Naturkunskap_2

NATUR KUNSKAP

FÖR GYMNASIET ––– NIVÅ 2

Oliver Sacks (1933–2015) var en brittisk-amerikansk neurolog och författare. I sina populärvetenskapliga böcker beskrev han sina patienter med stort personligt engagemang. Utifrån deras fall förklarade han hjärnans funktioner. Böckerna handlar om allt från dövhet och färgblindhet till minnesförlust och hallucinationer. Hans mest kända bok är Mannen som förväxlade sin hustru med en hatt (1985). Boken Awakenings (1973) låg till grund för filmen Uppvaknanden (1990).

NATIONALENCYKLOPEDINS

NATUR KUNSKAP

FÖR GYMNASIET NIVÅ 2

NE Nationalencyklopedin AB Ångbåtsbron 1, 211 20 Malmö redaktionen@ne.se www.ne.se

© NE Nationalencyklopedin AB 2026

Författare: Rikard Ask, Fredrik Johansson, Mattias Loberg, David Olausson, Låtta Skogh

Pedagogisk granskare: Stefan Nilsson

Läromedelsutvecklare: Jesper Sörensson

Redaktör: Låtta Skogh

Bildredaktörer: Martina Eriksson och Låtta Skogh

Grafisk form: Jens Klaive

Grafiska redaktörer och layout:

Arvid Gruvö Wärle och Ellen Rönn

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman, t.ex. kommun, eller Bonus Copyright Access. De flesta skolor och högskolor har avtal med Bonus Copyright Access och har därigenom viss kopieringsrätt. Det är lärarens skyldighet att kontrollera att skolan har ett giltigt kopieringsavtal med Bonus Copyright Access. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter och fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till rättsinnehavaren.

Tryckt hos GPS Group i Bosnien-Hercegovina, 2026

Första upplagan, första tryckningen

ISBN 978-91-89915-39-8

förord

Välkommen till Nationalencyklopedins naturkunskap för gymnasiet nivå 2 Läromedlet är nyproducerat enligt Gy25.

För att du på bästa sätt ska kunna ta till dig innehållet presenteras och förklaras centrala begrepp i början av varje avsnitt. Varje avsnitt avslutas med en sammanfattning, instuderingsfrågor och övningar som hjälper dig att förstå och använda dina kunskaper i praktiken. Många av övningarna bygger på diskussioner, där du får chansen att utbyta tankar med dina klasskamrater och utveckla din förmåga att argumentera. En del övningar går ut på att söka, tolka, värdera och använda information.

I NE:s digitala läromedel kompletteras innehållet i boken med bland annat filmer, extramaterial och ytterligare övningar.

Med den här boken får du inte bara faktakunskaper – du får verktyg för att kunna resonera och ta ställning kring komplexa frågor. Vår förhoppning är att väcka din nyfikenhet och ge dig en förståelse för hur naturvetenskap påverkar både din vardag och samhället.

Redaktionen, NE

innehåll

KAPITEL 1:

Kemi i naturen och samhället 6

1.1 Kemin i universum

1.2 Kemin på jorden

1.3 Kemin i kroppen

1.4 Kemin i industrin och miljön

KAPITEL 2:

2.1 Vad är evolution?

2.2 Att förstå evolution

2.3 Artbildning

2.4 Evolutionsvetenskap

KAPITEL 3:

3.1 Urcellen och dess avkomlingar

3.2 Cellens funktionella delar

3.3 Specialiserade celler och vävnader

3.4 Från befruktning till individ

KAPITEL 4:

4.1 Nervsystemet

4.2 Hormonsystemet

4.3 Immunsystemet

Fördjupningar

Mendelejev

Laborationer

KAPITEL 1:

Kemi i naturen och samhället

Den italienske naturforskaren Lazzaro Spallanzani (1729–1799) studerar den kemiska sammansättningen av gaser som frisätts vid ett vulkanutbrott i Etna på Sicilien.

AVSNITT 1: KEMIN I UNIVERSUM

Kemi handlar om det som allt omkring oss består av. För att förstå kemin på

jorden behöver vi börja i universums allra första ögonblick. Galaxer, snöflingor och cellerna i vår kropp består av atomer.

Varje atom har en historia som sträcker sig miljarder år tillbaka, och de flesta bildades redan vid big bang.

ORD OCH BEGREPP

Atom är den minsta delen av ett grundämne som har ämnets kemiska egenskaper och består av en atomkärna och omgivande elektroner.

Big bang är den händelse då universum skapades för 13,8 miljarder år sedan.

Elektroner är negativt laddade partiklar som rör sig runt atomkärnan.

Isotoper är atomer med samma antal protoner men olika antal neutroner i atomkärnan.

Jon är en atom eller en molekyl som har tagit upp eller avgett en eller flera elektroner så att den totala laddningen är negativ eller positiv.

Jonbindning är en typ av kemisk bindning som håller ihop positiva och negativa joner.

Kovalent bindning är en typ av kemisk bindning i en molekyl där atomer samsas om gemensamma elektroner.

Kristall är ett fast ämne där partiklarna

är ordnade i ett regelbundet, geometriskt mönster.

Molekyl är två eller flera atomer som är bundna till varandra.

Neutron är en oladdad partikel i atomkärnan.

Proton är en positivt laddad partikel i atomkärnan.

Universums utveckling med viktiga händelser från big bang (till vänster) till i dag, 13,8 miljarder år senare.

Big bang

Allting började för cirka 13,8 miljarder år sedan i en händelse som kallas big bang (stora smällen). Big bang var inte en explosion i rymden utan en expansion av själva rymden.

Under universums första bråkdelar av en sekund var temperaturen så extremt hög att materia inte kunde finnas i den form vi känner den – allt var ren energi. När universum expanderade sjönk temperaturen snabbt. Energi började omvandlas till elementarpartiklar (de allra minsta byggstenarna) som kvarkar och elektroner

Inom de första minuterna sjönk temperaturen så mycket att kvarkarna kunde slå sig samman till protoner och neutroner, vilka är atomkärnans byggstenar. Nu skapades kärnorna till de lättaste grundämnena, väte och helium. Nästan alla kärnor i det väte och helium som finns i universum i dag – även det som ingår i det vatten (H2O) du dricker – bildades under dessa första minuter.

Tyngre grundämnen som kol och syre fanns ännu inte; universum svalnade för snabbt för att de skulle hinna skapas. Vi vet att denna modell stämmer tack vare observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen, som sändes ut när universum var 380 000 år gammalt.

galaxer, stjärnor och planeter utvecklas (1 miljard år–i dag)

de första stjärnorna bildas (efter 400 miljoner år)

inflationen (10 –35–10 –32 s)

i dag (13,8 miljarder år)

big bang

rekombinationen (efter 380 000 år)

storskalig galaxbildning (efter 1–3 miljarder år)

mörk energi accelererar utvidgningen

Det dröjde miljontals år efter big bang innan de första stjärnorna tändes. Inuti stjärnor är trycket och temperaturen mycket höga.

Här kolliderar lätta atomkärnor med varandra och bildar tyngre grundämnen som kol, syre och järn. När riktigt stora stjärnor dör i våldsamma supernovaexplosioner frigörs tillräckligt med energi för att skapa de ännu tyngre grundämnena, som silver och guld.

Supernovaexplosionerna sprider sedan ut alla dessa ämnen i rymden så att de kan användas när nya stjärnor bildas. Detta är det kosmiska kretsloppet . Atomerna på jorden, inklusive de som din kropp består av, har skapats i en döende stjärna. Vi är, i rent bokstavlig mening, stjärnstoff.

Atomer

För att förstå hur dessa tidiga grundämnen kunde ge upphov till den mångfald av ämnen vi ser i dag behöver vi förstå hur en atom är uppbyggd. En atom är den minsta enheten av ett grundämne som har ämnets kemiska egenskaper.

I centrum av atomen finns kärnan, som består av positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Antalet protoner i kärnan avgör vilket grundämne det är – det är atomens identitet eller atomnummer. En atom som har endast en proton är alltid väte, medan en atom med sex protoner alltid är kol.

Det finns varianter av samma grundämne med olika antal neutroner, så kallade isotoper. Den vanligaste kolisotopen innehåller sex protoner och sex neutroner och kallas därför kol-12 (6 + 6 = 12). En annan kolisotop innehåller åtta neutroner och kallas därför kol-14 (6 + 8 = 14). Den så kallade kol-14-metoden används för att åldersbestämma organiska material som är upp till 60 000 år gamla.

Runt kärnan rör sig negativt laddade elektroner i olika energinivåer eller ”skal”. Atomen består till mer än 99,9 procent av tomrum. Om en atomkärna var stor som en fotboll mitt på en arena skulle de närmaste elektronerna finnas på läktarens yttersta rader.

Atomer reagerar lätt med sin omgivning för att uppnå en stabil elektronkonfiguration, oftast genom att ha ett fullt yttersta elektronskal (som liknar en ädelgas). Kemi handlar i grunden om dessa elektroner i det yttersta elektronskalet, de så kallade valenselektronerna . Valenselektronerna styr hur olika ämnen reagerar och binder till varandra.

En atom består av positivt laddade protoner, oladdade neutroner och negativt laddade elektroner. Kol-12 har sex protoner och sex neutroner, kol-14 har sex protoner och åtta neutroner. Båda har sex elektroner. Bildens partiklar är kraftigt förstorade i förhållande till avståndet mellan kärnan och elektronerna.

kol-14

kol-12

icke-metaller halvmetaller okända egenskaper

Periodiska systemet

Det periodiska systemet är en tabell över alla grundämnen vi känner till. Grundämnena är ordnade efter antalet protoner i atomkärnan (atomnumret). Periodiska systemets styrka ligger i hur det grupperar ämnen med liknande egenskaper.

När man först ser det periodiska systemet kan det se ut som en obegriplig samling av förkortningar och siffror, men för en kemist är systemet lika lätt att navigera i som en karta över en välplanerad stad. Den ryske kemisten Dmitrij Mendelejev, som lade grunden till systemet på 1860-talet, var så säker på systemets logik att han lämnade tomma luckor för grundämnen som ännu inte hade upptäckts, och han kunde till och med förutsäga deras egenskaper med stor precision.

Periodiska systemet ordnar grundämnena i grupper (kolumner) och i perioder (rader) på ett systematiskt sätt.

GRUPPER

Periodiska systemets lodräta kolumner kallas grupper. Ämnen i samma grupp har lika många valenselektroner, vilket ger dem liknande kemiska beteenden.

Grupp 1 består av alkalimetallerna (plus väte), bland annat litium (Li), natrium (Na) och kalium (K). Dessa ämnen har alla en enda valenselektron som är svagt bunden till atomen, vilket gör dem extremt reaktiva. Det betyder att de lätt genomgår kemiska reaktioner där de omvandlas till joner genom att avge en elektron till ett annat ämne. I kroppen är natriumjoner (Na+) och kaliumjoner (K+) livsavgörande; det är nämligen deras rörelse in i och ut ur kroppens celler som skapar de elektriska impulser som får ditt hjärta att slå och dina nerver att skicka signaler (läs mer om nervsignaler i avsnittet Nervsystemet på sidan 156). Litiumjoner (Li+) används som komponent i batterier till elbilar och mobiltelefoner, vilket har skapat en global kapplöpning om denna råvara.

Näst längst till höger i periodiska systemet hittar vi grupp 17 som består av halogenerna , bland annat klor och jod. De saknar en enda elektron för att få ett fullt skal och är därför också extremt reaktiva.

Klor i sin rena gasform är livsfarligt, men när atomen har tagit upp en elektron bildas den stabila kloridjonen som finns i vanligt koksalt.

Längst till höger finns grupp 18 som består av ädelgaserna, bland annat helium, neon och argon. Eftersom de redan har fulla elektronskal är de mycket stabila och reagerar extremt sällan med andra atomer. De varken brinner eller reagerar, vilket gör dem användbara i allt från ballonger (helium) till skyddsgas vid svetsning (argon).

PERIODER

Periodiska systemets vågräta rader kallas perioder. När vi rör oss mot höger i en period fylls elektronskalen på. Något som ofta överraskar är att atomernas radie ändå blir mindre ju längre till höger man kommer i en period. Det beror på att kärnan får fler positiva protoner och att dessa drar in de negativa elektronerna kraftigare mot mitten.

Förhållandet mellan atomstorlek och attraktionskraft är grundläggande för varför vissa ämnen är giftiga. Ibland kan kroppen av misstag ta upp en giftig tungmetalljon bara för att dess atomstorlek och laddning liknar en livsnödvändig mineraljon. Exempelvis är en blyjon (Pb2+) nästan precis lika stor som en kalciumjon (Ca 2+).

När ädelgasen neon utsätts för elektrisk spänning avges ett klart, orangerött ljus, som har använts i lysande reklamskyltar sedan 1920-talet.

Kristaller av olika salter som består av kloridjoner (Cl–) och olika metaller: magnesium (Mg), kobolt (Co), mangan (Mn), järn (Fe), nickel (Ni) och koppar (Cu).

Joner, molekyler och kemiska föreningar

Ensamstående atomer är, med undantag för ädelgaserna, sällsynta i naturen. De flesta atomer befinner sig i en sorts kemisk rastlöshet, det vill säga de är kemiskt reaktiva tills de har omvandlats till joner eller skapat kemiska bindningar. Joner och molekyler har i regel ett lägre energitillstånd än fria atomer. Det är detta som gör att kemiska reaktioner sker om så är möjligt.

När olika grundämnen binds till varandra skapas kemiska föreningar. Det finns tre huvudsakliga typer av kemiska bindningar: jonbindning, kovalent bindning och metallbindning. Det är bindningens typ som till stor del avgör materialets egenskaper.

JONBINDNING

När en jonbindning uppstår överförs elektroner mellan atomerna. En metall, som har löst bundna elektroner, möter en icke-metall, som lätt kan ta upp elektronerna. När natrium (Na) ger bort en elektron till klor (Cl) bildas en positivt laddad natriumjon (Na+) och en negativt laddad kloridjon (Cl–). Precis som hos magneter dras plus- och minuspoler till varandra. Den kemiska förening som bildas kallas jonförening eller salt Salter består inte av små enskilda molekyler utan är enorma tredimensionella nätverk av joner, så kallade kristaller. De kännetecknas av höga smältpunkter och stor sprödhet. När salter löses i vatten frigörs jonerna från varandra och rör sig fritt.

I kroppen finns dessa joner i kroppsvätskorna och kallas elektrolyter. De har viktiga funktioner, bland annat när nervsignaler skickas. Vid uttorkning förlorar kroppen inte bara vatten utan även dessa livsviktiga joner, vilket kan leda till symtom som kramper och förvirring.

KOVALENT BINDNING

Kovalenta bindningar (molekylbindningar) binder samman atomer till molekyler i exempelvis organiska ämnen och gaser. Här samsas atomerna om ett eller flera elektronpar. Det är en mycket stark bindning som skapar välavgränsade enheter (molekyler).

Två atomer som är bundna till varandra med en kovalent bindning kan vara mer eller mindre jämnstarka i sin förmåga att dra de gemensamma elektronerna i bindningen till sig. Om den ena atomen drar kraftigare i elektronerna blir bindningen polär. Det betyder att bindningen är asymmetrisk och lite liknar en jonbindning.

Ett exempel på en molekyl med polära bindningar är vatten (H2O), en av de viktigaste molekylerna för levande varelser. Vattenmolekylens syreatom (O) drar till sig de delade elektronerna kraftigare än vad väteatomerna (H) gör. Detta gör att vattenmolekylen får en svagt negativ sida vid syret och en svagt positiv sida vid väteatomerna. Man säger att vattenmolekylen är en dipol. Den lilla laddningsskillnaden mellan vattenmolekylens delar är anledningen till att vattenmolekyler klistrar ihop sig med varandra och har ytspänning samt att is flyter på vatten. Om den kovalenta bindningen i vattenmolekylen inte vore polär skulle haven frysa nerifrån och upp, och livet på jorden skulle aldrig ha uppstått.

METALLBINDNING

I en metall är atomernas yttersta elektroner (de så kallade valenselektronerna) helt fria. Valenselektronerna bildar ett gemensamt moln som omsluter och håller samman de positiva metalljonerna. Detta förklarar metallernas unika egenskaper:

p Ledningsförmåga : Eftersom elektronerna är fria att röra sig kan de lätt leda elektrisk ström och värme genom materialet.

p Formbarhet : Om du slår på en metall med en hammare kommer metalljonerna förskjutas i relation till varandra utan att bindningen bryts eftersom de hålls ihop av det gemensamma elektronmolnet. Det är därför koppar kan dras ut till tunna trådar och järn kan smidas till hästskor.

Bindningarnas egenskaper förklarar varför återvinning av metaller är så viktigt. Att utvinna metaller ur malm kräver stora mängder energi eftersom de starka kemiska bindningarna – ofta jonbindningar mellan metall och syre – måste brytas. Däremot är det betydligt mindre energikrävande att smälta ner ren metall, där metallbindningar redan finns.

Vattenmolekylen består av en syreatom (röd kula) och två väteatomer (vita kulor). Bindningarna mellan atomerna (”pinnarna” mellan kulorna) består av elektroner. Syreatomen drar starkare i bindningselektronerna vilket gör att syreänden blir svagt negativt laddad och väteänden blir svagt positivt laddad. Det färgade genomskinliga skiktet visar elektrisk laddning – blått är positiv laddning och rött är negativ laddning.

Oorganisk kemi omfattar metaller. Metallen i hästskor är oftast stål, en legering (blandning) av järn och kol.

Genom att hetta upp hästskon kan hovslagaren forma metallen så att skon passar perfekt på hästens hov.

Oorganisk och organisk kemi

Kemi delas in i två stora huvudområden: oorganisk kemi och organisk kemi. Uppdelningen vilar på en fascinerande historia och på kolets unika roll i universum.

Historiskt sett trodde kemister att organiska ämnen (ämnen som kommer från växter och djur) innehöll en speciell ”livskraft”, på latin kallad vis vitalis, och att det var omöjligt att framställa dessa ämnen på konstgjord väg i ett laboratorium. Allt som inte var levande, som stenar, metaller och vatten, sorterades in under den oorganiska kemin.

Denna världsbild raserades 1828 när den tyske kemisten Friedrich Wöhler lyckades framställa det organiska ämnet urea (urinämne) från ett oorganiskt salt. Experimentet visade att livets kemi lyder under samma fysikaliska lagar som den livlösa materien. Det speciella med organiska molekyler beror inte på en mystisk kraft utan på kolatomens egenskaper.

OORGANISK KEMI

Oorganisk kemi omfattar metallerna och mineralerna i jordskorpan, salterna i världshaven och gaserna i vår atmosfär. Även om oorganisk kemi ofta beskrivs som ”den livlösa kemin” är den helt avgörande för livet.

Inom vården är oorganiska ämnen som elektrolyter en del av vardagen. De oorganiska jonerna natrium (Na+), kalium (K+) och kalcium (Ca 2+) är nödvändiga för att reglera vätskebalansen i våra

celler och skicka elektriska signaler i våra nerver. Utan de oorganiska salterna skulle vi varken kunna tänka eller röra oss.

Inom ekonomi och samhällsbyggnad är oorganisk kemi basen för industrin. Utvinningen av järn (Fe) ur malm och tillverkningen av halvledare av kisel (Si) är oorganiska processer som är centrala för vårt moderna samhälle.

ORGANISK KEMI

Organisk kemi är baserad på grundämnet kol (C). Kolatomens egenskaper ger unika förutsättningar. Kol har fyra valenselektroner, vilket innebär att det kan bilda fyra starka kovalenta bindningar med andra atomer, bland annat med andra kolatomer.

Kolatomer kan länkas samman till:

p Långa kedjor: Grunden för fetter och bränslen som bensin.

p Grenade kedjor: Skapar kompakta strukturer, exempelvis i kolhydraterna stärkelse och glykogen som celler använder för att lagra energi.

p Stabila ringar: Finns i kvävebaser, kolhydrater, i vissa aminosyror samt i många hormoner, doftämnen och färgämnen.

