Актуальные исследования в естественно-научных областях

В настоящее время в связи с развитием современных методов и технологий проводятся исследования и делаются открытия в таких науках, как биология, микробиология, химия, физика и смежных науках.

Современная биология включает в себя множество направлений:

— Синтетическая биология является одним из новых направлений генной инженерии. Ее задача — создание новых геномов и соответствующих им ранее не существовавших живых организмов;

— Бионика изучает процессы физиологии организмов, их поведения. Одно из перспективных направление бионики — биопринтинг — печать органов на 3D-принтере;

— Нанобиотехнология — область науки, которая занимается созданием, изучением и применением нанотехнологических устройств и наноматериалов;

— Квантовая биология изучает поведение небольших масс, сгустков энергии в живых клетках, тканях, структурах организмов;

— Нутригеномика –изучает гены, которые влияют на усвояемость пищи.

Это далеко не полный перечень развития областей современной биологии

Исследования в области микробиологии проводятся для изучения ответной реакции микроорганизмов на воздействие антибиотиков в связи с возникшей проблемой их резистентности. Проводится исследование контролируемых мутаций клеток для создания микроорганизмов с заданными свойствами. Производится анализ жизнедеятельности микроорганизмов для использования в промышленности, например, для деструкции отходов нефтепродуктов и других опасных соединений. Исследуются свойства ферментов и их влияние на микроорганизмы для использования их в различных областях промышленности и медицине.

Развитие и прикладное использование в химии так же стремительно и всесторонне развивается. О многообразии направлений исследований можно судить по присуждению Нобелевской премии за последние годы. В 2023 года гражданин России Алексей Екимов стал одним из трех лауреатов Нобелевской премии по химии. Награда была присуждена за фундаментальные открытия в области нанотехнологий: за открытие и исследование квантовых точек — нанокристаллов, используются повсюду: в экранах компьютеров и телевизоров, для придания цветовых оттенков в люминесцентных лампах, в биохимии и медицине для исследований тканей. Шотландские ученые создали искусственные клетки, которые способны вырабатывать белки, аналогичные настоящим живым клеткам. Для их создания была разработана методика полимеризационно-индуцированной самосборки, которая позволяет синтезировать полимеры. Лауреатами Нобелевской премии по химии 2024 года стали американские ученые Дэвид Бейкер и Джон Джампер и британец Демис Хассабис. Награды они удостоены за то, что предсказание структуры белковых соединений. Нобелевская премия-2025 по химии присуждена японцу Сусуму Китагаве, австралийцу Ричарду Робсону и американцу Омару Яги за создание металл-органических каркасных конструкций с большими пространствами, в которые могут помещаться газы и другие химические вещества. Эти структуры можно использовать для получения воды из воздуха в пустыне, улавливания углекислого газа, хранения токсичных газов или катализа химических реакций. Их удалось создать, соединив органическую химию с неорганической.

Одно из главных направлений в современной физике — исследование вещества на уровне самых фундаментальных составляющих его частей — субатомных частиц. Наиболее ярким российским достижением в области субатомной физики за последние годы стало получение новых химических элементов. Так же перспективные исследования проводятся в физике лазеров, изучается их взаимодействие с веществом. Лазерное излучение можно использовать для получения излучения других диапазонов, недоступных для генерации напрямую. Например для диапазона, называемого терагерцовым (ТГц). Подобно рентгеновскому, ТГц излучение способно проходить сквозь тела, позволяя делать их снимки, но при этом оно не является ионизирующим, и потому безопаснее. Совсем новое направление в исследованиях взаимодействия света с микро- и наноструктурами на поверхности или внутри вещества и его влияния на фотосинтез.

Совершенствование биотехнологий

Биотехнологии, генная и клеточная терапия, регенеративные технологии сегодня являются приоритетными направлениями в развитии медицины. Биотехнологии эффективны для решения задач диагностики и лечения. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и иммуноферментный анализ (ИФА) широко применяются для экспресс-диагностики COVID-19. так же благодаря применению биотехнологий были созданы препараты для борьбы с пандемией. С помощью биотехнологий развивается регенераторное и иммуностимулирующее направление медицины, создание искусственных органов и тканей. Создание искусственного интеллекта позволило интенсифицировать научные разработки. Он эффективно справляется с большим объемом анализируемой информации. Применение искусственного интеллекта при исследованиях позволяет выявлять мутации при заболеваниях. В фармакологии успешно создаются новые типы вакцин и лекарственных средств, способных действовать на клеточном уровне. Государство активно поддерживает развитие биотехнологий в медицине и фармакологии. Например, из государственных инвестиций в фармацевтику более 75 % приходится на развитие и поддержку биотехнологий.

