

Клеточные стенки диатомовых водорослей состоят в основном из кремнезема, образующего защитный панцирь, который имеет две отдельные части – теки: верхнюю – эпитеку и нижнюю – гипотеку. Пояс эпитеки плотно надвинут на поясок гипотеки. В створках теки имеются сквозные отверстия – поры, обеспечивающие обмен веществ, а также пустоты. Внутри клетки находятся протопласт и вакуоли. Ядро одно. Хлоропласты имеют бурую окраску, так как хлорофилл в них замаскирован бурыми пигментами – каротиноидами и диатомином (пигмент из группы ксантофиллов). Запасные продукты откладываются в виде масла, волютина и лейкозина.

Основные представители: пиннулярия, навикула, мелозира, табеллярия и др.

Значение водорослей. Водоросли, обитающие в воде, подразделяют на две большие группы: планктонные и бентосные.

Планктоном называют совокупность свободно плавающих в толще воды на небольшой глубине мелких – преимущественно микроскопических – организмов. Растительная часть планктона, образуемая водорослями, составляет фитопланктон. Значение фитопланктона для обитателей водоема огромно, так как им производится основная масса органических веществ, т. е. водоросли являются продуцентами в цепи питания.

К бентосным водорослям относятся особи, прикрепленные ко дну водоемов, находящиеся в воде на глубине 30-50 м.

Однако наиболее теневыносливые бурые и красные водоросли достигают глубины 100-200 м, а отдельные виды – 500 м и более.

Водоросли живут на почве и даже в атмосферном воздухе (некоторые виды хлореллы). Отдельные виды, попадая вместе с бактериями на бесплодные субстраты, становятся пионерами их заселения. Многие водоросли активно участвуют в процессе почвообразования. Азотфиксирующие водоросли (анабена) накапливают в почве азот. Некоторые виды водорослей (носток и др.) входят в состав комплексных организмов – лишайников.

Хозяйственное значение водорослей заключается в непосредственном использовании их в качестве пищевых продуктов или как сырья для получения различных веществ, ценных для человека.

Из многочисленных видов водорослей съедобными в настоящее время считаются 80 (в основном это морские виды – ламинария, порфира, ульва, спируллина и т. д.). Съедобные водоросли богаты минеральными веществами, особенно йодом. Среди красных водорослей порфира считается деликатесом во многих приморских странах. В Японии насчитывается более 300 наименований блюд из морской капусты. Одно из самых популярных блюд с водорослями – суши. Под общим названием mozuku биологи обнаружили ряд из шести видов водорослей – kombu, wakame, nori, hijiki и др., которые употребляют в пищу. По статистическим данным, только сырых водорослей японцы съедают в год лишь в 35 раз меньше по весу, чем риса, который, как известно, в этой стране считается блюдом номер один.

Одноклеточные водоросли выращивают в условиях мягкого теплого климата (Средняя Азия, Крым) в открытых бассейнах на специальной среде. К примеру, за теплый период года (шесть – восемь месяцев) можно получить 50-60 т биомассы хлореллы с 1 га, тогда как одна из самых высокопродуктивных трав – люцерна дает с той же площади только 15-20 т урожая. Хлорелла содержит около 50 % белка, а люцерна – лишь 18 %. В целом в пересчете на 1 га хлорелла образует 20-30 т чистого белка, а люцерна – 23,5 т. Кроме того, хлорелла содержит: углеводы – 40 %, жиры – 7-10 %, витамины А (в 20 раз больше), B₂, К, PP и многие микроэлементы. Варьируя состав питательной среды, можно в клетках хлореллы сдвинуть процессы биосинтеза в сторону накопления либо белков, либо углеводов, а также активировать образование тех или иных витаминов. В клетках хлореллы содержится также антибиотик хлореллин.

Водоросли служат кормом для рыб и водоплавающих птиц. В ряде стран их используют как витаминную добавку к кормам для сельскохозяйственных животных. Так, во Франции, Шотландии, Швеции, Норвегии, Исландии, Японии, Америке, Дании и на Русском Севере водоросли прибавляют к сену или дают как самостоятельный корм коровам, лошадям, овцам, козам, домашней птице. Для этой цели строят заводы. Опыты, проведенные в Мурманской области России, показали, что водорослями можно заменить примерно 50 % сочных и 30 % грубых кормов в суточном рационе животного. При этом удои молока и яйценоскость у птиц повышались на 10 % и выше.

