__MAIN_TEXT__

Page 1

9 Razišči Laura Javoršek

skrivnosti živega Učbenik za biologijo v 9. razredu

Pipinova knjiga


Laura Javoršek

9

Razišči skrivnosti živega Učbenik za biologijo v 9. razredu

www.pipinova-knjiga.si


Razišči skrivnosti živega Učbenik za biologijo v 9. razredu osnovne šole Avtorica Laura Javoršek Strokovni in metodično-didaktični pregled dr. Gregor Majdič, dr. Davorin Tome, dr. Igor Jerman, Marjeta Škarja Svetovanje Darinka Gilčvert Berdnik, Martina Tanko, Magda Gornik, Simona Lunka Jezikovni pregled Mira Hladnik Ilustracije Tomaž Verbič Šalamon, Kristina Povh (str. 117) Fotografije na naslovnici: Laura Javoršek, Primož Pahor, Marko Pahor, Davorin Tome, Janez Vevar; model DNA/nagrajeni model na 1. Pipinovem natečaju; avtorji učenci Nik Držanič, Jakob Nečemer in Lea Matko z mentorjem, učiteljem Jankom Sotoškom, OŠ Sava Kladnika Sevnica Fotografije Primož Pahor, Laura Javoršek, Marko Pahor, Marjeta Škarja, Davorin Tome, Janez Vevar, Miran Hladnik, Iztok Tomažič, Petra Kokalj, Maja Javoršek, Ana Korže, Mina Mušinović, Pete Darwin, arhiv bratov Malek; Franzen JL, Gingerich PD, Habersetzer J, Hurum JH, von Koenigswald W, et al. (2009) Complete Primate Skeleton from the Middle Eocene of Messel in Germany: Morphology and Paleobiology. PLoS ONE 4(5): e5723. doi:10.1371/journal.pone.0005723; Photo courtesy of The Roslin Institute, The University of Edinburgh, Roslin, Škotska, Velika Britanija; Komunala Kočevje d.o.o., Foto arhiv GIAM ZRC SAZU, Shutterstock, Wikipedia Strokovni svet RS za splošno izobraževanje je na svoji 156. seji dne 25. 04. 2013 na podlagi 25. člena Zakona o organizaciji in financiranju vzgoje in izobraževanja (Uradni list RS, št. 115/03 - ZOVFI-UPB3) in 15. in 16. člena Pravilnika o potrjevanju učbenikov (Uradni list RS, 57/2. 6. 2006) ter Pravilnika o spremembah, dopolnitvah Pravilnika o potrjevanju učbenikov (Uradni list RS, št. 45/2010) in spremembah Pravilnika o potrjevanju učbenikov (Uradni list RS, št. 52/2011) sprejel sklep o potrditvi učbenika RAZIŠČI SKRIVNOSTI ŽIVEGA za poučevanje biologije v 9. razredu osnovnošolskega izobraževanja.

Uredila Tamara Mušinović Zadravec Prelom Lara Kovačič Izdala in založila PIPINOVA KNJIGA, Mina Mušinović s. p. Za založbo Mina Mušinović Prva izdaja, prvi natis, dotis Naklada 4500 (2000 + 2500) Tisk Present, d. o. o. © PIPINOVA KNJIGA, Mina Mušinović s.p., 2013. Vse pravice pridržane. Brez pisnega dovoljenja založbe je prepovedano reproduciranje, distribuiranje, dajanje v najem, javna priobčitev, dajanje na voljo javnosti (internet), predelava ali vsaka druga uporaba tega avtorskega dela ali njegovih delov v kakršnem koli obsegu ali postopku, vključno s fotokopiranjem, tiskanjem ali shranitvijo v elektronski obliki. Odstranitev tega podatka je kazniva.

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 57(075.2) JAVORŠEK, Laura, 1979     Razišči skrivnosti živega 9 : učbenik za biologijo v 9. razredu / Laura Javoršek ; [ilustracije Tomaž Verbič Šalamon, Kristina Povh ; fotografije Primož Pahor ... et al.]. - 1. izd., 1. natis, dotis. - Podsmreka : Pipinova knjiga, 2013 ISBN 978-961-93354-2-0 268164352


Vsebina 1 Raziskovanje in poskusi ���������������������������������������������5

6 Evolucija ������������������������������������������������������������������������������ 75

Vsi smo raziskovalci ���������������������������������������������������������������������6 Kako znanstveniki raziskujejo? �������������������������������������������7 Kako smiselno zapisati podatke in opažanja, pridobljena v raziskavi? �����������������������������������������������������������7 Vodič po poti raziskovanja ������������������������������������������������ 10

Nastanek in razvoj življenja na Zemlji – uganka narave �������������������������������������������������������������������������� 76 Evolucija – razvoj življenja �������������������������������������������������� 77 Mutacije so eden od bistvenih temeljev evolucijskih procesov ���������������������������������������������������������� 81 Nastanek novih vrst skozi evolucijo ������������������������������ 83 Domneve o nastanku in razvoju življenja na Zemlji ������������������������������������������������������������������������������������ 86 Fosili – zgodovinski dokumenti o evoluciji in sorodnosti vrst ������������������������������������������������������������������������ 89 Nastanek kontinentov skozi geološka obdobja in razvoj vrst ���������������������������������������������������������������������������������� 91

2 Biološko znanje v vsakdanjem življenju ����11 Biologija in jaz ���������������������������������������������������������������������������� 12 Biologija v vsakdanjem življenju – kot znanost in kot način razmišljanja ���������������������������������������������������� 12 Biološko znanje je pomembno za sprejemanje zakonodaje �������������������������������������������������������������������������������� 14

7 Razvrščanje organizmov in evolucijsko drevo primatov �������������������������������������������������������������� 97

3 Živi sistemi ���������������������������������������������������������������������������� 17 Povezani smo uspešnejši �������������������������������������������������������� 18 Nivoji organizacije življenja na Zemlji �������������������������� 19 Voda je zibelka življenja ������������������������������������������������������ 22

Človek razvršča in ureja – le kam je uvrstil sebe?��������� 98 Urejanje množice podatkov o raznolikosti živih bitij v sisteme ���������������������������������������������������������������� 99

8 Ekologija – proučevanje organizmov 4 Dedovanje ���������������������������������������������������������������������������� 25 Želim ti dober DNA ������������������������������������������������������������������ 26 Dedne informacije se nahajajo v vsaki celici �������������� 27 Po sledeh očeta genetike – raziskovanje osnovnih zakonitosti dedovanja ���������������������������������������������������������� 29 Raznolikost temelji na spremembah ���������������������������� 46

5 Biotehnologija �������������������������������������������������������������� 59

v okolju ������������������������������������������������������������������������������107

Model ekosistema – pomoč pri razumevanju in opazovanju zapletenih povezav organizmov in neživega okolja ������������������������������������������������������������������������108 Biotska raznolikost se odraža na različnih nivojih ��������������������������������������������������������������������109 Razvoj ekosistemov ������������������������������������������������������������113 Ekologija z varstvom narave in okolja ������������������������116 Načela trajnostnega razvoja ��������������������������������������������120 STVARNO KAZALO ��������������������������������������������������������������125

Priprava hrane v domačem laboratoriju �������������������������� 60 Biotehnologija �������������������������������������������������������������������������� 62 Spreminjanje molekul DNA – genski inženiring ������ 63

3


Z učbenikom na poti do novih spoznanj uvod v poglavje morda že veš

osnovno besedilo v poglavju

iz kolesa zgodovine

nasvet za samostojno raziskovanje

samostojna aktivnost

razlaga neznanih pojmov

zanimivost

zanimivost vprašanja za utrjevanje znanja


1

RAZISKOVANJE IN POSKUSI


Vsi smo raziskovalci Človek je po naravi raziskovalec. Raziskovanje je del tvojega vsakdana že od rojstva naprej.

Vsak otrok je raziskovalec, ki raziskuje svojo okolico z opazovanjem, okušanjem, plazenjem in skozi igro. Tudi učenje je raziskovanje. Z njim razvijaš svojo ustvarjalnost in spodbujaš inovativnost. Z znanjem se ti odpira svet. V vsakdanjem življenju se na različne načine srečuješ z raziskovanjem. Lahko si raziskovalec ali pa te nekdo raziskuje oziroma preiskuje. Iskanje in preverjanje informacij je lahko nesistematično in spontano

Čez pet minut bo zagotovo že pozabil.

Ali sva dogovorjena?

Sodobni telefon omogoča dostop do svetovnega spleta in s tem neskončne možnosti raziskovanja.

Zdravniški pregled

Pred nakupom je dobro raziskati ponudbo različnih trgovin.

Starši raziskujejo najprimernejše metode vzgoje, otroci pa preskušajo, kje so njihove meje.

ali pa sistematično in organizirano.

Znanstveno raziskovanje v laboratoriju

Policijska preiskava

Raziskovanje na terenu

Primer sistematičnega, organiziranega in nadzorovanega načina raziskovanja je znanstveno raziskovanje. To raziskovanje je pomemben del razvoja človeka, ki vodi do novih odkritij, ta pa omogočajo človeku boljše, bolj varno in bolj enostavno življenje. Pridobljena znanja imajo ključno vlogo pri razvoju družbe in ekonomskem razvoju posameznih držav.

6


Kako znanstveniki raziskujejo? Do novih spoznanj se znanstveniki dokopljejo s pomočjo načrtovanih dejavnosti, ki vključujejo določitev problema (raziskovalnega vprašanja), domnevne rešitve problema (hipoteze), logično sklepanje, zbiranje podatkov, opazovanje, merjenje, eksperimentiranje, nadzorovanje, opisovanje, razvrščanje, analizo podatkov, pojasnjevanje, posploševanje, napovedovanje, vrednotenje ipd. Če raziskuješ kot znanstvenik: Postavi raziskovalno vprašanje (opredeli raziskovalni problem in namen raziskovanja). Preišči, kaj je že znanega na tem področju iz podobnih raziskav (prebiranje strokovne literature).

Oblikuj hipotezo.

Razmisli! Poskusi znova. Preoblikuj hipotezo in ponovno načrtuj ter izvedi raziskavo (eksperimente).

Iz kolesa zgodovine … Nekoč, v davni pradavnini, se je nekdo zazrl v nebo in se prvič vprašal: »Kaj so te lučke tam gori? Od kod so prišle rastline in živali? Kako sem nastal jaz?« Od tistega trenutka naprej so ljudje skušali najti odgovor na ta vprašanja. Naši predniki so prve razlage vključili v mite in legende. Postopoma so ljudje raziskovali in odkrivali naravne pojave z uporabo bolj ali manj znanstvenih metod.

Načrtuj in izvedi eksperimente. Pomembna je kontrola in ponovljivost.

Analiziraj rezultate in povzemi ugotovitve (sklepe).

Verjetnost hipoteze je potrjena.

Verjetnost hipoteze ni potrjena ali je le delno potrjena.

Oblikuj in napiši poročilo raziskave ter predstavi oziroma objavi rezultate.

Kako smiselno zapisati podatke in opažanja, pridobljena v raziskavi? Morda že imaš odlično idejo za svojo raziskavo in tudi vse potrebne pripomočke, vendar ne pozabi, da je sprotno beleženje podatkov in opažanj zelo pomemben korak vsake raziskave. Že pri načrtovanju poteka raziskave dobro premisli in predvidi, na kakšen način bodo pridobljeni podatki organizirani in predstavljeni. Podatke zberi in zabeleži na način, ki bo razumljiv in ti bo v nadaljevanju omogočal analizo rezultatov. Podatke lahko predstaviš v obliki preglednic ali grafov.

Raziskuj kot znanstvenik Preizkusi se v vlogi znanstvenika ter načrtuj in izvedi preprost primer raziskave.

7


Načini prikaza podatkov Z oblikovanjem preglednice lahko na pregleden način urediš podatke vseh meritev in opažanj. Preglednica 1: Poraba energije v 30 minutah telesne aktivnosti ljudi z različno telesno maso Poskus 1

Poskus 2

Poskus 3

Kolesarjenje (kJ)

Igranje košarke (kJ)

Gledanje televizije (kJ)

30

251

504

88

40

322

687

113

50

398

863

138

60

477

1038

159

Telesna masa (kg)

Stolpčni diagram ali histogram je vrsta diagrama, ki ti omogoča prikaz in primerjavo podatkov iz različnih kategorij.

Poraba energije v 30 minutah (kJ)

1400 1200 1000 800

Pri diagramih in grafih vedno ustrezno označi osi X in Y ter enoto na posamezni osi.

600 400 200 0 Kolesarjenje

Igranje košarke

Gledanje televizije

Vrste telesne aktivnosti

Poraba energije v 30 minutah (kJ)

Diagram 1: Poraba energije 50-kilogramske osebe pri različnih vrstah telesne aktivnosti

700 600 500 400 300 200 100 0

10

20

30

40

50

Telesna masa (kg)

Graf 1: Vpliv telesne mase na porabo energije pri kolesarjenju

8

60

Kadar želiš prikazati, kako se odvisne spremenljivke spreminjajo v odnosu z neodvisnimi spremenljivkami, uporabi linearni graf. Ko vanj vneseš izmerjene podatke, lahko narišeš črto, ki se izmerjenim vrednostim najbolje prilega. Linearni graf je uporaben v primeru, kadar je tvoja neodvisna spremenljivka zvezna, kar pomeni, da obstajajo tudi druge vmesne vrednosti med točkami, ki so bile sicer izmerjene v poskusu (med telesno maso 30 kg in 40 kg obstajajo tudi druge vrednosti, npr. 31 kg). Tako je linearni graf tudi orodje, s katerim lahko dobiš rezultate, ki v samem eksperimentu niso bili izmerjeni.


Podatke različnih kategorij lahko prikažeš tudi v obliki tortnega diagrama. plavanje 16,7 % nogomet 33,3 % kolesarjenje 25 %

Diagram 2: Najbolj priljubljene vrste športa pri učencih devetega razreda

košarka 25 %

diagram – prikaz podatkov v različnih oblikah (stolpični, palični, tortni ...)

Naredim in razumem

V lokalnem časopisu prebereš, da je letos poleti v tvojem kraju v juniju padlo povprečno 140 mm dežja, v juliju 120 mm in v avgustu 130 mm dežja. Razmisli, katera oblika grafa bi bila najprimernejša za predstavitev omenjenih podatkov, in ga nariši. Utemelji svojo odločitev.

Preveri svoje znanje 1. Znanstvenik z enim kontroliranim poskusom potrdi svojo hipotezo in svoje rezultate objavi v znanstveni reviji. Ostali znanstveniki dvomijo o pravilnosti njegove hipoteze. Razmisli in utemelji, kaj bi lahko bil vzrok za njihov dvom in kako lahko drugi znanstveniki znanstveno preverijo ali je njihov dvom upravičen. 2. Na primeru razloži, kaj je značilno za kontroliran poskus, ki ga izvedemo v okviru znanstvenega raziskovanja. 3. Znanstveniki že nekaj let spremljajo vsebnost nitratov v podtalnici na treh različnih merilnih mestih v neki občini in podatke o povprečni letni vrednosti količine nitratov predstavijo v obliki preglednice. Na podlagi podatkov oblikuj ustrezen graf in razmisli, katere so prednosti prikazovanja rezultatov v obliki grafov. Razmisli, kaj lahko sklepaš na podlagi podatkov, in predvidi, na kakšen način so lahko prikazani podatki uporabni v vsakdanjem življenju. 2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

1. merilno mesto (mg/l)

129

106

95

94

100

110

93

2. merilno mesto (mg/l)

76

73

81

85

79

87

93

3. merilno mesto (mg/l)

64

67

62

59

60

67

61

standard kakovosti* (mg/l)

50

50

50

50

50

50

50

*

graf – prikaz podatkov tako, da lahko točke smiselno povežemo v črto neodvisna spremenljivka – dejavnik, ki ga v poskusih namenoma spreminjamo (na grafu jo prikažemo na osi X) odvisna spremenljivka – izbrani dejavnik, ki ga opazujemo in ki se lahko spreminja glede na neodvisno spremenljivko (na grafu jo prikažemo na osi Y) kontrola poskusa – poskus, pri katerem upoštevamo enak postopek in pogoje kot pri glavnem poskusu, vendar brez spremenljivke

Standard kakovosti predstavlja mejno količino nitratov v vodi, do katere prisotnost nitratov še ne ogroža zdravja.

9


Vodič po poti raziskovanja Izbira teme raziskovanja (raziskovalno vprašanje) Področje raziskovanja ti mora biti zanimivo in v okviru tvojih raziskovalnih zmožnosti. Razmisli: •• Kaj imaš na voljo za izvedbo raziskave (npr. pripomočke in laboratorijsko opremo)? •• Koliko časa imaš na razpolago, da zaključiš raziskavo? •• Ali bodo v raziskavo vključene živali? Kako bo poskrbljeno za njihovo dobro počutje? Obstajajo morda etični pomisleki ali zakonska določila glede uporabe le-teh?

Načrt raziskovanja Pred začetkom raziskovanja preveri in obkljukaj posamezne korake raziskave: Raziskovalno vprašanje in namen raziskave sta jasno določena. Raziskava je izvedljiva glede na razpoložljive vire. Na razpolago je dovolj časa, da bo raziskava pravočasno zaključena (naloga ni prezahtevno zastavljena). V raziskavi so upoštevana etična načela in ustrezno ravnanje z živalmi.

Pregled obstoječe literature Preden postaviš hipoteze in načrtuješ potek raziskave, potrebuješ nekaj predznanja na izbrano temo. Kaj je že znanega o izbrani temi, lahko ugotoviš s pomočjo: •• učbenikov in enciklopedij, •• revij, časopisov in strokovnih ali poljudnoznanstvenih publikacij, •• posvetovanja s strokovnjaki z izbranega področja.

Poizvedba oziroma strokovni pregled literature (kaj je že znanega o izbrani temi iz podobnih raziskav) je bila dovolj natančna za potrebe raziskovanja. Pripravljen je seznam vseh potrebnih pripomočkov in je preverjeno, ali so na razpolago.

Hipoteze in organizacija dela S pomočjo dobro načrtovanega raziskovalnega dela lahko preveriš verjetnost svojih hipotez. Razmisli: •• Na kakšen način bo potekalo zbiranje podatkov (anketa, eksperimentalno delo, opazovanje)? •• Ali so velikost vzorca in vzorčne enote, izbira kontrole, zanesljivost ter natančnost zbranih podatkov ustrezni?

Hipoteze so jasno postavljene in preverljive. Izbran je najprimernejši način poteka raziskave (anketa, eksperimentalno delo). Načrtovane so značilnosti zbranih podatkov v raziskavi (npr. velikost vzorca in kontrola). Eksperimenti, če jih raziskava eventuelno vključuje, so ponovljivi.

Zbiranje in beleženje podatkov Ta del raziskave je eden pomembnejših, zato ga skrbno načrtuj. Kjer je le možno, zbiraj kvantitativne podatke. Razmisli: •• Katero vrsto podatkov nameravaš zbirati, katere metode bodo uporabljene, kdaj in kako bodo podatki zabeleženi? •• Ali so podatki glede na raziskovalno vprašanje ustrezni? •• Kakšne so merilne naprave, ki jih nameravaš uporabiti (so ustrezne, preproste za uporabo, natančne), s katerimi enotami bodo podatki izraženi in kolikšna je napaka zbranih podatkov?

Izvedba raziskovanja Metode zbiranja podatkov in vrste zbranih podatkov ustrezajo vrsti raziskave in raziskovalnemu vprašanju. Metode zbiranja in beleženja podatkov (vključno z merskimi enotami) so bile natančne.

Analiza rezultatov Razmisli, kateri način predstavitve rezultatov v poročilu bi bil najustreznejši. •• V obliki preglednic lahko prikažeš neobdelane podatke, iz katerih spremembe niso jasno razvidne. •• Z grafi in diagrami lahko predstaviš razmerja in poudariš pomembne podatke. •• Statistična obdelava podatkov ti omogoča, da potrdiš ali zavrneš verjetnost hipoteze.

Neobdelani podatki so zabeleženi na ustrezen način in po potrebi spremenjeni v ustrezno enoto. Rezultati so predstavljeni na ustrezen način. Podatki so ustrezno statistično obdelani in omogočajo preverjanje verjetnosti hipotez.

Pisanje poročila Poročilo naj vsebuje pet glavnih delov: uvod, metode dela, rezultate, razpravo (diskusijo), vire. Poleg tega lahko vsebuje tudi povzetek, sklepe in priloge. •• Za oblikovanje ustreznih zaključkov si vzemi čas. •• Zapis naj bo jasen in v povezavi z izbrano temo. •• Pripravi povzetek in predstavitev.

Poročilo vsebuje vse glavne dele in po potrebi tudi dodatna poglavja in priloge. Vsak del je vsebinsko ustrezno zapisan. V poročilu je citiranje ustrezno označeno ter viri pravilno navedeni. Povzetek je pripravljen in predstavljen.

10


2

BIOLOŠKO ZNANJE V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU


Biologija in jaz Skušaj se spomniti prve misli, ki te je prešinila na začetku prve učne ure biologije v letošnjem šolskem letu. Morda imaš v mislih le še en dodaten predmet na urniku, za katerega potrebuješ učbenik, delovni zvezek, pri katerem dobiš domačo nalogo in te slej ko prej doleti še preizkus znanja. Morda celo meniš, da je biologija prezahtevna zate, saj je vendar znanstvena veda. Toda samo pomisli, kako uporabno je vse tvoje dosedanje znanje biologije v vsakdanjem življenju. Pravzaprav težko najdeš kakšno področje življenja, ki nima z biologijo prav nobene povezave. Biološko znanje ti omogoča razumevanje razvoja delovanja in povezanosti ter zgradbe vseh živih bitij, ki so kdaj koli živela na Zemlji. Na podlagi svojega znanja biologije se lahko kritično opredeliš do raznih informacij, na primer o sestavi hrane, ki jo vsak dan zaužiješ, o problematiki zagotavljanja zalog hrane na različnih delih sveta itd.

Biologija v vsakdanjem življenju – kot znanost in kot način razmišljanja Si to, kar ješ Utemelji pomen hrane za pravilno delovanje in izgradnjo tvojega organizma.

biološki koncepti – temeljna biološka spoznanja

12

Biologi so znanstveniki, ki s pomočjo znanstvenih metod raziskujejo živa bitja ter proučujejo zakonitosti življenjskih procesov. Vsak dan prihajajo do novih spoznanj, zato je količina biološkega znanja danes zelo velika, tako da posameznik ne more obvladati vseh bioloških področij in panog. V okviru različnih dejavnosti pri pouku biologije obravnavaš ključne biološke koncepte, ki zajemajo tisti osnovni del biološkega znanja, kateri ti omogoča razumevanje in kritično presojanje informacij o delovanju vsega živega, torej tudi svojega telesa.


Morda že veš … da je biologija znanstvena veda o živem. Toda, kaj je živo? Za živa bitja je značilno, da: •• so zgrajena iz celic, •• se osnovne enote večceličarjev hierarhično povezujejo (celice – tkiva – organi – organski sistemi …), •• se razmnožujejo, •• rastejo, se razvijajo in obnavljajo, •• jih določa univerzalni genski kod (genski zapis v obliki molekule DNA, ki se deduje), •• iščejo in uporabljajo različne vire snovi in energije v okolju ter si jih z okoljem izmenjujejo; razgrajujejo in gradijo nove snovi, pri čemer se sprošča oziroma porablja energija, •• se odzivajo na okolje, •• ohranjajo svoje življenje in notranje ravnovesje (homeostazo), •• se starajo, umirajo, •• so vrste, nastale v procesu evolucije in se spreminjajo skozi čas. Razvoj biologije poteka zelo hitro. Povezovanje znanja biologije z drugimi panogami postaja vedno pomembnejše. Tako so se razvile biofizika, biokemija, biotehnologija, bionika in bioinformatika. Biološko znanje je tudi temelj medicine, veterine, farmacije, kmetijstva, gozdarstva, živinoreje, živilske industrije ipd.

Bionika je sodobna biološka veda, ki proučuje energetske spremembe, delovanje in zgradbo živih organizmov ter na podlagi zgledov iz narave razvija nove tehnične rešitve. Pri reševanju problemov in iskanju idej se zgleduje po naravnih vzorcih in rešitvah, ki so se tekom evolucije pokazale kot zelo uspešne. V bioniki se prepletajo znanja tehnike, energetike in različnih naravoslovnih področij.

Proučevanje letenja ptic – ideja za letalo

Strešniki spominjajo na luske pri ribah in storžih.

Po vzoru kože morskih psov so oblikovali posebne kopalke.

13


Biologi proučujejo življenje na različnih ravneh, od atomov in molekul (molekularni biologi, biokemiki in genetiki), do celic (celični biologi) in večceličnih organizmov (fiziologi, anatomi, histologi). Sistematiki primerjajo organizme na osnovi evolucijske sorodnosti in jih razvrščajo v sistem. Z višjimi organizacijskimi ravnmi se ukvarjajo populacijski genetiki, etologi, ekologi, okoljevarstveniki in evolucijski biologi.

Naredim in razumem

Odkritja v biologiji so pogosto temelj novih spoznanj, ki izboljšajo kvaliteto življenja ljudi ali povečajo sposobnost prilagajanja na nove življenjske razmere. S pomočjo različnih virov poišči primer nedavnega odkritja znanstvenikov, ki je ali bo omogočil napredek ali izboljšanje kvalitete življenja ljudi. Razmisli, kaj bo prinesla prihodnost. Na podlagi izbranega primera poišči primer novega odkritja znanstvenikov in predvidi, v kateri smeri bo v prihodnosti napredovala biološka znanost. Svoje ugotovitve predstavi sošolcem.

Biološko znanje je pomembno za sprejemanje zakonodaje Razmisli, kako raziskave najmanjše življenjske enote (celice) ali celo molekul pomagajo razumeti delovanje človeškega telesa ali velikih bioloških sistemov (ekosistemi, biomi; glej strani 19, 20).

Naredim in razumem

S pomočjo različnih virov razišči, kako so se na novo odkritje v biologiji odzvali različni mediji ter ugotovi, ali je postalo odkritje tema družbenih razprav (kako so se na odkritje odzvali različni ljudje, drugi znanstveniki in vlada). O pomenu odkritja za človeško družbo ali ves živi svet na Zemlji izmenjaj mnenja s svojimi sošolci.

Znanstveniki vedno znova iščejo odgovore na različna vprašanja, preizkušajo svoje ideje in hipoteze ter ponovno preverjajo veljavnost hipotez drugih znanstvenikov. Na podlagi rezultatov raziskav oblikujejo svoja predvidevanja, pri čemer se zavedajo, da nič ni dokončno. Svoje ugotovitve predstavijo širši javnosti in vladi, ki na podlagi le-teh, predhodnega znanja in izkušenj oblikujeta svoje mnenje. Čez nekaj let bo volilna pravica tudi tebi omogočila sodelovanje pri določenih družbenih odločitvah. Takrat bo tvoje biološko znanje, ki ga pridobivaš tudi v šoli in ga uporabljaš v vsakdanjem življenju, močno vplivalo na sprejemanje lastnih odločitev v zvezi s prihodnostjo življenja na našem planetu.

14


Tudi pri sprejemanju različne državne in mednarodne zakonodaje je pomen biološkega znanja zelo velik (ključen). Upoštevanje zakonodaje in različnih konvencij je pomembno z vidika ohranjanja narave, našega zdravja ter spoštovanja kulture in etičnih načel.

Morda že veš … da na podlagi ustreznih utemeljitev strokovna ali laična (nestrokovna) javnost lahko vloži predloge za spremembo zakonodaje. Način sprejemanja zakonov je določen v zakonodajnem postopku. Zakon lahko predlaga vlada, vsak poslanec, državni svet ali najmanj 5000 volivcev. Ko dosežeš polnoletnost, imaš posredno (preko volitev) in neposredno možnost sodelovanja pri odločanju: 5000 volivcev lahko predlaga zakon, 30.000 volivcev spremembo ustave in 40.000 volivcev lahko vloži zakonodajni referendum. Spodaj so navedeni primeri, kako zakonodaja ščiti organizme in življenjska okolja, pri čemer spremlja in nadzoruje vplive človeka na okolje. Cerkniško jezero spada v območje Natura 2000. To je evropsko omrežje posebnih varstvenih območij, razglašenih v državah članicah Evropske unije z namenom ohraniti biotsko raznolikost. Razišči, zakaj so uvrstili Cerkniško jezero v Naturo 2000.

Za gradnjo objektov in druge infrastrukture je potrebna presoja vplivov na okolje ter izdaja naravovarstvenih pogojev in soglasij Agencije Republike Slovenije za okolje. Razmisli, zakaj. Primerjaj svoja razmišljanja z razmišljanji sošolcev.

Slovenija je podpisnica Konvencije CITES – sporazuma o mednarodni trgovini z ogroženimi prostoživečimi živalskimi in rastlinskimi vrstami. Poišči podatke o trgovini z ogroženimi organizmi. S katerimi vrstami organizmov najpogosteje trgujejo in zakaj?

konvencija – dogovor, sporazum, pogodba (zlasti med več državami)

15


Zakonodaja ureja tudi varstvo živalskih in rastlinskih vrst ter gliv. Razmisli, kakšne posledice na ekosistem ima lahko prekomeren ribolov ali pa nenadzorovano nabiranje gob. gensko spremenjeni organizmi (GSO) – organizmi, ki so jim spremenili dedni zapis, tako da vsebujejo tudi tuje in/ali umetno spremenjene gene

Označevanje prisotnosti gensko spremenjenih organizmov omogoča potrošnikom, da so ustrezno obveščeni glede sestave določenega izdelka.

Kakšno je tvoje mnenje o označevanju izdelkov kot ga prikazuje slika? Svoj odgovor utemelji.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. V zadnjih desetletjih so se ledeniki na celem planetu, torej tudi v Sloveniji, zaradi taljenja ledu, ki je posledica podnebnih sprememb, zelo zmanjšali. a) Ali mogoče veš, kateri znanstveniki sistematično zbirajo in obdelujejo podatke, ki potrjujejo to ugotovitev? Razloži, kakšno vlogo imajo pri teh raziskavah biologi ter na kakšen način povezujejo svoje znanje z ugotovitvami drugih znanstvenih področij. Pomagaj si z različnimi viri. b) Na primeru razloži, na kakšen način lahko spoznanja biologov o posledicah podnebnih sprememb vplivajo na tvoje osebne odločitve in odločitve celotne družbe v vsakdanjem življenju. c) O podnebnih spremembah in vplivih na življenje različnih vrst živih bitij pogosto poročajo različni mediji. Utemelji, na kakšen način lahko ugotoviš, ali je informacijo podal laik (nestrokovnjak) ali strokovnjak z določenega področja biologije. 2. Biologi so na podlagi raziskav dokazali, da sožitje rastlin paradižnika in določenih vrst gliv, ki se nahajajo v zemlji, ugodno vpliva na velikost in število plodov ter odpornost paradižnika na bolezni. Predvidi, na katera področja človekovega življenja lahko to novo spoznanje pomembno vpliva.

16


3

ŽIVI SISTEMI


Povezani smo uspešnejši Ali kdaj pomisliš, kaj ima v tvojem telesu odločilno vlogo, da te ohranja pri življenju? Morda poznaš šalo, v kateri se telesni deli, kot so možgani, srce in še nekaj drugih, v človeškem telesu prepirajo, kateri ima najpomembnejšo vlogo. Le kateri zmaga? Sedaj se verjetno že smejiš, vendar, če dobro pomisliš, so v omenjeni šali spregledane osnovne življenjske enote, ki gradijo tvoje telo – celice. Ali lahko določiš, katera celica telesa je najpomembnejša in ti omogoča, da živiš? Ali pa morda skupina celic? Verjetno ugotavljaš, da odgovor ni tako preprost. Bistvo uspešnega delovanja živih bitij je namreč v ustrezni organizaciji, povezanosti in sodelovanju različnih delov, ki sestavljajo celoto. Posamezni sestavni deli so tako precej bolj učinkoviti, kot če bi delovali vsak zase.

kompleksen – zapleten, raznovrsten (iz več sestavnih delov)

A

Množico sestavnih delov, ki so med seboj povezani in delujejo kot celota, imenujemo sistem. V biologiji proučujemo žive sisteme, ki jih lahko razdelimo na različne organizacijske ravni, ti pa se med seboj razlikujejo po kompleksnosti. Ko proučujemo žive sisteme, kot so živi organizmi, jih moramo gledati kot celoto, saj na podlagi posameznih sestavnih delov ne moremo vedno sklepati, kako bodo le-ti delovali skupaj.

B

C

Č

Primer različnih nivojev živih sistemov pri ciklami: A – organizem (cela rastlina), B – organ (list), C – tkivo listne sredice (fotografirano pri 400-kratni povečavi) in Č – celice spodnje povrhnjice lista (fotografirano pri 400-kratni povečavi)

Ali sedaj že poznaš odgovor na vprašanje, kaj ohranja žive sisteme, torej tudi tebe, pri življenju? Samo pomisli: kadar poješ malico in vsakič, ko vdihneš zrak, v tvoje telo vstopijo tudi snovi, ki se vključujejo v različne kemijske reakcije. Te pa so temelj življenjskih procesov. Torej vsa skrivnost je v »kemiji življenja«. Ker je tvoje telo živi sistem, ki lahko izmenjuje z okoljem energijo in snovi, pravimo, da je odprti sistem.

18


Nivoji organizacije življenja na Zemlji Žive sisteme lahko proučujemo na različnih organizacijskih nivojih, ki so osupljivo pestrih oblik ter velikosti in ki se razlikujejo po svoji kompleksnosti in lastnostih. Posamezni nivoji so razporejeni hierarhično, vendar kot celota delujejo usklajeno in povezano. Vsa živa bitja so zgrajena iz najmanjših enot, ki še ne predstavljajo živih sistemov; to so atomi in molekule. Čeprav je nadaljevanje življenja ključno povezano s prenosom dednih informacij v obliki molekul DNA s staršev na potomce, ta molekula še vedno ni živi sistem. Najmanjši in najpreprostejši živi sistem, v katerem potekajo vsi življenjski procesi, je celica. Celice, ki predstavljajo osnovno raven hierarhične organizacije življenja na Zemlji, se povezujejo v kompleksnejše sisteme – tkiva, organe, organske sisteme in organizme. Višje hierarhične ravni so populacije, življenjske združbe, ekosistemi in biomi. Največji in najkompleksnejši nivo pa je biosfera.

Nivoji organizacije življenja na Zemlji Poišči primere različnih življenjskih sistemov in jih med seboj smiselno poveži.

nukleinske kisline – velike organske spojine (makromolekule) v celicah vseh živih bitij (v jedru evkariontov, ribosomih, mitohondrijih, plastidih); ločimo dve vrsti: deoksiribonukleinsko kislino (DNA) in ribonukleinsko kislino (RNA) hierarhičen – razvrščen po funkciji, položaju, pomembnosti

Morda že veš … da pred iznajdbo mikroskopa okoli leta 1600 opazovanje in proučevanje očem nevidnih organizacijskih nivojev živih bitij ni bilo mogoče. Botanik Matthias Jakob Schleiden (1804­–1881) in zoolog Theodor Schwann (1810–1882) sta v prvi polovici 19. stoletja, ko je že prišlo do napredka v mikroskopiji, ugotovila, da je osnovna življenjska enota rastlin in živali celica. Tako sta postavila temelje celične teorije. Kmalu zatem je Rudolph Carl Virchow (1821–1902) ugotovil, da celice nastajajo iz že obstoječih celic in da ne morejo nastati spontano iz nežive snovi. Nadalje je ugotovil, da so celice najmanjša enota živih sistemov, kot so tkiva, organi, organski sistemi ipd. Njegova trditev kaže na hierarhično organizirane nivoje živih bitij, ki vključujejo vsa eno- in mnogocelična živa bitja.

Matthias Jakob Schleiden

Theodor Schwann

Rudolph Carl Virchow

Med posameznimi ravnmi poteka izmenjava snovi, energije in informacij, zato so vsi živi sistemi odprti sistemi. Prejeto energijo in snovi neprestano v različnih presnovnih procesih (kemijskh reakcijah, ki potekajo znotraj celic) pretvarjajo v novo uporabno obliko, kar pomeni, da ves čas gradijo in razgrajujejo svoje sestavne dele; zato pravimo, da so to tudi dinamični sistemi.

19


živi sistemi NEživi sistemi

20

BIOSFERA

Najvišji nivo živih sistemov, ki vključuje vsa živa bitja.

BIOM

Živi sistem, ki vključuje združbe živih bitij različnih ekosistemov, ki se pojavljajo na različnih geografskih območjih z značilnim podnebjem in vrstami tal.

EKOSISTEM

Povezanost življenjske združbe in neživih dejavnikov okolja

ŽIVLJENJSKA ZDRUŽBA

Različne vrste organizmov, ki živijo skupaj v določenem okolju.

POPULACIJA

Skupina organizmov iste vrste, ki istočasno živi na določenem območju.

ORGANIZEM

Posamezno živo bitje, ki je lahko zgrajeno iz ene same celice (enocelični organizem) ali iz več celic (mnogocelični organizem).

ORGANSKI SISTEM, ORGAN, TKIVO

Organske sisteme sestavljajo različni organi, katerih delovanje je medsebojno usklajeno; organ gradijo različna tkiva; tkivo pa je skupina istovrstnih ali podobnih, med seboj povezanih celic, ki opravljajo enake ali podobne naloge.

CELICA

Najmanjša gradbena in funkcionalna enota živih bitij

kemični nivo

Atomi so najmanjša enota kemičnih snovi. Med seboj se povezujejo v molekule. Organske molekule so pretežno zgrajene iz ogljika, vodika, dušika, kisika, fosforja in žvepla. Organizmi vsebujejo zelo različne molekule, od majhnih (voda, soli) do zelo velikih (ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine, DNA).

molekula fosfolipida celična membrana

atom


V živi in neživi naravi najdemo iste vrste kemijskih elementov, le razmerje med posameznimi elementi je različno. O 49,5 %

O 62,5 %

Ostali 0,1 %

Ostali 2,2 %

Ca, Na, Mg, K, S, P 3,4 %

Ca, Na, Mg, K 10,4 % Fe 4,7 % Al 7,5 %

N3% H 10 %

Si 25,7 %

Diagram 3: Deleži elementov v neživi naravi

Diagram 4: Deleži elementov v živi naravi

Naredim in razumem

ogljikov hidrat

Vsako živo celico in nekatere celične organele obdaja celična membrana. Molekule, ki gradijo membrano, nenehno spreminjajo svoj položaj, se preoblikujejo. Zgradbo membrane lahko ponazorimo z modelom »tekočega mozaika«. Razišči, zakaj je pomembno, da je celična membrana dinamični sistem?

dvojna plast fosfolipidov različne beljakovine

holesterol

Posebnost živih sistemov so organske snovi, ki jih najdemo le v organizmih. Organske snovi, kot so ogljikovi hidrati (npr. glukoza, fruktoza, saharoza, škrob), maščobe (sestavljene so iz glicerola in maščobnih kislin, npr. fosfolipid), beljakovine (sestavljene so iz aminokislin), vitamini in nukleinske kisline, so navadno velike, kompleksno zgrajene in vedno vsebujejo atome ogljika (predstavljajo ga črno obarvane kroglice na spodnjih slikah).

ogljikov hidrat (saharoza)

C 21 %

fosfolipid

fosfolipid – vrsta lipida; glavni gradnik celične membrane; je polarna molekula

aminokislina (serin)

Ogljik je kemijski element, ki v spojinah tvori štiri kovalentne vezi. Njegova zelo pomembna lastnost je, da se lahko atomi medsebojno povezujejo na najrazličnejše načine z enojnimi, dvojnimi in celo trojnimi vezmi in pri tem oblikujejo poljubno dolge verige in obroče.

atom ogljika

6 protonov 6 nevtronov 6 elektronov

21


Z različnimi elementi tvori ogromno različnih kemijskih (ogljikovih) spojin. Najpogosteje se veže z vodikom, kisikom in dušikom, redkeje pa tudi s klorom, žveplom, fosforjem in silicijem. karbonati – soli in minerali, ki so v naravi zelo razširjeni; kalcijev karbonat ali kalcit (CaCO3) je glavna sestavina apnenca, kalcijev magnezijev karbonat (CaMg(CO3)2) je glavna sestavina dolomita

Glavni vir ogljika in njegovih spojin v naravi je les. Ogljik je bistvena sestavina spojin vseh živih organizmov, fosilnih goriv, kot so nafta, zemeljski plin in premog, ki so nastali s preperevanjem in drugimi procesi iz odmrlih organizmov ter mineralov (predvsem karbonatov). V neživi naravi ogljik tvori preproste molekule. V zraku sta prisotni spojini s kisikom: ogljikov dioksid (CO2) in ogljikov oksid (CO). Čisti ogljik je v naravi zelo redek; nahaja se v treh oblikah, od katerih gotovo poznaš grafit in diamant.

