Естественнонаучные основы современных технологий

Понятие техники и технологии. Техника как умение создавать и применять искусственные орудия труда существует с тех пор, как существуют люди. Еще в древней Греции использовалось понятие «технэ», которое обозначало мастерство, искусство как умение нечто сформировать, создать из естественного материала, преобразовать природное в человеческое. Техника в отличие от природы не является естественным образованием, она создается искусственно. Произведенный человеком предмет, процесс называется артефактом (в переводе с лат. – искусственно сделанный). Техника есть совокупность артефактов. Фундаментальное свойство техники – это принцип преобразования. Иными словами, техника есть то, при помощи чего человек преобразует природу, самого себя, общество. Понятие «технология» выражает способ, алгоритм преобразования, то, как именно он воздействует на объекты. Технологией называется совокупность операций по целенаправленному использованию техники. Эффективное использование техники требует ее включения в технологические цепи. Технология выступает как развитие техники, достижение ею стадии системности. Технологический этап в истории технического прогресса связан с возникновением индустриальной цивилизации, с комплексной автоматизацией и превращением техники в технологию.

В развитии техники и технологий материализуются и опредмечиваются естественнонаучные знания о законах и явлениях природы. В своем техническом творчестве человек-изобретатель не просто копирует природу, а именно изобретает, то есть создает такие артефакты, которые не имеют аналогов в природе, начиная с колеса и кончая лазером.

В истории техники и технологии выделяются следующие этапы развития:

• техника ручного труда (инструменты);

• техника машинного производства (механизмы);

• техника автоматизированного труда (автоматы);

• техника компьютерная (робототехника), связанная с информационными технологиями.

Первоначально, на этапе ручного труда, техника имела в основном инструментальное значение: технические инструменты продолжали, расширяли возможности естественных органов человека, увеличивали его физическую мощь. На этапе машинизации техника становится самостоятельной силой, труд механизируется. Техника как бы отделяется от человека, который ее обслуживает и сам человек превращается в придаток машины, он дополняет ее возможности. На третьем этапе развития техники, в результате комплексного развития автоматизации и превращения техники в технологию, человек выступает ее организатором, творцом и контролером. Здесь на первый план выходят уже не физические возможности человека, а сила его интеллекта, реализуемая посредством технологии. Происходит объединение науки и технологии, следствием которого является научно-технологический прогресс, называемый часто научно-технологической революцией. Имеется в виду кардинальная перестройка всего технико-технологического базиса общества. Причем разрыв во времени между следующими друг за другом технико-технологическими перестройками становится все меньше. Более того, идет параллельное развитие различных сторон научно-технологического прогресса. Если «революцию пара» от «революции электричества» отделяли сотни лет, то современные микроэлектроника, робототехника, информатика, энергетика, приборостроение, биотехнология в своем развитии дополняют друг друга, между ними вообще перестает существовать временной интервал. Подобное развитие техники стало возможным на основе научных достижений современного естествознания. Они открыли возможности, немыслимые в рамках прежней технической мысли, радикально изменили всю техническую сторону человеческой культуры.

Научно-технический прогресс как единое, взаимообусловленное, поступательное развитие науки и техники, производства и сферы потребления берет свое начало в эпохе Нового времени, когда дороги науки и техники стали перекрещиваться. До этого технический прогресс основывался на эмпирическом знании и опыте людей. Промышленная революция ХVIII века и возникновение машинного производства стали реализацией европейского научного естествознания Нового времени. Они открыли новые, практически неограниченные возможности для технологического применения науки. С тех пор технологический прогресс во все большей степени определяется прогрессом естественных и технических наук. Наука и техника взаимно стимулируют развитие друг друга. Возникают специальные звенья научно-исследовательской деятельности, призванные доводить теоретические решения до технического воплощения: прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки, производственные исследования.

Современный этап научно-технического прогресса связан с научно-технической революцией. Под ее воздействием расширяется фронт научных дисциплин, ориентирующихся на развитие техники. В решении технических задач участвуют физики, химики, биологи, физиологи, психологи, лингвисты, логики, математики и др. Целые отрасли производства и новые типы технологий возникают вслед за новыми научными направлениями и открытиями: радиоэлектроника, атомная энергетика, химия синтетических материалов, производство ЭВМ, лазерные технологии и т.д.

Сегодня влияние техники и новых технологий распространяется на органическую и неорганическую природу, на самые различные сферы общественной жизни. В области неорганической материи это строительная техника, физико-химическая техника и технологии, энергетическая техника, электротехника, теплотехника, компьютерные и информационные технологии и т.д. В области органической, живой природы это техника и технологии сельского хозяйства, а также биотехнологии, позволяющие включать в предметное поле техники всю биологию. В последнее время особое внимание уделяется развитию современных социальных технологий, которые связаны с техникой как умением, искусством руководства людьми, государством, общественными отношениями, политическими процессами и т.п. В то же время существует «техника» мышления, речи, дискутирования, памяти («мнемотехника»), техника рисунка, живописи, вязания, игры на музыкальных инструментах и т.д.

Поэтому в современном понимании техника и технология в широком их смысле представляют собой:

• область знания, выступающего в качестве связующего звена между практической деятельностью и теоретическим знанием;

• область человеческой деятельности (включая все возможные средства и процедуры), направленной на изменение природы и общества в соответствии с потребностями человека;

• совокупность умений и навыков, составляющих профессиональные особенности того или иного вида человеческой деятельности; искусство и мастерство человека, занимающегося этой деятельностью.

Техника и технология выражают стремление человека к преобразованию внутреннего и внешнего мира, природы для осуществления своих целей. А это требует знания и понимания процессов, происходящих в мире, в природе.