Использование биохимических исследований в сельском хозяйстве позволило создать эффективные формы микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заранее запрограммированными свойствами. Сельскохозяйственные культуры растений подвержены влиянию ряда негативных факторов: сорняков, грызунов, вредителей, грибов, бактерий, вирусов, погодных условий. Генная инженерия, являющаяся одной из разновидностей биотехнологий, помогает существенно повысить устойчивость растений. При этом существует ряд спорных методов, связанных с вмешательством в генетический код растений — получение генно-модифицированных организмов (ГМО). До сегодняшнего дня нет достоверных данных об их безопасности. Облачные сервисы позволяют при проведении биотехнологических исследований в сельском хозяйстве. Появилась возможность хранить значительные объемы информации без создания дополнительной инфраструктуры. Благодаря удаленному доступу возможно проведение совместных исследований в территориально отдаленных друг от друга регионах, что адаптировать результаты исследований для каждого региона.

Промышленная биотехнология объединяет в себе химию, микробиологию, информатику для использования микроорганизмов, клеток, тканей и генов с целью интенсификации различных технологических процессов. Биотехнологии также применяются в металлургии, при повышении добычи нефти и газа. Биоэнергетика развивает использование экологически безопасные источников энергии взамен традиционных. Микробиологический синтез позволяет создать пищевой белок не отличимый от натурального, который созревает в 10 раз быстрее при минимальных затратах на производство.

Применение биотехнологий при производстве продукции и утилизации отходов позволяет получить биоразлагаемые отходы, не оказывающие негативного воздействия на окружающую среду и побочные продукты, которые могут быть использованы в технологическом процессе. Например, сжигаться с использованием тепла в биореакторах для микробиологической утилизации отходов.

Заключение

Использование биотехнологий в различных областях хозяйственной деятельности, медицине и фармацевтике помогает успешно решать значительное количество задач и проблем. От успешности их решения зависит состояние здоровья населения, экономическая и продовольственная безопасность. Успешность развития биотехнологии обусловлена использованием результатов исследований и открытий в естественных и прикладных науках, применением для анализа и обработки информации с использованием искусственного интеллекта. Сегодня биотехнология является одним из приоритетных направлений развития научно-технического прогресса в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и экологии. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством, как недостаток питьевой воды, пищевых продуктов (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, дефицит сырьевых и энергетических ресурсов, поиск новых средств диагностики и лечения заболеваний не могут быть решены без помощи биотехнологии.

Литература:

1. Биотехнология: учеб. пособие / Ю. О. Сазыкин, С. Н. Орехов, И. И. Чакалева. — М.: Академия, 2007–253 с.
2. Введение в биотехнологию / Т. Г. Волова. — Красноярск: ИПК СФУ, 2008–183 с.
3. Микробиология с основами биотехнологии: учеб. пособие / А. И. Машанов, Н. А. Величко, Ж. А. Плынская; Краснояр. гос. аграр. ун-т. — Красноярск, 2015–168 с.
4. Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, открытия и достижения: сборник статей XXVI Международной научно-практической конференции. — Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». — 2021–312 с.
5. Наука XXI века: актуальные направления развития: сборник научных статей XIV Международной научно-практической конференции, Самара, 20 февраля 2025 года / редколлегия: Е. А. Кандрашина, М. О. Сураева — Самара: Изд-во СГЭУ, 2025 — Вып. 1, ч. 1–564 с.
6. Основы биотехнологии: учеб. пособие / О. С Федорова; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. — Красноярск, 2022–100 с.
7. Площук Н. Г. Новейшие направления современной биологической науки / Н. Г. Площук // Биологические науки. — 2019. — № 16. — С. 89–93.