Kol är huvudingrediensen i de stora biomolekylerna: DNA som lagrar arvsmassa, proteiner som bygger muskler och kolhydrater som ger energi. Utan kolatomens förmåga att bygga långa kedjor skulle livet inte kunna existera.

Men organisk kemi har en mörk baksida i form av miljöproblem orsakade av bland annat fossila bränslen, plaster och bekämpningsmedel. Många miljögifter är organiska föreningar som är stabila och svårnedbrytbara just på grund av starka kovalenta kolbindningar.

Organiska molekyler i rymden

På jorden tillverkas i dag nästan alla organiska molekyler av levande celler, men under vissa förhållanden kan de bildas utan inblandning av liv. Det skedde på jorden innan liv uppstod, och det sker på andra platser i universum. I meteoriter, kometer och asteroider har forskare hittat bland annat aminosyror, sockerarter och kvävebaser.

Organisk kemi omfattar fossila bränslen. Olja och naturgas består av energirika kolväten som har bildats när döda alger har brutits ner i syrefria miljöer.

SAMMANFATTNING

* Big bang (stora smällen) skedde för cirka 13,8 miljarder år sedan.

* De lättaste grundämnena (väte, helium och litium) skapades under universums första minuter.

* Tyngre grundämnen skapades långt senare inne i stjärnor eller i supernovaexplosioner.

GRÄNSLANDET

Vissa enkla kolföreningar, som koldioxid (CO2) och karbonatjoner (CO3 2–), räknas ofta till den oorganiska kemin trots att de innehåller kol. Detta beror på att de beter sig mer som mineraler än som de komplexa kedjor vi förknippar med liv.

Koldioxid är ett exempel på en molekyl som är viktig inom både oorganisk och organisk kemi. Den finns som gas i den oorganiska atmosfären och används som byggsten vid fotosyntesen när växter bildar organiska kolhydrater. När kolhydraterna förbränns vid cellandningen återförs den till atmosfären

* Antalet protoner bestämmer vilket grundämne en atom tillhör.

* Det periodiska systemet är en tabell över alla grundämnen, ordnade efter hur många protoner de innehåller.

* En atom består av en kärna med positivt laddade protoner och neutrala neutroner, omgiven av negativt laddade elektroner.

* I naturen har de flesta atomer omvandlats till joner eller skapat kemiska bindningar.

* Det finns tre slags kemiska bindningar: jonbindning, kovalent bindning och metallbindning.

* Oorganisk kemi omfattar metaller, mineraler, salter och gaser.

* Organisk kemi omfattar små och stora biomolekyler vars viktigaste atomslag är kol.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Beskriv vad som hände i big bang. Vilka grundämnen bildades strax därefter?

2. Beskriv hur en atom är uppbyggd. Var finns protoner, neutroner och elektroner?

3. Vad avgör vilket grundämne en atom tillhör?

4. Vad är en isotop? Ge ett exempel.

5. Hur bildas grundämnen som kol, syre och järn?

6. Varför har grundämnen i samma grupp i det periodiska systemet liknande kemiska egenskaper?

7. Hur kommer det sig att atomernas radie minskar när man går åt höger i en period i det periodiska systemet?

8. Vad är skillnaden mellan en jonbindning och en kovalent bindning?

9. Förklara varför vattenmolekylen är dipol. Vilken betydelse har denna egenskap för livet på jorden?

10. Vilken är den avgörande skillnaden mellan organiska och oorganiska ämnen?

ÖVNINGAR

Kolisotoper

Rita upp en kol-12-atom och en kol-14-atom. Markera var protoner, neutroner och elektroner finns i modellen. På vilket sätt skiljer sig dessa atomer från varandra? Vilken funktion har kol-14 för arkeologer och forskare?

”Vi är stjärnstoff”

I texten står det att vi, i rent bokstavlig mening, är stjärnstoff. Diskutera i grupper vad detta betyder ur ett astronomiskt och kemiskt perspektiv. Hur har de olika atomslagen bildats?

Periodiska systemets logik

Ta fram ett periodiskt system. Leta upp natrium (Na) och klor (Cl).

a) Vilka grupper tillhör de?

b) Hur många valenselektroner har respektive ämne?

c) Vad händer med elektronerna när dessa två ämnen reagerar med varandra och bildar koksalt (NaCl)?

Vattnets unika egenskaper

Beskriv hur vattenmolekylens egenskaper har varit fördelaktiga för livets utveckling på jorden.

Organiskt eller oorganiskt?

Leta upp innehållsförteckningen för tre vanliga produkter hemma (till exempel schampo, mjölk, mineralvatten).

Försök att identifiera minst två oorganiska ämnen och två organiska ämnen bland ingredienserna och beskriv varför de hamnar i respektive grupp.

FÖRDJUPNING

Mendelejev och det periodiska systemet

Det periodiska systemet i sin moderna form skapades 1869 av den ryske forskaren Dmitrij Mendelejev (1834–1907). Hans system förklarade sambanden mellan egenskaperna och atommassorna för de 63 då kända grundämnena.

När Mendelejev listade alla då kända grundämnen efter stigande atommassa upptäckte han att vissa egenskaper återkom med jämna mellanrum. Mendelejev ordnade tabellen så att ämnen med liknande

egenskaper hamnade under varandra.

Ordet periodisk betyder att något återkommer med jämna mellanrum. Eftersom grundämnenas egenskaper varierar periodiskt med atommassan fick Mendelejevs tabell namnet periodiska systemet.

Mendelejev lämnade vissa platser i sitt system tomma för de grundämnen som ännu inte hade upptäckts. Tack vare systemet kunde han förutse egenskaper för oupptäckta grundäm-

nen. Den första tomma platsen fylldes 1875 när grundämnet gallium (Ga) upptäcktes. Gallium visade sig vara identiskt med det förutsagda ämnet ”eka-aluminium”.

Ytterligare upptäckter av nya grundämnen, som kulminerade med den nya gruppen ädelgaser, visade på det stora värdet av det periodiska systemet. Under årens lopp har det periodiska systemet kompletterats med nya upptäckter. I dag är 118 grundämnen kända.

Dmitrij Mendelejev avbildad på ett ryskt frimärke.

FÖRDJUPNING

Upptäckter av grundämnen

Nya grundämnen upptäcks fortfarande. Under perioden 2002–2010 upptäcktes nihonium (Nh), moskovium (Mc), tenness (Ts) och oganesson (Og).

Av de i dag kända 118 grundämnena har svenskar upptäckt strax över 20 stycken (lite beroende på hur man räknar). Upptäckterna gjordes mellan 1735 och 1895. Kobolt (Co) upptäcktes 1735 i Stockholm av Georg Brandt.

Helium (He) på jorden upptäcktes 1895 samtidigt i Uppsala av Per Teodor Cleve och Nils Abraham Langlet och i London av Sir William Ramsay. Syre (O)

upptäcktes två gånger oberoende av varandra, 1772 i Uppsala av Carl Wilhelm Scheele och 1774 i Leeds av Joseph Priestley.

Men den svensk som har upptäckt flest grundämnen är kemisten Jöns

Jacob Berzelius (1779–1848). Han upptäckte bland annat kisel (Si), selen (Se), cerium (Ce) och torium (Th). Jacob Berzelius införde också de kemiska symbolerna som vi använder än i dag, till exempel Fe för järn.

Det är främst tack vare den svenska gruvindustrin som så många grundäm-

Jacob Berzelius var en av de främsta svenska vetenskapsmännen. Han upptäckte flera grundämnen, införde de kemiska symbolerna och undersökte experimentellt atomvikterna på de då kända grundämnena. Hans värden från 1826 stämmer väl med dagens atomvikter.

nen har upptäckts i Sverige. Till exempel upptäcktes nio grundämnen i mineraler från Ytterby gruva utanför Vaxholm i Uppland, varav fyra fick namn efter platsen: yttrium (Y), ytterbium (Yb), terbium (Tb) och erbium (Er).

Det periodiska systemet förutsäger att nästa tyngre och ännu oupptäckta grundämne har 119 protoner i kärnan. Därmed har det också 119 elektroner, varav en är en valenselektron. Grundämne 119 hamnar därför i grupp 1 och period 8.

Carl Wilhelm Scheele undersökte hur luft är uppbyggd genom att värma upp kvicksilver(II)oxid och upptäckte då syre. Scheele kallade syre för ”eldluft” eftersom syret var nödvändigt för förbränning.

FÖRDJUPNING

Lågfärger

Fenomenet lågfärger har använts inom kemin som en metod för att ta reda på om vissa metalljoner finns eller inte finns i ett prov. Metoden att använda lågfärger kallas lågtest eller flamtest och används numera främst inom undervisning i kemi.

Lågtest utnyttjar elektronkonfigurationen hos metalljoner. Principen är att när metalljoner tillförs energi, exempelvis genom upphettning i en låga, hoppar

elektroner till högre energinivåer. När dessa elektroner sedan trillar tillbaka till sina ursprungliga (lägre) energinivåer avger de energi i form av ljus.

Eftersom varje metalljon har en unik elektronstruktur är energiskillnaderna mellan energinivåerna också unika. Det resulterar i att ljus med specifika våglängder, och därmed karakteristiska färger, sänds ut. Vissa lågfärger är dock ganska lika varandra och ytterligare

undersökningar kan behövas för att säkert veta vilken jon som finns i ett visst prov.

Historiskt har studier av lågfärger varit betydelsefulla inom kemin. På 1860-talet upptäckte Robert Bunsen (1811–1899) och Gustav Kirchhoff (1824– 1887) de två alkalimetallerna rubidium (Rb) och cesium (Cs) genom att observera deras lågfärger.

Litiumjoner, Li+, ger röd lågfärg.

Natriumjoner, Na+, ger gul lågfärg.

Kaliumjoner, K+, ger violett lågfärg.

Kalciumjoner, Ca2+, ger orange lågfärg.

Strontiumjoner, Sr2+, ger röd lågfärg. Bariumjoner, Ba2+, ger grön lågfärg.

LABORATION

Lågfärger

INLEDNING

Om vissa metallsalter placeras i en låga avger de ljus av olika färg. Det är metalljonen i saltet som ger lågfärgen.

Om en elektron tillförs energi kan den för en kort stund ”hoppa” från sin vanliga, stabila bana till en yttre, mer energirik bana. När elektronen faller tillbaka till sin vanliga bana frigörs energin i form av ljus. Färgen på ljuset beror på mängden energi som frigörs när elektronen faller tillbaka. Mycket energi ger blå eller violetta färger, medan mindre energi ger röda eller orange färger.

METALLSALTER

bariumklorid (BaCl2)

cesiumklorid (CsCl)

kalciumklorid (CaCl2)

kaliumklorid (KCl)

kopparklorid (CuCl2)

litiumklorid (LiCl)

natriumklorid (NaCl)

strontiumklorid (SrCl2)

MATERIEL

Sked av rostfritt stål.

Bunsenbrännare.

Tändstickor.

4–8 kända metallsalter.

1 okänt metallsalt (identiskt med ett av de kända).

UTFÖRANDE

1. Tänd brännaren.

2. Plocka med hjälp av skeden upp några korn av det första saltet.

3. För in skeden i lågan och notera vilken färg den får.

4. Skölj av skeden och torka den noga.

5. Upprepa steg 2–4 med alla de kända salterna.

6. Undersök det okända saltet på samma sätt och notera vilken lågfärg det har.

REDOVISNING

Besvara följande frågor och lämna in till din lärare:

1. Förklara varför olika metalljoner får olika lågfärger.

2. Vilken lågfärg hade det okända saltet? Vilken metalljon innehöll saltet?

KORTFATTAD RISKBEDÖMNING

Laborationen är måttligt riskfylld. Ge akt på farosymbolerna på de olika ämnena. Bariumjonerna är giftiga och kopparjonerna är miljöfarliga. De får därför inte hällas ut i avloppet utan måste samlas upp i särskilda kärl. Eftersom laborationen sker med öppen låga måste man ha koll på var brandskyddsutrustningen finns och hur den ska användas.

AVSNITT 2: K EMIN På j OR d EN

Hur jorden blev en planet där liv kunde uppstå, utvecklas och förändra hela miljön handlar till stor del om kemi.

Det handlar om ämnena som finns i berggrunden, i haven, i atmosfären och i våra kroppar. Exakt hur de första levande systemen uppstod är inte helt känt, men forskning inom kemi, biologi och geologi ger flera möjliga förklaringar.

ORD OCH BEGREPP

Biogeokemiskt kretslopp är hur grundämnen rör sig runt i naturen.

Fossila bränslen är kol, olja och naturgas som bildats av döda alger och växter som levde för 50–300 miljoner år sedan.

Fotosyntes är när alger och växter använder ljusenergi för att tillverka kolhydrater av koldioxid och vatten.

Kemisk evolution innebär att enkla molekyler gradvis omvandlas till mer komplexa molekyler och system.

RNA är ett organiskt ämne som fyller flera funktioner när proteiner tillverkas. Hos vissa virus består arvsmassan av RNA.

Ursoppa var en vattenlösning av komplexa organiska molekyler

som gjorde det möjligt för liv att uppstå.

Vetenskaplig modell är en förenkling som beskriver och förklarar ett fenomen eller samband.

Växthuseffekten är den uppvärmning av jordens yta som beror på att atmosfären håller kvar värme.

Den unga jorden

Jorden bildades för ungefär 4,6 miljarder år sedan. I början var den en glödande och våldsam plats. Ytan bestod till stor del av smält sten. Meteoritnedslag, vulkanutbrott och stark strålning gjorde miljön mycket ogästvänlig. Det fanns inga hav av vatten och inget fritt syre i atmosfären. I stället bestod den tidiga atmosfären av gaser som vattenånga, koldioxid, metan, ammoniak och svavelväte. För oss skulle denna värld ha varit omöjlig att leva i, men ur kemins perspektiv var den full av möjligheter.

När jorden långsamt svalnade kunde vattenångan i atmosfären kondensera och falla som regn. Under mycket lång tid fylldes lågt liggande områden med vatten, och de första haven bildades. Dessa hav blev till enorma naturliga reaktionskärl. Där fanns vatten, lösta mineraler och enkla kemiska föreningar. Energi tillfördes hela tiden från blixtar, vulkanisk aktivitet, UV-strålning från solen och heta källor på havsbottnen. Under dessa förhållanden kunde enkla ämnen reagera med varandra och bilda mer komplicerade molekyler. Det är denna miljö som ibland kallas ursoppan

När jorden var ung bestod jordytan till stor del av smält sten. Det var vanligt med meteoritnedslag och vulkanutbrott. Bilden är tagen vid vulkanen Fagradalsfjall på Island.

Stanley Miller var 23 år och arbetade i Harold Ureys labb vid University of Chicago när han lyckades skapa aminosyror och andra organiska ämnen ur en gasblandning av ammoniak, kväve, väte, vatten och kolmonoxid.

Ursoppan

Ursoppan ska inte förstås som en färdig blandning där livet plötsligt dök upp. Begreppet är en modell för att beskriva hur forskare tänker sig att livets kemiska byggstenar kan ha bildats steg för steg på den tidiga jorden. Under rätt förhållanden kan enkla oorganiska ämnen reagera och bilda mer och mer komplexa organiska molekyler, exempelvis aminosyror, enkla sockerarter, fettsyror och nukleotider. Dessa molekyler är inte levande, men de är centrala delar av livets kemi.

Aminosyror är byggstenar i proteiner. Proteiner kan vara enzymer, alltså ämnen som påskyndar kemiska reaktioner i celler. Fettsyror kan bilda membranliknande strukturer, vilka kan användas som avgränsning mot omgivningen. Nukleotider är byggstenar i DNA och RNA, som celler använder för att lagra och föra vidare ärftlig information om hur proteiner ska tillverkas. Enkla sockerarter är energirika ämnen och ingår i större biologiska molekyler.

Utvecklingen mot liv började inte med en färdig cell utan med kemisk evolution, det vill säga att enkla molekyler gradvis utvecklades till mer komplexa molekyler och system. När vissa molekyler kunde lagra information, kopieras och samverka med andra molekyler ökade möjligheten för att det skulle uppstå ett system med egenskaper som liknar liv. Forskare har försökt efterlikna dessa händelser genom att utföra experiment. Ett känt exempel är ett experiment som de amerikanska

kemisterna Stanley Miller (1930–2007) och Harold Urey (1893–1981) utförde på 1950-talet. De lät enkla gaser utsättas för elektriska urladdningar som skulle efterlikna blixtar på den tidiga jorden. Efter en tid hade flera organiska ämnen bildats, bland annat aminosyror. Experimentet gav stöd åt idén att organiska molekyler kan bildas ur enklare ämnen under vissa förhållanden.

RNA och de första cellerna

Ett av de stora stegen mot liv var att molekyler började kunna lagra information och kopiera sig själva. Många forskare tror att RNA spelade en viktig roll i livets tidiga utveckling. RNA kan både bära genetisk information och katalysera kemiska reaktioner. Det är därför troligt att RNA var en central molekyl under livets tidiga utveckling, på vägen mot dagens mer avancerade system, där DNA lagrar information och proteiner utför många av cellens arbetsuppgifter.

När självkopierande molekyler hamnade inuti små membranliknande bubblor kunde mer avgränsade kemiska system bildas. Dessa system kan ha varit föregångare till de första enkla cellerna.

Exakt hur livet uppstod är fortfarande en av naturvetenskapens stora frågor, men forskningen pekar på att livets uppkomst inte krävde någon magisk livskraft utan skedde som en lång kemisk utveckling.

Enkla molekyler blev mer komplexa. Molekyler började samverka. Vissa strukturer blev stabilare än andra och kunde finnas kvar längre. Med tiden uppstod system som kunde ta in energi, bygga upp sig själva och föra information vidare. Där någonstans börjar gränsen mellan kemi och biologi bli suddig.

Hos många virus består arvsmassan av RNA. Vi vet inte om dessa virus utvecklades före, efter eller samtidigt som de första cellerna. Bilden visar partiklar av RNA-viruset HIV.

Fotosyntesen förändrade jorden

De första levande cellerna var mycket enkla jämfört med dagens celler. De levde i en miljö utan fritt syre och använde andra kemiska processer för att få energi. Men när livet väl hade uppstått började det också förändra jorden. En av de mest avgörande förändringarna kom när föregångare till dagens cyanobakterier utvecklade den syrebildande fotosyntesen . De använde solljus som energikälla för att omvandla koldioxid och vatten till energirika organiska ämnen. Som restprodukt bildades syre.

Fotosyntesen kan förenklat beskrivas som ett sätt att fånga in solenergi och lagra den i kemiska bindningar. Koldioxid från luften eller vattnet byggs in i organiska molekyler, till exempel socker. På så sätt blir solenergi till kemiskt lagrad energi.

Efter hand som fotosyntesen blev vanligare började syre långsamt samlas i atmosfären. För många tidiga organismer var syre giftigt

Den syrebildande fotosyntesen utvecklades för omkring 2,7 miljarder år sedan hos föregångare till dagens cyanobakterier. Bilden visar cyanobakterier inom släktet Oscillatoria fotograferade genom ett ljusmikroskop.

eftersom det är ett reaktivt ämne, men på längre sikt skapade syret nya möjligheter. Med syre kunde celler utvinna energi mycket effektivare genom cellandning.

Detta bidrog till utvecklingen av mer komplexa celler och så småningom flercelliga organismer. Livet förändrade alltså inte bara sig självt utan också atmosfären, haven och jordens kemiska förutsättningar. Sedan livet uppstod har jorden blivit alltmer olik andra planeter.

I dag är fotosyntesen grunden för nästan allt liv på jorden. När organismer förbränner socker i cellandningen frigörs energi som cellerna kan använda. Samtidigt bildas koldioxid och vatten igen. Detta är grunden för ett av jordens viktigaste kretslopp: kolets kretslopp.

