1.1. BIOLOOGIA SAAVUTUSTE KASUTUSVÕIMALUSED

Mis on fundamentaal- ja rakendusteadus?
Kõiki loodusteadusi saab vaadelda kahest küljest. Kui uuritakse objektide või nähtuste olemust, nendega seotud seaduspärasusi, siis on tegemist fundamentaalteaduseda (e. põhiteadusega). See moodustab vastava teaduse - füüsika, keemia, bioloogia, geoloogia jt. — tuuma, tema sisu: faktid, seadused, teooriad, hüpoteesid. Ka suurem osa vastavate kooliainete õpikute sisust kajastab fundamentaaluuringute käigus tuvastatud fakte ja neid üldistavaid teooriaid. Teiselt poolt on inimesed ammustest aegadest püüdnud avastatud loodusnähtusi praktilisel otstarbel kasutada. Nende püüdluste baasil on kujunenud rekandusteadused. Need on teadused, mis tegelevad loodusteaduslike teeadmiste praktilise rakendamise printiipide ja meetodite otsimise ja arendamisega põllumajanduse, meditsiini, tööstuse, energeetika, transpordi, olme jm. tarbeks.
Bioloogia jaguneb samuti kaheks. Süvateaduslike uuringutega tänapäeva bioloogias tegelevad üldbioloogilised teadused, nagu geneetika, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, arengubioloogia, ökoloogia ja evolutsioonibioloogia, aga ka eribioloogilised teadused, näiteks votaanika, zooloogia, loomafüsioloogia, taimegeograafia, lihhenoloogia. Rekandusbioloogia (tänapäevases mõistes) seisneb bioloogia haruteaduste poolt avastatu praktilise kasutamise võimaluste ja lahenduste uurimises ning teostamises. Siia oleks kena lisada, et rakendusbioloogia otsib praktiliste probleemide lahendusi inimkonna hüvanguks. Enamasti see tõepoolest nii ka on. Rakendusbioloogia otsingud ja saavutused on aidanud edendada toiduainete tootmist ja mitmekesistamist, arendada haiguste diagnoosimeetodeid, luua uusi ravimeid, täiustada raviprotseduure jpm. Kuid nagu füüsika ja keemia saavutusi on sakeli rakendatud loodust ja inimkonda kahjustaval viisil, nii on seda teinud ka rakendusbioloogia, kas või näiteks bioloogilise relva väljatöötamisel. Peale selle tekitavad mitmed bioloogilised rakendused eetilisi probleeme - kõlbeline või mitte, lubatav või mitte.

Milline seos on bioloogial teiste teadustega?
Bioloogia seos teiste teadustega on väga mitmekesine ja jaotatav üldjoones kahte tüüpi. Üheks seosetüübiks on bioloogia kasutamine n.-ö. teoreetilises plaanis mingi teise fundamentaalteaduse avastatud nähtuste seletamiseks. Selline seos on bioloogial näiteks psühholoogia ja pedagoogikaga. Käitumise mitmete külgede ja emotsioonide mõistmiseks, sealhulgas nende ealiste (eriti puberteediaegsete) muutuste mõistmiseks on vaja teadmisi bioloogiast.
Loomulikult kehtib ka vastupidine - bioloogia kasutab oma uurimisala nähtuste ja seaduspärasuste seletamiseks ja mõistmiseks tieste teaduste, eelkõige füüsika, keemia ja matemaatika avastatud nähtusi, põhimõtteid ja seadusi. Elunähtuste olemuse mitmetahulise uurimise vajadustest on tekkinud sellised piirteadused nagu biokeemia ja biofüüsika. Need on teadused, mis uurivad elusolendite koostise ja talituse keemilisi ja füüsikalisi aluseid - näiteks biopolümeeride struktuuri, fotosünteesi ja rakuhingamise protsesse ning raku membraantranspordi ja närviimpulsi ülekande mehhanisme.