Morda že veš … da lahko organske snovi nastajajo iz anorganskih v naravi le v živih organizmih. Leta 1828 pa je nemški kemik Friedrich Wohler (1800– 1882) v umetnem okolju, laboratoriju, po naključju pridobil iz anorganske snovi organsko snov sečnino in s tem ovrgel dotedanje prepričanje, da je za sintezo organske snovi potrebna »življenjska sila«. Velja za začetnika organske kemije.

Voda je zibelka življenja Vsem živim sistemom je skupno, da njihov obstoj in delovanje omogoča na videz preprosta molekula vode, ki pa ima nekaj zanimivih lastnosti. Že od prvih oblik življenja, ki so se najverjetneje razvile v vodi, do danes, je razvoj živih bitij vezan na vodo. Voda je nujno potrebna za preživetje, vsaj v majhnih količinah, ne glede na to, ali se organizmi nahajajo v osrčju slovenskih gozdov, tropskem pragozdu ali v puščavi. Kjer ni vode, ni življenja. Molekula vode je kemijska spojina kisika in vodika, ki ima pomembno lastnost – je polarna molekula. molekula vode

»Brez vode je vse zgolj kemija; dodaj vodo in dobil boš življenje.«

vodikova vez

(Felix Franks, Univerza Cambridge)

Slika prikazuje molekule vode, med seboj povezane z vodikovimi vezmi.

22


Atom kisika je z enojnima kovalentnima vezema povezan z dvema vodikovima atomoma. Pri nastanku teh vezi na različnih koncih molekule ostane delni naboj, zato pravimo, da je molekula polarna. Na kisikovem atomu ostane delni negativni naboj in na vodikovih atomih delni pozitivni naboj. Polarnost molekuli omogoča povezovanje z drugimi polarnimi molekulami s šibkimi vodikovimi vezmi, ki imajo 5-10 % moči kovalentnih vezi. Vodikove vezi omogočajo različna agregatna stanja vode.

Voda pokriva tri četrtine zemeljske površine in je edina snov, ki jo lahko v naravi najdemo v vseh treh agregatnih stanjih.

Voda ima v živih sistemih zelo pomembno vlogo, npr. kot: za polarne topljence (soli, sladkorje, aminokisline, nekatere beljakovine, pline) in kot transportno sredstvo (za hormone, krvne celice, hranila, kisik, odpadne produkte presnove …).

● topilo

Naredim in razumem

Pri vzgoji sobnih rastlin lahko hitro opaziš, kako pomembna je voda za preživetje organizmov. Verjetno si že predstavljaš, kaj se zgodi, če jih ne zalijemo. Razišči, katera lastnost vode omogoča rastlini, da so z vodo in mineralnimi snovmi preskrbljene vse celice, tudi tiste na koncu najvišjih listov. Ugotovi tudi, na kakšen način rastlina to doseže.

ki se počasi segreva in ohlaja. Pravimo, da ima veliko specifično toploto, kar pomeni, da potrebujemo razmeroma veliko toplote, če želimo segreti določeno količino vode. Ta lastnost preprečuje pregrevanje organizma in tako omogoča nemoten potek presnove, pri kateri sodelujejo različni encimi, ki delujejo le pri določeni temperaturi (npr. encimi, ki sodelujejo pri celičnem dihanju). Organizmom omogoča dodatno ohlajanje z izhlapevanjem pri znojenju, globokem dihanju in transpiraciji.

specifična toplota – toplota, ki jo potrebujemo, da segrejemo en kg snovi za en kelvin (specifična toplota vode je 4181 J/kg)

v katerem potekajo kemijske reakcije v organizmu (metabolizem) – voda vstopa v kemijske reakcije kot reaktant ali nastaja kot produkt. Primer sta fotosinteza, kjer se voda porablja in celično dihanje, kjer se voda sprošča.

transpiracija – izhlapevanje vode skozi odprte listne reže rastlin

● temperaturno stabilno okolje,

● medij,

● življenjsko okolje vodnih organizmov, ki iz vode sprejemajo tudi kisik za dihan-

je. S spreminjanjem temperature se spreminja tudi gostota vode; gostejša voda v jezerih in drugih vodnih zajetjih tone in s kroženjem vode krožijo tudi hranilne snovi. Voda je najgostejša pri 4 °C. Ko se vsa voda ohladi na omenjeno temperaturo, se začne na površini dodatno ohlajati in zamrzovati. Led ima manjšo gostoto kot voda, zato plava na površini in tako deluje kot toplotni izolator, ki ustvari pogoje, da pod njim ne zamrzne vsa voda do dna, kar omogoča, da ribe in drugi vodni organizmi v zimskih mesecih sploh lahko preživijo.

encim – kompleksna beljakovina, ki v živih organizmih sodeluje pri kemijskih reakcijah

metabolizem – presnova; kemične reakcije v organizmu (biokemični procesi), pri katerih se razgrajujejo in nastajajo snovi ter energija, ki jih organizem potrebuje za delovanje in obnavljanje stopinje Kelvina – glej str. 86

23


Sinji kit lahko zraste v dolžino več kot 30 m in tehta več kot 160 ton. Sila vzgona, ki deluje nanje, ko plavajo v vodi, zmanjšuje silo teže, ki deluje na njihovo telo. Če nasedejo na kopno, se zaradi velike telesne mase in gravitacije zadušijo.

Zarodek je med nosečnostjo pred mehanskimi poškodbami zaščiten s plodovno vodo.

Naredim in razumem

Polarnost vode in s tem povezana možnost povezovanja polarnih molekul z vodikovimi vezmi je pomembno vplivala na razvoj različnih struktur in rešitev v razvoju živih bitij. Oblikovanje kapljic, površinska napetost in kapilarnost so primeri fizikalnih lastnosti vode, ki jih organizmi »izkoriščajo« za svoje preživetje. Razmisli in razišči, zakaj se lahko nekatere žuželke premikajo po vodni gladini ter kako k temu pripomore oblika nog. Načrtuj poskus s preprostimi predmeti, ki jih imaš doma, in tako preveri svoje domneve. Človek s svojimi posegi močno vpliva na okolje ter s tem tudi na življenje in preživetje živih organizmov.

Enodnevnica na vodni gladini

Poskusi nadgraditi svoj načrt za poskus tako, da bo omogočal opazovanje vplivov človeka na okolje.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Celotno vesolje je zgrajeno iz enakih vrst elementov, ki pa so znotraj različnih delov sistema zastopani v različnih razmerjih. Znanstveniki tudi na drugih planetih neutrudno iščejo znake življenja. Razmisli, katera snov bi morala biti prisotna, da bi potrdila obstoj življenja na nekem planetu. Svoj odgovor utemelji. 2. Razloži, zakaj je pomembno, da s pitjem tekočine vzdržujemo ustrezno količino vode v telesu. 3. Na primeru razloži trditev: »Različni organizacijski nivoji živih sistemov na Zemlji so povezani v hierarhičnem zaporedju«.

24


4 DEDOVANJE


Želim ti dober DNA Nekoč, na začetku tvojega življenja je bila ena sama, zelo majhna celica. Ta majhna celica je imela neverjetno lastnost – v sebi je namreč nosila vsa navodila za nadaljnjo gradnjo in razvoj tvojega telesa.

Zigota – tvoja prva celica

Vsi različni, vsi podobni

In danes si tu, gradi te več deset bilijonov celic! Vse to je omogočila zelo pomembna molekula, ki jo imenujemo deoksiribonukleinska kislina, na kratko DNA (iz angleško DeoxyriboNucleic Acid). Kopije molekul DNA iz jedra tvoje prve celice se danes nahajajo v jedrih vseh celic tvojega telesa in če dobro premisliš, skoraj vse celice vsebujejo tudi delček tistih prvih molekul DNA, ki so se nahajale v jedru tvoje prve celice. Sedaj te verjetno že zanima, kakšno povezavo ima omenjena molekula z dedovanjem. Večina ljudi ob besedi dedovanje verjetno pomisli na denar in nepremičnine, ki jih podedujemo za pokojnimi sorodniki. Seveda je tudi to res, vendar podeduješ tudi dedne informacije, ki te spremljajo od prvega trenutka tvojega obstoja – to so tvoji geni, kratki odseki na molekulah DNA, ki bodo ostali s teboj do konca življenja. In potem … kdo ve, morda bodo nekatere tvoje gene podedovali tudi tvoji potomci. Vsa živa bitja od obeh ali le enega od staršev podedujejo genske informacije, ki so zapisane v molekuli DNA in ki nosijo načrt razvoja in delovanja posameznega organizma. Nanje pa pomembno vpliva tudi okolje, v katerem posameznik raste in se razvija.

Ali uganeš, kakšen je bil videti oče mladičkov?

Z natančnim opazovanjem in poskušanjem so ljudje še pred iznajdbo posebnih znanstvenih tehnik pridobili svoje znanje o zakonitostih dedovanja, ki so ga nato uporabili pri udomačitvi in vzgoji različnih vrst kulturnih rastlin in domačih živali. Tako so vzgojili bolj donosne vrste pšenice, govedo, ki daje več mleka, ovce z dolgo dlako ipd. S tem je človek vplival na pojav lastnosti, ki organizmom ne predstavljajo prednosti pri preživetju v naravi, predstavljajo pa pomembno uporabno prednost za človeka.

Priprava zajtrka je preprosta, toda za vzgojo rastlin in živali, ki so vir hrane na jedilni mizi, so bila potrebna stoletja in tisočletja umetnega izbora z uporabo znanja o zakonitostih dedovanja.

Ljudje ohranjamo tudi lastnosti, ki se pojavijo kot genske napake (mutacije), vendar imajo ti osebki (npr. albinizem – beli damjek, melanizem – črni damjek) v naravi manjšo možnost preživetja.

Danes se s proučevanjem genskega zapisa, njegovim izražanjem in dedovanjem ukvarjajo znanstveniki s področja molekularne biologije, ki se prepleta z genetiko, biokemijo, gensko tehnologijo, biotehnologijo in genskim inženiringom. Njihova dognanja se uporabljajo na različnih področjih življenja, povezanih z medicino, farmacijo, prehrano in okoljem.

26


Dedne informacije se nahajajo v vsaki celici Vsa živa bitja so sestavljena iz celic, ki se razlikujejo po obliki, zgradbi in nalogah, ki jih opravljajo. Nekatera živa bitja gradi le ena celica (prokarionti in enocelični evkarionti), mnogocelične evkarionte pa gradi več celic.

Escherichia coli (bakterija) (povečava 8500 x)

Paramecij (pražival) (povečava 100 x)

Glive kvasovke (povečava 500 x)

Celice luskolista čebule (povečava 60 x)

Celice srčne mišice Semenčice človeka pri človeku (povečava 350 x) (povečava 300 x)

Shematski prikaz prokariontske celice celična stena

kapsula

*majhna krožna DNA (plazmid)

bakterijski kromosom

*biček *pili (kratki izrastki)

ribosomi

celična membrana

citosol

Celica bakterije (*označene dele imajo le nekatere bakterije)

Shematski prikaz evkariontskih celic ŽIVALSKA CELICA

GLIVNA CELICA

RASTLINSKA CELICA

vakuola endoplazemski retikel

celična membrana lizosom citosol

endoplazemski retikel

kloroplast

jedro

jedro

ribosomi

citosol ribosomi

celična stena

vakuola

mitohondrij

Golgijev aparat

celična stena celična membrana

endoplazemski retikel

ribosomi citosol Golgijev aparat

pore v celični steni mitohondrij

jedro

Golgijev aparat celična membrana

mitohondrij

citosol – tekoči del citoplazme

Vse celice vsebujejo dedno informacijo v obliki molekule DNA. Prokariontske celice vsebujejo bakterijski kromosom v obliki krožne molekule DNA, ki se nahaja prosto v citoplazmi. Pri vseh evkariontskih celicah pa se dolge verige molekul DNA nahajajo v jedru.

citoplazma – citosol s celičnimi organeli (razen jedra)

27


Naredim in razumem

Primerjaj zgradbo živalske, rastlinske, glivne in bakterijske celice v obliki preglednice. Izdelaj preglednico. Izdelaš lahko tudi tridimenzionalni model različnih tipov celic ali pa s sošolci pripraviš igro vlog, s katero ponazorite zgradbo in delovanje določenega tipa celic.

prokariont, ki opravlja celično dihanje

Več o evoluciji evkariontov si lahko prebereš na strani 86.

mitohondrij

heterotrofni EVKARIONTSKI PREDNIK

prokariontski prednik

kloroplast

DNA

uvihavanje celične membrane

endoplazemski retikel jedro prokariont, ki opravlja fotosintezo

avtotrofni EVKARIONTSKI PREDNIK

Tudi mitohondriji in kloroplasti vsebujejo svoje molekule DNA. Mnogi znanstveniki domnevajo, da so bili ti organeli nekoč, v evolucijski zgodovini, prosto živeči bakterijski organizmi, ki so nato postali del drugih celic (prednikov evkariontskih celic), s katerimi so zaživeli v simbiozi in v celici začeli opravljati določeno funkcijo (celično dihanje ali fotosintezo ipd.). Teorijo, ki opisuje postopen razvoj (evolucijo) evkariontske celice iz prokariontskega prednika, imenujemo endosimbiontska teorija.

28


Po sledeh očeta genetike – raziskovanje osnovnih zakonitosti dedovanja Med leti 1856 in 1863, v času, ko še niso poznali kromosomov, genov, DNA, mitoze in mejoze, je na vrtu avguštinskega samostana v Brnu (na današnjem Češkem), radoveden in vztrajen menih v svojih natančno nadzorovanih poskusih vzgojil približno 28.000 rastlin različnih sort graha, ki jih je sam načrtno križal, opazoval ter analiziral rezultate. Svoje pomembne zaključke, v katerih je pravilno razložil način prenašanja lastnosti iz generacije v generacijo, je v nemškem jeziku objavil leta 1866, vendar jih znanstveniki tistega časa večinoma niso razumeli in so jih prezrli.

Gregor Mendel

Ta avstrijski menih, matematik in naravoslovec je bil Gregor Mendel (1822–1884). Njegove ugotovitve so ponovno odkrili šele 34 let kasneje, ko so leta 1900 trije raziskovalci, neodvisno drug od drugega, s svojimi poskusi potrdili pravilnost Mendlovih zakonov o zakonitostih dedovanja. Danes štejemo Mendla za utemeljitelja genetike.

Mendlovi poskusi križanja graha V svoje skrbno načrtovane poskuse je Mendel vključil tudi kontrolni poskus. Preden je križal rastline z različnimi lastnostmi, se je prepričal, ali res pripadajo čisti liniji.

Grah (Pisum sativum) je enoletna rastlina z dvospolnimi cvetovi, pri kateri tekom enega leta vzgojimo več generacij.

samooploditev samooploditev

samooploditev

Prikaz samooploditve in čiste linije

čista linija

čista linija – rastline s točno določenimi lastnostmi; po samooploditvi dobimo rastline z enakimi lastnostmi, kot jih je imela starševska rastlina samooploditev – združitev moške in ženske spolne celice istega cveta

29


hibrid – križanec, potomec staršev z različno dedno zasnovo (genotipom) samooprašitev – prenos peloda s prašnika na brazdo pestiča istega cveta

Najprej je Mendel križal dve rastlini graha, ki sta se razlikovali po eni vidni lastnosti, vsaka pa je predstavljala svojo čisto linijo. Opazoval je vidne lastnosti potomcev prve generacije, ki jih je imenoval križanci ali hibridi. V nadaljevanju poskusov je vzgojil tudi potomce druge in tretje generacije, pri čemer je izkoristil sposobnost samooprašitve pri grahu. To mu je omogočilo, da je vzgojil potomce samo enega prednika (enega starša) – torej nosilca dedne informacije ene rastline. Pri prvih poskusih je opazoval dedovanje le ene lastnosti, npr. barvo cvetov. Izbral je dve sorti graha, enega z belimi in drugega z vijoličnimi cvetovi, ter opazoval barvo cvetov pri potomcih – križancih. A

B prenos peloda na brazdo pestiča

odstranjen prašnik brazda pestiča

C plodnica s semenskimi zasnovami

Mendel je pri svojih poskusih natančno vedel, kateri rastlini sta starševski rastlini, tj. katera je prispevala moške spolne celice (spermalne celice v pelodu) in katera ženske spolne celice (jajčne celice v semenski zasnovi). To je dosegel z umetnim opraševanjem: A) cvetovom na materinski rastlini je previdno odstranil prašnike, B) s čopičem je prenesel pelod z očetovske rastline na brazdo pestiča materinske rastline, C) oprašen cvet je pred nezaželenimi opraševalci zaščitil z vrečko.

dominantna lastnost – prevladujoča lastnost recesivna lastnost – prikrita, podrejena lastnost

30

Na podlagi velikega števila poskusov in opazovanj je dognal, ali se deduje opazovana lastnost dominantno ali recesivno. Ugotovil je, da je v prvi generaciji dobil potomce (križance), pri katerih je ena lastnost prevladala, npr. vijolična barva cvetov; imenoval jo je dominantna lastnost. Druga lastnost, npr. bela barva cvetov, pa je ostala prikrita – recesivna lastnost. Če opazujemo samo zunanje znake potomcev, imamo občutek, da se je ta lastnost izgubila. Pri poskusih je poleg barve cvetov opazoval še namestitev cvetov, barvo in obliko semen, obliko stroka in višino stebla rastlin graha. V prvi generaciji potomcev je vedno dobil vse potomce z enakimi lastnostmi. Z nadaljevanjem poskusov je s samooploditvijo vzgojil še potomce druge in tretje generacije ter opazoval delež potomcev, pri katerih se je izrazila dominantna lastnost, in delež potomcev, pri katerih se je izrazila recesivna lastnost.


Naredim in razumem

V preglednici je nanizanih nekaj primerov lastnosti rastlin graha starševske generacije (P) in prve generacije potomcev (F1 ), ki jih je opazoval Mendel pri svojih poskusih. Ugotovi, katere lastnosti različnih vrst graha se dedujejo dominantno in katere recesivno?

P

Oblika semena

Barva semena

okroglo

rumena

x

x

nagubano

zelena

?

?

Oblika stroka

Barva stroka

gladek

zelen

x

Lega cvetov vzdolž poganjka

x

Višina rastline visoka

x rumen na koncu poganjka

naguban

x nizka

F1 ?

?

?

Mendel je s svojimi poskusi ugotovil, da zunanji znaki niso vedno odraz dednih zasnov osebka. Prikrite (recesivne) lastnosti se namreč nikoli ne izgubijo. Dokazal je, da dedovanje poteka po določenih, predvidljivih vzorcih oziroma zakonitostih. Tako je ovrgel prepričanje, da potomci od staršev prejmejo dedni mterial v obliki tekočine (npr. kri), ki se nato v potomcih poljubno meša. Sklepal je, da so dedne lastnosti zapisane z dednimi enotami, ki se iz generacije v generacijo dedujejo nespremenjene, kot samostojne enote, podobno kot kroglice. Šele kasneje, ko so sredi 20. stoletja odkrili molekulo DNA in nukleotide, so te delce poimenovali geni. Vsaka dedna lastnost je določena s prisotnostjo dveh neodvisnih enot: eno potomec podeduje od očeta in drugo od matere. Ti dve enoti sta lahko enaki ali različni. Kasneje so jih poimenovali aleli in predstavljajo enako ali različno obliko istega gena. Danes vemo, da je gen (alel) del molekule DNA, ki je sestavni del kromosoma. Vsak gen nosi informacijo za nastanek beljakovine. Celica uporabi beljakovine kot gradbeni element ali pa za opravljanje različnih pomembnih nalog v celici (kot encime). Homologni kromosomi (pari kromosomov enake vrste), na katerih se nahajajo geni in aleli, se v procesu mejoze naključno ločijo in pri oploditvi naključno združijo v nove kombinacije.

?

homologna kromosoma – par kromosomov (eden izvira od očeta, drugi od matere), ki sta enaka po velikosti, obliki in imata enake gene, a nosita različen dedni zapis (aleli so lahko enaki ali različni)

dve obliki istega gena (dominantni in recesivni alel)

enaka alela (dominantna) enaka alela (recesivna) kromosom

kromosom

par homolognih kromosomov (nepodvojenih)

31


P starševska generacija

B

B

b

b

oploditev vsi potomci so enaki – (100 %) vijolični cvetovi

F1 potomci prve generacije

B

b samooploditev

F2 potomci druge generacije

B

b

BB

Bb

Bb

bb

B

b

razmerje fenotipov: vijolični cvetovi (¾) : beli cvetovi (¼) = 3 : 1 razmerje genotipov: BB : Bb : bb = 1 : 2 : 1

Alele za isto lastnost (ki pa se lahko izraža različno) označimo z isto črko: dominantni alel z veliko tiskano črko (npr. B = vijoličen cvet), recesivne alele pa z malo tiskano črko (npr. b = bel cvet). Po dogovoru pišemo oznako za dominantne alele pred recesivnimi. Vsaka rastlina graha ima po dva alela za isto lastnost: enega je prispevala spermalna celica v pelodnem zrnu, ki je nastalo v prašniku in drugega jajčna celica iz semenske zasnove. Starševski rastlini, ki pripadata čisti liniji, imata po dva enaka alela za opazovano lastnost; take rastline imenujemo homozigoti (homo – enak). Če je eden izmed staršev dominantni homozigot in drugi recesivni homozigot, potem so potomci teh staršev križanci in nosijo dva različna alela za opazovano lastnost, zato jih imenujemo heterozigoti (hetero – različen). Genotip je skupek lastnosti, ki jih določajo geni. Vsem navzven vidnim ali merljivim lastnostim organizma, ki jih določajo geni in okolje, pa pravimo fenotip. V primeru prisotnosti dominantnih alelov lahko ugotovimo, da se genotipa razlikujeta, opazimo pa lahko enake fenotipske lastnosti.

Dominantno-recesivno križanje graha z vijoličnimi in belimi cvetovi

fenotipske lastnosti – izražene lastnosti organizma, ki so rezultat okoljskih in genskih vplivov na organizem

32

B

b

B

BB

Bb

b

Bb

bb

Mendel je križal starševski rastlini graha, ki sta imeli v svojem dednem zapisu na mestu, kjer se na homolognih kromosomih nahajata gena za barvo cvetov, dva enaka alela; to pomeni, da so bile rastline primeri čiste linije, bodisi dominantni homozigoti z vijoličnimi cvetovi (genotip BB) bodisi recesivni homozigoti z belimi cvetovi (genotip bb). Potomci prve generacije so imeli gene (alele) za vijolično (B) in belo (b) barvo, torej je vsaka starševska rastlina s svojo spolno celico prispevala po en alel. Tako so nastali križanci, ki so bili heterozigoti (genotip Bb). Med potomci druge generacije so bili prisotni vsi trije genotipi. Mendel še ni poznal genov in alelov, zato je opazoval le fenotipske lastnosti. Punnettov kvadrat ali kvadrat križanja je grafični prikaz, s katerim lahko napovemo, katere genotipe in fenotipe pričakujemo v generaciji potomcev ter v kakšnem deležu bodo le-ti zastopani. Narišemo ga v obliki preglednice, v katero ob zgornjem in levem robu zapišemo možne alele, ki jih lahko vsebujejo spolne celice in ki jih potomci naključno podedujejo od staršev. V posamezna okenca pa vpišemo možne kombinacije alelov, torej genotipov potomcev, pri čemer upoštevamo, da vsak prejme po en alel od matere in enega od očeta.


Naredim in razumem

V preglednici, kjer so nanizane dedne lastnosti rastlin graha dveh generacij, ki jih je opazoval Mendel, izberi eno lastnost in oblikuj shemo križanja, iz katere bodo razvidni vsi možni genotipi in fenotipi generacij P, F1 in F2. Razišči tudi verjetnost, katere genotipe in fenotipe lahko pričakujemo v generaciji F3, če pustimo, da se rastline različnih genotipov iz generacije F2 samooprašijo.

Mendel je proučeval dedovanje tudi pri nekaterih drugih rastlinah (npr. pri okrasni rastlini odolin ali zajček), kjer je prišel do nekoliko drugačnih ugotovitev. Danes vemo, da je v naravi zelo malo primerov dedovanja, pri katerih en gen določa eno samo lastnost (monogensko dedovanje). Pogosto eno lastnost določa več genov (poligensko dedovanje), zato so raziskave na področju dedovanja zelo zahtevne, tako da se naše znanje z vsakim novim odkritjem nadgrajuje ali celo spreminja.

P

R

R

R’

R’

oploditev Odolin (Antirrhinum sp.)

vsi (100 %) rožnati cvetovi

Pri križanju rdečecvetnega in belocvetnega odolina je Mendel dobil potomce z rožnatimi cvetovi, kar pomeni, da potomci po fenotipskih lastnostih niso bili podobni staršem.

R

R’ samooploditev

Barva se je izrazila kot vmesni ali intermediarni znak (genotip RR’ – različici alelov nista ne recesivni in ne dominantni – sta kodominantni). Z nadaljnjim križanjem rožnatih cvetov je ponovno dobil tudi rdeče in bele cvetove, kar potrjuje ugotovitev, da so dedne zasnove (geni) samostojne enote. Raziskave so kasneje pokazale, da se veliko znakov deduje na tak način, so pa možni tudi številni vmesni (v tem primeru barvni) prehodi.

F1

R

R’

RR

RR’

RR’

R’R’

F2

R

R’ razmerje fenotipov: rdeči cvetovi (¼) : rožnati cvetovi (½) : beli cvetovi (¼) = 1 : 2 : 1 razmerje genotipov: RR : RR' : R'R' = 1 : 2 : 1

Križanje rdečecvetnega in belocvetnega odolina

33


Gojenje malih trolov Nariši izmišljeni bitji – samca in samico trola ter jima označi devet dednih lastnosti. Določi možne genotipe in fenotipe njunih mladičkov.

Mendla je zanimalo tudi dedovanje dveh lastnosti hkrati, zato je izvedel dihibridno križanje, kar pomeni, da je opazoval prenos dveh lastnosti (dveh genov) hkrati. Tako je ugotovil, da ena lastnost ne vpliva na dedovanje druge lastnosti. Danes vemo, da se geni, ki se nahajajo na ločenih kromosomih, dedujejo neodvisno drug od drugega.

Naredim in razumem

Predstavljaj si, da delaš v podjetju, ki je specializirano za vzgojo okrasnih rastlin. Neke pomladi odkriješ zanimivo okrasno rastlino z velikimi svetlovijoličnimi cvetovi. V literaturi prebereš, da posamezna rastlina lahko tvori tudi do 1000 semen ter da je zanjo značilna samolastna oprašitev. Ko plodovi dozorijo, pobereš semena in jih naslednjo sezono poseješ. Na tvoje presenečenje ima od skupno 106 rastlin, ki so vzklile in zacvetele, 31 rastlin bele cvetove. Razmisli, ali obstaja možnost, da vzgojiš čisto linijo rastlin, ki bodo vedno cvetele le s svetlovijoličnimi cvetovi, saj predvidevaš, da bi se prodajale bolje od belih. Uporabi svoje znanje o dedovanju lastnosti ter predvidi, katere vrste alelov imajo tvoje rastline, ter opiši postopek, kako lahko vzgojiš rastline, ki bodo imele le svetlovijolične cvetove.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Nekatere dedne lastnosti pri kuncih se dedujejo dominantno-recesivno. Alel za črno barvo dlake je dominanten (D), alel za belo barvo pa recesiven (d). a) Zapiši možne genotipe (kombinacije alelov), ki jih ima lahko kunec s črno barvo dlake. b) Predstavljaj si, da pariš dva kunca s črno dlako. Skotijo se štirje mladički, od katerih te eden preseneti z belo barvo dlake. Pojasni vzrok, zakaj ima eden od mladičkov drugačno barvo dlake od drugih. c) Poleg črne in bele barve obstajajo tudi druge barve dlake pri kuncih. Utemelji, zakaj ima vsak kunec le dva alela enega gena za barvo dlake. 2. Tvoj sosed že nekaj let zapored uspešno goji lubenice z zeleno lupino, ki predstavljajo čisto linijo. Nekega dne je opazil, da ima ena lubenica na lupini svetlejše proge. Lubenico s svetlimi progami na lupini je križal z lubenico, ki ima zeleno lupino. Naslednje leto je vzgojil križance, od katerih je imela polovica plodove z zeleno lupino in polovica progasto lupino. a) Sklepaj, ali je alel za barvo lupine s svetlimi progami dominanten ali recesiven, in svoj odgovor utemelji. b) Razloži, kje je vzrok, da se je nekega dne v čisti liniji rastlin lubenice pojavila rastlina z drugačno barvo lupine, torej novim alelom za barvo lupine. c) Sosed želi vzgojiti čisto linijo lubenic z novo lastnostjo, torej progasto lupino. Svetuj mu, kako lahko to doseže.

34


Tekma za odkritje zgradbe molekule DNA V začetku 18. stoletja, ko so znanstveniki opazovali celice s preprostimi svetlobnimi mikroskopi, niso videli vseh celičnih organelov. Do leta 1833 niso vedeli, da je jedro prisotno v prav vsaki evkariontski celici, ker ga pač niso videli. Čez nekaj let pa so z izboljšanimi svetlobnimi mikroskopi in tehnikami barvanja že odkrili podrobnejšo strukturo celic, kar je omogočilo Schleidnu in Schwannu razvoj celične teorije.

F. H. Crick

Morda že veš … da so bile leta 1869 iz različnih vrst celic prvič izolirane molekule DNA. Ker so se molekule nahajale v jedru (ang. nucleus) in so njihove raztopine imele rahlo kisel pH, so jih najprej poimenovali nukleinske kisline. Ime DNA so prvič uporabili šele leta 1920, ko so odkrili, da v celici obstajata dve vrsti nukleinskih kislin – DNA (deoksiribonukleinska kislina) in RNA (ribonukleinska kislina). Do sredine 20. stoletja so mnogi znanstveniki menili, da so le beljakovine dovolj zapleteno zgrajene molekule, da bi bile lahko nosilke dednih informacij. V tistem času so že poznali molekulo DNA in vedeli, da jo sestavlja zaporedje štirih različnih nukleotidov, ki so s sladkorno-fosfatnim ogrodjem vezani v dolge verige, vendar so bili mnenja, da gre za precej »dolgočasno« in manj pomembno molekulo. Na podlagi raziskav so prišli do sklepa, da je molekula DNA res nosilka dednih informacij. Ko so okoli leta 1950 znanstveniki sprejeli dejstvo, da ima osrednjo vlogo pri prenosu dednih informacij molekula DNA, so svoje raziskave usmerili v odkrivanje števila molekul v celici in tridimenzionalne zgradbe DNA, kar naj bi predstavljalo ključ do rešitve uganke o mehanizmih dedovanja. Ena od metod raziskovanja tridimenzionalne zgradbe molekule DNA je rentgenska kristalografija. Celoten postopek je precej zapleten, zato je le redkim znanstvenikom tistega časa uspelo pripraviti kristale molekule DNA in dobro opraviti meritve. V tistem času (tj. okrog leta 1950) so z omenjeno metodo raziskovali v laboratorijih Univerze Cambridge v Veliki Britaniji. V raziskovalni skupini, ki jo je vodil britanski fizik Maurice Hugh Frederick Wilkins (1916–2004), je bila med vodilnimi v razvoju rentgenske kristalografije za analizo molekule DNA britanska kemičarka Rosalind Franklin (1920–1958), ki je pripravljala tudi najboljše posnetke uklonskih vzorcev na svetu. V skupini sta bila tudi biofizik Francis Harry Compton Crick (1916–2004), ki je z omenjeno metodo že raziskoval tridimenzionalno zgradbo beljakovin, in ameriški molekularni biolog in genetik ter obenem najmlajši član ekipe James Dewey Watson (1928), katerega so zanimali predvsem mehanizmi dedovanja na nivoju molekul.

J. D. Watson

M. H. F. Wilkins

R. Franklin

Rentgenska kristalografija je metoda, s katero znanstveniki raziskujejo obliko molekul vsake snovi, ki je v kristalni obliki. Obsevajo jo z rentgenskimi žarki in proučujejo vzorec uklonjenih rentgenskih žarkov, ki so se odbili ter zato razpršili (uklonili) od atomov v kristalu. Na podlagi slik uklonskih vzorcev lahko ugotovijo nekatere gradbene lastnosti snovi.

rentgenski žarki ali žarki X – elektromagnetno valovanje, ki se v medicini uporablja pri rentgenskem slikanju in diagnostiki; s svojim sevanjem lahko povzročijo raka in druge bolezni, zato je potrebna ustrezna zaščita

35


Watson in Crick sta se lotila sestavljanja modela tridimenzionalne zgradbe molekule DNA, ki bi bil skladen z uklonskimi vzorci, katere je posnela Franklinova, in z vsemi, do takrat znanimi kemijskimi lastnostmi DNA. Šlo je za tekmo s časom, komu bo prej uspelo odkriti pravilno tridimenzionalno zgradbo molekule DNA, saj so se s tem ukvarjali tudi drugi pomembni znanstveniki.

Uklonski vzorec molekule DNA, ki ga je z rentgensko kristalografijo posnela Franklinova; vzorec v obliki križa kaže na obliko vijačnice.

Watson je na podlagi kvalitetnih posnetkov uklonskih vzorcev Franklinove prepoznal vijačno zgradbo molekule. Watson in Crick sta na podlagi meritev gostote molekule DNA, ki so jo opravljali drugi raziskovalci, ugotovila, da jo najverjetneje sestavljata dve verigi. Poznala sta tudi ugotovitve Franklinove, da se sladkorno-fosfatno ogrodje nahaja na zunanji strani dvojne vijačnice, in odkritje avstrijskega biokemika Chargaffa, da se dušikove baze na poseben način vežejo na notranji strani. V začetku leta 1953 jima je uspelo sestaviti model dvojne vijačnice DNA, ki je bil skladen z vsemi znanimi podatki. To je model, ki ga poznamo še danes. Watson, Crick in Wilkins so leta 1962 za svoje odkritje prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino. Rosalind Franklin je pet let pred podelitvijo nagrade umrla, stara komaj 37 let. Žal tudi za časa svojega življenja ni bila deležna ustreznega priznanja, čeprav se je kasneje izkazalo, da je neodvisno od drugih raziskovalcev tudi sama prišla do sklepa, da ima molekula DNA obliko dvojne vijačnice. Znanstveniki z različnih področij so skoraj sto let postopoma odkrivali kemično zgradbo in lastnosti dednega materiala. Odkritje zgradbe dvojne vijačnice molekule DNA velja za veliko odkritje biologije 20. stoletja, ki je takoj navdušilo javnost in predstavlja temelj nadaljnjih raziskav o delovanju celic in dedovanju lastnosti.

Watson in Crick s svojim modelom dvojne vijačnice DNA, ki ima v živih sistemih poseben pomen – nosi dedno informacijo.

Zahvaljujoč izumu elektronskega mikroskopa ter visoko razvitim laboratorijskim tehnikam smo danes priča zelo hitremu napredku genetike, biotehnologije in drugih področij, saj znanstveniki neprestano odkrivajo novosti ter nadgrajujejo že obstoječe znanje.

Razmnoževanje celic Celice omogočajo nadaljevanje življenja in ohranjanje vrst, saj predstavljajo pomembno vez pri prenašanju genskih informacij s staršev na prihodnje generacije potomcev. Vsaka celica nastane s celično delitvijo že obstoječe celice, pri čemer se kromosomi zelo natančno podvojijo in se nato naključno razporedijo med hčerinske celice. Dedovanje lastnosti je torej ena temeljnih lastnosti živega, temelj razmnoževanja pa je celična delitev. Enocelični organizmi se z delitvijo celice nespolno razmnožujejo (npr. evglena, paramecij).

36

Vse telesne celice človeka nastanejo s celično delitvijo, ki zagotavlja prenos kopij vseh kromosomov iz jedra materinske celice na hčerinske celice: ta proces se imenuje mitoza. Hčerinske celice so gensko identične materinski.


Med evolucijo se je pri evkariontih pojavila še druga oblika razmnoževanja – spolno razmnoževanje. Pri spolnem razmnoževanju nastane z združitvijo ženske in moške spolne celice nova celica – zigota, iz katere se razvije nov organizem. Ta način razmnoževanja je povezan s posebnim procesom nastajanja spolnih celic, ki preprečuje povečevanje števila kromosomov iz generacije v generacijo – to je mejoza. Mejoza je proces, pri katerem v določenih delih spolnih organov (jajčnikih, modih, pestiču, prašnikih) iz praspolnih celic nastajajo spolne celice, ki vsebujejo polovično število kromosomov. V procesu nastajanja spolnih celic (pri mejozi) se pari alelov ločijo in naključno razporedijo med posamezne spolne celice. Pravimo, da so spolne celice haploidne (eno garnituro dednega materiala označimo z n).

Več o zgradbi kromosoma si lahko prebereš na strani 39.

Razmnoževanje celic S stolpičnim diagramom prikaži število kromosomov pri delitvi človeške celice na začetku mitoze, po mitozi, na začetku mejoze, po prvi mejotski in po drugi mejotski delitvi.

Pri spolnem razmnoževanju pride pri oploditvi do naključnega združevanja ženskih in moških spolnih celic; tako ponovno dobimo diploidni organizem (2 n). MEJOZA

MITOZA od očeta od mame

pred začetkom mejoze se DNA podvoji

pred začetkom mitoze se DNA podvoji

parjenje podvojenih homolognih kromosomov pari kromosomov se pritrdijo na niti delitvenega vretena

podvojeni kromosomi se pritrdijo na niti delitvenega vretena

prekrižanje 1. mejotska delitev

2. mejotska delitev

celična delitev

spolne celice

n

Primerjaj mitozo in mejozo Ugotovi, v čem sta si procesa podobna in v čem različna. S pomočjo različnih virov razišči, kako nastajajo spolne celice (jajčeca in semenčice) pri človeku.

n

n

n

hčerinske celice

2n

2n

Spolno razmnoževanje je tudi osnova genske spremenljivosti v naravi, saj omogoča, da se kromosomi trikrat»premešajo«in se nato na novo porazdelijo. Dvoje premešanj poteka že med nastajanjem spolnih celic – v mejozi. Pred prvo delitvijo si podvojeni kromosomi izmenjajo dele molekul DNA (gene) – ta proces imenujemo prekrižanje (ali »crossing-over« ali rekombinacija). Na koncu druge delitve pa se število kromosomov zmanjša za polovico ter se naključno razdeli v nove celice – na spolne celice. Tretji način, ki prispeva k spremenljivosti, je oploditev – združitev ženske in moške spolne celice (jajčeca in semenčice). Na ta način vsak potomec podeduje po en izvod vsakega gena od mame in po en izvod vsakega gena od očeta.