Oorganiskt och organiskt kol på jorden

Kol (C) finns på jorden i både oorganiska och organiska föreningar. Oorganiskt kol finns i framför allt enkla kolföreningar som koldioxid (CO2) i atmosfären, vätekarbonatjoner (HCO3 –) i haven och kalciumkarbonat (CaCO3) i kalksten. Organiskt kol finns i ämnen i levande organismer och rester av organismer, till exempel kolhydrater, fetter, proteiner och nukleinsyror som DNA och RNA. Organiskt kol finns i allt levande, men också i döda djur och växter, torv, kol, olja och naturgas.

Skillnaden mellan oorganiskt och organiskt kol handlar om vilka typer av föreningar kolet ingår i. Kolatomen kan bilda fyra starka bindningar. Detta gör det möjligt att bygga oändligt många varianter av komplexa, stabila och tredimensionella strukturer. Organiska föreningar innehåller kolatomer bundna till andra kolatomer samt till väteatomer. Ofta ingår även ett fåtal syre-, kväve-, svavel- eller fosforatomer. Många organiska molekyler består av långa kedjor av kolatomer. Kedjorna kan vara grenade eller ringslutna.

Levande organismer använder organiska molekyler som energikälla, byggmaterial och informationsbärare. Kolhydrater används som snabb energi och som byggmaterial i till exempel växters cellväggar. Fetter lagrar energi och bygger upp cellmembran. ATP används som energivaluta när celler ska utföra energikrävande kemiska reaktioner. Proteiner bygger upp cellen och kan fungera som enzymer, alltså ämnen som styr kemiska reaktioner. DNA och RNA innehåller genetisk information som styr hur organismer utvecklas och fungerar.

Kolets kretslopp

A = fotosyntes

B = cellandning

C = med syre

D = utan syre

E = biobränsle

F = vulkanutbrott

G = förbränning av fossila bränslen

H = äter

J = dör

K = löser sig

Kretslopp och återvinning

När levande organismer använder och omvandlar organiska ämnen försvinner inte grundämnena som molekylerna består av. De byter bara form och plats. På jorden cirkulerar grundämnen ständigt mellan luft, vatten, mark och levande organismer. Denna ständiga rörelse kallas biogeokemiskt kretslopp. Det visar hur kemi, biologi och geologi hänger ihop.

KOLETS KRETSLOPP

Kolets kretslopp är ett av de mest centrala. Kol finns i atmosfären som koldioxid (CO2), i haven som kolsyra (H2CO3) och vätekarbonatjoner (HCO3 –), i levande organismer som organiska molekyler samt i berggrunden som kalciumkarbonat (CaCO3) i kalksten och som fossila sediment och bränslen.

p Vid fotosyntesen tar växter, alger och cyanobakterier upp koldioxid och bygger in kolatomerna i kolhydrater och andra organiska ämnen.

p När växtätare äter växter tar de upp kolet och bygger in det i sina egna kroppar. När köttätare äter växtätare förs kolet vidare i näringskedjan.

p När organismer andas, bryts ner eller förbränns återbildas koldioxid och kolet återförs till atmosfären. På detta sätt rör sig kolatomer kontinuerligt mellan atmosfären och levande och döda organismer.

L = sedimenterar havet koldioxid nedbrytare växter djur kalksten torv, stenkol, olja, naturgas dött material

Människan har dock rubbat balansen i detta kretslopp genom att använda fossila bränslen (bildade av organismer som dog för miljontals år sedan), vilket gör att stora mängder koldioxid snabbt släpps ut i atmosfären och bidrar till klimatförändringarna.

KVÄVETS KRETSLOPP

Kväve är en central del av proteiner och DNA. Luften består till cirka 78 procent av kvävgas, men det är i princip bara kvävebindande bakterier som kan utvinna kväve ur kvävgas. De tar upp kvävgas och bildar ammoniak (NH3). Växter får i sig kväve genom att ta upp ammoniak (NH3), ammoniumjoner (NH4 +) och nitratjoner (NO3 –) från jorden. Djur får i sig kväve genom att äta växter och andra djur.

Döda växter och djur samt djurs avföring och urin innehåller organiska ämnen med kväve, exempelvis proteiner, DNA och urea (urinämne). Nedbrytare som svampar och bakterier i jorden omvandlar dessa ämnen till ammoniak, ammoniumjoner och nitratjoner som växter kan ta upp.

Jordbruk, boskapsskötsel och användning av konstgödsel har påverkat kvävets kretslopp och bland annat lett till övergödning av sjöar och hav.

Ärtväxter som exempelvis sojabönor har rotknölar där det lever kvävebindande bakterier. Bakterierna tar upp kvävgas (N2) från luften och omvandlar det till kväveföreningar som växten kan använda som näring. I utbyte får bakterierna socker som växten har bildat vid fotosyntesen.

Vattnet som älgen dricker innehåller väteatomer och syreatomer som har funnits sedan långt innan dinosauriernas tid, men vattenmolekylerna har brutits ner och bildats många gånger.

FOSFORNS KRETSLOPP

Fosfor är avgörande för levande organismers energiomsättning eftersom energimolekylen ATP innehåller fosfor. Fosfor finns i berggrunden och frigörs långsamt genom vittring. Till skillnad från kol och kväve har fosfor inget gasformigt steg, vilket gör det till en begränsad resurs i många ekosystem.

Kretsloppen visar att naturen i grunden bygger på återanvändning. Samma atomer som finns i en växt i dag kan senare finnas i ett djur, i marken, i atmosfären eller i havet. Dessa kretslopp hänger nära samman med ekosystemens funktion.

VATTNETS KRETSLOPP

I grundskolans undervisning om vattnets kretslopp sägs det ofta att vi dricker samma vatten som dinosaurierna. Men vatten förbrukas vid fotosyntesen och nybildas vid cellandning. Om vi dividerar den totala vattenmängden i jordens alla hav, isar och sjöar (1,38 · 1021 liter) med hur mycket vatten som årligen spjälkas vid fotosyntes (1,5 – 2,0 · 1014 liter), får vi fram att det tar 7–10 miljoner år för allt vatten att passera genom fotosyntesen. Dinosaurierna (förutom fåglarna) dog ut för cirka 66 miljoner år sedan. Hela jordens vattenvolym har alltså hunnit omsättas cirka 7–10 gånger sedan Tyrannosaurus rex vandrade här.

Beräkningen förutsätter att allt vatten regelbundet blandas om. I verkligheten cirkulerar vattnet i djuphavet och i glaciärer betydligt långsammare än ytvatten. Vattnet i våra åar och sjöar har alltså ombildats ännu fler gånger.

Rubbade kretslopp

Kretsloppen kan rubbas, till exempel när människor förbränner fossila bränslen och avverkar skog. Konstgödsel har gjort det möjligt att producera mer mat, men när näringsämnen läcker ut i vattendrag kan de orsaka övergödning som kan leda till syrebrist i vattendrag och hav. Gruvdrift och metallutvinning ger tillgång till viktiga resurser men påverkar också landskap, vatten och ekosystem. Detta får konsekvenser för både naturen och människan. Kunskap om kretslopp är viktig för att se kopplingar mellan kemi, miljö och samhällsutveckling. Samhället behöver energi, metaller, mineraler och kemiska produkter. Frågan är hur vi använder dem. Naturkunskap handlar därför inte bara om att förstå kemiska processer utan också om att resonera kring konsekvenser, alternativ och hållbara lösningar. För att kunna ta ställning i frågor om klimat, energi, jordbruk och industri behöver vi förstå vad som faktiskt händer på kemisk nivå.

FOSSILA BRÄNSLEN OCH KLIMATET

Fossila bränslen bildades för miljontals år sedan genom att döda växter och djur av olika skäl inte bröts ner fullständigt. Organismer som dör hamnar ibland i syrefattiga miljöer, till exempel på havsbottnar eller i träsk. Där finns inte så många nedbrytare. Om döda organismer täcks av sediment och utsätts för högt tryck och hög temperatur under miljontals år kan de omvandlas till kol, olja eller naturgas.

Stenkol har framför allt bildats av växter som levde i stora träskmarker för hundratals miljoner år sedan. När växtdelar begravdes och pressades samman omvandlades de gradvis till torv, brunkol och till sist stenkol.

Olja och naturgas har främst bildats av mikroskopiska organismer som plankton och alger. När de sjönk till botten och begravdes i syrefattiga sediment omvandlades deras organiska molekyler till olja och naturgas, som till största delen består av energirika kolväten. Kolväten är ämnen som består av kol och väte, och de kan frigöra mycket energi när de reagerar med syre.

På ett sätt kan man säga att fossila bränslen är lagrad solenergi

Energin fångades en gång in genom fotosyntes, byggdes in i organiska molekyler och bevarades i berggrunden under mycket lång tid. När vi förbränner kol, olja eller naturgas frigör vi denna energi. Det är en av anledningarna till att fossila bränslen har varit så viktiga för industrialiseringen, transporter, elproduktion och modern ekonomi.

I kraftverket Niederaussem utanför Köln i västra Tyskland eldar man med brunkol för att producera el. Brunkol är ett mellanting i omvandlingen från torv till stenkol. Kraftverket är fortfarande i drift men håller på att avvecklas.

SAMMANFATTNING

* När jorden var en ung, glödande planet reagerade enkla ämnen under extrema förhållanden.

* Reaktionerna ledde till uppkomsten av organiska molekyler som kunde kopiera sig själva och påverka kemiska reaktioner.

Men de fossila bränslena innehåller också lagrad koldioxid . På den tid då stenkol, olja och naturgas bildades var luftens koncentration av koldioxid mycket hög (1 000–2 000 ppm). Växthuseffekten var stark, klimatet var varmt, det fanns inga glaciärer och havsnivån var hög. Fotosyntesen var intensiv och mycket kol bands i form av växter och alger. När dessa inte bröts ner utan lagrades som stenkol, olja och naturgas sjönk koncentrationen av koldioxid i luften.

När människan upptäckte de fossila bränslena och började förbränna dem i hög takt frigjordes koldioxid som hade varit bunden i marken i miljontals år. Koncentrationen av koldioxid i luften stiger igen liksom temperaturen och havsnivån. Den förstärkta växthuseffekten som orsakas av att människan har höjt atmosfärens koncentration av koldioxid och andra växthusgaser påverkar vädermönster, ekosystem, jordbruk och människors livsvillkor.

* Fettsyror bildade membranbubblor och avgränsade de första cellerna från omgivningen.

* Den syrebildande fotosyntesen förändrade atmosfären och är en viktig del av kolets kretslopp.

* Förbränning av fossila bränslen frigör energi och koldioxid som varit bundna i miljontals år.

* När biogeokemiska kretslopp rubbas får det konsekvenser för både naturen och människan.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Hur skilde sig jordens tidiga atmosfär från den atmosfär vi har i dag?

2. Vad innebär den kemiska modell som benämns ”ursoppan”?

3. Vad innebär begreppet kemisk evolution i samband med livets uppkomst?

4. Vad visade det berömda Miller–Urey-experimentet från 1950-talet?

5. Varför tror forskare att RNA kan ha varit en viktig molekyl under livets tidiga utveckling?

6. På vilket sätt förändrades förutsättningarna för livet på jorden när den syrebildande fotosyntesen utvecklades?

7. Ge exempel på några oorganiska och organiska kolföreningar. Var på jorden förekommer dessa ämnen?

8. Vilka kemiska egenskaper gör kolatomen särskilt väl lämpad för utveckling av liv?

9. Beskriv kolets kretslopp i naturen.

10. Vad är skillnaden mellan den naturliga och den förstärkta växthuseffekten?

ÖVNINGAR

Livets uppkomst

Sök information om alternativa teorier om hur livets kemiska byggstenar kan ha uppstått (till exempel teorin om heta källor på djuphavsbottnen och teorin om meteoriter från rymden). Jämför dessa teorier med ”ursoppan”.

Kolets kretslopp

Ge en kortfattad beskrivning av hur en kolatom i en koldioxidmolekyl förflyttar sig genom kolets kretslopp (från atmosfären via fotosyntesen till cellandningen).

Lagrad solenergi

Stenkol, olja och naturgas kan beskrivas som ”lagrad solenergi”. Förklara detta ur ett kemiskt och biologiskt perspektiv för en person som aldrig har studerat naturkunskap.

Övergödning

Hur påverkar människans aktiviteter kvävets och fosforns kretslopp? Undersök om något vattendrag, någon havsvik eller sjö i närheten har drabbats av dessa aktiviteter och hur det i så fall visar sig. Vilka är de huvudsakliga orsakerna i just ert närområde?

Hållbarhet

Diskutera i grupp vilka tekniska eller kemiska innovationer som ni anser är de mest lovande för att vi ska kunna leva ett modernt liv utan att rubba de biogeokemiska kretsloppen allt för mycket.

AVSNITT 3: K EMIN I KROPPEN

Människokroppen är ett mycket avancerat kemiskt system. Varje andetag, varje hjärtslag, varje tanke och varje rörelse bygger på kemiska reaktioner som sker i kroppens celler. Livet är kemi i organiserad form.

ORD OCH BEGREPP

Biogena grundämnen är syre, kol, väte och kväve, som utgör mer än 95 procent av kroppens massa.

Biomolekyler är organiska ämnen som cellen behöver för att fungera. De viktigaste är nukleinsyror, proteiner, kolhydrater och lipider.

DNA är ett organiskt ämne som innehåller information om hur proteiner ska tillverkas.

Enzym är ett protein som fungerar som katalysator och hjälper till när kemiska reaktioner ska ske i celler.

Fosfolipider är organiska fettliknande ämnen som bygger upp cellmembran.

Kolhydrater är organiska ämnen som är uppbyggda av en, två eller flera sockerenheter.

Kvävebaser är de informationsbärande delarna i DNA och RNA, och bildar ”stegpinnarna” i DNA-molekylen.

Lipider är ämnen som bildas av levande celler och som inte kan lösas i vatten, bland annat fetter, vaxer och fosfolipider.

Nukleotider är de byggstenar som DNA och RNA består av. Varje nukleotid består av en sockermolekyl, en fosfatgrupp och en kvävebas.

Proteiner är organiska ämnen som består av långa kedjor av aminosyror.

RNA är ett organiskt ämne som fyller flera funktioner när proteiner tillverkas. Hos vissa virus består arvsmassan av RNA.

Kroppen som kemiskt system

Alla levande varelser bygger på samma kemiska principer. Människor, växter, bakterier och svampar ser olika ut, men på molekylnivå använder de till stor del samma ämnen och kemiska reaktioner. Alla organismer är uppbyggda av celler, och alla celler är uppbyggda av biomolekyler.

Biomolekyler är de organiska ämnen som cellen behöver för att fungera. De lagrar och frigör energi, styr kemiska reaktioner, bygger upp strukturer och överför information. De viktigaste biomolekylerna är nukleinsyror, proteiner, kolhydrater och lipider. Förutom biomolekyler innehåller celler mycket vatten och en hel del salter/joner.

Molekylerna i levande varelser består av många olika grundämnen, men de fyra biogena grundämnena dominerar. Syre, kol, väte och kväve utgör tillsammans mer än 95 procent av kroppens massa.

Kol (C) är grunden i alla organiska molekyler. Kolatomen är speciell eftersom den kan bilda fyra starka bindningar. Den kan binda till andra kolatomer och skapa långa kedjor, ringar och förgrenade strukturer. Dessa kan ha enstaka atomer av andra ämnen på olika ställen i kolskelettet. På så sätt skapas miljontals olika organiska molekyler. Att kroppen kan vara så komplex beror till stor del på kolatomens förmåga att skapa variation.

Fjärilslarver som äter ett blad får i sig biomolekyler som till största del är uppbyggda av kol, väte, syre och kväve. I larvernas matspjälkningssystem bryts de stora biomolekylerna ner till enklare organiska ämnen. Dessa används sedan i larvernas livsprocesser, bland annat när de omvandlas till en vuxen fjäril.

DNA och RNA består av långa kedjor av nukleotider. DNA-molekylen är en dubbel sträng som hålls ihop genom att nukleotidernas kvävebaser binder till varandra. RNA är en enkel sträng av nukleotider på rad. Proteiner består av långa kedjor av aminosyror.

Syre (O) och väte (H) finns i framför allt vatten, som är kroppens viktigaste lösningsmedel. Kväve (N) finns i bland annat proteiner och DNA.

Utöver de biogena grundämnena innehåller organismer också fosfor (P), svavel (S), kalcium (Ca), natrium (Na), kalium (K), järn (Fe) och magnesium (Mg). Även om vissa av dessa bara behövs i små mängder är de helt nödvändiga. Kalcium bygger upp skelettet och behövs för musklernas arbete. Järn gör att blodet kan transportera syre. Natrium och kalium är viktiga för nervsignaler och vätskebalans.

Nukleinsyror (DNA och RNA)

Nukleinsyror är ett gemensamt namn på DNA och RNA. De är båda långa molekyler som består av många nukleotider länkade efter varandra. Varje nukleotid består av en kvävebas, en fosfatgrupp och en sockermolekyl. DNA och RNA har olika sockermolekyler, DNA har deoxiribos medan RNA har ribos (därav namnen DNA från deoxiribonukleinsyra respektive RNA från ribonukleinsyra).

I DNA och RNA finns totalt fem olika kvävebaser. I DNA finns C (cytosin), G ( guanin), A (adenin) och T (tymin). I RNA finns C, G, A och U (uracil).

RNA är en enkel sträng av nukleotider på rad. DNA är en dubbel sträng, där de två strängarna är bundna till varandra. DNA-molekylens form kan liknas vid en vriden repstege. Repen är uppbyggda av sockermolekyler och fosfatgrupper. Stegpinnarna består av två kvävebaser, en från varje sträng. De två strängarna hålls ihop genom att kvävebaserna binder till varandra så att två halva stegpinnar bildar en hel. Men kvävebaser kan inte binda till varandra hur som helst. C binder bara till G, A binder bara till T i DNA och bara till U i RNA. Detta kallas specifik basparning.

DNA är det ämne som arvsmassan består av och fungerar alltså som cellens långsiktiga informationslager. Denna information finns i varje levande cell (utom röda blodkroppar, som saknar cellkärna) och förs vidare vid varje celldelning. Den specifika basparningen gör att DNA kan kopieras (genom processen replikation) när en cell delar sig så att de nya cellerna får samma genetiska information som den ursprungliga.

När djur och växter förökar sig sexuellt blandas hälften av mammans arvsmassa med hälften av pappans. Den nya organismen får en helt egen kombination av information och därmed en helt egen identitet.

Informationen i vår arvsmassas DNA-molekyler finns i ordningsföljden av A, T, C och G. Det är denna ordningsföljd som beskriver hur olika proteiner ska tillverkas.

Alla celler i kroppen innehåller samma DNA, men olika celltyper använder olika delar av informationen. En muskelcell och en nervcell har alltså i princip samma genetiska instruktioner, men de läser olika kapitel ur den genetiska boken.

Ett svanpar med ungar. I varje unges arvsmassa kommer hälften av DNAmolekylerna från mamman och hälften från pappan.

Det finns proteiner i alla celler, även gräsceller. Hästar kan utvinna protein ur gräs, bland annat tack vare att de tuggar så noga. Människor kan ta upp gräsprotein om gräset körs i en råsaftcentrifug.

Hos djur, svampar och växter (eukaryota organismer) finns DNA i cellens kärna, men proteintillverkningen sker utanför cellkärnan, i cytoplasman. Därför behöver DNA skrivas av (genom processen transkription) till en RNA-molekyl (mRNA) som kan transporteras ut ur kärnan till ribosomerna, som fungerar som cellens proteinfabriker. Ribosomerna översätter (genom processen translation) informationen till en kedja av aminosyror.

Proteiner

Proteiner är en stor grupp ämnen som har många vitt skilda funktioner. De bygger upp vävnader, transporterar ämnen, fungerar som signaler och styr kemiska reaktioner. Muskler, hud, hår och naglar består till stor del av proteiner. Hemoglobin, som transporterar syre i blodet, är ett protein. Antikroppar, som hjälper immunsystemet att känna igen främmande ämnen, är också proteiner.