Водоросли могут служить удобрением. В таком качестве их широко применяют в Ирландии, Шотландии, Норвегии, Франции. Запахивание биомассы водорослей обогащает почву фосфором, калием, йодом и значительным количеством микроэлементов, а также пополняет почвенную азотфиксирующую микрофлору. При этом водоросли разлагаются в почве быстрее, чем навозные удобрения, и не засоряют ее семенами сорняков, личинками вредных насекомых, спорами фитопатогенных грибов. Применение водорослевого перегноя и запахивание штормовых выбросов на 140-300 % повышает урожайность не только злаковых культур (пшеницы, ячменя), но и овощей.

В Израиле на опытных установках проводят эксперименты с зеленой одноклеточной водорослью Dunaliella, которая способна синтезировать глицерол. Dunaliella может расти и размножаться в среде с широким диапазоном содержания соли: в морской воде и в почти насыщенных растворах Мертвого моря. Она накапливает свободный глицерол как осмопротектор, чтобы тем самым противодействовать высоким концентрациям солей в среде выращивания. При таких условиях выращивания дуналиеллы на долю глицерола приходится до 85 % сухой массы клеток. В ней содержится также значительное количество β-каротина. Таким образом, культивируя эту водоросль, можно получать глицерол, пигмент и белок, что весьма перспективно с экономической точки зрения.

Красные водоросли (роды: анфельция, гелидиум, грацилярия) служат источником получения агар-агара (желирующего вещества, широко применяемого в кондитерской, бумажной, фармацевтической промышленности и в микробиологии). Получают агар-агар (далее – агар) длительным кипячением водорослей. После остывания образуется плотное желеобразное вещество, которое применяют при изготовлении мармелада, пастилы, стабилизации многих консервов, сиропов, шоколадных напитков, мороженого. Кожа, бумага или ткань, обработанные агаром, становятся более прочными и приобретают приятный блеск.

У других багрянок (роды: литотамнион, литофиллум) клеточные стенки инкрустированы известью, которая придает таллому твердость камня. Такие красные водоросли принимают участие в образовании коралловых рифов.

Зола водорослей служит сырьем для получения брома и йода. Со времен открытия йода (середина XIX в.) Норвегия и Шотландия извлекали его почти исключительно из донных водорослей. Во время Первой мировой войны, когда потребность в препаратах йода резко возросла, японские заводы, переработав миллионы тонн сырых водорослей, получили около 600 т йода.

Некоторые водоросли служат в качестве индикаторных организмов при определении степени загрязнения водоемов. Например, массовое развитие осциллятории – показатель степени загрязнения при биологическом анализе воды. Применяют водоросли и для биологической очистки сточных вод, а также – благодаря высокой скорости размножения – для получения биомассы, используемой в качестве топлива.

Известны горные породы (диатомиты, горючие сланцы, часть известняков), возникшие в результате жизнедеятельности водорослей в прошлые геологические эпохи. Диатомин применяют в производстве материалов для звуковой и тепловой изоляции, при изготовлении фильтров для пищевой и химической промышленности, шлифовке металлов. Водоросли участвуют в образовании лечебных грязей.

Бурые водоросли образуют подводные луга с огромной фитомассой. Они приобретают все возрастающее значение как кормовые, пищевые, лекарственные и технические растения. В северных и умеренных широтах произрастает ламинария – морская капуста, таллом которой достигает в длину 20 м и содержит много незаменимой аминокислоты метионина, йода, углеводов, минеральных веществ и витаминов. Из ламинарии также получают альгинит – клеящее вещество, используемое в текстильной (ткани не выцветают и не промокают) и пищевой (при изготовлении консервов, соков) промышленности, при производстве мелованной бумаги. Альгинит повышает устойчивость лакокрасочных покрытий и строительных материалов. Эту водоросль культивируют в морях России и стран Юго-Восточной Азии.

