Нобелевские по физиологии и биохимии

Изменено: 31.03.2015 Posted on

Сельское хозяйство, агро- и биохимия

Знаменитые опыты ВанГельмонта с взвешиванием  растений (ивы) и земли 1650-х привели к водной теории питания, но из введенного им же понятия «газов» (из «хаоса» древних) развилась «пневмохимия», газовый анализ и теория воздушного питания и обмена растений и животных Пристли и др.  Лавуазье выразил обмен растений и животных (царств Л.) через не флогистон Пристли, а «первое уравнение» (1У: угле-воды + кисло-род=угле-кислота + вода), отличив животных по составу, азот-содержащих.  Либих надеялся, что  азот растения получают из воздуха, но связать его оказалось сложно (Х 09, 19), после чего доля азота из атмосферы с молниями упала до четверти всего.

В 19 веке химики, Либих установил роль питательных веществ и необходимость удобрений (АФК и 9 элементов «бочки Либиха»),  Пастер – химическую и  инфекционную роль микроорганизмов, в брожении, гниении и болезнях, Бейеринк и др.- их место в обмене и кругообороте веществ природы, царств Линнея. До этого ботаник и микробиолог в Бреслау Ф.Кон (1828-98) открыл споры, термоустойчивость и постоянство свойств бактерий (и Коха!), опроверг их превращения и самозарождение (1872), отнеся их к растениям, низшим водорослям классу Schizophyceae. Морфологически различные их роды Bacterium, Spirillum, Vibrio (без Micrococcus Кона?) Негели (1817-91) в 1849 г. объединил с Sarcina в класс грибов-дробянок Schizomiceten. М.Бейеринк (1851-1931) открыл фиксацию азота в клубеньках бобовых (1887), светящихся бактерий для изучения фотосинтеза (см.Х2008), метод обогащения и чистых культур зеленых водорослей, свободноживущих сульфат-редуцирующих (1894) и азотфиксирующих бактерий (Azotobacter, 1902), определяющих плодородие почвы, чистые культуры молочно- и уксусно-кислых бактерий (1896-98), а также “живое флуидное заразное начало” мозаичной болезни табака небактериальной природы (1898) – фильтрующийся вирус ТБМ. Его “Дельфтская школа микробиологов” к 100-летнему юбилею включала 2 тысячи ученых.   С.Н.Виноградский (1856-1953) развил метод накопительных культур, для выращивания микробов с заданными свойствами, выделив из почвы в чистой минеральной среде нитрифицирующую группу бактерий (Nitroso-monas, coccus, Nitrobacter), Clostridium pasterianum (1895) и хемотрофов – получающих энергию окислением неорганических веществ, как железобактерии, нитчатая Beggiatoa, cоздал отдел С.Х.-бактериологии в институте Пастера (1922-40), основным руководством остается его «Микробиология почвы» (1945). Его ученик В.Л.Омельянский (1867-1928) изучил микробиологический механизм разложения основной массы органики — растений, целлюлозы и пектинов (сложных полисахаридов), в “Гистологические и химические изменения стеблей льна при пектиновом и целлюлозном брожении” (1904) описал разрушающих клетчатку до СО2 с СН4 или Н2 анаэробов – названных метано- и водородо-образующими бациллами. Они определяют биоочистку и метаногенез, в кишечном тракте травоядных усваивают клетчатку. Микробные ферменты разлагают пектины коры и мякоти на моносахариды — галактозу, арабинозу, галактуроновую кислоту, а связанные ими пучки распадаются на элементарные волокна, что стало основой технологии обработки лубяных культур – волокон льна, конопли, кенафа, для изготовления пряжи и тканей. Он также описал “Связывание атмосферного азота почвенными микробами” (1923).

Открывший хроматографию и разделение хлорофилла (а и в) М.С.Цвет (1872-1919) выдвигился на НП, но не получил ее и через полгода умер от голода в дни гражданской войны. Б.П.Токин (1900-79, з.к.эмбриологии ЛГУс 1959) – открыл фитонциды – летучие антибиотики растений против бактерий, позже открыли антибактериальные пептиды, основные белки — дефензины растений, животных и человека.