Enzymer är en mycket viktig grupp proteiner som fungerar som biologiska katalysatorer. Det betyder att de påskyndar kemiska reaktioner utan att själva förbrukas. Utan enzymer skulle många av kroppens reaktioner gå alldeles för långsamt för att vi skulle kunna leva.

Alla proteiner är uppbyggda av långa kedjor av aminosyror. Det finns tjugo olika aminosyror som kroppen använder för att bygga proteiner. Dessa kan kombineras på enormt många sätt, ungefär som bokstäver kan kombineras till ord och meningar.

Proteinets funktion beror på dess form. I grunden beror formen på ordningsföljden av aminosyror. Aminosyrornas olika kemiska egenskaper gör att den långa kedjan bildar tredimensionella spiraler och plattor. Dessa former viks sedan samman till en tredimensionell struktur som är unik för varje protein.

Felaktigt formade proteiner kan få allvarliga konsekvenser. Många sjukdomar har koppling till proteiner som inte fungerar som de ska, antingen för att de har byggts fel eller för att de har veckats på ett skadligt sätt.

För att kroppen ska kunna bygga proteiner behöver den aminosyror. Vissa aminosyror kan kroppen tillverka själv, medan andra måste komma från maten. Dessa kallas essentiella aminosyror

När vi äter protein bryts det ner till aminosyror i matsmältningssystemet. Aminosyrorna transporteras sedan med blodet till cellerna, där de används för att bygga nya proteiner. På så sätt blir maten vi äter en del av oss själva. Kroppen plockar isär molekyler, sorterar byggstenarna och bygger upp nya molekyler efter sina behov.

Kolhydrater

Kolhydrater består av kol, väte och syre och fungerar som energikälla för de flesta celler. De enklaste kolhydraterna kallas monosackarider (mono = enkel eller ensam). Glukos är den viktigaste av dessa. Glukos används av kroppens celler i cellandningen, där energin i glukosmolekylen frigörs.

Kolhydrater kan vara små eller stora molekyler. Två enkla sockermolekyler kan bilda en disackarid (di = två), till exempel sackaros (rörsocker) eller laktos (mjölksocker). Många sockerenheter kan bindas samman och bilda polysackarider ( poly = flera). Stärkelse är en polysackarid som fungerar som energilager i växter. Glykogen är människans och djurens motsvarighet och lagras i framför allt levern och musklerna. När kroppen behöver extra energi kan glykogen brytas ner till glukos.

Alla kolhydrater fungerar inte som energikälla. Cellulosa är en polysackarid som växter använder för att bygga upp stabila cellväggar. Människan kan inte bryta ner cellulosa. Ämnet fungerar därför som kostfiber, som är viktiga för matsmältningen genom att de hjälper tarmarna att arbeta. Kostfiber är också viktiga för de bakterier som lever i tarmen och spelar en viktig roll för hälsa, immunsystem och ämnesomsättning.

En makak som lär sin unge att äta banan. Bananer och annan söt frukt innehåller kolhydrater som de flesta djur kan utvinna energi ur.

Lipider

Lipider är fetter och fettliknande ämnen som bildas av växter eller djur. Vanliga fetter är uppbyggda av en glycerolmolekyl och tre fettsyror. Glycerol är ett organiskt ämne med tre kolatomer. I ren form är glycerol en genomskinlig tjockflytande vätska med söt smak.

Fettsyror består av långa kedjor av kol och väte med en syragrupp i ena änden. De kan vara mättade, enkelomättade eller fleromättade. Mättade fettsyror har bara enkelbindningar mellan kolatomerna, medan omättade fettsyror har en eller flera dubbelbindningar. Detta påverkar fettets form och egenskaper. Mättade fetter är ofta fasta vid rumstemperatur, medan omättade fetter ofta är flytande.

Vissa fettsyror är essentiella, vilket betyder att kroppen inte kan tillverka dem själv. Exempel är omega-3 och omega-6. De behövs bland annat för hjärnans utveckling, immunsystemet och cellernas funktion.

Sälar och andra djur som lever i kallt vatten har ett tjockt lager fettvävnad (späck) under huden för att isolera kroppen från kyla. Späck isolerar bättre än päls under vatten.

Fetter innehåller mer energi per gram än både kolhydrater och proteiner, vilket gör dem effektiva som långsiktiga energilager. Det är praktiskt för kroppen, men innebär också att energi lätt kan lagras som fettvävnad om vi får i oss mer energi än vi gör av med över tid.

Fettvävnad fungerar förutom som energilager även som isolering och skydd för inre organ. Fetter behövs också för att kroppen ska kunna ta upp fettlösliga vitaminer som A, D, E och K.

Så kallade fettliknande ämnen omfattar bland annat fosfolipider, som bygger upp cellmembran. Fosfolipider har en vattenlöslig (hydrofil) del och en vattenavstötande (hydrofob) del. När de hamnar i vatten ordnar de sig spontant i dubbla lager, där de vattenavstötande delarna vänder sig mot varandra och de vattenlösliga delarna vänder sig utåt.

Cellmembranets dubbla lager bildar en gräns mellan cellens inre och omgivningen. Utan membran skulle celler inte kunna hålla ordning på sin inre miljö.

Vatten, mineraler och kroppens kemiska balans

För att kroppens kemi ska fungera krävs också vatten. Vatten är kroppens viktigaste lösningsmedel och deltar i många kemiska reaktioner.

Många ämnen måste vara lösta i vatten för att kunna transporteras med blodet eller reagera i cellerna. Vatten hjälper också till att reglera kroppstemperaturen, bland annat genom svettning. Eftersom vatten är så centralt i kroppens kemi påverkas vi snabbt av vätskebrist.

Jonerna som finns lösta i cellernas cytoplasma och i kroppsvätskorna är också livsviktiga. Natrium (Na+), kalium (K+), kalcium (Ca 2+) och klorid (Cl–) är exempel på elektrolyter som behövs för nervsignaler, muskelsammandragningar, ämnesomsättning och vätskebalans.

Kroppen strävar hela tiden efter balans, så kallad homeostas Det betyder att den försöker hålla sin inre miljö stabil trots att omgivningen förändras. För att alla livsviktiga kemiska reaktioner ska ske på rätt sätt krävs att temperatur, pH-värde, blodsocker, vätskebalans och salthalt regleras så att de hålls på rätt nivå. Om någon av dessa faktorer hamnar fel påverkas kroppens funktioner.

Många sjukdomar innebär att kroppen inte kan upprätthålla sin kemiska balans. Diabetes innebär problem med blodsockerreglering. Sköldkörtelrubbningar innebär problem med ämnesomsättningen. Njursjukdomar innebär problem med salt- och vätskebalansen.

Liksom i ett laboratorium sker i kroppen ständigt kemiska reaktioner. Organiska molekyler bryts ner och bildas genom att kemiska bindningar bryts och skapas.

Livets kemi

Det mest fascinerande är kanske hur biomolekyler och andra ämnen samverkar i kroppen. DNA innehåller informationen för hur proteiner ska byggas. Proteiner som fungerar som enzymer styr reaktioner där kolhydrater bryts ner för att frigöra energi. Energin används för att bygga nya molekyler, reparera celler och upprätthålla cellmembran som består av lipider. Mineralämnen och vatten gör att reaktionerna kan ske i rätt miljö.

När vi äter, dricker och andas tillför vi de ämnen kroppen behöver för att hålla sitt kemiska system igång. Syre används i cellandningen, vatten fungerar som lösningsmedel, kolhydrater och fetter ger energi, proteiner ger aminosyror och mineralämnen bidrar till viktiga funktioner. Samtidigt måste kroppen göra sig av med restprodukter, till exempel koldioxid, urinämne och överskott av salter. Livet kräver ett ständigt utbyte med omgivningen.

Kroppen är både biologisk och kemisk. Den består av grundämnen, molekyler, celler, vävnader och organ. Den fungerar genom att det sker kemiska reaktioner, kemiska bindningar bryts och bildas, energi och ämnen omvandlas från en form till en annan.

Människan är en del av samma kemiska system som omvärlden. Atomerna som bygger upp våra celler följer samma kemiska lagar som när de befinner sig i havet, luften, berggrunden och stjärnorna. Skillnaden är att i kroppen är de organiserade på ett sätt som gör liv möjligt. Det är denna organisation som gör att materia kan tänka, känna, röra sig, växa och läka.

När man förstår hur DNA fungerar, varför proteiner måste ha rätt form, hur kolhydrater ger energi och varför fetter behövs i cellmembran får man också en djupare förståelse för hälsa, kost, sjukdomar och medicinsk utveckling. Då blir kemi inte bara något som sker i ett laboratorium utan något som pågår i oss varje sekund.

SAMMANFATTNING

* Alla levande organismer på jorden bygger på samma grundläggande kemiska principer.

* De biogena grundämnena är syre, kol, väte och kväve.

* Kolatomen är speciell eftersom den kan bilda fyra starka bindningar samt

binda till andra kolatomer och bilda långa kedjor.

* DNA och RNA behövs för att cellen ska kunna tillverka proteiner.

* Fosfolipider bygger upp cellmembranet, som bildar gränsen mellan cellens inre och omgivningen.

* Vatten är kroppens viktigaste lösningsmedel och deltar i många kemiska reaktioner.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vilka grundämnen kallas biogena. Varför?

2. Vad är biomolekyler? Vilka är de viktigaste?

3. Beskriv hur en DNA-molekyl är uppbyggd. På vilka sätt bildar kvävebaserna A, T, C och G par med varandra?

4. Vilka funktioner har DNA och RNA i cellen?

5. Vilka är skillnaderna mellan en DNA-molekyl och en RNA-molekyl?

6. Ge tre exempel på uppgifter som proteiner har i kroppen.

7. Vad har ämnena stärkelse, glykogen och cellulosa gemensamt ur ett kemiskt perspektiv? Vad är skillnaden i funktion mellan ämnena?

8. Varför är lipider nödvändiga för att kroppen ska fungera?

9. Beskriv hur cellmembranet är uppbyggt av fosfolipider.

10. Vad menas med kroppens homeostas? Vilken funktion har elektrolyter som natrium och kalium i detta sammanhang?

ÖVNINGAR

Från ärftlig information till funktion

Sammanfatta vägen från genetisk kod till en märkbar egenskap i kroppen (till exempel ögonfärg eller förmågan att bryta ner laktos). Rita ett enkelt flödesschema och använd begreppen DNA, RNA, transkription, translation, ribosom, aminosyra och protein.

Denaturering i köket

Denaturering innebär att ett protein tappar sin naturliga 3D-form, vilket ofta leder till att det klumpar ihop sig och blir olösligt. Välj två livsmedel som innehåller protein, exempelvis ett ägg och mjölk. Utför ett experiment där du försöker denaturera proteinerna med hjälp av värme (stekpanna/kokning), syra (citronsaft eller ättika) eller mekanisk kraft (vispning).

Ta bilder före, under tiden och efter experimentet.

Förklara med egna ord hur du tror att molekylernas struktur förändras med utgångspunkt i det som syns på bilderna.

Snabba och långsamma kolhydrater

Leta upp näringsinnehållet på tre olika livsmedelsförpackningar. Hur stor del av de totala kolhydraterna är ”varav sockerarter”? Ta reda på hur olika typer av kolhydrater över tid påverkar blodsockerregleringen via hormonerna insulin och glukagon. Arbeta i par.

Slå hål på fettmyterna

Ibland ser man påståendet att det är hälsosamt att helt undvika fett i kosten. Ta reda på mer om hur mycket och vilken sorts fett som kroppens celler och organ behöver.

Homeostas i extremfall

Vad händer kemiskt i kroppen hos en person som springer ett maratonlopp en väldigt varm dag utan att dricka tillräckligt med vatten? Använd begreppen vätskebrist och elektrolyter (salter).

AVSNITT 4: K EMIN I IN d USTRIN O ch MIL jö N

Genom kemi har människan lärt sig att utvinna ämnen ur naturen, förändra dem och bygga upp nya material med egenskaper som tidigare inte fanns. Varje byggnad, fordon, klädesplagg, hygienprodukt, läkemedel och digital enhet är resultatet av kemiska kunskaper och processer.

ORD OCH BEGREPP

Cirkulär ekonomi är ett ekonomiskt system som minskar avfall genom att material och produkter återanvänds, repareras och återvinns så länge som möjligt.

Industrialisering är att industrins andel av produktion och arbetstillfällen ökar samtidigt som teknik, organisation och sociala förhållanden omvandlas.

Kolväten är en stor grupp organiska kemiska föreningar som bara består av kol och väte.

Konstgödsel är näring till växter som tillverkas kemiskt.

Livscykelperspektiv är att undersöka vad som händer när råvaror utvinns och en produkt tillverkas, transporteras, används, förbrukas och återvinns.

Mikroplaster är partiklar av plast som är mycket små (mindre än 5 mm).

Naturmaterial är material som hämtas från naturen eller kommer från

levande organismer som människor odlar eller föder upp.

Syntetiskt ämne är ett ämne som människan har framställt genom kemiska reaktioner och som oftast inte finns i naturen.

Återvinning är när man använder gammalt material för att tillverka nya saker.

På 1950-talet utvecklades ett stort antal vardagsprodukter i färgglad plast i stället för exempelvis emaljerad metall som var vanligt tidigare.

Kemin har förändrat samhället

Under större delen av människans historia använde vi framför allt naturmaterial. Hus byggdes av trä, sten och lera. Kläder tillverkades av ull, linne, bomull eller läder. Verktyg och vapen gjordes av sten, brons, järn eller andra metaller. Dessa material är användbara, men de har också begränsningar. De finns bara i vissa mängder, har vissa egenskaper och kan inte alltid anpassas efter nya behov.

Med industrialiseringen på 1800-talet förändrades förutsättningarna. När naturvetenskapen utvecklades började människor förstå hur ämnen är uppbyggda och hur de kan omvandlas. Kemiindustrin gjorde det möjligt att framställa syntetiska ämnen och material i stor skala. Ett tidigt genombrott var syntetiska färgämnen, som kunde ersätta dyra färger från växter, mineraler och insekter. Senare följde konstgummi, läkemedel, gödningsmedel och plaster. Det moderna samhället är otänkbart utan kemiindustrin.

Men när råmaterial utvinns och syntetiska ämnen tillverkas, används och till slut blir avfall påverkas miljön, klimatet och människors hälsa. Vissa ämnen bryts ner snabbt i naturen, medan andra finns kvar under mycket lång tid. Vissa är ofarliga i små

mängder men skadliga i höga koncentrationer. Andra är mycket användbara i industrin men problematiska om de hamnar i mark, vatten eller levande organismer.

I det här avsnittet följer vi några ämnen och material genom deras livscykel: från råvara till produkt, användning, restprodukt och miljöpåverkan. Det handlar inte om att avgöra om kemi är ”bra” eller ”dåligt”. Kemin ger oss både lösningar och nya problem. Det viktiga är att förstå hur ämnen fungerar, varifrån de kommer, hur de används och vad som händer när de sprids i naturen.

Exemplet plastflaska

Tänk dig en vanlig plastflaska. Den är lätt, billig, hållbar, genomskinlig och enkel att forma. Den kan transporteras långt utan att gå sönder och den skyddar innehållet från smuts och bakterier. Detta är anledningen till att plast blivit ett av världens mest använda material. Men samma egenskaper som gör plast så användbar gör den också problematisk när den hamnar på fel plats.

Plast är ett syntetiskt material. Det betyder att materialet har framställts genom kemiska processer och inte finns färdigt i naturen på samma sätt som trä, ull eller bomull. Många plaster tillverkas från fossila råvaror som olja och naturgas. Biobaserad plast är helt eller delvis tillverkad av förnybara råvaror som trä, majs eller sockerrör.

Olja och naturgas består till stor del av kolväten, det vill säga molekyler som består av grundämnena kol och väte. I kemiindustrin bryts kolväten ner till små byggstenar (monomerer) som kopplas ihop till långa molekylkedjor ( polymerer). Polymerernas struktur avgör plastens egenskaper. Beroende på vilka monomerer som ingår, hur långa kedjorna är och vilka tillsatser som ingår blir plasten hård, mjuk, elastisk, vattentät, genomskinlig eller värmetålig. Olika plaster har olika egenskaper och används till olika saker:

p Polyeten är billig, lätt och lätt att forma. Den kan vara tunn men samtidigt tät och stark. Därför används den i plastpåsar, flaskor och förpackningar.

p PET (polyetylentereftalat) tål hög temperatur, uv-ljus, kemiska ämnen och slitage. Därför används den i dryckesflaskor samt i textilier som polyester och fleece.

p PVC är tung, stabil och slitstark. Därför används den i rör, golv och byggmaterial.

Förbrukade plastflaskor som har sorterats och nu ska återvinnas.

Tack vare plast har många saker blivit billigare, säkrare och mer effektiva. Plast kan ersätta tyngre material, minska transportvikt, skydda livsmedel och användas i sjukvården i sterila förpackningar, slangar, sprutor och skyddsutrustning. I många sammanhang är plast svår att ersätta.

Problemet är att många plaster bryts ner mycket långsamt i naturen. De ruttnar inte som organiskt material och rostar inte som vissa metaller. I stället nöts de sönder av solljus, vind, vatten och mekanisk påverkan. Då kan större plastföremål fragmenteras till mindre och mindre bitar. När partiklarna blir mycket små kallas de mikroplaster.

Mikroplast kan spridas i hav, sjöar, jord och luft. Små plastpartiklar kan tas upp av organismer och spridas vidare i näringskedjor. Forskningen undersöker fortfarande exakt vilka risker mikroplaster innebär, men det är tydligt att plast som hamnar i naturen är svår att få bort.

Plast kan också skapa problem vid förbränning. När den bränns frigörs koldioxid. Om plasten är tillverkad av fossila råvaror bidrar den till den förstärkta växthuseffekten. Om plasten innehåller vissa tillsatser, till exempel mjukgörare eller flamskyddsmedel, kan den behöva hanteras noggrant vid avfall och förbränning.

Plastflaskan visar att ett material kan vara både en teknisk framgång och ett miljöproblem. Den kemiska frågan är inte bara hur plast tillverkas utan också hur den används, samlas in, återvinns och hindras från att spridas i naturen.

Exemplet konstgödsel

Tänk dig en åker. För att växter ska växa behöver de ljus, vatten, koldioxid och näring. Några av de viktigaste näringsämnena för växter är kväve (N), fosfor (P) och kalium (K), ofta förkortat NPK. Utan dessa ämnen kan växterna inte bilda proteiner, DNA, cellmembran eller energimolekylen ATP.

Före den moderna kemiindustrin gödslade man åkrar med naturgödsel i form av djurspillning, kompost och annat organiskt material som tång och aska. Men när befolkningen ökade räckte detta inte till. Jordbruket behövde producera mer mat på mindre yta och då behövdes mer gödningsmedel.

Fosfor och kalium förekommer i form av mineraler i berggrunden. Metoder för att utvinna dem för att producera gödningsmedel utvecklades i slutet av 1800-talet.

Kväve finns i form av kvävgas (N2) i luften. Kvävgasmolekylen är mycket stabil, och de flesta celler kan inte använda den som kvävekälla. Växter tar upp kväve i form av joner som ammonium (NH4 +) eller nitrat (NO3 –). I början av 1900-talet uppfann de tyska kemisterna Fritz Haber (1868–1934) och Carl Bosch (1874–1940) en metod för att ur kvävgas och vätgas bilda ammoniak, som sedan används för att tillverka konstgödsel. Detta har haft enorm betydelse för livsmedelsproduktionen. Utan industriellt framställd kvävegödsel hade det varit mycket svårt att producera mat till dagens världsbefolkning.

En lantbrukare sprider NPK-gödsel, som innehåller grundämnena kväve (N), fosfor (P) och kalium (K) i form av joner som växter kan ta upp.