Благодаря таким свойствам водорослей, как простота строения, быстрый рост и скорость размножения, их широко применяют в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике, генетической инженерии, биохимии и физиологии.

Предпринимаются попытки использовать некоторые высокопродуктивные и неприхотливые водоросли (например, хлореллу, которая синтезирует белки, жиры, углеводы, витамины и способна поглощать вещества, выделяемые человеком и животными) для создания замкнутого круговорота веществ в обитаемых отсеках космических кораблей.

2.4. Лишайники

Лишайники – это симбиотические ассоциации микроскопических грибов и зеленых микроводорослей и/или цианобактерий, образующие слоевища (талломы) определенной структуры. Они выделяют кислоты и тем самым вносят существенный вклад в процессы почвообразования. Лишайники можно отнести к пионерам, т. е. к первым организмам, заселяющим субстрат в процессе первичной сукцессии.

Преимуществом лишайников является устойчивость к экстремальным условиям (засухе, морозам, высоким температурам, ультрафиолетовому излучению). В то же время они проявляют повышенную чувствительность к загрязнению окружающей среды и могут служить индикаторами ее состояния.

Строение лишайников. Лишайники представляют собой симбиотическую ассоциацию фотосинтезирующего организма, или фотобионта (водоросли или цианобактерии), и гриба (микобионта). Водоросли и цианобактерии питаются автотрофно, но воду и ионы они берут от гриба. Как правило, грибной мицелий служит для водоросли защитной оболочкой, предохраняющей ее от высыхания. Сам гриб, неспособный синтезировать органические вещества, питается гетеротрофно ассимилятами партнера по симбиозу. Однако оба партнера могут существовать и как самостоятельные организмы.

По внутреннему строению лишайники подразделяют на:

• гомеомерные, когда клетки водоросли (фотобионта) распределены хаотично среди гиф гриба по всей толщине таллома;
• гетеромерные, когда таллом на поперечном срезе можно четко разделить на слои.

Большинство лишайников имеет гетеромерный таллом. В гетеромерном талломе верхний слой – корковый, сложенный гифами гриба. Он защищает таллом от высыхания и механических воздействий. Следующий от поверхности слой – гонидиальный. В нем располагается фотобионт. В центре имеется сердцевина, состоящая из беспорядочно переплетенных гиф гриба. В ней в основном запасается влага. Сердцевина выполняет также роль скелета. У нижней поверхности таллома часто находится нижняя кора, с помощью выростов которой (ризин) лишайник прикрепляется к субстрату.

В образовании лишайников участвует около 20 % из известных видов грибов (из них аскомицены – около 98 %, дейтеромицеты – около 1,6 %, базидиомицеты – около 0,4 %). Из водорослей в лишайниках наиболее распространена Trebuxia. Из цианобактерий часто встречаются Nostoc9 Calotrix. Цианобактерии как симбионты лишайников способны осуществлять фотосинтез и фиксацию атмосферного азота.

По строению тела (таллома, или слоевища) лишайники бывают накипными (корковыми), листоватыми и кустистыми. Они распространены по всему земному шару – от тропиков до приполярных областей. Хорошо известны такие лишайники, как исландский мох (Cetraria islandica) и виды Usneat свешивающиеся с деревьев наподобие бороды и очень похожие внешне на цветковые эпифитные растения рода Tillandsia.

Размножение. Большинство лишайников способно регенерировать даже из мелких фрагментов слоевища, содержащих и фотобионт, и микобионт. У многих групп лишайников по краям или на верхней поверхности слоевища образуются особые выросты – изидии, которые легко отламываются и дают начало новому слоевищу. В других случаях клетка фотобионта в сердцевине лишайника окружается несколькими слоями гиф, превращаясь в крошечную гранулу, называемую соредией. Каждая соредия способна прорасти в новое слоевище. Хотя бесполое размножение лишайников достаточно эффективно, у грибов, образующих лишайники, широко распространен и половой процесс.

Значение лишайников. Лишайники настолько выносливы, что растут даже там, где отсутствует другая растительность, например в Арктике и Антарктике. Они первыми заселяют безжизненные субстраты, в частности камни, и начинают почвообразовательный процесс, необходимый для освоения этой среды растениями.

