Направление науки: 2.4. Биологические науки
Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты до 2030 года
Современная биология рассматривает организацию живых систем на двух уровнях. Общая биология исследует процессы на уровне организмов, популяций, видов, сообществ и экосистем в их взаимодействии с окружающей средой. Физико-химическая биология изучает молекулярные основы жизни, состав и строение клеток и лежащие в основе их жизнедеятельности молекулярные процессы.
Исследования в области биологии развития и эволюции живых систем направлены на решение важнейших проблем биологии - понимание эволюции живых организмов, механизмов формирования биологического разнообразия и роли в этом процессе онтогенетических преобразований. Знание этих механизмов позволяет понять ход эволюционного процесса в органическом мире в прошлом и прогнозировать его перемены в будущем.
Исследования экологии организмов и сообществ направлены на получение новых знаний о структуре и функциях живых систем на уровне организмов, популяций, сообществ и экосистем, на выявление факторов, механизмов и закономерностей их функционирования и динамики в связи с глобальными изменениями на Земле (включая изменение климата и антропогенное воздействие) .
Исследования биологического разнообразия и биоресурсов направлены на получение новых результатов по оценке их современного состояния и динамики. Большое значение имеет изучение еще малоисследованных групп организмов, сообществ и биоценозов. Эти работы необходимы для создания новых биологических коллекций и разработки новых биотехнологий (для сельского, лесного и рыбного хозяйства, фармацевтики, сохранения окружающей среды и др.) . Такие исследования позволят разработать новые технологии устойчивого и неистощительного использования природных биологических ресурсов.
Исследования в области общей генетики направлены на выяснение молекулярно-генетических механизмов генотипической и фенотипической изменчивости и адаптаций организмов, разработку основ управления генофондами организмов. Будут выполнены актуальные исследования по выявлению генов и генных сетей, контролирующих развитие ценных признаков растений и животных, разработке молекулярных маркеров для селекции, а также изучению механизмов взаимодействия "паразит - хозяин" с использованием омиксных технологий (на геномном, транскриптомном и протеомном уровнях) . Актуальны и исключительно важны исследования по структуре генофонда и истории формирования народов Российской Федерации.
Исследования почв как компонента биосферы имеют исключительную важность, поскольку их плодородие является важнейшим фактором обеспечения продовольствием населения нашей планеты. В связи с этим большое значение имеет изучение влияния глобальных климатических изменений и хозяйственной деятельности на экологические функции почв, понимание направленности и скорости элементарных почвенных процессов в ходе естественной и антропогенной эволюции почв вследствие экзогенных поступлений (удобрения, гербициды, пестициды) , что позволит разработать биогеохимические стандарты, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье человека. Особую актуальность имеют проблемы регулирования циклов биофильных элементов в наземных экосистемах, включая исследование особой роли почвы в круговоротах углерода и азота и оценку роли почв и почвенного покрова в эмиссии и стоке парниковых газов.
Исследования в области функциональной микробиологии включают анализ микробных сообществ различных экологических ниш, разработку методов анализа их метагеномов, поиск продуцентов новых антибиотиков и биокатализаторов. Актуальным в экспериментальной биологии растений является изучение детальных механизмов фотосинтетических процессов с перспективой создания в будущем эффективных искусственных фотосинтетических систем, что позволит получить неисчерпаемый источник пищевых ресурсов непосредственно из атмосферы. Важнейшими задачами этого направления являются создание методологии управляемого онтогенеза и продуктивности растений, исследование стратегии и механизмов их адаптации к стрессовым факторам среды, конструирование биологически безопасных линий растений с заданными свойствами при помощи генетического редактирования.
Исследования в области биохимии, биофизики и структурной биологии направлены на идентификацию и установление состава и пространственной структуры биомолекул, а также понимание, как структура биомолекул определяет их функцию. Изучение совокупности химических реакций клетки и закономерностей их катализа позволит выявить новые точки приложения для создания новых лекарств и иных биорегуляторов клеточных процессов. На основе полученных данных будут разрабатываться дизайн (в первую очередь компьютерный) и синтез биомолекул любого класса и их неприродных аналогов, в том числе посредством методов органического синтеза, а также белковой, клеточной и генной инженерии.