Men när stora mängder gödning tillförs åkrar hinner växterna inte alltid ta upp allt. Vattenlösliga föreningar kan sköljas bort med regnvatten och hamna i vattendrag, sjöar och hav där de kan leda till övergödning. Övergödning innebär att alger och växtplankton växer kraftigt. När de dör sjunker de till botten och bryts ner av bakterier. Nedbrytningen förbrukar syre och kan leda till att syrehalten i vattnet sjunker så mycket att fiskar, bottenlevande djur och andra organismer får svårt att överleva.

Kväve kan också påverka klimatet. I marken kan vissa bakterier omvandla kväveföreningar till lustgas (N2O) som är en mycket kraftfull växthusgas (betydligt mer kraftfull än koldioxid).

Gödning handlar därför om balans. I rätt mängd och på rätt plats bidrar det till växtlighet, skördar och matproduktion. I för stor mängd eller på fel plats kan samma ämnen störa ekosystem. Lösningen är framför allt att gödningsmedel används med större precision, i exakt den dos som behövs och vid precis rätt tidpunkt.

Exemplet batteri

Tänk dig batteriet i din mobiltelefon. Samma typ av teknik finns i batteriet till datorer och elbilar. Batterier är centrala i elektrifieringen av samhället, men de kräver också råvaror som måste utvinnas ur jordskorpan.

Ett litiumjonbatteri innehåller flera ämnen och material. Litiumjoner rör sig mellan batteriets elektroder när batteriet laddas och används. Andra metaller som nickel, kobolt, mangan, koppar och aluminium kan ingå i batteriets olika delar eller i elektroniken runt omkring. Grafit används ofta i en av elektroderna. I modern teknik används också så kallade sällsynta jordartsmetaller, till exempel i starka magneter i elmotorer och vindkraftverk.

Metaller finns i jordskorpan, men oftast inte i ren form. De är bundna i mineral och malmer. För att få fram en ren metall måste malmen brytas, krossas, separeras och behandlas kemiskt eller elektrokemiskt. I vissa fall används elektrolys, där elektrisk ström driver kemiska reaktioner som frigör metallen.

Gruvdrift och metallutvinning kräver stora mängder energi och kan påverka miljön kraftigt. Landskap förändras, stora mängder berggrund krossas och flyttas, vatten används i processerna och gruvavfall måste tas om hand under lång tid. Om avfall och vatten inte hanteras säkert kan metaller eller andra ämnen läcka ut och förorena mark och

Litiumbatteri från en kamera.

vattendrag. I vissa delar av världen är gruvdriften kopplad till dåliga arbetsvillkor och konflikter om mark och resurser.

Samtidigt behövs metallerna för teknik som kan minska användningen av fossila bränslen. Elbilar ger lägre utsläpp under användning än bensin- och dieselbilar, särskilt om elen kommer från förnybara energikällor. Batterier kan också lagra el från sol- och vindkraft och göra energisystemet mer flexibelt.

Batteriet visar att hållbar utveckling ofta är komplicerad. En teknik kan vara positiv ur ett klimatperspektiv men samtidigt skapa andra miljöproblem när råvarorna utvinns. Därför behöver man titta på hela livscykeln: råvaruutvinning, tillverkning, användning, livslängd, avfall och återvinning.

Återvinning av metaller är särskilt viktig eftersom de inte förbrukas på samma sätt som exempelvis bränslen. Metallerna i ett batteri eller en kabel finns kvar när produkten är utsliten och inte längre fungerar. Om produkten samlas in och metallerna återvinns minskar behovet av ny gruvdrift. Men återvinning kräver fungerande insamlingssystem, teknik för att separera olika ämnen och ekonomiska system som gör det lönsamt.

återvunna metaller och material

återförs till den kemiska reningen för vidare rening och framställning

gruvdrift/ utvinning av malm

avancerad återvinning

användning i batterier

kemisk rening

batteritillverkning (batterimaterial och celltillverkning)

Kemi, teknik, ekonomi och miljö hänger ihop. Industrin behöver råvaror, samhället behöver energi och transporter, men naturen påverkas av hur råvarorna tas fram och hur produkterna hanteras när de är uttjänta.

PFAS i blodet

2013 upptäcktes höga halter av PFAS i dricksvattnet i Kallinge i Blekinge. Ämnet kom från en närliggande militär flygplats, där man hade haft många brandövningar och använt mycket brandskum. Många invånare i området hade förhöjda halter av PFAS i blodet. Förhöjd halt av PFAS i kroppen kan störa immunsystemet och hormonsystemet samt öka risken för cancer. Högsta domstolen fastslog 2023 att de drabbade har rätt till skadestånd.

Svårnedbrytbara kemikalier

Kemiska ämnen i olika produkter är utvecklade för att ge produkten bestämda egenskaper. Rengöringsmedel ska lösa fett och smuts. Impregnerade textilier ska stöta bort vatten. Brandskum ska kväva eld. Smink, färg, lim och ytbehandlingar ska ha rätt färg, glans och hållbarhet. Ämnena i dessa produkter behöver också vara mer eller mindre stabila för att fungera som de ska. Problemet är att stabila ämnen kan vara svåra att bli av med.

Innan nya produkter med nya ämnen börjar användas i stor skala behöver industrin och samhället undersöka bland annat om ämnet är giftigt och hur det kan brytas ner. Om ett ämne är farligt eller svårnedbrytbart bör det bytas mot ett annat som gör samma jobb men med mindre risk. Detta kallas substitution

TENSIDER

Tensider är ämnen som består av molekyler där en del lätt löser sig i vatten och en annan del lätt löser sig i fett. Tensider gör rengöringsmedel mer effektiva på att tvätta bort fett. I tvättmedel, diskmedel, tvål och schampo binder tensidernas fettlösliga delar till fett, medan de vattenlösliga delarna vänder sig mot vattnet. På så sätt kan fettet blandas med vatten och sköljas bort. Ett problem är att när tvål, schampo och rengöringsmedel har använts spolas de ut i avloppet. Tensiderna behöver därför kunna brytas ner eller fångas upp i reningsverk.

PFAS

PFAS är en stor grupp syntetiska ämnen som kan vara vatten-, fett- och smutsavvisande och tåla höga temperaturer. Därför har vissa PFAS använts i brandskum, impregnerade textilier, livsmedelsförpackningar, skidvalla, ytbehandlingar och andra produkter. Problemet är att många PFAS är mycket svårnedbrytbara.

PFAS framställs genom att väteatomerna i kolväten byts ut mot fluoratomer. Bindningarna mellan kol och fluor är starka, vilket gör molekylerna kemiskt stabila. Det är denna stabilitet som gjort dem användbara i industrin, men samma stabilitet gör dem svåra att bryta ner så de kan stanna kvar länge i miljön. Vissa PFAS kan spridas med vatten och påträffas i mark, sjöar eller grundvatten. Därför kallas de ibland evighetskemikalier.

Restprodukter

När kemiindustrin tillverkar ämnen, material och produkter skapas även restprodukter. Det kan vara gaser, vätskor, fasta ämnen, slam, aska eller lösningsmedelsrester. De kan släppas ut genom skorstenar, följa med avloppsvatten eller bli kvar som fast avfall. Luftfilter och reningsverk kan ta bort mycket, men inte allt. Vissa ämnen förekommer i mycket låga koncentrationer men kan ändå skada levande organismer.

Vid förbränning av kolbaserade ämnen bildas koldioxid . Om bränslet innehåller svavel kan svaveloxider bildas. Vid höga temperaturer kan kväveoxider bildas. Dessa ämnen kan påverka klimatet, luftkvaliteten och vattnet.

Industriella processer kan också ge upphov till avfall som innehåller tungmetaller som bly, kadmium eller kvicksilver. Dessa ämnen kan vara giftiga även i små mängder och i vissa fall ansamlas i näringskedjor. Gruvavfall och metallindustri kan därför påverka mark och vatten under lång tid.

Varningsskylt för PFAS i närheten av ett övningsfält där räddningstjänsten tidigare har utfört många brandövningar.

Sopsortering är ett sätt att minska den kemiska belastningen som vår konsumtion har på miljön.

Miljökemi är mer komplext än att bara dela in ämnen i ”farliga” och ”ofarliga”. Risken att ett ämne ska orsaka skada beror på dess mängd, koncentration och kemiska form samt var i miljön det hamnar. Koldioxid är en naturlig del av atmosfären och behövs i fotosyntesen, men för mycket koldioxid bidrar till klimatförändringar. Kväve och fosfor är livsnödvändiga näringsämnen, men kan orsaka övergödning i vattenmiljöer. Många metaller behövs i kroppen, men kan vara giftiga i fel form eller för hög koncentration.

Det finns flera metoder för att minska risken att ett ämne ska orsaka skada:

p Filter och reningsverk fångar upp partiklar och kemikalier innan de når luft och vatten.

p Katalysatorer omvandlar skadliga gaser till mindre skadliga ämnen.

p Substitution ersätter problematiska kemikalier med bättre alternativ.

p Återvinning kan göra att metaller och material används igen i stället för att bli avfall.

Livscykelperspektiv betyder att man undersöker vad som händer när en produkt används, men också före och efter, vid råvaruutvinning, tillverkning, transport, användning, avfall och återvinning. En produkt kan verka miljövänlig när den används men kräva mycket energi eller ovanliga råvaror vid tillverkning. En annan produkt kan vara billig att producera men svår att återvinna.

Cirkulär ekonomi innebär att man försöker minska avfall genom att återanvända, reparera och återvinna material. I stället för slit-ochsläng försöker man skapa kretslopp där ämnen och material används flera gånger. För kemin innebär det att material behöver utvecklas så att de går att separera, återvinna eller bryta ner på ett säkert sätt.

Kemi som beslutsunderlag

Industrialiseringen och kemiindustrin har gett oss syntetiska material, gödningsmedel, batterier, rengöringsprodukter, textilier, läkemedel och tekniska innovationer som har förbättrat livet för miljarder människor. Samma utveckling har skapat nya miljöproblem: plastföroreningar, mikroplaster, klimatförändringar, övergödning, svårnedbrytbara ämnen och resursbrist.

Det är viktigt att kunna se både nytta och risk. Plast kan skydda mat och minska matsvinn men också skapa mikroplast. Konstgödsel kan öka skördar men också bidra till övergödning. Batterier kan minska beroendet av fossila bränslen men kräver metaller och gruvdrift. Svårnedbrytbara vardagskemikalier kan ge effektiva produkter men bli problematiska om de sprids.

Att köpa begagnat i stället för nytt är ett annat sätt att minska den kemiska belastningen som vår konsumtion har på miljön.

SAMMANFATTNING

* Före industrialiseringen på 1800-talet tillverkade människan saker av naturmaterial.

* Kemiindustrin har skapat ämnen, material och produkter som är avgörande för det moderna samhället.

* Att utvinna de råvaror som används vid tillverkning av syntetiska ämnen är ofta energikrävande och kan orsaka miljöproblem.

Vi behöver försöka se den kemiska helhetsbilden genom att ställa frågor från flera perspektiv. Vilka råvaror används? Varifrån kommer de? Hur utvinns de? Hur tillverkas material och produkter? Vad händer när de används? Vad bildas som restprodukt? Vilka ämnen kommer ut i naturen? Vilka ämnen kan återvinnas, brytas ner eller ersättas?

Man behöver inte bli kemist för att ha nytta av kemikunskaper. Material, energi, hälsa, ekonomi och miljö hänger tätt ihop. Därför behöver alla kunna förstå grundläggande kemiska samband. Kemi är inte bara ett skolämne utan ett verktyg för att förstå världen och vara med och forma framtiden.

* Återvinning minskar behovet av gruvdrift och annan utvinning.

* Vid kemisk tillverkning skapas även restprodukter, som kan vara skadliga.

* När syntetiska ämnen som är svårnedbrytbara sprids kan de orsaka skada.

* Livscykelperspektiv är att undersöka vad som händer när råvaror utvinns och

en produkt tillverkas, transporteras, används, förbrukas och återvinns.

* Cirkulär ekonomi är ett ekonomiskt system som minskar avfall genom att material och produkter återanvänds, repareras och återvinns så länge som möjligt.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vad är skillnaden mellan ett naturmaterial och ett syntetiskt ämne? Ge minst två exempel på varje.

2. Hur är plast uppbyggt på molekylnivå?

3. Vad är mikroplaster, hur bildas de i naturen och varför är de ett miljöproblem?

4. Vilka tre grundämnen är de viktigaste näringsämnena i konstgödsel, och varför var uppfinningen av Haber–Bosch-metoden så avgörande för världens befolkning?

5. Vad innebär övergödning? Vad kan hända i en sjö om det läcker ut för mycket näringsämnen till den?

6. Nämn några miljöproblem som kan uppstå när man bryter malm för att utvinna metaller till exempelvis batterier. Varför är metallåtervinning så viktigt?

7. Hur fungerar tensider på molekylnivå när de löser upp fett och smuts?

8. PFAS-ämnen kallas ibland för evighetskemikalier eftersom de är så svåra att bryta ner. Vad beror denna kemiska stabilitet på, och vilka risker finns det med att få i sig för höga halter?

9. Vad menas med substitution inom kemiindustrin?

10. Vad innebär det att undersöka en produkt utifrån ett livscykelperspektiv, och hur hänger det ihop med tanken om cirkulär ekonomi?

ÖVNINGAR

Elbilens miljövänlighet

Bilar som drivs enbart av el klassas som miljöbilar i Sverige eftersom klassningen utgår från hur mycket koldioxid bilen släpper ut när den kör.

a) Kan en elbil verkligen kallas för ”miljövänlig” om utvinningen av råvarorna förstör lokalmiljön och människors hälsa där metallerna bryts?

b) Ge exempel på hur elbilsindustrin skulle kunna bli mer hållbar.

Plastpåseskatt

2020 infördes en plastpåseskatt i Sverige. Skatten var på 3 kronor per kasse och 30 öre för frukt- och grönsakspåsar. Skatten togs bort 2024.

a) Vilka argument finns för och emot en plastpåseskatt? Vad tycker du i frågan?

b) Diskutera i grupp: Om ni regerade i Sverige och var tvungna att totalförbjuda tre plastprodukter i morgon, vilka skulle det vara och varför?

Vetenskap med för- och nackdelar

En vetenskaplig upptäckt kan samtidigt ha både en positiv och en negativ sida. Konstgödsel har varit helt avgörande för att kunna producera mat till dagens världsbefolkning. Men när gödsel kommer ut i sjöar och hav orsakar den övergödning. PFAS är en grupp kemikalier som är mycket effektiva bland annat som vatten- och fettavstötare i kläder. Samtidigt är de extremt svårnedbrytbara och giftiga.

a) Fundera över fler vetenskapliga landvinningar som har både för- och nackdelar.

b) Hur tror du att det kommer sig att vi ofta först upptäcker positiva sidor med en vetenskaplig upptäckt och de negativa sidorna långt senare? Finns det något sätt att upptäcka negativa sidor tidigare för att förhindra skador på hälsa och miljö?

Evolution KAPITEL 2:

Fåglar och en ödla som Charles Darwin studerade när han besökte Galápagosöarna på 1830-talet. Bilden är skapad i efterhand utifrån Darwins insamlade djur och beskrivningar.

AVSNITT 1: VA d ÄR EVOLUTION?

Evolution är ett av särdragen som utmärker liv. Alla varelser som lever

på jorden i dag har uppkommit genom evolution. Men vad är egentligen evolution och hur fungerar den?

ORD OCH BEGREPP

Alleler är varianter av samma gen.

Evolution är ärftliga (genetiska) förändringar som sker hos en population över tiden, från generation till generation.

Fossil är oftast förstenade rester av en död växt eller ett dött djur, men

kan också vara avtryck eller andra spår av döda växter och djur.

Generation är individer som är ungefär lika gamla. En syskonskara tillhör samma generation. Deras föräldrar, fastrar, mostrar, farbröder och morbröder tillhör en äldre generation. Syskonens barn tillhör en yngre generation.

Population är en grupp individer av samma art som lever i ett visst område.

”Nothing in biology makes sense except in the light of evolution”

THEODOSIUS DOBZHANSKY

Evolution utmärker liv

Man kan säga att evolution är förändring eller utveckling. Det är evolutionen som har förändrat livet på jorden. Från vår allra äldsta släkting, en cell som levde här för kanske 4 miljarder år sedan, har evolutionen skapat det myller av arter som lever här i dag. Alla arter som lever på jorden i dag har alltså ett lika långt släktträd och är lika mycket släkt med den första urcellen.

Kraften som har styrt utvecklingen från enkla, bakterieliknande urceller till det myller av mångfald som finns i dag är det naturliga urvalet

Genom att studera hur djuren, växterna och andra levande organismer ser ut och fungerar i dag kan vi lära oss mer om hur evolutionen och det naturliga urvalet fungerar. Och med hjälp av kunskap om hur evolutionen fungerar kan vi förstå mer om hur och varför organismerna har fått de egenskaper de har. Man kan säga att evolutionen är ramen inom vilken all biologi ryms.

Allt som lever på jorden har utvecklats från de första enkla organismerna genom evolution. Maneter är nässeldjur och har funnits i 600 miljoner år.

Svanar, änder och måsar är alla fåglar som lever i och kring vatten.

Variation och mångfald

En kort promenad i en park kan vara tillräckligt för att man ska inse hur varierat livet på jorden är. Om man matar fåglar i en damm kan det komma fram måsar, änder, gäss och svanar – alla är fåglar men de ser väldigt olika ut trots att man hittar dem i samma miljö. Förutom utseendet skiljer sig fåglarna i dammen även åt i vad de äter och var de bygger sina bon.

Tittar man på vegetationen ser man kanske en matta av gräs, blommande buskar och några höga träd. De har alla rötter, stam och blad som binder solenergi genom fotosyntes.

Skulle man i stället lägga sig på mage och studera örterna och insekter na på en blommande äng skulle man få se ännu större variation av livsformer, utseende och beteende. Om man snorklar i ett friskt och väl mående tropiskt korallrev är myllret av mångfald totalt överväldigande.

Vad är en art?

Art är ett väldigt grundläggande begrepp inom biologin, men samtidigt är det många gånger svårt att säga vad som är en art, delvis för att det finns olika sätt att definiera begreppet art.

p Biologiska artbegreppet : Individer som under naturliga omständigheter kan para sig och få fertil avkomma.

p Morfologiska artbegreppet : Individer som har en eller flera gemensamma ärftliga egenskaper som särskiljer dem från alla andra arter.

p Fylogenetiska artbegreppet : Den minsta urskiljbara gruppen av individer som har en gemensam utvecklingshistoria genom sina förfäder och avkommor.

På jorden finns i nuläget drygt 2 miljoner namngivna eukaryota arter (organismer med cellkärna), varav drygt 1 miljon är insekter. Men det totala artantalet som finns på jorden är mycket större.

På 1980-talet försökte biologen och insektsforskaren Terry Erwin beräkna hur många arter det finns. Erwin baserade sina beräkningar på data han samlat in i Panamas regnskogar, där han besprutade enskilda träd med insektsgift och fångade upp de insektsarter som dog och ramlade ner. I ett enda träd hittade Erwin över 1 200 skalbaggsarter och fler myrarter än vad som finns i hela Västeuropa. Utifrån insamlingar på flera ställen beräknade Erwin hur många insektsarter som kan finnas i varje trädart och uppskattade därefter hur många trädarter det finns i regnskogen. Utifrån detta beräknade han att det borde finnas 30 miljoner insektsarter i världen.

Det finns emellertid forskare som är kritiska till Erwins beräkningar och hävdar att jordens totala artantal är betydligt lägre. 2011 gjorde två marinbiologer från Hawaii och Kanada en mer teoretisk beräkning och kom fram till att det bör finnas omkring 8,7 miljoner arter på jorden. Det innebär att omkring 75 procent av arterna fortfarande inte är upptäckta och namngivna.

Varför finns det då så många arter? Och varför ser organismerna så olika ut? Svaret går att finna genom att studera evolutionen och hur evolutionen verkar.

Insektsforskaren Terry Erwin hittade över 1 200 olika arter av skalbaggar i ett enda träd i Panamas regnskog. I hela världen finns närmare 400 000 kända arter skalbaggar, i Sverige finns knappt 4 500 kända arter.