Ряд лишайников служит важным кормом для животных (например, ягель, или олений мох (Cladonia rangiferina), – корм северных оленей). При нехватке другой пищи его едят иногда и люди. Определенные виды лишайников считаются в Китае и Японии деликатесами.

Из лишайников можно получать красители, в частности лакмус, экстрагируемый из видов рода Roccella. Лакмус до сих пор широко применяют в химических лабораториях для быстрого и простого определения реакции среды: в кислой среде он краснеет, а в щелочной синеет. Другие лишайниковые красители в свое время использовали для окраски шерсти.

Лишайники очень чувствительны к загрязнителям воздуха, особенно к диоксиду серы (сернистому газу). При этом степень чувствительности варьирует у разных видов, поэтому их используют в качестве биоиндикаторов степени загрязнения окружающей среды.

Находят применение лишайники и в народной медицине, а выделяемые из них лишайниковые кислоты (усниновая кислота и др.) используют в качестве компонента лекарственных средств от ряда заболеваний, например кожных.

Из некоторых лишайников (дубовый мох Evernia prunastri и др.) получают душистые вещества, применяемые в парфюмерии.

2.5. Грибы

Грибы представляют собой обширную группу организмов, включающую около 100 тыс. видов. Это гетеротрофные организмы, лишенные хлорофилла. Минеральные вещества гриб способен усваивать из окружающей среды, однако органические вещества он должен получать в готовом виде.

По способу питания грибы подразделяют на симбионты, сапрофиты, паразиты. Симбионты вступают во взаимовыгодные отношения с растениями в форме микоризы. При этом гриб получает от растений необходимые ему органические соединения (углеводы и аминокислоты), в свою очередь снабжая растения неорганическими веществами и водой.

Строение грибов. Вегетативное тело большинства грибов – мицелий – представляет собой переплетение тонких ветвящихся нитей (гиф). Мицелий бывает неклеточный (лишен перегородок), представляющий собой как бы одну гигантскую клетку с множеством ядер, и клеточный, разделенный на клетки, содержащие одно или много ядер.

Клеточная стенка грибов содержит до 80-90 % полисахаридов, связанных с белками и липидами. Скелетные ее компоненты состоят из хитина или целлюлозы. Запасные продукты клеток грибов – гликоген, волютин, масло.

Размножение грибов. Грибы размножаются несколькими способами. Бесполое размножение может быть вегетативным и собственно бесполым. Под вегетативным размножением подразумевают почкование гиф или отдельных клеток (например, у дрожжей). Образующиеся почки постепенно отделяются, растут и со временем сами начинают почковаться. Собственно бесполое размножение осуществляется посредством спор и конидий, которые обычно образуются на специальных ветвях мицелия.

В зависимости от способа образования, различают эндогенные и экзогенные споры. Эндогенные споры характерны для бесполого размножения низших грибов. Они образуются внутри особых клеток, называемых спорангиями. Экзогенные споры обычно называют конидиями. Они имеются у высших и у некоторых низших грибов. Конидии образуются на вершинах или сбоку специальных гиф – конидиеносцев, ориентированных вертикально. Конидии покрыты плотной оболочкой, поэтому устойчивы, но неподвижны.

При половом размножении для низших грибов свойственно слияние гаплоидных клеток путем изогамии, гетерогамии и оогамии с образованием зиготы, которая покрывается толстой оболочкой, некоторое время проводит в состоянии покоя, после чего прорастает. В случае оогамии развиваются половые органы – оогонии (женские) и антеридии (мужские).

Классификация грибов. Классификация основных отделов царства грибов основана на способе их размножения.

Зигомицеты (Zygomycota)

Это грибы с неклеточным мицелием или с небольшим количеством перегородок; у наиболее примитивных – в виде голого комочка протоплазмы – амебоида или в виде одной клетки с ризоидами.

Основные представители: мукор, ризопус.

Аскомицеты, или сумчатые грибы (Ascomycota)

Это грибы с многоклеточным гаплоидным мицелием, на котором развиваются конидии. Характерно образование сумок с аскоспорами – основными органами размножения. Аскомицеты представляют собой одну из самых многочисленных групп грибов, которая насчитывает более 32 тыс. видов (примерно 30 % всех известных науке видов грибов). Их отличает огромное разнообразие – от микроскопических почкующихся форм до обладающих очень крупными плодовыми телами грибов.