В последнее время пристальное внимание уделяется разработке большого спектра наукоемких технологий: это биотехнологии, информационные технологии, лазерные и микроэлектронные и нанотехнологии, которым принадлежит революционизирующая роль на пути человечества от индустриальной (техногенной) цивилизации к постиндустриальной как антропогенной, информационно-компьютерной. Рассмотрим естественнонаучные основы современных технологий.

Микроэлектронные технологии. Микроэлектронные технологии оказали и будут оказывать огромное влияние на индустриальный мир и общество в целом. Наиболее широко известная продукция, изготавливаемая на основе микроэлектронной технологии – микропроцессор, представляющий собой устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Эта удивительно сложная и функционально интегрированная электрическая цепь построена на небольшой пластине, называемой чипом. Некоторые современные микропроцессоры, в том числе и отдельные чипы машинной памяти большой емкости, содержат миллионы транзисторов или других электронных компонентов, расположенных на кремниевой пластине площадью в несколько квадратных сантиметров.

Чипы изготавливаются из кремния высокой чистоты, в них целенаправленно имплантируют различные добавки для формирования элементов отдельных устройств, выполняющих вполне определенные функции: усиление, выпрямление или переключение сигналов, запоминание или воспроизведение информации. Решающую роль в изготовлении таких сложнейших систем играет тонкопленочная технология, будущее которой и дальнейший прогресс в микроэлектронике, а также ее трансформация в наноэлектронику возможны только с применением коротковолнового ультрафиолетового, рентгеновского излучения и даже электронных лучей, что, естественно, влечет за собой принципиальное техническое переоснащение сложного микроэлектронного технологического процесса.

Миниатюризация электронных устройств – характерная черта современной микроэлектроники. Миниатюрный размер электронного элемента современной схемы составляет около 1 мкм. Дальнейшее его уменьшение, как отмечалось, требует перехода к гораздо более сложной коротковолновой технологии. Возникает вопрос: нельзя ли найти другой путь решения данной проблемы? Один из таких путей предложен. Он основан на идее хранения и обработки информации с помощью отдельных молекул или молекулярных агрегатов, т.е. на идее создания молекулярного компьютера.

При трехмерной архитектуре применение молекулярных компонентов цепей с промежутком около 0,01 мкм обеспечило бы в миллионы раз большую плотность элементов, чем та, что реализуется в настоящее время. Такие цепи можно создать из разнообразных молекул – от полностью синтетических электропроводящих полимеров до природных белков. Молекулярный компьютер по своему устройству и функциям напоминает систему памяти, которой наделены многие живые существа. Создание молекулярного компьютера сегодня уже не кажется фантастической идеей в связи с возникновением нанотехнологий.

Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно внедряется биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК (сшивание нитями ДНК и т.д.). В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только полдела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как удачно могут сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.

Нанонаука, нанотехнология, наночастицы.^ В ХХI веке стратегическим направлением научно-технического прогресса становится нанотехнология, нанонаука и наночастицы. В этих понятиях приставка «нано- от греч. – карлик» выражает 1 миллиардную часть, 1нм=10-9. В центре внимания нового бурно развивающегося направления – наноразмерные объекты величиной от долей нанометра (НМ) до приблизительно 100 нм: индивидуальные частицы, пленки, трубки, стержни (т.е. двух- и трехмерные образования), а также нульмерные объекты (или квантовые точки), наноматериалы, нанокомпоненты и наноустройства.

Из нанообъектов состоят все природные материалы и системы, к ним относятся белки, ДНК, микроорганизмы, катализаторы и прочие объекты науки и практики. К нанотехнологиям могут быть отнесены такие методы получения материалов, как порошковая металлургия, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация и технология тонких пленочных покрытий. Нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств вещества в наномерном масштабе. Нанотехнологию определяют как способы работы с объектами, структура которых регулируется в наноразмерном масштабе и создание из них более крупных структур с принципиально новой молекулярной организацией и новыми физическими, химическими и биологическими свойчтвами. По сути это процесс конструирования, т.е. сознательное и специальное манипулирование атомами и молекулами, в результате которого создаются новые структуры с заданными свойствами. Элементами для создания наноструктур являются наночастицы. Они занимают промежуточное положение между молекулами и объектами микронных размеров, и содержат число атомов, поддающееся счету. Наноструктуры считают особым состоянием вещества. Наночастицы проявляют весьма своеобразные квантовые особенности поведения и их характеристики описываются преимущественно законами квантовой физики.

Современные биотехнологии. Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На базе биотехнологии освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развиваются микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.д. Представляет практический интерес синтез других биологически активных веществ – гормональных препаратов и соединений, стимулирующих иммунитет – с применением современных методов генной инженерии и естественных биологических материалов.

Для увеличения продуктов питания весьма важны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии, в настоящее время производится в промышленных масштабах целая гамма искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.

Современные методы биотехнологии позволяют превратить огромные количества отходов древесины, соломы и других остатков растительных продуктов в ценные питательные белки. Такие методы включают процесс гидролизации промежуточного продукта – целлюлозы – с последующей нейтрализацией образующейся глюкозы и введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. Для получения пищевых дрожжей в бывшем СССР в 1980 году было переработано около 3 миллионов тонн древесных отходов.

Определенные виды грибков могут превращать нефть, мазут, природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Из 100 т неочищенного мазута с помощью грибков можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Такое же количество дрожжей может быть получено из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м. кв. природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 1000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель.

Искусственные белковые питательные вещества – продукция бурно развивающейся микробиологической промышленности. Эпохальным событием микробиологии можно считать разработку в 1947 году промышленного производства пенициллина. Двумя годами позже в Японии на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза были впервые получены аминокислоты. Затем стали производиться антибиотики, витаминно-белковые добавки к продуктам питания, препараты ферментов, ростовые вещества (например, гибберелин), бактериологические удобрения, средства защиты растений. К сожалению, стало возможным производство бактериологического оружия.

