CC BY
127
Тенденции развития нанофитосанитарии в защите растений
В.А. ЗАХАРЕНКО, академик-секретарь Отделения защиты растений Россельхозакадемии
Укоренившееся понятие «нанотех-нология» связано с уровнем проведения работ, с размерностью изучаемых объектов - 10-9 м «нано» -девять, в долях метра. По существу эта размерная область относится к категории атомно-молекулярных технологий (большинство атомов имеют диаметр 0,1-0,2 нм; типичная связь углерод-углерод или расстояние между двумя атомами составляет 0,12-0,15 нм). Линейные размеры молекулы воды приблизительно равны 0,3 нм. Ряд биологических объектов также имеет нано-размерные параметры, например, толщина нитей ДНК около 2 нм, размер вирусов - 20-200 нм, нанораз-мерными являются структурные элементы микроорганизмов и клеток растений. Более того, растительный, животный мир и человек состоят из живых клеток, а клетка является по существу естественно функционирующей наномашиной.
Защита растений в соответствии с новой научной идеологией и концепциями нанотехнологий также должна рассматривать научные вопросы и инновационные решения в области фитосанитарии на нано-уровне. Нанотехнологии получили развитие в биологическом аспекте, прежде всего, как направления на-нобиотехнологии и бионанотехно-логии, в том числе в отраслевых направлениях наук о жизни, например наномедицины.
Фитонаносанитария (нанофито-санитария) как научное направление развивается на основе адаптации общих методологических и ме-
тодических принципов исследований, методов, новых наноматериа-лов, технических средств и нанотехнологий в теорию и практику фитосанитарии, одновременно обогащая и обеспечивая дальнейшее развитие и решение фитосанитар-ных вопросов на наноразмерном уровне.
Общая концепция нанотехнологии была высказана Richard Feyman в 1959 г Он обосновал возможность и перспективность манипулирования индивидуальными атомами и молекулами, обратив внимание на тот факт, что весь живой мир, как и сам человек, состоит из устройств, работающих с нанообъектами. Это относится к клеткам живых организмов. Клетки растительного организма и человека способны собирать сложные органические вещества из атомов и молекул. Познание и овладение созидательными возможностями клетки на основе нанотехнологий открыли бы неограниченные возможности развития цивилизации.
В 1980-х годах идеи Феймана были развиты доктором К. Erik Drexler (Массачусетский университет, США), который обосновал технологическую сторону наноразмер-ного феномена, опубликовал книги «Наступление эры нанотехнологии» (1986 г.) и «Наносистемы: Молекулярные машины, производство и компьютеризация» (2006 г.). В книгах дано представление о молекулярных робототехнических машинах, основываясь на идее уже существующих в природе биологических систем и машин. Кроме того, в противовес традиционному технологическому подходу к прогрессу создания материалов и машин на основе принципа «сверху-вниз», типичный
пример миниатюризации(измельчение), он высказал стратегическую идею созидания «снизу-вверх», имея в виду атомную и молекулярную сборку. Он предложил ее применение к процессу миниатюризации интегральных схем компьютерных деталей на основе технологии атомной сборки.
По методам и целям решаемых задач нанотехнология представляет многодисциплинарную сферу науки. Она основывается на прикладной физике, науке о материалах, науке о коллоидных системах, механической и квантовой физике, надмолекулярной химии, а также на научных направлениях изучения самовоспроизводящихся машин и робототехники, химической, механической, биологической и электрической инженерии.
Научный и практический интерес к нанотехнологиям связан, как объясняет лауреат Нобелевской премии Dr. Horst Störmer с более емким, чем атомный и молекулярный, уровнем познания материалов и явлений, в качестве первой отправной точки, где существуют ансамбли элементарных структур, которые отсутствуют и не рассматриваются на других размерных уровнях материи.
При большой комплексности возникающих научных и практических проблем, решаемых нанотехноло-гией, в научной литературе пока не сформировался единый подход относительно направлений, принципов и основ нанотехнологии, хотя для определения рамок предмета исследований, практического учета, финансирования и реализации разработок в различных странах приняты в общем сходные понятийные определения нанотехнологий.
В России Федеральным агентством по науке и инновациям в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 г.» было представлено следующее обобщенное определение: «Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих воз-
можность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размером менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получать принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии исследований таких объектов».