Основные представители: хлебные дрожжи, пеницилл, аспергилл, спорынья, пецица, сморчок.

Базидиомицеты (Basidiomycota)

Это грибы с многоклеточным (как правило, дикариотическим) мицелием. Для них характерно образование базидий, несущих базидиоспоры. Группа включает подавляющее большинство грибов, употребляемых человеком в пищу, а также ядовитые грибы и многие грибы – паразиты культурных и диких растений. Всего насчитывается свыше 30 тыс. видов базидиальных грибов.

Основные представители: белый гриб, шампиньон, мухомор и т. д.

Аско- и базидиомицеты часто объединяют в группу высших грибов.

Дейтеромицеты, или несовершенные грибы (Deuteromycota)

В эту гетерогенную группу объединены все грибы с членистыми гифами, но с неизвестным до настоящего времени половым процессом. Насчитывается около 30 тыс. видов несовершенных грибов.

Значение грибов. Съедобные грибы (белые, сыроежки, грузди и др.) употребляют в пищу, но только после обработки. Наиболее ценный гриб – французский черный трюфель, для него характерен привкус прожаренных семечек или грецких орехов. Этот гриб является деликатесом. Он растет в дубовых и буковых рощах, главным образом в Южной Франции и Северной Италии.

Искусственное выращивание съедобных грибов способно внести существенный вклад в дело обеспечения продовольствием все увеличивающегося населения земного шара. Необходимо сделать съедобные грибы такой же управляемой сельскохозяйственной культурой, как зерновые злаки, овощи, фрукты. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы.

В пищевой промышленности различные дрожжевые культуры применяют в хлебопечении, для приготовления уксуса и спиртных напитков (вина, водки, пива, кумыса, кефира), а плесневые культуры – для изготовления сыров (рокфор, камамбер), соевого соуса (Aspergillus oryzae), а также некоторых вин (херес).

Иногда грибы используют как источник галлюциногенов.

Грибы и препараты из них широко применяют в медицине. Некоторые виды грибов продуцируют важные вещества, в том числе антибиотики – пенициллы, стрептомицеты. В списке официальных препаратов содержатся многочисленные препараты из грибов, например из чаги, спорыньи. В восточной медицине используют цельные грибы – рейши (ганодерма), шиитаке и др.

Многие грибы способны к взаимодействию с другими организмами посредством своих метаболитов или прямо инфицируя их. Применение сельскохозяйственных пестицид ных препаратов из некоторых грибов рассматривается как возможность управления размерами популяций вредителей сельского хозяйства, таких, как насекомые, нематоды.

В качестве биопестицидов (препарат боверин) используют, например, энтомопатогенные грибы. Мухомор издавна применялся как инсектицид.

Разнообразны и биотехнологические функции грибов. Их используют для получения таких продуктов, как:

• лимонная кислота (аспергиллус);
• гиббереллины и цитокинины (физариум и ботритис);
• каротиноиды (ястаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок, вырабатывают грибы Rhaffia rhodoziта);
• белок (Candida, Saccharomyces Iipolitica);
• Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков.

Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т. д.).

Грибы принимают участие в образовании симбиотической микоризы с корнями высших растений. Гриб получает от дерева органические соединения, а сам делает воду и минеральные вещества доступными для поглощения и всасывания растением. Кроме того, гриб обеспечивает дерево большей поверхностью всасывания.

Однако некоторые грибы оказывают и отрицательное воздействие. Так, отдельные представители плесневых грибов существенно снижают урожай сельскохозяйственных культур. Грибы-древоразрушители вызывают быструю деструкцию деревьев и древесных материалов, поэтому рассматриваются как патогенные. Известно большое количество разнообразных патогенных грибов, вызывающих заболевания растений, животных и человека.