Биологам удалось расшифровать механизм рекомбинации ДНК в ходе синтеза ферментов, тем самым биотехнологи получили возможность производить многие ферменты при сравнительно их невысокой себестоимости. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе. К примеру, кукурузный, пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу, и далее в более сладкую продукцию – фруктозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (метан, ацетон, уксусную кислоту, молочную и акриловую кислоты и т.д.). Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного производства.

Генные технологии основываются на методах молекулярной биологии и генетики, и связаны с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии, часто называемые генной инженерией, родились в начале 70-х годов ХХ столетия под названием технологии рекомбининантных ДНК. (Рекомбинация- от ре и лат. сombnatio – соединение).

Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. На начальной стадии развития генных технологий получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства. Основная цель генных технологий – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которую введена нужная ДНК. С их помощью целенаправленно осуществляются химические операции над биологическими объектами, что и составляет основу генных технологий. Генные технологии привели к разработке мощных методов анализа генов геномов, а они, в свою очередь, к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.

Многие вакцины, защищающие от вирусных инфекций, часто выделяют из природных источников. Действие вакцин сводится к стимулированию выработки организмом антител в качестве ответной реакции на вирусы, что повышает сопротивляемость организма данной вирусной инфекции. Введение при вакцинации активного вируса, вызывающего заболевание, сопряжено с определенным риском. Более безопасные вакцины можно создать с применением генной инженерии, позволяющей получить ДНК, кодирующий белок поверхностного слоя вируса. В таком случае иммунитет достигается введением белковой оболочки вируса, что исключает случайное заражение организма.

Химически приготовленные последовательности ДНК можно использовать для выявления генетических дефектов, свидетельствующих о предрасположенности организма к тому или иному заболеванию. Можно надеяться, что генетические болезни будут излечиваться путем замещения дефектных генов или введения генов, полученных методами генной инженерии. Следует ожидать, что технология рекомбинантных ДНК поможет выяснить природу регуляции генов в клетке.

Природные молекулы обладают биологической активностью и, следовательно, представляют интерес для медицины. Однако из-за сравнительно высокой стоимости или нежелательных побочных действий их не всегда можно применять для приготовления фармацевтических препаратов. Поэтому часто используют химически сходные молекулы или фрагменты природного вещества. Генная инженерия может помочь производить лекарственные препараты модифицированной формы для повышения их биологической активности. Например, модифицированный инсулиновый белок, производимый бактериями E.coli, позволил получить новый биологически активный гормон.

На базе современной биотехнологии синтезируются фармацевтические препараты, блокирующие биологическую активность той или иной природной биомолекулы. К настоящему времени разработаны биотехнологические приемы приготовления биомолекул для тестирования химически синтезированных соединений с целью разработки новых эффективных фармацевтических препаратов.

В современной медицине большое внимание уделяется разработке безопасных и эффективных методов введения лекарственных препаратов, а также созданию специальных устройств для замены оказавшихся неработоспособными органов. Проведение таких работ требует объединения усилий специалистов разной профессиональной ориентации: врачей, инженеров, биохимиков, физиков и др. Уже производятся и успешно внедряются электрокардиостимуляторы, клапаны сердца, искусственные сухожилия, сердечно-легочные и почечные диализаторы, искусственное сердце и др.

Разработка кровезаменителей привела к открытию перспективных соединений, таких, как фторуглеродные химические эмульсии и компоненты сыворотки, например альбумин. Синтезированные тонкие мембраны, используемые в качестве искусственной кожи, и культуры клеток эпителия обещают серьезные успехи в лечении ожогов. Разрабатываются материалы для имплантации зубов и замены костей. Миниатюрные насосы, вживляемые в ткани человека, страдающего диабетом, делают лечение инсулином регулярным и управляемым, что, естественно, снижает угрозу летального исхода. В более отдаленном будущем модифицированные с помощью генной инженерии клетки будут имплантироваться непосредственно в организм и лечить таким образом генетические болезни.

Технология пересадки здоровых генов пациенту, нуждающемуся в исправлении генных дефектов, разработана и применяется на практике. Она реализуется с помощью безвредных вирусов. Однако есть вероятность, что вирусы могут вызвать нежелательные реакции иммунной системы или разрушить гены, предохраняющие организм от раковых заболеваний. Проведенные несколько лет назад эксперименты показали, что клетка может принять искусственную хромосому. Полученный результат эксперимента поможет понять механизм работы хромосомы и разработать безопасные способы пересадки нормальных молекул ДНК пациентам с генетическими дефектами. Такая пересадка поможет лечить наследственные заболевания без побочных эффектов.

Геном человека. В современном естествознании третьего тысячелетия нет, наверное, проблемы более захватывающей, трудоемкой и значительной, чем познание генома человека – всей совокупности его генов.

Многие десятилетия молекула ДНК была предметом изучения химиков и биохимиков, которых интересовал ее химический состав и строение, и физиков, изучавших ее форму и трехмерную структуру. Никто не пытался расшифровать последовательность в ДНК четырех ее «кирпичиков» – нуклеотидов, т.е. понять самое главное в ее структуре.

С рождением в 70-е годы нашего столетия генной инженерии появилась интересная мысль: а нельзя ли с помощью новых методов решить задачу, которая ранее казалась совершенно фантастической, – расшифровать строение всего генома человека, т.е. получить в доступной форме информацию о всей совокупности генов человека, число которых, по разным оценкам, составляет от 50 до 100 тыс., а кроме генов существуют и межгенные участки. Весь геном человека – это более трех миллиардов нуклеотидных пар, что, конечно, очень-очень много, но ведь и прогресс в данной области стремителен. Еще 15 лет назад расшифровка тысячи пар нуклеотидов считалась большим достижением, и такие результаты печатали самые престижные биологические журналы. Сейчас скорость расшифровки достигла многих миллионов нуклеотидных пар в месяц. Темпы расшифровки структуры генома оказались выше скорости осмысления накопленной информации.