Definition av evolution

Evolution är förändring av ärftliga egenskaper från generation till generation. Ärftliga egenskaper beror på gener och de flesta gener finns i olika varianter, så kallade alleler. Evolution innebär att det sker en förändring i hur vanliga olika alleler är i förhållande till varandra. Hur stor andel av individerna i en viss population som har en viss allel kallas allelfrekvens . Evolution kan definieras som förändring i en populations allelfrekvens från en generation till en annan.

Allelfrekvens Hos en viss växtart finns genen för blomfärg i två varianter, alleler. En allel ger lila blommor, den andra allelen ger vita blommor. I en viss population är lila blommor vanligast.

Om allelfrekvensen ändras så att vita blommor blir vanligare har evolution skett.

SAMMANFATTNING

* Alla varelser som lever på jorden i dag har uppkommit genom evolution.

* Genom att studera hur organismer ser ut och fungerar i dag kan vi lära oss mer om hur evolutionen och det naturliga urvalet fungerar.

* Med hjälp av kunskap om hur evolutionen fungerar kan vi förstå hur och varför organismerna fått de egenskaper de har.

* Evolution är förändring i hur vanlig en egenskap är i en population, från generation till generation.

En kanin med långa öron och en med korta.

FÖRDJUPNING

Kaniner med långa och korta öron

För att illustrera hur evolution kan ske och egenskaper bli vanligare eller ovanligare i en grupp kommer här ett exempel som handlar om kaniner.

Vi tänker oss att det finns en lycklig kaninpopulation som lever längs en strandkant vid en flod. Populationen har varierande längd på öronen. Allel A står för långa öron och allel a står för korta öron. Långa och korta öron fungerar lika bra och om man räknar allelerna i populationen kaniner är fördelningen lika, det vill säga 50 procent A och 50 procent a. Plötsligt inträffar en jordbävning! Floden ändrar sitt flöde och kaninpopulationen delas upp. Kaniner kan inte simma särskilt bra så förändringen leder till att de två nya

populationerna är effektivt isolerade. Allelfrekvensen är till en början densamma i båda populationerna.

Jordbävningen har ändrat miljön och populationen söder om floden flyttar längre söderut i jakt på mat. Populationen norr om floden hittar inte heller mat längre och flyttar norrut. Kaninerna förökar sig (kaniner är ju väldigt bra på detta) i flera generationer.

Förändringar

En förändring har dock skett. Nu ger långa öron (allel A) kaninerna i söder en fördel: långa öron betyder större värmeförlust, vilket alltså gör det lättare för kaninerna att undvika överhettning.

Individer med långa öron behöver därför inte spendera lika mycket tid i skuggan för att svalka sig utan kan vara ute längre och leta efter mat och får mer tid för lek och lyckad förökning. Efter några generationer är den nya allelfrekvensen i söder 75 procent A och 25 procent a.

I norr däremot är det kallt. Där ger därför korta öron (allel a) en fördel: korta öron betyder mindre värmeförlust, vilket minskar risken för att kaninerna ska frysa ihjäl. Individer med korta öron förlorar mindre energi på att frysa och får mer tid för lek och lyckad förökning. Efter några generationer är den nya allelfrekvensen i norr 25 procent A och 75 procent a.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vad menas med evolution?

2. Beskriv hur naturligt urval fungerar.

3. Hur kan studier av organismers egenskaper hjälpa oss att förstå evolutionen?

4. Vad är eukaryota organismer?

5. Ge exempel på en miljö som har stor mångfald i antal arter. Hur kommer det sig att just denna miljö har så stor mångfald?

6. Vad är en allel?

7. Vad menas med allelfrekvens?

8. Vad är en generation?

9. Hur påverkar miljöförändringar det naturliga urvalet i fördjupningen om kaniner?

10. På vilket sätt kan kaninernas öronlängd påverka deras överlevnad?

ÖVNINGAR

Antalet arter

Biologen Terry Erwin föreslog att det kunde finnas upp till 30 miljoner insektsarter på jorden. Andra forskare kom fram till mycket lägre siffror. Men hur gör man egentligen för att räkna arter och varför spelar det roll?

a) Ta reda på mer om vilka metoder biologer använder för att uppskatta det totala antalet arter på jorden.

b) Vad är skillnaden mellan att upptäcka, namnge och beskriva en ny art?

c) Diskutera varför det är viktigt att veta hur många arter som finns – för evolution, ekosystem och mänsklig nytta.

Människan och evolutionen

Människor är en del av evolutionen. Men lever vi fortfarande under naturligt urval eller har tekniken och kulturen satt stopp för det?

Diskutera:

a) På vilka sätt påverkar modern medicin, teknik och samhällsstruktur det naturliga urvalet för människan?

b) Kan man säga att evolutionen pågår just nu för oss människor? Varför eller varför inte?

c) Finns det exempel på moderna mänskliga egenskaper som kan vara ett resultat av evolution i vår tid?

FÖRDJUPNING

Charles Darwin

Mannen som brukar kallas för evolutionsteorins fader hette Charles Darwin. Han föddes 1809 i en liten stad i västra Storbritannien. När han var 22 år gammal blev han erbjuden att följa med på en resa runt jorden med skeppet H.M.S. Beagle. Resans syfte var att rita en mer korrekt karta över Sydamerikas kust. Darwins uppgift var att vara sällskap till kaptenen som inte trodde att besättningen skulle vara så rolig att umgås med.

Dessutom förstod kaptenen att den långa resan också skulle ge rika möjligheter att samla in exemplar av främmande växter, djur och stenar. Charles hade läst teologi vid universitetet i Cambridge men ville egentligen bli naturforskare.

Darwins pappa förbjöd honom

först att resa eftersom han ansåg att det skulle vara bortkastad tid. Efter övertalning ändrade pappan sig och 27 december 1831 gav sig Darwin av på den nästan fem år långa resan. Den skulle bli avgörande inte bara för hans eget liv utan också för människans syn på livet på jorden.

Under resan runt jorden hittade Darwin mängder av intressanta fossil som ingen sett tidigare. Han samlade också in främmande djur och växter, som han konserverade och skickade hem till Storbritannien. På Galápagosöarna, en ögrupp i Stilla havet cirka 1 000 kilometer väster om Ecuador, såg han arter av finkar och jättesköldpaddor som å ena sidan var lika varandra men å andra sidan hade vissa tydliga särdrag.

Charles Darwin i trettioårsåldern.

Successivt utvecklades hans tankar om att alla arter var besläktade och hade uppkommit stegvis genom att utvecklas ur en enda enkel livsform för länge, länge sedan.

Om arternas uppkomst

Två år efter hemkomsten läste Darwin en bok som beskrev en matematisk teori för hur befolkningstillväxten i ett område begränsas av hur mycket livsmedel som kan produceras där. En avgörande pusselbit föll på plats. Darwin resonerade: ”en kamp för tillvaron pågår överallt, och under dessa omständigheter borde vissa gynnsamma varianter bevaras och ogynnsamma gå under. Resultatet skulle kunna bli uppkomsten av nya arter.”

Första upplagan av On the Origin of Species by Means of Natural Selection, som kom ut i 1 250 exemplar 24 november 1859.

Darwin hade därmed lagt grunden till sin teori, men han förstod att idén om hur alla levande organismer är släkt och hur de har utvecklats inte skulle bli populär, framför allt inte inom kyrkan. Därför slipade han sina formuleringar noga. Boken Om arternas uppkomst publicerades inte förrän tjugo år senare (1859).

Hela boken är skriven som en argumentation. Darwin tar upp alla protester han kan föreställa sig att hans meningsmotståndare kan tänkas komma med och bemöter dem grundligt och utförligt.

Evolutionsteorin

De fyra huvudprinciperna i Darwins evolutionsteori är:

1. Det finns ärftlig variation bland individerna i en population. Alla ärftliga egenskaper kan variera, till exempel utseendet, de inre organen och instinkterna.

2. Det föds fler ungar än vad som överlever och de livsviktiga resurserna är begränsade, vilket leder till en kamp för tillvaron där organismerna tävlar om att överleva och att föröka sig.

3. Kampen för tillvaron leder till att gynnsamma ärftliga egenskaper bevaras och förs vidare till avkomman genom det naturliga urvalet.

4. Individer med mer fördelaktiga egenskaper klarar sig bättre. De har större chans att överleva längre och få fler ungar som ärver egenskaperna, överlever längre och själva får fler ungar. Efter hand kommer de fördelaktiga egenskaperna bli vanligare och vanligare.

Med skeppet H.M.S.

reste Charles Darwin runt jorden från 27 december 1831 till 2 oktober 1836.

Darwin menade alltså att växter och djur förändras över tid och att utvecklingen inte styrs av någon tänkande, gudomlig kraft. Han hävdade att utvecklingen sker genom att: p slumpvisa förändringar skapar ärftlig variation.

p det naturliga urvalet gör att de mest gynnsamma variationerna bevaras och ansamlas.

Många människor som utgick från att de arter av växter och djur som fanns var de som alltid hade funnits, sedan Gud skapade världen, provocerades av Darwins idé, bland annat för att slumpen tillskrevs en så viktig roll.

På Darwins tid var den biologiska kunskapen som sagt väldigt annorlunda än i dag. Han hade till exempel ingen aning om hur ärftliga egenskaper överförs från föräldrar till avkomma; den vetenskapliga inriktningen genetik fanns över huvud taget inte. Men genom att studera

husdjursavel och genom att titta på sina egna barn kunde han konstatera att avkomman oftast liknar båda sina föräldrar men inte är någon kopia av någon av dem.

Termen ekologi var inte heller uppfunnen. Men Darwin hade ändå en förståelse för att omvärlden påverkar organismerna och att organismerna påverkar sin omgivning. Om Darwin inte hade grundlagt evolutionsbiologin hade han ändå gått till historien som ekologins fader.

Det naturliga urvalet innebär att det är de ekologiska betingelserna som gallrar bland de slumpmässigt uppkomna genetiska varianterna. Det är alltså växternas och djurens omgivning som har gett dem deras funktionalitet och mångfald.

I dag kan vi inte föreställa oss biologin utan Darwins evolutionsteori. Den är själva basen när vi försöker förstå hur liv och levande varelser fungerar och hänger samman.

Beagle

AVSNITT

2: ATT fö RSTå EVOLUTION

Att veta att alla organismer har uppkommit genom evolution är inte samma sak som att förstå hur evolutionen har kunnat skapa alla olika organismer som lever och har levt på jorden.

ORD OCH BEGREPP

Evolution är ärftliga (genetiska) förändringar som sker hos en population över tiden, från generation till generation.

Fitness är ett mått på evolutionär framgång. En individ med hög fitness har större förmåga att fortplanta sig än andra individer av samma art.

Genetisk variation är när ärftliga egenskaper skiljer sig mellan olika individer.

Konkurrens är en kamp eller tävling om något.

Selektionstryck är ett mått på hur starkt det naturliga urvalet verkar på en viss egenskap. I en ogästvänlig

miljö är selektionstrycket starkt för en egenskap som gör det mycket lättare att överleva och fortplanta sig där.

Slump är något oförutsägbart, till exempel att något händer utan att man kan veta det i förväg.

Evolutionsteorins grundpelare

Man kan säga att anledningen till att evolution sker är att jorden är begränsad. Här finns inte hur mycket plats och resurser som helst. Därför pågår hela tiden en sorts tävling mellan organismerna. Djur tävlar om vem som kan få flest ungar som överlever och själva får ungar. Växter tävlar om vem som kan sprida flest frön som växer upp till nya plantor som bildar egna frön. Eftersom organismerna är mer eller mindre olika varandra har de olika stor chans att lyckas i konkurrensen.

Evolution genom naturligt urval förutsätter egentligen bara att det finns konkurrens och ärftlig variation.

KONKURRENS

Inom alla arter av djur föds det fler ungar än vad som kommer att överleva tills de är gamla nog att skaffa egna ungar. Inom alla arter av växter produceras det fler frön än vad som kommer att gro, växa upp och överleva tills de är gamla nog att blomma och producera egna frön.

Giraffen har uppstått genom evolution. Men hur har evolutionen kunnat skapa ett så underligt djur?

Hundvalpar i samma kull har samma föräldrar men är ändå mer eller mindre olika varandra.

Det bildas alltså mer avkomma än vad det finns utrymme för som vuxna. Avkomlingarna måste därför konkurrera med varandra. Efter hand som avkomman växer blir konkurrensen mellan dem allt hårdare. De konkurrerar om maten, om vattnet, om reviren och om partner.

ÄRFTLIG VARIATION

En förutsättning för evolution är att avkommor liknar sina föräldrar, men att alla är lite olika. Även inom en grupp djur eller växter som tillhör samma art, som lever i samma miljö och som är släkt med varandra är individerna inte identiska med varand ra. Detta kallas genetisk variation och är en form av biologisk mångfald.

Alla delar av en organism kan variera i färg, form och funktion. Eftersom de flesta egenskaper styrs av många gener kan de variera gradvis; det kan alltså finnas många olika varianter och inte bara två.

NATURLIGT URVAL

Det naturliga urvalet är själva processen genom vilken evolutionen sker. Förutsättningen för att naturligt urval ska kunna ske är att det råder konkurrens mellan individer som är genetiskt olika. Det naturliga urvalet innebär att individernas livsmiljö ”väljer ut” (gynnar) dem med bra egenskaper. Individer med bra egenskaper kommer att lyckas bättre i konkurrensen, överleva längre och få fler överlevande ungar. Detta gör att de fördelaktiga egenskaperna blir allt vanligare inom populationen. Men det är viktigt att förstå två saker om det naturliga urvalet:

p Det naturliga urvalet sker på individnivå, men evolutionen sker på populationsnivå.

p Det naturliga urvalet bara ökar och minskar sannolikheten (chansen) för att individer som har vissa egenskaper ska klara sig bra i konkurrensen med individer med andra egenskaper.

Alla som har värdefulla egenskaper överlever inte länge och får många livsdugliga avkommor, och alla som har dåliga egenskaper dör inte unga utan att ha reproducerat sig. Även en fjäril som är bättre kamouflagefärgad än alla andra inom arten kan råka bli krossad mot vindrutan på en bil innan den hunnit hitta en partner. Därför verkar det naturliga urvalet långsamt i relation till individens livslängd (på en geologisk tidsskala går det snabbt).

En välkamouflerad bönsyrsa har fångat en fluga. Kamouflaget har utvecklats genom naturligt urval.

En av de vanligast förekommande multiresistenta bakterierna i Sverige är MRSA.

Hur snabbt går evolutionen?

Hur snabbt en värdefull egenskap blir vanlig till följd av naturligt urval beror på flera saker.

Först och främst beror hastigheten på hur lång generationstiden är. Ju kortare generationstid, desto snabbare kan ärftliga förändringar spridas i populationen. Hos människor tar det ofta 30 år från att vi föds till att vi skaffar barn. Hos möss tar det 3 månader. Hos bakterier tar det ibland bara 20 minuter.

Dessutom beror hastigheten på hur värdefull egenskapen är. Ju större fördel en egenskap ger, desto snabbare blir den vanlig. Förmågan att tåla ett gift som finns i ens livsmiljö är ett exempel på en väldigt fördelaktig egenskap.

Ju svårare det är att överleva i en viss miljö, desto starkare verkar det naturliga urvalet på egenskaper som gör det lättare att överleva trots de försvårande omständigheterna. Man säger att selektionstrycket är starkt. Selektionstrycket är alltså ett mått på hur starkt det naturliga urvalet verkar på en viss egenskap. Man kan säga att selektionstrycket är kraften bakom det naturliga urvalet.

RESISTENS KAN UTVECKLAS SNABBT

Antibiotikaresistens är ett allvarligt problem i sjukvården. Ibland uppstår mutationer som gör att bakterier kan tåla ämnen som i vanliga fall är giftiga för dem. Det kan vara att de får förmåga att bryta ner ämnet eller att hindra ämnet att komma in i cellen.

När förmågan att tåla antibiotika väl uppstått sprids den snabbt. Ju mer antibiotika som finns i miljön, desto snabbare sprids resistensen. Det naturliga urvalet gynnar mutationen. Antibiotikan dödar de bakterier som saknar resistensen och gynnar dem som har den.

Även andra organismer kan utveckla motståndskraft mot gifter. Malariamyggor (de myggor som sprider malariaparasiten som orsakar sjukdomen malaria) har utvecklat motståndskraft mot insektsgiftet DDT. Själva malariaparasiten har utvecklat resistens mot malariamedicin.

Värdefulla egenskaper

Det kan vara svårt att förstå hur alla olika varelser har utvecklat sina skiftande egenskaper genom evolution driven av naturligt urval. Men om man tänker på hur olika egenskaper är till nytta för dem som har dem blir det lättare.

Egenskaper som är till nytta för en organism i den miljö där den lever kallas för anpassningar

EGENSKAPER SOM MINSKAR RISKEN ATT BLI UPPÄTEN

Hårdare skal, vassare taggar och starkare gift gör det svårare för djur att äta upp en. Bättre kamouflage ökar chansen att hungriga fiender inte ser en. Om man kan leva på helt nya ställen, där en fiende inte kan leva, är man säkrare.

Bättre syn-, hörsel- och luktsinne ökar chansen att man upptäcker en fiende i tid. Om man är försiktigare, uppmärksammare och mer lättskrämd minskar risken att man blir lurad och överrumplad av en fiende. Om man är snabbare på att simma, springa, hoppa eller flyga ökar chansen att man lyckas undkomma en fiende som jagar en.

EGENSKAPER SOM MINSKAR RISKEN ATT SVÄLTA IHJÄL

Om man är uppmärksam och nyfiken och om man har bättre syn-, hörsel- och luktsinne ökar chansen att man upptäcker maten, oavsett om man äter växter eller djur.

Om man är snabbare, starkare, fingerfärdigare eller bättre på att smyga ökar chansen att man ska lyckas fånga eller plocka maten.

Om man klarar att äta helt ny mat som andra djur inte kan äta och det därför inte är så hård konkurrens om minskar också risken att behöva gå hungrig.

Både igelkotten och sjöborren har taggar som skyddar dem från att bli uppätna. Fördelaktiga organ som har utvecklats flera gånger oberoende av varandra, som taggar och vingar, kallas analoga. Utveckling som leder till analoga organ kallas konvergent evolution.

Kronhjortshanar använder sina horn när de slåss med varandra om att få para sig med honor.

EGENSKAPER SOM GYNNAR FORTPLANTNINGEN

Hur evolutionärt framgångsrik en individ är mäts i antal överlevande avkomlingar som själva lyckas föröka sig. Förmågan att få ungar som överlever och själva få ungar kallas fitness. En individ som har fått fler överlevande ungar än andra individer i populationen har hög fitness.

Chansen att få många överlevande ungar beror på många faktorer, vilka skiljer sig mellan hanar och honor.

Enkla djur som lever fastsittande i havet, till exempel koraller, släpper ut äggceller och spermier i vattnet, men hos de flesta avancerade djur sker parning och befruktning inte slumpmässigt. Det sker ett urval av vilka djur som får para sig. Detta kallas sexuell selektion och är en speciell typ av naturligt urval.

Hos en del arter gör hanarna upp sinsemellan om vem som ska få para sig med honorna. Detta har drivit evolutionen av egenskaper som hjorthanars stora horn och tuppars sporrar.

Hos andra arter väljer honorna själva vilken hane de vill para sig med. Detta har drivit evolutionen av egenskaper som imponerar på honor, bland annat påfågeltuppars stora stjärtplym och guppyhanars starka färger och stora stjärtfena. Hos honorna bland dessa arter har det blivit viktigt att kunna välja en bra hane.

Sexuell selektion gör att egenskaper som hjälper hanar att vinna i strid med andra hanar och egenskaper som honor föredrar när de väljer hane kommer att bli allt vanligare i populationen.

När partnervalet väl är gjort påverkas antalet överlevande ungar av egenskaper som att lägga fler ägg eller föda fler ungar och att vara bättre på att ta hand om sina ungar.