A

B

a A

b B

A a

B b

a A

b B

homologna kromosoma podvojena homologna kromosoma

prekrižanje a

A

b B

A a

b B

a

b

A

B

A

b

a

B

a

b

Prekrižanje kromosomov med mejozo

37


Ker se naravno okolje zaradi različnih vplivov živih in neživih dejavnikov ves čas spreminja, spolno razmnoževanje omogoča večjo gensko raznolikost in s tem večjo možnost, da določeni osebki preživijo morebitne okoljske spremembe. Čeprav zahteva spolno razmnoževanje večji vložek energije in snovi, je raznolikost osebkov, ki jo omogoča, izjemno pomembna za nadaljnji evolucijski razvoj določene vrste in njeno preživetje.

Primerjava značilnosti spolnega in nespolnega razmnoževanja Nespolno razmnoževanje

Spolno razmnoževanje

potomci imajo le enega starša potomcev je veliko ● potomci so gensko enaki drug drugemu in svojemu staršu ● število kromosomov se ohranja ● majhna raznolikost med osebki v populaciji ali pa je skoraj ni ● temelj razmnoževanja je mitoza (iz ene celice nastaneta dve gensko enaki hčerinski celici) ● večja možnost preživetja v stabilnem okolju ● ob večji spremembi razmer v okolju lahko večina ali celo vsi osebki preživijo ali ne (ker imajo vsi enake prilagoditve na ekološke razmere) ● ●

Solinski rakci v Sečoveljskih solinah se večinoma razmnožujejo nespolno – z deviškorodnostjo (partenogenezo). V takšni populaciji so večinoma prisotne le samice, njihovi potomci (samice) se razvijejo iz neoplojenih jajčec.

potomci imajo dva starša (vsak od staršev prispeva svojo spolno celico, ki nastane z mejozo) ● organizmi porabijo več energije zaradi tvorbe spolnih celic in iskanja spolnega partnerja ● razmeroma malo potomcev ● potomci so gensko različni ● velika raznolikost med osebki v populaciji ● število kromosomov se s pomočjo mejoze skozi generacije ohranja ● prva celica novega osebka je zigota, ki nastane z oploditvijo ● ob večji spremembi razmer v okolju obstaja večja verjetnost, da bodo nekateri osebki imeli ugodne lastnosti, ki jim bodo omogočile preživetje in razmnoževanje v spreminjajočih ekoloških razmerah ●

Posledica spolnega razmnoževanja je lahko raznolikost barv pri osebkih iste vrste.

Zaporedje dogodkov, ki vodijo v celično delitev, imenujemo celični cikel. Z mikroskopom lahko opazujemo kromosome v različnih fazah celičnega cikla. Večino življenja (95 %) celice rastejo in se razvijajo, v določenih vmesnih obdobjih pa se njihovi kromosomi podvojijo in pride do celične delitve.

podvojitev molekul DNA

celica raste in se pripravlja na celično delitev čas med celičnima delitvama (interfaza) celična delitev delitev jedra in citoplazme

Shema celičnega cikla rast in razvoj celice

38

celica je izstopila iz celičnega cikla


Zgradba kromosoma V jedru žive celice, ki raste in se razvija ter se še ne pripravlja na celično delitev, so dolge nitke in skupki snovi, ki jih imenujemo kromatin. Kromatin sestavljajo molekule DNA, ki so videti kot dolge in tanke nitke, ter posebne beljakovine (histoni), okoli katerih so ovite molekule DNA.

Molekule DNA in beljakovinski skupki, vidni pod elektronskim mikroskopom

Ko se kromatin še dodatno navija in zgoščuje, lahko z elektronskim mikroskopom opazimo t. i. enokromatidne kromosome.

Grški izraz »chroma« pomeni barva in »soma« pomeni telo.

Pred celično delitvijo (mitozo) se molekule DNA podvojijo. Tako nastane podvojeni kromosom, ki mu pravimo dvokromatidni kromosom, saj je zgrajen iz dveh kopij iste, tesno spakirane DNA. Posamezno kopijo imenujemo kromatida. Kromatidi sta gensko enaki, saj ju gradita gensko enaki molekuli DNA. Spodnja slika na primeru podvojenega kromosoma ponazarja način zvijanja in povezovanja molekule DNA z beljakovinami v zgoščeno strukturo kromosoma. kroglasta beljakovina

podvojeni kromosom (gradita ga dve molekuli DNA)

ena kromatida

Podvojeni (dvokromatidni) kromosom

DNA beljakovina

beljakovina

DNA DNA

Proces navijanja in zgoščevanja molekule DNA je zelo pomemben, saj omogoča, da se dolge molekule DNA shranijo na zelo majhnem prostoru. Skupna dolžina molekul DNA v človeški telesni celici, v kateri DNA ni podvojena, je približno 2 m.

Slika predstavlja zvijanje DNA v obliko kromosoma.

39


Koliko kromosomov je v celici? Odgovor na vprašanje je odvisen od tega, ali imaš v mislih rastlino, žival ali človeka. Čebula ima v celičnem jedru 16 kromosomov, komar 6, krap pa jih ima celo 104. Telesne celice človeka imajo v jedru 46 molekul DNA, ki so glavna sestavina kromosomov; to pomeni, da je v jedru vsake tvoje telesne celice 46 kromosomov ali 23 parov kromosomov. V jedru človeške celice se nahaja 46 kromosomov, , ki pa jih lahko vidimo le ob celični delitvi, ko je DNA tesno zvita. Takrat jih imenujemo metafazni kromosomi.

46 kromosomov (2n)

jajčna celica (23 kromosomov; n)

46 kromosomov (2n)

semenčica (23 kromosomov; n) zigota (46 kromosomov; 2n)

Pri nastanku spolnih celic (jajčec in semenčic) je pomembno, da se število kromosomov v procesu mejoze razpolovi, da se tako prepreči podvajanje števila kromosomov iz roda v rod. Spolne celice vsebujejo zato le enojno garnituro kromosomov, to je 23 kromosomov. Vseh 46 kromosomov iz jedra celice lahko s posebnimi postopki izoliramo, obarvamo in fotografiramo. Posamezne kromosome nato izrežemo iz slike, jih razporedimo v homologne pare glede na velikost, značilnost (vidne vzorce temnejših prog) ter glede na položaj centromere. Vsak kromosom oštevilčimo. Dobljeni diagram imenujemo kariogram.

Primer para homolognih kromosomov iz jedra telesne celice človeka: en homologni kromosom prejmemo od matere in drugega od očeta.

Jedrni genom ženske in moške osebe se razlikuje po zadnjem, 23. paru kromosomov, tj. v spolnih kromosomih. Ženska spolna kromosoma sta enaka (označimo ju z XX), pri moških pa je en spolni kromosom (Y) manjši. Ostalim 22 parom kromosomov pravimo tudi nespolni kromosomi ali avtosomi. Spolni kromosom Y je precej manjši od kromosoma X in zato vsebuje tudi veliko manj genov. Znanstveniki so ugotovili, da je v evoluciji človeka kromosom Y nastal iz kromosoma X.

40


Organizacija in shranjevanje genske informacije Vsak kromosom v celici, ki se ne deli ali pripravlja na delitev, vsebuje le eno zelo dolgo molekulo DNA. Molekula DNA je vrsta nukleinske kisline, ki v celici nosi dedne informacije. Krajši odseki na molekuli DNA so geni. Geni vsebujejo navodila za izdelavo beljakovin v obliki zaporedij nukleotidov. Geni so lahko različno dolgi (torej sestavljeni iz različno dolgih zaporedij nukleotidov) in se med seboj povezujejo v zelo dolge nerazvejane verige. Vsaka molekula DNA je polimer, sestavljen iz dveh enojnih verig nukleotidov, ki se povezujeta v dvojno vijačnico. Vsi geni, ki se nahajajo v jedru celice nekega organizma, sestavljajo genom.

polimer – snov z veliko molekulsko maso, ki je sestavljena iz več ponavljajočih se enot

Organizmi se razlikujejo po velikosti genoma, po številu genov in kromosomov. Morda te bo presenetilo, da človeški jedrni genom ni največji. Velikost genoma (milijoni nukleotidnih parov)

Vrsta

Tip organizma

Escherichia coli

bakterija

pivska kvasovka

gliva

12

riž

rastlina

430

Caenorhabditis elegans*

glista

97

vinska mušica

žuželka

180

Fritillaria assyriaca**

rastlina

120000

človek

sesalec

približno 2.900

Število kromosomov

Leto določitve zaporedja nukleotidov

1

1997

5800

16

1996

60.000

12

2002

19.000

6

1998

14.000

4

2000

20.000–25.000

23

2001

1

1981

Približno število genov

Prokarionti – ena krožna molekula DNA 4,6

4400

Evkarionti – haploidni jedrni genom (n)

Evkarionti – mitohondrijski genom človek

sesalec

0,016569

37

* Omenjena glista živi v prsti v zmernem pasu in je eden najbolj raziskanih organizmov na svetu, saj je število celic vseh osebkov te vrste vedno enako (959 celic). ** Fritillaria assyriaca – rod logaric; sorodna vrsta močvirskega tulipana

Znanstveniki, ki proučujejo človeški genom, ugotavljajo, da le okoli 1,5 % našega genoma predstavljajo geni, ki nosijo zapis za beljakovine – temu delu pravijo »kodirajoča DNA«. Vse ostale dele DNA pa imenujejo »nekodirajoča DNA«. Le-ta vsebuje številne kopije odsekov DNA, ki so se nakopičili v dolgi evoluciji človeka. Včasih so bili prepričani, da ti odseki predstavljajo odvečen (nepomemben) del DNA, danes pa vedno znova ugotavljajo njihovo pomembno vlogo pri različnih biokemijskih procesih; v vsaj 20 % primerov so že dokazali vpliv »nekodirajoče DNA« na uravnavanje izražanja genov.

41


Nukleotidi gradijo nukleinske kisline Omenili smo nukleotide, osnovne gradbene enote nukleinskih kislin. Genska informacija je zapisana v obliki dolge verige različnih kombinacij štirih različnih vrst nukleotidov. Nukleotidi so sestavljeni iz molekul sladkorja (deoksiriboze), ki so na eni strani povezane s fosfatno skupino in na drugi z dušikovo bazo. Različne vrste nukleotidov se med seboj razlikujejo v dušikovi bazi. Poznamo dušikove baze adenin (označimo z A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T).

citozin adenin

organske baze

timin gvanin

fosfatna skupina fosfor

vodik sladkor deoksiriboza

kisik ogljik

dušik

Zgradba dvojne vijačnice molekule DNA

Sladkorji in fosfatne skupine so med seboj povezani z močnimi kovalentnimi vezmi in gradijo ogrodje molekule DNA, ki se zvija v obliki dvojne vijačnice. Iz ogrodja obeh (nasprotnih, komplementarnih) verig proti notranjosti štrlijo organske baze, ki se med seboj povezujejo z vodikovimi vezmi. Zaradi različnih oblik in kemijskih lastnosti se adenin (A) vedno poveže samo s timinom (T) in citozin (C) samo z gvaninom (G).

42


Naredim in razumem

Premer dvojne vijačnice molekule DNA je približno 2 nm (1 nm = 10-9 m). Sedaj lahko izračunaš, približno kolikokrat je povečana molekula DNA na sliki.

Če poznamo zaporedje nukleotidov ene verige, lahko določimo tudi zaporedje nukleotidov v komplementarni verigi. Komplementarni verigi nukleotidov sta namreč verigi, ki se natančno prilegata po zaporedju nukleotidov in gradita dvojno vijačnico DNA. Spodnja shema prikazuje podvojevanje dela molekule DNA. Med podvojevanjem se prekinejo vodikove vezi med nukleotidi komplementarnih verig, tako da se molekula DNA razpre, podobno kot zadrga. Dobimo dve enojni verigi s prostimi nukleotidi, na katere se kmalu vežejo novi nukleotidi. Tako nastaneta dve kopiji molekule DNA, ki sta enaki izvorni molekuli DNA.

Pri podvojevanju DNA nastaneta dve novi molekuli DNA, ki imata vedno po eno izvorno verigo in eno, ki je nastala na novo. Takemu načinu podvojevanja pravimo semikonzervativno podvojevanje.

komplementarni verigi nukleotidov izvorne molekule DNA

Izdelaj model kromosoma S pomočjo plastelina in volne ali drugih materialov izdelaj model kromosoma.

izvorni del DNA izvorni del DNA

novi (hčerinski) verigi DNA

Velikost genov in s tem tudi kromosomov lahko opišemo s številom nukleotidnih (baznih) parov, ki gradijo komplementarni verigi DNA. Največji človekov kromosom (kromosom 1) vsebuje približno 250 milijonov nukleotidnih parov; najmanjši kromosom (kromosom Y) pa le 60 milijonov nukleotidnih parov. Povprečna dolžina enega nukleotidnega para je 0,34 nm, torej je kromosom 1 v primerjavi s kromosomom Y pravi »molekulski velikan«. Če bi ga raztegnili, bi bil dolg 8,5 cm.

43


Vloga molekule DNA v celici V molekuli DNA je zapisana informacija o zgradbi različnih beljakovin. Zanimivo je, da je pogosto z enim samim genom zapisana informacija o zaporedju aminokislin več različnih beljakovin. Zaporedje treh nukleotidov znotraj gena je neke vrste navodilo za izgradnjo ene aminokisline. Beljakovine so sestavljene iz zaporedja različnih aminokislin, od česar je odvisna njihova prostorska zgradba in s tem povezana vloga v celici. Beljakovine v celici opravljajo večino nalog, ki so potrebne za vzdrževanje in nadaljevanje življenja organizmov. Sodelujejo pri natančnem podvojevanju molekul DNA in prepisovanju navodil za izdelavo novih beljakovin, ki gradijo celico (npr. beljakovine, ki so del celičnih membran), ali sodelujejo v različnih procesih, ki potekajo v celici (npr. encimi, ki sodelujejo pri različnih procesih v celici in ribosomi, ki med drugim omogočajo nastajanje novih beljakovin). Beljakovina hemoglobin

V primerjavi z velikostjo molekul DNA so molekule RNA pravi malčki, dolgi od nekaj 100 do nekaj 1000 nukleotidov. Povprečno velika beljakovina človeške celice vsebuje okoli 430 aminokislin.

Pri prevajanju navodil, zapisanih v molekuli DNA, ki so potrebna za izgradnjo vseh beljakovin v celici, sodeluje druga vrsta nukleinskih kislin v celici – to so različne vrste molekul RNA. Zgradba molekul RNA se nekoliko razlikuje od DNA. Molekula RNA je običajno v obliki enojne verige, ki je veliko krajša od molekule DNA, saj nosi le informacije, ki so zapisane v genih, torej kratkih odsekih molekule DNA. Geni se torej prepisujejo v molekule RNA. Molekuli DNA in RNA se razlikujeta v vrsti sladkorjev (DNA ima sladkor deoksiribozo, RNA pa sladkor ribozo) in eni organski bazi – namesto timina (T) najdemo v molekuli RNA podobno organsko bazo – uracil (U). Molekulo DNA najdemo samo v celičnem jedru.

Informacija o zgradbi določene aminokisline, ki gradi neko beljakovino, se najprej prepiše iz ustreznega gena v enojno verigo molekule RNA, nato pa se s pomočjo ribosoma prevede v zaporedje aminokislin, ki gradijo beljakovino. V genih je zapisana tudi informacija o zgradbi različnih molekul RNA; te informacije se ne prevajajo v beljakovine. velika podenota ribosoma

polipeptid (veriga aminokislin)

tRNA

mRNA mala podenota ribosoma Nastajanje beljakovine s pomočjo ribosoma

Beljakovine v celici se neprestano izgrajujejo in razgrajujejo, zato se tudi deli molekule DNA neprestano prepisujejo.

44


Naredim in razumem

Sedaj si v obdobju hitre rasti in razvoja. Tvojim celicam se mudi s podvojevanjem, zato dobiš nalogo, da pomagaš čim hitreje podvojiti del svoje molekule DNA z zaporedjem nukleotidov, kot ga prikazuje slika. Opiši in skiciraj potek svojega dela (podvojevanja). V nadzornem sistemu tvoje celice se prižge rdeči alarm, ker primanjkuje beljakovin za rast celice. Vse tvoje molekule RNA so zasedene, torej spet priskočiš na pomoč. Za beljakovine potrebuješ ustrezna navodila, zato hitro prevedi zapis ene verige tvoje molekule DNA v molekulo RNA, ki bo navodilo za izgradnjo beljakovine lahko odnesla iz jedra do ribosoma, kjer bo po tem tvojem navodilu nastala beljakovina.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Vodne bolhe so evkariontski diploidni organizmi. Znanstveniki so ugotovili, da se lahko razmnožujejo spolno ali nespolno. Nespolno se razmnožujejo z deviškorodnostjo - iz diploidnih jajčec se brez oploditve razvijejo nove samice. Večji del leta, ko je dovolj hrane, se razmnožujejo nespolno, ko pa se začnejo dnevi krajšati ali če pride do pomanjkanja hrane zaradi velikega števila osebkov v populaciji, pa se začno razmnoževati spolno. Oplojena jajčeca se lahko obdajo tudi z ovojem in tako preživijo sušo ali zimo. Pri proučevanju genoma vodne bolhe, ki je sestavljen iz 12 parov kromosomov, so ugotovili, da vsebuje vsaj 30.907 genov, kar je več, kot jih vsebuje človeški genom. a) Koliko kromosomov je v telesnih celicah odrasle živali v primeru nespolnega in koliko v primeru spolnega razmnoževanja? Koliko kromosomov je v jedru jajčne celice v primeru nespolnega in koliko v primeru spolnega razmnoževanja? b) Opiši, kakšne so razlike v nastanku telesnih celic in različnih tipov spolnih celic vodne bolhe; pomagaj si z znanjem o nastanku telesnih in spolnih celic pri človeku. c) Razmisli, kateri način razmnoževanja, spolni ali nespolni, poteka hitreje (tj. da v določenem času dobimo več potomcev), in utemelji svoj odgovor. č) Na primeru vodne bolhe skušaj ugotoviti, katere so prednosti oz. slabosti spolnega in nespolnega razmnoževanja. d) Utemelji, zakaj pravimo, da je spolno razmnoževanje osnova genske spremenljivosti vseh živih bitij. 2. Mnogi znanstveniki predvidevajo, da so nastanek prvega življenja na Zemlji omogočile molekule, ki so imele lastnost samopodvojevanja. Katere vrste molekul v vsaki živi celici imajo to lastnost in so nosilke dednih informacij? Kje se nahajajo? 3. Primerjaj zgradbo enokromatidnega in dvokromatidnega kromosoma in pojasni, v katerem delu celičnega cikla lahko z mikroskopom opazimo eno in drugo obliko kromosomov.

Zanimivo branje za zelo radovedne: RIDLEY Matt (2002): Genom: biografija človeške vrste. Tržič, Založba Učila. DAWKINS Richard (2006): Sebični gen. Ljubljana, Založba Mladinska knjiga. WATSON D. James in BERRY Andrew (2007): DNK - skrivnost življenja. Ljubljana. Modrijan.

45


Raznolikost temelji na spremembah Nasmehni se, saj je smeh pol zdravja, pravijo. Pri tem pa se poglej v ogledalo ali prosi sošolca, da pogleda, ali tvoj nasmeh spremlja tudi jamica v licu.

Naredim in razumem

Načrtuj ter izvedi kratko raziskavo o pojavljanju določene dedne lastnosti (npr. jamica v licu ob nasmehu) pri svojih sošolcih. Na podlagi dobljenih rezultatov sklepaj, na kakšen način se omenjena lastnost deduje. Svoje ugotovite primerjaj z rezultati raziskav, objavljenih v različnih virih.

Dedovanje pri človeku Pogled na družinsko sliko razkriva, da so potomci podobni svojim staršem, vendar z njimi niso povsem identični; prav tako se razlikujejo od svojih bratov in sester. Vsak član družine potrjuje zanimivo dejstvo o dedovanju določene lastnosti – različnost in podobnost organizmov imata isti izvor, tj. v genih, natančneje v alelih.

Angleška kraljica Viktorija (1819–1901) v krogu svoje družine; spremenjeni alel za bolezen hemofilijo sta podedovali dve hčerki (prenašalki) in en sin, ki je zbolel za hemofilijo. S porokami se je bolezen razširila v rusko, špansko in prusko kraljevo družino. Karel V. Habsburški (1500–1558) – dedni lastnosti, štrleča spodnja čeljust in povešena ustnica, sta se s porokami razširili v 13 evropskih plemiških družin.

Za vsak gen ima vsakdo od nas največ dva različna alela – po enega na vsakem od homolognih kromosomov v kromosomskem paru, ki smo jih podedovali od matere in očeta. Samo pomisli: tvoj sošolec ali sošolka imata zelo verjetno na istem mestu istega kromosoma drugačna alela določenega gena. Več o mutcijah lahko prebereš na strani 81.

Aleli so različice genov, ki nastajajo zaradi napak – mutacij, katere nekoliko spremenijo zaporedje nukleotidov v genu. V dolgi zgodovini evolucije vsake posamezne vrste ja nastalo in se ohranilo veliko različnih alelov za določeno lastnost. K raznolikosti osebkov prispeva tudi spolno razmnoževanje, pri katerem nastajajo nove kombinacije alelov (novih genotipov) in z njimi povezane fenotipske lastnosti (oz. kombinacije izraženih lastnosti), ki se razlikujejo od tistih pri starših.

46


Naredim in razumem

Razišči in ovrednoti vpliv spolnega in nespolnega razmnoževanja na izražanje fenotipskih lastnosti, ki jih lahko opazimo kot podobnost ali raznolikost med družinskimi člani.

Primeri dednih lastnosti pri človeku Znanstveniki so ugotovili, da imamo vsi ljudje 99,9 % genoma enakega, zato smo si tako podobni. Naš genom je tudi temelj, zaradi katerega vsi pripadamo isti vrsti – Homo sapiens (človek). Pogled okoli sebe ti sporoča, da se med seboj razlikujemo v mnogih značilnostih. Katere razlike najprej opaziš? 1.

En gen – ena lastnost

Preveri, katere od spodaj navedenih lastnosti so značilne tudi zate. Dominantna lastnost

Recesivna lastnost

Lahko zvije jezik (alel Z)

Ne more zviti jezika (alel z)

Pri križanju prstov na vrh postavi levi palec (alel L)

Pri križanju prstov na vrh postavi desni palec (alel l)

Lasišče v obliki črke M (alel M)

Ravno lasišče (alel m)

Prosta ušesna mečica (alel P)

Prirasla ušesna mečica (alel p)

Prisotna dlakavost na vseh členkih prstov (alel D)

Dlakavost samo na spodnjih členkih prstov (alel d)

Brada z jamico (alel J)

Brada brez jamice (alel j)

Raven palec (alel R)

Nazaj upognjen palec (alel r)

Upognjen zadnji členek mezinca (alel U)

Raven zadnji členek mezinca (alel u)

Razišči dedne lastnosti pri človeku V obliki preglednice zapiši, katere lastnosti (fenotipi) so značilne zate in poleg zapiši možne genotipe. Ugotovi pogostost pojavljanja posamezne lastnosti pri sošolcih ter zapiši svoje ugotovitve.

47


Navodilo za izražanje vsake od omenjenih lastnosti v preglednici na prejšnji strani nosi en sam gen (alel) na enem od kromosomov človeškega genoma. Omenjene lastnosti se dedujejo dominantno-recesivno, kar pomeni, da se dominantne lastnosti izrazijo pri vseh osebah, ki so ali dominantni homozigoti (npr. genotip ZZ) ali heterozigoti (npr. genotip Zz). Recesivne lastnosti se izrazijo le v primeru, če podedujemo dva recesivna alela (npr. genotip zz). Monogensko se dedujejo tudi nekatere bolezni (npr. cistična fibroza, hemofilija).

Dedovanje lastnosti lahko prikažemo in proučujemo s pomočjo rodovnika. To je shematski prikaz več generacij oseb iz neke družine, v kateri se določena lastnost deduje. Z ustreznimi simboli lahko označimo dedovanje lastnosti ali dednih bolezni, ki so posledica mutacije na enem genu.

Glede na vzorec dedovanja lahko sklepamo, ali se mutiran gen nahaja na nespolnih kromosomih (avtosomih), na spolnih kromosomih ali celo na mitohondrijskem kromosomu. Z rodovnikom se lahko izognemo genetskim raziskavam (npr. poskusom križanja), ki bi bile neizvedljive ali etično sporne, ter hkrati poskrbimo tudi za varovanje osebnih podatkov. Lastnosti, ki so povezane z dedovanjem mitohondrijske DNA, se dedujejo le po materini strani na hčere in sinove, saj semenčica ob oploditvi prispeva le jedro, ne pa tudi mitohondrijev, ki se nahajajo v citoplazmi celic.

zdrava oseba

moški

ženska

oseba z dedno napako ali boleznijo

moški

ženska

prenašalka na kromosom X vezane dedne bolezni heterozigotna oseba, ki prenaša na nespolne kromosome vezane dedne bolezni

ženska moški

ženska

partnerska zveza dvojajčni dvojčki enojajčni dvojčki starši otroci

Simboli za risanje rodovnika

Naredim in razumem

Izberi en primer dedne lastnosti, ki jo določa en gen, in razišči izražanje izbrane lastnosti med svojimi sorodniki. Z ustreznimi simboli nariši rodovnik, v katerega skušaj vključiti čim več generacij. Na mestih, kjer podatka o dedovanju ne poznaš, naredi vprašaj. Rodovnik lahko kadar koli kasneje dopolniš.

48


2.

Spolno vezano dedovanje

Nekatere dedne lastnosti so veliko pogostejše pri moških kot pri ženskah in obratno, kar dokazuje, da se geni teh lastnosti nahajajo na spolnih kromosomih. Vsaka spolna celica tvojih staršev je vsebovala po en spolni kromosom. Po oploditvi, torej v trenutku nastanka zigote, sta ta dva spolna kromosoma določila tvoj spol.

Spolno vezano dedovanje S pomočjo različnih virov poišči primere bolezni, ki so posledica mutacij na spolnih kromosomih. Ugotovi pogostost pojavljanja teh bolezni pri moških in ženskah.

Naredim in razumem

Razišči, kolikšna je možnost, da se staršem rodi deček ali deklica.

Genski zapis za nekatere lastnosti se nahaja na spolnih kromosomih, pri čemer se moramo zavedati dejstva, da nekateri geni, ki se nahajajo na kromosomu X, nimajo homolognega dela na kromosomu Y.

Gen SRY se nahaja na krajšem delu kromosoma Y.

Spolna kromosoma X in Y v resnici nista povsem homologna. Kromosom Y nosi približno 100 genov, kromosom X pa približno 1500 do 2000 genov, kar pomeni, da določeni geni na kromosomu X nimajo ustreznega para na kromosomu Y, obstajajo pa tudi geni, ki so prisotni na kromosomu Y, vendar jih ne najdemo na kromosomu X. Tak je tudi gen SRY, ki uravnava razvoj mod, torej vpliva na razvoj moškega spola.

Mutacija, ki nastane na delu kromosoma X in nima homolognega dela na kromosomu Y, se vedno izrazi tudi kot fenotipska lastnost. Na tem delu kromosoma X se nahaja gen za barvni vid (če je ta gen mutiran, to povzroči barvno slepoto), gen za beljakovino, ki je potrebna za strjevanje krvi (mutacija se izrazi kot hemofilija), in gen za distrofin (če je ta gen mutiran, pride do Dušenove mišične distrofije). Ženske so večinoma le prenašalke mutacij genov na kromosomu X. Potomci lahko podedujejo okvarjen gen na spolnem kromosomu tako od matere kot od očeta, vendar se okvara oziroma bolezen večinoma izrazi le pri moških, pri ženskah pa le v primeru, če so homozigoti za okvarjen gen, tj. če podedujejo dva okvarjena alela.

barvna slepota – daltonizem; nezmožnost zaznavanja nekaterih (delna) ali vseh barv (popolna barvna slepota) hemofilija – motnja strjevanja krvi, kot posledica mutacije gena na kromosomu X, ki zapisuje beljakovino za strjevanje krvi ob poškodbah (kromosom Y nima homolognega gena); bolnik s hudo obliko hemofilije lahko izkrvavi tudi iz manjše rane Dušenova mišična distrofija – prirojena mišična bolezen; pojavi se slabljenje mišic, kar se kaže v obliki težav pri hoji, dihanju in delovanju srca ter kratki življenjski dobi

Testna slika za ugotavljanje barvne slepote Katero številko vidiš na sliki?

distrofin – beljakovina, ki povezuje citoskelet z zunajceličnim prostorom; ob pomanjkanju oslabijo mišice

49


Edward vojvoda Kentski (1767–1820)

Victoria princesa družin Saxe-Couburg (1786–1881) Victoria angleška kraljica (1819–1901)

Albert (1813–1861)

Victoria

Wilhelm II Nemški

Frederick Edward VII Alexandra Angleški

Sofija Grška

Alice Louis Heški

Irene

George V

princesa Ann

kraljica Elizabeta

Alix

Louise

Arthur

Helen

Leopold

Beatrice

Lady Ivy Rupert Albel Smith

Alfonso

princ Philip

princ princ Charles Andrew

Henry

Alfonso XIII Eugenie Leopold Maurice iz Španije

Alice iz Athlone

Nikolas II Ruski

Waldemar princ Henry Olga Tatiana Marie Anastasia Alexis Sigmund Pruski

George VI princesa Margareta

Henry Fred

Helena

Alfred

Gonzalo

Juan Carlos iz Španije

princ Edward

Rodovnik dedovanja hemofilije v družini angleške kraljice Viktorije

genotip H0 (h0) – alel H (h) se nahaja le na kromosomu X; ker na kromosomu Y ni homolognega alela, to označimo z 0

Eden najbolj znanih primerov dedovanja hemofilije je angleška kraljeva družina, v kateri so nekateri potomci kraljice Viktorije podedovali mutirani gen, ki se je nato prenesel v naslednje generacije in s porokami tudi v druge kraljeve družine. Mutirani gen, ki se nahaja na kromosomu X, se deduje recesivno (H – neokvarjeni gen, h – mutirani gen). Od njenih devetih otrok je za hemofilijo zbolel le sin Leopold (genotip h0). Na podlagi rodovnika, ki zajema več generacij in iz katerega je razvidno pojavljanje hemofilije, lahko sklepamo, da so bile kraljica Viktorija in še dve njeni hčeri le prenašalke bolezni (genotip Hh), vsi ostali potomci so bili zdravi (z genotipom HH ali H0). Preko vnukinj, ki so vse imele poleg zdravih otrok tudi sinove, ki so zboleli za hemofilijo, se je hemofilija prenesla v Rusijo, Španijo in Prusijo.

Dedovanje krvne skupine

Iskanje izgubljene osebe Predvidi, katero krvno skupino imajo lahko otroci staršev s krvnima skupinama: mama AB, oče 0. Kaj meniš o javnem objavljanju podatka o krvni skupini?

Na devetem kromosomu našega genoma se nahaja gen, ki določa krvno skupino po sistemu AB0. Gen obstaja v treh različicah: alel A, alel B in alel 0. Čeprav obstaja več različic enega gena, ima vsak od nas v telesnih celicah vedno le dva alela. Obstaja šest možnih kombinacij teh treh alelov, ki se izrazijo v obliki štirih fenotipov: tako poznamo pri sistemu AB0 krvne skupine A, B, AB ali 0. krvna skupina A

krvna skupina B

B0

A0 alel A alel B alel 0

kodominantna alela recesiven alel

Alela A in B sta dominantna alela, vendar se v primeru genotipa AB izrazita kot kombinacija obeh lastnosti, zato ju imenujemo tudi kodominantna alela.

50

A0

AB

B0

00


Aleli, ki določajo krvno skupino po sistemu AB0, vplivajo na tvorbo posebnih antigenov (glikoproteinov) na površini eritrocitov. Če prejmemo kri z antigeni na eritrocitih, ki jih v svojem dednem zapisu nimamo, pride do imunske reakcije in posledično do zlepljanja krvničk. Osebe s krvno skupino 0 na eritrocitih nimajo ne antigena A in ne B, zato veljajo za univerzalne krvodajalce. V primeru krvne skupine AB pa se izrazita obe podedovani lastnosti hkrati, torej imajo osebe na eritrocitih antigen A in B. Osebe s krvno skupino AB lahko prejmejo kri oseb vseh krvnih skupin, sami pa lahko darujejo kri le osebam s krvno skupino AB. 3.

antigeni – snovi, ki v telesu povzročijo imunski odziv, tvorbo protiteles glikoproteini – molekule, sestavljene iz beljakovine in ogljikovega hidrata

Dva ali več genov – ena lastnost

Znanstveniki so ugotovili, da posamezen gen le v redkih primerih nosi zapis za eno samo lastnost. Navodila za večino lastnosti so zapisana v obliki dveh ali več genov. Na telesno višino pri človeku vplivajo vsaj štirje različni geni, pri čemer za vsakega od teh genov obstaja več različic alelov, zato obstaja več vmesnih stanj, pri katerih je izražena ta fenotipska lastnost.

Primer položaja različnih alelov (označeni s piko) v človeškem genomu, ki določajo eno dedno lastnost.

Lastnosti, ki jih določa več genov, se dedujejo bolj zapleteno, kot tiste, ki jih določa le en gen. Aleli, ki se nahajajo na različnih kromosomih, se v procesu mejoze naključno razdelijo na novo nastale spolne celice in pri oploditvi ponovno naključno združijo v nove kombinacije. Vezano se lahko dedujejo le aleli, ki se nahajajo na istem kromosomu. Sedaj je morda lažje razumeti, od kod izvira genska raznolikost znotraj ene vrste (npr. med ljudmi), ki se kaže tudi v raznolikosti fenotipov. Primeri lastnosti, ki jih določa več genov, so tudi barva kože, oči in las.

4.

Vplivi okolja na izražanje dednih lastnosti

Na izražanje lastnosti imajo močan vpliv tudi različni dejavniki okolja. Znanstveniki ugotavljajo, da so vplivi okolja enako pomembni (v nekaterih primerih pa celo pomembnejši) pri izražanju fenotipskih lastnosti kot sam zapis v genih. Pri človeku se odvisno od dejavnikov okolja razvijejo fenotipske lastnosti, kot so telesna masa, barva kože in telesna višina.

51


melanin – temen pigment, ki daje človeku barvo kože, las in oči; obstaja v temnejši in svetlejši obliki, barva pa je odvisna od količine in vrste melanina; organizme ščiti pred vplivi UV-sevanja pigment – barvilo UV-sevanje – ultravijolično sevanje; sestavina sončne svetlobe, elektromagnetno valovanje, ki ima krajšo valovno dolžino od vidne svetlobe in ga zato ne moremo videti; ločimo tri območja sevanja: UV-A, UV-B in UV-C naravni izbor – glej stran 77

Barvo kože določajo najmanj trije geni. Vsak od teh genov ima najmanj dva alela, tako da je vsak odtenek barve kože določen s svojo kombinacijo alelov. Odkrili so, da obstaja gen, ki nadzoruje izgradnjo melanina; do danes so odkrili vsaj 75 različnih alelov tega gena. Vsi aleli so nastali z mutacijami. Genetske raziskave kažejo, da se je barva kože kot prilagoditev na spremembo podnebja v evoluciji človeka razvila več kot enkrat, zato je svetla polt Evropejcev malo drugačna od Japoncev, pri katerih na barvo kože vplivajo drugačne mutacije. Mnogi aleli motijo nastanek kožnega pigmenta melanina, kar je značilno za vse svetlopolte, rdečelase in pegaste osebe. Ob daljši izpostavljenosti sončni svetlobi (UV-sevanju) predvsem svetlopoltim ljudem koža potemni. To je prilagoditev, ki ščiti pred škodljivimi, pogosto rakotvornimi učinki UV-sevanja. Znanstveniki so odkrili tudi povezavo barve kože s potrebami človeškega telesa po vitaminu D. Tako imajo Inuiti (Eskimi) z Grenlandije temnejšo barvo kože, kot je sicer značilna za prebivalce severa, saj je njihova tradicionalna prehrana bogata z vitaminom D (ribe in tjulnji). Vsa odkritja kažejo na to, da so različne barve kože pri človeku rezultat evolucijskega razvoja, ki še vedno poteka pod vplivom naravnega izbora.

V genih ni natančnega navodila za izražanje mnogih lastnosti, obstaja le zapis za možnost pojava določene lastnosti v danem okolju. To pomeni, da podeduješ zapis za bolj splošno lastnost, npr. ali boš višje ali nižje postave. Na doseženo višino pa vpliva kakovost hrane matere med nosečnostjo in kakovost hrane v času tvoje rasti. Različni dejavniki okolja (npr. prisotnost hranilnih snovi) vplivajo na izražanje genov. Tako celice glede na signale iz okolja proizvedejo nekoliko več ali nekoliko manj beljakovin, za katere nosijo zapis na genih, ali pa se geni zaradi vplivov okolja sploh ne izrazijo. Prehrana matere vpliva na razvoj otroka vse od zigote naprej.

Diagnoza – genska napaka Kljub znanju in izpopolnjenim medicinskim pripomočkom večine prirojenih genskih napak še vedno ne moremo pozdraviti ali preprečiti. Znanstveniki intenzivno raziskujejo različne možnosti genskega zdravljenja, predvsem pa se trudijo predvideti možnost dedovanja oziroma prenosa prirojenih genskih napak na potomce. Na podlagi analize rodovnikov in genskih analiz posameznikom svetujejo način življenja, s katerim lahko zmanjšajo tveganje za razvoj ali poslabšanje določene dedne bolezni ali motnje.

52


Že v času nosečnosti skušajo z ultrazvokom in merjenjem nuhalne svetline ali z odvzemom vzorca plodovne vode (postopek se imenuje amniocenteza) ugotoviti, ali obstaja možnost, da se bo otrok rodil z določeno prirojeno dedno motnjo ali boleznijo. Pri materah, starejših od 35 let, opravijo amniocentezo, saj pri razvoju njihovega ploda obstaja večja verjetnost genskih napak. ultrazvočna sonda

igla z brizgalko

nuhalna svetlina – tekočina, ki v prvih treh mesecih nosečnosti zastaja v podkožju vratu ploda; nožnica meritev se opravi s pomočjo ultrazvoka in se uporablja za maternični vrat napovedovanje možnosti kromosomskih in drugih danka nepravilnosti zarodka

mehur

posteljica

maternica plodovnica

Postopek amniocenteze

Slika ultrazvoka ploda

amniocenteza – poseg, pri katerem se ob uporabi ultrazvoka in igle iz maternične votline odvzame vzorec plodovnice, v kateri plavajo celice, ki so se odluščile z otrokove kože in nosijo genski material otroka

Primeri dednih genskih motenj in bolezni, ki se dedujejo dominantno-recesivno Albinizem – značilna je odsotnost melanina v koži, laseh in očeh. Motnja se deduje recesivno.

