Название: Концепции современного естествознания

Жанр: Культурология

Рейтинг:

Просмотров: 2464

7.12. жизнеобеспечение человека

Рост населения и обеспечение продовольствием

Одна из важнейших составляющих жизнеобеспечения – производство и потребление продуктов питания. История развития производства продовольственных продуктов связана с зарождением сельского хозяйства, первые признаки которого проявились примерно 12 тыс. лет назад. В то время численность населения планеты составляла около 15 млн человек. К началу нового летоисчисления насчитывалось приблизительно 250 млн человек. К 1650 г. население удвоилось, достигнув 500 млн. Следующее удвоение (рост до 1 млрд) произошло примерно через 200 лет (к 1850 г.). В 1999 г. численность населения Земли достигла 6 млрд. При росте населения 2\% в год она составит к 2020 г. около 10 млрд. Годовой прирост населения в мире снижается, хотя в Африке, например, он существенно увеличивается.

В 1983г. от голода умерло около 20 млн человек – почти 0,5\% населения планеты, еще примерно 500 млн сильно пострадали от недоедания. По некоторым оценкам, к концу столетия число людей, находящихся на грани голодной смерти, достигнет 650 млн, а это означает, чтопропитание населения – важнейшая проблема современного человечества. Она касается не только тех, кто голоден и недоедает и менее всего способен ее решить, но и в значительной степени тех, кто может предложить рациональные способы решения данной проблемы, основанные на достижениях естествознания, и в первую очередь биохимии, микробиологии и других наук. Эти науки, во-первых, могут способствовать увеличению производства продуктов питания и, во-вторых, предоставить безопасные средства для индивидуального ограничения рождаемости.

Не вызывает сомнения, что производство продовольственных продуктов нельзя существенно увеличить только за счет освоения новых земель. В большинстве стран вся пригодная для сельского хозяйства земля уже обрабатывается. В густо заселенных развивающихся странах расширение пахотных площадей требует больших капиталовложений и сопряженно с нарушением равновесия экологической системы. Поэтому реальное увеличение мировых продовольственных ресурсов может быть достигнуто, в первую очередь, за счет совершенствования технологии производства и повышения качества хранения продуктов питания, сохранения питательных веществ в почве, обеспечения водой поливных земель, повышении эффективности использования солнечной энергии в естественном фотосинтезе и т. п. Современные достижения естествознания, и прежде всего агрохимии, и биохимии, позволяют на молекулярном уровне управлять сложными биохимическими процессами, происходящими при участии минеральных и органических удобрений, гормонов роста, феромонов, питательных, защитных и других веществ, внедрение которых в сельское хозяйство способствует повышению урожайности. При этом любые средства – химические или биологические – не должны приводить к нарушению природного баланса и загрязнению окружающей среды.

Повышение плодородия почвы

Со времен одного из создателей агрохимии, немецкого химика Юстуса Либиха (1803–1873) известно, что для роста и развития растений нужны неорганические вещества: азот, фосфор, калий и кальций. Эти вещества – минеральные удобрения – не взаимозаменяемы, их нельзя заменить и другими веществами. С конца прошлого столетия относительно быстро развивалось и совершенствовалось производство калийных и фосфорных удобрений. В 1975г., например, произведено около 24 млн т калийных удобрений (К2О). К концу тысячелетия ожидается увеличение объема их производства вдвое. На каждый гектар полевых угодий вносится в среднем около 100 кг калийных удобрений.

Фосфор в достаточном количестве содержится в почве: в слое пахотной земли толщиной 40 см на площади 1 га рассеяно около 20 т фосфорного вещества Р2О5.  Однако он чрезвычайно медленно попадает к растениям, поэтому во многие виды почв необходимо вносить фосфорные удобрения. В 1975 г. во всем мире их произведено примерно 30 млн т.