Värdelösa egenskaper

Organismer har också många egenskaper som inte är av godo. Hur har vi fått dem?

Vissa egenskaper var fördelaktiga för någon förfader för länge sedan och finns kvar, antingen helt och hållet eller som rester, trots att egenskapen inte är till någon nytta i dag. Det kan bero på att egenskapen inte utgör något problem, det vill säga att det inte finns något starkt selektionstryck för att ta bort den.

Vissa sådana egenskaper är ett hinder i dag men finns ändå kvar. Anledningen kan vara att man inte kan plocka bort just den egenskapen utan att också förlora något annat som är viktigt att behålla.

Vissa dåliga egenskaper har blivit vanliga på grund av slumpen, genom en process som kallas genetisk drift . Genetisk drift förekommer bland annat när en liten del av en stor population ger upphov till en ny population. Ett exempel kan vara att alla individer i en population utom några få dör i en stor katastrof, exempelvis en översvämning. De överlevande ger upphov till en ny population efter katastrofen. Ett annat alternativ är att ett fåtal individer flyter eller blåser iväg till en obebodd ö och ger upphov till en ny population där.

Kaskeloten lever på flera hundra meters djup men måste komma upp till ytan för att andas luft eftersom den har lungor i stället för gälar. Detta beror på att den härstammar från landlevande däggdjur.

SAMMANFATTNING

* Förutsättningen för att det ska ske evolution genom naturligt urval är att det finns konkurrens och ärftlig variation.

* Organismer konkurrerar med varandra eftersom det inte finns hur mycket plats och resurser som helst.

Beror evolutionen på slumpen?

Mutationer sker inte för att nya anpassningar behövs. Mutationer inträffar slumpmässigt och ger grunden för den ärftliga variationen.

Sedan verkar det naturliga urvalet på de olika individerna i populationen. Det naturliga urvalet sker inte slumpmässigt. Det påverkar alla individer i populationen och ger dem som har fördelaktiga egenskaper större chans att överleva längre och få fler avkomlingar. Det naturliga urvalet gör att fördelaktiga egenskaper efter hand blir vanligare i populationen.

Det vill säga slumpen avgör vilken ärftlig variation som uppstår, men (oftast) inte vilka ärftliga egenskaper som blir vanliga.

* Egenskaper som är till nytta för en organism i dess livsmiljö kallas för anpassningar.

* Exempel på anpassningar är egenskaper som minskar risken att bli uppäten eller svälta ihjäl samt egenskaper som ökar chansen att få avkomma som överlever.

* Det naturliga urvalet ökar sannolikheten att individer med bra egenskaper ska klara sig bra i konkurrensen.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vilka är evolutionsteorins grundpelare?

2. Hur påverkas evolutionen av konkurrens mellan individer av samma art?

3. Vad menas med ärftlig variation?

4. Vad menas med naturligt urval?

5. Ge några exempel på egenskaper som kan minska risken att bli uppäten.

6. Ge några exempel på egenskaper som kan minska risken att svälta ihjäl.

7. Ge några exempel på egenskaper som kan öka chansen att få fler ungar som överlever.

8. Vad menas med fitness?

9. Vad menas med genetisk drift?

10. På vilket sätt skiljer sig slumpen från naturligt urval i evolutionen?

ÖVNINGAR

Mutationer

Vad är en mutation och hur kan mutationer påverka en organism? Ta reda på vad som kan orsaka mutationer, vilka typer av mutationer som finns och ge exempel på både skadliga och nyttiga mutationer. Arbeta i par.

Evolution och slump

I en tidning från ett religiöst samfund kunde man läsa att det är lika osannolikt att bläckfisken och människan utvecklat så lika och komplexa ögon på varsitt håll som att en tromb drar in över ett skrotupplag och lämnar en Boeing 747 på marken efter sig.

Varför är liknelsen inte rimlig? Beror evolutionen uteslutande på slumpen?

Kan evolutionen skapa vad som helst?

Giraffer har långa halsar, kaktusar har taggar och vissa fiskar kan lysa i mörkret. Det kan verka som om evolutionen är en magisk kraft som kan skapa vad som helst.

Diskutera:

a) Finns det gränser för vad evolutionen kan åstadkomma? Varför eller varför inte?

b) Varför utvecklas inte perfekta organismer som aldrig blir sjuka eller gamla?

c) Finns det exempel på egenskaper eller organ hos djur eller växter som verkar oförklarligt dåliga eller onödiga? Vad kan det bero på?

Evolution och antibiotikaresistens

Varför borde vi med kunskap om evolution kunnat förutse problemet med antibiotikaresistens?

FÖRDJUPNING

Ögonevolution

Den kanske mest kända meningen i Charles Darwins världsberömda bok Om arternas uppkomst är: ”Att föreställa sig att ögat, med alla dess oefterhärmliga anordningar (...) skulle ha kunnat utformas genom ett naturligt urval verkar ju, det erkänner jag villigt, som något i högsta grad absurt.” Människor som inte tror på evolutionsteorin citerar gärna just den meningen och vill på så sätt visa att till och med Darwin själv tyckte att det fanns anledning att tvivla på att evolutionen skulle kunna ha skapat något så oerhört avancerat som ett öga.

Men Darwin slutar inte där. Han fortsätter sitt resonemang och skriver: ”Ändå säger mig förnuftet att om man kan visa på ett stort antal stadier från ett perfekt och komplicerat öga ner till ett mycket ofullkomligt och enkelt, där varje stadium är sin innehavare till nytta (...) då kan denna svårighet att föreställa sig att ett perfekt öga någonsin skulle kunna uppstå genom det naturliga urvalet (...) knappast betraktas som reell."

Olika ögontyper ...

Alla dessa mellanformer av ögon har faktiskt visat sig existera, från rovfåglarnas avancerade superskarpa ögon med kikarfunktion till daggmaskarnas enkla ljuskänsliga fläckar. Däremellan finns alla varianter. Från ögon som bara kan avgöra varifrån ett ljussken kommer, via ögon som ser suddiga bilder av omgivningen, till ögon som ser tydligt och skarpt som våra. Från ögon som är så pyttesmå att vi inte kan se dem utan mikroskop till jättebläck-

fiskens ögon som är stora som mattallrikar. Från bläckfiskarnas ögon som ser världen i svartvitt, via kornas ögon som ser färger som en färgblind människa, till fjärilarnas ögon som ser färger som vi inte kan se alls.

Precis som Darwin skrev är alla typer av ögon som finns i dag, från de enklaste till de mest avancerade, användbara, värdefulla och väl anpassade för de djur som har dem. Det är viktigt att förstå att ögon inte har utvecklats från dåliga till bra utan från att fungera förträffligt för ett fåtal enkla uppgifter till att utföra många avancerade uppgifter utmärkt.

... för olika användningsområden

Om man frågar människor vad djur använder sina ögon till så svarar de flesta ”samma saker som människor använder sina ögon till”. Men det stämmer inte alls. Olika typer av ögon används till olika saker och kan grupperas efter användningsområde:

1. De allra enklaste ögonen kan bara mäta ungefär hur ljust det är där de befinner sig. Med hjälp av den informationen kan till exempel djurplankton avgöra ungefär vilken tid på dygnet det är eller hur djupt ner i havet de befinner sig.

2. Nästa nivå innebär att djuret kan avgöra från vilket håll ljuset kommer eller var det är ljusast respektive mörkast. Det gör att till exempel plattmaskar kan röra sig mot eller från ljuset.

3. Den tredje gruppen ögon kan se väldigt suddiga bilder av sin omgivning. Det gör att sjöstjärnor som kryper på havsbotten kan röra sig i riktning mot ett korallrev, och att kubmaneter som

simmar i ett mangroveområde kan undvika att krocka med grenar och rötter.

4. De mest avancerade ögonen gör att djuret ser en skarp och tydlig bild av sin omgivning. Den typen av ögon kan djuren använda till ett oändligt antal uppgifter. Rovdjur kan se sina byten, bytesdjur kan se sina fiender, fjärilar kan hitta sina favoritblommor att suga nektar från och människor kan läsa texter om ögonevolution.

Gemensamma byggstenar ...

Alla olika typer av ögon som finns består i grunden av samma byggstenar. Celler i ögat reagerar på ljus och bildar elektriska signaler som skickas till hjärnan. De ljuskänsliga cellerna innehåller ett protein som heter opsin och en molekyl som kallas kromofor. När ljus träffar kromoformolekylen ändrar den form, vilket sätter igång en rad kemiska reaktioner som till slut gör att en elektrisk signal skickas iväg.

I djurriket finns flera typer av kromoforer och tusentals olika varianter av opsin, men alla är besläktade. Förmågan att skilja ljus från mörker har bara utvecklats en enda gång, hos en föregångare som alla djur som kan se är besläktade med.

... men flera utvecklingslinjer

Från enkla ögon har mer avancerade ögon som kan se bilder utvecklats flera gånger, oberoende av varandra, inom olika djurgrupper (ögon från olika utvecklingslinjer är exempel på analoga organ). Ögonen hos leddjur (bland annat insekter och kräftdjur)

har utvecklats oberoende av de hos blötdjur (bland annat bläckfiskar, sniglar och musslor), de hos ryggradsdjur (bland annat fiskar, fåglar och däggdjur) och de hos kubmaneter.

Utvecklingen när många djurgrupper fick ögon som kunde se suddiga bilder av omgivningen skedde i början av den geologiska perioden kambrium för cirka 540 miljoner år sedan. De möjligheter som ögonen medförde kan ha bidragit till den kambriska explosionen, som var en period när ett stort antal djurgrupper genomgick en omvälvande utveckling under förhållandevis kort tid.

Innan djuren kunde se fick de nöja sig med att känna, lukta och smaka sig fram. Både rovdjur och bytesdjur var små och långsamma. Med hjälp av ögon kunde djuren plötsligt se

varandra på avstånd. En kapprustning mellan rovdjur och bytesdjur drog igång: både rovdjur och bytesdjur blev större, snabbare, starkare och fick hårda skyddande skal. Efter hand som djuren utvecklades blev även deras ögon mer och mer avancerade.

Ingen onödig lyx

Både att bilda och att ha ögon kostar djur stora mängder energi, och ju mer avancerat ett öga är, desto mer kostar det. Därför har inga djur mer avancerade ögon än de behöver. Att ha örnögon vore till exempel orimligt dyrt och lyxigt för en sjöstjärna. Eftersom avancerade ögon är så kostsamma går evolutionen ibland ”baklänges” när ett djur ändrar livsstil och inte längre behöver de avancerade

ögon det ärvt av sina föregångare. Nattaktiva djur som härstammar från dagaktiva föregångare utvecklar ett bättre mörkerseende, men de får också ett sämre färgseende eftersom färgseendet ändå inte fungerar så bra på natten. Djur som från början haft ögon men under många generationer levt i helt mörka grottor, där de inte haft någon nytta av synen, förlorar sina ögon. I Sydamerika finns till exempel grottfiskar utan ögon.

Om man ser ett djur med ögon kan man därför vara ganska säker på att de används. Sammantaget är ögon inte någon bra anledning till att tvivla på evolutionsteorin, utan tvärtom ett utmärkt område där evolutionen kan studeras på olika sätt.

Geckoödla.

Trollslända.

Rovfågel.

AVSNITT 3: A RTBIL d NIN g

Hur kommer det sig att det finns så många arter? Varför har inte evolutionen lett fram till en enda perfekt anpassad superart? Darwin kallade artbildning för mysteriernas mysterium. Det finns flera olika mekanismer som bidrar till att nya arter bildas.

ORD OCH BEGREPP

Art är en grupp organismer som är nära släkt med varandra och som har någon speciell egenskap som andra liknande organismer inte har. Individer som hör till samma art kan fortplanta sig med varandra.

Artbarriär är hinder så att djur inte väljer fel partner.

Feromoner är doftämnen som används som signaler mellan djur inom samma art.

Fertil är att kunna fortplanta sig och få avkomma.

Hybrid är avkomma till djur av olika arter.

Population är en grupp individer av samma art som lever i ett visst område.

Steril är att inte kunna fortplanta sig och få avkomma.

Arter förändras och splittras

Arter ansågs länge vara eviga och oföränderliga. Men den franske biologen Jean-Baptiste de Lamarck (1744–1829) som arbetade på Naturhistoriska museet i Paris påpekade att om man noga studerar samlingar av många individer så upptäcker man att det är svårt att avgöra vilka individer som hör till samma art och vilka som inte gör det. Det finns gränsfall, mellanformer och variation mellan individer.

Lamarck hävdade att olika arter bildade en sammanhängande skala och att gränserna mellan dem var godtyckliga. Detta var hans starkaste argument för att en evolution hade skett och att arter utvecklats ur varandra.

Charles Darwin presenterade en förklaring till hur evolutionen och artbildningen har skett: arter uppstår gradvis genom att en population splittras i två eller flera som blir isolerade från varandra och därför successivt kommer att utvecklas åt olika håll.

De flesta arter förändras ständigt genom evolution. Men ofta ändras inte artens alla populationer på samma sätt. Olika mutationer uppstår hos olika individer och olika egenskaper är gynnsamma i olika miljöer.

En art kan delas upp genom att två populationer separeras geografiskt, till exempel genom att de lever på varsin ö eller på varsin sida av en bergskedja. Det kan också handla om olika livsmiljöer inom samma område, till exempel olika slags fruktträd som växer på samma ställe. En djurart som är generalist och äter många slags frukter kan utvecklas till två eller flera populationer som är specialister och bara äter ett slags frukt. Om de nya specialiserade populationerna lever hela sina liv i sitt speciella träd kommer de inte att träffa varandra.

Jean-Baptiste de Lamarck studerade museisamlingar av djur och såg att alla individer inom en art inte var exakt likadana.

Vitryggig hackspett är en specialist som äter skalbaggslarver i döda lövträd.

Artbarriärer

När två populationer av en art blir mer olika varandra blir det svårare för dem att fortplanta sig med varandra. Om två djur med för stora genetiska olikheter får ungar blir avkomman ofta mindre fertil. Därför är det dåligt investerad tid och energi att uppvakta och para sig med en individ av fel art. Så kallade artbarriärer hindrar djur från att välja en partner av en annan art. Artbarriärer kan finnas i utseendet, signaler, anatomiska omöjligheter, tid eller rum.

UTSEENDE

Ett djurs utseende är den tydligaste artbarriären. Vi ser lätt skillnad på en skata och en kråka, och de ser också skillnad på varandra. Därför uppfattar en skata inte en kråka som en potentiell partner.

Eftersom olika djur har olika ögon och synsystem är sådant som är uppenbart för andra arter inte alltid uppenbart för oss. I Stora barriärrevet utanför Australien finns till exempel två arter av gula fröken-

Fyra fågelarter på en fågelmatare.

fiskar som ser i princip likadana ut för oss. Men fiskarna kan se ultraviolett ljus och har artspecifikt UV-mönster på huvudet som de använder för att se om en annan fisk är av samma art eller inte.

SIGNALER

För arter som låter är ofta sången/lätet avgörande för om individerna blir intresserade av varandra. Många fågelarter som lever i samma biotoper ser ungefär likadana ut men skiljer sig åt markant genom sången.

Nattfjärilar signalerar arttillhörighet med dofter, så kallade feromoner. Honorna släpper ut doftämnen och hanarna har känsliga antenner som kan uppfatta mycket svaga dofter. Känsligheten är så stor att de kan följa doftspår på flera kilometers håll.

Hos eldflugor hittar honor en hane av rätt art baserat på hur han blinkar med sina lysorgan. Blir det minsta fel så tappar honan helt intresse.

ANATOMISKA OMÖJLIGHETER

Hos vissa närbesläktade arter har könsorganen utvecklats så att det är omöjligt för två individer av olika art att para sig med varandra. Hos flicksländor ser många arter mycket snarlika ut, men hanen har så kallade analbihang som används som en tång för att hålla fast honan under parningen. Både honan och hanen känner direkt om analbihangen inte passar när han griper tag i henne.

TID

En del närbesläktade arter fortplantar sig vid olika tidpunkter. Ett exempel är att torsken längs västkusten leker under vårvintern medan torsken i Östersjön parar sig på sommaren. Östersjötorsk är en underart av torsk som kanske kommer att utvecklas till en egen art om den inte dör ut på grund av överfiske och syrebrist i vattnet.

RUM

Många arter bildas genom geografisk isolering. Djur som inte träffas kan inte råka para sig med varandra. Ibland är avstånden inte så stora. Bland insekter kan skillnaden vara valet av värdväxt eller var på växten de lever. Vissa håller till på stammen, andra på grenarna och ytterligare andra längst ute på bladen.

Flicksländor formar så kallade parningshjul. Hanen (blå) håller fast honan (gröngul) med sina analbihang, medan honans bakkropp letar upp hanens sädesblåsa och blir befruktad.

En korsning mellan prärievarg och varg är större än en prärievarg men mindre än en varg. Benen är långa och svansen är yvig.

Hybrider

Trots artbarriärer parar sig djur ibland med någon av en annan art. Avkomman kallas hybrid (korsning). Oftast sker parning över artgränserna i fångenskap, för att människan vill det. Men hybrider förekommer även i naturen. Exempel är hybrider mellan isbjörn och grizzlybjörn, mellan prärievarg och varg samt mellan olika delfinarter.

Hybrider är ofta men inte alltid sterila (kan inte få avkomma).

Ett exempel är mulan som är en korsning mellan ett häststo och en åsnehingst. Åsnan har 62 kromosomer och hästen har 64. Mulan får därför 63 kromosomer, vilket inte är delbart med två och därför innebär problem vid meiosen när äggceller eller spermier ska bildas.

Bland växterna kan nämnas jordgubbe, som är en hybrid mellan de tre arterna ananassmultron från Chile, scharlakanssmultron från Nordamerika och parksmultron från Europa. Även många citrusfrukter, till exempel citron och apelsin, är hybrider av olika citrusarter.

SAMMANFATTNING

* Om man studerar många individer inom en art så upptäcker man att det finns gränsfall, mellanformer och variation mellan individer.

* Arter bildas ofta gradvis genom att en population splittras i två

som isoleras från varandra och sedan successivt utvecklas åt olika håll.

* När två populationer blivit alltför olika kan de ofta inte längre få fertil avkomma med varandra.

* Artbarriärer hindrar djur från att ta fel när de väljer partner.

* Artbarriärer kan bestå av skillnader i utseende, beteende, parningstid eller var de lever.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vad menas med en art?

2. Ge några exempel på hur arter förändras.

3. Vad menas med en artbarriär?

4. Ge några exempel på artbarriärer.

5. Hur påverkar geografisk isolering artbildning?

6. Vad menas med en hybrid?

7. Varför blir hybrider ofta sterila?

ÖVNINGAR

Nya arter

Oftast tar artbildning mycket lång tid, men ibland kan det gå snabbare. Isbjörnen utvecklades troligen ganska snabbt från en population av brunbjörn.

a) Vad krävs för att artbildning ska kunna ske?

b) Under vilka förhållanden kan artbildning gå snabbare?

c) Varför tror du att det har gått fort i just isbjörnens fall?

Artbarriärer

Djur parar sig nästan alltid med en annan individ av samma art.

a) Vilka olika mekanismer finns det som hindrar djur från att para sig med någon av fel art?

b) Hur tror du att evolutionen har lett till att sådana mekanismer har uppstått?

c) Vad kan hända om djur inte har fungerande barriärer och börjar korsa sig med andra arter?

Olika arter

I naturen finns det många djur och växter som liknar varandra, och det kan vara svårt att veta om två individer tillhör samma eller olika arter.

a) Vad brukar vara det vanligaste kriteriet för att avgöra om två individer är olika arter?

b) Vilka andra sätt finns att skilja arter åt, till exempel när det gäller fossil?

c) Ge exempel på två organismer som är svåra att skilja åt men som ändå räknas som olika arter.

Mellandarwinfink (Geospiza fortis).