Hiperholesterolemija – previsoka koncentracija holesterola v krvi. Holesterol potuje po krvi, vezan na beljakovini LDL in HDL. Preveč holesterola v krvi prispeva k ožanju krvnih žil in tako povečuje možnost nastanka bolezni srca in ožilja ter možnost srčnega infarkta pri otrocih. Deduje se dominantno. zdrava arterija

normalen pretok krvi

arterija z oblogami

Polidaktilija – deduje se dominantno.

Cistična fibroza – motnja v prenašanju ionov v celicah vrhnjice; v pljučih se nabira sluz, povečana možnost okužb in pogoste bolezni jeter, prebavil in žolčnika. Deduje se recesivno.

LDL – lipoprotein (molekula, sestavljena iz beljakovin in maščob) z nizko gostoto (angl. Low-Density Lipoprotein) HDL – lipoprotein (molekula, sestavljena iz beljakovin in maščob) z visoko gostoto (angl. High-Density Lipoprotein)

ioni klora

otežen pretok krvi

Anemija srpastih celic (spremenjena oblika eritrocitov) je pogosta med prebivalci tropske Afrike, saj so osebe imune na malarijo. Deduje se recesivno.

Postani genski svetovalec Predstavljaj si, da si genski svetovalec. Določi verjetnost dedovanja albinizma pri paru, če je mož albin in ženska normalno pigmentirana.

A

B

A normalno delujoč klorov kanalček B okvarjen kanalček, ki ne prepušča ionov klora

53


Naredim in razumem

Predstavljaj si, da se na podlagi analize rodovnika vaše družine izkaže, da imaš genske predispozicije, t. j. zapis v genih za nagnjenost oziroma dovzetnost za neko bolezen, npr. za raka na debelem črevesu. Na podlagi svojega znanja biologije predvidi načine, kako lahko zmanjšaš ali morda celo povsem izničiš tveganje za pojav te bolezni.

Kromosomske napake kariotip – informacija o številu in vrsti kromosomov, ki sestavljajo genom določene osebe kariogram – glej stran 40

Določene genske napake so posledica prevelikega ali premajhnega števila kromosomov v jedru celice. S pomočjo kariotipa lahko ugotovimo, ali ima določena oseba spremenjeno število kromosomov v jedru; tudi v tem primeru to trajno spremembo genskega materiala imenujemo mutacija. Mnoge kromosomske napake povzročijo odmrtje zarodka že v zgodnejših fazah razvoja, v nekaterih primerih pa se rodijo živi dojenčki, pri katerih se napaka izraža na razne načine. Ena najbolj znanih kromosomskih napak je trisomija 21. kromosoma ali Downov sindrom. Oseba z Downovim sindromom ima v jedru celic dodatno kopijo kromosoma 21, kar se večinoma izrazi v obliki motnje v duševnem razvoju in v značilnih obraznih potezah.

Deklica z Downovim sindromom in njen kariogram

1

2

7

6

Kariogram moškega s Klinefelterjevim sindromom

13 19

14

54

4

8

9

10

15

16

17

20

1

Kariogram ženske s Turnerjevim sindromom

3

21

2

7

8

9

13

14

15

16

19

20

12

11 18 X

3

21

5

22

6

4

10 17 22

Klinefelterjev sindrom imenujejo tudi XXY sindrom, saj gre za gensko napako, pri kateri ima moška oseba dodaten kromosom X, kar se fenotipsko izrazi v obliki majhnih mod in z zmanjšano plodnostjo. Y

5

11

12

18 X

Y

Vzrok Turnerjevega sindroma je odsotnost enega spolnega kromosoma, kar pomeni, da ima oseba v jedru telesnih celic le 45 kromosomov. Napaka se izraža v obliki različnih telesnih značilnosti, kot je nizka postava, otekanje, širok prsni koš, nizko postavljena ušesa in kožna guba na obeh straneh vratu, neplodnost ter nagnjenost k boleznim srca in ščitnice, težavam z vidom in sluhom.


Večina kromosomskih napak je posledica napake pri razporejanju kromosomov v procesu mejoze. Pri razporejanju kromosomov v ekvatorialno lego se na del kromosomov, kjer se nahaja zožitev, vežejo beljakovinske niti delitvenega vretena, ki sodelujejo tudi v nadaljevanju procesa mejoze. Niti delitvenega vretena pomagajo razdeliti podvojene kromosome in jih razporediti med hčerinske celice. Celice na različne načine nadzorujejo potek mejoze in odpravljajo napake. Če je potrebno, popravijo položaj niti ali kromosomov. Kljub vsemu pri razporejanju kromosomov občasno pride do napake.

Naredim in razumem

Razišči značilnosti (fenotipske lastnosti) oseb z Downovim sindromom.

Gensko svetovanje V primeru, ko bodoča starša sumita, da sta od svojih prednikov podedovala gensko napako, ki bi se lahko prenesla tudi na njune otroke, lahko obiščeta genskega svetovalca. Genski svetovalci pri svojem delu uporabljajo kariotipe, rodovnike in Punettove kvadrate. Na podlagi analize DNA lahko ugotovijo, ali sta starša prenašalca okvarjenega gena za določeno bolezen, in predvidijo možnost pojava genske napake pri potomcih. Sami rezultati so v pomoč tudi pri zgodnjem odkrivanju in načrtovanju zdravljenja bolezni.

DNA prstni odtis

Genom človeka je zelo velik, pri čemer se genom vsakega od nas nekoliko razlikuje od genoma drugih. Izjema so le enojajčni dvojčki, katerih genski zapis je identičen.

55


Molekularni biologi lahko z analizo DNA določijo genski profil osebe, kar si lahko predstavljaš kot DNA prstni odtis posameznika. Pri testiranju znanstveniki ne preverjajo tistih delov zaporedja nukleotidov, ki so pri vseh ljudeh enaki, ampak le odseke molekule DNA, za katere vedo, da se razlikujejo od človeka do človeka; to so deli nekodirajoče DNA. Vzorec DNA lahko pridobijo iz krvi, vzorca ustne sluznice, sperme, lasnega korena in drugih tkiv. Na podlagi genskega profila neke osebe lahko v sodni medicini določijo identiteto storilcev kaznivih dejanj, potrdijo ali ovržejo možnost, da je bila določena oseba prisotna na kraju zločina. Genski profil se uporablja tudi pri raziskovanju posmrtnih ostankov ter pri ugotavljanju očetovstva ter drugih sorodstvenih vezi med osebami.

Morda že veš … gelska elektroforeza – metoda, ki se uporablja v biokemiji in molekularni biologiji za ločevanje molekul DNA ali RNA glede na njihovo velikost (negativno nabite molekule nukleinskih kislin se v električnem polju premikajo proti pozitivni elektrodi skozi gel, pri čemer se krajše molekule premikajo hitreje in posledično pripotujejo dlje kot daljše molekule)

Strokovnjaki v laboratoriju iz vzorcev DNA pomnožijo posamezne dele DNA. Nato jih obarvajo s fluorescentnimi barvili ter jih s pomočjo gelske elektroforeze ločijo po velikosti. Rezultat vidijo in fotografirajo pod ultravijolično svetlobo ter primerjajo položaj črtic z znanim vzorcem. Vsaka črtica predstavlja skupek molekul z enako dolžino.

Primerjava DNA prstnega odtisa različnih oseb, ki so bile prisotne na kraju zločina.

Naredim in razumem

Verjetno poznaš različne postopke ločevanja snovi iz zmesi. Gelska elektroforeza te morda spominja na kromatografijo, postopek, s katerim iz zmesi ločiš različna barvila. Razišči, kako z gelsko elektroforezo lahko ločiš različna barvila iz zmesi, pri čemer si lahko pomagaš s pripomočki iz domačega gospodinjstva in z odpadno embalažo. Načrtuj poskus, uporabi svojo ustvarjalnost in inovativnost pri izdelavi pripomočkov ter postopek predstavi sošolcem.

Izdelava »genskega zemljevida«, nove možnosti zdravljenja in etika James D. Watson je nekoč izjavil: »Mislili smo, da je naša prihodnost zapisana v zvezdah. Zdaj vemo, da je v veliki meri zapisana v naših genih.« Danes se zavedamo, da človeka ne določajo le njegovi geni, ampak da je človeški organizem zelo zapleten živi sistem, v katerem so geni le del celotne slike.

56


Prve raziskave genoma so bile vezane na organizme, katerih genom je razmeroma majhen (npr. genom bakterije). Kasneje so raziskali genom še nekaterih drugih organizmov (npr. genom vinske mušice). Leta 1990 se je uradno pričel mednarodni javno financirani projekt Človeški genom, v okviru katerega so si zadali cilj določiti celotno zaporedje nukleotidnih parov haploidnega človeškega genoma. V projekt so se vključili laboratoriji iz različnih delov sveta. Do leta 2003 so prebrali celoten genom, ki ga sestavlja približno 3 milijarde nukleotidov, vendar za večino genoma še ne poznamo njegove funkcije. Domnevamo, da ga sestavlja približno 25.000 genov. Informacije, shranjene v bazi podatkov, omogočajo analizo teh podatkov in izdelavo »genskega zemljevida«. Ker je človeški genom preobsežen, da bi ga »brali« od začetka do konca, so ga odkrivali po odsekih. Korak do odkritja pomena in vloge čisto vseh genov pa je še zelo oddaljen, če ne skoraj nemogoč, saj je informacij in različnih povezav neizmerno veliko. V prihodnosti bo odkritje genoma omogočilo boljše razumevanje mnogih naravnih procesov, ki potekajo v živih sistemih, pri čemer so nadaljnje raziskave usmerjene v proučevanje medsebojnega vplivanja genov in njihovega izražanja v povezavi z dejavniki okolja.

3 milijarde nukleotidov je približno toliko črk, kot jih je v 1000 knjigah, od katerih ima vsaka po 1000 strani.

Morda že veš … James D. Watson je bil od leta 1989 do leta 1992 prvi direktor projekta Človeški genom. Maja 2007 mu je ameriško podjetje kot drugemu človeku na svetu prebralo genom.

Mnoga spoznanja so uporabna pri razvijanju metod genskega zdravljenja (terapije), s katerimi poskušajo zdraviti nekatere vrste genskih napak. V trenutku odkritja človeškega genoma so se pojavile dileme o varstvu podatkov in upoštevanju različnih etičnih meril v družbi. Možnost zdravljenja dedne bolezni, kot je npr. hemofilija, bi ljudje sprejeli z navdušenjem, toda tu se moramo vprašati, ali naj dovolimo stopiti tudi korak dlje in spodbujati raziskave, ki bi v prihodnosti ljudem omogočile, da bi svojim otrokom izbirali barvo oči, las, spol, krvno skupino in podobno? Srečujemo se tudi z zelo nasprotujočimi si mnenji o kloniranju človeka iz lastnih celic.

Več o kloniranju lahko prebereš na strani 70.

V množici novih spoznanj ne smemo pozabiti bistva, ki naj bi bilo vodilo biološke znanosti – to je boljše razumevanje življenja. Ali to vključuje spreminjanje dednega materiala živih bitij, torej tudi nas samih? Kje je meja in kdo lahko to mejo nadzoruje?

Nekatere raziskave kažejo, da se na spremenjene življenjske pogoje skušajo celice prilagoditi tudi s spreminjanjem svojega genoma. Barbara McClintock (1902–1992) je pri poskusih s koruzo prva odkrila premične elemente (imenovane tudi »skakajoči geni«), ki v stresnih pogojih preskočijo na druga mesta v genomu in se ob tem tudi večkrat podvojijo. Posledica tega je različno obarvano zrnje na posameznem koruznem storžu. Za svoje ugotovitve je McClintockova prejela Nobelovo nagrado. V primeru človeškega genoma naj bi kar 45 % jedrne DNA predstavljale mnoge kopije različnih premičnih genov, ki so se nakopičile tekom evolucije človeka.

57


Nova spoznanja in razvoj novega področja biologije Večina znanstvenikov proučuje dedovanje lastnosti, ki so zapisane v genih (alelih), nekateri med njimi pa že nekaj desetletij opozarjajo, da se lahko dedujejo tudi nekatere pridobljene lastnosti. Novejše raziskave dokazujejo, da lahko različni dejavniki okolja vplivajo na izražanje genov, vendar se pri metilna skupina tem zaporedje nukleotidov v molekuli DNA ne spremeni – ne pride do mutacije. Na molekulo DNA se na določenih odsekih vežejo določene vrste molekul (najpogosteje metilna skupina: CH3–), ki povzročijo »vklop« ali »izklop« prepisovanja posameznih genov; ta sprememba se lahko v nekaterih primerih tudi deduje. Zanimiv primer so enojajčni dvojčki, ki imajo povsem enak genotip, saj so nastali iz enega oplojenega jajčeca, a kljub temu niso povsem enaki. Na večino razlik med njimi vpliva okolje, v katerem odraščajo. Znanstveniki so ugotovili, da okolje vpliva na delovanje in izražanje genov v celicah. Zadnje raziskave so pokazale, da se lahko nekateri vplivi okolja prenesejo na potomce. Načine dedovanja pridobljenih lastnosti na potomce proučuje epigenetika. Znanstveniki skušajo povezati ugotovitve s področja genetike in epigenetike pri ugotavljanju vzrokov za razvoj raka, kar bi omogočilo zgodnejše odkrivanje in učinkovitejše zdravljenje te bolezni. Mutacije in izključitve ali vključitve enega ali več genov lahko vplivajo na delovanje celice, natančneje, na delitev celice. Posledica tega je nastanek rakavih tvorb.

Enojajčna dvojčka

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Razloži, zakaj je z zakonom prepovedano poročanje med sorodniki v 1. kolenu (med starši in otroci ter brati in sestrami)? 2. Pojasni, kateri dejavniki okolja vplivajo na barvo las, telesno maso in višino pri človeku. 3. Nekatere dedne lastnosti, kot je npr. rdeče-zelena barva slepota, so pogostejše pri moških kot ženskah. a) Utemelji, zakaj je tako. b) Predvidi genotip staršev, pri katerem ima ena od dveh hčera razvito rdeče-zeleno barvno slepoto, druga hči pa vidi barve normalno. c) Predvidi genotip staršev, katerih vsi sinovi imajo rdeče-zeleno barvno slepoto, vse hčerke pa so prenašalke (torej heterozigoti). 4. Pojasni, kakšne so lahko posledice napak pri podvajanju molekul DNA ali pri razporejanju kromosomov pri mitozi in mejozi. 5. Mlad par izve, da je imel ženin pradedek hemofilijo. Ker pričakujeta otroka, se odločita, da obiščeta genskega svetovalca. Pojasni, na podlagi česa lahko genski svetovalec napove možnost pojava bolezni pri njunem otroku. 6. Enojajčna dvojčka imata povsem enak genotip, vendar se vseeno njuna fenotipa nekoliko razlikujeta. Razloži, zakaj. 7. Dvojajčni dvojčici ugotovita, da se njuna krvna skupina razlikuje. Ena ima krvno skupino A in druga B. Predvidi vse možne genotipe za krvno skupino njunih staršev. Razmisli, kakšen genotip za krvno skupino bi lahko imela enojajčna dvojčka, če bi se rodila v tej družini? Dvojajčni dvojčici

58


5 BIOTEHNOLOGIJA


Priprava hrane v »domačem« laboratoriju Razmisli, kaj imajo skupnega spodnja živila.

kruh

pivo

Morda manjši namig: Kaj potrebujemo za proizvodnjo zgornjih živil? Med sestavinami so zagotovo voda, sladkor (sladkorje vsebuje ječmenov slad, ki ga potrebujemo pri proizvodnji piva; žličko sladkorja uporabimo tudi pri pripravi testa) in živa bitja, ki v ustreznih pogojih spremenijo ječmenov slad (za okus dodajo še hmelj) v pivo in krušno testo v rahel in prožen kruh. Sedaj verjetno že poznaš odgovor – ta živa bitja so glive kvasovke. Te za svoj obstoj potrebujejo vodo in hrano (sladkor). Pri pripravi kruha in piva kvasovke razgrajujejo sladkor brez prisotnosti kisika, pri čemer nastajata alkohol (etanol) in ogljikov dioksid, sprosti pa se tudi energija (v obliki toplote) – temu procesu zato pravimo alkoholno vrenje. Zagotovo veš, da pivo uvrščamo med alkoholne pijače.

Glive kvasovke (slika levo) se, ko kvasu dodamo sladkor (hrano), pričnejo zelo hitro razmnoževati (slika sredina); v drobne luknjice, zaradi katerih testo vzhaja (slika desno), se ujame plin ogljikov dioksid, ki se sprošča pri alkohonem vrenju.

Še drug primer: Kaj imajo skupnega spodnja živila?

kislo mleko

jogurt

skuta

Osnovno živilo, iz katerega jih pridobivamo, je mleko. Vendar, zakaj se mleko spremeni v tako različna živila? Ponovno je isti odgovor: zaradi prisotnosti mikroskopsko majhnih živih bitij, v tem primeru mlečnokislinskih bakterij (Streptococcus termophilus in Lactobacillus sp.). Pri mlečnokislinskem vrenju nastane mlečna kislina, ki povzroči koagulacijo kazeina (to je zakrknjenje prevladujoče beljakovine v mleku); pravimo tudi, da se mleko skisa.

60


Ljudje so že nekaj stoletij pred našim štetjem s pomočjo poskusov, napak, različnih izkušenj ter malo sreče odkrili, kako lahko v predelih s toplim podnebjem uspešno hranijo hitro kvarljiva živila. Med najstarejše postopke konzerviranja živil uvrščamo mlečnokislinsko in alkoholno vrenje ali fermentacijo. Takrat seveda še niso vedeli, da te procese v mleku in sokovih (pri pridobivanju alkoholnih pijač in kisa) povzročajo različni mikroorganizmi. Ko jim je uspelo dobiti napitek s prijetnim okusom, ki je ugodno vplival tudi na počutje, so začeli, predvsem pri mleku, postopek ponavljati in ga pospeševati tako, da so v sveže mleko primešali malo kislega mleka ali jogurta ter tako dobili enak izdelek.

Streptococcus thermophilus

V procesu vrenja se zaradi delovanja mikroorganizmov, ki delujejo brez prisotnosti kisika (anaerobni mikroorganizmi) in njihovih encimov, razgradijo organske spojine; pravimo, da dobimo fermentirane izdelke. Različne vrste mikroorganizmov nam v postopkih predelave mleka omogočajo pridobiti razne mlečne izdelke. Produkte različnih vrst vrenja danes uporabljajo v živilski industriji in farmaciji. Prisotnost določene vrste mikroorganizmov nadzorujejo tako, da uporabljajo različne tako imenovane začetne (starter) kulture, ki jih pod nadzorovanimi pogoji pripravijo v laboratorijih. Poleg bakterij, ki jih uporabljamo pri pripravi hrane, v naši okolici in tudi v nas samih živi ogromno bakterij, ki jih nujno potrebujemo za preživetje. Te bakterije nam pomagajo pri prebavljanju hranilnih snovi, obrambi našega telesa pred različnimi zunanjimi vplivi in podobno. Pri uporabi mikroorganizmov pa vsekakor ne smemo pozabiti, da je v nekaterih primerih delovanje mikroorganizmov nezaželeno ali celo škodljivo, saj povzročajo bolezni in kvarjenje živil. Posebej pozorni moramo biti na patogene mikroorganizme, ki povzročajo bolezni ljudi in živali, npr. vnetje mlečnih žlez, karies, škrlatinko, pljučnico, angino in druge bolezni.

Lactobacillus sp.

Morda že veš … da je francoski mikrobiolog in kemik Louis Pasteur (1822–1895) s poskusi dokazal, da vrenje povzročajo mikroorganizmi. Ugotovil je, da nekateri mikroorganizmi povzročijo kvarjenje fermentiranih izdelkov, in uvedel postopek, pri katerem živilo segrejemo do temperature približno 85 °C, kar ubije večino mikroorganizmov, prisotnih v živilu. Postopek po njem imenujemo pasterizacija. Raziskoval je tudi povzročitelje različnih nalezljivih bolezni in tako prvi razvil cepivo proti virusu stekline. Pri pripravi cepiva je uporabil biotehnološki postopek: virus je gojil v zajcih, ga oslabil s sušenjem in nato izoliral iz njihovega živčnega sistema.

Naredim in razumem

Zagotovo poznaš kefir; to je mlečni izdelek, ki so ga prvotno pripravljali na Kavkazu, danes pa je priljubljen tudi pri nas. Za pripravo potrebujemo posebne bele skupke, ki jim pravimo »zrna« oziroma »gobice« Ti skupki vsebujejo obe prej omenjeni vrsti mikroorganizmov, ki živita v sožitju: kvasovke, ki povzročajo alkoholno vrenje, in bakterije, ki povzročajo mlečnokislinsko vrenje. Načrtuj in v domači kuhinji izvedi poskus, s katerim bi lahko potrdil prisotnost obeh vrst mikroorganizmov pri pripravi napitka, ki bi bil podoben kefirju. Nasvet: Pri načrtovanju poskusa si lahko pomagaš z že preverjenim receptom za pripravo kislega mleka.

Kako bi vzgojili bakterije za najboljše kislo mleko? Razišči različne načine priprave kislega mleka in izmenjaj izkušnje s sošolci.

S pomočjo kefirjevih zrn (kupček na krožniku pred vrčem) lahko sami izdelamo napitek kefir.

61


Biotehnologija

umetni izbor – postopek izboljševanja lastnosti organizmov z izbiranjem in razmnoževanjem samo tistih predstavnikov, ki imajo želeno lastnost (nastanek novih pasem in sort)

Biotehnologija je interdisciplinarna veda in znanost, ki povezuje znanje naravoslovnih ved (npr. biologije, biokemije, mikrobiologije ipd.) s tehnološkimi znanji (npr. računalništvo, mehanika, farmacija, nanotehnologija ipd.). Pri biotehnoloških postopkih se uporabljajo živi organizmi, celice in njihovi deli za proizvodnjo človeku koristnih produktov, zato je praktično povezana z vsemi področji človekovega življenja. Beseda biotehnologija (gr. bios – življenje, teuchos – orodje, logos – proučevanje) je v uporabi šele od začetka 20. stoletja. Kljub temu lahko rečemo, da so se ljudje posluževali prvih biotehnoloških postopkov že pred 10.000 leti, ko so udomačili in s križanjem ter umetnim izborom vzgojili različne domače živali in rastline z želenimi značilnostmi.

Iz divjih sorodnikov bele gorjušice (gorčice) so s pomočjo križanj in umetnega izbora vzgojili različne vrste rastlin, ki jih uvrščamo med kapusnice. Izhodišče umetnega izbora je bila naravna genska raznolikost in načrtno izbiranje organizmov z bolj zaželenimi lastnostmi. Danes vemo, da se rastline na slikah ne razlikujejo le po videzu (fenotipskih lastnostih), ampak tudi po svojih genomih (genotipih). Gensko raznolikost gojenih organizmov je človek povečal tudi z ohranjanjem naključnih novih mutacij, ki se morda v naravi ne bi ohranile. Ugotovi, katere rastlinske organe različnih vrst kapusnic ljudje uporabljamo v prehrani.

ohrovt

nadzemna kolerabica

listnati ohrovt

kitajsko zelje

rdeče zelje

brokoli

divja gorjušica brstični ohrovt

repa

belo zelje

koleraba

cvetača

oljčna repica

Biotehnologi pri svojem delu:

•• vzgajajo in proučujejo organizme, ki imajo posebno telesno zgradbo, velikost •• ••

62

in/ali biokemijske lastnosti, s pomočjo različnih vrst organizmov pridobivajo različne snovi, ki jih človek uporablja v vsakdanjem življenju, na podlagi informacij o zgradbi molekule DNA, genoma in poznavanja mehanizmov dedovanja umetno spreminjajo genetski material organizmov ali celičnih in tkivnih kultur.


Področja uporabe biotehnologije Medicina, veterina in farmacija ••uporaba živih organizmov in celičnih kultur za pridobivanje bioloških zdravil ••gensko testiranje (diagnostika) in gensko zdravljenje (terapija) ••uporaba fermentiranih izdelkov v zdravstvene Gojišče mikroorganizmov namene ••sodna medicina (uporaba DNA prstnih odtisov, prepoznavanje oseb) Industrijska biotehnologija ••uporaba mikroorganizmov v živilski industriji (proizvodnja mlečnih izdelkov, piva, vina, kisa in izdelkov iz kvašenega testa) ••uporaba živih organizmov za proizvodnjo kemičnih snovi, encimov, materialov in biogoriv Fermentorji za Kmetijstvo ••vzgoja rastlin in živali z lastnostmi, ki koristijo človeku ••uporaba DNA-analiz pri načrtovanju razmnoževanja Varstvo okolja ••razvoj okolju prijazne tehnologije ••ekoremediacije ••raziskovanje posledic širjenja gensko spremenjenih organizmov

pridobivanje biogoriva iz rastlin na Saškem v Nemčiji

Mlaka, kamor se steka voda iz rastlinske čistilne naprave

biološka zdravila – zdravila (npr. antibiotiki, inzulin idr.), katerih zdravilna učinkovina je biološka snov (pogosto so to beljakovine), ki jih s posebnimi tehnikami izdelujejo s pomočjo različnih organizmov ali tkivnih kultur celične kulture – celice tkiv, ki jih v laboratoriju gojimo (razmnožujemo) izven živih organizmov (in vitro), pri čemer zagotovimo ustrezne pogoje in hranila gensko testiranje – analiza genskega zapisa z namenom odkrivanja dednih bolezni fermentor – bioreaktor; posoda za gojenje in razmnoževanje mikroorganizmov ter za pridobivanje njihovih proizvodov ekoremediacije – biotehnološke metode, ki omogočajo varstvo in čiščenje okolja (tal in voda) s pomočjo naravnih sistemov in procesov: s pomočjo rastlin (fitoremediacija) ali s pomočjo mikroorganizmov (bioremediacija), ki vežejo strupe ali druga onesnažila

Spreminjanje molekul DNA – genski inženiring Do sredine 20. stoletja je vzgoja živali in rastlin stremela k ohranjanju za človeka koristnih lastnosti z izborom in križanjem osebkov iste vrste z želenimi lastnostmi, ki so temeljile na naravni raznolikosti vrst. Odkritje kemijske zgradbe molekule DNA in njenih lastnosti, poznavanje zgradbe kromosomov in genov ter mehanizmov dedovanja in izražanja dednih lastnosti je skupaj z razvojem laboratorijske opreme omogočilo razmah sodobne biotehnologije. Področje biotehnologije, ki z različnimi postopki spreminjanja zaporedja nukleotidov v molekuli DNA in z vnosom tujih genov v genom (ki lahko izvirajo iz organizma iste vrste ali neke druge vrste), se imenuje genski inženiring.

63


Organizme, katerih genom je bil spremenjen z metodami genskega inženiringa, imenujemo gensko spremenjeni organizmi (GSO). Na ta način lahko vzgojimo organizme s točno določenimi lastnostmi, ki jih človek uporablja za zadovoljevanje svojih potreb, npr. bakterije, ki lahko proizvajajo različna zdravila, ali pa rastline, odporne na zajedavce ali celo na določene herbicide.

Potek vnosa tujega gena v celico A

Spreminjanje bakterijskega genoma

Nekatere vrste bakterij, ki jih najdemo v naravi, v določenih pogojih prenašajo dele genskega materiala iz ene celice v drugo. Te načine spreminjanja genoma si lahko predstavljamo kot »naravne metode« genskega inženiringa. Bakterije vključijo dele molekule DNA v svojo celico na tri načine:

•• Vključijo proste dele molekule DNA propadlih bakterij, ki jih najdejo v okolju. DNA bakterije prejemnice bakterija (prejemnica) bakterijska DNA bakterija (darovalka)

bakteriofag – vrsta virusa, ki se razmnožuje v bakterijah; znotraj zaščitnega ovoja vsebuje nukleinsko kislino

DNA bakterije darovalke

Na ta način se na žive bakterije lahko prenese tudi zapis za odpornost (rezistenco) na antibiotik.

•• S pomočjo bakteriofagov prejmejo del bakterijske DNA iz druge bakterije. pomnoževanje virusne DNA

virus (bakteriofag)

bakterija (darovalka)

virus vsebuje bakterijsko DNA

bakterija (prejemnica)

•• Dve bakteriji se v približata in povežeta, kar omogoča prenos kratkih krožnih

molekul DNA (plazmidov), ki se v nekaterih bakterijah nahajajo v citoplazmi poleg bakterijskega kromosoma (proces imenujemo konjugacija). bakterijska DNA

plazmid

64


Spreminjanje genoma bakterij in razvoj odpornosti na antibiotike Naravna sposobnost prenosa dela genske informacije med bakterijami znotraj populacije omogoča spreminjanje genotipa posamezne bakterije že v času njenega življenja. Bakterijska celica je dinamičen sistem, ki se lahko zelo hitro prilagaja razmeram v okolju, zato jih najdemo v prav vseh ekosistemih na svetu. V ekstremnih življenjskih pogojih, ki so lahko posledica človekovega delovanja (npr. prisotnost antibiotikov) ali naravnih vzrokov, se lahko zgodi, da propadejo skoraj vse bakterije. Ker so njihove populacije zelo številčne, obstaja velika verjetnost, da skoraj zagotovo preživi kakšna bakterija, ki ima nekoliko spremenjen genotip, kateri ji omogoča preživetje in razmnoževanje v novih pogojih. In tako se iz teh preživelih bakterij v kratkem času razvije populacija s spremenjenim genskim zapisom. Eden pomembnih zunanjih dejavnikov, ki vplivajo na preživetje bakterij, so antibiotiki, ki jih proizvajajo nekateri mikroorganizmi in jih v precej velikih količinah ljudje uporabljamo za zdravljenje bakterijskih okužb. Občasno se razvijejo bakterije, ki jim genski zapis omogoča preživetje v okolju, kjer je prisoten določen antibiotik; iz njih se razvije populacija bakterij, ki so odporne na ta antibiotik. Odpornost se lahko hitro razširi na celotno populacijo, ker se bakterije hitro delijo in ker lahko prejmejo del molekule DNA (genski zapis za odpornost) od drugih bakterij. Ljudje spreminjanja genotipov ne moremo videti, zato se pogosto zavemo posledic svojega vpliva na okolje z vnašanjem najrazličnejših snovi šele takrat, ko nam evolucija nekega organizma vrne udarec – to je, ko se soočimo s težavami, ki jih nismo predvideli.

Bakterije, naše sostanovalke Razišči, kje v našem telesu živijo bakterije in kakšna je njihova vloga.

Pojav odpornosti lahko zasledimo tudi med žuželkami. Na področjih, kjer uporabljajo določeno vrsto insekticidov (kemičnih sredstev za zatiranje žuželk) v velikih količinah, so se namreč pojavile žuželke, odporne na insekticide.

Čistilne naprave so primer »vroče točke«, kjer se srečujejo različne bakterije, ki se v naravi skoraj gotovo ne bi nikoli srečale in kjer si lahko izmenjajo gene za odpornost.

proizvodnja antibiotikov bolnišnice

industrija

masovna vzreja živali

klavnice

gospodinjstva čistilna naprava

poljedelstvo (gnojenje)

ribogojnice

viri pitne vode

reke

Čistilna naprava v Kočevju

prst

morje

65


Preventivni ukrepi proti širjenju odpornosti so danes osebni in družbeni izziv, ki je povezan z analizo stanja, spremembami človekove dejavnosti ter dodatnim tveganjem in finančno obremenitvijo družbe. Slika prikazuje petrijevki z gojiščema bakterij (Staphylococcus aureus). Beli krožec na sredini vsake petrijevke je prepojen z antibiotikom penicilinom. V levi petrijevki okoli antibiotika vidimo večjo površino brez bakterij, saj antibiotik zavira rast bakterij, ki so nanj občutljive. V desni petrijevki so se bakterije veliko bolj približale antibiotiku, ker gre očitno za primer populacije bakterij, ki že imajo razvit gen za odpornost na antibiotik penicilin. Primeri uporabe genskega inženiringa Za postopek spreminjanja molekul DNA morajo biti znanstveniki natančno seznanjeni z zgradbo molekule DNA in njenimi kemijskimi lastnostmi ter z ustrezno laboratorijsko opremo. Potrebno biološko znanje, metode genskega inženiringa in oprema se hitro in neprestano izpopolnjujejo. Med prvimi uspešnimi primeri uporabe postopkov genskega inženiringa so bili poskusi vključitve človeških genov v genom bakterij in gojenje bakterij z namenom pridobivanja človeških beljakovin za zdravljenje bolezni. Leta 1979 so tako razvili prvi dve beljakovini, ki se danes uporabljata po celem svetu: to sta, človeški inzulin, ki se uporablja pri zdravljenju sladkorne bolezni, in človeški rastni hormon, ki ga uporabljajo za preprečevanje pritlikavosti pri otrocih, ki jim omenjenega hormona primanjkuje.

človeška celica DNA

jedro

izrezovanje gena, ki nosi zapis za človeški inzulin

bakterijski kromosom

rast in razmnoževanje bakterij v fermentorju; vsaka bakterija nosi kopijo vstavljenega gena in lahko proizvaja človeški inzulin

vstavitev človeškega gena v bakterijski plazmid

izolacija plazmida (kratke krožne molekule DNA) iz bakterijske celice in rezanje DNA s pomočjo encimov

vstavitev gensko spremenjenega plazmida v bakterijsko celico

inzulin

plazmid

bakterija (Escherichia coli)

izolacija človeškega inzulina

Primer genskega spreminjanja bakterijske celice z vstavljanjem človeškega gena za inzulin

Pred uvedbo postopkov za proizvodnjo človeškega inzulina s pomočjo gensko spremenjenih bakterij ali gliv kvasovk so inzulin pridobivali iz trebušnih slinavk živali. Z genskim inženiringom se dandanes pridobiva mnogo različnih cepiv (npr. cepivo za zaščito pred okužbo s hepatitisom B in C ter kolero), zdravil (npr. biološka zdravila za zdravljenje raka, Chronove bolezni, okužb z virusom HIV in zdravljenje hemofilije) in hormonov (npr. hormon za spodbujanje rasti hrustanca v primeru obrabe hrustanca v sklepih), ki jih uporabljamo za zaščito ali za zdravljenje različnih bolezni.

66


Naredim in razumem

Prvi korak, ki znanstvenikom omogoča raziskovanje in spreminjanje genskega zapisa, je izolacija molekule DNA. S pomočjo različnih virov razišči, kako bi lahko na enostaven način izolirali molekule DNA (skupaj z beljakovinami, s katerimi se povezujejo v dvojno vijačnico) iz različnih vrst sadja ali zelenjave. Načrtuj in izvedi preprost poskus, ki ga lahko izpelješ v domači kuhinji ali v šolskem laboratoriju. Posamezne stopnje izolacije molekul DNA fotografiraj, zapiši ugotovitve in pripravi predstavitev za svoje sošolce.

B

Spreminjanje genoma rastlin

Biotehnologija je vključena v proizvodnjo hrane na različne načine. Mnogi znanstveniki razvijajo možnosti, s katerimi bi povečali pridelek z vzgojo rastlin, ki bi bile odporne na različne povzročitelje bolezni, žuželke (»škodljivce«), mraz, sušo, močvirna tla, zasoljena tla (posledica namakanja) ali celo na herbicide (kemične snovi, s katerimi poljedelci zatirajo plevele). V genomu rastline, ki je na primer odporna na sušo, poiščejo gen, ki nosi zapis za odpornost, ga izrežejo ter nato prenesejo in vgradijo v genom druge rastline.

Primeri gensko spremenjenih rastlin

Soja je danes ena najpogostejših gensko spremenjenih rastlin na svetu. Vzgojili so sojo, odporno na herbicide in na žuželke, ki jo napadajo. Iz soje pridobivajo tudi sojin lecitin, ki se nahaja v številnih živilih. Ker je lecitin beljakovina in ne vsebuje genov, je lecitin iz navadne in gensko spremenjene soje povsem enak.

Pridelek bombaža zmanjšujejo nekatere vrste žuželk, zato so v njegov genom vstavili gen iz bakterije, zaradi katerega rastline bombaža proizvajajo snov (Bt toksin), ki je strupena za ličinke metuljev in vešč ter hroščke bombaževega rilčkarja, ki objedajo posamezne dele rastlin.

Koruza je druga najpogosteje gensko spremenjena poljščina na svetu, pri kateri so podobno kot pri bombažu, tj. z vstavljanjem bakterijskega gena, dosegli, da rastline same proizvajajo Bt toksin in tako zaščitijo vse dele rastline pred objedanjem ličink koruzne vešče in drugih žuželk. Gensko spremenjene Bt-koruze ni potrebno škropiti z insekticidi, zato je manj strupena kot običajno pridelana koruza.

67


Bt toksin – strup, ki ga proizvajajo bakterije, imenovane Bacillus thuringiensis; škodljivo deluje samo na žuželke, nima pa strupenih učinkov na sesalce. Ta strup, pridobljen iz bakterij, uporabljajo kot insekticid tudi v ekološkem kmetijstvu.

Pri genskem spreminjanju krompirja so vzgojili rastline, v katerih nastaja Bt toksin; ta je strupen za ličinke in odrasle živali koloradskega hrošča, ki je sicer že razvil odpornost (rezistenco) na večino klasičnih insekticidov (kemičnih snovi za zatiranje žuželk).

C

Na podlagi ugotovitve, da v prehrani mnogih ljudi primanjkuje vitamina A (mnogo otrok jugovzhodne Azije je zaradi pomanjkanja vitamina A oslepelo), je skupini znanstvenikov uspelo vzgojiti zlati riž, ki vsebuje večje količine beta-karotena, ki se v telesu pretvori v vitamin A.

Spreminjanje genoma živali

Genom živalskih celic spreminjamo na podobne načine kot pri rastlinah. Ker so mnoge jajčne celice razmeroma velike, lahko prenesemo spremenjeno molekulo DNA direktno v njihovo jedro z uporabo mikro-igle in brizge (mikroinjiciranje).

Primer vnosa molekul DNA v jajčno celico z mikro-iglo. Postopek bo morda v prihodnosti omogočil rojevanje otrok brez dednih genskih napak, čeprav obstajajo tudi omejitve; znanstveniki namreč še vedno ne poznajo vseh dejavnikov, ki igrajo pomembno vlogo pri razvoju zarodka. Po drugi strani pa poskuse s človeškimi zarodki omejujejo etični zadržki in zakonodaja.

Primer gensko spremenjene živali Z genskim inženiringom so vzgojili večje losose.