Расшифровка генома человека – титаническая по объему и сложности задача – должна была стать международной. И вот в 1988 году по инициативе одного из первооткрывателей двойной спирали ДНК Дж. Уотсона создана международная организация «Геном человека», объединяющая специалистов многих ведущих стран: США, России, Франции, Японии и др.

Познание генома – вовсе не прихоть ученых, которым захотелось прочитать книгу жизни, расшифровать все, что записано в молекуле ДНК, этой своеобразной запоминающей ленте, скрученной в одной клетке и хранящей гигантское количество информации, записанной на молекулярном языке. Ныне медицина без знания генома часто оказывается беспомощной. Осознание этого и привело к возникновению в последние годы совершенно новой интересной области на границе между изучением генома человека и медициной. Эту область называют генотерапией. Уже из самого названия ясно, что речь идет о лечении генами. Подобно тому, как ангину можно лечить антибиотиками или сульфаниламидами, точно так же наследственные болезни станет возможно лечить с помощью генов.

Как это можно будет сделать? Совершенно ясно, что, если болезнь возникла в результате повреждения генов, то существуют только два способа: или вылечить эти гены, или ввести в клетки те же гены, но нормальные, неповрежденные, чтобы они могли выполнять работу поврежденных. Молекулярное «протезирование» приведет к восстановлению деятельности клетки. Значит, первая задача – узнать, какой ген заболел (для многих болезней уже решена), вторая задача – получить нормальный ген (тоже решена), и третья (самая сложная) – сделать так, чтобы вводимый ген оказался во всех больных клетках и смог там работать. Причем нужно не просто запустить его, но сделать так, чтобы ген был подвластен регулирующим системам клетки. Иначе не избежать беды – это будет взбесившийся ген, работающий бесконтрольно, не сообразуясь с запросами клетки в данном месте и в данное время. Мы знаем огромное количество регуляторных элементов, которые входят в состав генов и осуществляют эту задачу, и потому, можно полагать, налаживание регуляции введенных генов – задача решаемая, хотя и непростая. Она сложна, прежде всего, потому, что любой ген имеет несколько систем регуляции, и мы должны их знать и суметь пристроить к данному гену так, чтобы клетка могла им руководить.

Генотерапия уже вышла из лабораторий в клиники. К середине 1997 года, согласно официальным данным, около 2000 человек излечено с помощью генотералии: половина из них – в США, половина – в странах Европы. Речь идет пока в основном о моногенных болезнях (ясно, что их лечить проще). К сожалению, нельзя пока говорить о том, что достигнуто радикальное, пожизненное, а не временное излечение пациента. Почему – по очень простой причине: мы не знаем, будет ли введенный ген жить в этих клетках на протяжении всей их жизни или через некоторое время клетка инактивирует его либо вообще изгонит, и тогда болезнь вернется. К тому же мы не можем исключить вероятности того, что этот ген окажется более подвержен мутациям, и тогда через какое-то время лечение придется повторить.

Отдаленных последствий генотерапии пока не знает никто, поскольку самые первые пациенты, которые прошли генотерапию, появились всего несколько лет назад и неизвестно, что будет по прошествии 10–15 лет. Хотя мы не знаем всех возможных последствий, пока обреченных на смерть людей удалось спасти, и это, конечно, грандиозный успех.

Несомненно, наука еще далека от того, чтобы сделать гены лекарствами. Сейчас пока нельзя в аптеке купить ген, который спасет, например, ребенка от гемофилии. Однако для этого созданы теоретические и методические предпосылки. Есть люди, владеющие нужными методами; развернуты работы на молекулярном и клеточном уровнях, которые должны предшествовать испытанию лекарств в клинике, чтобы можно было гарантировать, что ни при каких условиях пациенту не будет нанесен вред. Это долгий и сложный путь, но геномная программа идет по нему.

С развитием генной инженерии появились не только ее активные сторонники, но и противники, действия которых направлены на возбуждение общественного мнения против внедрения генных технологий. В этой связи в 1996 году Федерация европейских микробиологических обществ (ФЕМО) опубликовала меморандум, цель которого – проинформировать общественность о пользе и потенциальной опасности широкомасштабного применения генной инженерии в микробиологии.

Разумеется, разработка разумных, адекватных и гибких правил безопасности генных технологий необходима. Весьма желательно, чтобы это крайне серьезное дело проходило в спокойной и доброжелательной общественной атмосфере, особенно когда на рынки уже поставляют хлеб, сыр и пиво, приготовленные с помощью трансгенных микробов, когда в продаже трансгенные помидоры и кукуруза и когда уже ведутся полевые испытания трансгенных почвенных микробов.

Для реализации замысла молекулярной биологии – проекта «Геном человека» – сегодня используют, к примеру, искусственные хромосомы пекарских дрожжей, способные нести присоединенные к ним фрагменты ДНК длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов. Коллекция дрожжевых клонов (каждый из которых несет какой-то фрагмент генома человека) – это именно то, что позволяет определять нуклеотидные последовательности данных фрагментов, располагать их в том порядке, в каком они идут друг за другом внутри хромосом человека, а затем состыковывать их в непрерывный генетический текст. Прочтение и анализ такого текста приведет к пониманию механизмов различных болезней и того, как эти болезни лучше лечить. Патогенные микробы способны к эволюции и адаптации. Они могут выживать и вредить, несмотря на новые методы борьбы с ними, например, стать устойчивыми к вакцинам и антибиотикам. В конце XX века мы наблюдаем приводящий экспертов в замешательство рост числа микробов, устойчивых к антибиотикам, а кроме того – возникновение новых возбудителей инфекций. Однако, несомненно, что именно генные технологии ускорят расшифровку молекулярных механизмов на уровне «микроб-хозяин», а это позволит разрабатывать все новые и новые вакцины.