Teine ja peamine seos on just rakenduslik. Bioloogia peamisteks traditsioonilisteks rakendusvaldkondadeks on meditsiin, veterinaaria, põlljumajandus ja toiduainete tööstus. Üha laienev on bioloogia avastuste kõrgtehnoloogiline kasutamine biotehnoloogias, eelkõige toiduainetetööstuses ja ravimite väljatöötamisel ning tootmisel, aga ka eriomadustega taimesortide loomisel. Bioltenholoogiaks nimetatakse rakendusbioloogilisi meetodeid ja protseduure, mille puhul elusorganismidele omaseid protsesse kasutatakse tehnilistes seadmetes mitmesuguste ainete tootmiseks ning organismide sigimise ja pärilikkuse muutmiseks. Viimastel aastakümnetel on neile lisandunud tenilis-matemaatilised rakendused bioonika ja küberneetika näol.
Tuleb silmas pidada, et seos fundamentaal- ja rakendusteaduste vahel on vastastikune. Fundamentaalteaduse avastatud nähtuste rakendamisel tekib tihti vajadus seda nähtust täpsemalt edasi uurida. nii leiti geneetiliste soovituste rakendamisel, et mõnede sortide ja tõugude ristamisel saadavad hübriidid oma suurema jõudlusega kui kumbki vanemvormidest. Tekkis vajadus uurida, mis ja millistel juhtudel põhjustab seda hübriidjõud ehk heteroos. Selle uurimine viis USA-s maisi puhasliinide aretuseni, mille kindlates kombinatsioonides ristamisel toodang veelgi suureneb. Rakenduste käigus võivad ilmneda isegi uued nähtused, mida teadus seni ei tundnud, ja tekib vajadus nende uurimiseks põhiteaduse poolt. peale selle võib mingi rakenduse raliseerimisel ilmneda vajadus uute rakenduste järele, mida ei osatud ette näha. Ja nende lahendusvõimaluste uurimiseks esitab rakendusteadus jällegi väljakutse põhiteadusele.
Niisiis toimivad tänapäeval bioloogia kui fundamentaalteadus ja tema rakendusharud enamasti käsikäes. Suund on selliste hübriidteaduste nagu biomeditsiin kujunemisele. See on bioloogiliste ja meditsiiniliste uuringute süntees, mis on suunatud uusima bioloogia avastuste meditsiiniliste rakenduste leiutamisele ja kasutamisele.

Rakendusbioloogia lähtekohad
Bioloogilistel rakendustel on pikk ajalugu. Need said alguse ammu enne bioloogia, õieti enne teaduse teket üldse. Lähtekohaks oli maaviljeluse ja loomkasvatuse teke ning vanaaja meditsiin.
On selge, et inimestel pidid olema mingid tähelepanekutel ja kogemustel põhinevad teadmised eri taime- ja loomaliikide omadustest ja vajadustest, kui nad hakkasid neid kodustama. Selle praktika vanimad jäljed pärinevad Lähis-Idast, ajast 10-12 tuhat aastat tagasi. Maaviljeluse ja loomakasvatuse käigus aretati aja jooksul kodustatud liikide sorte ja tõuge. Sealjuures toimus enamiku liikide ulatuslik geneetiline muundamine, nii et mõnikord on seda raske ära tunda nende looduslikke eellasi.
Kuigi selline aretus põhines ebateaduslikul valikul, olid selle tulemused samad mis tänapäevasel teaduslikul planeeritud aretusel; vahe on protsesside kiiruses. Ometi ei saa me seda praktikat nimetada veel rakendusbioloogiaks, sest bioloogiat kui teadust polnud olemas. Aga taime- ja loomakasvatuse pika ajaloo kestel kogunenud teadmised ja ka seletamata probleemid olid üheks bioloogia tekke aluseks. Näiteks Charles Darwinil aitas evolutsioonitegureid mõista järelemõtlemine aretuspraktika üle.