Молекулярная биология, молекулярная генетика и геномные исследования направлены на изучение механизмов хранения, передачи и реализации генетической информации. Особое значение имеют установление молекулярных механизмов взаимодействия белков и низкомолекулярных биорегуляторов с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и рибонуклеиновой кислотой (РНК) , а также раскрытие регуляторных механизмов координированного функционирования генов, приводящих к появлению определенных признаков, и изучение посттранскрипционных этапов экспрессии генетической информации. Полногеномные исследования позволят создать новые методы диагностики и терапии наиболее распространенных наследственных заболеваний. Большие перспективы открываются в связи с развитием геномного редактирования.
Исследования в области клеточной биологии и иммунологии направлены на выяснение причин онкологических заболеваний, в значительной степени связанных с нарушениями клеточной дифференцировки и иммунитета. Важнейшими задачами данного направления являются выявление генетических программ старения, смерти и механизмов нарушения нормального развития клеток, а также разработка методов повышения эффективности иммунной системы организма. Особое значение имеет получение стабильных линий стволовых клеток человека, способных к тканеспецифической дифференцировке и применению при создании искусственных органов.
Исследования в области системной биологии и биоинформатики направлены на решение актуальных задач биологии с использованием современных математических и вычислительных методов. Особую актуальность имеет разработка алгоритмов и программ для высокоэффективной функциональной аннотации геномов, транскриптомов, протеомов, метаболомов микроорганизмов, растений, животных и человека, создание теоретических основ и методических подходов к изучению сетевых динамических взаимодействий биомолекул.
Работы в области биотехнологии позволят создать новые эффективные технологии для промышленности, сельского хозяйства, медицины, рационального природопользования и сохранения природных экосистем.
Исследования в области синтетической биологии направлены на создание технологий и инструментов целенаправленного изменения и конструирования геномов в целях создания организмов и их компонентов, содержащих не встречающиеся в природе биосинтетические пути. В результате этих работ в дальнейшем предполагается разработка подходов к разработке технологий создания полностью искусственных живых организмов.
Перечень приоритетных направлений фундаментальных и поисковых научных исследований
Направление фундаментальныхи поисковых научных исследований | Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований |
| 2.4.1. Биология развитияи эволюция живых систем | 2.4.1.1. Закономерности индивидуальногои исторического развития живых систем разных уровней организации |
| 2.4.1.2. Закономерности эволюции, видообразования и морфогенеза высших растений, водорослей, грибов и особенности их биогеографии в историческом аспекте | |
| 2.4.1.3. Развитие теории становленияи эволюции биосферы | |
| 2.4.1.4. Морфогенез и эволюция организмов | |
| 2.4.1.5. Теоретические основы эволюции онтогенеза | |
| 2.4.1.6. Механизмы регуляции онтогенеза, формообразования и гибридизации | |
| 2.4.1.7. Закономерности микроэволюции, в том числе симпатрического формообразования и гибридизации | |
| 2.4.1.8. Механизмы регенерации и способыее модуляции | |
| 2.4.2. Экология организмови сообществ | 2.4.2.1. Структура и функции живых систем, динамика ресурсного потенциала и биосферных функций |
| 2.4.2.2. Устойчивость организмови экосистем в условиях естественныхи антропогенных воздействий | |
| 2.4.2.3. Перенос энергии и веществ между смежными экосистемами | |
| 2.4.2.4. Закономерности формирования основных типов взаимодействия организмовв экосистемах, включая роль паразитов | |
| 2.4.2.5. Роль каскадного эффекта и видов-эдификаторов (ключевых видов) в функционировании экосистем | |