Генные технологии развиваются в двух основных направлениях.

• Первое – улучшение уже существующих вакцин. Вакцины должны стать более эффективными, работать в меньших дозах и не давать побочных эффектов.

• Второе направление – генные технологии получения вакцин против болезней, при которых сам метод вакцинации еще не использовался (СПИД, малярия, язвенная болезнь желудка и др.).

Цель соматической генной терапии в следующем: дефектный ген заменяют на нормальный, донорский ген. Вектором, т.е. переносчиком, донорского гена служит генетически модифицированный микроорганизм или вирус. Он сконструирован так, что экспрессирует донорский ген в клетках пациента, но сам размножаться не способен, поэтому не может инфицировать других.

Работа, особенно на Западе, по генетическому улучшению свойств микробов, традиционно используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, идет весьма напряженная. Цели ее – увеличение устойчивости производственных штаммов, повышение их конкурентоспособности по отношению к вредным бактериям и улучшение качества продукта (аромата, питательной ценности, крепости и т.д.). Три новых трансгенных штамма уже получили «добро» на промышленное применение. Это пекарские дрожжи, эффективно ферментирующие мальтозу, два штамма пивных дрожжей, позволяющие получать пиво с низким содержанием углеводов и без декстринов.

Генетически модифицированные микробы могут принести большую пользу при взаимодействии с сельскохозяйственными растениями и животными, с их патогенными вирусами и микробами, с вредными насекомыми и почвой. Вот примеры. Можно модифицировать те или иные растения, сделать их более устойчивыми к инфекционным болезням, внеся в них гены, блокирующие развитие вирусных или грибковых заболеваний. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.

Но генная инженерия не ограничивается миром невидимых организмов. Она вторгается в наследственный материал растений и животных, прежде всего сельскохозяйственных. Например, картофель претерпел несколько полезных превращений. Получены клубни, не боящиеся падений, ударов (важные качества при транспортировке и хранении). Другой сорт – для стола, содержит мало крахмала, но много высокоценных протеинов. Третий сорт дает много крахмала.

Томаты, подвергнутые генетическим операциям, дали две разновидности. У одного вида из молекулы наследственности был удален ген, определяющий способность плода к быстрому загниванию. Новый помидор, уже хорошо созревший, можно хранить без холодильника до двадцати дней. Другая разновидность томатов содержит вдвое меньше воды. Это выгодно при транспортировке и переработке. С помощью генной инженерии получены не боящиеся заболеваний растения какао, стойкая к заморозкам клубника, кофейные зерна без кофеина. Пятьдесят сельскохозяйственных культур уже улучшены благодаря вмешательству человека в их наследственность. Достигнуты первые успехи и в животноводстве. Корректировка наследственности у свиньи позволила вывести новую породу животных, лишенных такого недостатка, как излишняя жирность (свинина становится диетическим мясом). Другое новшество: корова дает молоко, не скисающее в тот же или на следующий день, как обычно, потому что это молоко уже включает в себя консервирующие вещества, вырабатываемые самим организмом животного.

Лаборатории, занимающиеся генной инженерией, воодушевлены первыми удачами. Ученые уверены, что в недалеком времени они смогут передать сельскому хозяйству такое разнообразие растений и животных, улучшенных их методами, что можно будет удовлетворить все человечество продуктами питания. При этом речь идет не только о количестве, но и о качестве. Уже сегодняшние успехи генной инженерии убеждают, что люди в XXI в. не столкнутся с голодом. В конце 90-х годов ХХ столетия зашла речь о генетическом вмешательстве в структуры наследственной информации человека, его геном. Говорят не только о модификациях (изменениях) генома человека, но и о создании его точных копий (методы клонирования животных и человека).

Потенциальный риск. Одно из самых тревожных опасений – не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению покуда не известных эпидемиологам заболеваний? Эксперты ФЕМО констатируют, что широкомасштабная генная инженерия микроорганизмов, продолжающаяся вот уже более 20 лет, до сих пор не дала ни одного примера таких последствий. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее болезнетворны, чем их исходные формы.

Все известные на сегодняшний день инфекционные микроорганизмы представляют собой результат их длительной совместной со своими хозяевами эволюции. Микробы либо поражают хозяина, либо, мирно сожительствуя с ним, приносят ему (а тем самым и себе) определенную пользу. Хозяин в свою очередь приобретает более эффективную способность бороться с микробами либо на них просто не реагировать.

Важный вывод, который делают эксперты ФЕМО, звучит так: «В целом не похоже, чтобы перенесение нескольких генов из одного микроба в другой, имеющий иную эволюционную историю, привело к повышению патогенности – способности микроорганизмов вызывать инфекционное заболевание».

Биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Надо говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут, как безусловно положительное, важно отметить следующее: все виды работ с патогенами строго регламентированы, и цель такой регламентации – уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов.

Чтобы прогнозировать распространение трансгенных микробов в среде, надо знать, как и за счет чего существуют их немодифицированные предки. Но, в отличие от патогенных штаммов, экология почвенных микроорганизмов изучена не так хорошо. Действительно, о том, как почвенные микробы размножаются, распространяются и сохраняются в своих экологических нишах, известно мало. И узнать об этом трудно: почвенные штаммы не содержат генетических маркеров, т.е. легко распознаваемых признаков, удобных для отслеживания их судьбы. Кроме того, большинство природных штаммов в лабораторных условиях не размножаются.