С конца прошлого столетия в областях с интенсивным земледелием стала ощущаться нехватка азота в почве. Производство азотных удобрений включает синтез аммиака NH3 и основано на связывании азота воздуха. В 1917 г. была произведена первая цистерна аммиака. В 1975 г. объем мирового производства азотных удобрений составил свыше 45 млн т. Предполагается, что к 2000 г. он возрастет до 100 млн т. С каждым килограммом азотных удобрений, внесенных на га почвы, урожай зерновых культур увеличивается на 8–11 кг, картофеля на 90 кг, кормовых трав – на 100 кг. Отношение производственных затрат к полученной прибыли при введении химических минеральных удобрений составляет в зависимости от культуры от 1:3 до 1:10.

Примерно с середины нашего столетия в поле зрения агрохимиков попали микроэлементы – бор, медь, марганец, молибден, цинк. Потребность в них составляет всего несколько сотен граммов на 1 га, но их отсутствие приводит к существенному снижению урожая. С 1970 г. налажено производство комплексных удобрений, содержащих все необходимые растениям микроэлементы. Обычно их изготавливают на основе сульфата аммония.

До недавнего времени при внесении удобрений, руководствовались преимущественно эмпирическим подходом, который не всегда оказывался эффективным и рациональным. В последнее время постепенно внедряется естественно-научный подход: дозы вносимых в почву удобрений и сроки их внесения рассчитываются исходя из биохимического анализа почвы и с учетом специфики выращиваемой культуры, погодных и климатических условий и т. п. Получены неплохие результаты при выращивании растений в тепличных условиях на гидропонике с автоматической подачей жидких питательных смесей, их дозировкой и регулированием температуры. В таких искусственных условиях собирают, например, не менее шести урожаев томатов в год, причем их урожайность составляет около 400 кг овощей с 1м2.

В последнее время все чаще говорят об ограничении применения химических удобрений, что связывают с опасным для здоровья ухудшением качества выращенной продукции. Однако до сих пор отрицательное действие на здоровье человека продуктов питания, выращенных с применением удобрений, никем не доказано. Напротив, оптимальное количество удобрений служит основой выращивания высококачественной сельскохозяйственной продукции. В то же время существует опасность, вызванная нежелательным накоплением неорганических веществ в водах вследствие вымывания избыточного количества удобрений из почвы. Такое загрязнение водных ресурсов можно свести к минимуму при внесении оптимального количества удобрений в сроки максимального их потребления растениями и с учетом погодных условий.

Сегодня более 1/3 населения Земли питается за счет выращиваемого урожая с применением минеральных удобрений. Однако производство удобрений в различных странах из-за разной степени их индустриализации колеблется в широких пределах. Почти 80–90\% всех минеральных удобрений потребляется в Европе, Японии и Северной Америке.

Фиксация азота

Основным продуктом для азотсодержащих удобрений служит аммиак NH3, который синтезируется из азота воздуха и водорода при температуре 500° С и давлении 300 атм при наличии катализатора железа в сочетании со щелочным металлом. Такой процесс требует больших затрат энергии, сложной техники контроля и управления. Ежегодно синтезируется более 60 млн т аммиака, что, естественно, сопряжено с гигантскими капиталовложениями. Поэтому ведется интенсивный поиск более эффективных способов обогащения почвы азотом.

В процессе роста многие растения поглощают азот преимущественно из почвы. Многовековая практика севооборота в какой-то степени способствует пополнению почвы азотом. Казалось бы, что может быть доступнее азота: основной компонент воздуха – азот. Однако, как уже отмечалось, азот воздуха с большим трудом превращается в полезный и нужный продукт.

Все же некоторые растения способны превращать элементный азот воздуха в необходимые им соединения. Каков же механизм такого превращения? Многолетние наблюдения показали, что в этом процессе участвуют бактерии и водоросли, способные восстанавливать атмосферный азот до аммиака. Происходит важнейший естественный процесс – фиксация азота. Фиксированный азот затем превращается растениями в аминокислоты, белки и другие органические азотсодержащие соединения. Растения семейства бобовых, например соя, клевер и люцерна, фиксируют азот с помощью клубеньковых бактерий, живущих на их корнях. Около 170 разновидностей небобовых растений способны фиксировать азот. Природными фиксаторами азота могут быть некоторые свободно живущие бактерии и сине-зеленые водоросли.