Практическая реализация новых возможностей нанотехнологий и наноматериалов в нанофитосани-тарии предполагает знание особенностей проявления свойств веществ наноразмерного уровня и технологий их производства. В технологическом плане рассматриваются три уровня развития нанотехнологий в производстве продуктов, технических средств и технологий:
1. Первый уровень связан с идентификацией и манипуляциями отдельными атомами и молекулами, с возможностью нанотехнологий обеспечивать захват и перемещение единичных атомов, и перемещение в определенное место проведения механосборки атомов. Такой процесс, как отмечено ранее, осуществлен в 1990 г. исследователями фирмы IBM. Они позиционировали 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля, используя атомно-силовой (зарядный) микроскопный инструмент. Путем позиционирования атомов была выложена буквенная аббревиатура фирмы «IBM»). Именно это дало надежду на реализацию одной из основных идей нанотехнологии - процесса созидания структуры от низшего уровня к высшему, с инструментальным контролированием параметров в процессе производства и получения принципиально новой структуры в совокупности атомов.
2. Более высокий (второй) уровень предполагает создание нанос-копических машин, называемых ас-
семблерами (сборщики). Ассемблеры - атомные и молекулярные машины, которые могут запрограм-мированно (по программе, созданной человеком, но без его участия) строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков с целью получения полезных материалов, а в отдаленной перспективе - материалов,подобно производимым живыми организмами.
Так как на манипуляции по сборке атомов в структуры затрачивается значительное время, то для ускорения процесса потребуется изготовлять миллиарды - триллионы наносборщиков.
3. Создание репликаторов (более совершенных машин) для получения достаточного количества ассемблеров с целью обеспечения реального объемного производства потребительных благ представляет третий уровень. Репликаторы смогут сами себя копировать, выполняя процесс с любыми изменениями или без них, а также создавать большое количество ассемблеров путем их репликации (размножения). Триллионы ассемблеров и репликаторов будут занимать объем менее 1 мм3. Ассемблеры и репликаторы в отдаленной перспективе заменят традиционные методы ручного труда. Третий этап может решать и задачи освоения околоземного пространства и планет.
Наряду с объективными направлениями материалистической теории нанотехнологий в СМИ, в частности в Интернете, получили развитие виртуальные направления нанотехнологий, представляющие проекты развития нанотехнологий в форме упрощенных схем. Они не дают реальной картины состояния и развития нанотехнологии, носят фантастический характер и часто далеки от реальных путей развития науки и ее решений.
Следует учитывать, что идея нанотехнологии, зародившаяся на со-
временном уровне научно-технического прогресса, требует глубокой и многосторонней оценки с позиций положительных эффектов и реальных рисков для развивающегося живого материального мира.
Новые фундаментальные направления нанотехнологий не должны быть разрушительными и опасными для земной цивилизации. В этом плане важным является ее биологическое направление - новые научные знания в области науки о жизни, включающие защиту растений, ветеринарию и медицину.
Результаты исследований в области общей нанотехнологии свидетельствуют о том, что с использованием структур до молекулярного и атомарного уровней при создании веществ происходит коренное изменение ряда их физических показателей. Наноматериалы, созданные на основе одного вида атома, существенно различаются по свойствам в зависимости от их «упаковки». Например, углерод в форме 60 атомов (С60) в плотной упаковке (форма фуллеренов) изменяет квантовые характеристики электронов и свойства чувствительности к свету. Светонепроницаемые субстанции становятся прозрачными (медь), стабильные - горючими (алюминий), твердые - переходящими в жидкие при комнатной температуре (золото), изоляторы становятся проводниками (силикон). Материалы, такие как золото, платина, химически инертные в обычных размерах, в наноразмерных величинах становятся катализаторами. Рост каталитической активности веществ на уровне наноразмер-ных параметров может существенно изменять уровень их активности при взаимодействии с живыми организмами.
Согласно рекомендациям 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (г. Висбаден) выделяются следующие типы материалов: нанопористые структуры; на-ночастицы; нанотрубки и наново-
локна; нанодисперсии (коллоиды); наноструктурированные поверхности и пленки; нанокристаллы и на-нокластеры (частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие 1000 атомов).
