У XXI в. біологія виступає лідером природознавства. Це зумовлено насамперед зростанням її практичних можливостей, її програмує роллю в аграрній, медичній, екологічній та інших сферах діяльності, здатністю вирішувати найважливіші проблеми життєдіяльності людини, в кінцевому рахунку навіть визначати долі людства (у зв'язку з перспективами біотехнологій, генної інженерії) і т. п. Однією з найважливіших форм зв'язку сучасної біології з практикою є біотехнології.

 Біотехнології - технологічні процеси, реалізовані з використанням біологічних систем - живих організмів і компонентів живої клітини. Іншими словами, біотехнології пов'язані з тим, що виникло біогенним шляхом. Біотехнології засновані на останніх досягненнях багатьох галузей сучасної науки: біохімії і біофізики, вірусології, фізико-хімії ферментів, мікробіології, молекулярної біології, генетичної інженерії, селекційної генетики, хімії антибіотиків, імунології та ін..

 Сам термін «біотехнологія» новий: він набув поширення в 1970-і рр.., Але людина мала справу з біотехнологіями і в далекому минулому. Деякі біотехнологічні процеси, засновані на застосуванні мікроорганізмів, людина використовує ще з найдавніших часів: в хлібопеченні, в приготуванні вина і пива, оцту, сиру, різних способах переробки шкір, рослинних волокон і т.д. Сучасні біотехнології засновані головним чином на культивуванні мікроорганізмів (бактерій і мікроскопічних грибів), тварин і рослинних клітин, методах генної інженерії.

 Основними напрямами розвитку сучасних біотехнологій є медичні біотехнології, агробіотехнології та екологічні біотехнології. Новітнім і найважливішим відгалуженням біотехнології є генна інженерія.

 Медичні біотехнології підрозділяються на діагностичні та лікувальні. Діагностичні медичні біотехнології в свою чергу поділяють на хімічні (визначення діагностичних речовин і параметрів їх обміну) і фізичні (визначення особливостей фізичних процесів організму).

 Хімічні діагностичні біотехнології використовуються в медицині давно. Але якщо раніше вони зводилися до визначення в тканинах і органах речовин, що мають діагностичне значення (статичний підхід), то зараз розвивається і динамічний підхід, що дозволяє визначати швидкості утворення і розпаду представляють інтерес речовин, активність ферментів, що здійснюють синтез або деградацію цих речовин, і др . Крім того, сучасна діагностика розробляє методи функціонального підходу, за допомогою якого можна оцінювати вплив функціональних впливів на зміну діагностичних речовин, а отже, виявляти резервні можливості організму.

 У майбутньому зросте роль фізичної діагностики, яка дешевше і швидше, ніж хімічна, і полягає у визначенні фізико-хімічних процесів, що лежать в основі життєдіяльності клітини, а також фізичних процесів (теплових, акустичних, електромагнітних та ін) на тканинному рівні, рівні органів і організму в цілому. На базі такого роду аналізу в рамках біофізики складних біологічних систем будуть розвиватися нові методи фізіотерапії, з'ясується сенс багатьох так званих нетрадиційних методів лікування, прийомів народної медицини і т.д.

 Біотехнології широко використовуються у фармакології. У давнину для лікування хворих застосовували тваринні, рослинні і мінеральні речовини. Починаючи з XIX в. у фармакології набувають поширення синтетичні хімічні препарати, а з середини XX в. і антибіотики - особливі хімічні речовини, які утворюються мікроорганізмами і здатні надавати вибірково токсичний вплив на інші мікроорганізми. Наприкінці XX в. фармакологи звернулися до індивідуальних біологічно активним сполукам і стали складати їх оптимальні композиції, а також використовувати специфічні активатори та інгібітори певних ферментів, суть дії яких - у витісненні патогенної мікрофлори нешкідливою для здоров'я людей мікрофлорою (використання мікробного антагонізму).