| 2.4.2.6. Закономерности поведенияи миграций животных, научные основы управления поведением | |
| 2.4.2.7. Методология мониторинга естественных и антропогенных экосистем | |
| 2.4.2.8. Национальные и региональные информационные системы, обеспечивающие доступ к информации по биоразнообразию организмов и экосистем | |
| 2.4.2.9. Механизмы воздействия загрязнений разных типов на суборганизменном, организменном, популяционном и экосистемном уровнях, основы экологического нормирования антропогенного воздействия | |
| 2.4.2.10. Основы реабилитации экосистеми способов борьбы с биоповреждениями | |
| 2.4.2.11. Биологические инвазии чужеродных видов | |
| 2.4.2.12. Реконструкция морских и наземных ископаемых экосистем в геоисторическом прошлом планеты | |
| 2.4.2.13. Экологические основы обеспечения биологической безопасности | |
| 2.4.3. Биологическое разнообразиеи биоресурсы | 2.4.3.1. Разнообразие вирусови микроорганизмов |
| 2.4.3.2. Разнообразие грибов | |
| 2.4.3.3. Разнообразие высших растенийи водорослей | |
| 2.4.3.4. Разнообразие симбионтов, включая паразитические организмы | |
| 2.4.3.5. Разнообразие животных | |
| 2.4.3.6. Разнообразие наземных сообществи экосистем | |
| 2.4.3.7. Разнообразие пресноводныхи морских сообществ и экосистем | |
| 2.4.3.8. Ресурсные и средообразующие функции биоразнообразия | |
| 2.4.3.9. Организмы и экосистемы как биоресурсы | |
| 2.4.3.10. Биологические коллекции, включая генетические банки вирусов, клеток, микроорганизмов, растений и животных | |
| 2.4.3.11. Сохранение биологического разнообразия и рациональное использование биологических ресурсов Российской Федерации | |
| 2.4.3.12. Сохранение и восстановление редких и хозяйственно ценных видов организмов | |
| 2.4.4. Общая генетика | 2.4.4.1. Структурная, популяционнаяи эволюционная генетика вирусов, микроорганизмов, растений, животных и человека |
| 2.4.4.2. Геномы и генетический контроль формирования хозяйственно ценных признаков растений, генетические технологии селекции сельскохозяйственных культур | |
| 2.4.4.3. Генетическое разнообразие микроорганизмов, значимых для биотехнологической промышленности, структурно-функциональная организацияих геномов | |
| 2.4.4.4. Геномы и генетический контроль формирования селекционно ценных признаков животных, генетические модели для изучения контроля физиологических функций животных и человека | |
| 2.4.4.5. Генофонды народовРоссийской Федерации и соседних стран, ДНК-идентификация человека | |
| 2.4.4.6. Генетические факторы повышенной чувствительности живых организмовк физическому и химическому загрязнению окружающей среды и предрасположенностик патологиям, генетическая токсикология | |
| 2.4.4.7. Эпигенетика и эпигеномика, роль эпигенетических факторов в наследованиии изменчивости фенотипических признаков | |
| 2.4.4.8. Генетический контроль развития растений, животных и человека, а также физиологических процессов, поведения и когнитивных функций | |
| 2.4.4.9. Генетические механизмы симбиогенеза, механизмы взаимодействия "хозяин - паразит" и "хозяин - микробиом" | |
| 2.4.4.10. Генетические и эпигенетические маркеры ранней дифференциальной диагностики социально значимых и орфанных заболеваний | |
| 2.4.4.11. Механизмы генетического контроля изменения и перепрограммирования наследственной информации в поколениях клеток и организмов | |
| 2.4.5. Почвы как компонент биосферы | 2.4.5.1. Воздействие глобальных климатических изменений и хозяйственной деятельности на экологические функции почв, изменение их состава, водно-воздушногои термического режимов |
| 2.4.5.2. Формирование и функционирование почвенного покрова в геологической истории Земли, палеопочвы как индикаторы состояния и эволюции биосферы в различные геологические и исторические эпохи | |
| 2.4.5.3. Роль криогенеза в формированиии эволюции почв, в глобальном круговороте веществ и энергии в биосфере и консервации генетических ресурсов | |
