31.78M

Category:

biology

Принципы естественнонаучного познания. Технологии исследования живых систем (часть 1)

1.

Принципы естественнонаучного
познания
Технологии исследования
живых систем
(часть 1)
Кыров Дмитрий Николаевич
кандидат биологических наук
[email protected]
vk.com/pep19

Принципы естественнонаучного познания
Технологии
исследования
живых систем
(ИнБИО)
Каждая группа
встретится с 10
преподавателями
Физика в
современных
технологиях
Модуль содержит
2 пары лекции
3 пары практики
Новые материалы
(ИнХИМ)
Science
Ведущие специалисты
и направления
естественнонаучных
институтов ТюмГУ
Приглашенные
специалисты
4 пары лекций
3 пары практики
Естественные науки
для индустрии
Экосистемные
услуги
(ИнЗЕМ)

3.

Принципы естественнонаучного познания
Итоговая форма аттестации по курсу: экзамен
Используется 100-балльная система оценивания:
61-75 баллов – «удовлетворительно»
76-90 баллов – «хорошо»
91-100 баллов – «отлично»
Лекция оценивается по 2 балла за одну пару
Практические занятия - 16 баллов за три пары
Группа в контакте: vk.com/pep2019
Кураторы курса:
Нестерова Наталья Владимировна [email protected]
Кыров Дмитрий Николаевич [email protected]

4.

Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution
Ничто в биологии не имеет смысле, не в свете эволюции
Феодосий Добржанский, 1973
ЖИЗНЬ
ЧЕЛОВЕК
СОЗНАНИЕ

5.

КРИТЕРИАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИВОГО
1. Сложная химическая организация и
структура
2. Система получения, преобразования и
использования энергии из среды
3. Самовоспроизведение
4. Восприятие изменений среды
5. Рост и развитие
6. Специфичность функций и регуляция
7. Способность к эволюции

6.

Чарльз Дарвин
(1809-1882)
Феодосий Добржанский
(1900-1975)
«Происхождение видов путём «Генетика и происхождение видов»
естественного отбора, или
1937
Сохранение благоприятствуемых
пород в борьбе за жизнь», 1859
Синтетическая теория эволюции

7.

вирусы
Центральная «догма» молекулярной биологии
©http://caenogenesis.livejournal.com/104060.html
(1953)
Физика помогла биологии

8.

Жизнь — это химическая система,
способная к дарвиновской эволюции (NASA,
2007)
Эволюция по Дарвину:
1. Эволюционирующие единицы порождают свои
копии (самовоспроизведение)
2. Копирование неточное (мутации)
(гетерогенность)
3. Ошибки копирование передаются копиям
(наследственность)
4. Ошибки копирования влияют на вероятность
дальнейшего копирования единиц (отбор)

9.

РНК-мир
http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n5/full/nchem.1636.html

10.

Основная догма молекулярной биофизики
©(https://biomolecula.ru/articles/kompiuternye-igry-vmolekuliarnuiu-biofiziku-biologicheskikh-membran)

11.

Хехт (2009)
400 случайных 4-спиральных белка из 102 аминокислот:
90% - компактные
60% - связывали гем (кофактор Fe)
50% - пероксидазная активность (H-O-O-H)
30% - эстеразная активность (-O-)
20% - липазная активность (-OC-O-)
3% - три вида активности

12.

(1858)
• Живые организмы состоят
из клеток
• Клетка – элементарная
функциональная единица
жизни
• Клетка образуются из
клетки
• В клетке идет обмен
веществ и энергии
• Генетическая информация
передается от клетки к
клетке с помощью ДНК
(молекула от молекулы)
• Клетки имеют похожий
химический состав
• Клетки многоклеточных
тотипотентны

13.

14.

http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201648#s1 (04.2016)

15.

16.

Группа особей
Экология/
Эволюционная биология
↓↑
Организм/индивид
Биология развития
Физиология
↓↑
Гены
Молекулярная биология
Биохимия

17.

ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
(ООН)
АРКТИКА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ЗДОРОВЬЕ И ДЕМОГРАФИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
СПРАВЕДЛИВОСТЬ И НЕРАВЕНСТВО
ПИТЬЕВАЯ ВОДА
ЧИСТАЯ ЭНЕРГЕТИКА

18.

Общество ждет решения проблем!
IT
Физика
Биология
Редактирование генома
Персональная медицина
Биопринтинг

19.

McCauley D.J., Pinsky M.L., Palumbi S.R., Estes J.A., Joyce F.H., Warner R.R. (2015).
Marine defaunation: Animal loss in the global ocean. Science. 347, 247–254;
(https://biomolecula.ru/articles/eto-strashnoe-slovo-defaunizatsiia)

20.

1972 - первая рекомбинантная
молекула ДНК ( П. Берг, США).
1975 - Г. Келлер и Ц. Мильштейн
опубликовали статью, в которой
описали метод получения
моноклональных антител;
1981 - разрешен к применению в США
первый диагностический набор
моноклональных антител;
1982 - поступил в продажу
человеческий инсулин, продуцируемый
клетками кишечной палочки;
1997 - клонировано первое
млекопитающее (овечка Долли) из
дифференцированной соматической
клетки.
Разрешена к применению в
Европейских странах вакцина для
животных, полученная по технологии
рекомбинантных ДНК

21.

22.

«КЛОНИРОВАНИЕ»
ЭКСТРАКОРПОРАЛЬНОЕ
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
(Нобелевская премия, 2010)

23.

РЕБЕНОК ОТ ТРЕХ РОДИТЕЛЕЙ (2015 – законно в Великобритании)

24.

25.

Геном человека (1990-2001)

26.

Персонализированная медицина

27.

CRISPR-CAS9

28.

Стволовая клетка
Органоиды
http://blogs.plos.org/dnascience/2013/08/28/10-reasons-why-growing-a-human-brain-ina-dish-is-terrific/

29.

30.

легкое на чипе
ГЭБ на чипе
сосуды на чипе
миокард на чипе

31.

Крейг Вентер
Синтетическая биология

32.

https://youtu.be/giEJK5zHJmw
http://www.jcvi.org (2016)

33.

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
БИОБЕЗОПАСНОСТЬ (ЧТО ТАКОЕ ПРИРОДА?)

34.

Принципы естественнонаучного
познания
Технологии исследования
живых систем
(часть 2)
Кыров Дмитрий Николаевич
кандидат биологических наук
[email protected]
vk.com/pep19

35.

«Усиление междисциплинарного
мышления наблюдается в разных
дисциплинах и не показывает
признаков замедления. С ростом
популяции исследователей,
научной литературы и знаний
научные усилия все больше
интегрируются через границы
наук. Научно-исследовательским
учреждениям и финансирующим
органам было бы полезно понять,
что междисциплинарность
становится нормой».

36.

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
БИОБЕЗОПАСНОСТЬ (ЧТО ТАКОЕ ПРИРОДА?)

37.

Биосфера
Общество
Природа
Культура Живое Неживое
Человек
Ноосфера
Владимир Вернадский
(1863-1945)

38.

Среда
Равновесие
Устойчивость
Кризис
Человек стал значимым фактором в биосфере

39.

Экологизация общества
Тренд на катастрофизм и неопределенность

40.

Четыре закона экологии
Барри Коммонера
«Все связано со всем»
«Все должно куда-то деваться»
«Природа знает лучше»
https://en.wikipedia.org/
wiki/Barry_Commoner
«Ничто не дается даром»
«Замыкающийся круг» 1971
Экология и политика тесно связаны с 1970 х годов

41.

42.

БИОБЕЗОПАСНОСТЬ (ЧТО ТАКОЕ ЗДОРОВЬЕ?)

43.