 Біотехнології допомагають у боротьбі сучасної медицини з серцево-судинними захворюваннями (насамперед з атеросклерозом), з онкологічними захворюваннями, з алергіями як патологічним порушенням імунітету (здатність організму захищати свою цілісність і біологічну індивідуальність), старінням та вірусними інфекціями (у тому числі зі СНІДом) . Так, розвиток імунології (науки, що вивчає захисні властивості організму) сприяє лікуванню алергії. При алергії організм відповідає на вплив деякого специфічного алергену надмірною реакцією, повреждающей його власні клітини і тканини в результаті набряку, запалення, спазму, порушень мікроциркуляції, гемодинаміки та ін Імунологія, вивчаючи клітини, що здійснюють імунну відповідь (імуноцити), дозволяє створювати нові підходи до лікуванню імунологічних, онкологічних та інфекційних захворювань.

 Людина поки не вміє лікувати СНІД і погано лікує вірусні інфекції. Хіміотерапія та антибіотики, ефективні в боротьбі з бактеріальною інфекцією, неефективні щодо вірусів (наприклад, збудників атипової пневмонії). Передбачається, що тут істотний прогрес буде досягнутий завдяки розвитку імунології, молекулярної біології вірусів, зокрема вивчення взаємодії вірусів із специфічними для них клітинними рецепторами.

 Біотехнологічними способами виробляють вітаміни, діагностичні засоби для клінічних досліджень (тест-системи на наркотики, ліки, гормони тощо), біорозкладанні пластмаси, антибіотики, біосумісні матеріали. Нова область біоіндустрії - виробництво харчових добавок. 

 «Зелена революція» відбулася за рахунок використання мінеральних добрив, пестицидів та інсектицидів. З їх допомогою вдалося домогтися різкого підвищення продуктивності рослинництва. Але зараз зрозумілі і її негативні наслідки, наприклад насичення продуктів харчування нітратами та отрутохімікатами. Основне завдання сучасних агробіотехнологій - подолання негативних наслідків «зеленої революції», мікробіологічний синтез засобів захисту рослин, виробництва кормів і ферментів для кормовиробництва та ін. При цьому наголос робиться на біологічні методи відновлення родючості ґрунту, біологічні методи боротьби з шкідниками сільськогосподарських культур, на перехід від монокультур до полікультур (що підвищує вихід біомаси з одиниці площі сільгоспугідь), виведення нових високопродуктивних і володіють іншими корисними властивостями (наприклад, посухостійкістю або стійкістю до засолення) сортів культурних рослин.

 Продовольчі сільськогосподарські культури служать сировиною для харчової промисловості. Біотехнології використовуються при виготовленні харчових продуктів з рослинної і тваринної сировини, їх зберіганні і кулінарній обробці, при виробництві штучної їжі (штучної ікри, штучного м'яса з сої, боби якої багаті повноцінним білком), при виробництві корму для худоби з продуктів, отриманих з водоростей і мікробної біомаси (наприклад, отримання кормової біомаси з мікробів, що ростуть на нафти).

 Оскільки мікроорганізми надзвичайно різноманітні, мікробіологічна промисловість на їх основі виробляє самі різні продукти, наприклад ферментні препарати, що знаходять широке застосування у виробництві пива, спирту і т.д.

 Біотехнології виступають одним з найважливіших способів вирішення екологічних проблем. Вони застосовуються для знищення забруднень навколишнього середовища (наприклад, очищення води або очищення від нафтових забруднень), для відновлення зруйнованих біоценозів (тропічних лісів, північній тундри), відновлення популяцій зникаючих видів або акліматизації рослин і тварин у нових місцях проживання.

 Так, за допомогою біотехнологій вирішується проблема освоєння забруднених територій стійкими до цих забруднень видами рослин. Наприклад, взимку в містах для боротьби зі сніговими заметами використовуються мінеральні солі, від яких гинуть багато видів рослин. Однак деякі рослини стійкі до засолення, здатні поглинати цинк, кобальт, кадмій, нікель та інші метали з забруднених ґрунтів; звичайно, вони краще в умовах великих міст. Виведення сортів рослин з новими властивостями - один з напрямків екологічної біотехнології.

 Важливі напрямки екологічних біотехнологій - ресурсна біотехнологія (використання біосистем для розробки корисних копалин), біотехнологічна (з використанням бактеріальних штамів) переробка промислових і побутових відходів, очищення стічних вод, знезараження повітря, генно-інженерні екологічні біотехнології.