Juba ammustel aegadel leiti toiduainete töötlemisel meetodeid, mis põhinevad mikroorganismide kasutamisel. Näiteks kurgi, kapsa, piima ja teiste toiduainete hapendamine rajaneb peamiselt piimhapebakterite tegevusel. Mitmesuguste juustusortide valmistamisel olsalevad peale bakterite ka hallitusseened. Alkohoolsete jookide, samuti aga pagaritoodete valmistamine sõltub pärmseente elutegevusest. Tänapäeval nimetame selliseid töötlusi biotehnoloogilisteks. Kuid algsel kasutamise aastasadade kestel ei teatud nende protsesside olemusest ega neis olevatest bakteritest ja seentest midagi. Ometi aretati mitmeid bakteri- ja pärmijuuretisi, mida kasutati kindlate juustu- ja veinisortide valmistamisel. Kogu nende töötluse arendus põhines juhuslikel tähelepanekutel ja kogemustel.
Ka meditsiinipraktika ulatub aastatuhandete taha. Paleontoloogilised luuleiud tunnistavad, et juba ürginimesed sooritasid kirurgilisi operatsioone. Kindlasti tulid ammu kasutusele ja aja jooksul täienesid paljude haiguste ravivõtted tiamede ("rohtude") abil. Vana-Kreekas ja -Roomas püüdsid arstid ja natuurfilosoofid selgitada elunähtuste ja haiguste olemust, sealhulgas nende ravi põhimõtteid ja meetodeid. Muidugi olid need "teooriad" suures osas ekslikud, kuid kujunesid siiski uusaja teaduse koidikul toekaks lähtekohaks 16.-17. sajandi arstide ravipraktikale ja uuringutele. Tol ajal olid just arstid need, kes uurisid mitmesuguste organismide ehitust, arengut ja talitust. Eesmärgiks oli üha täpsemate teadmiste hankimine meditsiini arendmaiseks. Lõpuks, 19. sajandi alguseks viis nende uuringute ja üleskerkinud probleemide laienemine bioloogia kui iseseisva teaduse tekkeni. Alles 19. sajandi teisel poolel jõudsid bioloogiaalased fundamentaaluringud nii kaugele, et hakkasid omakorda toetama meditsiinilisi ja põllumajanduslikke rakendusi.
Suurimaks teadlaseks, kes muutis 19. sajandil arusaamu elu tekkest ja paljdue biootiliste protsesside olemusest, oli prantslane lous Pasteur (1822 - 1895). Oma paljude avastuste kõrval tõestas ta 1860. aastatel, et elusolendid tekivad ainult teistest olemasolevatest elusolenditest. Käärimisel, hapendumisel ja roiskumisel ei teki elusolendid neis protsessides (nagu üldiselt sel ajal usuti), vaid olemasolevad mikroobid põhjustavad neid protsesse. Pasteuri nimi kinnistus rakendusbioloogiasse terminiga "pastöriseerimine".
Kogu nüüdismeditsiini tõi järsku pöörde antibiootikumide avastaja, inglise teadlane Alexander Fleming. Ta avastas, seejuures täiesti juhuslikult, et rohehalliku (Penicillium) juuresolekul tema bakterikultuurid ei kasva, vaid hävivad. Rohehallikust eraldatud antibiootikumi - penitsiliini - kasutuselevõtt sai sissejuhatusels uuele meditsiinile. Antibiootikumid on ained, mida toodavad ja eritavad keskkonda paljud hallitusseened ja osa baktereid, et tõrjuda konkureerivaid mokroobe. Antibiootikumid hävitavad neid või pärsivad nende paljunemist. Antibiootikumide kasutamine haiguste ravis võimaldab asjaolu, et bakteriraku ehituses ja ainevahetuses on olulisi erinevusi eukarüootse inimese rakuga võrreldes, mistõttu inimese rakke antibiootikumid ei kahjusta. Bakteriaalsete nakkushaiguste raviks on loodud ka sünteetilisi antibiootikume. Viirushaiguste puhul on antibiootikumid kasutus, sest viirused on rakutud olesed ja kasutavad paljunemiseks peremeesraku struktuure ja ainevahetust, mida antibiootikumid enamasti ei kahjusta.