2.6. Водные растения

Водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, поскольку растет в тесном симбиозе с синезеленой водорослью анабена. Необычность симбиоза состоит в том, что на корнях азоллы не образуется привычных клубеньков или иных выростов. Цианобактерии занимают полость на нижней стороне листочка папоротника, недалеко от его основания. По мере роста листа и размножения цианобактерий полость заполняется, а входное отверстие зарастает. Это позволяет симбиотическому организму анабена-азолла накапливать много азота в вегетативной массе. Для повышения урожая риса азоллу переносят на поля, уже залитые водой и засаженные молодыми растеньицами риса. Поверхность воды быстро зарастает азоллой, которая через некоторое время, с наступлением жаркого периода, отмирает, образуя большую массу органического удобрения. Распад биомассы папоротника после его отмирания происходит за неделю, а через месяц освободившиеся соединения азота становятся доступными растениям. В результате урожайность риса возрастает на 20 %. Одновременно это позволяет снижать количество вносимых минеральных удобрений.

Представители семейства Рясковых (Lemnaceae) – свободноживущие водные плавающие цветковые растения, самые мелкие и простые по строению: их величина редко превышает 1 см. Вегетативное тело рясковых напоминает лист.

Рясковые (Lemna minor, L. trisuica, Wolfiat Spirodela polyrhiza) служат кормом для животных, для уток и других водоплавающих птиц, для рыб и ондатры. Их применяют и в свежем, и в сухом виде как ценный белковый корм для свиней и домашней птицы. Рясковые содержат много протеина (до 45 % от сухой массы), углеводов (45 %), жиров (5 %), остальное – клетчатка и т. д. Они высокопродуктивны, неприхотливы в культуре, хорошо очищают воду и обогащают ее кислородом. Это делает рясковых ценным объектом для морфогенетических, физиологических и биохимических исследований.

2.7. Высшие растения in vivo и in vitro

Мир растений определяет благополучие человечества. Известно, что 1,9 млрд т (99 %) употребляемого сухого вещества человечество получает из растений. Их широко используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, при производстве тканей, бумаги, выработке энергии. Особый интерес представляет получение из растений различных химических соединений, биологически активных веществ (БАВ), из которых производят лекарственные препараты (фитопрепараты), химикаты для сельского хозяйства и пр.

Существенное повышение урожайности сельскохозяйственных культур в XX в. достигнуто за счет химизации, механизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к загрязнению окружающей среды, истощению энергетических ресурсов, возрастанию затрат на единицу продукции. Приходится констатировать также, что повышение урожайности сельскохозяйственных культур данными методами в большинстве случаев достигло своего предела. Поэтому необходимо вести поиск новых подходов.

Наиболее перспективным в этом смысле является применение клеточной инженерии (клеточной и тканевой биотехнологии). Клеточная инженерия основана на использовании принципиально нового метода – метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стерильных условиях получило название метода культуры изолированных тканей.

Многочисленные факты и специально поставленные эксперименты показывают, что в процессе индивидуального развития и специализации растительных клеток генетическая информация в них не уменьшается. Все гены, как правило, сохраняются, и при соответствующих благоприятных условиях из каждой соматической клетки растения может развиться целый организм. Это явление называется тотипотентностью. В тотипотентности заключается отличие клеток растений от клеток высших животных, для которых способность восстанавливать целый организм невозможна.

Все паренхимные клетки растения, в каких бы тканях они ни находились, содержат полный набор генов, такой же, какой имела зигота. Но в каждой ткани действует только часть генов, связанная с дифференциацией данного типа клеток. Одни гены функционируют во всех клетках организма (например, гены, контролирующие дыхание, проницаемость мембран, синтез АТФ), другие – только в определенных. Каждая специализированная клетка характеризуется своим набором активных генов. Чем более специализированы клетки, тем меньше в них активных генов. Разные гены работают не только в различных клетках, но и в разное время, на разных стадиях развития особи. В однотипных клетках одной и той же ткани на разных стадиях развития организма непрерывно меняется набор активных генов. Одни гены включаются, синтезируя иРНК определенных белков, другие выключаются из этой работы.

Образование в процессе развития из однородных клеток зародыша разнообразных по морфологическим признакам и функциям типов клеток, тканей и органов называется дифференциацией. В основе дифференциации тканей лежат различия в активности генов. Центральная проблема онтогенетики – анализ действия гена при формировании признака и установление промежуточных звеньев в цепи «ген – признак».