За 20 лет широкого применения генных технологий еще не зарегистрировано ни одного случая, чтобы в окружающей среде произошло вредное или опасное распространение рекомбинантных организмов. Действительно, в природе все время идут процессы так называемого горизонтального генетического переноса. И если рекомбинантные штаммы попадут в почву или воду, их чужеродные гены смогут быть вовлечены в эти генетические потоки. Начнется процесс распространения чужеродных генов в мире микробов. Проконтролировать этот процесс практически невозможно. Поэтому эксперты ФЕМО рекомендуют: «Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект».

Генетически модифицированные микроорганизмы как биологическое оружие. Главный вопрос: может ли высокая эффективность генных технологий вдохновить потенциального агрессора на попытку создания и затем безнаказанного применения биологического сверхоружия?

Меморандум напоминает, что Конвенция 1974 года о биологической войне, ратифицированная большинством стран, направлена на предотвращение использования патогенов в качестве оружия. Тем не менее, ученым следует осознавать существование потенциальных опасностей, связанных с применением генных технологий в военных целях, и содействовать развитию международного контроля над биологическим оружием.

Уменьшение риска, связанного с генными технологиями. Совершенно ясно, что главное при разработке правил и законов, регулирующих применение генных технологий, – это создать рациональные концепции оценки риска. Первый шаг в этом направлении – установить, какие именно опасности могут возникнуть и как их избежать. Следующий шаг – оценить степень риска. Уменьшить риск можно, если определить категории опасности патогенов и использовать для работы с ними соответствующее защитное оборудование. По мере накопления конкретных знаний о конкретных опасностях оценки следует уточнять.

Есть документы, регламентирующие применение генных технологий. Это директивы, касающиеся правил безопасной работы в лабораториях и в промышленности, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. В большинстве европейских стран, как и положено, подобные директивы включены в свод национальных законов, а это, согласимся, уже немало.

Общий вывод меморандума ФЕМО таков: «При осмотрительном применении генных технологий польза от них сильно перевесит риск отрицательных последствий; технологии конструирования рекомбинантных ДНК внесут существенный вклад в здравоохранение, в развитие устойчивого сельского хозяйства, в производство пищи, в очистку окружающей среды».

Клонирование. Одним из самых современных и перспективных методов генной инженерии для получения новых микробных штаммов является генетическое копирование (клонирование). По принятому в науке определению, клонирование – это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Вполне естественно, что все эти копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести одинаковый набор генов.

Уже в начале 70-х годов ХХ столетия ученые в лабораторных условиях начали получать и клонировать рекомбинантные молекулы ДНК, культивировать в пробирках клетки и ткани растений и животных. В последние годы достигнут огромный прогресс в клонировании полноценных животных (даже способных приносить потомство) из соматических (т.е. неполовых) клеток.

Особенно большой резонанс у мировой общественности получили работы шотландских ученых из Рослинского Университета, которым удалось из клетки молочной железы беременной овцы получить генетически точную ее копию. Клонированная овца по кличке Долли нормально развивалась и произвела на свет сначала одного, а затем еще трех нормальных ягнят. Вслед за этим появился ряд новых сообщений о воспроизведении генетических близнецов коров, мышей, коз, свиней, обезьяны из соматических клеток этих животных. В 2000 году появились сведения о клональном размножении потомства приматов путем деления зародыша. Американским исследователям удалось получить генетически идентичные эмбрионы обезьяны-резус путем разделения бластомеров зародыша на стадии деления. Из эмбриона родилась вполне нормальная обезьянка Тетра – генетический близнец первоначально зачатой особи. Такой тип клонирования обеспечивает генетически идентичное потомство и в результате можно получить двойню, тройню и более генетических близнецов. Следовательно, есть возможность повторять сложные научные эксперименты на абсолютно генетически идентичном материале. Имплантируя последовательно зародыш одной и той же суррогатной матери, можно изучить влияние ее организма на развитие плода. Разработанные методы клонирования животных пока еще далеки от совершенства. В процессе экспериментирования наблюдается высокая смертность и большой процент уродств новорожденных (из 226 опытов, проведенных в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте, удачным оказался лишь один – на свет появилась овца Долли).

Еще не ясны многие механизмы клонирования и развития животных из соматической клетки. Тем не менее, успех, достигнутый на данный момент, показал теоретическую возможность создания генетических копий даже человека из отдельной клетки, взятой из какого-либо органа. Многие ученые с энтузиазмом восприняли идею клонирования человека. Например, «отец» первого ребенка «из пробирки» Л. Эдвардс, заявил, что этот метод можно использовать для получения «запасных» органов, которые пересаживались бы больному человеку. Опрос общественного мнения в США 2000 года показал, что 7% американцев готовы подвергнуться клонированию. Вместе с тем, многие ученые и общественные деятели озабочены потенциальной опасностью (в том числе моральной) и высказываются против клонирования человеческих особей. Существует и биологическая проблема. Известно, что в процессе культивирования клеток в пробирках и получения соматоклонов могут возникать различного рода мутации в геноме, вредные для организма. К тому же, как установлено, клональные особи имеют особенность быстрого старения и угнетения многих жизненных функций за короткий промежуток времени. Следовательно, клонирование людей может привести к возрастанию в человеческой популяции генетически неполноценных, в т.ч. психически больных людей. Кроме того, возникает целый ряд моральных, этических и даже юридических проблем, связанных с манипуляциями над эмбрионом человека.

Клонирование человека – это шанс иметь детей для тех, кто страдает тяжелыми формами бесплодия; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном – создать ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем, остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997–1998 годах были переполнены различные источники массовой информации во многих странах. В последнее время пресса и телевидение все больше уделяют внимание проблеме так называемого клонирования животных и человека, давая информацию, зачастую для сенсаций, неверную и предоставленную достаточно некомпетентными людьми. Поэтому необходимо объективно разобраться с фактами, реально существующими в этой области.