Наиболее распространенными производимыми наноматериала-ми являются углеродные нано-частицы (фуллерены, нанотрубки, графен, нанопены), наночастицы простых веществ неуглеродной природы, а также наночастицы бинарных соединений и препараты сложных веществ, которые находят применение в медицине и фитосанитарии.
Наиболее простыми способами получения функциональных нано-композитных материалов можно считать механические приемы. В случае создания фильтров тонкой очистки достаточно засыпать в воронку нанопорошок, а в случае изготовления нанокремов, например для загара, добавить в консистенцию мази соответствующие наноча-стицы. В защите растений аналогичные принципы реализованы при создании пестицидов, биологических средств и комплексных препаратов.
Развиваются и более сложные технологии создания нанокомпо-зитных материалов с высокой прочностью, твердостью, износоустойчивостью, сопротивляемостью изгибу, жаропрочностью,холодостойкостью, вязкостью, трещиноустой-чивостью, уже находящие применение в машиностроении.
Прогнозируется, что новые нано-материалы и нанотехнологии в ближайшем будущем существенно изменят традиционные технологии. Это, например, средства связи на основе новых транзисторов, обеспечивающие новую базу приборов и оборудования для дистанционного зондирования и передачи фито-санитарной информации, новые препараты для защиты растений и реабилитации загрязненных почв, новые приборы для использования
в медицине, ветеринарии и защите растений.
Среди современных направлений совершенствования технологий в области защиты растений перспективны новые компьютерные технологии на базе принципиально новых компьютерных систем на основе использования микрочастиц уменьшенных до кластеров атомов, а в перспективе до атомов, обладающие высокой емкостью и точностью считывания информации. Фундаментальные решения в области создания компьютерных систем и программного их обеспечения важны при разработке суперъемких фитосанитарных баз данных и методов их обработок, для использования их при научных и практических решениях. Разработки позволят расширить возможности освоения прецизионного фитомониторинга и защиты растений. Предполагается накопление, хранение и оперативное использование большого объема информации о фитосанитарной обстановке в России, что необходимо в системе интегрированного управления фитосанитарным состоянием разноуровневыми агроэкоси-стемами от страны в целом до конкретных изучаемых уровней, например, отдельных полей.
Защита растений, будучи одним из важнейших направлений в науке о жизни, признана приоритетной сферой, требующей освоения новейших достижений фундаментальных наук не только в области информационных, сетевых и компьютерных технологий, но особенно в области биотехнологий, генетики и генной инженерии при создании веществ.
Нанотехнологический уровень работ в области фитосанитарии присущ современному этапу ее развития. Это связано с повышенным вниманием к изучению вредных организмов наноразмерного уровня, с широким освоением новейших направлений генетики (ге-номика, протеомика, метаболоми-
ка) и генной инженерии в создании генетически модифицированных растений, устойчивых к вредным организмам и пестицидам, с использованием новых возможностей упреждения побочных эффектов применения средств защиты растений и генетически модифицированных растений.
Новые возможности нанотехно-логических работ в защите растений связаны с их научным, методологическим и приборным обеспечением. Это относится, прежде всего, к оригинальным устройствам, позволяющим изучать нанообъекты (визуализация и перемещение их) с использованием сканирующих зон-довых атомно-силовых и туннельных микроскопов.
Мощным средством нанотехно-логий может стать лазерный пинцет - устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов (частиц размером от 10 нм до 10 мкм) и их сборки в различные структуры.
Перспективным элементом для изучения наномира рассматриваются дендримеры - наноструктуры, образующие при соединении огромного числа молекул разветвленные структуры. Внутри дендримера могут формироваться полости, заполненные веществом, в присутствии которого дендримеры были образованы. Так, если дендример синтезирован в растворе, содержащем вещества с радиоактивной меткой, то в полости внутри денд-римера будет содержаться это вещество с радиоактивной меткой, образована нанокапсула, которая может использоваться для диагностики различныхзаболеваний. Ден-дример может синтезироваться в растворе, содержащем активные вещества химических или биологических препаратов, становиться на-нокапсулой с данными препаратами - фунгицидами, инсектицидами, гербицидами и регуляторами роста растений.