В результате биохимических исследований установлено, что в фиксации азота участвует фермент, называемый нитрогеназой и состоящий из двух белков. Молекулярная масса одного из них (динитрогеназы) равна примерно 220000. Он содержит два атома молибдена и по 32 атома железа и реакционноспособной серы. Второй белок (динитрогеназа-редуктаза) построен из двух идентичных группировок с молекулярной массой 29000, каждая из которых содержит по 4 атома железа и серы.

Специально разработанные способы очистки и спектроскопические исследования позволили отчасти выяснить последовательность элементарных актов фиксации азота под действием фермента – нитрогеназы (рис. 7.15). Возможно, в ближайшем будущем проблема фиксации азота по принципу действия клубеньковых бактерий будет успешно решена в искусственных условиях.

Интенсивно разрабатывается и другое направление – генетическое исследование фиксации азота растениями. Применение рекомбинантной ДНК и разработка новых методов контроля за развитием и старением растений будут способствовать более полному раскрытию механизма фиксации азота и созданию штаммов, эффективно фиксирующих азот. Весьма важная и увлекательная задача – распространить природную способность некоторых растений фиксировать азот на продовольственные культуры, т. е. сделать их самоудобряющимися. В будущем такую практически значимую задачу предстоит решить.

Белок - основа питания

Основу питания людей и животных составляют белки, жиры и углеводы. Если содержание в пище углеводов и жиров – носителей энергии – может быть ограничено, то для белков это недопустимо: они нужны для постоянной регенерации органов и роста организма. Нехватка белков приводит к истощению организма. Необходимая для нормальной жизнедеятельности организма ежедневная норма потребления белков составляет для взрослых до 1 г, а для детей 2–3 г на килограмм массы тела. Ежедневное потребление белков для взрослых должно быть 60–100 г. Однако данные нормы, рекомендованные специалистами, не всегда выполняются. Например, в промышленно развитых странах на душу населения в сутки приходится 85–95 г белков, а в слаборазвитых странах – 50 г.

Более 60\% потребляемых человечеством белков имеют растительное происхождение. Наиболее ценны сельскохозяйственные культуры с повышенным содержанием белков: пшеница, рис, кукуруза и др. Среднее содержание белков в них колеблется от 9 до 14\%. В последние десятилетия выращены сорта пшеницы с содержанием белков более 20\%. Потребность населения в белках постоянно растет (рис. 7.16).

Из двадцати аминокислот, необходимых для жизнедеятельности организма, образования скелета и тканей, только 12 могут быть синтезированы самим организмом. Остальные, в том числе лизин, метионин и трифтофан, должны вводиться с пищей. Доля таких определяющих жизнедеятельность организма аминокислот в большинстве растительных продуктов очень мала. Состав легко усвояемых животных белков значительно ближе к белкам нашего тела, поэтому потребность в аминокислотах может быть удовлетворена потреблением мясной пищи.

На первый взгляд может показаться, что проблему производства белка можно легко решить увеличением продуктов животноводства. Однако такая проблема гораздо сложнее. Во-первых, превращение растительных продуктов в животные характеризуется отношением 6:1. Во-вторых, для роста животных, в свою очередь, требуется огромное количество ценных белков.

Большие резервы белков сосредоточены в листьях растений. Они достигают на 1 га в год около 2 т, а в тропиках – до 5 т. Однако извлечение белков из листьев требует больших затрат энергии.

Для повышения биологической активности в растительные белки вводят недостающие аминокислоты. Например, при добавлении 0,4\% лизина к пшеничной муке ее биологическая активность повышается не менее чем на 50\%. В птицеводстве и свиноводстве применяется обогащенная метионином соевая мука, содержащая сравнительно большой процент белков. В результате генетической операции можно увеличить содержание лизина в белке. Таким способом удалось повысить содержание лизина в белке кукурузы и пшеницы с 2 до 4\%.

