Нанотехнология и живой организм

                                                                                                                                  1

Министерство образования  и науки РФ

Муниципальное общеобразовательное  учреждение

Средняя общеобразовательная  школа №- 44

634021,г. Томск, ул. Алтайская, 120\1, тел 45-06-81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по теме: Нанотехнология и живой организм.

 

 

 

 

 

 

                                                                       выполнил:

                                                                                  ученик 10-б класса

                                                                              Гольштейн Артем

                                                                           руководитель:

                                                                      Хоменко Т.Я.

                                                                               учитель биологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2009г.

                                                                                                                                   2

                                                    ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………….3

1. Из истории возникновения нанотехнологии………………………………..4

2. Нанотехнологии в  биологии и медицине………………………………….5-7

3. Достижения нанотехнологии………………………………………………8-9

4. Перспективы использования  нанотехнологии………………………….10-11

5. Но не все так  хорошо………………………………………………………...12

 Заключение………………………………………………………………….13-14

 Список литературы…………………………………………………………….15

 Приложение 1. Схема сканирующего атомного силового микроскопа……16

 Приложение 2. Фуллерены……………………………………………………17

 Приложение 3. Нанотрубки…………………………………………………...18               

 Приложение 4. Диод на основе  нанотрубки…………………………………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                

 

 

 

                                                                                                                                   3

 

                                           Введение

 

Тема моего реферата была выбрана еще в прошлом  году. Именно тогда мне в руки попал журнал Экологический Вестник  России. Просматривая журнал я обратил  внимание  на выделенную тему номера  \1.08\ «Будьте осторожны, следующая  остановка – «НАНОЭРА»! В данном журнале меня привлекла статья- Наночастицы убивают блох и повреждают мозги окуней.

Я решил углубиться в  данную тему. Учитель биологии Хоменко  Т.Я. принесла мне ряд номеров  журнала Экологический Вестник  России за 2007 и 2008 годы.

Перед собой поставил цель понять, что же лежит в основе понятия- нанотехнология, в чем суть нанотехнологий и где они находят применение. Главная моя цель была понять, как же нанотехнология связана с живым организмом, влияют ли наноматериалы за состояние здоровья живых существ.

Задачи, которые я перед собой поставил:

1- Сбор материала по  теме реферата и его дальнейшая  обработка.

2- Обобщение обработанного материала.

3- Выводы по проделанной  работе.

4- Оформление обобщенного  материала.

5- Подготовка презентации.

6- Презентация реферата.

Моя работа состоит из пяти глав. Я изучил и обработал  материалы 8 литературных источников, среди которых научная литература, справочный материал, периодические  издания и Интернет- сайты. Оформлено  приложение, в котором содержится иллюстрации по данной теме, а также подготовлена презентация, сделанная в редакторе Power Point.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                        4

1. Из истории возникновения нанотехнологии.

 

Первое упоминание нанотехнологии было сделано в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте Ричардом Фейнманом. Он предложил механически  перемещать одиночные атомы при  помощи манипулятора. Подобная идея совпадает  с фантастическим рассказом известного писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованного в 1931г. А в рассказе Н.Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент:»Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорить, - увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Современные микроскопы обеспечивают увеличение в 5 миллионов раз. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.  Термин «нанотехнология» впервые употребил в 1974 г. Норио Танигути. Он назвал этим термином производство изделий размером в несколько нанометров.

Нанотехнология- без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и  техники на сегодняшний день. Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка наномерта.  Поэтому переход от «Микро» к «Нано»- это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

- изготовление электронных схем с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

- разработка и изготовление  наномашин;

- манипуляция отдельными  атомами и молекулами и сборка  из них макрообъектов.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                            

 

 

 

 

 

                                                                                                                              

 

 

                                                                                                                                      5

               2. Нанотехнологии в биологии и медицине.

 

Нанотехнология широкое  применение в последнее время  находит в биологии и медицине. Данное направление уже много дало в медицинской диагностике. В медицине на сегодняшний день широко применяется иммуноферментный, иммунофлуоресцентный анализ, ампликация нуклеиновых кислот с помощью полимеразной цепной реакции. Вся медицинская диагностика, которая задействует современную технику, основана на использовании комплексов молекул: одна большаа молекула узнает другую большую молекулу, и после этого включается сигнал \обычно это световая индикация на определенной длине волны \.

Второе направление  бионанотехнологии – это содружество физической нанотехнологии с физическими методами исследования. Один из примеров – использование квантовых капель. Это сильно светящаяся структура небольших размеров из неорганических материалов. Их, например, «запускают» в организм для определенных целей или используют в диагностических системах. Квантовые капли удобны тем, что флуоресцируют и хорошо заметны. Что касается биологических молекул, они обладают собственными признаками, которых нет у неорганических материалов. Одна биологическая молекула может узнавать другую. Например, если взять одну цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты, то она среди множества других молекул ДНК найдет только одну, которая ей подходит, и тогда две цепочки ДНК образуют спиральную структуру. Ученые уже научились делать из ДНК самособирающиеся слои разных конфигураций. Для этого берут несколько ДНК, и биомолекулы в растворе сами находят друг друга и сами строят заданные архитектурные сооружения – длинные разветвленные цепочки, трехмерные структуры, любые фантастические  конструкции. Из больших молекул можно делать наномашины. Сейчас разрабатываются молекулярные машины из молекул ДНК, или белков. В ответ на сигнал \это может быть облучение светом, изменение условий среды, взаимодействие с молекулами \ происходит механическая работа.