Наряду с общими нанотехнологи-ческими методами, описанными выше, следует отметить и новые биологические и биотехнологические методы изучения наноразмер-ных биологических объектов в новых биологических направлениях (нано-биотехнология и бионанотех-нология), прежде всего при изучении генома растений (структурная геномика) и роли отдельных генов (функциональная геномика); проте-омики (методы изучения, экспрессия, структура, проявление признаков белков протеома растений, полезных и вредных организмов); ме-таболомики (процессы метаболизма в организмах); биоинформатики (универсальные методы общения через компьютеры, сбора, хранения, поиска и обработки информации).
Учитывая, что в системе живых организмов уровень нанотехноло-гий ограничен клеткой, которая рассматривается в качестве идеальной нанотехнологической машины в развивающейся науке о жизни, уровень исследований и круг решаемых научных проблем являются общими или близкими. Из этого вытекает необходимость координации научных работ и использования результатов работ в трех сферах науки о жизни (защиты растений, ветеринарии и медицины) для достижения общей цели - обеспечения благополучия живых организмов на земле.
Нанобиотехнология как сфера научной и производственной деятельности позволяет уже в настоящее время решать многие актуальные вопросы науки в области фито-санитарии, в частности:
повышение точности и производительности диагностики вредных организмов, особенно вирусов, ви-роидов, фитоплазм и микоплазм;
разработку на основе технологий биочипов тест-систем для биологических исследований и многофункциональной диагностики высоковирулентных рас (штаммов, изолятов) вредных организмов;
разработку биосенсоров для изучения вопросов патофизиологии, патобиохимии организмов;
молекулярно-биологическое изучение структур и функций растительных белков или белков микроорганизмов с защитными функциями в отношении к вредным организмам, моделирование их синтеза и создание специфических средств защиты растений, а также генетически модифицированных растений, устойчивых к вредным организмам;
разработку новых методов создания, изучения и обоснования эффективных, минимально опасных в экологическом и биологическом отношении нанопрепаратов, обладающих повышенной скоростью проникновения в обрабатываемые организмы, перемещения к целевым местам их действия в организме;
разработку методов оценки биологической и экологической опасности наноматериалов и нанотехно-логий с целью определения мероприятий по упреждению и сдерживанию возможной угрозы;
использование наноматериалов и устройств при создании технических средств защиты растений.
Из этого перечня хотелось бы выделить те первостепенные работы, которые должны осуществляться и уже осуществляются Отделением защиты растений Россельхозака-демии в плане фундаментальных и приоритетных исследований для научного обеспечения АПК.
По направлению прецизионная диагностика вредных организмов это:
наноинструментальные методы диагностики фитопатогенов (вирусы, вироиды, фитоплазмы, бактерии);
генетическая диагностика попу-ляционных структур вредных и полезных организмов с целью изучения процессов развития их устойчивости к химическим, биологическим средствам защиты растений и к генетически модифицированным растениям;
разработка тест-систем для биологических исследований и многофункциональной диагностики высоковирулентных рас (штаммов, изо-лятов) вредных организмов на ос-новетехнологий биочипов;
освоение новых высокопроизводительных методов дистанционного зондирования и разноуровневого фитосанитарного мониторинга (от прецизионного до глобального) на основе новых высокопроизводительных средств, разработанных с использованием нанотехнологий;
использование новых высокопроизводительных компьютерных систем, созданных с использованием нанотехнологий, для решения вопросов, связанных с картированием, фитосанитарным мониторингом и прецизионной защитой растений.
В селекции сортов культурных растений, устойчивых к вредным организмам, следует выделить:
обоснование экспресс-методов определения генов вирулентности возбудителей особо опасных болезней и генов устойчивости сортов сельскохозяйственных культур с целью создания оперативной информации для разработки баз данных, используемых в селекционной работе;
молекулярно-биологическое изучение и выявление структур растительных белков и небелковых органических веществ, препятствующих жизнедеятельности вредных организмов; выявление генов и механизмов кодирования синтеза указанных веществ и целенаправленное создание методами традиционной селекции и генетической модификации сельскохозяйственных растений с высокой устойчивостью к вредным организмам и к пестицидам.