 Біотехнології успішно застосовуються в деяких «екзотичних» галузях. Так, у багатьох країнах мікробна біотехнологія використовується для підвищення нафтовіддачі. Мікробіологічні технології виключно ефективні і при отриманні кольорових і благородних металів. Якщо традиційна технологія включає в себе випал, при якому в атмосферу викидається велика кількість шкідливих сірковмісних газів, то при мікробної технології руда переводиться в розчин (мікробне окислення), а потім шляхом електролізу з нього отримують цінні метали.

 Використання метанотрофних бактерій дозволяє знизити концентрацію метану в шахтах. А для вітчизняної вуглевидобутку проблема шахтного метану завжди була однією з найгостріших: за статистикою, через вибухи метану в шахтах кожен видобутий 1 млн. т. вугілля забирає життя одного шахтаря.

 Створені біотехнологічними методами ферментні препарати знаходять широке застосування у виробництві пральних порошків, в текстильній і шкіряній промисловості.

 Космічна біологія і медицина вивчають закономірності функціонування живих організмів, насамперед людського, в умовах космосу, космічного польоту, перебування на інших планетах і тілах Сонячної системи. Одним з важливих напрямків у цій галузі є розробка космічних біотехнологій - замкнутих біосистем, призначених для функціонування в умовах тривалого космічного польоту. Створена вітчизняною наукою система такого роду здатна забезпечити життєдіяльність космонавтів протягом 14 років. Цього цілком достатньо для реалізації космічної мрії людства - польоту до найближчих планет Сонячної системи, насамперед до Марса.

 Таким чином, сучасні біотехнології виключно різноманітні. Не випадково XXI в. нерідко називають століттям біотехнології. Найважливішим відгалуженням біотехнології, що відкриває самі приголомшливі перспективи перед людством, є генна інженерія.

 Генна інженерія виникла в 1970-і рр.. як розділ молекулярної біології, пов'язаний з цілеспрямованим створенням нових комбінацій генетичного матеріалу, здатного розмножуватися (у клітині) і синтезувати кінцеві продукти.

 Методами генної інженерії спочатку були отримані трансгенні мікроорганізми, які мають гени бактерії і гени онкогенного вірусу мавпи, а потім - мікроорганізми, що несуть у собі гени мушки дрозофіли, кролика, людини і т.д. Згодом вдалося здійснити мікробний (і недорогий) синтез багатьох біологічно активних речовин, присутніх в тканинах тварин і рослин у вельми низьких концентраціях: інсуліну, інтерферону людини, гормону росту людини, вакцини проти гепатиту, а також ферментів, гормональних препаратів, клітинних гібридів, що синтезують антитіла бажаної специфічності, і т.п.

 Генна інженерія відкрила перспективи конструювання нових біологічних організмів - трансгенних рослин і тварин із заздалегідь запланованими властивостями. По суті, непереборних природних обмежень для синтезу генів немає (так, існують програми по створенню трансгенної вівці, покритої замість вовни шовком; трансгенної кози, молоко якої містить цінний для людини інтерферон; трансгенного шпинату, який виробляє білок, що пригнічує ВІЛ-інфекції, і др .). Виникла нова галузь промисловості - трансгенна біотехнологія, що займається конструюванням і застосуванням трансгенних організмів. (Зараз у США функціонує вже близько 2500 генно-інженерних фірм.)

 У нерозривному зв'язку з розробкою технологій генної інженерії розвиваються фундаментальні дослідження в молекулярній біології. Одним з найважливіших напрямків молекулярної біології та генної інженерії є вивчення геномів рослинних і тваринних видів і розробка способів їх реконструкції. Геном - це сукупність генів, характерних для гаплоидного, тобто одинарного набору хромосом даного виду організмів. На відміну від генотипу геном являє собою характеристику виду, а не окремої особини. Загальна логіка дослідження веде молекулярну біологію від з'ясування способів відтворення генома виду до розробки способів відтворення генотипу особини.