В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке и производству пищевой биомассы с большим процентным содержанием белков. Современные средства биотехнологии позволяют получать в огромных количествах искусственные белковые вещества из древесных отходов, нефти и нефтепродуктов, а также из природного газа. Искусственные белковые питательные вещества широко используются в животноводстве и тем самым дают возможность производить высококачественную мясную продукцию. Разработанные сравнительно недавно методы генной технологии ставят на более высокий уровень биотехнологический процесс производства ценнейших белковых продуктов.

Одно из важных направлений деятельности микробиологов связано с повышением питательных и вкусовых качеств пищи. Пища – не только средство для нормальной жизнедеятельности человека, но и источник удовольствия. Однако стремление испытать удовольствие часто приводит к перееданию. Например, по мнению специалистов, во многих развитых странах около 20\% мужского и 40\% женского населения едят гораздо больше, чем необходимо организму. Установлено, что нормальное потребление человеком сахара в год не должно превышать 18 кг, в то время как в некоторых странах данная цифра достигает 60 кг. Чрезмерное потребление сахара или других продуктов питания, конечно же, губительно влияет на здоровье человека и чаще всего приводит к ожирению. Есть надежда, что микробиологи предложат эффективные средства, позволяющие ограничивать излишнее потребление вкусной и калорийной пищи.

Перспективы увеличения продовольственных ресурсов

На протяжении довольно продолжительного времени проблема увеличения продовольственных ресурсов решалась преимущественно путем расширения культивируемых земель. К настоящему времени, когда практически все пахотные земли освоены, нужно решать данную проблему другими путями, многие из которых только сейчас начинают развиваться на базе последних достижений естествознания и в первую очередь микробиологии.

Традиционные пути решения проблемы увеличения продовольственных ресурсов основаны на совершенствовании технологии производства и хранения продуктов питания. В производственном процессе должны восстанавливаться состав и структура почвы и тем самым сохраняться ее плодородие. На всех стадиях производства продуктов питания и при их хранении важную роль играют естественно-научные знания, поскольку они позволяют понять природу микропроцессов, лежащих в основе развития живых систем разных биологических уровней.

Современные естественно-научные средства дают возможность изучить на молекулярном уровне влияние на живые системы различных веществ, которые приводят к увеличению производства продуктов питания. К таким веществам относят гормоны, феромоны, защитные и питательные вещества. Они оказывают активное действие на домашних животных, культурные растения и их естественных вредителей.

Существенным фактором производства продуктов питания является контроль за вредителями. В недавнем прошлом основное внимание уделялось поиску химических соединений для уничтожения вредных насекомых. При таком подходе природный биологический баланс нарушается и окружающая среда засоряется посторонними и чаще всего вредными веществами. Рациональная задача заключается прежде всего в контроле воздействия вредных насекомых, а не в их полном истреблении. В результате исследования биохимических процессов в самих организмах стало возможным ограничить наносимый вредителями урон такими средствами, которые не опасны для природы даже при длительном их применении. Фундаментальные проблемы биологических систем все в большей степени переплетаются с проблемами молекулярных структур и химических процессов.

Благодаря фотосинтезу живые растения получают энергию, необходимую для превращения диоксида углерода и воды в органические соединения с одновременным выделением молекулярного кислорода. Поскольку увеличение продовольственных ресурсов в конечном результате зависит от роста растений, фотосинтез играет ключевую роль в производстве продуктов питания, фотосинтез – это важнейший естественный процесс, посредством которого зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии используют солнечную энергию для стимулирования химических реакций. При фотосинтезе содержащийся в хлоропластах растений хлорофилл поглощает световую энергию и превращает ее в энергию химических связей органических соединений. Хлорофилл имеет сложную структуру циклического соединения, содержащего атом магния. Одна из разновидностей структуры хлорофилла показана на рис. 7.17.