FÖRDJUPNING

Galápagosfinkar

Världens mest kända och studerade exempel på artbildning är från Galápagosöarna, en ögrupp med 16 relativt unga vulkanöar i Stilla havet utanför Sydamerikas kust. Den äldsta av öarna som finns nu är 3 miljoner år gammal, medan de yngsta bildades för omkring en halv miljon år sedan.

Sedan öarna bildades har växter och djur från Sydamerika hamnat där på olika sätt med hjälp av vinden och havsströmmarna. De som överlevt och lyckats grunda en livskraftig population har sedan kunnat spridas till en eller flera av de andra öarna. Varje

Grå drillfink (Certhidea fusca cinerascens).

gång en del av en population hamnat på en ny plats har det funnits förutsättning för evolution av nya egenskaper och så småningom nya arter.

När Darwin reste runt jorden med H.M.S. Beagle var Galápagos en av de platser som gjorde djupast intryck på honom, trots att han bara stannade i fem veckor och bara besökte fyra av öarna.

Finkar med olika näbbar

När Darwin kom till Galápagosöarna 1835 såg han att det fanns fåglar på de olika öarna som var väldigt lika varandra. De var 10–15 cm långa, och

hos de flesta hade hanarna svart i dräkten, medan honorna var bruna eller olivgröna. Men när han tittade närmare såg han att de skilde sig åt på vissa punkter, till exempel näbbens form.

Forskare har senare kommit fram till att det finns 13 olika arter av finkar på Galápagosöarna och en på Cocosön:

p tre arter som lever på marken och äter frön

p tre arter som lever på kaktusar och äter frön

p en art som lever i träd och äter frön

p sju arter som lever i träd och äter insekter.

Darwin drog slutsatsen att de olika typerna utvecklats ur en enda urtyp som kommit till Galápagos från Sydamerikas fastland i samband med en storm eller liknande. Forskning har visat att den ursprungliga arten levde på marken och åt frön.

När fåglarna ökade i antal ökade också konkurrensen om bland annat mat. När konkurrensen ökade gynnade det naturliga urvalet individer som kunde äta annan typ av föda. Tack vare genetisk variation fanns det individer med lite tjockare näbb som kunde äta

lite hårdare frön och individer med lite tunnare näbb som kunde äta lite mindre frön eller insekter. De olika typerna gynnades i olika miljöer och fortsatte sprida generna för just sin näbbtyp.

Galápagosöarna är sedan 1978 ett världsarv.

AVSNITT 4: E VOLUTIONSVETENSKAP

Charles Darwins evolutionsteori har kallats den bästa idé som någon någonsin haft. Teorin har fullständigt förändrat människans syn på livet och på oss själva. Men evolutionsteorin mötte motstånd på Darwins tid, och fortfarande i dag är inte alla människor övertygade om dess förträfflighet.

ORD OCH BEGREPP

Biokemi är läran om kemin hos levande organismer.

Evolution är ärftliga (genetiska) förändringar som sker hos en population över tiden, från generation till generation.

Fossil är oftast förstenade rester av en död växt eller ett dött djur, men kan också vara avtryck eller andra spår av döda växter och djur.

Organism är en levande varelse.

Motstånd mot en samstämmig vetenskap

Evolutionsteorin är en av de mest revolutionerande vetenskapliga teorier som någonsin formulerats. Motståndet mot den kanske är så kallat sunt förnuft; det kan verka orimligt och osannolikt att så enkla grundförutsättningar som genetisk variation, naturligt urval och lång tid har gett allt det komplexa liv vi ser omkring oss. Men sunt förnuft är ibland ett hinder vid sökandet efter vetenskaplig förståelse.

En biologisk teori är en väl underbyggd förklaring som är baserad på fakta och som har bekräftas genom observationer och experiment många gånger. Evolutionsteorin förklarar hur den stora mångfalden av arter har uppkommit på jorden. De fakta som den är baserad på är att det finns ärftlig variation, att det produceras mer avkomma än vad som överlever till vuxen ålder och att det råder konkurrens eftersom resurserna som organismerna behöver är begränsade. Biologiska forskningsresultat från observationer och experiment som olika forskare har gjort de senaste 150 åren stödjer samstämmigt evolutionsteorin. Om man betraktar biologin mot bakgrund av evolutionsteorin blir den rimlig, logisk och begriplig. Om man i stället betraktar sådant vi vet om biologi mot bakgrund av att alla arter skulle ha skapats av en gud blir mycket konstigt, ologiskt och till och med obegripligt.

Evolutionsteorin formulerades här i Charles Darwins arbetsrum. Sedan dess har den testats och bekräftats med hjälp av ett stort antal observationer, experiment och simuleringar.

Världens mest värdefulla fossil är av ”urfågeln” Archaeopteryx, en övergångsform mellan kräldjur och fågel.

Fossil

Fossil är förstenade rester av döda växter eller döda djur. Det vanligaste är att den döda organismen begravts i avlagringar på sjö- eller havsbottnen och sedan förstenats.

Genom fossilfynd vet vi i dag hur livet såg ut för väldigt länge sedan. Man kan åldersbestämma fynden bland annat genom att mäta sönderfallshastigheten av radioaktiva isotoper, till exempel kol och uran. Kol används för organismer som dött ”nyligen” (för upp till 60 000 år sedan), uran och andra ämnen används för riktigt gamla fynd.

De äldsta fossil som har hittats är 3,5 miljarder år gamla. De består troligen av rester av mycket små bakterier. För cirka 540 miljoner år sedan blev djurlivet på kort tid mycket mer omfattande, och från och med den tiden finns det betydligt fler fossil.

Man har hittat fossil av många utdöda arter. Tack vare alla fossil som hittats har forskarna kunnat följa utvecklingen av djur och växter genom årmiljonerna. Man har hittat fossil av mellanformer (så kallade missing links), bland annat Tiktaalik som är en mellanform mellan fisk och groddjur och Archaeopteryx som är en mellanform mellan kräldjur och fågel. Man har nu en god bild av hur livet på jorden såg ut under olika tidsperioder. Genom att jämföra organismer från olika tidsperioder med dagens livsformer kan man dra slutsatser om hur livet har utvecklats.

Utbredning

Evolutionsteorin säger att utvecklingen av nya arter sker gradvis genom att en population splittras i grupper som isoleras och successivt blir mer olika varandra. Men hur kommer det sig att vissa arter finns på många platser, långt ifrån varandra, medan andra bara finns på ett enda ställe?

Geologisk forskning har visat att för cirka 300 miljoner år sedan, under yngre karbon, hängde alla landområden på jorden ihop i en enda superkontinent, Pangea . För omkring 170 miljoner år sedan, under jura, splittrades Pangea i två delar, Gondwana och Laurasien. Gondwana bestod av Antarktis, Sydamerika, Afrika, Australien, Nya Zeeland och Indien. Laurasien bestod av Nordamerika, Grönland, Europa och Asien utom Indien. För cirka 125 miljoner år sedan, under äldre krita, började Gondwana delas i de nutida kontinenterna, som började röra sig mot de positioner de har i dag. Organismerna som fanns då följde med de olika kontinenterna och har sedan dess utvecklats till nya arter. Kontinenternas rörelser förklarar hur vissa djur- och växtgrupper kan finnas på platser som i dag ligger avskilda långt ifrån varandra.

Kartan visar Gondwana och utbredningen av tre sorters utdöda reptiler och en ormbunke. Fossiler finns i dag på flera kontinenter, vilket förklaras av att kontinenterna troligen suttit ihop enligt bilden långt tillbaka i tiden.

fossil av Cynognathus (en däggdjurslik reptil)

fossil av Lystrosaurus (en däggdjurslik reptil) fossil av Glossopteris (en fröormbunke)

fossil av Mesosaurus (en sötvattensreptil)

Afrika

Indien Australien Antarktis

Sydamerika

Klassisk teckning av biologen Ernst Haeckel (1834–1919) som visar embryon hos olika ryggradsdjur. Teckningen överdriver likheter och förringar skillnader för att stödja Haeckels teori att varje foster under sin utveckling genomgår stadier som motsvarar artens evolutionära historia. Han menade att en människa och andra däggdjur började som en encellig organism som sedan i tur och ordning utvecklades till en fisk, ett groddjur, ett kräldjur och slutligen blev ett däggdjur. Teorin stämmer inte, men under den tidiga fosterutvecklingen är olika ryggradsdjur mycket lika varandra. Efter hand som embryona utvecklas blir skillnaderna större, men likheterna mellan olika däggdjur dröjer sig kvar länge.

Biverkningar av släktskap

Uppfattningen att evolutionen skapat det myller av arter som lever här i dag och att alla är avkomlingar till den första urcellen stöds som sagt av många iakttagelser. Organismernas släktkrönika förklarar både likheter och skillnader.

LIKHETER I FOSTERUTVECKLING

Embryoutvecklingen hos olika djurgrupper, från sjöborrar till bananflugor till ryggradsdjur, styrs av i princip samma gener.

Hos alla ryggradsdjur sker utvecklingen från ett befruktat ägg till en färdig unge på ungefär samma sätt. Under den tidiga utvecklingen är embryon från fiskar, fåglar och däggdjur mycket lika varandra.

Hos många arter bildas strukturer som liknar dem hos föregångare, men som inte kommer att finnas hos det fullvuxna djuret. Hos groddjur, kräldjur, fåglar och däggdjur bildas till exempel gälbågar som hos fiskarna men som senare utvecklas till hörselben i innerörat. Hos människan bildas i början av fosterutvecklingen en svans som sedan försvinner.

fisk salamander sköldpadda kyckling gris kalv kanin människa

tidig tetrapod (Acanthostega) kvastfenig fisk (Panderichthys)

De skelettdelar som bygger upp armen hos människan, vingen hos en fladdermus, fenan hos en val och vingen hos en fågel har samma ursprung. Färgen visar vilka skelettelement som motsvarar varandra.

LIKHETER I KROPPSKONSTRUKTION

Hos olika arter av djur finns likheter i grundkonstruktionen som lättast förklaras genom att de är släkt med varandra och har utvecklats från en gemensam föregångare. Organ med samma ursprung kallas homologa . Ett exempel är den främre extremiteten hos ryggradsdjur.

De skelettdelar som bygger upp armen hos människan, vingen hos en fladdermus, fenan hos en val och vingen hos en fågel har samma ursprung. Alla är uppbyggda på ett liknande sätt, men extremiteterna används på olika sätt. Om de inte hade uppkommit genom evolution hade det inte funnits någon anledning till en gemensam grundkonstruktion.

Fiskarnas gälben och människans hörselben är ett annat exempel. I takt med att vissa typer av fiskar anpassades för landliv försvann nyttan av att ha gälar, och dessa strukturer omvandlades till egenskaper som gynnade de landlevande organismerna, såsom en mer utvecklad hörsel.

fladdermus

val

människa

fågel

Inom arten mexikansk tetra finns varianter som lever hela sitt liv i grottor. I grottetrornas helt mörka livsmiljö finns det ingen nytta med ögon och synsystem. Ögonen har därför förlorats och finns numera bara kvar som små rudiment under huden. Grottetrornas yngel bildar dock tydliga ögon, som under utvecklingen till vuxen fisk tillbakabildas.

RUDIMENT

Efter hand som arter har utvecklats och deras förutsättningar förändrats har en del egenskaper som de ärvt av sina förfäder blivit överflödiga, onödiga eller rent av ofördelaktiga.

En kroppsdel som inte längre är till fördel försvinner så småningom. Ju ”dyrare” den är att anlägga och hålla i drift, desto fortare går det. Egenskapen att inte bilda en oönskad och dyr kroppsdel blir en stor fördel.

Ibland försvinner kroppsdelar inte helt och hållet, det kan finnas kvar evolutionära rester, så kallade rudiment . Exempel på rudiment är att pytonormar och bardvalar har rester av sina förfäders bakben.

Djur som lever där det alltid är mörkt har ingen nytta av ögon. Varken grottfiskar eller mullvadsråttor har några fungerande ögon, men rester av förfädernas ögon finns kvar som rudiment.

OINTELLIGENT DESIGN

En del djur har egenskaper som fungerar väldigt dåligt. Ofta beror det på att artens föregångare hade helt andra förutsättningar.

Ett exempel är att valar andas med lungor i stället för med gälar. Därför måste valar till skillnad från fiskar och bläckfiskar simma upp till ytan för att andas. Anledningen är att valar är däggdjur och deras föregångare levde på land, där lungor är det bästa andningsorganet.

Ett annat exempel är att människan går på två ben och föder utvecklade ungar. Hos människor finns i botten av bäckenet en stor muskelplatta som urinblåsan, livmodern och ändtarmen vilar på. Muskelplattan kallas bäckenbotten och har till uppgift att förhindra inkontinens samt hindra urinblåsan, livmodern och ändtarmen från att ramla ut genom kroppsöppningarna. Bäckenbotten är ett hinder när män niskobarn ska födas, och förlossningen är också ett problem för bäckenbotten, som blir uttänjd.

Andra djur som går på två ben, som känguruer och fåglar, har inte detta problem. Känguruer föder pyttesmå outvecklade ungar som sedan växer till sig i mammans pung, fåglar lägger ägg. Anledningen till att människan föder utvecklade ungar är att våra förfäder gick på fyra ben. Hos till exempel hovdjur, såsom hästar och giraffer, är det inget större problem att föda stora ungar. Eftersom förlossningskanalen öppnas bakåt kan den öppnas ganska mycket utan att det är ett problem.

BIOKEMISKA OCH MOLEKYLÄRBIOLOGISKA LIKHETER

Alla levande varelser har vissa gemensamma egenskaper. Alla består av celler. Alla har kromosomer som består av det kemiska ämnet DNA . Hos alla används samma genetiska kod när DNA översätts till protein. Om inte alla organismer vore släkt och hade ett gemensamt ursprung så vore dessa likheter osannolika.

Med hjälp av DNA-analys vet vi att valar är partåiga hovdjur och att flodhästar är deras närmaste levande släktingar.

SAMMANFATTNING

* Resultaten av de observationer och experiment som gjorts de senaste 150 åren tyder på att livet på jorden har utvecklats genom evolution via naturligt urval.

* Med hjälp av fossil har forskare kunnat följa utvecklingen av djur och växter genom årmiljonerna.

* Genom att jämföra organismer

Biokemiska likheter och skillnader kan också användas för att undersöka hur nära släkt olika arter är.

Efter hand som tiden gått har de levande varelserna utvecklats och den biologiska mångfalden ökat. Nya ärftliga egenskaper har uppkommit, populationer splittrats och det naturliga urvalet har gynnat vissa och missgynnat andra. Parallellt med att det har skett mutationer som gett nya egenskaper har det också skett så kallade tysta mutationer, som inte leder till någon förändring och alltså inte ger några nya egenskaper.

Inom en viss djurgrupp sker oftast mutationer i jämn takt under lång tid. Detta gör att skillnaden i arvsmassan hos olika organismer är proportionell mot tiden som gått sedan de separerade från en gemensam stamform.

Genom att jämföra en viss gen hos flera arter och räkna hur många baspar som skiljer dem åt kan man räkna ut hur de olika arterna är besläktade. Om man till exempel jämför arvsmassan hos häst, åsna, gädda och bananfluga så kommer man att upptäcka att häst är närmare besläktad med åsna än med gädda, men närmare besläktad med gädda än med bananfluga. Man kan också beräkna ungefär hur lång tid som gått sedan arterna skildes åt.

från olika tidsperioder med dagens livsformer kan man dra slutsatser om hur livet har utvecklats.

* Kontinenternas rörelser förklarar hur besläktade djur- och växtgrupper kan finnas på platser som i dag ligger långt ifrån varandra.

* Hos olika arter av djur finns likheter i grundkonstruktionen som lättast

förklaras genom att de är släkt med varandra och har utvecklats från en gemensam föregångare.

* Alla levande varelser har vissa gemensamma egenskaper: vi består av celler, använder samma genetiska språk och har likartade biologiskt aktiva ämnen.

INSTUDERINGSFRÅGOR

1. Vad menas med en biologisk teori?

2. Vad menas med fossil?

3. Vilken roll har fossil spelat i evolutionsteorin?

4. Hur hjälper geologisk forskning till att förklara spridningen av arter?

5. Vad var Pangea?

6. Hur förklaras likheterna mellan olika djurs fosterutveckling?

7. Vad menas med rudiment?

8. Hur kan biokemiska och molekylärbiologiska likheter bevisa släktskap mellan arter?

ÖVNINGAR

Evolutionsteorin

I flera länder (bland annat Turkiet, Indien och Saudiarabien) saknas undervisning om evolution i grundskolan och gymnasiet. I flera delstater i USA finns krav från föräldrar och religiösa organisationer på att lärare ska presentera evolution och kreationism som likvärdiga förklaringsmodeller.

Diskutera i grupp.

a) På vilket sätt skiljer sig vetenskapliga teorier från trosuppfattningar och personliga övertygelser?

b) Hur påverkas samhällets förmåga att hantera antibiotikaresistens, pandemier och miljöförändringar om skolan inte undervisar om grunderna i evolution?

Ointelligent design

Vissa saker kring organismers kroppar verkar opraktiska eller problematiska, till exempel människans smärtsamma förlossningar eller den blinda fläcken i ögat. Detta används ibland som argument för att evolutionen inte är ”intelligent” planerad.

Hur förklarar evolutionsteorin förekomsten av ineffektiva eller skadliga egenskaper? Ge exempel på kroppsliga egenskaper som kan ha varit en fördel tidigare men blivit ett problem i dag. Tyder sådana exempel på att evolutionen har ett mål?

Skapelsens krona

Är vi människor ”skapelsens krona” eller skulle man kunna tänka sig att vi skulle kunna ”förbättras” på något sätt? Kan du tänka dig att vi skulle kunna ”försämras”?

Vad talar för och emot att en sådan evolution verkligen kommer att ske?

Människan om 50 miljoner år

Hur tror du att människans evolution från i dag fram till om 50 miljoner år kommer att se ut? Tag med åtminstone ett utvecklingssteg (typ hur människor ser ut om 25 miljoner år) på vägen till hur djuret ser ut om 50 miljoner år och förklara varför människan utvecklats på det sätt hon gjort. Rita gärna bild(er), men skriv max en A4-sida.

Temperatur och artbildning

Enligt evolutionsteorin tar det lång tid för arter att hinna anpassa sig till förändringar, men under de senaste årtiondena har temperaturen stigit i en allt snabbare takt jämfört med tidigare.

Diskutera i små grupper hur evolutionen påverkas av denna historiskt snabba förändring. Vilka anpassningar kan vi vänta oss?

LABORATION

Tummens evolution

SYFTE

Att undersöka hur viktig och anpassad tummen är för att utföra olika handlingar.

MATERIEL

Snöre. Sko. Burk med lock.

Klädesplagg med knappar. Penna. Papper. Tejp.

Stoppur.

UTFÖRANDE

1. Utför handlingarna i tabellen med dina händer. Mät tiden i sekunder med stoppur.

2. Ändra båda händernas utseende genom att tejpa tummarna intill handflatan så att de mer liknar en icke-primats hand.

Handling

Knyt en knut på ett snöre.

Ta av en sko och sätt på den igen.

Skruva av ett lock.

Knäpp upp två knappar och knäpp dem igen.

Skriv ditt namn på ett papper.

Med tummar (sekunder)

3. Utför samma handlingar utan tummar. Mät tiden i sekunder med stoppur.

4. Räkna ut i sekunder och procent hur mycket längre tid varje handling tog utan tummar.

5. Diskutera era resultat i klassen. Är den procentuella skillnaden större för vissa handlingar?

ATT FUNDERA PÅ

1. På vilket sätt tror du att människans hand har hjälpt till att utveckla människan till en sådan framgångsrik art på jorden?

2. Förklara varför följande egenskaper är en fördel för arten:

a) kattens in- och utfällbara klor

b) grodans långa klistriga tunga c) insekten vandrande pinnens utseende

d) harens vita vinterpäls

e) rönnbärets klarorange färg f) kaktusens taggar g) rosens doft.

Utan tummar (sekunder)

Skillnad (sekunder)

Skillnad (procent)