Neis klassikalistes suundades ja vormides jätkub bioloogiliste rakenduste otsimine ja teostamine tänapäevalgi, kuigi tunduvalt tõhusamalt ja laiemates raamides. Näiteks taime- ja loomaaretus muutus märksa edukamaks, kui võeti kasutusele Gregor Mendeli avastatud geneetika seaduspärasustel põhinevad ristamis- ja valikumeetodid. Peaaegu juhuslikult avastati, et eraldi aretatud puhasliinide ristamisel võib esimese põlvkonna hübriidide viljakus olla hüppeliselt kõrgem kummagi vanemliini omast. Sealjuures saadi suurim effekt just kindlate liinide ristamisel. Selliste ristamiskombinatsioonide kasutuselevõtt viis 1930/40. aastatel USA-s maisitoodangu hüppelise kasvuni. Mõned muud aretussaavutused, nagu lühikõrreliste teraviljade (nisu, riis, mais) loomine, ning ka agrotehnika täiustamine 1960/70. aastatel suurendas oluliselt saagikust ja aitas leevendada näljahäda Mehhikos, Pakistanis ja Indias - see on tuntud rohelise revolutsioonina.
Baktereid, pärm- ja hallitusseeni kasutatakse neile iseloomulike ainete töötuslikuks tootmiseks üha mitmekesisemalt - peale varasemate rakenduste ka antibiootikumid, mõnede vitamiinide, aminohapete ja ensüümide tootmiseks. Baktereid ja seeni kasutatakse taimede seenhaiguste ja kahjurputukate biotõrjeks ning baktereid heitvete puhastamiseks.
Biotõrje seisneb taimekahjurite hävitamises või nende paljunemise ja leviku pidurdamises teiste organismidega või nende toodetud toksiinidega. Biotõrje rakendused ja perspektiivid on mitmekesised. Selles kasutatakse linde, putukaid, seeni, baktereid ja viirisi. Biotõrje on üks mahepõllunduse eeldusi. Siinkohal vaatleme mõnda tänapäevast näidet.
Seen seene vastu. Kuuse, osalt ka männi juuremädanik on üks peamisi parasvõõtme okasmetsade kahjustajaid. Seda tekitavad parasiitseene juurepessu mitu liiki. Nakatamine toimuv eostega värskelt raiutud kändude kaudu. Juurekontaktide kaudu levib mütseel lähedal kasvavatele tervetele puudele. Värskete kändude töötlemine biotõrjevahendiga ROTSTOP vähendab oluliselt nende nakatumist juurepessu eostega. See preparaat sisaldab puidu valgemädanikku põhjustavate saprotroofse (surnud puitu lagundava) seene suure korbiku eoseid. Nakatades ja lagundades kännupuitu, takistab see seen juurepessu tungimist juurtesse. Seda biotõrjevahendit, mille katsetamisel on osalenud ka Eesti metsandusteadlased, valmistatakse Soomes.
Fereomoonid biotõrjes. Omapäraseks biotõrje meetodiks on kahjurputukate meelitamine surmalõksu - feromoonpüünisesse. Seda võimaldavad putukate hormoonisarnased ained feromoonid. Need on nagu lõhnaained, mis toimivad suurte vahemaade tagant, kuid on ülimalt liigispetsiifilised. Putukatele väga olulised on suguferomoonid, mille toimel isased leiavad üles emased. 1970/80. aastatel töötasid Tartu keemikud välja orgaanilise peensünteesi meetodi mitme metsa- ja aiapuude kahjuri feromoonpreparaatide tootmiseks. Neid kasutatakse praegugi putukkahjurite leviku uurimiseks metsanduses ja nende tõrjeks aedades.