 Величезне значення має вивчення генома людини. В рамках одного з найбільш трудомістких і дорогих в історії науки міжнародного проекту «Геном людини» (розпочато в 1988 р., задіяно декілька тисяч вчених з понад 20 країн; вартість - до 9 млрд. дол.) було поставлено завдання - з'ясувати послідовність нуклеотидних підстав у всіх молекулах ДНК людини і локалізувати їх, тобто повністю картировать всі гени людини. Очікується, що потім дослідники визначать всі функції генів і розроблять технологічні способи використання цих даних.

  У ході виконання проекту «Геном людини» розроблено багато нових методів дослідження, більшість з яких останнім часом автоматизовано. Це значно прискорює і здешевлює розшифровку ДНК, що є найважливішою умовою для їх широкого використання в медичній практиці, фармакології, криміналістиці і т.д. Серед цих методів є й такі, які дозволяють розшифровувати генотип окремої людини і створювати генні портрети людей. Це дає можливість ефективніше лікувати хвороби, оцінювати здібності і можливості кожної людини, виявляти різницю між популяціями, оцінювати ступінь пристосованості конкретної людини до тієї чи іншої екологічної обстановці. За послідовностей ДНК можна встановлювати ступінь спорідненості людей. Розроблено метод «генетичної дактилоскопії», який з успіхом застосовується в криміналістиці. Подібні підходи можна використовувати в антропології, палеонтології, етнографії, археології.

 Вже зараз молекулярна генетика відкриває широкі перспективи для генної інженерії. Одне з таких перспективних напрямків - створення трансгенних рослин, тварин, мікроорганізмів, тобто таких організмів, у власний генетичний матеріал яких «вмонтовані» чужорідні гени.

 На цьому шляху отримані чудові результати. Так, за останні 15 років пройшли польові випробування близько 25 000 різних трансгенних рослинних культур, одні з яких стійкі до вірусів, інші - до гербіцидів, треті - до інсектицидів. Площа посівів трансгенних гербіцідоустойчівих сої, бавовни, кукурудзи займають 28 млн га в усьому світі. Вартість врожаю трансгенного зерна 2000 оцінений в 3 млрд дол Розвинена та індустрія трансгенних тварин. Вони широко використовуються для наукових цілей як джерело органів для трансплантації, як виробники терапевтичних білків, для тестування вакцин та ін Наприклад, в Німеччині трансгенний бик (по кличці Герман) містить у своєму геномі людський ген лактоферину, який кодує синтез особливого білка жіночого молока, від якого немовлята солодко сплять.

 Складовою частиною проектів створення трансгенних організмів є дослідження і розробки в галузі генної терапії - лікувальні процедури, такі, як введення потрібних трансгенів у клітини хворого організму, заміна хворих генів здоровими, адресна доставка ліків в уражені клітини. Трансгени, потрапляючи у клітину, компенсують її генетичні дефекти, послаблюючи або посилюючи синтез того чи іншого білка.

 Надалі трансгенні технології передбачається використовувати для вирішення широкого кола проблем. Так, для вирішення ряду екологічних проблем розробляється програма конструювання трансгенних мікробів, які можуть: активно поглинати СО2 з атмосфери, а отже, знижувати парниковий ефект; активно поглинати воду з атмосфери, значить перетворювати пустелі на родючі землі; конструювати трансгенні мікроорганізми, що підвищують родючість грунтів і т.п.

 Для підвищення ефективності сільського господарства передбачається створювати трансгенні рослини з підвищеною харчовою і кормовою цінністю, трансгенні дерева для виробництва паперу, для нарощування деревини, трансгенних тварин з підвищеною продуктивністю біомаси та молока, трансгенні види цінних порід риб, зокрема лососевих; та ін..

 Підвищення ефективності охорони здоров'я за допомогою трансгенних технологій припускає, зокрема, рішення проблем контролю над спадковими захворюваннями (трансгенні віруси для генної терапії, трансгенні мікроби як живі вакцини та ін.) Обговорюються проблеми клонування тварин (і людей) і навіть створення нових форм живого (для нового генетичного коду синтезуються нові нуклеотиди і нові амінокислоти), здатних освоювати інші планети (обговорюється проект створення мікробів для Марса, здатних виділяти вуглекислий газ, що призведе до потепління марсіанського клімату).