Саноцентрический
Подход
Здоровье - полное физическое, психическое, социальное и нравственное
благополучие, а не только отсутствие болезней или физических дефектов.
Счастье – субъективное благополучие (изучают психологи)

44.

Всемирная организация здравоохранения
Алкоголь
Детское здоровье
Табак
Холера
Окружающая среда
Финансирование
ВИЧ/СПИД
Иммунизация
Малярия
Материнство
Психическое здоровье
Тропические болезни
Неинфекционные болезни
Психотропные вещества
Дорожное движение
Туберкулез
Здоровье в городе
Профилактика насилия
Насилие против женщин
Вода и санитария
http://www.who.int/ru/

45.

Компьютеры и Big Data
Время, ритмы (хронобиология)
Дизадаптация
(маладаптация)
Психологическая А. Индивид
Группа
(социум)
Сохранение/разрушение
экосистемы
Городская среда
человек среда
общество
здоровье
Космические
факторы
Земные
Социальные
Механизмы
адаптации
(приспособление)
Организм
Питание
Работоспособность
Популяция
(биология)
Плотность населения
Технологии
Конституция (генетическая А.)
Стресс (физиологическая А.)
Специфическая реакция
экопортрет
Культурная адаптация ≠ Биологическая адаптация
Междисциплинарность экологии человека
(биология, география, медицина, антропология)

46.

Тип:
Хордовые
Подтип:
Позвоночные
Инфратип:
Челюстноротые
Надкласс:
Четвероногие
Класс:
Млекопитающие
Подкласс:
Звери
Инфракласс:
Плацентарные
Надотряд:
Euarchontoglires
Грандотряд:
Euarchonta
Миротряд: Приматообразные
Отряд:
Приматы
Подотряд: Сухоносые обезьяны
Инфраотряд: Обезьянообразные
Парвотряд: Узконосые обезьяны
Надсемейство: Человекообразные
обезьяны
Семейство:
Гоминиды
Подсемейство:
Гоминины
Триба:
Гоминини
Подтриба:
Хоминина
Род:
Люди
Вид: Человек разумный
Homo sapiens L., 1758

47.

организм
микроуровень
функция
макроуровень
регуляция
Как функция помогает выжить?
Какие структуры отвечают за эту функцию?

48.

Human physiology, 2017

49.

50.

Функциональная система по П.К. Анохину (1968)

51.

Отношения гипоталамуса, гипофиза и надпочечников в
управлении секрецией гормонов надпочечников.
Модификация: Melmed S., Polonsky K.S., Larsen P.R.,
Kronenberg H.M., Eds. Williams Textbook of Endocrinology,
12th ed., Saunders, 2011. Трифонов,2015
http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/hypta4.htm

52.

53.

Гомеостаз

54.

Системы регуляции гомеостаза

55.

«стресс является неспецифической
реакцией организма на любое
требование, предъявляемое к нему...»
Норма ↔ Адаптивность ↔ Патология
Ганс Селье
(1907-1982)

56.

Илья Мечников
(1845-1916)
Иммунитет – это отбор клонально-селективных антител, а не
обучение клеток

57.

58.

59.

Исследования биомаркеров
загрязнения

60.

Крайний Север и территории приравненные к Северу
Мы здесь!
Автор: Hellerick - собственная работа, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25830962

61.

Исследование Обь-Иртышского бассейна

62.

Многие металлы (Pb, Cd) могут
проникать в организм аналогично
эссенциальным
элементам
по
кальциево-натриевым и кальциевомагниевым
каналам.
Некоторые
металлы могут адсорбироваться из воды
как гидратированные ионы, например
Cu и Cd. Наряду с поглощением
гидратированных
металлов,
неорганические
и
органические
комплексы (например, CdCl2,HgCl2,
Hg(CH3)2) могут быть поглощены прямой
диффузией
с
увеличением
их
липофильности.
https://doi.org/10.31857/S0016-7525647675-688

63.

64.