68


Možnosti zdravljenja z gensko spremenjenimi in matičnimi celicami Nove metode zdravljenja nekaterih bolezni, ki jih znanstveniki šele razvijajo, vključujejo gensko terapijo ali gensko zdravljenje. V okviru genskega zdravljenja iščejo metode, kako bi lahko okvarjeni gen (alel) zamenjali s pravilno delujočim genom (alelom). Pravilno delujoči alel bi omogočil, da bi celice začele izdelovati ustrezne snovi, ki bi omilile ali izničile pojavljanje bolezenskih znakov. Danes že potekajo raziskave o uporabi genskega zdravljenja za zdravljenje dednih bolezni (npr. cistična fibroza), bolezni srca in ožilja, rakavih obolenj, bolezni imunske pomanjkljivosti, težav pri presnovi maščob in neplodnosti zaradi genskih napak. Znanstveniki morajo najti odgovore na še veliko odprtih vprašanj, preden bo neka metoda zdravljenja postala splošno uporabna. Najti je treba najučinkovitejši način odstranjevanja okvarjenih in vstavljanja pravilno delujočih genov. Pri tem se mora preveriti, ali se je vključitev v genom izvedla uspešno in ali se vstavljeni gen pravilno izraža. Pri vsakem posegu v genom obstaja možnost, da sprožimo izražanje t. i. »spečih genov«, ki lahko povzročijo npr. raka ali kako drugo bolezen. Znanstveniki želijo doseči trajne učinke genskega zdravljenja, kar lahko uresničijo z vnosom pravilno delujočega gena v tiste celice, ki se delijo vse življenje – to so matične celice. Matične celice so nediferencirane celice, ki jih najdemo v zarodku, v majhnem številu pa tudi v različnih tkivih in organih odrasle osebe. Nahajajo se tudi v popkovnici in v popkovnični krvi, v kostnem mozgu in pulpi mlečnih in modrostnih zob ter v številnih tkivih telesa, kjer opravljajo pomembno vlogo pri obnovi tkiv. V določenem obdobju razvoja osebka se posamezne matične celice usmerijo (se specializirajo) in se razvijejo v točno določen tip celic, ki v tkivu opravljajo določeno nalogo (se diferencirajo). Ko celica doseže končno obliko, ki omogoča opravljanje specifičnih nalog, se ne more več spremeniti v nobeno drugo obliko. Kostna celica npr. takrat ne more več postati mišična celica in obratno. Oba tipa celic določenega organizma imata enak genotip, vendar se zaradi izražanja različnih genov v celicah razvije različen fenotip.

Matične celice najdemo tudi v rastlinah, in sicer v meristemih, to je delih, kjer rastlina raste. Tam najdemo tkivo, ki ga sestavljajo nediferencirane celice.

Morda že veš … da različna podjetja omogočajo shranjevanje matičnih celic v zasebnih ali javnih bankah matičnih celic. Najenostavnejši je odvzem matičnih celic, ki se nahajajo v popkovnici ali popkovnični krvi; postopek shranjevanja se izvede takoj po rojstvu. Novejše raziskave odkrivajo vedno nove možnosti uporabe tudi drugih vrst matičnih celic v telesu, čeprav obstajajo omejitve, v katere vrste tkiv se lahko razvijejo. Presajena tkiva, vzgojena iz lastnih matičnih celic, telo ne zavrne, kot se to lahko zgodi ob uporabi celic drugega darovalca. V okviru raziskav so iz matičnih celic pod nadzorovanimi pogoji uspeli vzgojiti tudi cel telesni organ (sečni mehur), dele telesnih organov (srčne zaklopke, dele žil, sečevode), različne vrste tkiv (kožo, hrustančno, kostno, mišično in maščobno tkivo), celice (krvne in živčne celice, celice trebušne slinavke) ter celo zob ipd.

69


Naredim in razumem

Razišči, kakšne so možnosti shranjevanja matičnih celic v Sloveniji. S sošolci si izmenjaj mnenja za in proti shranjevanju matičnih celic.

Kloniranje Na kaj pomisliš ob besedah »klon« in »kloniranje«? Morda je tudi tebi že uspel preprost postopek kloniranja rastline iz odlomljenega dela rastline, ki se ti je ukoreninil v kozarcu z vodo (potaknjenec); nova rastlina, ki morda še vedno raste v tvoji bližini, je klon (gr. klon – vejica, poganjek). Torej, kaj je kloniranje? Klon je posamezen osebek v populaciji, ki je gensko povsem enak (identičen) celicam starševskega organizma, iz katerih se je razvil. Vsako nespolno razmnoževanje je tudi kloniranje. Izraz kloniranje pa uporabljamo tudi za umeten postopek nespolnega razmnoževanja, pri katerem dobimo organizem (celico ali molekulo DNA), ki je genetsko enak (identičen) izvornemu organizmu (celici ali molekuli DNA). Kolonijo klonov ene bakterije ali katerega drugega mikroorganizma lahko razmeroma hitro vzgojimo, vzgoja klonov večceličnih organizmov, predvsem živali, pa ni tako preprosta. Ovca Dolly je bila leta 1997 prvi sesalec, ki so ga klonirali iz celic odraslega organizma. Rastline, za razliko od živali, kloniramo več sto let.

Ovca Dolly in njen prvi potomec Bonnie

70


Potek kloniranja ovce Dolly darovalka jajčne celice: odrasla ovca s temno glavo

darovalka telesne celice: odrasla ovca bele barve

odstranitev jedra iz jajčne celice

celice mlečnih žlez

Jedro telesne celice so vnesli v izpraznjeno jajčno celico in jo s pomočjo električnih impulzov spodbudili, da se je začela deliti.

Po združitvi celic se je začela celična delitev. Skupek celic so vstavili v maternico nadomestne samice.

Zarodek se je normalno razvijal in skotilo se je belo jagnje – Dolly.

Kljub uspehu znanstvenikov, ki so doslej klonirali že različne vrste živali, se moramo zavedati, da kloniranje odraslih živali (pri čemer uporabimo jedro telesne celice) v resnici spremlja zelo veliko neuspelih poskusov, preden uspejo vzgojiti živega potomca. Tako je bila ovca Dolly eden od 277 kloniranih zarodkov ovce, vendar se je razvoj uspešno nadaljeval le pri njej. Živela je šest let, kar je v primerjavi z običajno starostjo ovce skoraj trikrat manj.

Leta 2001 se je skotila domača mačka z imenom CopyCat (CC), prvi kloniran domači ljubljenček. Darovalka genetskega materiala je bila mačka Rainbow. Če natančno pogledaš sliki, lahko ugotoviš, da se razlikujeta v barvi dlake, čeprav imata identičen genotip. Gen, ki določa barvo dlake, se pri mačkah nahaja na kromosomu X. Obe živali sta samici. Od kod razlika? Znanstveniki so ugotovili, da je prišlo do »izklopa« enega X kromosoma, torej tudi enega gena za barvo dlake v celicah CC, kar se pogosto dogaja pri razmnoževanju sesalcev. Gre za proces, ki ga proučujejo v okviru epigenetike.

Iz neznanih razlogov se pojavlja zelo visoka smrtnost kloniranih zarodkov in osebkov kmalu po skotitvi. Več kot 65 % zigot se ne razvije niti do stopnje skupka stotih celic. Uspeh procesa kloniranja je 0,1 %–3 %. Potomci so ob skotitvi večji od tistih, ki se razvijejo po oploditvi jajčeca in semenčice, imajo povečane organe in oslabljen imunski sistem, kar povzroči zgodnjo smrtnost.

71


»Spreminjati ali ne spreminjati genom, to je zdaj vprašanje.« Spreminjanje genetskega materiala poteka v okviru genskega inženiringa veliko hitreje in na drugačen način, kot bi potekalo v naravnem okolju ali s klasičnimi biotehnološkimi metodami izboljševanja lastnosti organizmov (z umetnim izborom in križanjem). Določene spremembe genomov se po naravni poti verjetno ne bi nikoli zgodile; gre predvsem za primere prenašanja genov med različnimi vrstami oziroma celo med predstavniki različnih kraljestev (npr. prenos človeških genov v bakterijski genom ali delov bakterijske DNA v genom rastlinskih celic). Zagotovo je pogled na uporabo gensko spremenjenih in kloniranih organizmov odvisen od mnenja posameznika. Na podlagi znanja, zdravstvenega stanja, poklicne usmerjenosti, vere in količine denarja lahko vsak oblikuje svoje mnenje o prednostih in slabostih posameznih biotehnoloških postopkov.

Naredim in razumem

S sošolci pripravi okroglo mizo, na kateri si boste izmenjali mnenja o uporabi genskega inženiringa. Pri oblikovanju svojega mnenja o uporabi gensko spremenjenih in kloniranih organizmov skušaj odgovoriti na naslednja vprašanja: ••Kakšen je namen uporabe? ••Kakšen je vpliv na zdravje? ••Kakšen je vpliv na ekosistem? ••Ali obstajajo kakšni etični in socialni zadržki? ••Ali obstaja ustrezen nadzor uporabe? Skupne povzetke ugotovitev in argumente ZA in PROTI uporabi genskega inženiringa predstavite v obliki plakata.

Splošno javno mnenje prebivalcev Evropske skupnosti ni naklonjeno uporabi GSO, kar je verjetno posledica strahu pred neznanim in novim. Odnos javnosti do GSO je pod močnim vplivom medijev. Vprašati se moramo, ali je vse, kar slišimo in preberemo, tudi res. Številne, tudi neodvisne raziskave so pokazale, da gensko spremenjene rastline nimajo posledic za zdravje, nekateri raziskovalci pa s poskusi, ki jih še niso znanstveno preverili, skušajo prikazati negativne posledice gensko spremenjenih organizmov na zdravje ljudi in na biotsko raznolikost; tako pogosto neutemeljeno strašijo ljudi, ki biotehnologije ne poznajo dovolj dobro. Človek je s križanjem in umetnim izborom vzgojil banane, ki nimajo razvitih semen, zato jih lahko razmnožuje le na nespolni način; torej so vse rastline, katerih plodove lahko kupiš v trgovini, kloni. Tudi velika večina sadnega drevja se vzgaja s kloniranjem.

72

Zagovorniki uporabe GSO v kmetijstvu poudarjajo, da ti organizmi omogočajo večji pridelek ob manjši uporabi pesticidov. Nekateri so mnenja, da številnih vrst rastlin, ki jih gojimo za prehrano, brez vnosa genov za odpornost na viruse, žuželke in herbicide ali brez kloniranja (npr. banane) ne bi bilo več na naših krožnikih. S spreminjanjem genoma določenih poljščin so uspeli vzgojiti sorte, ki uspevajo v ekstremnih razmerah, kot so vročina, suša, mraz, zakisana ali zasoljena tla in tla s prisotnostjo težkih kovin. Tako bi lahko marsikje močno povečali količino pridelane hrane (npr. riža, pšenice ipd.). Navdušenci zagovarjajo uporabo GSO tudi zaradi lažjega skladiščenja in transporta do končnih porabnikov ter zaradi višje kakovosti hrane, saj so v nekaterih primerih organizmom z genskim inženiringom spremenili vsebnost hranilnih snovi.


Na tem mestu si lahko postaviš vprašanje, kakšna bi bila tvoja reakcija, če se bodo na tvojem krožniku nekoč pojavili človeški geni. Zagotovo si mnogi ne predstavljajo življenja brez dosežkov uporabe GSO, ki jih uporabljamo za pridobivanje zdravil (npr. inzulin) ter za genski inženiring pri zdravljenju in preprečevanju dednih bolezni ali za druge terapevtske namene. S pomočjo gensko spremenjenih mikroorganizmov je izdelava mnogih zdravil veliko enostavnejša, cenejša in poteka pod strogo nadzorovanimi pogoji, kar preprečuje okužbe z virusi, ki se pogosto nahajajo v organih živali. Veliko več etičnih zadržkov se pojavi ob uporabi človeških genov, matičnih celic in človeških klonov v raziskovalne namene, katerih cilj bi bil »žlahtnjenje« človeka in izboljševanje njegovih sposobnosti ter vzgoja »novih« bitij (npr. zarodkov, ki vsebujejo mešanico kromosomov človeka in živali). Torej, kje so meje?

Gene jemo vsak dan, ne samo z uživanjem gensko spremenjenih organizmov, saj jih vsebujejo vse živalske in rastlinske celice in torej tudi zelenjava in meso na našem krožniku. V prebavnem traktu se geni razgradijo in ne morejo biti škodljivi. Geni se ne prenašajo preko prebavnega trakta, zato spremenjenih genov ni ne v mleku, ne v mlečnih izdelkih krav, ki bi jedle gensko spremenjeno krmo.

Naredim in razumem

Če imaš na razpolago dovolj denarja, si lahko omisliš kopijo svojega poginulega hišnega ljubljenčka, vendar ne pričakuj, da bo povsem enak prvemu. Razmisli, zakaj. Ali meniš, da bi lahko z genskim inženiringom ohranili ogrožene vrste ali pa ponovno »oživili« izumrle vrste? Utemelji, kje so omejitve med teorijo in prakso.

Mnogi kmetijski strokovnjaki in kmetje nasprotujejo uporabi gensko spremenjenih organizmov (GSO) in skušajo zbrati dokaze o negativnih posledicah uporabe gensko spremenjenih organizmov. Raziskujejo:

•• potencialno nevarnost prenosa genov v druge rastline, čeprav je prenos genov •• •• ••

iz enega organizma v drug organizem brez razmnoževanja zelo redek; širjenje gensko spremenjenih organizmov s polj v naravno okolje z raznašanjem semen ali prenosom njihovega peloda na gensko nespremenjene rastline iste vrste v bližnji okolici; potencialno nevarnost za zdravje (strupenost, alergenost), zaradi česar morajo biti vsi gensko spremenjeni organizmi pred prodajo na trgu zelo natančno preverjeni; nevarnost nenačrtovane strupenosti gensko spremenjenih rastlin za določene skupine organizmov. Če je npr. neka rastlina zaradi genske spremembe strupena za nekatere zajedavce, je lahko hkrati strupena tudi za nekatere koristne žuželke (npr. čebele in druge opraševalce). Tudi to se preverja pred dajanjem novih gensko spremenjenih organizmov v javno rabo.

73


Zakon o ravnanju z gensko spremenjenimi organizmi Zaradi zagotavljanja biološke varnosti je bil leta 2002 v Sloveniji sprejet Zakon o ravnanju z gensko spremenjenimi organizmi, ki ureja ravnanje z GSO in navaja ukrepe za preprečevanje in zmanjšanje možnih vplivov na okolje, biotsko raznovrstnost in zdravje ljudi. V Sloveniji se GSO nahajajo predvsem v zaprtih sistemih, v laboratorijih in v manjši meri v proizvodnih obratih. Po podatkih Slovenskega portala biološke varnosti konec leta 2011 poskusov na poljih in pridelave GSO v Sloveniji še ni bilo. Zaradi dovoljenja uvoza in predelave določenih gensko spremenjenih organizmov v Evropski uniji se lahko GSO nahajajo v hrani, krmi ali drugih izdelkih (npr. okrasne rastline). Če vsebnost gensko spremenjene sestavine v hrani predstavlja več kot 0,9 odstotka, je to po slovenski in evropski zakonodaji potrebno posebej označiti.

Vsak gensko spremenjeni organizem mora iti skozi zelo strog nadzor.

bioinformatika – interdisciplinarna veda, ki povezuje znanje biologije, kemije, biokemije, fizike, genetike, matematike, statistike, računalništva in informatike ter z uporabo različnih tehnik omogoča primerno obdelavo in analizo podatkov o bioloških procesih, zgradbi genoma ter o poteku evolucije sistemska biologija – interdisciplinarna veda, ki omogoča razumevanje dinamike in povezovanja procesov različnih nivojev živih sistemov ter razumevanje delovanja organizmov

Genski inženiring se razvija zelo hitro, predvsem zaradi odkritja genoma različnih vrst živih bitij ter zaradi razvoja številnih novih interdisciplinarnih področij (npr. bioinformatika, sistemska biologija ipd.). Kljub temu se znanstveniki srečujejo z različnimi etičnimi, socialnimi, materialnimi, zakonskimi in z biološkimi omejitvami, ki so posledica še neodkritih povezav in delovanja živih sistemov.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Opiši tri primere uporabe biotehnoloških postopkov na različnih področjih človekovega življenja. Razmisli tudi, katere dobrine, pridobljene s pomočjo biotehnoloških postopkov, uporabljaš v vsakdanjem življenju. 2. Opiši primer pojava odpornosti pri neki vrsti organizmov. Pojasni vzroke za pojav odpornosti in predlagaj ukrepe, ki bi preprečili nadaljnje širjenje odpornosti. 3. V čem se razlikuje vzgoja rastlin in živali z umetnim izborom od vzgoje z uporabo genskega inženiringa in kloniranja? Kje se lahko pojavijo etične dileme in kakšen je lahko vpliv na naravno okolje? 4. Na konkretnih primerih razloži, kako lahko človek z uporabo biotehnoloških postopkov varuje vodo, zrak in tla. 5. Razloži, kje v človeškem telesu se nahajajo matične celice ter kakšen je pomen shranjevanja matičnih celic. 6. Soseda na polju goji krompir. Nekega dne ji sin, ko pride iz šole, reče, da na njihovem polju raste ogromno klonov krompirja. Zgrožena prihiti k tebi in te prosi za pojasnilo. Kaj ji odgovoriš?

74


6 EVOLUCIJA


Nastanek in razvoj življenja na Zemlji – uganka narave Ali se kdaj vprašaš, kako je nastalo prvo življenje na Zemlji? Razgibano površje našega planeta nudi množico različnih življenjskih prostorov. Poseljujejo jih milijoni vrst organizmov najrazličnejših oblik in velikosti, vključno s človekom. Vprašanja, od kod izvirajo živa bitja, na kakšen način so si v sorodu in kaj je vzrok veliki raznolikosti, že stoletja predstavljajo veliko uganko za vse raziskovalce, filozofe in opazovalce narave. Biološka znanost že dolgo ni le opazovanje in zbiranje dokazov o živem, ampak temelji na povezovanju znanja in logičnem sklepanju pri iskanju odgovorov na vprašanja, pri čemer vsak odgovor odpira vedno nova vprašanja. Naravni zakoni delujejo tudi na področjih, ki jih ne moremo opazovati na preprost način (npr. atomska zgradba) ali pa zanje nimamo neposrednih ali popolnih dokazov (npr. nastanek in razvoj življenja na Zemlji). Kljub temu njihovo poznavanje predstavlja ključ do razumevanja naravnih pojavov, med katere nedvomno sodita tudi nastanek in razvoj (evolucija) življenja na Zemlji.

Zemlja, modri planet – zibelka življenja

Nekoč se je izpod peresa Frana Milčinskega – Ježka na papir zlila»mala zgodbica o pomembnih stvareh« z naslovom Mama morje. Preberi odlomek in razmisli, na kateri domnevi o nastanku življenja na Zemlji temelji. »Na začetku je bila samo voda. Mrtva voda, jalovo morje. Ko pa je pretekel čas in čas in čas, se je napletlo tako, da je Morje postalo mati. Rodilo je otroka. Je že res, bil je majhen in nebogljen ta otročaj. Ampak vendarle, bil je živ. Zatorej mu je mama Morje namenila prelepo ime: Življenje. Potlej je mama Morje pestovala tega svojega otročaja, pestovala ga je in ujčkala v mehki zibki svoje srčne krvi. Otroče pa je raslo in raslo … Ko pa je odraslo, se je postavilo na svoje noge; saj otroci vsi takisto store. Postavilo se je Življenje na svoje noge in na kopno namerilo korak. Kdo ve, zakaj ga je neznana sila gnala z mehkih steza morskih tokov na te trde kamnite poti. Kdo ve, zakaj? …«

76


Evolucija – razvoj življenja

Iz kolesa zgodovine … Že nekateri starogrški filozofi so opazili, da se življenje spreminja oziroma razvija, vendar se v tistem času niso vsi strinjali z njihovim mnenjem. Do začetka 18. stoletja so mnoga nova spoznanja obogatila znanje o naravnih zakonitostih. Najdeni so bili tudi mnogi fosilni ostanki, na podlagi katerih so predvidevali, da gre za izumrle vrste, ki so nekoč poseljevale planet. Jean Baptiste Lamarck (1744–1829) je leta 1809 prvi objavil ugotovitev, da lahko na podlagi zaporedja fosilov različnih vrst organizmov razložimo trditev, da se vrste postopno spreminjajo skozi daljša časovna obdobja. Pri tem pa je še vedno ostalo nerešeno vprašanje, na kakšen način se vrste organizmov spreminjajo. Prvo razlago, podprto z velikim številom različnih dokazov, je leta 1859 objavil britanski naravoslovec Charles Darwin (1809–1882) v svoji knjigi O nastanku vrst z naravnim izborom. Njegovi glavni ugotovitvi sta bili, da so vse oblike življenja nastale iz skupnega prednika, pri čemer so se podedovane lastnosti postopno spreminjale, in da je vzrok postopnega spreminjanja naravni izbor. Skoraj istočasno je razvil teorijo o naravnem izboru tudi britanski naravoslovec (in začetnik biogeografije) Alfred Russel Wallace (1823–1913).

Jean Baptiste Lamarck

Charles Darwin

fosili – ostanki odmrlih rastlin in živali, ki so živeli v različnih geoloških obdobjih (lat. fossilis – izkopan) naravni izbor – proces, s katerim iz generacije v generacijo postajajo pogostejše tiste dedne lastnosti (različice genov) organizmov, ki jim omogočajo večjo možnost preživetja in razmnoževanja; naravni izbor omogoča nastanek novih vrst

Alfred Russel Wallace

Razlago nastanka vrst s postopnim kopičenjem sprememb v populacijah različnih vrst živih bitij skozi čas, ki temelji na Darwinovi evolucijski teoriji in po kateri potomci te spremembe podedujejo od svojih prednikov, danes imenujemo evolucijska ali razvojna teorija. Darwinova teorija je pomembno vplivala na spremembo razmišljanja biologov o živem. Med sodobnimi evolucijskimi biologi še danes vlada globoko spoštovanje do Darwinovih odkritij, seveda pa so sedaj na voljo spoznanja in raziskovalne metode, ki jih Darwin še ni poznal, npr. primerjava zgradbe molekul DNA in zaporedij aminokislin v beljakovinah ter proučevanje načinov dedovanja. Evolucija je dolgotrajen in postopen proces spreminjanja skozi mnogo generacij. Evolucijske procese v različnih geoloških obdobjih Zemlje lahko raziskujemo tako s pomočjo okamnelih ostankov izumrlih organizmov, kot tudi s proučevanjem danes živečih skupin organizmov. Evolucija se ne tiče le zgodovine, saj evolucijski procesi prav tako potekajo tudi danes. Evolucija je bistvena značilnost živih sistemov. Če želimo raziskovati sedanje procese evolucije, nam ni potrebno obiskati oddaljenih kotičkov sveta tako kot Charles Darwin, ampak je potrebno samo malo pogledati v naravo in si vzeti nekaj časa za opazovanje in raziskovanje živih bitij.

77


V Darwinovih zapiskih najdemo skico, ki predstavlja prvi preprost prikaz evolucijskega drevesa življenja. Na vrhu strani je Darwin zapisal »Mislim« (ang. »I think«). Svojo idejo o evoluciji živih bitij je razvijal dolgo časa in jo nato objavil v knjigi. Danes se na podlagi sodobnih pristopov k analizi dedne snovi organizmov (DNA) zbirajo vedno novi podatki in se postopoma jasni slika o poteku evolucije.

Spremenljivost vrst in naravni izbor V okolju so viri energije (hrane) in življenjski prostor omejeni, zaradi česar posamezni osebki iste vrste med seboj tekmujejo. Organizmi imajo navadno večje število potomcev, kot jih lahko preživi, saj v tekmovanju oziroma boju za obstanek preživijo in se uspešno razmnožujejo le tisti organizmi, katerih lastnosti (fenotip) najbolj ustrezajo trenutnim razmeram v okolju, v katerem živi njihova populacija. Najmanjša (osnovna) enota življenja, pri kateri lahko govorimo o evoluciji, je populacija. Boj za obstanek poteka med osebki iste vrste (npr. med posameznimi osebki srnjadi); torej ne gre za boj med plenom in plenilcem (npr. srna – volk).

variabilnost – spremenljivost; pod vplivom okolja ali zaradi sprememb dednega zapisa (genotipa) se pri posameznih osebkih v populaciji izrazijo različice določene lastnosti (fenotip)

Populacija je skupina osebkov iste vrste, ki živijo istočasno v istem prostoru in se med seboj uspešno razmnožujejo. V okolju so različne vrste organizmov razporejene v bolj ali manj povezane populacije. Vrsto predstavljajo vsi osebki različnih populacij, ki se lahko medsebojno razmnožujejo in imajo plodne potomce.

Kolonija ptic predstavlja populacijo. Posamezni osebki neke populacije se običajno med seboj razlikujejo po mnogih dednih lastnostih, kombinacijah alelov (različicah genov), ki so jih podedovali od svojih staršev – pravimo, da so organizmi v populaciji gensko raznoliki (variabilni).

Del kolonije ptic

Naredim in razumem

Razmisli in utemelji, ali ljudje sestavljamo eno ali več populacij. Predstavljaj si, da v množici ljudi iščeš prijatelja. Zapiši značilnosti, po katerih ga lahko prepoznaš, ter analiziraj, ali so te značilnosti večinoma dedne ali pridobljene lastnosti zaradi vplivov okolja.

78


Evolucijo organizmov omogoča izpolnitev naslednjih pogojev: prekomerno razmnoževanje, tekmovanje osebkov v populaciji (zaradi omejenih preživetvenih virov v okolju), raznolikost (spremenljivost) in dedovanje teh raznolikosti osebkov skozi generacije. Predstavniki populacije malega vrtnega polža se razlikujejo v barvi in progavosti hišic. Raznolikost osebkov je posledica prisotnosti različnih alelov enega gena v populaciji (to raznolikost imenujemo polimorfizem). Ugotovili so, da na pojavljanje polžev s hišicami določenih barv in vzorcev v določenem okolju vplivata predvsem prisotnost plenilcev (drozgov) in temperatura okolja.

Populacija malega vrtnega polža (Cepaea nemoralis)

Osebki, ki se v danem okolju uspešno razmnožujejo, imajo lahko več potomcev, na katere so prenesli svoje gene. Potomci tako podedujejo tudi prilagojenost na dano okolje, kar omogoča večanje števila osebkov v populaciji. Ker se okolje neprestano spreminja, se posamezni osebki z različnimi lastnostmi v določenem časovnem obdobju različno uspešno razmnožujejo, zato se populacije skozi daljše obdobje spreminjajo. Na to, kateri organizmi neke populacije bodo preživeli in kateri ne, vplivajo različni dejavniki evolucije. V danem okolju uspešneje preživijo bolj prilagojeni oziroma bolj zmogljivi osebki (zaradi telesne zgradbe, barve, vedènja ipd.) in imajo tudi večje možnosti za uspešno razmnoževanje (imajo več preživelih potomcev). Proces, pri katerem okolje »izbira« organizme z lastnostmi (fenotipe), ki zagotavljajo preživetje in večje število potomcev, imenujemo naravni izbor oziroma naravna selekcija.

Drozg (Turdus sp.) na kamnu razbija hišice polžev, s katerimi se prehranjuje.

Na evolucijo lahko vplivajo le spremembe, ki se dedujejo. Na podlagi sodobnih odkritij nekateri znanstveniki ugotavljajo, da obstajajo štirje sistemi dedovanja, ki omogočajo prenos sprememb na potomce in tako vplivajo na evolucijo: spremembe genskega in epigenetskega zapisa, vedènja in jezika (simbolov).

Evolucija z naravnim izborom je ena temeljnih značilnosti, ki ločuje živo naravo od nežive. Poleg živih (npr. število plenilcev in plena) in neživih (npr. podnebje, pH vode) dejavnikov okolja je vzrok za evolucijo in raznovrstnost organizmov tudi spremenljivost genskega zapisa. Na spremenljivost v populacijah, poleg naravnega izbora (vpliva okolja in izbora partnerja pri spolnem razmnoževanju), vplivajo tudi mutacije, priseljevanje in odseljevanje osebkov iz populacije ter različna naključja. Nabor vseh alelov neke populacije v določenem trenutku imenujemo genski sklad populacije. Genski skladi različnih populacij iste vrste se lahko razlikujejo po številu različnih alelov ter po tem, kako pogosto se posamezni aleli pojavljajo. Vsaka naslednja generacija prejme gene (alele) iz obstoječega genskega sklada populacije. V primeru, da se genski sklad populacije iz kakršnega koli razloga spremeni, je to znak evolucije. Med evolucijo se pogostost (frekvenca) pojavljanja določenih alelov lahko poveča, če so osebki s temi aleli v določenih okoljskih razmerah uspešnejši v borbi za obstanek in imajo tudi več potomcev. Seveda pa na sestavo genskega sklada vplivajo tudi nekatera zgoraj omenjena naključja, zlasti če gre za manjše populacije. Genski sklad se ves čas spreminja, pri čemer v nekaterih populacijah evolucija poteka hitro, v drugih pa počasneje.

Naravni izbor Razmisli, kako naravni izbor vpliva na pogostost genotipov in fenotipov v populaciji.

Področje genetike, ki proučuje genske sklade, pogostost (frekvenco) pojavljanja posameznih alelov in genotipov v populacijah ter razlike med populacijami, imenujemo populacijska genetika.

79


populacija polžev na njivi zelja

omejene selitve

polžev populacija polžev okrog kompostnega kupa

živa meja (prebivališče plenilcev polžev) asfaltn a – prep cesta r uspešn eka za (jih po e selitve vozijo)

selitve polžev

populacija polžev na cvetlični gredi

populacija polžev na cvetličnem otočku v krožišču

Predstavljaj si različne populacije polžev iste vrste, ki so med seboj bolj ali manj ločene, zato se njihovi genski skladi verjetno nekoliko razlikujejo v pogostosti alelov. Priseljevanje in odseljevanje posameznih polžev iz populacij lahko vpliva na genski sklad posamezne populacije, saj s seboj prinašajo oziroma odnašajo svoje alele.

Pogostost genotipov

Pogostost fenotipov BB ¼ osebkov Bb ½ osebkov bb ¼ osebkov Pogostost pojavljanja alelov za barvo hišice alel B 1/2 osebkov alel b 1/2 osebkov

¾ osebkov ¼ osebkov

Pogostost fenotipov, genotipov in alelov (B, b) v izmišljeni populaciji polžev na njivi zelja, ki jo sestavlja sto polžev. Posamezni osebki se razlikujejo po barvi hišice in številu prog na hišici, kar pomeni, da so v genskem skladu prisotni vsi aleli za barvo in vsi aleli za progavost hišice ter poleg teh še vsi drugi aleli, ki nosijo gensko informacijo za večino drugih lastnosti polžev. Vsak osebek prispeva v genski sklad po dva alela za barvo hišice.

Obarvanost hišic malih vrtnih polžev ljudje raziskujejo že vsaj sto let. V tem času so se deleži pojavljanja posameznih barv in vzorcev na določenih območjih nekoliko spremenili, kar je verjetno tudi posledica globalnih podnebnih sprememb, ki temeljijo zlasti na segrevanju ozračja. Svetlejše polžje hišice so postale pogostejše v okoljih, kjer so polži med prehranjevanjem daljši čas izpostavljeni močni sončni svetlobi. Predvidevamo lahko, da se polži s svetlo obarvano hišico na soncu manj segrejejo kot tisti s temno hišico. Temno obarvana hišica pa omogoča polžem, da se prej ogrejejo in ostanejo dalj časa aktivni. Ugotovimo lahko, da na barvo polžjih hišic hkrati vpliva veliko različnih dejavnikov, na podlagi česar sklepamo, da je proces evolucije zelo zapleten.

80

rjava hišica rumena hišica rožnata hišica


V okolje, kjer živi naša namišljena populacija polžev, se priseli ptica drozg, ki se hrani z malimi vrtnimi polži. Ptica poje več tistih polžev, ki jih na podlagi lažje opazi, in tako na primer nehote vpliva na uspešnost večjega preživetja rumenih polžev; pravimo, da plenilec (ptica) predstavlja selekcijski pritisk v smeri manj opaznih hišic. Ta selekcijski pritisk pa ima za posledico naravni izbor polžev z manj opaznimi hišicami. Zaradi tega naravnega izbora se spremeni pogostost alelov v genskem skladu populacije, saj so posamezni osebki različno uspešni pri razmnoževanju. Tako se število alelov za rjavo barvo zmanjša, za rumeno pa poveča. Naravni izbor se kaže v postopnem prilagajanju organizmov na nove razmere v okolju, zato se populacija polžev evolucijsko spremeni – v tem primeru iz barvno mešane postane pretežno rumena.

Mutacije so eden od bistvenih temeljev evolucijskih procesov Šele ko imamo v populaciji najmanj dve različici nekega gena (dva alela) za določeno lastnost, se lahko evolucija sploh začne. Ker nove mutacije v populaciji povečujejo gensko raznolikost, lahko rečemo, da so mutacije podlaga za delovanje naravnega izbora. Mutacije so naključne in lahko nastanejo na ravni genov ali na ravni genoma. Nastanejo lahko spontano, npr. kot napaka v procesu mitoze ali mejoze, lahko pa jih povzročijo tudi različni mutageni dejavniki, ki so v okolju prisotni po naravni poti (npr. nekateri strupi gliv in alg, naravno radioaktivno sevanje – radon) ali zaradi vpliva človeka (npr. rentgenski žarki in nekatere strupene snovi, kot so določene snovi v cigaretnem dimu, aditivi v hrani). Kadar mutacije preveč spremenijo genski zapis, je to za organizem večinoma smrtonosno. Občasno, čeprav zelo redko, pa se zgodi, da mutacije nimajo niti ugodnega niti neugodnega vpliva na preživetje in razmnoževanje; imenujemo jih nevtralne mutacije. Večina evolucijskih sprememb je posledica nevtralnih mutacij, ki se v določenem trenutku izkažejo kot prednost v boju za obstanek – na tak način nastajajo tudi novi aleli. Na potomce se prenesejo le mutacije, ki nastanejo v spolnih celicah. Mutacije, ki nastanejo v telesnih celicah, podedujejo samo celice, ki nastanejo z delitvijo mutirane celice – na tak način se pojavi večina rakavih obolenj.

Benzopiren iz cigaretnega dima je rakotvorna snov, ki razklene verigo in se veže med baze v verigi DNA.

Radioaktivno sevanje povzroča spremembe DNA.

81


AGCTGCGTTAACGC TCGACGCAATTGCG AGCTGCGTTAACGC TCGTCGCAAATGCG mutacija

izpad dela kromosoma

podvojitev

A. Mutacije na ravni genov imenujemo tudi genske mutacije; pri tej vrsti mutacij lahko pride do zamenjave nukleotida, izbrisa ali vrinjenja enega nukleotida pri procesu podvojevanja molekule DNA ali pri prekrižanju. Z genskimi mutacijami nastajajo novi aleli. B. Kromosomske mutacije pomenijo spremembe v okviru kromosoma; del kromosoma lahko izpade, se podvoji ali zasuka, v nekaterih primerih se lahko dva kromosoma zlepita ali si dva kromosoma izmenjata dela. Posledica spremembe na kromosomih je zelo spremenjen genotip, kar lahko vodi v nastanek nove vrste.

zasuk dela kromosoma

vrinjenje dela kromosoma

izmenjava delov med dvema kromosomoma

Zagotovo veš, da so najbližji živeči evolucijski sorodniki človeka šimpanzi. Genom šimpanza sestavlja 24 parov kromosomov, torej en par več kot pri človeku. Z raziskovanjem prednikov človeka in šimpanzov, ki so živeli pred približno 6 do 7 milijoni let, so ugotovili, da so se skozi evolucijsko zgodovino postopno pojavljale in ohranjale različne mutacije. V določenem trenutku se je pojavila mutacija, pri kateri sta se zlepila dva kromosoma v genomu šimpanza . Danes je ta zlepljeni kromosom drugi največji kromosom v genomu človeka.

primer zlepljenja dveh kromosomov

C. Če se spremenita zgradba ali število kromosomov, govorimo o genomskih mutacijah (npr. poliploidija; glej str. 84). Če se zaradi naključne mutacije spremeni lastnost samo enega osebka v populaciji, ta sprememba le malo vpliva na spremembo genskega sklada populacije, zato v tem primeru še ne govorimo o evoluciji. Z evolucijo se spremeni raznolikost določene lastnosti v celotni populaciji, kar pomeni, da se s staršev na potomce prenesejo lastnosti, torej tudi nove mutacije, ki so zapisane v molekuli DNA. Tako se spremeni število različnih alelov in njihova pogostost pojavljanja v genskem skladu populacije.

evolucija

rdeči alel

Mutacije Pojasni, kakšen je lahko vpliv mutacij na organizem.

82

modri alel (mutacija)

populacija

Za določen alel velikokrat ne moremo reči, ali je dober ali slab; saj gredo vsi aleli skozi isto »sito« naravnega izbora, ki je nastavljeno med eno in drugo generacijo. V naravi se vedno odvija izbor le med že obstoječimi lastnostmi osebkov (različicami alelov), pri čemer ni usmerjena k izboljšavam organizma in gre le za to, katera lastnost je v danih razmerah v okolju bolj ugodna, omogoča prednost pri preživetju in večje število potomcev. V enem okolju je tako lahko ugoden en alel, v drugem drugi.


Nastanek novih vrst skozi evolucijo Naravni izbor mnogi razumejo kot preživetje najuspešnejšega posameznega osebka, čeprav v resnici ni pomembno, kateri osebek v populaciji preživi. Merilo evolucijske »uspešnosti« populacije je število potomcev v populaciji. Populacija postane bolj prilagojena na trenutne razmere v okolju (bolj zmogljiva), če se poveča število osebkov, ki lažje preživijo in imajo tudi povprečno večje število potomcev v populaciji – torej naravni izbor ni naključen, saj je odvisen od razmer v okolju, v katerih populacija živi. To je tudi vzrok, da lahko neka lastnost v eni populaciji predstavlja prednost, v drugi pa omejitveni dejavnik za preživetje in razmnoževanje. V primeru spreminjanja okolja se lahko v nekem trenutku prej ugodna lastnost izkaže kot neugodna oziroma se lahko zgodi tudi obratno.

Naredim in razumem

Razmisli in na primeru razloži, kaj pomeni stavek: »Plen se prilagaja plenilcu in plenilec plenu.«

Da neka vrsta v spremenjenih razmerah preživi, je potrebna zadostna raznolikost posameznih osebkov znotraj populacij in tudi ohranjanje lastnosti, ki morda v določenem okolju ali trenutnih razmerah ne predstavljajo najboljše prilagoditve. Raznolikost, ki je pri mnogih vrstah med drugim tudi posledica spolnega razmnoževanja, omogoča hitrejše prilagajanje na nove življenjske razmere v okolju in zmanjšuje možnost izumrtja vrste v primeru spremenjenih razmer. Rezultat evolucije skozi mnoge generacije ni nujno vedno bolj kompleksno (zapleteno) zgrajen organizem. Izkazalo se je, da so še najbolj prilagodljivi najpreprostejši organizmi (npr. mikroskopsko majhne bakterije), ki prevladujejo v vseh geoloških obdobjih Zemlje. Čeprav naravni izbor nima nekega končnega cilja, pa v dolgi evolucijski zgodovini nastajajo mnoge nove vrste, med katerimi so nekatere bolj in druge manj kompleksno zgrajene. Proces nastajanja novih vrst iz že obstoječih vrst organizmov skozi evolucijo imenujemo speciacija. Dejavniki, ki omogočajo nastajanje novih vrst, so povezani z ovirami, ki onemogočajo stik in izmenjavo genov med različnimi populacijami organizmov, ki so prvotno pripadali eni vrsti. Med sorodnimi populacijami, ki so bile zelo dolgo časa med seboj ločene, se lahko zaradi mutacij, naravnega izbora in drugih evolucijskih dejavnikov (npr. naključnega spreminjanja sestave genskega sklada) sčasoma razvije razlika v delovanju genov, v številu kromosomov ali razporeditvi genov na kromosomih. Geografska ločitev je lahko posledica izolacije dela populacije zaradi nastanka naravnih pregrad ali vpliva človeka, npr. selitve na nov otok ali v drugo jezero, razdelitve populacije zaradi nastanka novih zunanjih ovir (zaradi premikanja celin, požara, poplave ali razdrobitve življenjskega prostora zaradi vpliva človeka), kar je pogosto povezano tudi s spremembo razmer v okolju (npr. sprememba klime, pojav puščave, drugačni viri hrane, prisotnost kemičnih snovi ipd.).