Bakteritoksiin putukate vastu. Tänapäeval kõige uuritum ja kasutatum mikroobne putukatõrjevahend on pinnases elava bakteri Bacillus thuringesis toksiin (nimetatud ka Bt-toksiiniks). See bakter sünteesib spooride moosutamise käigus glükoproteiinse ühendi, mis putuka seedetraktis aktiveerub ja lõhustab sooleepiteeli rakke ning põhjustab putuka surma.
Sellel bakteril on mitu alamliiki, kusjuures igaüks neist sünteesib eri toksiini, mis tapab kindlat putukarühma. Üks tapab liblikaröövikuid, teine kahetiivalisi ja kolmas mardikaid. Neid toksiine pritsitakse taimedele bakteri spooripreparaadina. Selle tõrjevahendi eelis keemiliste insektitsiidide ees on spetsiifilisus, kiire lagunemine looduses ja kahjutus muudele loomadele, sh. ka inimesele.
Reovete puhastamine. Tööstuslike ja olmeheitvete puhastamiseks kasutatakse muude vahendite kõrval peamiselt biopuhasteid ehk aerotanke - suuri raudbetoonmahuteid. Sellisesse anumasse voolavat reovett õhustatakse, et soodustada aeroobsete bakterite paljunemist. Need lõhustavad orgaanilisi reoaineid. Puhastuvast veest settib välja helbeline aktiivmuda, mis töötluse lõppfaasis tankist eemaldatakse. Seda aktiivmuda, mis sisaldab rikkalikult baktereid, arhesid, alg- ja keriloomi ning lõpuni lagunemata orgaanilist ainet, töödeldakse edasi anaeroobselt teistes seadmetes. Neis protsessides tekivad CO[2] ja H[2], mis on metanogeensetele arhedele substraadiks metaani tekitamisel. Metaani kasutatakse kütteainena.
Klassikaliste bioloogiliste rakenduste kõrvale astusid alates 1970. aastatest uut laadi biotehnoloogiameetodid, mille puhul organismide paljunemise ja arengu protsessidesse ning pärilike omaduste avaldumisse sekkutakse tehniliste võtetega koe, raku või DNA tasandil. Tänapäeva biotehnoloogilised rakendused on väga mitmekesised.

Järgnevalt tutvume peamiste biotehnoloogiaharudega, mille rakendused on suunatud otseselt elusolenditeile.

TABEL 1. Rakendusbioloogia (eelkõige biotehnoloogia) ajaloo tähtsündmused
2007: Nobeli preemia geeninokaudi tehnoloogia loomise eest (Mario R. Capecchi, Martin J. Evans ja Oliver Smithies).
2006: Nobeli preemia geenivaigistuse mehhanismi avastamise eest (Andrew Z. Fire ja Craig C. Mello)
2004: USA Toidu- ja Ravimiamet kinnitab esimesena DNA mikroproovidega testsüsteemi paljude pärilike haiguste diagnoosimiseks.
2001: Avaldatakse inimese genoomi DNA-järjestuse mustandvariant.
2000: Esimest korda järjendatakse taime (müürlook) kogu genoom.
1998: Saadakse inimese embrüonaalsete tüvirakkude kultuurliinid. Esimest korda jäljendatakse looma (Ümarussi Chaenorhabditis elegans) kogu genoom.
1997: Šotimaal sünnib esimene täiskasvanu rakust kloonitud imetaja - lammas Dolly.
1994: FDA lubab toiduturule esimese GMO - transgeense tomati.
1990: Esimene edukas geeniteraapia kaasasündinud immuunpuudlikkusega inimlapsel. Saadakse esimene putukakindel teravili - Bt-mais. Esimene transgeenne selgroogne (forell) on välikatsetes. Alustatakse inimgenoomi projekti.
1986: Alustatakse esimese biotehnoloogilise vähivastase ravimi - interferooni tootmist. Esimene transgeenne (GM-) taim (Bt-tubakas) on välikatsetes.