| 2.4.5.4. Направленность и скорость элементарных почвенных процессов в ходе естественной и антропогенной эволюции почв | |
| 2.4.5.5. Основы оценки современного состояния почвенного покрова и прогнозаего развития в результате глобальныхи региональных изменений климата | |
| 2.4.5.6. Биогеографические закономерности эволюции почв в связи с вековой изменчивостью факторов почвообразования | |
| 2.4.5.7. Роль почвы в глобальных круговоротах углерода и азота, эмиссии и стоке парниковыхгазов, состав и устойчивость почвенногоорганического вещества | |
| 2.4.5.8. Микробиом почв, микробные сообщества основных типов почв, ключевые группы генов и геномов, определяющие базовые процессы почвообразованияи развития растений | |
| 2.4.5.9. Математическое моделированиеи прогнозирование продуктивности лесных экосистем Российской Федерации, циклов биофильных элементов и сукцессионных процессов в системе "почва - растительность - атмосфера" | |
| 2.4.5.10. Цифровые технологиидля сбора, хранения и обработки почвенных данных | |
| 2.4.6. Функциональнаямикробиологияи вирусология | 2.4.6.1. Новые микроорганизмы и вирусыи их функциональная роль в биосфере |
| 2.4.6.2. Характеристика микробныхи вирусных сообществ биосферы, включающая метагеномный и транскриптомный анализ | |
| 2.4.6.3. Новые метаболические путиу микроорганизмов. Новые биологически активные метаболиты и ферментыс биотехнологическим потенциалом | |
| 2.4.6.4. Молекулярные механизмы взаимодействия микро- и макроорганизмов | |
| 2.4.6.5. Пути и механизмы распространения резистентных микроорганизмов и генов резистентности к антимикробным препаратам (в системе здравоохранения, в окружающей среде, продуктах питания, животноводстве, сельском хозяйствеи ветеринарии) | |
| 2.4.7. Экспериментальная биология растений | 2.4.7.1. Молекулярные механизмы регуляции физиологических процессов и стресс-физиология растений, биофотоника |
| 2.4.7.2. Механизмы регуляции метаболизма растительной клетки, старение, аутофагияи программируемая гибель клеток у растений | |
| 2.4.7.3. Клеточная организация, биомеханические и молекулярные механизмы контроля роста растений, их адаптации и ориентации в пространстве, космическая биология растений | |
| 2.4.7.4. Фотосинтез, его регуляцияи моделирование | |
| 2.4.7.5. Растительно-микробные взаимоотношения и аллелопатия | |
| 2.4.7.6. Глобальная экологияи эволюционная физиология растений | |
| 2.4.8. Биохимия, биофизика и структурная биология | 2.4.8.1. Идентификация, характеризацияи установление структуры биомолекул |
| 2.4.8.2. Структурно-функциональный анализ биополимеров, низкомолекулярных биорегуляторов, надмолекулярных комплексов и их взаимодействий | |
| 2.4.8.3. Процессы метаболизмаи их регуляция, биоэнергетика | |
| 2.4.8.4. Молекулярные механизмы патологических состояний | |
| 2.4.8.5. Биокатализ | |
| 2.4.8.6. Системный функциональный анализ состава клеток и тканей "омиксными" методами | |
| 2.4.8.7. Биоимиджинг-визуализация биологических молекул и процессов | |
| 2.4.8.8. Молекулярные механизмывоздействия физических факторовна биологические объекты | |
| 2.4.9. Молекулярная биология, молекулярная генетика и геномные исследования | 2.4.9.1. Структурно-функциональная организация и регуляция активности геномов живых организмов и вирусов |
| 2.4.9.2. Молекулярные механизмы экспрессии генов | |
| 2.4.9.3. Структурно-функциональный анализ генов в норме и патологии | |
| 2.4.9.4. Новые методы геномного редактирования | |
| 2.4.9.5. Молекулярные механизмы репликации, транскрипции и репарации дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) | |
| 2.4.9.6. Структурно-функциональный анализ функций некодирующих рибонуклеиновых кислот (РНК) , в том числе малых и микроРНК | |
| 2.4.9.7. Молекулярные механизмы биосинтеза белка и их регуляция | |
| 2.4.9.8. Организация и экспрессия генетического материала в онтогенезе | |
| 2.4.10. Клеточная биология и иммунология | 2.4.10.1. Механизмы пролиферации, дифференцировки, канцерогенеза, старения и гибели клеток |
| 2.4.10.2 |