83


Gozdni polži iz naše namišljene populacije se lahko premikajo z lazenjem. Če je lazenje prepočasno, lahko za neko populacijo predstavlja cesta skoraj nepremostljivo oviro in tako je izmenjava genov med populacijami preprečena. Občasno se zgodi, da z zeljem iz Evrope prenesejo posamezne osebke malih vrtnih polžev v Ameriko, kjer se z razmnoževanjem oblikuje majhna po-pulacija s samo enim barvnim vzorcem hišice; zemljepisna ločitev populacije pa lahko vodi v nastanek nove vrste.

V nekaterih primerih se del populacije izolira zaradi razmnoževalnih pregrad, zaradi spremembe v vedènju, času razmnoževanja, zgradbi telesa ali v številu kromosomov v genomu, kar je lahko ovira, da bi se posamezni organizmi med seboj razmnoževali in bi tako lahko prišlo do izmenjave genov.

Morda že veš … da je človek vzgojil različne vrste pšenice, ki se od divjih predstavnikov razlikujejo po fenotipu in genotipu. Tako je človek na primer iz divje pšenice vzgojil približno 27 vrst pšenice, od teh sta v kmetijstvu in prehranski industriji pomembni predvsem navadna pšenica (Triticum aestivum) in trda (durum) pšenica (Triticum durum). Divja pšenica ima 7 parov kromosomov, medtem ko ima trda pšenica 14 parov kromosomov in navadna pšenica 21 parov kromosomov. S podvojitvijo kromosomov so torej nastale nove vrste (poliploidi). Nekatere sorodne vrste z različnim številom kromosomov lahko križamo, vendar je pri potomcih pri nastajanju spolnih celic pogosto moten proces mejoze, zato so potomci neplodni.

Današnja pšenica ima velika semena, ki ne odpadejo, ko dozorijo.

Primer »hitre« evolucije in nastanek novih vrst Na svojem petletnem potovanju z ladjo Beagle je Darwin raziskoval različne otoke, na katerih je opazoval rezultate nastajanja novih vrst zaradi geografske izolacije posameznih populacij. Zaradi prilagajanja na različna, še nenaseljena življenjska okolja so se pri posameznih populacijah ščinkavcev z naravnim izborom ohranile tiste različice alelov in na njih temelječe telesne značilnosti, ki so ugodno delovale na preživetje in razmnoževanje v novem okolju. Na sliki je 13 vrst ščinkavcev z otočja Galapagos in en primer s Kokosovih otokov, ki se razlikujejo po obliki kljuna in prehranjevalnih navadah, čeprav so se vsi razvili iz enega skupnega prednika. Darwin je leta 1835 med pettedenskim bivanjem na otočju Galapagos prvi odkril in zbral vzorce različnih galapaških ščinkavcev, zato jih pogosto imenujemo kar Darwinovi ščinkavci, vendar se pomena svoje zbirke verjetno ni povsem zavedal, čeprav je njihovo raznolikost in predvidevanja o izvoru omenjal v svojih delih.

84


veliki drevesni ščinkavec srednji drevesni ščinkavec

mangrovski ščinkavec bledi ščinkavec

mali drevesni ščinkavec

penični ščinkavec ščinkavec s Kokosovih otokov

debelokljuni ščinkavec

semenojedi talni prednik ščinkavcev

veliki kaktusov ščinkavec kaktusov ščinkavec

mali talni ščinkavec

srednji talni ščinkavec

ostrokljuni ščinkavec

veliki talni ščinkavec

Darwinovi ščinkavci

Na Galapaške otoke naj bi se prvi ščinkavci naselili pred približno 3 milijoni let in se do danes razvili v 15 različnih vrst. Otočje je vulkanskega nastanka in je sestavljeno iz 13 večjih in nekaj manjših otokov. Evolucijska biologa Peter in Rosemary Grant že od leta 1973 po šest mesecev na leto proučujeta ščinkavce na enem od večjih otokov, z imenom Daphne Major. Ugotovila sta, da lahko rezultate evolucije vidimo že prej kot v 3 milijonih let. Pri svojem terenskem delu sta opazila, da je po hudi suši leta 1977, ko je na otoku preživelo le malo rastlin, začelo primanjkovati drobnih semen za ščinkavce, ki niso imeli dovolj močnih kljunov, da bi trli večja semena. Mnogi srednji talni ščinkavci so zaradi tega poginili, vendar je imela naslednja generacija te vrste ščinkavcev večje in močnejše kljune, saj so jih podedovali od posameznih osebkov, ki so preživeli sušo. Zanimivo pa je dejstvo, da se je položaj čez nekaj let, po močnem deževju, obrnil.

Predstavnika vrste srednjega talnega ščinkavca (Geospiza fortis) z različno velikima kljunoma

Evolucijski nastanek vrst galapaških ščinkavcev so do danes razjasnili tudi s pomočjo genskih analiz. Kljub temu še vedno buri duhove znanstvenikov, ki skušajo še natančneje proučiti sorodstvene povezave ter razlike med posameznimi populacijami in vrstami.

Morda že veš … Primere »hitre« evolucije lahko spremljamo tudi pri nespolno razmnožujočih se prokariontih (npr. bakterijah), saj so izredno prilagodljive na spremembe v okolju in že od nastanka prvih oblik življenja na Zemlji do danes tudi same spreminjajo svet. Pri bakterijah prisotnost antibiotika predstavlja povečan selekcijski pritisk, kar vpliva na velike razlike v številu potomcev med bakterijami, ki imajo gen za odpornost (rezistenco), in tistimi, ki ga nimajo. Zaradi povečanja števila odpornih bakterij je antibiotike potrebno vsake toliko časa nadomestiti z drugimi. Po določenem času, ko v okolju ni več antibiotika, na katerega so bakterije odporne, se ponovno namnožijo neodporne (nerezistentne) bakterije, saj imajo očitno v normalnih razmerah prednost, ker za vzdrževanje odpornosti porabljajo bakterije dodatno energijo.

Glej Spreminjanje genoma bakterij in razvoj odpornosti na antibiotike, str. 65.

85


Naredim in razumem

Vpliv okolja na preživetje Predvidi, kaj bi se zgodilo s populacijo metuljev, ki vsebuje polovico osebkov, ki jih plenilci lažje opazijo in polovico osebkov, ki imajo varovalno barvo v danem okolju.

V literaturi poišči primer razvoja odpornosti žuželk na insekticide in razišči, kakšne so posledice za človeka in naravno okolje.

Vrste imajo tudi omejeno sposobnost prilagajanja na spremembe okolja, kar pomeni, da če se okolje nenadno preveč spremeni, vrsta (ali populacija) izumre, kar se je v zgodovini evolucije živih bitij zgodilo zelo velikokrat.

Domneve o nastanku in razvoju življenja na Zemlji

stopinje Kelvina (K) – osnovna enota za merjenje temperature, pri kateri ni negativnih vrednosti (0 K = –273,15 °C) kvarki – osnovni in nedeljivi gradniki snovi; proton in nevtron sta zgrajena iz treh kvarkov

Grafični prikaz spreminjanja temperature vesolja od nastanka do danes

TEMPERATURA (K)

Zemlja je danes še vedno edini znani planet, na katerem je prisotno življenje. Na podlagi različnih dokazov so znanstveniki oblikovali različne domneve (hipoteze) o nastanku in razvoju življenja na Zemlji. veliki pok nastanek kvarkov nastanek protonov in nevtronov

1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101

nastanek elektronov zlivanje protonov in nevtronov v jedra nastanek atomov nastanek galaksij nastanek Zemlje sedanjost

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 .109

ČAS/LET

Ena bolj razširjenih domnev predvideva, da je vesolje nastalo pred približno 13,75 milijardami let z velikim pokom. Vesolje se je nato ohlajalo in pred približno 4,6 milijardami let je nastalo naše osončje in malo kasneje Zemlja, ki je bila na začetku žareča krogla, nato pa se je pred približno 4,5 milijardami let oblikovala trdna Zemljina skorja. Kljub temu pogoji na Zemljinem površju še dolgo časa niso omogočali nastanka življenja zaradi visoke temperature in neprestanih trkov meteoritov.

Več o razvoju evkariontskih celic na str. 28

86

Za nastanek prvega življenja so bili potrebni različni procesi in verjetno tudi mnogi »poskusi«, od katerih jih je zelo veliko propadlo. Prvi organizmi naj bi nastali ali pa bili na Zemljo preneseni iz vesolja (npr. z Marsa preko asteroidov) pred približno 3,8 milijardami let, kar dokazujejo ostanki mikroskopsko majhnih organizmov (mikrofosili), podobnih današnjim bakterijam. Najstarejši fosili enoceličnih organizmov so stari 3,5 milijarde let.


Morda že veš … da je na razvoj življenja skozi geološka obdobja in na prostorsko razširjenost vrst vplivalo tudi premikanje kontinentov. Obdobje

Doba (začetek pred milijoni let) holocen pred 10.000 leti

kvartar

pleistocen 2

pliocen 5

miocen

kenozoik

25

oligocen

terciar

38

eocen 55

paleocen 65

kreda 144

jura

mezozoik

213

trias 248

perm 286

karbon 360

devon 408

Življenjsko okolje

Razvoj življenja

konec zadnje ledene dobe, otoplitev

doba človeka

ledena doba

izumrtje mnogih vrst rastlin in velikih sesalcev (npr. mamuta), razvoj prednikov človeka

nastanek gorovij, vulkanov, hladno podnebje

pojav travišč, umik gozdov, mnogo rastlinojedih sesalcev in velikih plenilcev, prvi znani prednik človeka

oblikovanje gorovij, suho in hladno podnebje

velika pestrost cvetnic, razvoj mnogih vrst sesalcev

nastanek Alp in Himalaje, vulkani, hladno in suho podnebje

pojav gozdov in razvoj cvetnic, razvoj opic, razvoj vseh skupin sesalcev

otoplitev

prevladujejo iglavci in cvetnice, raznolikost sesalcev, razvoj ptic

izginjanje jezer, blago do hladno in vlažno podnebje

izumiranje nekaterih semenk, razvoj sesalcev

ločitev kontinentov, nastanek hribovij, veliko močvirij in jezer, toplo podnebje

prve cvetnice (magnolija), vrhunec razvoja orjaških plazilcev, ki mu je sledilo izumrtje, izumrtje praptiča, prve sodobne ptice in mali sesalci

nastanek gorovij, jezer, blago podnebje

gozdovi iglavcev, obdobje plazilcev, razvoj praptiča in vrečarjev

nastanek gorovij, širjenje puščav, suho in toplo podnebje

prevladujejo semenke, prvi iglavci, pogoste praproti, prvi orjaški plazilci, stokovci (sesalci, ki ležejo jajca)

ledena doba, nastane Pangea, spremenljivo podnebje

raznolikost semenk, prvi sagovci, razvoj modernih oblik žuželk, plazilci podobni sesalcem, izumrtje mnogih nevretenčarjev

ravna in močvirnata pokrajina, toplo in vlažno podnebje, proti koncu ohladitev

gozdovi orjaških praproti, mahov, lisičjakovcev, semenk in jetrenjakov, prvi plazilci, mnogo dvoživk, žuželk in morskih psov

ledena doba, mnogo jezer

raznolikost rastlin, prvi gozdovi, prve semenke in mahovi, ribe pljučarice in resoplavutarice, prve dvoživke (ščitoglavci) in krilate žuželke, trilobiti

ravna pokrajina, poplave, toplo podnebje

alge, prve kopenske rastline (psilofiti), ribe oklepnice, prvi kopenski členonožci, koralni grebeni

morje prekriva kontinente, toplo podnebje

morske alge in nevretenčarji, prvi vretenčarji (ostrakodermi), korale, trilobiti, začetek prehoda alg na kopno

blago in vlažno podnebje, najstarejše kamnine, v katerih so našli fosile

alge, bakterije, cianobakterije, glive, doba morskih nevretenčarjev, morski ježki, trilobiti, ramenonožci, spužve, graptoliti

paleozoik silur 438

ordovicij 505

kambrij 570

predkambrij 4000

prvi sledovi življenja (bakterije, alge), prvi evkarionti pred 2 milijardama let, prvi večcelični organizmi pred 900 milijoni let; dve ledeni dobi

87


aerobni organizmi – organizmi, ki za življenje potrebujejo kisik anaerobni organizmi – organizmi, ki za življenje ne potrebujejo kisika

Domnevajo, da so prvotno ozračje sestavljali vodik, vodna para, metan, amonijak, dušik in žveplovodik, ni pa bilo v njem prostega kisika. Dokaz je prisotnost prostega železa v določenih plasteh, ki je sicer ob prisotnosti kisika neobstojno. Molekule kisika so se pojavile v ozračju pred približno 3 milijardami let, zato lahko domnevamo, da je bilo prvotno življenje na Zemlji anaerobno. Kisik je bil stranski produkt fotosinteze cianobakterij in je predstavljal strup za zgodnje anaerobne oblike življenja. Kisik je namreč povzročil izumrtje mnogih anaerobnih vrst bakterij in hkrati omogočil razvoj aerobnih organizmov, ki so prilagojeni na prisotnost kisika v ozračju. Današnja koncentracija kisika v Zemljini atmosferi se je razvila šele pred malo več kot milijardo let. Prvi korak k nastanku življenja naj bi bil nastanek organskih spojin v vodnem okolju, kar je lahko omogočila energija strel, ultravijoličnih žarkov (ker še ni bilo ozonskega plašča) in vročina, ki se je sprostila ob vulkanskih izbruhih. Preproste organske molekule so se začele kopičiti in povezovati v bolj kompleksne. Mnogi so prepričani, da sta pomemben korak k nastanku življenja predstavljala nastanek molekul nukleinskih kislin (RNA), ki se same podvajajo in nosijo informacijo, ter nastanek preproste celične membrane.

Cianobakterije

Pojav prvih celic in molekul, ki se lahko podvajajo, je omogočil evolucijo in obenem razvoj bolj zapleteno zgrajenih organizmov skozi dolgo evolucijsko zgodovino vse do danes. S primerjavo biokemične zgradbe organizmov so ugotovili, da imajo vsa živa bitja na svetu skupnega zadnjega prednika, ki so ga poimenovali LUCA (Last Universal Common Ancestor). Prek primerjalnih študij so znanstveniki ugotovili, da je moral biti LUCA neke vrste superorganizem, sestavljen iz celic, ki so prosto plavale po pramorju, hkrati pa so bile njihove membrane tako prepustne, da so si precej svobodno izmenjevale različne molekule in tudi genetski material, pri čemer skoraj gotovo še ni šlo za DNA.

Različni znanstveniki so izvedli poskuse, v katerih so poskušali ugotoviti, pod kakšnimi pogoji je nastalo prvo življenje na Zemlji. Stanley Miller (1930–2002) je z enim od poskusov želel dognati, kakšna je bila sestava plinov na Zemlji ob nastanku življenja. Dokazal je, da lahko iz preprostih anorganskih snovi pod posebnimi pogoji nastanejo organske snovi, čeprav najverjetneje ni uporabil prave mešanice plinov. Danes znanstveniki domnevajo, da je bilo takratno ozračje podobne sestave kot vulkanski plini.

Nekateri znanstveniki zagovarjajo domnevo, da so življenje na Zemljo prinesli asteroidi, kometi ali meteoriti. Za dokončno potrditev te domneve sicer še ne obstaja dovolj trdnih dokazov, je pa velika možnost, da je prišlo življenje na Zemljo iz kozmičnih virov, zelo verjetno z Marsa. To potrjujejo raziskave aminokislin iz nekaterih nedavno padlih meteoritov. Razvoj življenja na Zemlji so skozi različna geološka obdobja usmerjale mnoge globalne katastrofe, kot so vulkanski izbruhi, trki asteroidov in globalne spremembe podnebja (obdobja segrevanja in obdobja ohladitev – ledenih dob). Posledica velikih in hitrih sprememb okolja so bila pogosto množična izumrtja. Verjetno ti je najbolj znano izumrtje orjaških plazilcev (dinozavrov) v kredi pred 65 milijoni let, ki naj bi bilo po mnenju večine posledica trka meteorita in s tem povezane spremembe podnebja. Vendar je bilo izumrtje dinozavrov glede na majhno raznolikost izumrlih vrst dokaj neznatno, če ga primerjamo z obdobjem trias – perm (pred približno 251 milijoni let), ko je izumrlo ogromno vrst nevretenčarjev. Po izumrtju so se pogosto razvile in razširile nove vrste organizmov. Tudi danes smo priča

88


množičnemu izumiranju vrst, ki je povezano predvsem z naseljevanjem, delovanjem in poseganjem človeka v naravne ekosisteme – govorimo o holocenskem izumiranju ali začetku 6. velikega izumiranja. Po nekaterih podatkih naj bi izumrlo že vsaj 99,9 % vseh živali in rastlin, ki so kdaj koli živele na Zemlji. Dokazi o evolucijskem spreminjanju oblik življenja in razmer v okolju so številni fosili, čeprav se moramo zavedati, da se je le majhen delež vseh živečih organizmov ohranil v obliki fosilov. Človek mora imeti pri odkrivanju fosilov pač veliko sreče.

Fosili – zgodovinski dokumenti o evoluciji in sorodnosti vrst Fosili so ostanki odmrlih organizmov iz preteklih geoloških obdobij ali njihovi sledovi. Predstavljajo jih ohranjeni trdi deli telesa, odtisi mehkih delov ali različni sledovi organizmov, od najpreprostejših do bolj zapletenih oblik, ki so nekoč živeli na Zemlji in so se ohranili v okolju, kjer so razmere onemogočile njihov razkroj.

Veda, ki proučuje živa bitja minulih geoloških obdobij, se imenuje paleontologija.

Primeri fosilov okamnelo okostje kuščarja

trilobit

amonit

Ostanki živali – okamnelo zunanje ali notranje ogrodje (okostja, zobje, hišice in lupine mehkužcev, oklepi členonožcev), okamneli živalski iztrebki – koproliti.

Naredim in razumem

Izberi si enega od fosilov na slikah in zapiši vse njegove značilnosti, ki jih lahko opaziš. Na podlagi značilnosti skušaj ugotoviti način življenja organizma v davni preteklosti. Na kakšen način se je premikal? V kakšnem okolju je živel? Razmisli, katera skupina organizmov, ki živijo danes, je sorodna organizmu v fosilu.

Rastlinski ostanki – pelod, odtisi listov in debel, premog (poogleneli deli drevesastih praproti v močvirnatem okolju)

Ujete žuželke v smolo iglavcev

Izsušeni organizmi (mumifikacija)

odtis lista

jantar

izsušeni kuščar

89


Zamrznjeni organizmi v ledenih blokih (konzervacija) – npr. mamut iz Sibirije in človek Ötzi v italijanskih Alpah mamut iz Sibirije

Naredim in razumem

Razišči, pod kakšnimi pogoji lahko nastanejo različne vrste fosilov, in svoje ugotovitve predstavi sošolcem.

Določanje starosti fosilov Organske ali okamnele ostanke organizmov (slednje imenujemo tudi okamnine) najpogosteje najdemo v različnih slojih sedimentnih kamnin, kjer se razkrijejo zaradi različnih vremenskih vplivov, delovanja vode ali zaradi človekovih posegov v naravo (npr. v kamnolomih). Na podlagi ugotavljanja časovnega zaporedja različnih plasti sedimentnih kamnin lahko ugotovimo tudi časovno zaporedje nastajanja fosilov – v starejših, nižjih plasteh se nahajajo starejši fosili, v višjih plasteh, ki so se usedale kasneje v geološki zgodovini, pa se nahajajo mlajši fosili. Natančnejši čas nastanka fosilov pa lahko ugotavljamo z radiometričnim datiranjem, ki temelji na razpadu radioaktivnih izotopov različnih elementov. Čas, ki ga potrebuje radioaktivni izotop za svoj razpad, imenujemo razpolovni čas. Razpolovni čas je odvisen od vrste radioaktivnega izotopa. Paleontologi najpogosteje ugotavljajo prisotnost ogljikovega radioaktivnega izotopa C-14 (14C), katerega razpolovni čas je 5730 let, pri čemer se nato spremeni v drug element, v izotop dušika N-14. 6 protonov 8 nevtronov 6 elektronov

ogljikov izotop C-14

Z uporabo radioaktivnega izotopa C-14 lahko znanstveniki ugotovijo starost fosilov, ki so stari do približno 75.000 let, za določanje starosti starejših fosilov ugotavljajo vrednosti radioaktivnih izotopov z daljšim razpolovnim časom, kot je kalijev izotop K-40 (razpolovni čas 1,3 milijarde let). V živih organizmih je najpogostejši ogljikov izotop C-12 ( ), nekaj pa je prisotnega tudi radioaktivnega izotopa C-14 ( ). Organizmi v času življenja oba izotopa privzemajo iz okolja. Na podlagi podatka o količini različnih izotopov v ozračju lahko sklepamo na količino prisotnih izotopov v rastlinskih organih, saj rastline privzemajo ogljikove atome iz ozračja v obliki ogljikovega dioksida. V prehranjevalnem spletu prehajajo ogljikovi atomi iz enega organizma v drugega.

Ko žival pogine, je v njenem okostju razmerje med atomi C-14 in C-12 še vedno enako, kot je v ozračju.

C-14 sčasoma razpade v N-14. Zato je ogljika C-14 v okostju vedno manj, količina C-12 pa ostane nespremenjena. Ob odkritju fosila lahko iz vzorca določimo razmerje izotopov C-12 in C-14. Dobljeni podatki nam omogočajo izračun števila let, ki so pretekla od pogina organizma do danes.

90


Danes živijo predstavniki vrst, ki se več kot 100 ali 200 milijonov let niso skoraj nič spremenili. Imenujemo jih živi fosili.

brodnik (glavonožec)

tuatara (plazilec)

latimerija (resoplavutarica)

ostvar (členonožec)

dvokrpi ginko (golosemenka)

kljunaš (stokovec)

Naredim in razumem

V literaturi poišči opise še nekaj drugih primerov živih fosilov ter ugotovi, kaj jim je omogočilo, da so se ohranili do danes. Predvidi, kakšne so možnosti preživetja živih fosilov v prihodnosti.

Nastanek kontinentov skozi geološka obdobja in razvoj vrst Dobro si oglej oblike kontinentov na naslednji strani. Morda si lahko predstavljaš, da so bili vsi današnji kontinenti nekoč, pred približno 240 milijoni let, del enega velikega »superkontinenta« ali prakontinenta, ki ga imenujemo Pangea. Skozi geološko zgodovino so posamezne tektonske plošče počasi spremenile svoj položaj in oblikovale današnje celine. Posledica tektonskih premikov, oddaljevanja in približevanja posameznih tektonskih plošč skozi dolga časovna obdobja so različni geološki procesi, kot so vulkani, potresi, nastajanje gora in oceanskih grebenov.

tektonske plošče – deli trdne zemeljske skorje (7 velikih in nekaj manjših tektonskih plošč)

Morda že veš … Tektonske plošče se nenehno premikajo; na leto se premaknejo od 1 cm do 18 cm, kar pomeni, da se nekateri oceani in morja manjšajo, še vedno se dvigujejo gorovja in verjetno bo kakšen del celine čez čas postal otok.

91


Iz kolesa zgodovine … Teorijo o potovanju celin oziroma tektoniki plošč, ki je temeljila na teoriji o razpadu nekdaj enotne celine, imenovane Pangea, v posamezne celine, je leta 1912 prvi predstavil Alfred Lothar Wegener (1880–1930), znanstvenik meteorolog in eden od najpomembnejših raziskovalcev severnega tečaja, predvsem Grenlandije. Njegova zamisel v znanstvenih krogih ni bila sprejeta vse do leta 1959, ko so drugi znanstveniki našli dokaze, s katerimi so potrdili njegovo teorijo.

Wegener v zimski bazi med odpravo na Grenlandiji (1912–1913)

Razširjenost fosilov triasnega kopenskega plazilca (Lystrosaurus)

Razširjenost fosilov 3 metre dolgega triasnega kopenskega plazilca (Cynognathus)

Razširjenost fosilov praproti vrste Glossopteris Razširjenost fosilov sladkovodnega plazilca (Mesosaurus) Del dokazov o premikanju kontinentov predstavlja tudi geografska razširjenost fosilov rastlin in živali iste vrste, ki jih lahko najdemo na kontinentih, ki so bili nekoč združeni.

Novonastala morja in oceani med kontinenti so za mnoge kopenske organizme predstavljala geografsko oviro, za morske organizme pa novo povezavo. Spremenjeno podnebje in različni drugi dejavniki okolja so postopoma vplivali na evolucijo posameznih vrst. Skozi evolucijsko zgodovino so se začele kopičiti mnoge razlike, kar je vodilo v nastanek novih vrst. vrečarji – mladiči se skotijo v zgodnjem stadiju razvoja, nadaljnji razvoj poteka v materini vreči, kjer se pritrdijo na mlečno bradavico placentalni sesalci – zarodek se razvija in hrani v materinem telesu skozi placento (posteljico)

92

Pred več kot 200 milijoni let so se pojavili prvi predstavniki sesalcev. Proti koncu mezozoika sta se razvili dve glavni veji sesalcev: vrečarji in placentalni sesalci, ki so se iz Severne in Južne Amerike razširili po vseh celinah; nekateri so poselili tudi Avstralsko celinsko ploščo. Danes v Avstraliji živi mnogo redkih živalskih vrst, ki jih ne najdemo nikjer drugod po svetu; to so številni plazilci, veliki ptiči tekači, stokovci in sesalci vrečarji. Mnoge vrste so na večini drugih celin izumrle, ker niso bile tako uspešne kot druge živalske vrste, v Avstraliji pa niso imele tekmecev, tako so se uspešno prilagodile in poselile različne ekosisteme.


varan

kazuar

kljunati ježek

Predstavniki vrečarjev iz Avstralije: koala (levo), kenguru (v sredini), vombat (desno)

Z vidika evolucije je zelo zanimiva tudi skupina največjih sesalcev na Zemlji, ki se je v evolucijski zgodovini s kopnega vrnila v morje – to so kiti. Paleontologi so leta 1978 odkrili fosil (lobanjo), za katerega so domnevali, da predstavlja prednika volkov. Po natančnejšem proučevanju pa so na lobanji odkrili značilnosti kitov. Anatomska podobnost med fosili kaže na sorodnost med vrstami, hkrati pa lahko na podlagi razlik in določanja starosti fosilov sklepamo na različne razvojne poti v evoluciji določene skupine organizmov. kopenski prednik kita

prednik kita, ki je živel v vodi

prednik kita, ki ima že zakrnele zadnje okončine

Primeri fosilov ki razkrivajo razvoj današnjih kitov iz kopenskih prednikov

Dokaze o spreminjanju in sorodnosti vrst v evolucijski zgodovini na osnovi fosilov znanstveniki dopolnjujejo s primerjavo anatomske zgradbe organov. Pri človeku, konju, šimpanzu, netopirju, kitu in ptici lahko opazimo podobnost v zgradbi okončin, ker imajo ti organi skupen izvor (izhajajo iz prednje okončine skupnega prednika vseh teh živali), vendar se med seboj razlikujejo, ker opravljajo različne funkcije. Pravimo jim homologni organi.

človek

konj

šimpanz

netopir

kit

anatomska zgradba – zgradba telesa

ptica

93


Znanstveniki so s proučevanjem zarodkov (embrijev) različnih vrst vretenčarjev ugotovili, da lahko opazimo podobnosti in razlike že v zgodnjih fazah razvoja zarodkov, čeprav se odrasli organizmi lahko zelo razlikujejo. Na podlagi podobnosti lahko sklepamo o davnem skupnem predniku. Pri razvoju človeka opazimo, da v določeni fazi razvoja rep zakrni, medtem ko se pri drugih vrstah, ki so prikazane na sliki, ohrani. riba

močerad želva

kokoš

prašič

mačka

zajec

človek

Naredim in razumem

Poišči nekaj primerov zakrnelih delov v človeškem telesu ali pri živalih in poišči vzroke, zakaj so ti deli zakrneli.

Predstavnika dveh različnih vrst iz družine polhov sta si podobna – primer divergentnega razvoja

Polh (Glis glis)

Podlesek (Muscardinus avellanarius)

94

Sodobne metode molekulske biologije nam omogočajo pridobivanje podatkov z analizo molekul DNA. Tako danes vemo, da podobnost v določenih primerih izvira iz podobnega dednega zapisa v molekuli DNA, ki smo ga podedovali od skupnega prednika, čeprav so se skozi dolga geološka obdobja v evoluciji vrst nakopičile številne spremembe (mutacije), ki jih je naravni izbor ohranil in so danes temelj raznolikosti med vrstami. Razvoju zaradi razhajanj pravimo divergentni razvoj. Organizmi, ki imajo bližnjega skupnega prednika, imajo bolj podobno telesno zgradbo. Med organizmi, ki so lahko evolucijsko zelo oddaljeni, so se kot posledica prilagajanja na podobne življenjske razmere razvili po obliki in funkciji podobni organi, ki pa se razlikujejo po zgradbi – analogni organi. Razvoju z zbliževanjem pravimo tudi konvergentni razvoj. Tak primer so krila ptic, peruti netopirjev in krila žuželk ter oko sesalcev in hobotnic.

Prikaz konvergentnega razvoja organov

ptica

netopir

kačji pastir


Na podlagi vseh zbranih podatkov (proučevanja fosilov, primerjalni anatomiji, proučevanja zgodnjega razvoja zarodkov ali embriologiji in podatkih biogeografije) znanstveniki oblikujejo evolucijsko drevo, ki prikazuje razvoj določene vrste organizmov skozi evolucijsko zgodovino in njeno sorodnost z drugimi vrstami. družina kamele družina prašiči ali svinje družina pekarji družina kiti družina povodni konji družina pritlikavi pižmarji družina pižmarji družina jeleni družina votlorogi družina vilorogi družina žirafe in okapi Analize molekule DNA so razkrile, da so kiti med vsemi sesalci najbolj sorodni sodoprstim kopitarjem in so bližnji sorodniki povodnih konj.

PREVERI SVOJE ZNANJE

Mula (potomec osla in kobile)

Mezeg (potomec žrebca in oslice)

Zosel (potomec samca zebre in kobile)

1. Sorodne vrste iz družine konj, kot so konj (62 kromosomov), osel (64 kromosomov) in zebra (32 ali 44 ali 46 kromosomov – odvisno od vrste), se lahko med seboj parijo in imajo žive mladiče, čeprav se razlikujejo po številu kromosomov v celicah. Križanci so, razen v redkih primerih, neplodni. a) Predvidi, koliko kromosomov sestavlja genom križancev določenih vrst iz družine konj (npr. mula, mezeg, zosel ipd.), in sklepaj, kateri proces, ki je osnova spolnega razmnoževanja, pri križancih ne more pravilno potekati.

95


b) Predniki družine konj so se je pojavili že pred približno 2 milijonoma let. Sklepaj, kaj je vzrok nastanka različnih vrst, ki jih danes uvrščamo v družino konj. c) Človek je konja udomačil pred 5000 leti. Do danes je vzgojil zelo veliko različnih pasem. Po letu 1580 so v Lipici na Krasu vzredili novo pasmo konj, katere osnova so bile štiri druge pasme konj. Kako se imenuje omenjena slovenska pasma in na kratko pojasni, na kakšen način so lahko iz različnih pasem vzredili novo pasmo konj. č) Razloži, na podlagi česa so znanstveniki v preteklosti predvidevali, kako je potekal razvoj konja od njegovih prednikov do danes. Naredi kratko primerjavo metod in njihovega predznanja, na podlagi katerega so ugotovili sorodstvene vezi in oblikovali evolucijsko drevo.

Equus

Parahippus

4 mio. let Pliohippus Miohippus

55 mio. let

Hyracotherium

Evolucijsko drevo konja

2. Primerjaj zgradbo bakterijske, glivne, živalske in rastlinske celice ter na podlagi podobnosti v zgradbi sklepaj na njihov skupni evolucijski izvor. 3. Na živa bitja delujejo različni mutageni dejavniki. Navedi nekaj primerov mutagenih dejavnikov, katerim je izpostavljen človek ter predvidi možne posledice, ki lahko nastanejo v spolnih ali telesnih celicah. 4. Nova mutacija pri miši povzroči, da imajo potomci dvakrat gostejšo dlako kot starši. Pojasni, na kakšen način in v kakšnem okolju bi naravni izbor dal prednost mišim z gostejšo dlako?

96


7

RAZVRŠČANJE ORGANIZMOV IN EVOLUCIJSKO DREVO PRIMATOV


Človek razvršča in ureja – le kam je uvrstil sebe? Pomisli, kolikokrat so ti starši ali učitelji naročili, da napravi red v svoji sobi, v šolski torbi ali celo v svoji glavi. Morda v tem trenutku iščeš izgovor za svoj nered in meniš, da je nered nekaj čisto naravnega. Na nek način imaš prav, saj znanstveniki že od nekdaj raziskujejo procese v naravi, ki navadno potekajo v smeri večanja nereda. Kljub temu smo ljudje v vsakdanjem življenju nagnjeni k redu in razvrščanju stvari. Stvari razvrščamo glede na določene kriterije – izbrane lastnosti; tako razvrščamo orodje, kuhalno in servirno posodo, oblačila, knjige, zgoščenke, znamke, računalniške datoteke in še mnogo drugega. Tako tudi živa bitja ne uidejo težnji človeka po urejanju podatkov. Človek je v svoji zgodovini, in prav tako tudi danes, vedno znova odkrival, opisoval in proučeval vedno nove vrste organizmov ter zbiral podatke o njihovih značilnostih in sorodnostih, na podlagi katerih jih je skušal na različne načine urediti in povezati v različne, bolj ali manj smiselne skupine. Darwin je bil eden prvih znanstvenikov, ki je razvijal idejo o sorodnosti človeka in človeku podobnih opic ter predvideval, da so se predniki človeka razvili v Afriki in od tam razširili po svetu. Njegova ideja ni bila takoj splošno sprejeta, čeprav jo je skušal podpreti s čim več dokazi. Danes dokazi o skupnem predniku vseh prvakov, kamor uvrščamo tudi človeka, temeljijo tako na proučevanju njihove podobnosti in fosilov kot tudi na genetskih analizah. V nadaljevanju poglavja so predstavljene osnove sistematike ter evolucija človeka, ki hkrati utemeljuje uvrstitev človeka v sistem vseh živih bitij in s tem tudi v kraljestvo živali.

98


Urejanje množice podatkov o raznolikosti živih bitij v sisteme Mnogi naravoslovci od Aristotla dalje so skušali popisati naravo in jo na različne načine urediti v pregleden sistem. Način razvrščanja organizmov v hierarhično urejene skupine oziroma v sistem, ki je še danes osnova razvrščanja organizmov, je v 18. stoletju oblikoval švedski botanik Carl Linné (1707–1778). Razvil je tudi sistem dvočlenega (dvojnega) poimenovanja vrst z latinskimi besedami (binarna nomenklatura), pri čemer ima vsaka vrsta svoje stalno in nedvoumno dvojno latinsko poimenovanje, drugačno od vseh drugih vrst.

ime rodu + vrstni pridevnik

Ranunculus aquatilis

zlatica vodna

dvojno latinsko poimenovanje slovensko poimenovanje: vodna zlatica

Ranunculus arcis = ripeča zlatica

Rana arvalis = barjanska žaba ali plavček

Linné v tradicionalnem oblačilu Laponcev in s severno linejko (Linnaea borealis) v rokah, rastlino, ki je postala njegov zaščitni znak. Naslovnica desete izdaje Linnéjevega dela Systema Naturae (1758), ki danes predstavlja mejnik sodobnega razvrščanja organizmov. Ime rodu Rana v latinščini pomeni žaba, Ranunculus pa majhna žaba, čeprav se v tem primeru uporablja za poimenovanje rastlin.

Primeri dvočlenega (dvojnega) latinskega poimenovanja organizmov

Morda se ti zdi dvočleno (dvojno) latinsko poimenovanje vrst zapleteno, a predstavljaj si, da se srečajo botaniki iz različnih držav ter skupaj raziskujejo vodne rastline v potoku. Ko Slovenec odkrije vodno zlatico, jo pokaže angleško govorečemu kolegu in ta vzklikne »water crowfoot« (kar v dobesednem prevodu pomeni »vodna vranja noga«), pridruži se mu še nemško govoreči znanstvenik in mu pove, da je to»Gewöhnlicher Wasserhahnenfuβ« (v dobesednem prevodu »navadna vodna petelinja noga«) in tako naprej. Poleg tega da ne moremo poznati imen vrst v vseh jezikih sveta, imajo nekatere vrste tudi različna ljudska imena. Poenoten način poimenovanja vrst z dvojnim latinskim poimenovanjem torej omogoča komunikacijo na mednarodnem nivoju in nedvoumno izražanje v zakonodaji.

99


Naredim in razumem

S pomočjo literature ugotovi, kaj pomenijo naslednja latinska poimenovanja: Homo sapiens, Homo erectus in Homo habilis. Razloži povezanost navedenih vrst v evolucijski zgodovini.

Temeljna veda v okviru biologije, ki se ukvarja z razvrščanjem vrst organizmov, njihovimi značilnostmi, raznolikostjo, sorodnostjo in razvojem skozi evolucijsko zgodovino, se imenuje sistematika. Organizme poimenuje, opiše in razvršča (klasificira) v sistem glede na evolucijske odnose med vrstami (filogenijo). Osnovni sistematski enoti pravimo tudi takson.

Iz kolesa zgodovine …

protisti – raznolika skupina enoceličnih in nekaterih večceličnih evkariontov (npr. evglena, ameba, paramecij, alge)

Grški filozof Aristotel (384–322 pr. n. št.) velja za enega izmed prvih sistematikov. Živa bitja je razdelil glede na zunanji izgled.

Nemški naravoslovec Ernst Haeckel (1834–1919) je prvi uporabil izraz filogenija in leta 1866 na podlagi primerjave oblike, zgradbe in embrionalnega razvoja organizmov narisal razvojno drevo organizmov, kjer opazimo ločene veje rastlin, protistov in živali.

Pristopi k razvrščanju organizmov v sistem so bili skozi zgodovino zelo različni. Pogosto so posamezniki razvrščali organizme glede na določene izbrane lastnosti in tako oblikovali umeten sistem (npr. glede na uporabnost, na barvo cvetov, število okončin ipd.). Umetni sistemi so danes v uporabi iz praktičnih razlogov, predvsem v obliki različnih slikovnih določevalnih ključev za določanje zdravilnih zelišč, cvetnic, dreves in grmov.

Nemški biolog Willi Henning (1913–1976) je postavil temelje evolucijski sistematiki.