В области биологической защиты растений первостепенными являются:
нанодиагностика полезных микроорганизмов;
выявление с использованием новых методов нанотехнологии целевых генов полезных организмов, ко-
дирующих синтез веществ с функциями защиты от вредных организмов;
разработка микробиологических средств защиты растений с био-цидной активностью, а также средств небиоцидной природы, повышающих иммунный статус растений к вредным организмам путем стимулирования защитных реакций растений;
создание биологически активных молекул семиохемиков, проявляющих активность на молекулярном уровне для разработки высокоточного мониторинга экосистем и управления химической коммуникацией членистоногих;
разработка новых полифункциональных препаративных форм на основе ассоциаций полезных организмов и новых модифицированных органо-минеральных носителей (хитозан, стекловидные метафос-фаты) для фитосанитарной стабилизации агроэкосистем и повышения супрессивности почв.
Приоритетными в химической защите растений должны стать:
разработка методов получения на основе комбинаторной химии и высокоточных высокопроизводительных технологий принципиально новых нанодисперсных средств защиты растений и технологий их использования в сельском хозяйстве;
молекулярно-биологическое изучение структур и функций растительных и микробных белков и других метаболитов с защитными функциями в отношении к вредным организмам, моделирование их синтеза и создание средств защиты растений;
изучение патофизиологии растительных клеток с использованием наноинстументальных методов, биосенсоров, объединяющих биологические и электронные компоненты;
изучение и разработка нанодисперсных (наноэмульсионных форм пестицидов) с целью создания принципиально новых форм хими-
ческих средств защиты растений, техники и технологий их производства и применения, включая высокоточные (прецизионные);
разработка на основе нанотехно-логий новых препаративных форм и антииспарительных композиций пестицидов для традиционныхтехнологий и прогрессивных УМО и МО технологий опрыскивания, обеспечивающих сокращение расхода средств защиты растений, уменьшение испарения и сноса капель диспергируемой жидкости, экологическую безопасность окружающей среды.
По биологической и экологической безопасности выделили:
разработку и изучение эффективности и безопасности новых высокоэффективных препаративных форм пестицидов и биологических препаратов, содержащих нанораз-мерные частицы действующих веществ; методов оценки биологической и экологической опасности наноматериалов, нанотехнологий и мероприятий по упреждению и сдерживанию возможной опасности.
Понимание экономического потенциала и одновременно опасности широкого использования нано-технологий, продуктов, материалов, а также новых возможных угроз, которые трудно заранее предсказать и непросто выявлять, вызвало консолидацию усилий на международном уровне. При Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) создана рабочая группа по промышленным на-номатериалам. На первом ее совещании в Лондоне в октябре 2006 г. была принята Межгосударственная программа по выявлению потенциальных рисков наноматериалов. а также продолжена информационная поддержка исследований безопасности новых технологий.
Развитие нанотехнологий рассматривается как новая индустриальная революция. В январе 2000 г. Президент США сообщил об увели-
чении правительственных инвестиций в исследования и разработку нанотехнологий. Создан ряд программ, предусматривающих быстрое развитие последних.
В 2001-2002 гг. центры нанотехнологий созданы в Германии, Франции и Италии. В Китае над развитием нанотехнологий трудится более 800 фирм и свыше 100 научно-исследовательских институтов. Прогнозируется, что большие объемы финансирования и освоения нано-технологий позволят существенно изменить наш мир уже в ближайшие 5-15 лет.
Развитие инновационной инфраструктуры предусмотрено и в России. Принят Закон «О российской корпорации нанотехнологий» № 139-Ф3 от 19.06.2007. По научно-техническому уровню Россия и ведущие страны в области нанотех-нологий фактически находятся на одинаковых начальных позициях. Однако наша страна позднее, чем США, Евросоюз и Япония вступила в коммерциализацию нанотехноло-гических исследований. Сдерживающее влияние оказывает и общий спад научных исследований после 1990 г.: слабая экпериментально-техническая база, недостаточная подготовка кадров.
Аналитическая фирма «Lux Research Inc.» в 2005 г., обследовав 51 страну мира, определила 14 типичных государств и сгруппировала их по уровню развития нанотехнологий, выделив 4 группы. В первую вошли США, Япония, Южная Корея, ФРГ (лидеры); во вторую -Тайвань, Израиль, Сингапур; в третью Великобритания, Франция (с высоким научным потенциалом, но со скромной реализацией достижений); в четвертую - Китай, Канада, Австралия, Россия и Индия. По количеству статей, опубликованных по нанотехнологиям в 2005 г., первое место занимали США (14750), второе - Китай (11746). У России девятое место - 2185 статей.