Случаи своеобразного «естественного» клонирования известны и у человека – это однояйцовые близнецы; сей редкий феномен (0,5% от всех родов) обязан разделению оплодотворенной яйцеклетки на два бластомера, которые в последующем развиваются самостоятельно.

Однако нынче речь идет о клонировании другого рода – скажем, о получении ряда точных копий того или иного животного, отличающегося какими-то своими выдающимися качествами (рекордными надоями молока или высоким настригом шерсти). Кроме того, возникает вопрос о возможности клонирования некоего ученого или политика, или артиста, особо ценного для человечества в силу его несомненной гениальности. Вот тут-то и возникают весьма большие сложности, в которых науке и обществу еще предстоит разобраться.

Сразу же после возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных направлений прикладного естествознания, но также источником совершенно новых и острых этических, моральных и юридических проблем.

Учитывая достижения генной инженерии и реальную возможность создания генетически измененных не только животных, но и человека, 29–я сессия Генеральной Конференции ЮНЕСКО в 1997 году приняла «Всеобщую декларацию о геноме человека и правах человека». В статье 11-ой этого документа говорится, что не следует допускать практику, противоречащую достоинству человека, в т.ч. практику клонирования в целях воспроизводства человеческой особи, «цель прикладного использования результатов научных исследований по геному человека, в т.ч. в области биологии, генетики и медицины, должна заключаться в уменьшении страданий людей и в улучшении состояния здоровья отдельного человека и всех людей». Совет Европы также внес дополнения в Европейскую конвенцию о правах человека и биомедицине, которая гласит: «Запретить всякое вмешательство, преследующее цель создать человеческую особь, идентичную другой – живой или мертвой». Таким образом, современные генно-инженерные исследования все больше выходят за рамки науки, затрагивая сферы не только морали, но и права, традиции общества, а этические проблемы науки становятся важным компонентом научной деятельности не только биомедиков, но и биоэтиков, философов, политиков, юристов и т.д.

Интеграция биологического и социо-гуманитарного знания. Естествознание и нравственность. Биоэтика. Связи между естествознанием и нравственностью многочисленны и двусторонни. Естествознание, как и вся наука в целом, оказывает сильное влияние на общественную мораль, испытывая на себе ее обратное воздействие. Общество не может не ограничивать научный поиск, если сам поиск или его результаты могут входить в противоречие с актуальными нормами нравственности или представлениями о гуманности. Вопрос «можно ли запрещать истину во имя спасения морали?» ответа не имеет. Те, кто находят у истины приоритет перед моралью, основывают это на том соображении, что мораль относительна и изменчива, а истина абсолютна и вечна. Их оппоненты считают, что не всякие истины людям нужны. Немецкий философ А.Шопенгауэр (1788–1860) однажды заметил: «Вы превозносите достоверность и точность математики, но зачем мне с достоверностью и точностью знать то, что мне знать не нужно?»

Так или иначе, ставятся под сомнение или ограничиваются некоторые виды этнографических исследований, эксперименты над человеческими зародышами и многое другое. До сих пор бунтуют противники вивисекции операции на живом животном с целью изучения функций организма, действия на него различных веществ, разработки методов лечения и т.п. До сих пор спорят, нравственна ли пересадка органов.

Остается спорной правомерность евгеники – теории о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Прогрессивные ученые ставили перед евгеникой гуманные цели. Однако ее идеи использовались и для оправдания расизма. В современной науке многие проблемы евгеники, особенно борьба с наследственными заболеваниями, решаются в рамках генетики человека, в том числе и медицинской генетики.

Сказанное определяет лишь внешнюю, грубую форму воздействия морали на науку. В обществе, где преобладает рациональный, практический склад ума, наука будет развиваться иначе, чем в обществе, где больше идеалистов и романтиков. Запрещающие барьеры при этом проходят в головах ученых, несущих в себе национальные или сословные следы.

Влияние науки на мораль в обществе огромно, однако в нем никогда не было единогласия в вопросе об оценке этого влияния. С одной стороны, расширение горизонтов знания, разрушение унизительных предрассудков, обеспечение доступа к науке и культуре широчайшим кругам населения – все это имеет положительный нравственный оттенок. С другой, главный полигон науки испокон века до наших дней – война. Многие видели в науке воплощение зла и школу безнравственности. Сторонники науки в прошлых веках надеялись, что она поможет решить и нравственные проблемы. Противники же считали, что она уводит от религии, от духовности, иссушает души, порождает цинизм. Но, кажется, уже окончательно понятно, что из науки и особенно из естествознания трудно извлечь выводы о том, как надо и как не надо поступать. Взаимосвязь и сочетание естествознания как науки о природе и морали как правил нравственности, безусловно, сложный и многофакторный вопрос, в решении которого остается огромное поле деятельности. Ясно одно: естествознание вряд ли сможет претендовать на замещение морали.

Достижения генных технологий, биологии и медицины последних лет с еще большей остротой поднимают вопрос о нравственных пределах познания живого. В связи с этим в 70-80-хх годах ХХ столетия возникает новое междисциплинарное направление биологическая этика (биоэтика), уделяющая внимание нравственным вопросам биологического познания. Это направление возникает на стыке естественнонаучных (биология, медицина, генетика, экология) и социогуманитарных дисциплин (философия, этика, право), в последние годы в решение биоэтических проблем вовлечена даже церковь. Принципиальной основой их понимания и решения должно служить гуманистическое измерение научно-технического прогресса, ибо «все прогрессы реакционны, если рушится человек».