НП заслужили химические средства защиты (ХЗР).

Потери питательных веществ при консервации зеленой массы до 50% белков и витаминов, как показали в 1920-х Г.Вигнер и А.Виртанен, связаны с биохимическими процессами при сушке и складировании. Виртанен в 1928 г. разработал т.н. АИВ-метод (по его инициалам) консервации трав добавлением сильных кислот, прекращая ферментацию, окисление и распад, и освобождая площади для другого урожая. В 1930-40-е с сокращением международной торговли это дало возможности удовлетворять потребности животноводства стран без импорта и Виртанен стал первым послевоенным лауреатом (Х 45). Он был научным консультантом фирмы «Валио», также развивал технологии производства масла и сыров, в 1920-х изучая энзимы у Эйлер-Хельпина в Стокгольме, с 1925 – биохимию бобовых и фиксации азота — бактерий. Изменение кислотности силоса контролировало химические реакции, разрушение белков и витаминов кормов. С 1931 г. директор НИИ биохимии в фиксации азота  обнаружил роль красного леггемоглобина, подобно гемоглобину крови, связывающего кислород. Нобелевская премия по химии 1945 г. — за «достижения в области сельского хозяйства и химии питательных веществ,  метод консервации кормов» (АИВ). Лауреат в 1948 г. стал и президентом Госакадемии наук и искусств Финляндии, с 1958 г. изучал возможности получения молока от дойных коров на небелковой диете. Опираясь на азотбактерий, он предположил, что ЖКТ коровы может синтезировать аминокислоты молока из азота мочевине и аммония, а не из белка кормов, что подтвердили в 1961 г. — используя добавки мочевины в животноводстве.

Но большие возможности были связаны с химизацией и регуляции био-процессов вне и внутри растений. Фактически кислоты и консерванты Виртанена играли роль естественных фитонцидов (Токина), антисептиков или бактерицидов, после Пастера, Листера и других ставших основным средством медицины, здоровья и роста населения. Но это требовало более и широких и специфичных средств. Их создали в известной своими химико-фармацевтическими компаниями Швейцарии, ранее открывшей связь красителей с лекарствами и др., как и в Германии (Эрлих, Домагк и др.).

Получение Паулем Мюллером дихлор-дифенилтрихлорэтана (ДДТ) положило начало борьбы с «вредителями» и «химическим средствам защиты растений» (ХСЗР), пестицидам в сельском хозяйстве. ДДТ уничтожал вшей – переносчиков тифа (как показали «пастеровцы», Ш.Николь, Б 28), остановил эпидемию тифа в Неаполе в 1943 г. и был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине 1948 г. (Б48). Но действующие против вшей вещества действовали и против других насекомых, как инсектициды (от инсект – насекомое и цид – убивать).

В 1939 г. против колорадского жука, ранее вызывавшего голод в Ирландии и др., на картофельных полях Швейцарии впервые успешно использовали инсектицид. Открыв эффективность ДДТ как средства борьбы с С.Х.вредителями, его широко применяли американские фермы и военные службы, особенно в тропических районах, где клещи и другие вредные насекомые представляли большую угрозу для здоровья (раньше болезни убивали больше войн). Со второй мировой войны применение гербицидов и других средств защиты стало быстро расти в США. Позже обнаружили, что такие ядохимикаты накапливаются в природе и поражают все, вызывая нежелательные последствия, запретив ДДТ и др., осознали необходимость биосредств.

Пестициды (от лат.pestis – зараза и caedo – убиваю) или ядохимикаты включают химические препараты для борьбы с растениями (сорными) – гербициды, болезнями и вредителями – фунгициды, зооциды, инсектициды, нематоциды, акарициды и др. Часто в них включают и дефолианты, десиканты, регуляторы роста растений – т.е.действующие на само растение, внутри – что далее ведет к генрегуляции, селекции и ГМО. Очевидно, эволюция требует более селективного отбора и перехода от общих химических к более специфичным и био-методам борьбы (как аттраканты, репелленты и хемостерилизаторы).