Клетки растений можно представить в виде химических фабрик, где углерод из углекислого газа объединяется с водородом, образуя углеводородные соединения, составляющие основу растений. В результате фотосинтеза колоссальное количество углерода превращается в полезные вещества.

Установлено, что энергия необходимая для фотосинтеза, примерно на две трети обеспечивается излучением в красной и ближней инфракрасной области солнечного спектра. Кроме того, спектроскопические исследования показывают, что фотосинтез включает взаимодействие многих молекул хлорофилла. При этом, как предполагается, центром фотореакции является пара параллельных хлорофилловых колец, удерживаемых на близком расстоянии друг от друга водородными связями между аминокислотными группами. Все эти сведения весьма важны для понимания сущности фотосинтеза и его воспроизведения. Воспроизведение фотосинтеза в лабораторных условиях было бы величайшим достижением естествознания.

Фотосинтез – важнейший источник не только продовольственных ресурсов, но и энергии. В результате превращения органического растительного сырья можно получить громадное количество энергии. Благодаря фотосинтезу воздух очищается от углекислого газа, который превращается в весьма ценные органические вещества. В этой связи всестороннее изучение фотосинтеза и его воспроизведение в лаборатории – чрезвычайно важные и практически значимые задачи.

Средства сохранения здоровья

Лекарственные препараты от различных заболеваний известны с давних времен, но лишь в последние 100 лет благодаря развитию биохимии и микробиологии появилось более 95\% всех лекарств. Полезный эффект врачебной деятельности в развитых странах примерно на 70\% определяется наличием лекарств. Идет ли речь о головной боли, расстройствах пищеварения или пневмонии, кашле, тифе или малярии – в руках врачей всегда находится сильнодействующее средство. Благодаря эффективным лекарственным препаратам вытеснена чума, возникли перспективы излечения многочисленных инфекционных заболеваний, резко снизилась детская смертность, и т. д.

В последнее время существенно изменились методы разработки фармакологически активных соединений. Значительные успехи достигнуты в понимании на молекулярном уровне химических реакций, управляющих биологическими процессами. В качестве примера можно назвать новые эффективные препараты, регулирующие активность ферментов и рецепторы.

Участвуя в большинстве химических превращений, происходящих в живых организмах, ферменты формируют химических посредников, регулирующих такие превращения. Посредники называются гормонами и медиаторами. В живых организмах гормоны находятся в крови, а медиаторы – в промежутках между нервными клетками. Гормоны и медиаторы управляют процессами жизнедеятельности – сокращением мышц и выделением адреналина. Оказать влияние на них и, следовательно, на управляемые ими процессы можно при воздействии на вырабатывающие их ферменты. Вещество, подавляющее активность фермента, называется его ингибитором. Разработанные ингибиторы ферментов весьма эффективны в лечении гипертонии, атеросклероза и астмы.

Рецепторы – макромолекулы, инициирующие биологические процессы. При активации соответствующими гормонами они распознают и связывают биологически активные молекулы, вступившие в каталитическое и регулирующее взаимодействие. Существуют два типа агентов, взаимодействующих с рецепторами: агонисты и антагонисты. Агонисты вызывают биологическую реакцию, а антагонисты ее блокируют. Некоторые агенты могут связываться одновременно с разными рецепторами и, следовательно, участвовать в различных биологических процессах. Например, гистамин, связываясь с H1-рецептором, инициирует аллергические реакции и, активизируя Н2-рецептор, способствует выделению желудочного сока. Избыток желудочного сока раздражает стенки желудка и приводит к язве. Лекарственный препарат – циметидин – специфический антагонист Н2-рецептора, подавляющий выделение желудочного сока. Норадреналин – химический агент нервной системы. Он контролирует выделение адреналина и связывается с четырьмя видами рецепторов, ответственных за различные биологические процессы. Уже доказано, что соединения-антагонисты эффективны при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, рака, расстройства центральной нервной и эндокринной систем.