1985: "DNA-sõrmejäljed" on esmakordselt asitõendina kohtus (USA).
1983: Kary B. Mullis loob DNA polümeraasse ahelreaktsiooni metoodika. (Saab selle eest 1993 Nobeli preemia.)
1982: USA-s lubatakse kasutusele võtta esimene biotehnoloogiline ravim - bakterist toodetud inimese insuliin. Sooritatakse esimene edukas transgenees taimerakul.
1981: Luuakse esimene transgeenne imetaja - roti geeniga hiir.
1980: Esimene Nobeli preemia geenitehnoloogilise avastuse eest (Paul Berg, Walter Gilbert ja Frederick Sanger). Patenteeritakse esimene organism - transgeenne "õli sööv" bakter.
1978: Inglismaal sünnib esimene katseklaasis vljastatud munarakust saadud embrüosiiratud laps.
1977: Saadakse inimese geeni esmakordne avaldumine bakterirakus. Järgmisel aastal saadakse esimest korda inimese valku (insuliin) transgeensetest bakteritest.
1976: Saavutatakse pärmseene geenide avaldumine bakteris Escherichia coli. Moodustatakse rahvusvaheline Rekombinantse DNA Järelvalve Komitee, kehtestatakse ametlikud reeglid rekombinantse DNA sisestamiseks mikroorganismidesse ja viirustesse.
1975: Luuakse hübridoomitehnoloogia monokloonsete antikehade saamiseks.
1973: Stanley Cohen ja Herbert Boyer sooritavad bakteril esimese eduka katse rekombinantse DNA-ga.
1972: Embrüosiirdamise moodsa tehnoloogilise väljatöötamine ja rakendamine põllumajandusloomadel.
1970: Norman Borlaug saab Nobeli preemia teenete eest "rohelise revolutsiooni" arendamisel. Avastatakse restriksiooniensüümid.
1965. Luuakse somaatiliste rakkude liitmise metoodika, saadakse esimesed inimese ja hiire hübriidrakud.
1963/64: Norman Borlaugi juhtimisel aretatakse produktiivsed lühikõrrelised teraviljasordid ning käivitatakse nn. roheline revolutsioon.
1961: USA-s võetakse kasutusele esimene bioloogiline putukatõrjevahend - bakter Bacillus thuringiensis (Bt).
1953: James Watson ja Francis Crick avastavad DNA molekulaarstruktuuri ning geneetilise informatsiooni kopeerimise ja edastamise põhimõtte.
1942: Penitsiliini masstootmisega biorekreatorites algab mikrobioloogiatööstuse ajastu.
1933: USA põllumajanduses algab puhasliinide ristamisel saadava hübriidmaisi tootmine.
1928: Alexander Fleming avastab penitsiliini - esimese antibiootikumi.
1885: Gregor Mendel avastab geenide ja nende pärandumise seadused. See avastus paneb 1900. a. aluse geneetika arengule.
1857: Louis Pasteur teeb kindlaks käärimise mikrobioloogilise olemuse.
~100: Esimene biotõrje: esimene teadaolev putukatõrjevahend - krüsandteemipulber Hiinas.
500 e.m.a. Kasutusel looduslikud ravivahendid: Hiinas kasutatakse hallitanud sojaoamassi mädapaisete ravis (antibiootikumi ebateaduslik kasutamine)
2000 e.m.a. Babüloonias aretatakse datlipalmi, risttolmeldades emaspuid kindlate isaspuude õietolmuga.
6000 - 4000 e.m.a. Algne biotehnoloogia: leiva kääritamine ja õlle pruulimine (Egiptus); juustu valmistamine ja veini kääritamine (Superi, Egiptus, Hiina).
9000 - 8000 e.m.a. Maaviljeluse ja loomakasvatuse algus LÄhis-Idas (Mesopotaamia-Palestiina alal).