100

Sodobna biološka sistematika temelji na razvrščanju organizmov glede na njihovo evolucijsko sorodnost. Sistemi, ki jih sestavljajo naravne enote, nastale z evolucijo, so naravni sistemi; imenujemo jih tudi evolucijski sistemi. Potek evolucijske zgodovine in sorodstvene odnose med organizmi lahko poenostavljeno prikažemo z razvejanim diagramom, ki ga imenujemo razvojno ali evolucijsko drevo (tudi drevo življenja). Evolucijsko drevo navadno prikazuje povezave med živečimi in izumrlimi vrstami ter višjimi sistematskimi skupinami.


prednik zelenih alg mahovi

praprotnice

golosemenke

kritosemenke

prve semenke prednik višjih rastlin

čas skozi geološke do B E

Primer razvojnega drevesa rastlin

A

B

C

Č

D

c

Legenda

zadnji skupni prednik A, B

zadnji skupni prednik Č, D, E

danes živeče vrste izumrli predniki ali izumrle vrste brez potomcev v preteklosti

zadnji skupni prednik A, B, C, Č, D, E

Shema v obliki razvojnega drevesa prikazuje evolucijsko zgodovino šestih vrst organizmov (A, B, C, Č, D in E). Opazimo hierarhično razporeditev, ki predstavlja sorodstvene odnose med organizmi in tudi njihovo uspešnost pri razmnoževanju; vsak prednik ima potomce, ki so lahko predniki novim potomcem ali pa vrsta izumre.

Vrsta je osnovna sistematska enota. Pri spolno razmnožujočih se organizmih je to tudi naravna enota, ker v resnici obstaja v naravi. Vse višje sistematske enote in tudi vrste z nespolnim razmnoževanjem so oblikovane na podlagi dogovora in temeljijo na dejstvu, da imajo organizmi znotraj posamezne enote določene skupne lastnosti. Vsaka višja sistematska enota je bolj splošna kot prejšnja. Sorodne vrste združujemo v rod, različne rodove v družino, sledijo red, razred, deblo, kraljestvo in domena (nadkraljestvo). Sistematika je zelo dinamična znanost, ki se razvija glede na vedno nova odkritja v znanosti. V sodobni sistematiki proučevanje raznolikosti organizmov ne temelji le na opazovanju oblike in zgradbe ter na primerjavi življenjskih procesov, ampak vključuje tudi izsledke molekulske genetike (primerjave zaporedij nukleotidov v molekuli DNA in zaporedij aminokislin v beljakovinah) in možnosti obdelave velikih količin podatkov z različnimi računalniškimi programi v okviru bioinformatike.

101


Primer uvrstitve rjavega medveda (Ursus arctos), človeka (Homo sapiens), jesenskega gobana (Boletus edulis) in koruze (Zea mays) v različne sistematske enote. evkarionti

domena

kraljestvo

živali

glive

rastline

deblo

vretenčarji

prostotrosnice

kritosemenke

razred

sesalci

podstavkovnice

enokaličnice

red

zveri

prvaki (primati)

cevarji

travovci

družina

medvedi

človečnjaki

cevarke

trave

rod

medved (Ursus)

gobani (Boletus)

koruza (Zea)

vrsta

102

rjavi medved (Ursus arctos)

človek (Homo)

misleči človek (Homo sapiens)

jesenski goban (Boletus edulis)

koruza (Zea mays)


domene kraljestva

BAKTERIJE

ARHEJE

bakterije

arheje

EVKARIONTI

živali

glive rastline

protisti zadnji skupni prednik danes živečih organizmov (LUCA)

Ameriški mikrobiolog in biofizik Carl Woese (1928–2012) je na podlagi primerjave zaporedij nukleotidov na molekuli rRNA, ki sestavlja ribosome, oblikoval prvo evolucijsko drevo, katero prikazuje sorodnost vseh živih bitij na Zemlji. Najprej jih je uvrstil v šest kraljestev in nato še v tri domene. Danes je njegova delitev organizmov v znanstveni skupnosti splošno sprejeta.

Človek – samostojna veja na evolucijskem drevesu Človek je danes edini živeči predstavnik družine človečnjakov. Znanstveno ime človeka Homo sapiens v prevodu pomeni umni oziroma misleči človek. V red prvakov ali primatov poleg človeka uvrščamo vse sesalce, ki imajo kratek gobec, zmanjšano število zob na 32 (tako kot človek), dobro razvit vid, obe očesi obrnjeni naprej, dobro razvito možgansko skorjo in petprsto oprijemalno okončino z nasproti ležečim palcem, ki predstavlja eno od prilagoditev na drevesni način življenja. Za samice je značilen mesečni ciklus zorenja jajčnih celic, dve prsni žlezi in rojstvo običajno enega mladiča naenkrat. Med sedenjem na zadnjici pa že lahko opazimo vzravnano držo.

Prilagoditve na ekološke razmere V evolucijski zgodovini človečnjakov so se spreminjale klimatske razmere in s tem tudi življenjsko okolje, iz gozdnate pokrajine v savane. Utemelji, kako je spremenjeno okolje vplivalo na razvoj pokončne drže (na dveh nogah).

Na podlagi fosilnih ostankov in primerjav določenih zaporedij nukleotidov v molekulah DNA lahko danes narišemo evolucijsko drevo, ki prikazuje, kako so se prvaki skozi milijone let razvili iz skupnega prednika.

Naredim in razumem

Blizu Frankfurta v Messel Pitu v Nemčiji so odkrili zelo dobro ohranjen 47 milijonov let star fosil primata, ki so ga poimenovali Ida. Katere značilnosti prvakov lahko opaziš? Primerjaj fosil s človeškim okostjem. Katere razlike najhitreje opaziš?

103


red

prvaki (primati)

prave opice

polopice

podred naddružina

brezrepe ozkonose opice

velike človeku podobne opice

družina

danes

lemurji

nartničarji

širokonose opice

repate ozkonose opice

giboni

orangutani

gorile

šimpanzi

človečnjaki

ljudje

65 milijonov let nazaj skupni prednik prvakov

Evolucijsko drevo prvakov

Predniki prvakov so se pojavili že pred približno 85 milijoni let. Pred več kot 65 milijoni let, malo pred izumrtjem dinozavrov, naj bi se iz skupnega prednika razvili prvi prvaki, ki niso bili podobni nobenemu od danes živečih predstavnikov, saj so bili verjetno majhni drevesni sesalci, podobni majhnim lemurjem, ki so se hranili pretežno z žuželkami in sadjem.

Razvojno drevo in razvrščanje organizmov Človeka uvrsti v sistem in pojasni, na osnovi katerih značilnosti ga uvrščamo v posamezne sistematske enote.

104

Skupni predniki lemurjev in nartničarjev so se kot nova evolucijska veja ločili od ostalih prvakov pred približno 58 milijoni let. Predstavniki prvakov, ki jih uvrščamo med prave opice, so se razvili šele pred približno 35 milijoni let in jih od ostalih opic ločimo po tem, da nimajo več vlažnega smrčka. Delimo jih na širokonose in ozkonose opice. Eni od skupin ozkonosih opic je rep sčasoma zakrnel in razvile so se brezrepe ozkonose opice, med katere uvrščamo danes živeče gibone, orangutane, gorile, šimpanze in človeka. Človeška vrsta se je razvila iz skupnega prednika šimpanzov in človeka kot samostojna evolucijska veja šele pred približno 5 do 8 milijoni let.


Naredim in razumem

S pomočjo različnih virov ugotovi, v katerem delu sveta so se najverjetneje razvili prvi predniki človeka in kaj jim je predvidoma omogočilo naseljevanje različnih delov sveta ter relativno hiter razvoj.

V času življenja katerega koli skupnega prednika današnjih primatov človeka še ni bilo. Različne skupine primatov so se razvijale skozi evolucijsko zgodovino vzporedno skupaj s predniki človeka. Pri tem je mnogo evolucijskih vej izumrlo, med njimi tudi različne vrste človečnjakov. Danes živeči človekovi sorodniki so gorile, orangutani in sorodstveno najbolj povezani šimpanzi. Vrsta Homo sapiens je danes edina ohranjena vrsta človečnjakov. V evoluciji človečnjakov se je razvila dvonožna hoja, povečala se je prostornina možganov in razvil se je govor. Človek je začel uporabljati vedno bolj napredna orodja, odkril koristnost ognja ter razvil kulturo. Pred milijoni let

Homo neanderthalensis

Homo sapiens

Paranthropus boisei

Homo haildelbergensis

Homo rudolfensis

Pred milijoni let

Homo erectus

Homo habilis

Paranthropus robustus

Homo ergaster Australopithecus garhi Paranthropus ethiophicus

Australopithecus africanus Kenyanthropus platyops Ardipithecus ramidus

Australopithecus afarensis Australopithecus anamensis

Ardipithecus kadabba

Orrorin tugenensis

Sahelanthropus tchadensis

Evolucijsko drevo človečnjakov

105


Naredim in razumem

Predniki modernega človeka so bili sposobni ustvarjalnega in kompleksnega razmišljanja, kar jim je omogočilo prilagoditev različnim razmeram v okolju. Razišči, kje in kakšne sledi človekovega delovanja so našli v Sloveniji.

PREVERI SVOJE ZNANJE 1. Razloži, kdo je uvedel sistem dvočlenega (dvojnega) latinskega poimenovanja vrst in kakšen je pomen takšnega načina poimenovanja. 2. Znanstvenik iz vzorca trohnečega lesa izolira organizme, katerih celice tvorijo dolge niti. Pod mikroskopom opazi, da imajo celice teh organizmov celično steno, nimajo pa kloroplastov. V kateri sistematski skupini je znanstvenik uvrstil organizem, ki ga je odkril? Izberi črko pred odgovorom.

a) domena bakterije, kraljestvo prokarionti b) domena arheje, kraljestvo bakterije c) domena evkarionti, kraljestvo rastline č) domena evkarionti, kraljestvo protisti d) domena evkarionti, kraljestvo glive

3. Kaj od spodaj naštetega predstavlja dokaz, da je obstajal skupni prednik vseh živih bitij? Izberi črko pred pravilnim odgovorom.

a) različni encimi, ki omogočajo prebavo snovi b) podobnost v zgradbi genoma vseh živih bitij c) prisotnost jedra v celici č) prisotnost bička in migetalk, s katerimi se celice gibljejo d) prisotnost kloroplastov v celici

4. Človek je danes edini živeči predstavnik človečnjakov, katerega najbližji sorodniki so primati. Številni dokazi pričajo o razvoju človeka in o skupnem predniku vseh primatov. Utemelji, na kakšen način so znanstveniki ugotovili, kako je potekal razvoj primatov skozi evolucijsko zgodovino do danes.

106


8

RAZVRŠČANJE EKOLOGIJA ORGANIZMOV– proučevanje IN EVOLUCIJSKO organizmov DREVO PRIMATOV v okolju


Model ekosistema – pomoč pri razumevanju in opazovanju zapletenih povezav organizmov in neživega okolja Do zdaj si v okviru naravoslovnih predmetov spoznal že množico organizmov, njihovo zunanjo in notranjo zgradbo ter delovanje, od nivoja celic do organskih sistemov, njihove sorodstvene povezave, vedenje in razvoj skozi evolucijsko zgodovino.

a l ot

b tlo sve a

top

ekosistem – povezanost vseh vrst živih bitij in vseh neživih dejavnikov v nekem okolju

Zagotovo se že zavedaš, da posamezen organizem brez povezav z okoljem ne more preživeti. To lahko kaj hitro ugotoviš, če v trgovini kupiš akvarijske ribe ali druge vodne organizme in jih prineseš domov. Zanje moraš urediti ustrezno okolje, v katerem bodo živeli – akvarij. Seveda je akvarij umetno sestavljen ekosistem, vendar lahko predstavlja biološki model, s katerim poskušaš čim bolj posnemati naravno okolje in ustvariti razmere, ki omogočijo preživetje vseh organizmov v akvariju. Opazovanje življenja v akvariju ti lahko omogoči razumevanje zapletenih povezav organizmov z okoljem, v katerem živijo. Pri tem se organizmi povezujejo med seboj in tudi z neživim okoljem. Ne smemo pozabiti, da ekosistemi v naravi niso izolirani s steklenimi stenami kot v akvariju, saj so odprti sistemi, ki jih povezuje kroženje snovi in pretakanje energije.

proizvajalci (alge) mineralne snovi razkrojevalci (bakterije)

potrošniki (živali)

odmrli organizmi

Snovi krožijo in energija se pretaka. Snov v akvariju ves čas kroži od proizvajalcev (višjih rastlin, alg) preko potrošnikov (živali) do razkrojevalcev (bakterij), od koder se ponovno vključi med proizvajalce. Energija se, za razliko od snovi, pretaka. V akvarij vstopi v obliki sončne svetlobe ali svetlobe žarnice. Proizvajalci jo v procesu fotosinteze vežejo v kemične vezi organskih snovi. Ko organska snov prehaja po prehranjevalni verigi do potrošnikov in razkrojevalcev, se vsa energija iz akvarija postopoma sprosti kot toplota.

Naredim in razumem

V naravi ločimo kopenske in morske ekosisteme ter ekosisteme celinskih voda. Nekateri ekosistemi so naravni, spet druge ureja človek. Razišči, na kakšen način bi lahko v razredu oblikovali umeten kopenski ali vodni ekosistem, in ga skušaj sestaviti. Razmisli, ali lahko sestaviš model ekosistema, ki bi bil za razliko od naravnih ekosistemov povsem zaprt ekosistem. Pojasni svoj odgovor.

Obstoj umetnih ekosistemov je odvisen od človeka. Človek pa vedno bolj vpliva tudi na naravne ekosisteme ter s svojim delovanjem spreminja in zmanjšuje število različnih vrst organizmov (biotska raznolikost), ki živijo v določenem naravnem okolju.

108


Biotska raznolikost se odraža na različnih nivojih Biotska raznolikost je raznolikost vrst, vključno z raznolikostjo genomov in raznolikostjo ekosistemov, v katerih živijo. Po podatkih iz leta 2011 so raziskovalci odkrili, določili in opisali nekaj manj kot 2 milijona vrst evkariontov, ob tem pa predvidevajo, da je 80 % vrst še neodkritih. Število do danes znanih vrst prokariontov je približno 10.860, a sklepajo, da se njihovo število giblje čez milijon vrst. Vsako leto odkrijejo na tisoče novih vrst, čeprav morda mnoge tudi izumrejo, preden so sploh odkrite.

V različnih virih lahko zaslediš tudi izraze kot so biotska pestrost, biotska raznovrstnost, biološka raznovrstnost ali biodiverziteta.

Razmerje med številom že odkritih in še ne odkritih vrst organizmov Diagram 5: Razmerje med številom odkritih ter številom pričakovanih in še neodkritih vrst rastline vretenčarji Skupine organizmov

sesalci žuželke pajkovci število že odkritih vrst

raki mehkužci

število še neodkritih vrst

drugi praživali* glive* 0

200

400

600

800

1000

6000

Število vrst v tisočih (po podatkih iz leta 2010 in 2011*)

Morda se ob teh podatkih sprašuješ, kakšen je sploh pomen podatkov o številu vrst organizmov. Na podlagi števila vrst v določenem prostoru lahko sklepamo na biotsko raznolikost. Raziskovanje vključuje tudi zapletene odnose organizmov do okolja ter evolucijo vrst kot posledico prilagajanja organizmov na okolje. Biotska raznolikost, ki je rezultat milijonov let dolge evolucije živega sveta, se pravzaprav prične že na ravni genoma. Tekom evolucije se namreč spreminja genska raznolikost posamezne vrste, od katere je odvisna sposobnost prilagajanja organizmov na okolje.

Znotrajvrstna genska raznolikost v obliki cvetov bele lepnice (Silene latifolia) je posledica naključnih kombinacij alelov, ki določajo obliko cvetov.

109


biom – živi sistem, ki vključuje različne ekosisteme, kateri se pojavljajo na različnih geografskih območjih z značilnim podnebjem in vrstami tal

Poleg genske raznolikosti biotska raznolikost vključuje tudi raznolikost višjih ravni živih sistemov, torej raznolikost življenjskih združb, raznolikost ekosistemov in raznolikost biomov. Ugotovimo lahko, da je od biotske raznolikosti odvisno delovanje celotne biosfere, kar nenazadnje vpliva tudi na preživetje človeka, saj mu biosfera predstavlja vir hrane in drugih dobrin.

biosfera – najvišji nivo živih sistemov, ki vključuje vsa živa bitja na Zemlji

Pri primerjavi biotske raznolikosti različnih življenjskih združb moramo vedeti, da raznolikost ni odvisna le od števila različnih vrst organizmov, ampak tudi od števila posameznih osebkov iste vrste ter od povezav med posameznimi vrstami.

Raznolikosti neživih dejavnikov v okolju (npr. vode, svetlobe, temperature …) in življenjske združbe vplivajo na raznolikost ekosistemov.

področja velike biotske raznolikosti

Biotska raznolikost je razporejena zelo neenakomerno, kar pomeni, da je na določenih območjih majhna (npr. v puščavi, na Antarktiki), na nekaterih pa zelo velika (npr. tropski gozd, koralni grebeni). Območja, kjer so strokovnjaki ugotovili veliko biotsko raznolikost, imenujemo tudi vroče točke biotske raznolikosti. Vendar pa so za ohranjanje življenja na Zemlji poleg vročih točk biotske raznolikosti pomembna tudi območja, na katerih je biotska raznolikost naravno majhna.

110


Morda že veš … V tropskem in zmernem podnebju, kjer je na razpolago dovolj vlage in toplote, lahko v biomih ugotovimo večjo biotsko raznolikost kot v puščavi, za katero so značilna dolga sušna obdobja, ali v tundri, kjer je zaradi nizkih temperatur rastna sezona omejena na zelo kratek čas, ali celo v predelih, ki jim zaradi prisotnosti večnega ledu pravimo tudi arktična puščava.

endemit – vrsta, ki živi samo na omejenem geografskem območju in nikjer drugod

V Evropi se Slovenija ponaša z eno največjih stopenj biotske raznolikosti – rečemo ji tudi vroča točka Evrope. Veliko raznolikost omogoča kamninska pestrost tal, na katerih so se razvili različni tipi prsti. Poleg tega je površje zelo razgibano, od morske obale do gorskih vrhov, kar vpliva na raznolikost podnebja. Ne smemo pa pozabiti tudi pestrosti živih bitij, ki živijo pod površjem, v kraškem podzemlju. Od približno 24.000 vrst živih bitij, ki so jih odkrili v Sloveniji (predvidevajo, da jih je 50 do 120 tisoč), jih kar 850 živalskih vrst in 22 rastlinskih vrst spada med endemite. Da bi ohranili vso raznolikost Slovenije, je potrebno ohranjati tako posamezne vrste živih bitij kot tudi različne habitate, v katerih živijo.

habitat – bivališče; prostor, v katerem delujejo različni neživi dejavniki in v katerem določena vrsta živi in se razmnožuje rdeči seznam – seznam redkih in/ali ogroženih rastlinskih in živalskih vrst, v katerem so vrste razporejene v različne kategorije glede na stopnjo njihove ogroženosti

Spoznaj nekaj primerov endemitov, ki so uvrščeni na rdeči seznam ogroženih rastlinskih in živalskih vrst

Črni močeril (Proteus anguinus parkelj) je predstavnik jamskih dvoživk. Potencialno ga ogrožajo onesnažila v okolju, zato je tudi zavarovan z Uredbo o zavarovanju ogroženih živalskih vrst. Črni močeril živi v podzemnih vodah Bele krajine.

Kranjski jeglič (Primula carniolica) uspeva na severnem obrobju Dinarskega gorstva, južno in vzhodno od Ljubljane in v okolici Idrije. Je zavarovan že od leta 1922. Ziosova zvončica (Campanula zoysii) raste v Alpah, Karavankah in Trnovskem gozdu.

111


Naredim in razumem

S pomočjo različnih virov poišči še nekaj primerov redkih in ogroženih vrst v Sloveniji ter ugotovi, katero nahajališče določene ogrožene vrste je najbližje tvojemu domu. Za posamezno vrsto skušaj ugotoviti, ali je endemit in kaj jo ogroža.

Preproste metode ugotavljanja biotske raznolikosti Verjetno pogosto slišiš, da je potrebno naravo ohraniti za prihodnje rodove. Človek lahko varuje le tisto, kar dobro pozna. Že s pogledom skozi okno lahko opazuješ naravno okolje in ugotoviš, kako se spreminja zaradi naravnih procesov ali delovanja človeka. Natančnejšo sliko, kako raznolika je narava in na kakšen način se spreminja, pa lahko dobiš le z raziskovanjem v naravi (z delom na terenu) in s preprostimi metodami ugotavljanja biotske raznolikosti. Pogosto je prvi korak ugotavljanje števila vrst (popis vrst), ki živijo v določenem prostoru, saj na ta način lahko ugotoviš zgradbo združbe. Poleg tega lahko tudi prešteješ število posameznih osebkov določene vrste in štetje ponoviš po določenem času. Na podlagi podatkov lahko sklepaš, ali se je življenjska združba v določenem obdobju spremenila. Opazovanje ptic s teleskopom ...

... in daljnogledom

Vzorčenje in določanje organizmov na morski obali

zrak

Raziskovanje jame in jamskih živali

S pomočjo literature ali na podlagi lastnih opazovanj lahko ugotoviš, s čim se določeni organizmi prehranjujejo in nato sklepaš, katere vrste so proizvajalci, potrošniki in katere razkrojevalci. Poskusi jih povezati v prehranjevalni splet. Na podlagi opazovanj lahko sklepaš, kako deluje ekosistem. Pri delu na terenu lahko opaziš, da pogosto težko začrtaš mejo med različnimi biotopi ali ekosistemi. Glede na to lahko raziščeš medsebojno povezanost živih in neživih dejavnikov. Opazovanje organizmov pod mikroskopom

elastika gaza

Za pobiranje drobnih živali si lahko sami izdelamo napravo s sesalno cevjo.

112

Vzorčenje prsti in listnega opada

Lovljenje talnih živali s suhim ali Berlezijevim lijakom


Seveda so metode vzorčenja vrst odvisne od vrste rastlin in živali, ki jih raziskuješ, od tvojega predznanja, izkušenj in pripomočkov, ki jih imaš na razpolago. Pomembno je, da se na delo predhodno ustrezno pripraviš (primerna obutev in oblačila ter pripomočki za vzorčenje ali popis) in da imaš pri delu vedno pri sebi beležnico, v katero sproti zapisuješ podatke in svoje ugotovitve, organizme skiciraš ali fotografiraš. V nekaterih primerih je potrebno vzeti vzorec materiala s seboj, pri čemer je nujno zagotoviti, da po nepotrebnem ne škodujemo živim organizmom in jih po končanem delu tudi vrnemo na mesto, kjer smo vzorčili. fotografije hribskih urhov – vzorci na trebušni strani

samica št. 6

samica št. 3

samec št. 4

Fotoaparat je dobrodošel pripomoček pri določanju vrst in prepoznavanju posameznih osebkov. Vzorec na trebušni strani hribskega urha (Bombina variegata) se med posameznimi osebki razlikuje tako kot naši prstni odtisi.

Fotografije in druge vzorce je vedno potrebno natančno označiti (npr. mesto vzorčenja, čas vzorčenja, temperatura, ime opazovalca ipd.). Pri raziskovanju zavarovanih vrst (kamor sodi tudi hribski urh) je potrebno upoštevati tudi veljavno domačo in mednarodno zakonodajo, ki določa, kako z ujetimi organizmi ravnati in ali jih je brez dovoljenja sploh dovoljeno loviti. Pomemben del slovenske zakonodaje je na primer Uredba o zavarovanih ogroženih rastlinskih in živalskih vrstah.

Razišči biotsko pestrost Obišči bližnji travnik, tekočo ali stoječo vodo in naredi popis vrst, ki jih opaziš. Ugotovi, katera vrsta je najpogostejša.

Imena posameznih vrst lahko določiš s pomočjo različnih določevalnih ključev.

Na spletnih straneh so dostopni različni interaktivni ključi za določanje vrst.

Razvrščanje organizmov s pomočjo dihotomnega določevalnega ključa Doma, v šolski knjižnici in na spletnih straneh poišči različne vrste določevalnih ključev in z njihovo pomočjo določi nekaj vrst živali in rastlin.

Razvoj ekosistemov Ekosistemi na kopnem, v morju ali v celinskih vodah se spreminjajo in razvijajo. V združbo nekega ekosistema se vrste ves čas priseljujejo in odhajajo iz nje. V začetku razvoja se več vrst priseli kakor odseli, zato se vrstna pestrost v združbi povečuje. Na koncu razvoja sta priseljevanje in odseljevanje uravnotežena: kolikor vrst pride, toliko se jih tudi odseli. Takrat rečemo, da je združba zrela, stabilna, oziroma da je dosegla ravnovesje. Razvoj ekosistema od gole podlage do stabilne združbe imenujemo ekološka sukcesija ali zaporedje. Proces sukcesije na začetku usmerjajo zgolj neživi dejavniki, kasneje, z razvojem združbe, pa tudi živi dejavniki.

113


Pionirske vrste so kratkožive vrste, ki se hitro razmnožujejo in razširjajo ter prve naselijo gola, neporasla tla (npr. gole skalne površine, novonastale površine po izbruhu vulkana, kjer prst še ni izoblikovana) ali izpraznjene prostore (obstoječa združba se spremeni zaradi naravne katastrofe, npr. požara, vetroloma, žleda ali zaradi vpliva človeka, npr. pri goloseku, pri čemer je prst že izoblikovana). zrela združba

Zadnjo stopnjo v razvoju združbe nekega ekosistema predstavljajo klimaksne vrste, ki so dolgožive in se razmnožujejo počasneje kot pionirske vrste, vendar nad njimi prevladajo in jih postopoma iz združbe izrinejo. To stopnjo v razvoju združbe imenujemo zrela ali klimaksna združba. Različne stopnje sukcesije se med seboj razlikujejo po deležu pionirskih, prehodnih in klimaksnih vrst, ki gradijo združbo v določeni fazi razvoja.

prehodne vrste (grmovje in mladi gozd) združba pionirskih vrst

ČAS

leta stoletja tisočletja

Naredim in razumem

Na primeru iz domačega okolja razloži, na kakšen način lahko človek vpliva na potek razvoja nekega ekosistema.

Raznolikost biomov Vsa živa bitja na Zemlji povezujemo v biosfero. Različni neživi dejavniki vplivajo na razporeditev in raznolikost kopenskih ekosistemov, ki se povezujejo v raznolike biome. V različnih biomih obstajajo različne življenjske združbe in prehranjevalni spleti, ki se oblikujejo pod vplivom značilnih neživih dejavnikov v nekem okolju. Neživi, predvsem klimatski dejavniki vplivajo na razporeditev ekosistemov, ki se povezujejo v biome.

polarno območje visokogorje tundra puščava tajga gozd zmernega pasu tropski deževni gozd makija, čaparal stepa savana tropski listopadni gozd

114

Na različnih delih sveta lahko opazimo podobne biome, v katerih različne vrste organizmov igrajo zelo podobno ekološko vlogo. V azijskih stepah in savanah se na travnikih pasejo konji, v afriških zebre, v ameriških vilorogi in v avstralskih kenguruji.


Glavni tipi biomov z značilnimi predstavniki in s klimogrami Biomi Izberi štiri biome in poišči nekaj primerov značilnih proizvajalcev, potrošnikov in razkrojevalcev ter razmisli o njihovih prilagoditvah na nežive dejavnike okolja.

Prikazani biomi ne prikazujejo resničnega stanja, saj organizmi, ki so predstavljeni v posameznem biomu, ne živijo na istih celinah (npr. gorila in orangutan sta prebivalca tropskega deževnega gozda, pri čemer živi gorila v Afriki in orangutan v Aziji). Klimogrami prikazujejo značilne padavine (modri stolpci) in temperature (rdeče črte) skozi leto. Gozd zmernega pasu

Tropski deževni gozd

Postojna

srna gosenica lisica praprot bakterije

Nairobi

tukan

papiga

veverica

pajek

mah

medved

orangutan

piton

smreka

žaba

orhideja

žaba

tiger

gorila

bukev

ananasovka

gad

rovka

Iquitos

mravlja listorezka

bananovec

deževnik

bakterije

Puščava

Savana jastreb

slon

žirafa

zebra

leopard

bakterije

Jakutsk

škorpijon

termit

akacija

trave

Tajga in tundra

miš pajek

Salah

hrošč

antilopa

kača lev

puščavska lisica

kača

kaktus kuščar

velvičija bakterije

skakač

Polarni kraji

komar smreka

snežna sova

los

moškatno govedo

polarna lisica Barrow

mravlja

breza

deževnik

mahovi in lišaji

miš bakterije

Scott Base

bakterije morske kozice (rakci)

pingvini rastlinski plankton majhne ribe

sinji kit orka

večje ribe

mrož

115


Naredim in razumem

1. Na podlagi klimogramov primerjaj količino padavin in temperaturo, torej neživa dejavnika okolja in razloži njun vpliv na biotsko raznolikost v posameznem tipu biomov. 2. Organizme v posameznem biomu poskusi povezati v različne prehranjevalne verige, ki se bodo prepletale in tako oblikovale prehranjevalni splet. 3. Izdelaj tridimenzionalni model ekosistema, ki sestavlja določen biom na Zemlji, in ga predstavi sošolcem. Pri izdelavi modela na ustvarjalen način uporabi čim cenejše ali celo odpadne materiale. Skupaj s sošolci lahko pripraviš tudi razstavo.

Ekologija z varstvom narave in okolja Kaj je in kaj ni ekologija

Iz kolesa zgodovine … Izraz ekologija je prvi uporabil Ernst Haeckel leta 1866. Skoval jo je iz grških besed oikos, kar pomeni hiša, dom ali bivališče, in logos, kar pomeni beseda, govor ali znanost.

Kaj je prva stvar, na katero pomisliš, ob besedi »eko«? Na ekološko akcijo pobiranja smeti in ločevanje odpadkov? Varčno rabo vode in energetsko varčne naprave? Ekološko pridelano hrano in ekološke novice v medijih? Ljudje ob tem najpogosteje pomislimo na različne dejavnosti, s katerimi skrbimo za čisto okolje in svoje zdravje, vendar vse to, razen predpone »eko«, nima nobene povezave z ekologijo. Ekologija je znanstvena veda, ki proučuje organizme v njihovem okolju. Okolje predstavlja njihovo naravno bivališče (habitat), v katerem se prepletajo živi in neživi dejavniki. Ekologi poleg proučevanja razširjenosti živih bitij proučujejo tudi njihove medvrstne odnose in njihov odnos do okolja. Zanimajo jih prilagoditve organizmov na spremembe v okolju, ki jim omogočajo, da se uspešno razmnožujejo, kar je predpogoj za nadaljevanje vsake vrste.

Človek je v iskanju novih virov energije, ki bi v manjši meri onesnaževale okolje, začel izkoriščati energijo vetra. Mnogi opozarjajo na drugo plat te »čiste« energije, saj z gradnjo vetrnih elektrarn lahko ogrozimo obstoj različnih vrst organizmov in njihovih habitatov.

116


Razlika med varstvom okolja in varstvom narave ter povezava z ekologijo Človek pogosto gleda na naravno okolje in njegovo ohranjanje iz svojega zornega kota in tako pod pojmom varstvo okolja razumemo niz ukrepov in omejitev, s katerimi skušamo ohraniti okolje tako, da bi bilo primerno za bivanje človeka. Nekoliko drugače razumemo ukrepe in omejitve pod pojmom varstvo narave, saj naj bi bili le-ti usmerjeni v ohranjanje okolja, ki bi bilo primerno za bivanje vseh vrst organizmov, od bakterij do rastlin in živali. Ukrepi varstva okolja in varstva narave se v osnovi prepletajo, vendar si zaradi interesa ljudi na določenih točkah nasprotujejo.

Ekologija na znanstven način proučuje delovanje narave. Pridobljeno znanje omogoča ljudem, da načrtujejo in izvajajo varovanje okolja tako, da se v največji možni meri sklada z varovanjem narave. Človek se mora pri tem zavedati, da brez drugih vrst živih bitij na našem planetu tudi on ne more preživeti.

Spreminjanje biosfere in vpliv človeka Zemlja se zaradi različnih neživih dejavnikov spreminja že od svojega nastanka naprej. Pojav življenja na Zemlji je postopoma bistveno vplival na sestavo ozračja (atmosfere), saj se je s pojavom fotosintetskih organizmov začel povečevati delež kisika (O2) v ozračju. Atomi kisika so se začeli povezovati v molekule ozona (O3), plina, ki je za organizme v nižjih plasteh ozračja strupen, vendar na višini med 20 do 40 kilometrov nad površjem tvori plast, ki varuje življenje na Zemlji pred škodljivim ultravijoličnim sevanjem. Prvi organizmi, ki so naseljevali kopno, so začeli spreminjati svoj življenjski prostor in vplivati drug na drugega. S svojim delovanjem so prispevali tudi k preperevanju kamnin in nastajanju različnih tipov prsti in kamnin (apnenca), kjer so se nato lahko naselile različne vrste organizmov.

Pri ugotavljanju stanja v ekosistemih si pogosto pomagamo z določanjem organizmov, ki se na različne vplive v okolju odzivajo s spremembo v delovanju in zgradbi – imenujemo jih indikatorski organizmi ali bioindikatorji.

Lehnjak je luknjičava kamnina, ki nastane z izločanjem apnenca iz vode na mahove in druge rastline.

Na podlagi prisotnosti različnih vrst lišajev lahko ocenjujemo kakovost zraka.

117


Pred približno 100.000 leti, ko so se pojavili prvi predniki človeka, je bil njihov vpliv na okolje še relativno majhen, saj so na začetku sestavljali majhno populacijo, katere preživetje je bilo pogosto precej težavno. V evoluciji se je človek postopoma razvil v zelo močnega tekmeca drugim organizmom. Po industrijski revoluciji, konec 18. in v 19. stoletju, se je začela populacija človeka naglo večati in se povečuje še danes. Ljudje smo poselili že velik del planeta in posredno ali neposredno posegli v vse ekosisteme. Z večanjem populacije ljudi in spreminjanjem načina življenja ljudi se je povečal tudi pritisk na naravno okolje – povečala se je predvsem raba naravnih virov (poraba snovi in energije). Poleg tega človek spreminja, uničuje in onesnažuje naravno okolje. Tako je danes človek eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na biosfero. Prst nenehno nastaja in se spreminja zaradi različnih fizikalnih in kemičnih dejavnikov, vpliva živih organizmov in tudi človeka.

Dejavniki, s katerimi človek najbolj ogroža naravo

tujerodne vrste – tisti organizmi, ki jih je človek prenesel v novo okolje, v katerem prej niso bili prisotni

Človek z različnimi vrstami odpadkov, odpadnimi vodami, škodljivimi plini in pesticidi onesnažuje tla, zrak in vodo. Z ozaveščanjem svojih družinskih članov, sorodnikov in prijateljev lahko pripomoreš k zmanjšanju onesnaževanja in zastrupljanja okolja.

domorodne (avtohtone) vrste – organizmi, ki živijo na območju svoje naravne razširjenosti invazivne tujerodne vrste – tujerodni organizmi, ki so se na nekem območju ustalili in s povečevanjem svoje populacije ogrožajo domorodne vrste in ekosistem

Hrup in svetlobno onesnaževanje zaradi umetnih virov svetlobe lahko negativno vplivata na biosfero. Predvsem svetlobno onesnaževanje moti selitve ptic, ogroža kolonije netopirjev, gnezdenje želv in mnoge vrste žuželk, dokazujejo pa tudi povezavo z razvojem nekaterih vrst raka, s pojavom nespečnosti in debelosti. Zlata rozga in želva rdečevratka sta primera tujerodnih vrst, ki jih je človek načrtno ali nenačrtno vnesel v svoje okolje. Obe vrsti lahko vplivata na biotsko raznolikost domorodnih življenjskih združb, saj določene vrste izpodrineta, zato jima pravimo tudi invazivni vrsti ali invazivki.

Zaradi izsuševanja močvirij so mnogi organizmi izgubili svoj življenjski prostor (npr. močvirski tulipan).

118

Prekomerno izkoriščanje naravnih virov ogroža biotsko raznolikost.

Izginjanje triglavskega ledenika je dober pokazatelj klimatskih sprememb. Levo triglavski ledenik leta 1959 in desno leta 2012.


Biotsko raznolikost ohranjamo z neposrednim varovanjem vse narave in celotne biosfere, pri čemer težimo k sonaravni rabi krajine in trajnostnemu razvoju. Z različno mednarodno in slovensko zakonodajo so določene ogrožene vrste in celotna območja zavarovana, vendar kljub temu gospodarski in družbeni razvoj, ki je povezan z vedno bolj razsipnimi razvadami človeka, z množico proizvodov in neodgovornimi potrošniškimi vzorci, še vedno nevzdržno pritiska na naravne vire ter vpliva na zmanjševanje pestrosti živih bitij in na spreminjanje naravnega ravnovesja.

Naredim in razumem

S pomočjo različnih virov razišči, katere vrste zavarovanih območij ločimo. Izberi en primer zavarovanega območja v Sloveniji (lahko tistega, ki je najbliže tvojemu domu) in pripravi kratko predstavitev.

Življenjski prostor nekaterih organizmov se zaradi delovanja človeka zelo spremeni, razdrobi na manjše dele ali celo izgine. V nekaterih primerih je obstoj določenih vrst ogrožen kljub zakonodaji, s katero so te vrste in habitati zavarovani, saj se s stališča človeka vedno znova pojavlja vprašanje, kaj ima prednost: zavarovati okolje in ogrožene organizme ali človeku omogočiti posege, s katerimi bo zadovoljil svoje potrebe. Človek pogosto pozablja, da z uničevanjem okolja povečuje tveganje za zdravje sedanjih in prihodnjih generacij.

Ogrožen barjanski okarček (Coenonympha oedippus) živi v okolju, ki je zaščiteno z Naturo 2000. Skozi njegov življenjski prostor želijo v prihodnosti zgraditi obvoznico. Gorske narcise (Narcissus poeticus radiiflorus) ogrožajo prezgodnja košnja, paša, zaraščanje, intenzivno gnojenje in obdelava zemlje s stroji, zato so zavarovane.

Z gradnjo cest in naselij drobimo ekosisteme in postavljamo skoraj neprehodne ovire mnogim živalim.

Vir kamenja in peska za gradnjo; toda, kam so šli hrib in gozdni ekosistem na njem?

(Ne)zaščiten kot medved – ali res? V Medvedji dol pogosto zahaja medvedka z mladičem. Nekateri prebivalci bi radi medvedko zaščitili, drugi pa bi jo želeli odstraniti. Postavi se v vlogo prve in nato še druge skupine prebivalcev ter poišči argumente za njihova stališča.

Življenjski prostor medvedov in drugih velikih zveri je vedno manjši in zato so prometne nesreče in konflikti s človekom vedno pogostejši.

Kranjska lilija (Lilium carniolicum) je ogrožena predvsem zaradi lepih cvetov, saj se ji marsikatera človeška roka težko upre. Je zaščitena vrsta.

119


Naredim in razumem

1. Za določene ogrožene in zaščitene vrste včasih znanstveniki poiščejo nadomesten habitat, kamor jih preselijo in tako omogočijo gradnjo ceste. Razmisli, na kaj vse morajo biti pri iskanju nadomestnega habitata pozorni. 2. Predlagaj rešitve, ki bi omogočile varen prehod živali čez avtocesto. 3. S pomočjo virov poišči še druge primere organizmov, ki jih ogroža čas in način košnje, ter razišči, na kakšen način so ljudje v nekaterih primerih rešili problem. 4. Razmisli in navedi primere organizmov, ki poiščejo domovanje v okolju, ki ga je človek močno spremenil, kot npr. v kamnolomu ali mestu. 5. Poišči primere vplivov človeka na organizme, ekosisteme in biosfero v svojem okolju. Na izbranem primeru razloži negativne in pozitivne vplive človeka na okolje.