В специализированных клетках работает ограниченная группа генов, тогда как большая часть их репрессирована. Но ДНК и гены во всех растительных клетках одинаковы, поэтому их активность должна определяться какими-то другими механизмами, включение которых не связано с действием генов. Такими механизмами активации генов являются различия в структуре цитоплазмы, тканевая индукция и гормоны. Яйцеклетка созревает под контролем генов, определяющих разнокачественность частей цитоплазмы, что приводит к неравноценности продуктов первых делений, а при дальнейшем размножении клеток – к тканевой дифференциации. Затем в процесс вступает эмбриональная индукция: воздействие одних тканей зародыша на другие. Это воздействие выражается в активации новых генов. Предполагают, что клетки ранее образующейся ткани выделяют вещества, способные активировать работу генов, необходимых для дифференциации другой ткани, т. е. происходит тканевая индукция.

Гормональная регуляция – наиболее хорошо изученный механизм активации генов. Гормоны могут воздействовать на гены непосредственно или вызывать появление в цитоплазме каких-то специфических веществ, воздействующих затем на них. Проникая в клетку, гормоны воздействуют на комплекс «гистоны – ДНК» и активируют отдельные локусы.

Особую роль в дифференциации тканей играют гомеобоксовые гены, группы которых содержат одинаковые элементы – гомеобоксы. Они служат адресом для гормональных веществ-регуляторов, определяя одновременную активацию или репрессию целого семейства генов. У растений гомеобоксовые гены были открыты в 1980-х гг. Показано, что они контролируют порядок возникновения и специализации метамеров.

Таким образом, растительная клетка – это весьма сложное образование, которое включает в себя различные микроскопические и субмикроскопические структуры, отличающиеся высокой динамичностью, способностью закономерно изменяться под влиянием условий существования.

Растения являются продуцентами многих БАВ – соединений, способных оказывать влияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каротиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.

Биологически активные вещества принадлежат к продуктам вторичного обмена, которые называют вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 тыс. вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них используются в фармакологической, косметической, пищевой промышленности и считаются экономически важными продуктами.

Лекарственные растения все еще вносят значительный вклад в фармацевтическую промышленность, составляя около 25 % важнейших лекарственных средств.

К лекарственным препаратам примыкают наркотики и стимулирующие вещества. Наркотики являются промежуточным звеном между ядами и лекарственными препаратами. В небольших количествах они часто служат эффективными лекарствами (например, морфий). При высоких концентрациях или при постоянном применении наркотики могут стать причиной пагубного влечения (наркомании) или смерти. Наркотики составляют основную группу запрещенных натуральных продуктов. Наиболее известны марихуана (или гашиш) – выделяют из Cannabis, опиум и героин – из Papaver somniferum, кокаин – из Erythroxylon. Табак тоже принадлежит к этой группе, поскольку содержит никотин.

Стимуляторы представляет собой вещества, отличные от наркотиков, и в целом они не вредны. Чаще всего применяют в виде напитков кофеин и связанный с ним теобромин. Кофеин найден во многих растениях, из которых наиболее известны Camellia sinensis (чай) и Coffea arabica (кофе).

Яды, вероятно, крайнее лекарственное средство. Нейротоксические яды растений все еще используют охотники в Африке и Южной Америке, например яд кураре. Многие растительные яды обладают сильным нейротоксическим действием, например рицин из клещевины обыкновенной.

Помимо открытия регуляторов роста растений, наиболее выдающимся событием стало открытие пиретринов. Пиретрины, выделяемые из цветков Chrysanthemum cinerariacfolium, являются мощными инсектицидами (уничтожающие насекомых). С природными пиретринами конкурируют синтетические, однако при применении последних появляется устойчивость к ним у насекомых, а также возникает кумулятивная токсичность.

«Тонкие химикаты» – под этим общим названием объединены вещества, применяемые в качестве добавок при изготовлении духов, а также вкусовые ароматические вещества и красители пищевых продуктов. К «тонким химикатам» относятся и очень дорогие, выпускаемые в небольших количествах вещества, и дешевые препараты, производимые десятками тысяч тонн. Например, в США 1 кг жасминовой эссенции стоит 6 тыс. долларов и производится она в количестве лишь 20-30 кг в год, а 1 кг масла какао (основного компонента шоколада) стоит 4 доллара, и производится оно в объеме 20 тыс. т в год.