Биоэтика – это сложный социокультурный феномен, возникший как ответ на угрозы моральному и физическому благополучию человека, порождаемые бурным прогрессом биомедицинской науки и практики. Защита фундаментальных моральных ценностей, определяющих человеческое существование, является условием выживания человечества в современной ситуации. Ключевые вопросы биоэтики:

• Эвтаназия

• Пересадка органов

• Аборт

• Клонирование

• Стволовые клетки

• Проведение клинических испытаний

• Суррогатное материнство

• Евгеника

В узком смысле понятие биоэтика обозначает весь круг этических проблем во взаимодействии врача и пациента. Неоднозначные ситуации, постоянно возникающие в практической медицине как порождение прогресса биологической науки и медицинского знания, требуют постоянного обсуждения как в медицинском сообществе, так и в кругу широкой общественности.

В широком смысле термин биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы, окружающие человека. В этом смысле биоэтика имеет социально-философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине и биологии в целом.

В ЮНЕСКО действуют два комитета по биоэтике – международный и межправительственный. В Совете Европы этой тематикой занимается Руководящий комитет по биоэтике. Рабочая группа по биоэтике существует и в рамках Всемирной Организации Здравоохранения. Этическое и правовое регулирование в области биоэтики осуществляется на основе международных нормативных документов:

Всеобщая декларация о геноме человека и правах человека (ЮНЕСКО, 1997);

• Всеобщая декларация о биоэтике и правах человека (ЮНЕСКО, 2005);

• Декларация о клонировании человека (ООН, 2005);

• Юридически обязывающая Конвенция о защите прав и достоинства человека в связи с применением достижений биологии и медицины

• Конвенция о правах человека и биомедицине (Совет Европы, 1997) и дополнительные протоколы к ней, касающиеся запрета клонирования человека, трансплантологии, биомедицинских исследований.

• Высоким международным авторитетом пользуется такой документ, как Хельсинкская декларация Всемирной медицинской организации (1964, последняя редакция – 2000) «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека».

Современные технологии производства энергии. Во многих видах энергосистем технология производства энергии основана на преобразовании тепла. Смена источника энергии требует и кардинального обновления технологии. С древних времен в качестве основного источника тепловой энергии использовалась преимущественно древесина. С появлением паровых машин древесину вытеснил каменный уголь, но вскоре он уступил лидерство нефти и природному газу, которые и по сей день остаются ведущими видами топлива.

Нефть и природный газ и уголь – не только источники химической продукции. В настоящее время на производство энергии расходуется значительная часть этих невозобновляемых природных ресурсов. Кроме того, нефть и природный газ по-прежнему остаются основным видом топлива для транспорта и получения тепла, и такое их потребление во многих странах воспринимается как должное. Однако за каждым кубометром природного газа и тонной нефти нужно идти все дальше на север или на восток, зарываться все глубже в землю, поэтому стоимость природных энергетических и сырьевых ресурсов будет с каждым годом возрастать.

Чтобы сберечь эти ценнейшие природные ресурсы для более рационального их использования – производства ценной химической продукции, нужно осваивать другие виды топлива.

Нефть, природный газ и уголь постепенно уступают свои позиции более энергоемкому источнику – ядерному топливу. К настоящему времени более 17% мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции. В некоторых странах доля вырабатываемой атомной энергии значительно больше. Например, Швеция производит на атомных станциях около 1/2 своей электроэнергии, Франция – более 3/4. В Китае недавно принята программа увеличения в 5--6 раз вклада энергии атомных электростанций. Заметную, хотя пока не определяющую роль атомная энергетика играет в США и в России. Запасы ядерного топлива, по сравнению с запасами, например, угля, не столь уж велики, но зато на единицу массы ядерное топливо содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. Внедрение перспективной технологии преобразования ядерного топлива в реакторе-размножителе на быстрых нейтронах (который не только вырабатывает энергию, но и производит вторичное топливо – плутоний) открывает большие возможности для развития атомной энергетики.

При создании любой современной энергосистемы ставится задача не только выработки дешевой энергии, но и сохранения окружающей среды. В этой связи возрастает интерес к разработке перспективных технологий преобразования энергии солнца, ветра, геотермальных источников и Мирового океана.

Производящие энергию системы быстро аккумулируют, вбирают в себя все новейшие идеи, изобретения, естественнонаучные достижения. Поэтому нельзя исключать, что лицо энергетики может измениться в ближайшем будущем, когда электрохимические, водородные, термоядерные и другие источники энергии будут вносить значительный вклад в мировое производство энергии.

Модернизация технической базы промышленности. Промышленные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют большое количество природных ресурсов и энергии. В связи с этим к современным предприятиям предъявляются требования не только производить высококачественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресурсы, сберегать энергию и сохранять окружающую среду. Техническое оборудование любого промышленного предприятия со временем устаревает, новые технологии требуют кардинального обновления устаревшего оборудования, т.е. модернизации технической базы промышленности в целом.

Предпринимаемые меры по сохранению окружающей среды включают требования экономного расхода топлива и строгие ограничения на загрязнение воздуха отработанными газами. Экономия топлива и достижение безвредного выхлопа требуют решения комплекса задач, таких, как повышение эффективности сгорания топлива, модернизация двигателя и других узлов автомобиля, использование очищенного от вредных примесей топлива, уменьшение массы автомобиля, антикоррозийная обработка деталей и узлов автомобиля, совершенствование трансмиссионной системы, каталитическое обезвреживание газов и др.

Решение одной из важных задач – повышение эффективности сгорания топлива – возможно, например, при электронном управлении всех стадий процесса сжигания в рабочей камере. Для такого управления нужны современные микропроцессорные устройства, производство которых основано на микроэлектронной технологии, во многом определяющей уровень развития различных отраслей промышленности.

Только впитав важнейшие достижения современного естествознания, и, прежде всего, новейшие технологии, возможна модернизация технической базы – необходимое условие для успешного развития промышленных предприятий, производящих не только автомобили, но и самолеты, аудио- и видеотехнику, персональные компьютеры и другие виды продукции.