Načela trajnostnega razvoja

Naredim in razumem

Razmisli, kaj pomeni naslednja poved: »Zemlja človeku ni dana v last, temveč zgolj v upravljanje, zato jo mora za prihodnje rodove ohraniti v takšnem ali boljšem stanju, kot jo je prejel.« Kako lahko to dosežeš?

V prvi vrsti se moraš zavedati, da so različni viri in njihovo obnavljanje omejeni. Zato je dobro upoštevati, da iz narave ne vzameš več, kot je ta sposobna proizvesti in ne odložiš več, kot je sposobna očistiti oziroma vključiti v že obstoječe kroženje snovi. Tako so se oblikovala načela trajnostnega razvoja, ki poudarjajo ohranjanje ekoloških procesov, trajnostno rabo naravnih virov in ohranjanje genetske raznolikosti. Trajnostni razvoj po definiciji Svetovne komisije za okolje in razvoj iz leta 1987 (Brundtlandina komisija), pomeni razvoj, ki zadovoljuje potrebe sedanjih generacij, ne da bi pri tem ogrozili možnosti prihodnjih generacij, da bodo zadovoljile svoje potrebe. Trajnostni razvoj je tako postal osrednji del vseh pomembnejših razvojnih načrtov in ga je potrebno upoštevati pri sprejemanju zakonodaje na različnih ravneh države in svetovni ravni, saj predstavlja vsesplošni politični cilj. Vključuje varstvo in ohranjanje naravnega okolja, družbeno pravičnost in ekonomsko učinkovitost, pri čemer je velik poudarek na sonaravnem razvoju in upoštevanju omejitev naravnega okolja.

120


Načela trajnostnega razvoja so pomembna pri sprejemanju odločitev o življenjskem stilu posameznika in države, pri čemer vključujejo zadovoljevanje človekovih potreb in ne le človekovih želja. Obravnavajo različna področja, kot so ohranjanje in upravljanje z naravnimi viri, čista energija, klimatske spremembe, biotska raznolikost, trajnostni promet, prostorsko načrtovanje, trajnostna potrošnja in proizvodnja, izboljšanje zdravstvenih razmer in človekove pravice v povezavi z odpravljanjem svetovne revščine ter gospodarskim in socialnim razvojem. Temelj spremljanja sprememb in ukrepov za preprečevanje škodljivih sprememb v tleh, vodah in ozračju je vzpostavitev standardov ter sprejemanje in upoštevanje različne zakonodaje. Dr. Leopold Hufnagel (1857–1942) je leta 1892 izdelal prvi gozdnogospodarski načrt, s katerim je spremenil pogled na gospodarjenje z gozdovi. Namesto takrat uveljavljene prakse golosekov in sajenja smreke je vpeljal izvirno obliko prebiralnega sonaravnega gospodarjenja z gozdovi. Njegov načrt vsebuje tudi ohranjanje pragozdov. Njegove ideje so se uveljavile, zato se Slovenija še danes ponaša z razmeroma dobro ohranjenimi naravnimi gozdovi. Njegovo delo lahko razumemo kot začetek obdobja aktivnega in načrtnega naravovarstva v Sloveniji. Župan Občine Kočevje je leto 2012 razglasili za Hufnaglovo leto. V okviru trajnostnega razvoja se v Evropi daje velik poudarek na razvoju sonaravnega gospodarjenja, ki upošteva omejitve naravnega okolja in hkrati omogoča trajen razvoj. Tako se ponovno spodbujajo metode sonaravnega kmetovanja, ki upoštevajo omejenost virov in sposobnost njihovega obnavljanja. Sonaravno kmetovanje, ki temelji na ohranjanju naravnih vrednot (ohranjanju rodovitnosti in varovanju okolja), se ponovno uveljavlja, saj temelji na razumevanju naravnih procesov in ne pušča škodljivih posledic na okolju. Predstavlja nasprotje intenzivnemu obdelovanju zemlje, uporabi monokultur in velikih količin pesticidov in umetnih gnojil, ki vplivajo na slabšanje kakovosti življenjskega okolja in so povezani z opuščanjem obdelovalnih površin, izginjanjem ogroženih vrst organizmov in onesnaževanjem ter posredno tudi s krepitvijo gospodarske krize, velike brezposelnosti in padcem življenjskega standarda.

Kot oblika sonaravnega razvoja se v Evropi vedno bolj uveljavljajo tudi ekoremediacije; to so biotehnološke metode, ki omogočajo zaščito in obnovo okolja, pri čemer uporabljajo naravne sisteme in procese za zmanjševanje onesnaženosti okolja in izboljševanje bivalnega okolja. Ekoremediacije so uporabne na področju zadrževanja in čiščenja vode, energetske izrabe naravnih virov in ohranitve biotske raznolikosti. Omogočajo ohranjanje naravnega ravnovesja in zaščito pred naravnimi ujmami (npr. poplavami, sušami) z razmeroma nizkimi stroški. Rastlinska čistilna naprava

A

B

A – struga pred ekoremediacijo B – struga po ekoremediaciji

121


Ko človek sprejme naravo kot celoto in oblikuje pozitiven odnos do vseh oblik živih bitij, lahko razume, da je ohranjanje življenja in narave vrednota. Pozitiven odnos do narave in njeno ohranjanje je mogoče le v primeru, ko osebne in družbene odločitve ne temeljijo le na koristih človeka in njegovem zaslužku. Delovanje človeka pogosto ogroža naravo tudi zaradi pomanjkljivega znanja in nerazumevanja naravnih procesov. Posledica tega so lahko neustrezni ukrepi, ki imajo škodljive posledice za naravo in človeka ter včasih predstavljajo tudi nepotrebno finančno breme za posameznika in družbo.

Naredim in razumem

Razmisli, na kakšen način lahko prispevaš k ozaveščanju o pomenu trajnostnega razvoja v svojem okolju; načrtuj dejavnost, s katero bi v svojem okolju omogočil razumevanje, da lahko posameznik le v sodelovanju s skupnostjo koristi tudi sebi.

Posledice tanjšanja ozonske zaščitne plasti Pomen plasti s povečano koncentracijo ozona (O3) – ozonski plašč, smo že omenjali kot pomemben dejavnik pri razvoju življenja na Zemlji, saj absorbira ali odbije več kot 90 % škodljivih ultravijoličnih žarkov (UV-žarkov) in jim prepreči pot do zemeljskega površja. UV-žarki povzročajo kožnega raka, očesne bolezni in različne poškodbe rastlin in živali. Položaj in debelina ozonske zaščitne plasti se v našem ozračju ves čas spreminja. Nekatere snovi, ki jih proizvajamo ljudje, uničujejo ozon in povzročajo tanjšanje ozonske zaščitne plasti. Posledica tega je nastajanje ozonskih lukenj, ki zadržijo manj nevarnih UV-žarkov. Pomemben plin, ki povzroči verižno reakcijo in razpad molekul ozona, je klorofluoroogljikovodik (CFC), ki mu pravijo tudi freon. Plini CFC so se uporabljali kot hladilni plini v hladilnikih in tudi kot potisni plini v različnih razpršilcih. Danes je zaradi škodljivega učinka na ozonsko plast njihova uporaba prepovedana, kar je prvi pogoj, da se bo lahko ozonska plast sčasoma obnovila.

Rdeče obarvani predeli ozonskega plašča predstavljajo predele ozračja z zmanjšano koncentracijo ozona – ozonske luknje v obdobju med leti 1995–2007.

122


Globalno segrevanje – okrepljen učinek tople grede Zemljino ozračje predstavlja nekakšen filter za sončno sevanje. Ozonska plast zadrži večino sevanja, ki zato ne doseže površine Zemlje. Prepušča pa del UV-sevanja, vidno svetlobo in kratkovalovno infrardeče sevanje (IR-sevanje). Velik del sevanja, ki pride do površja Zemlje, se absorbira, pri čemer se spremeni v dolgovalovno IR-sevanje, ki ga lahko zaznamo kot toploto. Ker toplota počasi prehaja skozi ozračje, ostane v bližini površja Zemlje in ga segreva; ta pojav imenujemo učinek tople grede. Toplota je pomembna za nastanek in razvoj življenja. Na povečan učinek tople grede zagotovo vpliva tudi človek s svojim načinom življenja in industrijskim razvojem. Zaradi uporabe fosilnih goriv za ogrevanje in hlajenje v tovarnah, avtomobilih in domovih se v ozračju kopičijo plini, ki so v razmeroma kratkem času povzročili povišanje povprečnih letnih temperatur na Zemlji. Te pline (ogljikov dioksid, metan, dušikov oksid in različni ogljikovodiki ipd.) imenujemo tudi toplogredni plini.

6 2 1 Ozračje Zemlje (atmosfera)

2

4

5

Legenda 1 Sončno sevanje prehaja skozi

ozračje.

2 Del sončnega sevanja se odbije od

atmosfere in površja Zemlje.

3 Površje Zemlje absorbira energijo

sonca in se zato ogreje. Toplota se prenaša po površju Zemlje. 4 Ogreto površje Zemlje oddaja toploto v obliki infrardečega sevanja nazaj v atmosfero. 5 Toplogredni plini zadržijo del toplote, saj molekule absorbirajo del infrardečega sevanja in nato sevajo nazaj na Zemljo. 6 Del infrardečega sevanja počasi prehaja skozi atmosfero in se izgubi v vesolju. Plast toplogrednih plinov

3 Shematski prikaz učinka tople grede

Države Evropske unije so sprejele načrt, s katerim nameravajo omejiti izpuste toplogrednih plinov v ozračje, kar je povezano tudi z učinkovitejšo rabo energije in z ukrepi za ohranjanje okolja za prihodnje rodove. V geološki zgodovini Zemlje je bilo že več obdobij globalnega segrevanja, a še nikoli do sedaj ni potekalo tako hitro kakor danes. Posledica globalnega segrevanja je hitro taljenje ledenikov, zaradi katerega se bo gladina morja dvignila za 18 do 59 cm in poplavila nižje ležeče obalne predele, na katerih leži večina večmilijonskih svetovnih mest. Poleg tega že danes prihaja do povečevanja števila ekstremnih vremenskih pojavov, kot so orkani, suše in poplave, kar vpliva tako na življenje človeka kot na celotno biosfero.

123


PREVERI SVOJE ZNANJE 1. V svojem domačem kraju poišči primer, kjer se je zaradi vpliva neživih dejavnikov (npr. plazu, vetroloma, žleda ipd.) ali delovanja človeka močno spremenil del naravnega okolja. Predvidi, kako se bo v prihodnosti ta del ekosistema ali habitata pod vplivi živih in neživih dejavnikov okolja spreminjal. Svoja predvidevanja utemelji. V prihodnosti lahko spremembe sistematično opazuješ na terenu in si sproti, v rednih časovnih razmikih, beležiš svoje ugotovitve ter fotografiraš obstoječe stanje. 2. Navedi nekaj primerov redkih in ogroženih vrst ter pojasni, kaj jih ogroža. Predlagaj, na kakšen način jih lahko ohranimo za prihodnje rodove. 3. Ugotovi, del katerega bioma je Slovenija, in svoj odgovor utemelji. Na primeru organizmov v svoji okolici oblikuj primer prehranjevalnega spleta, v katerega je vključenih vsaj deset organizmov. Pojasni vlogo posameznih organizmov v prehranjevalnem spletu. 4. V Sloveniji živi evrazijski ris (Lynx lynx), ki ga uvrščamo med velike mačke. Ta vrsta risa je bila v Slovenijo uspešno naseljena leta 1973, potem ko več desetletij v naših gozdovih ni bilo risa, saj so zadnjega domorodnega risa odstrelili leta 1908. Vsi risi, ki danes živijo v Sloveniji, so potomci treh samic, ki so jih v času ponovne naselitve pripeljali s Slovaške. Je samotarska in zelo teritorialna žival, ki za svoje bivanje potrebuje teritorij 10.000 do 60.000 ha. Je specializiran plenilec, ki najpogosteje pleni srnjad, mlajši osebki pa poleg nekaterih drugih živali pogosto uplenijo polha. Po naselitvi se je njihovo število hitro povečalo. Vsi osebki so bili verjetno potomci treh samic, danes pa njihovo število upada in jim ponovno grozi izumrtje. Od leta 1993 je zavarovana vrsta. a) Poleg evrazijskega risa živi v Evropi tudi iberski ris (Lynx pardinus). Zapiši, v kateri rod uvrščamo obe vrsti risa, ter utemelji pomen uporabe dvojnega latinskega poimenovanja pri poimenovanju vrst. b) Poleg omenjenih vrst risov, ki živita v Evropi in Aziji, živita še dve vrsti risa v Severni Ameriki. Znanstveniki domnevajo, da vse vrste risov izvirajo iz skupnega prednika, ki je živel v Afriki. Ločene skupine so se začele razvijati pred približno 3 milijoni let. Pojasni, kaj je omogočilo nastanek različnih vrst risov. c) Pojasni, na kakšen način parjenje v sorodstvu in krčenje njihovega življenjskega prostora zaradi gradnje avtocest in industrijskih con ogroža obstoj risa v Sloveniji, in predlagaj možne rešitve. č) Na primeru pojasni vlogo risa v prehranjevalni verigi in spletu ter predvidi vpliv ponovnega izumrtja na ekosistem. 5. Znanstveniki, ki raziskujejo vzroke globalnega segrevanja, ugotavljajo, da se po celem svetu talijo ledeniki, povprečne letne temperature rastejo in v ozračju se povečuje delež ogljikovega dioksida (toplogrednega plina). Predlagaj, kako bi zmanjšali vpliv človeka na globalno segrevanje.

124


Stvarno kazalo A adenin 42 aerobni organizmi 61, 88 anaerobni organizmi 88 albinizem 26, 53 alel 31, 32, 46-52, 58, 69, 78-82, 84 dominantni 32 recesivni 32 Alfred Lothar Wegener 92 Alfred Russel Wallace 77 alkoholno vrenje 60, 61 aminokislina 21, 23, 44, 77, 88, 101 amniocenteza 53 amonijak 88 amonit 89 analogni organi 94 anatomska zgradba 93 anemija srpastih celic 53 anorganske snovi 22, 88 antibiotik 65, 66, 85 antigen 51 Antirrhinum sp. 33 arheje 103 Aristotel 100 asteroidi 86, 88 atmosfera 88, 117, 123 atom 14, 19-21, 23 Avstralija 92 avtohtone vrste 118 avtosomi 40, 48 avtotrofni organizem 28 B bakterije 27, 57, 60, 61, 64-66, 68, 70, 83, 85-87, 103, 108 bakterijski genom 64, 72 bakterijski kromosom 27, 64 bakteriofag 64 banke matičnih celic 69 Barbara McClintock 57 barjanska žaba 99 barjanski okarček 119 barvna slepota 49 bela lepnica 109 beljakovine 20, 21, 23, 31, 35, 39, 41, 44, 49, 60, 67, 77, 101 benzopiren 81 biček 27 binarna nomenklatura 99 biodiverziteta 109 bioindikatorji 117 bioinformatika 13, 73, 74, 101 biologi 12, 14 biološka raznovrstnost 109 biološka zdravila 63 biološke panoge 13 biološki koncepti 12 biološko znanje 13, 14, 15 biom 14, 19, 20, 110, 114, 115 bionika 13

biosfera 19, 20, 110, 114, 117, 118 biotehnologija 13, 62, 67, 72 biotehnološke metode 72, 121 postopki 61, 72 biotska pestrost 109 biotska raznolikost 15, 72, 108-111, 115, 119 metode ugotavljanja 112 ogrožanje 118 ohranjanje 119, 121 biotska raznovrstnost 109 boj za obstanek 78, 81 Boletus edulis 102 bombaž 67 Bombina variegata 119 brezrepe ozkonose opice 104 brodnik 91 Bt toksin 67, 68 C Campanula zoysii 111 Carl Linné 99 Carl Woese 103 celica 14, 18, 19, 20, 36, 38, 62, 69 bakterije 27, 64, 66 ciklame 18 čebule 27 človeka 66 diferencirane 69 evkariontska 27, 28, 35 gensko spremenjene 69 glivna 27 haploidna 37 hčerinska 36 jajčna 30, 32, 40, 68, 71 materinska 36 matična 69 nediferencirane 69 praspolna 37 prokariontska 27 rastlinska 27, 72 specializirane 69 spermalne 30, 32 spolna 30, 37, 38, 40, 49, 51, 81 srčne mišice 27 telesna 40, 81, 71 živalska 27 celična delitev 36, 37, 71 membrana 20, 21, 27, 28, 44, 88 stena 27 teorija 19, 35 celične kulture 62, 63 celični cikel 38 organel 27, 35 celično dihanje 23, 28 centromera 40 Cepaea nemoralis 79

CFC 122 Charles Darwin 77, 78, 84, 98 cianobakterije 87, 88 cistična fibroza 48, 53, 69 CITES 15 citiplazma 27, 64 citosol 27 citozin 42 Crick 35, 36 Č čista linija 29, 30 čistilna naprava 65 rastlinska 121 človečnjaki 103, 104 črni močeril 111 D Darwin 77, 84, 98 Darwinovi ščinkavci 84, 85 deblo 101, 102 dedne bolezni/motnje 52, 53 informacije 27, 35, 36, 41 lastnosti 46, 47, 77, 78 dedovanje 13, 26, 29, 30-32, 36, 48, 58, 62, 77, 79 dva ali več genov – ena lastnost 33, 51 en gen – ena lastnost 33, 47, 48 hemofilije 49 krvne skupine 50, 51 monogensko 33, 48 poligensko 33 pri človeku 46-58 spolno vezano, 49, 50 dejavniki evolucije 79, 80 dejavniki okolja 51, 52, 57, 58, 79, 92 neživi 110, 113, 114, 117 živi 113 deoksiribonukleinska kislina 19, 26, 35 deoksiriboza 42, 44 deviškorodnost 38 devon 87 diagram stolpčni 8 tortni 9, 21 dinamični sistem 19, 65 dinozavri 88 diploidni organizem 37 distrofin 49 divergentni razvoj 94 DNA 13, 19, 20, 26-28, 35, 36, 39-44, 62-64, 66, 68, 70, 72, 77, 81 analiza 55, 56, 63, 95 kodirajoča 41 nekodirajoča 41, 56 prstni odtis 55, 56, 63 tridimenzionalna zgradba 35, 36

določevalni ključ 113 domena 101-103 dominantna lastnost 30-32, 47, 48, 53 dominantni alel 32 dominantni homozigoti 32, 48 domneva 7, 86, 88 domorodne vrste 118 življenjske združbe 118 Downov sindrom 54 drevo življenja 100 drozg 79, 81 družina 101, 102 Dušenova mišična distrofija 49 dušik 20, 22, 42, 88 dušikove baze 36, 42 dvočlensko poimenovanje 99 dvojčki dvojajčni 58 enojajčni 55, 58 dvojna vijačnica 36, 41, 42, 43 model 36 dvojno poimenovanje 99 dvokrpi ginko 91 E ekologi 116, 14 ekologija 116 ekološka sukcesija 113, 114 ekoremediacije 63, 121 ekosistem 14, 19, 20, 92, 108, 110, 112, 118, 119 razvoj 113, 114 eksperiment 7, 10 encim 23, 31, 44, 61, 63, 66 endemit 111 endoplazemski retikel 27, 28 endosimbiontska teorija 28 eocen 87 epigenetika 58, 71, 79 Ernst Haeckel 100, 116 Escherichia coli 27, 41, 66 evglena 36, 100 evkarionti 37, 100, 102, 103, 109 evkariontska celica 27, 35 evolucija 14, 28, 37, 57, 65, 74, 77-85, 88, 89, 92, 109, 118 človečnjakov 105 evolucijska sistematika 100 teorija 77 evolucijsko drevo 78, 95, 103-105 F fenotip 32, 33, 69, 78, 79, 80 fenotipske lastnosti 32, 46, 49, 51 fermentacija 61 fermentor 63, 66 filogenija 100

125


fosfatna skupina 42 fosfolipid 20, 21 fosfor 20, 22, 42 fosil 77, 86, 89-93, 98, 103 fosilna goriva 22 fotosinteza 23, 28, 108 Francis Harry Compton Crick 35 Franklin 35, 36 freon 122 Friedrich Wohler 22 G Galapaški otoki 84, 85 gelska elektroforeza 56 gen 16, 26, 31, 33, 41, 44, 46-52, 56-58, 62, 66, 67, 69, 71-73, 77-86 generacija 36 potomci F1 32, 33 potomci F2 32, 33 starševska P 32, 33 genetika 14, 26, 29 populacijska 14, 79 genski profil osebe 56 gensko svetovanje 55 genom 40, 41, 47, 48, 51, 55, 57, 62, 66, 67, 69, 74, 81, 82 spreminjanje 64-68, 72 genomske mutacije 82 genotip 32, 33, 46, 48, 50, 61, 62, 65, 69, 78, 80 genska analiza 85, 98 genska informacija 26, 36, 41, 42, 44 genska napaka 52, 55, 69 genska raznolikost 38, 51, 62, 78, 81,109 genska terapija 57, 69 genske mutacije 81, 82 genski inženiring 63-74 genski kod 13 genski sklad populacije 79, 80-83 genski zemljevid 56, 57 gensko spremenjeni organizmi 16, 64-68, 72-74 gensko testiranje 63 gensko zdravljenje 52, 57, 63, 69 izolacija 84 geografska ločitev 83 ovira 92 geološka obdobja 77, 83, 86-89 Geospiza fortis 85 glikoprotein 51 glive kvasovke 27, 41, 60, 66 globalno segrevanje 123 Golgijev aparat 27 gorska narcisa 119 graf linearni 8 grah 29, 30-32 Grant Peter 85 Rosemary 85 Gregor Mendel 29 gvanin 42 H habitat 111

126

Haeckel 16, 100 haploidne celice 37 HDL 53 hemofilija 46, 48, 49, 50 hemoglobin 44 Henning 100 heterotrofni organizem 28 heterozigot 32, 48 hibrid 30 hierarhičen 19 hiperholesterolemija 53 hipoteza 7, 10, 14, 86 histogram 8 histon 39 hitra evolucija 84, 85 holesterol 21, 53 Homo sapiens 47, 102, 103, 105 homologni kromosomi 31, 37, 40, 46 homologni organi 93 homozigot dominantni 32, 48 recesivni 32 hribski urh 113 hrup 118 Hufnagel 121 holocen 87, 89 I infrardeče sevanje 123 insekticid 65-68 intermediarni znak 33 invazivka 118 invazivne tujerodne vrste 118 inzulin 66, 73 IR-sevanje 123 izbor naravni 52 umetni 62 izumrtje/izumrli 77, 86-89, 92, 100, 101, 104 J James Dewey Watson 35, 36, 56, 57 jantar 89 Jean Baptiste Lamarck 77 jedro 19, 27, 28, 35, 40, 44, 54, 66, 68, 71 jesenski goban 102 jura 87 K kambrij 87 kapsula 27 karbon 87 karbonati 22 kariogram 40, 54 kariotip 54, 55 Kelvin 23, 86 kemični nivo 20 kemijska reakcija 18, 19, 23 spojina 22 kenozoik 87 kisik 20, 22, 23, 42, 61, 88, 117

kit 24, 93, 95 klimaksna združba 114 klimaksne vrste 114 klimatske spremembe 118 klimogrami 115 Klinefelterjev sindrom 54 kljunaš 91 klon 70, 72 kloniranje 70, 71 klor 22 klorofluoroogljikovodik 122 kloroplast 27, 28 koagulacija 60 kodominantni alel 33 kolonija 78 koloradski hrošč 68 kompleksen 18, 19, 21, 83 komplementaren 42, 43 konjugacija 64 kontinenti 87, 91 kontrola poskusa 7, 9, 10 konvencija 15 konvergentni razvoj 94 konzervacija 90 koproliti 89 koruza 57, 67, 102 kovalentne vezi 21, 23 kraljestvo 72, 101, 102, 103 kranjska lilija 119 kranjski jeglič 111 kreda 87, 88 križanec 30, 32 križanje 32-33, 62, 84 dihibridno 34 dominantno-recesivno 32 intermediarno 33 kromatida 39 kromatin 39 kromosom 36, 37, 39, 40, 41, 51, 71, 82, 83, 84 bakterijski 27, 64, 66 dvokromatidni 39 enokromatidni 39 metafazni 40 mitohondrijski 48 nespolni 40, 48 spolni 40, 49 kromosomske mutacije 81, 82 kromosomske napake 54, 55 krompir 68 kroženje snovi 108 krvna skupina 50, 51 kuščar 89 kvark 86 kvartar 87 kvasovka 41, 27, 60, 66 L

Lactobacillus sp. 60, 61 Lamarc 77 latimerija 91 LDL 53 lecitin 67 ledena doba 87, 88 Leopold Hufnagel 121 Lilium carniolicum 119

Linnaea borealis 99 Linné 99 lizosom 27 Louis Pasteur 61 LUCA 88, 103 M mali vrtni polž 79-81, 84 mamut 87, 90 maščobe 20, 21 matične celice 69, 73 Matthias Jakob Schleiden 19 Maurice Hugh Frederick Wilkins 35, 36 McClintock 57 medved 119 rjavi 102 mejoza 37, 31, 38, 51, 55, 81 melanin 52 melanizem 26 Mendel 29 Mendlovi zakoni 29 meristem 69 metabolizem 23 metan 88 meteoriti 86, 88 metilna skupina 58 metode ugotavljanja biotske raznolikosti 111, 112 mezozoik 87 mikrofosili 86 Miller 88 minerali 22 miocen 87 miocen 87 mitohondrij 19, 27, 28 mitohondrijski kromosom 48 mitoza 36-39, 81 mladoletnica 24 mlečnokislinske bakterije 60, 61 mlečnokislinsko vrenje 60, 61 močvirski tulipan 118, 41 molekule 14, 19, 20 DNA (glej DNA) organske 20, 88 polarna 22, 23 mRNA 44 mumifikacija 89 mutacije 46, 48-55, 58, 62, 79, 81, 82 genomske 82 genske 81, 82 kromosomske 81, 82 naključne 81 mutageni dejavniki 81 N nadkraljestvo 101 naključne mutacije 81 naravna selekcija 79 naravni ekosistem 108 naravni izbor 52, 77-86 naravni sistemi 100 Narcissus poeticus radiiflorus 119 nastanek kontinentov 91-92 novih vrst 81, 83-86


osončja 86 Zemlje 86 življenja 76, 86-88 Natura 2000 15, 119 nespolni kromosomi 48 nespolno razmnoževanje 38 nevtralne mutacije 81 neživa narava 21, 22, 79 neživi dejavniki 110, 113, 114, 117 neživi sistemi 20, 21 neživo okolje 108 Nobelova nagrada 36, 57 nuhalna svetlina 53 nukleinska kislina 19, 21, 35, 41, 42, 44, 88 nukleotidi 35, 41-44, 56, 57, 82, 101, 103 O odolin 33 odpornost 13, 15, 64-68, 78, 85 odprti sistemi 18, 19, 108 ogljik 20, 21, 22, 42 izotop 90 ogljikov dioksid 22, 60, 90, 123 ogljikovi hidrati 20, 21 okamnine 90 oligocen 87 onesnaževanje 118 svetlobno 118 zmanjševanje 121 opice 104 oploditev 31-33, 37, 38, 49, 51 oprašitev 32 umetna 30 ordovicij 87 organ 18, 19, 20, 69, 73 organizacijski nivoji 19, 20 organizem 13, 15, 19-23, 62, 63, 70, 101, 108, 109, 116 aerobni 88 anaerobni 61, 88 diploidni 37 indikatorski 117 izumrli 77 kloniran 72 odmrli 22, 89, 90 ogrožen 119 poimenovanje 99 prvi 86 skupni prednik 103 organske baze 42, 44 molekule 20, 88 snovi 21, 22, 88, 108 spojine 19, 61, 88 organski sistem 19, 20 orjaški plazilci 87, 88 osebek 78, 79, 85, 110, 112 ostvar 91 ovca Dolly 70, 71 ozon 117, 122 ozonska luknja 122 ozonska plast 122 ozonski plašč 88 ozračje 88, 122, 123

P paleontologija 89 Pangea 87, 92, 91 paramecij 27, 36, 100 partenogeneza 38 pasterizacija 61 Pasteur 61 penicilin 66 pesticidi 72 Peter Grant 85 pigment 52 pili 27 pionirske vrste 114 Pisum sativum 29 placentalni sesalci 92 plastid 19, 28 plavček 99 plazmid 27, 64, 66 plen 78, 79 plenilec 78, 79, 81 podnebne spremembe 80 področja biotehnologije 63 podvojevanje DNA 43, 44 kromosomov 36 polarna molekula 22, 23 polidaktilija 53 polimer 41 polimorfizem 79 poliploid 82, 84 polopice 104 popis 112, 113 populacija 19, 20, 65, 78-86 človeška 118 populacijska genetika 79 pora 27 potrošniki 108, 112 prave opice 104 pražival 27 prednik 82, 101 človeka 87, 104, 105, 118 evkariontski 28 izumrli 101 prokariontski 28 skupni 77, 88, 94, 98, 103, 104 prehranjevalna veriga 108 prehranjevalni splet 112, 114 prekrižanje kromosomov 37 premog 89 prenašalka 46, 49 presnova 23 preživetje vrste 77, 79, 83, 84 pridobivanje inzulina 66 primati 103, 104 Primula carniolica 111 proizvajalci 108, 112 projekt Človeški genom 57 prokarionti 28, 85, 109 prokariontska celica 27 Proteus anguinus parkelj 111 protisti 100, 103 prvaki 103, 104 pšenica 84 paleozoik 87 pleistocen 87 pliocen 87

paleocen 87 perm 87, 88 predkambrij 87 Punnettov kvadrat 32, 55 R radioaktiven izotop 90 sevanje 81 radiometrično datiranje 90 radon 81 Rana arcis 99 arvalis 99 Ranunculus aquatilis 99 rastni hormon 66 raziskovanje 6, 7, 10 namen 7 v naravi 112 vprašanje 7, 10 znanstveno 6, 7, 10 razkrojevalci 108, 112 razmnoževalne pregrade 84 razmnoževanje 65, 79, 84, 77, 78 bakterij 66 nespolno 36, 38, 85, 70, 101 spolno 37, 38, 46, 79, 83, 101 raznolikost 38, 79, 82, 83, 84 biomov 110 biotska 111, 108, 109, 110 ekosistemov 110 fenotipov 51 genska 51, 109, 62 vrst 109 življenjskih združb 110 razpolovni čas 90 razred 101, 102 razvoj ekosistema 113, 114 življenja 87-89, 76, 86 razvojna teorija 77 razvojno drevo 95, 100, 101 razvrščanje 98 rdeči seznam 111 recesivna lastnost 30, 31, 32, 47, 53 recesivni alel 32, 50 homozigoti 32 red 101, 102, 103 rentgenska kristalografija 35, 36 rentgenski žarki 35 rezistenca 65, 85, 64, 68 ribonukleinska kislina 35, 19 ribosomi 27, 44, 103, 19 riboza 44 ripeča zlatica 99 riž 68 RNA 44, 35, 88, 19 rod 101, 102 rodovnik 48, 50, 52, 55 Rosalind Franklin 35, 36 Rosemary Grant 85 rRNA 103 Rudolph Carl Virchow 19

S samooploditev 29, 32, 33 samooprašitev 30 Schleiden 19, 35 Schwann 19, 35 selekcijski pritisk 81, 85 semenčica 27, 40 sevanje infrardeče 123 radioaktivno 81 sončno 123 ultravijolično 52 UV 52, 123 severna linejka 99 Silene latifolia 109 silicij 22 silur 87 sistem 99, 14 dinamični 18, 19, 65 evolucijski 100 naravni 100 neživi 20 odprti 18, 19, 108 umetni 100 živi (glej živi sistemi) sistematika 100, 101, 98, 14 sistematske enote 100-102 sistemska biologija 73, 74 skakajoči geni 57 sladkor 23, 42, 44, 60 sladkorna bolezen 66 sladkorno-fosfatno ogrodje 35, 36 soja 67 solinski rakec 38 sonaravna raba 119 sonaravno kmetovanje 121 speciacija 83 specifična toplota 23 specifična toplota 23 spojine kemijska 22 ogljikove 21 organske 88 spolna celica 38, 40, 49, 51, 81 moška 30, 37 ženska 30, 37 spolno razmnoževanje 37, 38, 46 spontane mutacije 81 spremembe podnebja 88 spremenljivka neodvisna 8, 9, 10 odvisna 8, 9, 10 spremenljivost 78, 79 Stanley Miller 88 Staphylococcus aureus 66 starost fosilov 90 Streptococcus thermophilus 60, 61 sukcesija 113, 114 superorganizem 88 Systema naturae 99 Š ščinkavci 84, 85 šimpanzi 82, 104, 105 število potomcev 78, 79, 82, 83, 85

127


T takson 100 tekmovanje 79 tektonske plošče 91, 92 terciar 87 Theodor Schwann 19 timin 42 tkivne kulture 62 tkivo 18-20, 69 toplogredni plini 123 trajnostni razvoj 120-122 transpiracija 23 trias 87, 88 trilobit 89 trisomija 21, 54 tRNA 44 tuatara 91 tujerodne vrste 118 Turdus sp. 79 Turnerjev sindrom 54 U učinek tople grede 123 ultravijolično sevanje 52, 117 ultrazvok 53 umetni ekosistem 108 umetni izbor 62 uracil 44 uredba 111, 113 Ursus arctos 102

UV-sevanje 52, 123 UV-žarki 122 V vakuola 27 variabilnost 78 varstvo narave 117 varstvo okolja 117 velike človeku podobne opice 104 veliki pok 86 vez kemična 108 kovalentna 21, 23 vodikova 22, 23, 42, 43 vijačnica 36, 41-43 virus 61, 64, 72, 73 vmesni znak 33 voda 20, 22, 23, 24, 60, 65 plodovna 24 vodik 20, 22, 42, 88 vodikova vez 22, 23, 42, 43 vodna para 88 vpliv okolja 26, 78-86 vrečarji 92 vrenje alkoholno 60, 61 mlečnokislinsko 60, 61 vroče točke 65, 110, 111 vrsta 77-79, 82-86, 92, 100, 101, 109-112, 117

avtohtona 118 človeška 104 domorodna 118 invazivna 118 klimaksna 114 ogrožena 119 pionirska 114 poimenovanje 99 prehodna 114 tujerodna 118 W Wallace 77 Watson 35, 56, 57 Wegener 92 Wilkins 35 Willi Henning 100 Woese 103 Wohler 22 Z zakonodaja 14, 15, 16, 68, 74, 99, 113, 119, 121 zarodek 23, 69, 71, 94 zavarovan 111, 113, 119 združba klimaksna 114 pionirskih vrst 114 zrela 114 življenjska 19, 20, 112, 114, 118

Zea mays 102 zigota 37, 40, 49 zlata rozga 118 zlati riž 68 Zoisova zvončica 111 zrela združba 114 Ž žarki rentgenski 35, 81 ultravijolični 88, 122 UV 122 X 35 železo 88 živa bitja 108 narava 79, 21 živi dejavniki 113 živi fosili 91 živi sistemi 20, 21, 36, 57, 77, 18, 19, 74 življenjska združba 19, 20, 114, 112, 118 življenjski procesi 19 prostor 118, 119 žveplo 20, 22 žveplovodik 88

Avtorji in viri fotografij: Marko Pahor/str. 5; Primož Pahor/str. 15 (sredina, spodaj), 16 (zgoraj sredina), 18 (druga z leve), 24 (spodaj), 57, 63 (spodaj), 94 (v robu), 97, 118 (svetlobno onesnaževanje, želva rdečevratka), 120 (spodaj desno); Laura Javoršek/str. 6, 11, 13 (zgoraj, srednja v sredini), 15 (zgoraj), 16 (zgoraj levo, spodaj), 17, 18 (levo), 23, 26 (spodaj), 38 (sredina, desno), 46 (zgoraj), 47, 60 (zgoraj levo, v sredini druga z leve, spodaj), 84, 93 (zgoraj sredina), 104, 107, 110, 111 (zgoraj, sredina), 112, 113, 119 (zgoraj sredina, zgoraj desno); Foto arhiv GIAM ZRC SAZU/str. 118 (triglavski ledenik); Ana Korže/str. 120 (spodaj levo); Mina Mušinović/str. 116; Rollin Verlinde/str. 111 (spodaj); arhiv bratov Malek/str. 58 (sredina); Petra Kokalj/str. 58 (spodaj); Janez Vevar/str. 59; Iztok Tomažič/str. 18 (tretja z leve); Komunala Kočevje d.o.o./str. 65; Photo courtesy of , The Roslin Institute, The University of Edinburgh/str. 70 (ovca Dolly in njena potomka Bonnie); Fanzen JL, Gingerich PD, Habersetzer J, Hurum JH, von Koenigswald W, et al. (2009) Complete Primate Skeleton from the Middle Eocene of Messel in Germany: Morphology and Paleobiology. PLoS ONE 4(5): e5723. doi:10.1371/journal.pone.0005723/str. 103; Mark V. Erdmann/str. 91 (spodaj levo); Cherie Mittenthal/str. 91 (spodaj sredina); Maja Javoršek/str. 111 (zgoraj levo); Marjeta Škarja/str. 18 (desno); De León, L. F./str. 85; Francis Latreille/str. 90; Anetlanda/str. 89 (spodaj sredina); Hawk/str. 89 (spodaj desno); Davorin Tome/str. 22 (levo), 25, 99 (spodaj); Robert Cameron/str. 79 (levo); Dave Watts/str. 79 (desno), Stephan Schaal/str. 103; Shutterstock: Pressmaster/str. 6 (spodaj levo), Alexander Raths/str. 6 (spodaj druga z leve), bikeriderlondon/str. 13 (spodaj desno), P. Jirawat/str. 16 (zgoraj desno), 118 (spodaj levo), Konrad Mostert/str. 24 (zgoraj levo), DoctorKan/ str. 26 (v robu spodaj), Carolina K. Smith/str. 27 (zgoraj desno), bluehand/str. 38 (zgoraj levo), 91 (zgoraj sredina), Yuri Arcurs/str. 52, Denis Kuvavev/str. 54, AISPIX/str. 83, Lorraine hudgins/str. 89 (zgoraj levo), Sarkao/str. 89 (zgoraj desno), Cameramannz/str. 91 (zgoraj desno), Alessandro Zocc/str. 91 (sredina levo), worldwildlifewonders/str. 91 (sredina desno), Covenant/str. 93 (zgoraj levo), Marco Tomasini/str. 93 (zgoraj desno), Sergey Uryadnikov/str. 93 (spodaj levo), Dean Bertoncelj/str. 93 (spodaj sredina), Jeroen Visser/str. 93 (spodaj desno); Wikipedia: str. 13 (spodaj levo), 19, 22 (zgoraj), 27 (zgoraj levo, zgoraj sredina), 35, 36, 46 (spodaj), 49, 51, 60 (v sredini prva z leve), 67, 77, 78, 88, 89 (spodaj levo), 91 (spodaj), 94 (zgoraj), 95, 99, 100, 117, 118 (Ashley Felton), 119 (spodaj)

128


129


130

Profile for Pipinova Knjiga

RAZIŠČI SKRIVNOSTI ŽIVEGA 9, učbenik  

RAZIŠČI SKRIVNOSTI ŽIVEGA 9, učbenik