 У лабораторних умовах проведена значна робота з конструювання трансгенних мікробів з найрізноманітнішими властивостями. Разом з тим застосування у відкритому середовищі трансгенних мікробів поки заборонено правовими документами через неясність наслідків, до яких може призвести такий в принципі неконтрольований процес. До того ж сам світ мікроорганізмів вивчений вкрай слабо: наука знає в кращому випадку близько 10% мікроорганізмів, а про решту практично нічого не відомо; недостатньо досліджені закономірності взаємодії мікробів між собою, а також мікробів та інших біологічних організмів. Ці та інші обставини обумовлюють критичне ставлення не тільки до трансгенних мікроорганізмам, а й взагалі до трансгенних біоорганізми, хвилю протестів проти трансгенних біотехнологій - люди не хочуть жити в генетично модифікованому світі.

Останнім часом у засобах масової інформації розповсюджується багато передбачень, побажань, здогадок і фантазій про клонування живих організмів. Особливої гостроти цих дискусій надає обговорення можливості клонування людини. Викликають інтерес технологічні, етичні, філософські, юридичні, релігійні, психологічні аспекти цієї проблеми; наслідки, які можуть виникнути при реалізації такого способу відтворення людини. Як нерідко буває в подібних випадках, прагнення до сенсації нерідко затемнює сутність проблеми, особливо коли висловлюються неспеціалісти. І в той же час її серйозність не викликає сумнівів, тому розглянемо її детальніше.

 Клон - сукупність клітин або організмів, генетично ідентичних однієї родоначальної клітці. Клонування - метод створення клонів шляхом перенесення генетичного матеріалу з однієї (донорської) клітини в іншу клітину. При цьому слід розрізняти перенесення ядра ембріональної клітини і перенесення ядра соматичної клітини дорослого організму.

 Насамперед слід зазначити, що клони існують в природі. Вони утворюються при безстатевого розмноження (партеногенез) мікроорганізмів (мітоз, просте ділення), вегетативному розмноженні рослин. У генетиці рослин клонування давно освоєно і з'ясовано, що члени одного клона значно відрізняються за багатьма ознаками, більше того, іноді ці відмінності навіть більше, ніж у генетично різних популяціях.

 Загальновідомий приклад природного клонування - однояйцеві близнюки, що розвинулися з однієї яйцеклітини. У людини це завжди немовлята однієї статі і завжди дивно схожі один на одного. Народження однояйцевих близнюків можливо тому, що ембріон ссавця (у тому числі людини) на самих ранніх стадіях  може бути без видимих негативних наслідків розділений на окремі бластомери (у людини принаймні до стадії 8 бластомерів), з яких за певних умов можуть розвинутися ідентичні за своїм генотипом особини. Інакше кажучи, з одного 8-клітинного ембріона у людини можна отримати до 8 абсолютно ідентичних немовлят. (Або дівчаток, або хлопчиків). Але й однояйцеві близнюки хоча і дуже схожі один на одного, але далеко не в усьому ідентичні.

У XX в. було проведено чимало вдалих експериментів з клонування тварин (амфібій, деяких видів ссавців), але всі вони були виконані за допомогою перенесення ядер ембріональних (недиференційованих або частково диференційованих) клітин. При цьому вважалося, що отримати клон з використанням ядра соматичної (повністю диференційованої) клітини дорослого організму неможливо. Проте в 1997 р. британські вчені оголосили про успішне сенсаційне експерименті: отриманні живого потомства (овечка Доллі) після перенесення ядра, узятого з соматичної клітини дорослої тварини (донорської клітці більше 8 років). Нещодавно в США (університет в Гонолулу) були проведені успішні експерименти з клонування на мишах. Таким чином, сучасна біологія довела, що отримання клонів ссавців принципово можливо.

  Особливо гострі дискусії розвиваються навколо проблеми клонування людини. Поки відсутні технічні можливості клонувати людину. Однак принципово клонування людини виглядає цілком здійсненним проектом. І тут виникає безліч вже не тільки наукових і технологічних проблем, а й етичних, юридичних, філософських, релігійних.