«Тонкие химикаты» варьируют от простых соединений типа хинина до сложных смесей типа эфирных масел. Последние представляют собой типичные монотерпены, часто летучие соединения, составляющие основу производства ароматических соединений для отраслей, создающих ценные и дорогостоящие продукты.

Следует отметить все возрастающее внимание к миру растений как источнику химических соединений. Разработка нового синтетического лекарственного препарата обходится примерно в 100 млн долларов и занимает 10 лет, поэтому нетрудно понять возобновляющийся интерес к растениям как «фабрикам» для их синтеза.

2.8. Животные in vivo и in vitro

В биотехнологии в качестве объектов при проведении фундаментальных научных исследований, а также в практических целях (терапия, фармакология, пищевая промышленность) используют животные организмы, а также культуры клеток животных, изолированные ткани и органы.

Культуры клеток животных служат главным образом для научных исследований. Так, культура клеток человека является объектом медико-биологических исследований при изучении клеточных, молекулярных, биохимических аспектов патогенеза целого ряда болезней, в том числе и наследственных; ее используют при исследовании возможностей применения и влияния лекарственных препаратов, БАВ, консервантов, косметических препаратов на морфологические и биохимические изменения в клетках. Для подобных исследований чаще всего применяют культуру фибробластов. Это связано с тем, что в 1978 г. А. Гринберг доказал адекватность результатов, полученных на культуре фибробластов, результатам, полученным на клетках целого организма. Кроме того, фибробласты служат главным клеточным элементом соединительной ткани, которая составляет значительную часть массы тела человека или животного.

Процессы клеточной дифференцировки и регуляции активности генов изучают в основном на культуре клеток беспозвоночных, так как они характеризуются большим разнообразием роста и метаморфозов. Эту же культуру применяют при выращивании вирусов в живых клетках насекомых для получения энтомопатогенных препаратов. В культурах клеток выращивают вирусы для их идентификации или для получения вакцин.

Клетки животных можно использовать для получения трансгенных особей, клонирования хозяйственно важных пород животных, гибридизации соматических клеток с целью получения химерных организмов.

В последнее время большое внимание уделяется эмбриональным стволовым клеткам. Это клетки, выделенные из эмбрионов на стадии бластоцисты, сохраняющие способность делиться в культуре in vitro, обладающие свойством плюрипотентности, т. е. способностью к дифференцировке в любые типы клеток животных.

На органных культурах изучают закономерности развития органов, способы сохранения их жизнеспособности перед трансплантацией. Целые организмы (трансгенные мыши) используют для моделирования ряда болезней человека и выявления механизмов их возникновения и протекания.

Практическое применение изолированных клеток, тканей, органов, целых животных организмов также весьма разнообразно. Клетки животных и человека служат в качестве продуцентов каких-либо веществ, например противовирусного препарата интерферона. Созданы перевиваемые культуры клеток животных, которые продуцируют моноклональные антитела, применяемые для диагностики заболеваний. Некоторые клетки животных и человека в культуре могут синтезировать биологически активные вещества: клетки гипофиза служат источником соматотропина (гормона – регулятора роста), липотропина (гормона – стимулятора расщепления жиров). В промышленности широко используют иммобилизованные ферменты, ферментативные комплексы и клетки животных. На клетках и тканях изучают влияние низких температур на сохранение жизнеспособности клеток, а также разрабатывают методы криоконсервации для расширения разнообразия клеток и тканей, которые можно сохранять в замороженном состоянии. В медицине культуру клеток кожи применяют для заместительной терапии при ожогах, а культуру клеток эндотелия – для реконструкции стенок сосудов. В практических целях в качестве естественных биореакторов лекарственных препаратов или пищевых белков предполагается использовать крупный рогатый скот, овец, свиней; однако в настоящее время введение генов, отвечающих за синтез необходимых соединений, сопровождается у трансгенных животных появлением тяжелых заболеваний и других негативных эффектов.