В 30-х годах было установлено, что некоторые органические соединения вызывают канцерогенное действие на подопытных животных. Сегодня полагают, что ряд природных и синтетических соединений, содержащихся в окружающей среде, могут способствовать возникновению у людей раковых заболеваний. К 1968 г. исследования показали, что различные химические канцерогены образуют ковалентные связи с клеточными макромолекулами (белками, РНК, ДНК), и такие связи приводят к раковым заболеваниям. Некоторые химические соединения являются праканцерогенами. Они превращаются в химически активные канцерогены при попадании в организм. Молекула ДНК с присоединенным к ней канцерогеном называется ДНК-аддуктом. Конечные продукты взаимодействия между организмом и канцерогеном могут приводить к изменениям в ДНК, т. е. могут вызвать мутации.

При злокачественном перерождении клеток происходит ненормальное их развитие. Недавно установлено, что злокачественное перерождение клеток связано с определенными генами здоровых клеток. Данные гены идентичны или родственны генам некоторых вирусов (онкогенам), преобразующим нормальные клетки в злокачественные. К настоящему времени химики-органики умеют определять последовательности нуклеотидов в нормальном гене и онкогене, а также последовательности аминокислот в белках, кодируемых данными генами. Установление различий между белками нормальной и больной клетки на молекулярном уровне весьма важно при разработке терапевтических методов лечения.

Первоначально рак лечили ядами, синтезируемыми из природных веществ. В последнее время много новых и клинически эффективных препаратов выделено из микроорганизмов. Некоторые из них взаимодействуют с ДНК пораженных клеток, внедряясь в спиральные нити ДНК. Широко применяемые противораковые средства, известные под названием антиметаболитов, по своей структуре напоминают природные соединения, нарушающие обмен веществ.

Многие воспалительные болезни вызываются расстройством иммунной системы. Иммунная система противодействует заболеванию организма и вторжению в него посторонних веществ. К настоящему времени установлены ферменты и другие белки, фиксирующие инородные тела и координирующие ответную реакцию организма. Клетки плазмы, продуцируемые белыми кровяными тельцами, выделяют в кровь антитела, которые нейтрализуют чужеродные белки или полисахариды, способные вызывать заболевания. Химическая природа молекул антител известна, но в то же время предстоит большая работа ученых разных профессий, направленная на эффективное лечение прогрессирующей болезни – синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).

Иммунная система служит для биосинтеза антител (антигенов) – защитных белков для нейтрализации чужеродных молекул. Определенная последовательность аминокислот белковой цепи задает избирательность ферментов. Формирование активных центров ферментов и их структура во многом определяются действием вводимого антитела. Более 100 каталитических антител успешно применяются для ферментативных реакций. Специалисты считают, что каталитические антитела принадлежат к биокатализаторам нового поколения.

Серьезную опасность для здоровья человека представляют радионуклиды и тяжелые металлы. Они содержатся в отходах предприятий, выбросах в атмосферу и выхлопах автомобилей, загрязняют почву и воду, накапливаются в живых клетках растений и животных, а оттуда с продуктами питания попадают в организм человека (рис. 7.18).

Путешествуя с потоком крови по организму человека, загрязняющие вещества наносят ему немало вреда. Так, тяжелые металлы замедляют рост и умственное развитие детей, вызывают болезни нервной системы, почек и печени. Если в организм попадают радиоактивные молекулы, или радионуклиды, то они вызывают повреждения в наследственном веществе, снижение иммунитета, онкологические заболевания.

После аварии на Чернобыльской АЭС активизировался поиск препаратов, очищающих организм человека от радиоактивных атомов. Необходимо было найти вещества, способные образовывать прочные соединения с радиоактивными изотопами, которые потом легко выводятся из организма. Один из таких препаратов, как следует из источника периодической печати, был найден в альгинатах – продуктах переработки бурых морских водорослей. Как выяснилось, эти водоросли в природе очищают воду океана от тяжелых металлов, лишних солей, радиоактивных изотопов. Синтезированный в нашей стране препарат альгисорб способен очищать организм человека от радиоактивных изотопов, не нарушая обмена веществ, не вызывая аллергических реакций и не влияя на наследственность.