В последнее время  развивается еще одна область  применения нанотехнологий – в генотерапии. Для того, чтобы с целью генотерапии ввести в клетку нуклеиновую кислоту, нужно создать некий носитель. Самое элементарное решение – просто имитировать природный  вирус. Его генетическая программа упакована внутри, имеется липидная оболочка, и если научится собирать такой комплекс, то можно вставить генетические программы внутрь этого искусственного вируса. Полученная наноконструкция доставит лечебную программу в клетки.

  Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от «восстановления” вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Каждому живому существу в борьбе за жизнь приходится решать множество разнообразных по сложности проблем. Ему нужно из окружающей среды получать необходимые питательные вещества и минералы и в  то же время

                                                                                                                                        6

избавляться  от отходов  жизнедеятельности, синтезировать самостоятельно недостающее вещества, добывать энергию, необходимую для энергоемких химических и физических процессов; находить подходящих партнеров для обмена наследственным материалом; заботиться о потомстве; защищаться от хищников – и все это в переменчивой, далеко не всегда благоприятной внешней среде . 

Требования, предъявляемые жизнью к каждому отдельному организму, не только многочисленны и разнообразны - они очень часто еще и противоречивы. Невозможно оптимизировать сложную систему сразу по всем параметрам: чтобы добиться совершенства в чем-то одном, приходится жертвовать другим.

Поэтому эволюция- это  вечный поиск компромисса, и отсюда следует неизбежная ограниченность возможностей любого отдельного взятого живого существа. Самый простой и эффективный путь преодоления этой ограниченности - симбиоз, то есть кооперация  “специалистов  разного  профиля “, например, растений с микроорганизмами ,способными переводить  азот из атмосферы .

Можно утверждать, что симбиоз - не просто очень широко распространенное явление. Это магистральный путь эволюции, без которого прогрессивное развитие жизни на Земле было бы крайне затруднено, если вообще возможно.

На симбиозе были основаны многие важнейшие ароморфозы ( прогрессивные преобразования), из которых самый значительный – формирование эукариотической (ядерной) клетки,той основы, из которой в дальнейшем развились все высшие формы жизни (животные, растения, грибы).  

На примере симбиоза природа демонстрирует нам, как можно решать сложные вопросы положительного взаимодействия микроорганизмов и высших растений, как в период напряженного энергетического кризиса можно обходиться меньшими затратами энергии. В этом, по нашему убеждению, и заключается необходимость применения в полном объеме  нанотехнологий в биологии.

Молодые клубеньковые бактерии размером 0,5-0,9 ; 1,2-3,0 мк неспороносны,

Подвижны, аэробны, величина их  в 1000 раз больше нанометра и с помощью нанотехнологий их можно обеспечить информацией или использовать как “бактерию - извозчик’ для осуществления симбиоза не только с бобовыми, но и другими семействами культурных растений.

Всем известна проблема с “гостем “ наших картофельных полей из Америки – колорадским жуком. Чего только ни предлагали в борьбе с ним – от сильнодействующих ядов до трансгенного картофеля, который, по данным Института картофелеводства, уже благополучно поедают отдельные особи этого насекомого. Вероятно, не тот путь был избран для решения этой проблемы. Изменчивость насекомых с учетом их многочисленности и плодовитости во много раз превосходит изменения, происходящие в растениях.

Так почему бы не использовать эти особенности и, применяя нанотехнологии, не изменить кормовую базу  колорадского жука? Чтобы он с удовольствием поедал  осот, а не картофель. Фантастика. Но она может стать реальностью.

 

                                                                                                                                        7

Вот пример, в 70-е и 90-е годы прошлого столетия в Крыму наблюдалось нашествие обычно безобидного лугового мотылька.  Но в те годы он вдруг стал всеядным вредителем, который за ночь опустошал поля подсолнечника и люцерны, свеклы и кукурузы. Однако когда на пути у него стало поле сои, относительно чистое от сорняков, он уничтожил все сорняки и не затронул сою . Вот так надо изменить “вкусы” колорадского жука, чтобы ему захотелось другой пищи.

Или еще пример, Рашид Башир, работающий над проблемой доставки лекарств а Центре нанотехнологий в Барке, смог поместить наночастицы на поверхность бактерий, связав их к поверхности бактерий специальными молекулами – линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и типы доставляемых грузов.

Так как бактерии обладают естественной способностью проникать в живые клетки, на сегодняшний день они являются идеальными кандидатами для доставки лекарств. Особенно это ценно в генной терапии, где необходимо доставить фрагменты ДНК по назначению ,не убив при этом здоровую клетку .