Биологический маркер (биомаркер) – это
характеристика, которую можно объективно
измерить в организме и которая может
служить
в
качестве
индикатора
физиологических
и
патологических
биологических
процессов
или
для
прогнозирования частоты исхода (outcomes)
или заболевания (end-points)
Национальный институт здоровья США, ВОЗ, ООН 2001

65.

Как оценить работу диагностического теста? Что, если он сработал неправильно,
назвав здорового больным или наоборот?
иллюстрация Алены Беляковой
Точность = (ИП + ИО) / Общее число
https://biomolecula.ru/articles/omiksобследованных
biomarkery-i-ranniaia-diagnostika-kogdaЧувствительность = ИП / (ИП + ЛО)
schaste-vozmozhno
Специфичность = ИО / (ИО + ЛП)

66.

Биомаркер экспозиции
Окружающая среда
Организм
Экзогенное вещество или фактор
Экзогенное вещество
Метаболит
Продукт взаимодействия с
молекулой/клеткой мишенью
Внешнее воздействие → внутренняя доза → концентрация в организме
Более 400 наименований химических веществ и референтные величины

67.

Окружающая среда
Биомаркер эффекта
Организм
Экзогенное вещество или фактор
Биохимическое, физиологическое
поведенческое изменение в
организме, которое определяет
потенциальное нарушение здоровья
и развитие болезней
доза → маркер экспозиции → маркер эффекта → ответ
Специфические и неспецифические биомаркеры

68.

Окружающая среда
Биомаркер чувствительности
Организм
Экзогенное вещество или фактор
Полиморфизм ферментов и белков
(врожденная или приобретенная
способность)
доза → маркер экспозиции → маркер эффекта → ответ ← маркер чувствительности

69.

70.

71.

DOI:10.1039/C7CP05456D

72.

https://doi.org/10.31857/S0016-7525647675-688
Металлотионеины
―
это
низкомолекулярные
цистеинсодержащие
белки
(6000−7000 Da), которые характерны
для живых организмов всех типов
(Hudson, 1998). Белки локализуются
на мембране аппарата Гольджи.
Связывание
металлов,
как
эссенциальных― Zn и Cu, так и
токсичных― Cd и Hg, является их
специфической
функцией,
направленной на защиту клетки от
токсического действия металлов.
Связывание
тяжелых
металлов
обеспечивается наличием тиольных
групп остатков цистеинов, которые
составляют
около
30%
всего
аминокислотного
состава
этих
белков. Одна молекула способна
связать до 7−12 атомов металла
(Rainbow, 1995)

73.

Металлотионеин
https://doi.org/10.3389/fmars.2014.00034

74.

https://doi.org/10.3389/fmars.2014.00034

75.

Это Салехард!

76.

One Health approach
Загрязнение
Улучшение качества
окружающей
природной среды и
экологических условий
жизни человека
ткани
металлы
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.05.273

77.

78.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896971530293X

79.

80.

https://www.researchgate.net/figure/Environmental-public-health-continuumused-by-the-US-EPA-for-strategic-planning-of_fig2_7619962

81.

http://optimist.35photo.ru/photo_231243/#author/231243
Copyright by optimist

82.

https://www.researchgate.net/figure/Environmental-public-health-continuum-used-bythe-US-EPA-for-strategic-planning-of_fig2_7619962

83.

http://www.circumarctic.com/peoples/nenets/
Photos courtesy of Alexander
Romanov - Tyumen House of
Photography

84.

https://www.researchgate.net/figure/Environmental-public-health-continuumused-by-the-US-EPA-for-strategic-planning-of_fig2_7619962

85.

Что делать дальше?
1. Расшифровать геномов индикаторных и
модельных организмов
2. Проверять новые химические веществ для
установление ПДК и референтных величин
3. Искать новых биомаркеров состояний и
заболеваний (животных)
4. Использование мультибиомаркерного подхода
для повышения чувствительности
5. Выявлять новые экологические факторы риска