Химизация и интенсификация С.Х. была связана с борьбой с «вредителями» и регуляцией развития вне и внутри на базе реальной генетики и селекции – «искусственного отбора», с созданием интенсивных сортов растений как основного питания человека и животных. Более всех связал развитие науки – химии-биологии и мира, внеся вклад в «зеленую революцию» или «эволюцию» и рост человечества в ХХ веке Норман Э.Борлоуг (Borlaug,1914-70-2009)

С 1942 г. в компании Э.Дюпон де Немура в США он исследовал бактерициды, средства борьбы с грибком, и в 1944 г. Рокфеллеровский фонд  командировал его с патологом растений Д.Харраром в Мексику, испытавшую сильные неурожаи из-за нехватки устойчивых к болезням сортов пшеницы. Но это – комплексная проблема, потребовала объединения патологии и энтомологии, агрономии, почвоведении, генетике, селекции и технологии злаков. Команда Борлоуга создала высокопродуктивные закаленные сорта пшеницы для условий Мексики, устойчивые к разным климатическим условиям и болезням, и к 1948 г. сбор пшеницы позволил отказаться от импорта, ввоза  половины зерна Мексики. Но в 1950-е избыток удобрений приводил к росту и неустойчивости стебля с потерями зерна и в 1954 г. они скрестили свою пшеницу с карликовым сортом Японии (короткостебельный сорт «норин»). Полученный сорт оказался много продуктивнее и рациональнее использовал удобрения для зерна, а не стебля, избавляя злаки от расходов на вегетативную массу и полегания, дав возможность увеличить колос и урожаи, интенсифицировать земледелие с агрохимией. За год-два он удваивал урожаи, в 1965 г. отправил семена в Индостан, район хронического голода, где Индия и Пакистан за пять лет удвоили производство и с тех пор больше всех увеличивают население Земли, обгоняя Китай.

Он получил Нобелевскую премию мира 1970 г. за решение продовольственной проблемы и осуществление «зеленой революции»: «Никто другой из его поколения не сделал столько для того, чтобы дать хлеб голодному миру…». Сам он в Нобелевской лекции сказал, что «первый и важнейший компонент социальной справедливости это достаток пищи для всего человечества… Если Вы стремитесь к миру – насаждайте и справедливость и поля…без хлеба не будет и мира», хотя «Люди должны осознать, что пища лишь одно из условий жизни…возможность образования, труда, медпомощи. И коль скоро человек – потенциально разумное существо, я убежден, что в пределах двух десятилетий он осознает всю губительность пути безответственного роста населения и ограничит его уровнем, обеспечивающим необходимые условия для всего человечества». Но средства ограничения, известные биологии и людям, по Мальтусу, для большинства неприемлимы.

«Зеленая революция», отмеченная НП мира 70 Борлоугу, была связана с развитием С.Х. и генетики в целом и карликовостью сортов. В 1920-30-х такие сорта создавали итальянские и японские селекционеры, когда в СССР развивали свои теории управления наследственностью Вавилов и Лысенко, а США Бербанк. Сорта «Безостая 1» Лукьяненко и «Мироновская 808» Ремесло реализовали методы (превращения яровых в озимые) Лысенко, но в 1965 г. его «Агробиологию» и «темную страницу мировой науки» закрыли усилиями той, поскольку никто не мог добиться тех же результатов. Только в 1970-х открыли гены карликовости и установили их связь с регуляцией экспрессии, фитогормонами и «эпигенетикой», а НП по физиологии изучавшей с 1940-х «подвижные элементы генома» Барбаре Мак Клинток дали только в 1983 г.

(См. «Зеленая революция» и Борлоуг, НП М 70)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *