Boken har följande kapitelindelning: 1 Olika men ändå lika 2 Livets kemi 3 Cellen i funktion 4 Växter och svampar i funktion 5 Människan och andra djur i funktion 6 Sinnen och kommunikation 7 Sex och människans livscykel 8 Bakterier och virus 9 Bioteknik
Anders Henriksson har undervisat i biologi, kemi och naturkunskap på gymnasieskolan i ca 20 år. Nu arbetar Anders som läromedelsförfattare och naturfotograf. Han har samarbetat med Gleerups sedan 1994, vilket har resulterat i flera kända läroböcker i biologi, kemi och naturkunskap.
Anders Henriksson
I Iris-serien ingår även kursboken Iris Biologi 1 (100 p) samt webbtjänster till kursböckerna. Läs mer på www.gleerups.se.
Iris Biologi 2
Iris Biologi 2 är kursbok till gymnasiekursen Biologi 2 (100 p).
Iris
biologi 2 Anders Henriksson
INNEHÅLL 1 Olika men ändå lika ................................... 6 Vi utgår från cellen ............................................ 7 På tal om celler – Hur vi lärde känna cellen .. 14 Något om virus ................................................ 15 Fortplantning ................................................... 16 Sammanfattning ........................................... 18 Testa dig själv ............................................... 19
2 Livets kemi ................................................. 20 Biologer behöver kemi ..................................... 21 Kol ingår i allt levande ..................................... 22 På tal om kolföreningar – Från vitalism till tuggummi ............................ 23 Celler består av polymerer ............................... 28 Kolhydrater ..................................................... 29 Lipider ............................................................. 33 Proteiner .......................................................... 37 På tal om fiberprotein – Från larv till siden ... 39 På tal om prioner – Prioner skadar hjärnan .. 45 Nukleinsyror .................................................... 46 Nukleotid som energibärare ............................. 47 Sammanfattning ............................................ 48 Testa dig själv ................................................ 49
3 Cellen i funktion ........................................ 50 Stor variation ................................................... 51 Att studera celler .............................................. 53 Cellmembranets egenskaper ............................. 56 Innanför cellmembranet ................................... 58 Koppling och kommunikation ......................... 65 Ämnestransport ............................................... 69 På tal om osmos – Växtceller klarar trycket .. 73 Metabolism och energi ..................................... 74 Cellandning ..................................................... 75 På tal om ATP – Energibehov och förgiftning . 79 Jäsning ............................................................. 81 Sammanfattning ............................................ 82 Testa dig själv ............................................... 83
4
4 Växter och svampar i funktion ............... 84 Växter ............................................................ 85 På tal om fotosyntes – Den torra vintern ..... 95 Svampar ........................................................ 102 Sammanfattning ........................................ 104 Testa dig själv ............................................ 105
5 Människan och andra djur i funktion .. 106 Mest vatten ................................................... 107 Kroppens vävnader ....................................... 108 Kroppens arbetsenheter ................................ 110 Matspjälkning ............................................... 112 På tal om matspjälkning – Sjöstjärnans matskick ................................. 113 På tal om matspjälkning – Maskar utan mun och tarm ........................ 114 På tal om munhålan – Tänder anpassade till födan ........................ 117 Mat och hälsa ............................................... 125 På tal om lipider – Härdat fett och transfett ............................. 129 På tal om livsmedel – Vatten och andra måltidsdrycker ................ 135 Ätstörningar ................................................. 136 Sammanfattning del 1 ................................ 138 Andning ........................................................ 139 På tal om andningsrytm – Experter på fridykning ............................... 145 På tal om gasutbyte – Gastransportens mekanismer ...................... 147 På tal om skadade lungor – Tobaksrökning . 149 Blodkärlssystemet ......................................... 150 På tal om värmereglering – Öron som kylflänsar och värmeväxlare i benen .......... 158 På tal om etanol – Etanol i blodet .............. 162 På tal om levern och alkohol – Alkoholers giftverkan ................................. 163 Sammanfattning del 2 ................................ 164 Blodet ........................................................... 165 På tal om blodvärde – Blodvärde och dopning ............................... 168
På tal om blod och syre – Kondition och syreupptagning .................... 169 Immunsystemet ............................................. 173 Blodgrupper .................................................. 188 Sammanfattning del 3 ................................ 190 Utsöndring .................................................... 191 På tal om utsöndring – Kväve – ett djuriskt avfallsproblem ............. 195 Huden ........................................................... 196 På tal om huden och solen – Födelsemärken och hudcancer .................... 197 Skelettet ........................................................ 200 Musklerna .................................................... 206 På tal om muskelfibrer – Rött och vitt kött hos djur .......................... 211 På tal om träning och muskler – Farlig genväg till större muskler ................. 212 Sammanfattning del 4 ................................ 213 Testa dig själv ............................................ 214
På tal om kärlek – Monogama och polygama sorkar ................. 268 Hur bestäms könet? ....................................... 269 Sexuell läggning ............................................. 270 På tal om sexuell läggning – Sexualitet hos djur ....................................... 271 Vad händer när vi har sex? ............................. 272 Skydd vid sex ................................................. 274 Sexuellt överförbar smitta .............................. 276 Abort ............................................................. 278 På tal om kropp och samhälle - Omskärelse . 279 Tidig embryoutveckling .................................. 280 En människa tar form .................................... 282 Liv och död .................................................... 285 På tal om graviditet – Provrörsbefruktning .. 285 Tumörer ......................................................... 286 Sammanfattning .......................................... 288 Testa dig själv ............................................. 289
8 Bakterier och virus .................................. 290 6 Sinnen och kommunikation .................. 218 Nervsystemet ................................................ 219 På tal om hjärnan – Från kniv till magnetkamera ....................... 232 Skadligt beroende ......................................... 235 Den viktiga sömnen ...................................... 238 Sammanfattning del 1 ................................ 239 Våra sinnen .................................................. 240 På tal om hörsel – Infraljud och ultraljud .. 246 På tal om lukt och smak – Kemiska signaler i djurens värld ................. 250 Hormonsystemet ........................................... 251 På tal om hormoner – Positiv och negativ stress ............................ 254 Sammanfattning del 2 ................................ 257 Testa dig själv ............................................ 258
Mikrobiologi .................................................. 291 Bakterier ........................................................ 292 På tal om bakteriers förökning – Att odla bakterier ........................................ 295 På tal om bakterier och människan – Antibiotika ................................................. 297 Virus .............................................................. 299 Vår kamp mot infektioner .............................. 301 Sammanfattning .......................................... 304 Testa dig själv ............................................. 305
9 Bioteknik .................................................. 306 Berör människors vardag ............................... 307 Celler i människans tjänst .............................. 308 Från idé till läkemedel .................................... 313 Sammanfattning .......................................... 314 Testa dig själv ............................................. 314
7 Sex och människans livscykel ............... 260 Den sexuella lusten ....................................... 261 Människans kön ........................................... 262 Hormonernas inflytande ............................... 266
Register ........................................................ 315 Bildförteckning ........................................... 320
5
4 V채xter och svampar i funktion
84
Syfte och mål Syften i ämnesplanen Utveckla kunskaper om biologins begrepp, modeller, teorier och arbetsmetoder. Utveckla förmågan att analysera och söka svar på ämnesrelaterade frågor. Utveckla förmågan att planera, genomföra, tolka och redovisa fältstudier, experiment och observationer samt förmågan att hantera material och utrustning. Utveckla förmågan att använda kunskaper i biologi för att kommunicera samt för att granska och använda information.
Mål i kapitlet • • • • •
Känna till fotosyntesens olika delreaktioner samt skillnader mellan C3-, C4- och CAM-växter. Känna till växters byggnad och transportsystem för ämnen. Känna till exempel på växthormoner och deras effekter. Kunna beskriva exempel på livscykler hos växter. Få ökad kunskap om svampars byggnad och livsprocesser.
Växter Till skillnad från svampar och djur samt flertalet bakterier och arkéer kan växter omvandla ljusenergi till kemiskt bunden energi. De är med andra ord fotoautotrofa. Denna egenskap delar växterna med algerna (samt bl.a. blågröna bakterier). Detta är inte förvånande eftersom växterna har utvecklats ur grönalger. Alger lever med vissa undantag i vatten, medan växterna dominerar på land. Eftersom alger ”badar” i vatten behöver de inget skydd mot uttorkning. Deras celler tar upp vatten och lösta närsalter direkt från det omgivande vattnet och därför har de inte heller behov av rötter och ledningssystem som transporterar ämnen inom organismen. Alger saknar dessutom stödjande stammar (stjälkar) eftersom de hålls uppe av vattnets ”lyftkraft”. Alger kan ha sporer och könsceller som simmar, men detta spridningssätt är inte lika effektivt på land. I detta kapitel ska vi bl.a. se hur växternas byggnad och fortplantning har anpassats till livet på land. Vi ska dock börja med att studera fotosyntesen, dvs. hur växterna utnyttjar ljusenergi till att bygga organiska molekyler av koldioxid och vatten. I detta avseende finns stora likheter mellan växterna och algerna. Maskrosens pistiller växer upp som ”ludna” stavar genom rörformade ståndare. Varje pistill tillhör en enda blomma. De många små blommorna sitter tätt intill varandra i en blomsamling som kallas korg. Maskrosorna tillhör familjen korgblommiga växter (Asteraceae).
Mossor är växter med stjälkar och blad, men de saknar rötter. Därför kan de inte ta upp vatten och närsalter från marken, utan är beroende av nederbörd och dagg som hamnar uppe på växterna. Man skulle kunna säga att mossorna representerar en lägre utvecklingsnivå på land än vad övriga växter gör.
85
Fotosyntesen steg för steg Tack vare fotosyntesen kan växter och andra fotoautotrofa organismer bygga upp hela sin organism med hjälp av enbart ljusenergi och oorganiska ämnen från omgivningen. De är med andra ord självförsörjande på organiska ämnen (energirik näring) och därför sägs de vara ekosystemens primärproducenter. Hittills har vi sammanfattat fotosyntesen på följande sätt: ljusenergi
+
6 CO2
+
6 H2O
C6H12O6
+
6 O2
Nu ska vi se att fotosyntesen består av olika delprocesser på samma sätt som cellandningen.
Fotosyntesen sker i kloroplasterna
ER ribosomer cellmembran cellvägg cellkärna mitokondrie vakuol
kloroplast
membran
tylakoider
stroma
Växtcellens (överst) och kloroplasternas byggnad. Se även växtcellen på sidan 13 där organeller kommenteras.
86
Hos växter och alger sker fotosyntesen inne i organeller som heter kloroplaster. Precis som mitokondrier omger sig kloroplaster med ett dubbelt membran. Inne i kloroplasterna finns buntar av membranblåsor som heter tylakoider. Det är tylakoiderna som innehåller klorofyll (och andra ljusabsorberande pigment) och som svarar för den del av fotosyntesen som är direkt beroende av ljus. Denna del kallas ibland för ljusreaktionen. Tylakoiderna omges av en vattenlösning som heter stroma. I den sker den avslutande delen av fotosyntesen som innebär att glukosmolekylerna C6H12O6 bildas. Detta är den s.k. koldioxidbindande reaktionen. (Den kallas även mörkerreaktionen, vilket är missvisande eftersom den är beroende av ljusreaktionen och därmed av ljus.) I stroman ingår även en ringformad DNA-molekyl samt ribosomer. Detta gör att kloroplasterna har en viss grad av självstyre inom cellen. De kan t.ex. föröka sig och deras eget DNA kodar för en del av de enzymer som deltar i fotosyntesen. Att kloroplasterna omger sig med ett dubbelt membran, samt har eget DNA och egna ribosomer, stödjer endosymbiosteorin som beskrivs på sidan 8. Om man studerar gröna bladceller i ett ljusmikroskop ser man ofta att kloroplasterna är i rörelse. De transporteras med hjälp av mikrotubuli (se sidan 63) och kan på så sätt koncentreras på den sida av cellen som får mest ljus. Kloroplasterna tillhör en grupp av organeller som kallas plastider och som bara finns hos växter och alger. Så kallade kromoplaster är också plastider. De innehåller pigment som ger bl.a. kronblad och frukter orange eller röd färg (dessa pigment deltar inte i fotosyntesen). Det finns även vita (ofärgade) plastider som heter leukoplaster. Dessa lagrar stärkelse och finns i de växtdelar som förvarar stärkelse som upplagsnäring, t.ex. i potatisens stamknölar.
4 – Växter och svampar i funktion
Ljusabsorberande pigment I tylakoidernas membran (se nästa sida) fångas ljusenergi med hjälp av ljusabsorberande pigment. Dessa utgörs i första hand av klorofyll som hos växter brukar vara en blandning av de båda varianterna klorofyll a och b. Dessa absorberar ljus vid något olika våglänger och kompletterar på så sätt varandra. Båda absorberar dock huvudsakligen ljus inom de blå- och gulröda våglängdsområdena. Därför upplever vi att klorofyll är grönt. Det är ju främst ljus inom det gröna våglängdsområdet som reflekteras då klorofyll träffas av vitt ljus. Hos växter förekommer även karotenoider (karotener och xantofyller) som ljusabsorberande pigment och som komplement till klorofyllet. Dessa absorberar inte ljus inom det gulröda våglängdsområdet och upplevs därför ha dessa nyanser. Normalt är det dock klorofyllet som ger färg åt växternas blad eftersom klorofyllet dominerar över karotenoiderna. Förutom kol, väte, och syre innehåller klorofyll kväve och magnesium. Det är två grundämnen som växter kan få brist på. Därför bryter lövfällande träd ner sitt klorofyll på hösten för att ta tillvara klorofyllets kväve och magnesium innan bladen fälls. I det läget framträder karotenoidernas gulröda ”höstfärger”. Karotenoiderna är bara byggda av kol, väte och eventuellt syre. Dessa grundämnen är lätt åtkomliga för växter och därför är de mindre viktiga att spara.
CH 2 CH 3 R
H2 C
C H
N
CH 3 O
N Mg
N CH 3
klorofyll a: R =
C
N
O CH 3
OCH3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
O
O
CH 3
CH 3
klorofyll b: R =
C
O H
Klorofyllmolekyl. Det enda som skiljer klorofyll b från klorofyll a är att en aldehydgrupp ersätter en metylgrupp.
Relativ absorption (%) klorofyll a klorofyll b
karotenoider
400
500
600
700
Ljusets våglängd (nanometer) Adsorptionsspektrum för klorofyll och karotenoider.
Ett elegant experiment Bilden till höger illustrerar resultatet av ett experiment som indikerar sambandet mellan klorofyll och fotosyntes. Under experimentet belystes en trådformig grönalg med ett spektrum av ljus så att olika delar av algen träffades av ljus med olika våglängder (färger). Tillsammans med algen fanns aeroba (syrekrävande) bakterier. Dessa samlades i störst antal där algen bildade mest syrgas, dvs. där algen hade mest effektiv fotosyntes. Detta sammanföll med de våglängder av ljus som klorofyll absorberar.
4 – Växter och svampar i funktion
aeroba bakterier
algceller
Aeroba bakterier som indikerar vid vilka våglängder av ljus som grönalgerna har mest effektiv fotosyntes (se texten till vänster).
87
Fotosyntesens ljusreaktion Den inledande delen av fotosyntesen, den så kallade ljusreaktionen, sker i anslutning till tylakoidernas membran. I dessa ingår strukturer som är försedda med ljusabsorberande pigment (främst klorofyller) och som kallas fotosystem I respektive fotosystem II.
Fotosystem II Vi börjar med att beskriva fotosystem II som faktiskt inleder processen. I detta finns hundratals klorofyllmolekyler (och andra ljusabsorberande pigment) samlade i en struktur som kan sägas vara en ”antenn” som fångar ljus. När denna träffas av ljus (fotoner) exciteras vissa av de ljusabsorberande pigmentmolekylerna. När t.ex. en klorofyllmolekyl exciteras kan den i sin tur excitera en angränsande klorofyllmolekyl, som kan excitera en tredje molekyl osv. På så sätt kan energi överföras från molekyl till molekyl för att slutligen nå ett reaktionscentrum i anslutning till ”antennen”. När tillräckligt med energi når klorofyllmolekyler i reaktionscentrum, avger dessa elektroner till en ”primär elektronacceptor” och hos denna befinner sig elektronerna på en hög energinivå. Klorofyllmolekylerna som har avgett elektroner måste få nya för att processen ska kunna fortsätta. Därför kräver fotosyntesen en elektrongivare som hos t.ex. växter är vatten. Elektronerna utvinns då vattnet omvandlas till syrgas och vätejoner. Under denna reaktion frigörs två elektroner till fotosystem II för varje vattenmolekyl som spjälkas. Vätejonerna blir tillfälligt kvar inne i tylakoiden, medan syrgasen diffunderar ut ur växterna. Den syrgas som bildas genom fotosyntes härstammar alltså från det reagerande vattnet.
Fotosyntesens ljusreaktion som pågår i de blåsformade tylakoidernas membran. De gula pilarna i de båda foto- systemens ljusinsamlande ”antenner” visar hur energi sprider sig genom att molekyler som exciteras i sin tur exciterar andra molekyler. Slutligen når ener- gin reaktionscentra, där den används till att ge elektroner en hög energinivå. Därmed kan elektronerna uträtta ett arbete som slutligen resulterar i bildning av de energibärande molekylerna NADPH och ATP.
utanför tylakoiden (stroma) primär elektronacceptor FOTOSYSTEM II
e–
klorofyll
reaktionscentrum
H2O 2 H+ +
88
12
H+
O2
H+
+2H
+
ADP + Pi e–
2 e–
ATP
NADP +
ELEKTRONTRANSPORTKEDJA
”antenn”
e–
NADPH + H+
2 e– FOTOSYSTEM I
H+
tylakoidmembran ATP-syntetas
H+
tylakoidens insida
4 – Växter och svampar i funktion
Elektrontransportkedja De elektroner som har lyfts till en hög energinivå i fotosystem II överförs till en så kallad elektrontransportkedja i tylakoidens membran. I denna ingår olika molekylkomplex som successivt flyttar elektronerna mot en lägre energinivå. Den energi som då utvinns från elektronerna används till aktiv transport av vätejoner från tylakoidens utsida (från stromat) till dess insida. På så sätt blir halten vätejoner större inne i tylakoiderna än utanför.
Fotosystem I Elektrontransportkedjan leder elektronerna till fotosystem I. Detta omvandlar ljusenergi analogt med fotosystem II och använder energin till att åter lyfta elektronerna till en hög energinivå. Därmed kan elektronerna slutligen medverka till att en vätebärare som betecknas NADP+ (nikotinamid-adenin-dinukleotidfosfat) laddas med väte under bildning av NADPH. Detta är en energibärande molekyl, precis som de vätebärare som deltar i cellandningen (se sidan 75).
Bildning av ATP Det bildas vätejoner när vatten spjälkas vid fotosystem II. Vi har även sett att vätejoner transporteras in i tylakoiderna i samband med elektrontransportkedjan. På så sätt uppstår en koncentrationsskillnad av vätejoner mellan tylakoidernas in- och utsidor. Därmed skapas ett ”tryck” för att vätejoner ska följa sin koncentrationsgradient och passivt strömma ut ur tylakoiderna. Detta kan bara ske genom speciella ”kanaler” i tylakoidernas membran. Precis som vid cellandningen utgörs dessa ”kanaler” av ATP-syntetas (se sidan 78). Dessa fungerar samtidigt som enzymer för bildning av ATP ur ADP och fria fosfatjoner. Det är flödet av vätejoner som ger energi till denna ATP-produktion.
Sammanfattning av ljusreaktionen Vi kan sammanfatta ljusreaktionen med att ljusenergi omvandlas till kemiskt bunden energi i de energibärande molekylerna NADPH och ATP. Dessa kan ses som laddade batterier som krävs för att driva resten av fotosyntesen, den så kallade koldioxidbindande reaktionen (se nästa sida).
4 – Växter och svampar i funktion
På våren växer den gula svärdsliljans blad upp från vattnet i det näringsrika kärret. Bladen får rikligt med ljus så att fotosyntesen och därmed primärproduktionen kan öka.
89
Fotosyntesens koldioxidbindande reaktion
Förenklad modell av fotosyntesens koldioxidbindande reaktion, dvs. Calvincykeln. Förutom kolskelettet visas endast eventuella fosfatgrupper (gula kulor) i molekylmodellerna. RuDP = rubulosdifosfat 3-GPA = 3-fosfoglycerat G3P = glyceraldehyd-3-fosfat
Den koldioxidbindande reaktionen sker också i kloroplasterna, men i stromat utanför tylakoiderna. Denna process beskrevs av den amerikanske kemisten Melvin Calvin på 1950-talet och för detta fick han Nobelpriset i kemi år 1961. Det är vanligt att den koldioxidbindande reaktionen även kallas för Calvincykeln. Denna är en cyklisk process på samma sätt som citronsyracykeln (se sidorna 76 – 77). Calvincykeln inleds med att koldioxid binds till en sockermolekyl med fem kolatomer, nämligen ribulosdifosfat (RuDP). Denna reaktion katalyseras av enzymet rubisco som lär vara det enskilda protein det finns allra mest av i världen. När koldioxid binds till ribulosdifosfat bildas en instabil 6-kol-molekyl (molekyl med 6 kolatomer) som genast ”faller sönder” till två stycken 3-kol-molekyler (3-fosfoglycerat, 3-PGA). Med hjälp av energi från ljusreaktionens NADPH och ATP kan 12 stycken sådana 3-kol-molekyler ge upphov till en glukosmolekyl samt sex stycken nya molekyler ribulosdifosfat. Dessa kan sedan bindas till varsin koldioxidmolekyl och så inleds ett nytt varv i Calvincykeln.
6 CO2
6 RuDP
rubisco 6 molekyler av detta instabila komplex
ENERGI 12 NADPH
12 NADP+ Calvincykeln (koldioxidbindande reaktionen)
sönderfall
18 ATP
18 ADP + 18 Pi 12 3-GPA
10 G3P
12 G3P 2 2 G3P
90
1 C6H12O6 (glukos)
4 – Växter och svampar i funktion
Eftersom de energibärande molekylerna NADPH och ATP är mycket kortlivade, sker den koldioxidbindande reaktionen i princip bara medan ljusreaktionen bildar dessa molekyler. Det innebär att även den koldioxidbindande reaktionen sker medan det är ljust.
Vad händer med sockret? Växterna använder en del av sockret som bildas under fotosyntesen till sin cellandning. Även växter är beroende av cellandning eftersom ljusenergi inte kan lagras eller transporteras i växterna. Växternas celler behöver ju energi även på nätterna och vissa växtdelar som t.ex. rötterna nås aldrig av ljus. Glukos är lättlösligt i vatten och därmed lätt att transportera i växternas kärl (rörsystem) för vattenlösningar. Det är däremot olämpligt att spara glukos som upplagsnäring. Om celler skulle samla på sig glukos, skulle de även dra åt sig vatten till följd av osmos. Däremot kan växtceller lagra stärkelse som ju bildas av glukos. Sedan kan stärkelse spjälkas till glukos efterhand som detta behövs. Växter använder även glukos till att bilda cellulosa till sina cellväggar. Dessutom används kolskelettet i kolhydrater till syntes av andra organiska ämnen som t.ex. fetter, proteiner och nukleinsyror. Växter är ju självförsörjande på organiskt material.
6 H2O
kloroplast
6 CO2
NADP+ ljusreaktionen i tylakoiderna
ADP + Pi
Calvincykeln
ATP NADPH
6 O2
ljusenergi + 6 CO2 + 6 H2O
4 – Växter och svampar i funktion
C6H12O6 (glukos)
C6H12O6 + 6 O2
Sammanfattning av fotosyntesen.
91
Fotosyntes och gasutbyte med omgivningen Fotosyntesen sker huvudsakligen i växternas blad. Därför måste koldioxid komma in i bladen och syret som bildas under fotosyntesen måste komma ut. Detta måste fungera samtidigt som bladen behöver vara så pass täta att de inte förlorar för mycket vatten till följd av avdunstning. För att förstå hur detta fungerar behöver vi kunskap om bladets byggnad.
kutikula
bladhud
palissadvävnad
klyvöppning slutcell
svampvävnad
Ett blad i genomskärning. Silrör och vedkärl förklaras på sidorna 96 – 97.
silrör
Bladets allmänna byggnad vedkärl
Ytterst har bladet en bladhud (epidermis) som ofta bestå av ett enda cellskikt. Detta täcks utåt av ett mer eller mindre tätt skikt som kallas kutikula och består av bl.a. vax. Kutikulan skyddar bladet genom att bl.a. begränsa vattenavdunstningen. Cellerna innanför bladhuden har kloroplaster och där pågår fotosyntesen. I bladets övre del ligger cellerna tätt packade och bildar s.k. palissadvävnad. I den undre delen bildar bladcellerna däremot gles svampbladnerv med vävnad. I denna finns gott om luftrum som står i förledningssträngar bindelse med mikroskopiskt små öppningar, klyvöppningar, i bladhuden. Genom klyvöppningarna kommer luft in till bladcellerna. Cellerna tar upp koldioxid från luften och avger sitt överskott av syre från fotosyntesen. Vatten som avdunstar från bladen blir vattenånga som också kommer ut genom klyvöppningarna. Blad innehåller även bladnerver med ledningssträngar för ämnestransport. Dessa ska vi återkomma till.
Klyvöppningarna kan öppnas och stängas
Tre klyvöppningar omgivna av läppformade slutceller på undersidan av ett tulpanblad. Kornen i slutcellerna är kloroplaster. Övriga celler tillhör bladhuden och saknar kloroplaster.
92
Klyvöppningarna, som främst sitter på bladens undersidor (skuggsidor), kan öppnas och stängas så att vattenavdunstningen från bladen regleras. Det sker med hjälp av två läppformade slutceller som omger varje klyvöppning. Slutcellerna är formade så att de buktar ut och böjs när de blir vattenfyllda. Därmed öppnas klyvöppningen mellan dem så att mer vatten kan avdunsta. Medan klyvöppningarna är öppna gynnas också fotosyntesen eftersom koldioxid kommer in i bladen. Vid vattenbrist minskar vattenmängden i slutcellerna. Då stängs klyvöppningarna och avdunstningen från bladen hejdas, samtidigt som det blir mindre koldioxid till fotosyntesen. För att växterna ska kunna kompromissa mellan vattenförlust och tillgång på koldioxid, regleras klyvöppningarna även av ljus. Utan att gå in på funktionen kan vi konstatera att ljus öppnar klyvöppningarna (om det inte är alltför torrt) och släpper in koldioxid så att ljuset utnyttjas maximalt till fotosyntes. När det är mörkt sluts klyvöppningarna. Därmed sparar växterna på vatten medan de är inaktiva och inte driver någon fotosyntes.
4 – Växter och svampar i funktion
Miljöfaktorer som påverkar fotosyntesen Ljusstyrka, temperatur, luftens halt av koldioxid och tillgång på vatten är exempel på miljöfaktorer som påverkar fotosyntesen.
Ljusstyrka När t.ex. solen går ner och ljusstyrkan minskar, når ljuset en nivå då cellandningen och fotosyntesen hos en växt uppväger varandra. Ljusstyrkan då detta sker kallas kompensationspunkten. Vid denna upphör växtens tillväxt eftersom den förbrukar lika mycket organiskt material genom cellandning som den bildar genom fotosyntes. Fotosyntesen avstannar även om det blir alltför ljust, vilket bl.a. beror på att klorofyll kan ta skada av mycket intensivt ljus. Vilken ljusstyrka som är mest gynnsam för en växt beror på om den är en så kallade sol- eller skuggväxt. Solväxter kräver mycket ljus för att uppnå kompensationspunkten (för att fotosyntesen ska bli lönsam), men de är desto bättre på att utnyttja starkt ljus effektivt. För skuggväxter är det tvärtom. Växter som är anpassade till öppet landskap, t.ex. våra sädesslag, är mer eller mindre utpräglade solväxter. Skuggväxter som t.ex. harsyra och skogsbingel trivs i skuggan under träd.
Harsyra växer i skugga på näringsrik mark i både gran- och lövskogar.
Temperatur Hos växter som är anpassade till kallt klimat kan fotosyntesen komma igång så fort temperaturen når över noll grader. För många växter ligger den övre gränsen för fotosyntesen vid ca + 45 °C. Överstigs denna temperatur börjar nämligen vissa proteiner att denaturera. Den mest effektiva temperaturen för växternas tillväxt brukar vara ganska låg (kanske 10 – 25 °C) eftersom även cellandningen ökar med temperaturen.
Luftens halt av koldioxid Enzymet rubisco, som ”leder in” koldioxid i Calvincykeln, binder ganska löst till koldioxid. Om halten koldioxid sjunker kommer därför en större andel av rubisco-molekylerna att binda syre istället för koldioxid, vilket motverkar fotosyntesen. Detta bidrar till att fotosyntesen avtar påtagligt med minskad tillgång på koldioxid (för flertalet växter). Samtidigt ökar fotosyntesen om halten koldioxid i luften höjs. Detta kan utnyttjas i växthus, där det förekommer att man tillför koldioxid för att öka produktionen.
Tillgång på vatten En växt kan skydda sig mot vattenbrist genom att stänga bladens klyvöppningar. Då kommer mindre koldioxid in i bladen, vilket hämmar fotosyntesen. På så sätt minskar växtens tillväxt på grund av vattenbrist, långt innan vattnet i växten ”tar slut”.
4 – Växter och svampar i funktion
Fjällsippan växer på högfjället och var en av de första växterna som vandrade in i Sverige efter istiden. De små, läderartade bladen är vintergröna och måste klara fotosyntes vid låga temperaturer.
93
Egenskaper hos rubisco Rubisco är ett långsamt enzym och binder ganska löst till koldioxid. Till detta kommer att molekylärt syre O2 konkurrerar med koldioxid om att bindas till rubisco, vilket motverkar fotosyntesen. Dessa egenskaper hos rubisco förvånar med tanke på att halten koldioxid i atmosfären bara är ca 0,039 % och att växterna därför skulle behöva ett mycket effektivt enzym som ”fångar in” denna gas. Kanske kan enzymets egenskaper förklaras av att det utvecklades under en period i jordens historia då det var ont om syrgas och gott om koldioxid i atmosfären. Att enzymet sedan inte har anpassats bättre till dagens syrerika atmosfär, kan kanske bero på att förbättringar av vissa egenskaper skulle leda till andra brister. Om enzymet t.ex. skulle binda hårdare till koldioxid, skulle det kanske bli ännu långsammare eller mindre stabilt.
C4-växter
Sockerrör är C4-växter som odlas i varmt klimat.
94
De växter som använder enbart Calvincykeln till att överföra oorganiskt kol (från koldioxid) till organiskt kol kallas C3-växter. Detta för att den först bildade stabila organiska kolföreningen har tre kolatomer (3-fosfoglycerat, se sidan 90). De allra flesta växterna på jorden är C3-växter och de dominerar helt i svensk natur. Det finns växter som har särskilda bladceller som är ”specialister” på att ta upp koldioxid. Koldioxiden reagerar först med vatten under bildning av vätekarbonatjoner HCO3–. Sedan medverkar ett enzym (PEP-karboxylas) till att vätekarbonatjonernas kolatomer binds till en organisk 3-kol-förening (fosfonyl-pyrodruvsyra, PEP). Därmed bildas en 4-kol-förening (oxalsyra) och därför kalls växterna med detta utbyggda system för upptag av koldioxid för C4-växter. Den primära 4-kol-föreningen omvandlas sedan till en annan 4-kol-förening (äppelsyra) som övergår till celler med Calvincykel. Där spjälkas 4-kol-föreningen så att koldioxid frigörs. På detta sätt höjs halten koldioxid vid rubiscoenzymet så att risken minskar för att detta istället binds till molekylärt syre. En nackdel är att det åtgår energi för att bilda den inledande 4-kol-föreningen. Därför kräver C4-växter mer ljus än C3-växter. Eftersom C4-växter kan ha effektiv fotosyntes även om halten CO2 är låg, räcker det att klyvöppningarna står på glänt. På så sätt förloras minimalt med vatten till omgivningen. Detta gör att C4-växter är särskilt konkurrenskraftiga på solbelysta platser där vatten är en bristvara. Endast ca 3 % av jordens landväxter är C4-växter, men de svarar för ungefär hälften av koldioxidassimilationen på land. De kanske mest kända C4-växterna är sockerrör och majs.
4 – Växter och svampar i funktion
CAM-växter Det finns växter med motsvarande system för upptag av koldioxid som C4-växter har, men som skiljer sig från C4-växter genom att koldioxiden tas upp på nätterna (och av samma celler som driver Calvincykeln). Sedan frigörs koldioxid från den organiska 4-kol-föreningen på dagarna för att bindas till rubisco och träda in i Calvincykeln. Dessa växter kallas CAM-växter (Crassulacean acid metabolism) för att detta assimilationssätt är vanligt inom familjen fetbladsväxter (Crassulaceae). Det förekommer även hos många andra suckulenter, dvs. växter med tjocka, köttiga blad eller stjälkar som är bra på att magasinera vatten. Hit räknas bl.a. kaktusar. En fördel som CAM-växter har är att de kan hålla klyvöppningarna helt stängda på dagarna och på så sätt spara på vatten. Därför kan de växa i mycket karga och vattenfattiga miljöer. I mindre karga miljöer har de dock svårt att konkurrera med C4- eller C3-växter, eftersom dessa har en mer effektiv fotosyntes.
Gul fetknopp är en CAM-växt som tillhör familjen fetbladsväxter. Den är vanlig på karga platser i Sverige. Här lyser den upp gotländsk hällmark.
På tal om fotosyntes DEN TORRA VINTERN I bl.a. Sverige brukar vattnet i marken frysa till is under vinterhalvåret och är därför oåtkomligt för växternas rötter. För växter är alltså vintern en extrem torrperiod. Därför måste växterna vila på vintern och hushålla med vattnet för att inte torka ut. För att minimera vattenförlusten fäller många fleråriga arter sina blad på hösten. Det är ju främst växternas blad som avger vatten. Barrträden gran, tall och en är exempel på vintergröna växter. Istället för vanliga blad har de små, cylin-
4 – Växter och svampar i funktion
derformade barr som är täckta med ett kraftigt vaxartat skikt. Detta minskar förlusten av vatten från barren. På vintern, när det är kallt och dygnet har få ljusa timmar, håller barrträden dessutom klyvöppningarna stängda. Barr utnyttjar inte ljuset lika effektivt som lövträdens stora blad. Detta kompenseras dock av att de vintergröna växterna har en längre vegetationsperiod. De startar fotosyntesen tidigare på våren och fortsätter senare på hösten än vad lövfällande arter gör. Denna anpassning är betydelsefull på våra breddgrader där somrarna är korta.
95
Mer om växternas byggnad Vi har redan kommenterat bladets byggnad. Nu ska vi koncentrera oss på roten och stammen för att bl.a. se hur ämnen transporteras i en växt.
Roten Roten förankrar växten i marken, den kan lagra energirik näring (upplagsnäring) och den tar upp vatten med lösta närsalter från marken. Rotens yttersta cellager bildar en skyddande vävnad, epidermis, som kan jämföras med hud. Den utgör rotens kontaktyta mot jorden och ledningsvävnad markvattnet. Vissa av epidermis celler kan vara försedda med trådlika utskott som kallas rothår och som ökar rotens vattenabsorberande yta. epidermis Innanför ytterhuden finns s.k. grundvävnad (kortex). Cellerna i denna vävnad kan bl.a. vara försedda med leukoplaster som lagrar stärkelse. Genom att cellerna i grundvävnaden har förhållandevis gles struktur, är det lätt för syre och vatten att diffundera in i roten. Dessa ämnen flödar då främst genom de porösa cellväggarna. I rotens centrala del finns ledningsvävnad. Den innehåller ledningssträngar som transporterar vatten med lösta ämnen mellan växtens olika delar. Runt ledningsvävnaden finns ett cellager som heter endodermis. Detta är så tätt att det hindrar vatten från att passera fritt in i ledningsvävnaden. Markvatten kan grundalltså bara flöda fritt i cellväggar fram till endodermis. vävnad endodermis För att komma vidare in i ledningsvävnaden måste det silrör vedkärl passera endodermiscellernas cellmembran. I dessa finns transportproteiner som aktivt pumpar utvalda joner (närsalter) från markvattnet till ledningsvävnaden. Tack vare denna aktiva transport får ledningsvävnaden förhöjd jonkoncentration. Därmed följer vatten efter till följd av osmos. Detta ger ett högt vätsketryck, ett så kallat ”rottryck”, i ledningsvävnaden som gör att vatten pressas upp från roten. Ibland säger man att ”saven stiger” upp i stammen. De ”rör” i rotens ledningsvävnad som transporterar vatten och lösta närsalter upp till stam och blad kallas vedkärl. Flera vedkärl bildar tillsammans växtens veddel som även kallas xylem (grekiska xylem = ved). I rotens ledningsvävnad ingår även ”rör” som transporterar vattenlösningar av främst socker (från bladens fotosyntes) till rotcellerna. Dessa rör kallas silrör (tvärväggarna mellan cellerna som bildar silrören är perforerade och kallas silplattor). Flera silrör bildar tillsammans Ett färgat mikroskopiskt preparat som visar en rot i växtens sildel eller floem (grekiska floos = bark). genomskärning.
96
4 – Växter och svampar i funktion
Rotens tillväxt En rot växer genom att celler vid rotspetsen delar sig och blir fler. När de nybildade cellerna upptar vatten (fyller sina vakuoler) tänjs de ut och blir långsmala. Därmed skjuter roten fram i marken. Den känsliga delningsvävnaden (meristemet) vid rotspetsen skyddas av speciella celler som bildar en rotmössa.
rothår
rotmössa
Stammen Vedkärlen (xylemet) och silrören (floemet) som finns i roten fortsätter upp genom stammen och vidare ut i bladnerverna. Vedkärlen består av döda och tömda celler. Silrörens celler är däremot levande. Med mikroskop känner man lätt igen vedkärlen på deras tjocka cellulosaväggar som dessutom är förstärkta med lignin (vedämne). Vedkärl kan även ha stödjande strukturer i form av lister, ringar eller spiraler. En trädstam består av ved och bark. Veden innehåller enbart vedkärl och upptar det mesta av trädstammens volym. I takt med att stammen växer och blir grövre bildas nya vedkärl från ett tillväxtlager som omger veden. På våren bildas breda vedkärl. Under sommaren och hösten bildas däremot smalare kärl som ger veden mörkare färg. På så sätt uppstår årsringar som avslöjar trädets ålder. Trädstammens sildel bildar ett tunt skikt längst in i barken. Skalar man av barken i en ring runt stammen stoppas därför transporten av kolhydrater till roten. Eftersom rotens energiförsörjning upphör vid sådan ”ringbarkning” dör roten och därmed hela trädet. Stammen på ettåriga växter är som regel grön och har ytterst ett lager av epidermisceller (hudceller). Hos fleråriga stammar ersätts ytterhuden av mer eller mindre tjock och hård korkvävnad som bildar växtens bark tillsammans med sildelen.
Rot med rothår på en groende ärta.
ved med vedkärl (xylem)
tillväxtlager
lager med silrör (floem) kork
ved
bark
Hur kommer vattnet upp till bladen? Att pressa upp vatten och närsalter till bladen i ett högt träd med enbart rottrycket, skulle vara alltför energikrävande. Därför behövs även ”sugkraft” uppifrån. Sådan bildas då bladcellerna tar upp vatten från vedkärlen till följd av osmos. Ju högre koncentration av lösta ämnen bladcellerna har i sin cellplasma, desto större blir deras ”sug efter vatten”. Bladcellerna får hög halt av lösta ämnen då glukos från fotosyntesen löser sig i cellplasman. Halten ökar även då vatten avdunstar från bladen. Den energi som utnyttjas för att transportera upp vatten genom en trädstam härstammar alltså ytterst från solen som belyser och värmer trädets blad. Utan vätebindningar hade det inte gått att ”suga upp” sammanhängande vattenpelare genom vedkärlen i ett högt träd. Tack vare att vattenmolekylerna binds till varandra och till kärlväggarnas cellulosamolekyler med vätebindningar, dras inte vattenpelarna ner av gravitationen.
4 – Växter och svampar i funktion
vatten och närsalter
sockerlösning
Inblick i en trädstam.
97
Kommunikation med hormoner Växter saknar nervsystem. Deras celler kan däremot kommunicera med hormoner, dvs. med ämnen som växterna själva bildar och som sprids för att reglera bestämda funktioner.
Auxin
En ung bokplanta växer och riktar sina första blad (hjärtblad) mot ljuset. Detta är exempel på fototropism.
Det kanske mest kända växthormonet heter auxin. Det bildas av unga vävnader, t.ex. skott och nybildade blad. Auxinet får cellväggarna att mjukna. Medan detta sker kan nybildade celler tänjas ut på längden genom att vakuolerna tar upp vatten och förstoras. Om koncentrationen av auxin är lika överallt i en stjälk, växer plantan rakt upp. Auxin ”skyr” ljus. En planta som blir belyst från ett visst håll får därför störst auxinkoncentration på skuggsidan. Därmed är det cellerna på stjälkens skuggsida som förstoras mest, varför plantan böjer sig mot ljuset. Detta är exempel på fototropism (rörelse i förhållande till en ljuskälla). Auxin påverkas indirekt även av tyngdkraften. Om man välter en krukväxt så att stjälken hamnar vågrätt, samlas mest auxin på stjälkens undersida (förmodligen förmedlas denna omfördelning av auxin av att stärkelsekorn ”faller” och samlas längst ner i cellerna). När cellerna på stjälkens undersida sträcker sig böjs plantan uppåt. Detta är exempel på gravitropism (rörelse i förhållande till gravitationen). Hos rötter motverkas cellernas längdtillväxt av förhöjda halter av auxin. Därför söker sig en liggande rot nedåt och inte uppåt som stjälken gör.
Eten
Bananer blir snabbt övermogna om de förvaras tillsammans med mogna äpplen som sprider eten.
98
Eten är ett annorlunda växthormon eftersom det består av små, enkla molekyler. Dessutom är det en gas som kan spridas utanför växterna. När t.ex. blommor har blivit befruktade bildar deras pistiller eten som får kronbladen att vissna och falla av. Efter befruktningen behövs ju inte längre kronblad som lockar insekter. Eten bildas även i många frukter och påskyndar deras mognad. Mognaden innebär bl.a. att klorofyll ersätts med pigment som ger frukterna andra färger än grönt och att stärkelse omvandlas till socker så att frukterna smakar sött. Eftersom eten är en gas sprids detta signalämne även från frukt till frukt. Du har kanske märkt att t.ex. bananer blir snabbare övermogna om de förvaras tillsammans med äpplen. Att eten påskyndar frukters mognadsprocess utnyttjas kommersiellt. Det är vanligt att frukt som ska transporteras lång väg plockas omogen. När frukten kommer fram och ska säljas, behandlas den med eten och
4 – Växter och svampar i funktion
mognar. Biokemister har även utvecklat ämnen som växter upptar och som sedan spjälkas till eten i växterna. Med hjälp av sådana ämnen kan man få alla frukterna i t.ex. en tomatodling att mogna samtidigt, vilket underlättar skördearbetet.
Flera andra hormoner En växt är beroende av flera olika hormoner för att fungera och svara på omgivningens krav. Hormonproduktionen regleras ofta av temperatur, dagslängd och andra miljöfaktorer. På så sätt styrs tiden för blomning, lövfällning, fröets groning m.m.
Växternas fortplantning Innan du läser följande sidor om växters fortplantning kan det vara bra att repetera sidorna 16 – 17 som handlar om fortplantning och livscykler. Där beskrivs livscykeln hos en ormbunke (stensöta) som du kan jämföra med nedanstående beskrivning av livscykeln hos en mossa.
sporofyt med sporhus (2n)
spermie (n)
1
4 – Växter och svampar i funktion
2
äggcell (n)
Björnmossans livscykel Bilden intill visar björnmossans livscykel. Det framgår att vissa plantor är hanplantor och andra är honplantor. Som en anpassning till livet på land sker befruktningen inne i honplantornas könsorgan. Äggen sprids alltså inte ut i omgivningen där de riskerar att torka. Den könliga fortplantningen kräver dock vatten eftersom spermierna rör sig genom att simma. De når lättast honplantorna och äggcellerna i samband med regn. Hos mossorna stannar zygoten (den befruktade äggcellen) kvar på gametofyten, där den utvecklas till en sporofyt. Denna lever sedan som en parasit på den gröna gametofyten. Sporofyten består av ett sporhus på ett skaft. Ett enda sporhus hos björnmossan lär kunna sprida upp till två miljoner sporer. Dessa gror till gametofyter, dvs. till nya han- och honplantor. Det är även vanligt att mossor förökar sig könlöst genom att nya skott växer ut från äldre plantor. På så sätt bildar mossorna täta tuvor eller mattor.
sporer (n)
hangametofyt (n)
hongametofyt (n)
3
1 Björnmossans könsorgan sitter i toppen av de gröna mossplantorna (gametofyterna). Befruktningen brukar ske i samband med regn då de simmande spermierna kan nå honplantorna. 2 Den befruktade äggcellen (zygoten) stannar kvar på honplantan och utvecklas till en sporofyt som är diploid. Från sporofytens sporhus sprids sporer som bildas genom reduktionsdelning och som därmed är haploida. 3 De haploida sporerna gror och utvecklas till nya haploida gametofyter. Björnmossans livscykel.
99
Sandbin som söker nektar i en blomställning hos vide. Eftersom bina flyger mellan olika videbuskar medverkar de till videts pollinering. Denna art av sandbin söker bara föda hos vide och därför är chansen stor för att videts pollenkorn ska hamna rätt och leda till befruktning.
100
Fröväxter och deras fortplantning Om du jämför mossans livscykel på föregående sida med ormbunkens livscykel på sidan 17, ser du att den ”egentliga” mossplantan är en haploid gametofyt, medan den ”färdiga” ormbunken är en diploid sporofyt. Fröväxterna är närmare släkt med ormbunkarna (som också är kärlväxter) än med mossorna. Därför förvånar det inte att själva plantorna hos fröväxter också är diploida sporofyter. Hos fröväxterna är hongametofyterna faktiskt reducerade till några få celler inne i pistillernas fröämnen (gäller gömföriga växter), medan hangametofyterna är själva pollenkornen. Det är hongametofyterna som bildar äggceller inne i fröämnena. I pollenkornen bildas på motsvarande sätt hanceller som kan jämföras med spermier. Fröväxternas hanceller simmar alltså inte utan transporteras förpackade i pollenkornen som vanligen sprids med vindar eller djur (oftast insekter). Detta kan ses som en anpassning till livet på land. En annan anpassning till land är att fröväxterna sprider sig med frön som är mer komplext byggda än sporer. Till skillnad från haploida sporer bildas frön efter befruktning och innehåller början till en diploid planta. Det är denna som kallas för grodd. I fröet omges grodden av näring (frövita) samt skyddande fröskal. Tack vare näringen och skyddet har grodden gott om tid att spridas och invänta lämpliga förhållanden, t.ex. tillräckligt fuktig jord, innan den gror.
4 – Växter och svampar i funktion
Nakenföriga växter De nakenfröiga växterna utvecklades tidigare än de gömfröiga. Idag representeras de nakenfröiga växterna av främst barrträd. I svensk natur finns barrträden gran, tall, en och idegran samt det införda lärkträdet. Dessa växter kallas nakenfröiga för att de saknar blommor och pistiller som innesluter fröämnena (som efter befruktning utvecklas till frön). Hos t.ex. gran och tall sitter dessa ”naket” på honkottarnas fjäll.
kronblad foderblad
Gömfröiga växter Lövträd, örter och gräs är exempel på gömfröiga växter. Dessa har blommor och kallas även blomväxter. Till skillnad från de nakenfröiga växternas ”nakna” frön, sitter de gömfröiga växternas frön inne i frukter (som bildas av pistillernas fruktämnen). Gräs och flera lövträd (björk, ek, hassel m.m.) är exempel på växter med ”diskreta” blommor och som sprider pollen med vinden. Andra växter sprider pollen med djur (främst insekter) och har ofta väldoftande och färgstarka blommor som ett resultat av samevolution med djuren. En blomma kan bestå av ståndare, en eller flera pistiller, gröna foderblad samt lockande kronblad. Det är ståndarna som bildar pollen. Den nedre delen av en pistill kallas fruktämne och i det finns ett eller flera fröämnen. I varje fröämne finns en äggcell. Efter befruktningen blir fröämnet ett frö och fruktämnet en frukt.
märke
knapp
märke stift
sträng
fruktämne pistill
ståndare
Blommans delar hos en gömfröig växt. De olika delarnas form och antal varierar mellan olika arter, bl.a. som ett resultat av samevolution med insekter.
pollenkorn pollenslang fruktämne fröämne hanceller
1 POLLINERING Vid pollinering överförs pollen till pistillens märke.
frukt
äggcell frö med fröskal
2 BEFRUKTNING Varje pollenkorn bildar en pollenslang som växer ner i pistillen och fram till ett fröämne. På så sätt får pollenkornets två hanceller kontakt med fröämnet. Den ena hancellen befruktar fröämnets äggcell. Den andra startar utvecklingen av frövitan, som är ett näringsförråd till grodden.
grodd frövita
3 FÄRDIG FRUKT Fruktämnet har blivit en frukt. Fröämnet har blivit ett frö. Den befruktade äggcellen har blivit en grodd.
Från pollinering till färdig frukt.
4 – Växter och svampar i funktion
101
Svampar
Honungsskivlingens sporkroppar har hatt och fot. Under hatten omges foten dessutom av en ring. Sporerna finns i mikroskopiskt små basidier som sitter på hattundersidans skivor (lameller). Honungsskivlingen lever som saprofyt på stubbar.
Sporsäcksvampar
sporer
sporsäck
sporkropp Skålsvamp. På sporkroppens yta sitter sporsäckar med sporer.
102
Precis som djur är svampar heterotrofa och alltså beroende av organisk näring som t.ex. växter har bildat. I Iris Biologi 1 beskrivs hur svamparna försörjer sig som parasiter, saprofyter eller genom att leva i ett mutualistiskt förhållande med fotoautotrofa organismer. Det senare gäller mykorrhiza-svampar (mykorrhiza = svamprot) och svampkomponenten i en lav. Till skillnad från djur, men likt växter, har svampar cellväggar. Med vissa undantag består dock svamparnas cellväggar av kitin och inte av cellulosa som hos växterna. Ämnet kitin är annars vanligt inom djurriket, där det ingår i t.ex. kräftdjurens och insekternas ”skal” (hudskelett). Svamparnas celler är sammansatta till trådar som heter hyfer och ett nätverk av sådana trådar kallas mycel. Eftersom svampcellerna har cellväggar, kan de inte ta upp fasta näringspartiklar. Därför avger de enzymer till omgivningen. Dessa spjälkar organiskt material till molekyler som är tillräckligt små för att tas upp genom cellväggarna och cellmembranen. ”Matsmältningen” sker alltså utanför hyferna. Svamparna förökar och sprider sig med sporer. Dessa är mycket små och finns ständigt omkring oss i luften. Det märks bl.a. av att mat som inte skyddas lätt möglar, dvs. angrips av svampar. Luddet som då bildas på maten är svamparnas mycel. Även annat organiskt material som t.ex. trä i dåligt ventilerade hus kan angripas av mögelsvampar. När du plockar svamp tar du bara svamparnas sporkroppar (även kallade fruktkroppar). De består av extra tätt mycel och bildas tillfälligt för att sprida sporer. Svamparna delas in i sporsäcksvampar och basidiesvampar, beroende på hur sporerna bildas.
Hos dessa svampar bildas sporerna i små, säcklika bildningar som heter sporsäckar. Gruppen sporsäcksvampar är mångformig och innehåller bl.a. mikroskopiska jästsvampar och mögelsvampar samt ”storsvampar” som äkta tryfflar, murklor och skålsvampar. Jästsvamparna är encelliga och kan utvinna energi genom att spjälka socker anaerobt. Denna process som kallas jäsning beskrivs på sidan 81. Bland mögelsvamparna finns penselmögel (släktet Penicillium) som kan användas för utvinning av penicillin, vilket vi återkommer till i kapitlet ”Bakterier och virus”.
Basidiesvampar Basidiesvamparnas sporer bildas i s.k. basidier. Ytterst på en mogen basidie finns fyra skaft som vardera håller en spor. De välkända ”hattsvam-
4 – Växter och svampar i funktion
parna” är basidiesvampar. Deras sporkroppar består av hatt och fot. För att många basidier ska få plats är dessa uppradade på skivor (lameller), taggar eller i rör på hattundersidorna. Därför talar man om skivlingar, taggsvampar och rörsvampar. En grupp basidiesvampar kallas buksvampar därför att sporkropparna är slutna under hela sporutvecklingen. Till denna grupp hör bl.a. röksvamparna. När sporerna är färdiga öppnas röksvamparnas rundade sporkroppar i toppen, där sporerna ”ryker” ut. 1 Groende sporer ger upphov till hyfer. Liksom sporerna är dessa hyfer haploida. 2 Hyfer från olika sporer förenas så att det bildas hyfer med två haploida cellkärnor i varje cell. 3 Hyfer bildar ett extra tätt mycel som utvecklas till en sporkropp. 4 På hattundersidan bildas basidier med vardera fyra sporer. Denna bildning inleds med att två haploida cellkärnor i en cell smälter samman till en diploid cellkärna. Denna genomgår reduktionsdelning (meios) så att fyra haploida cellkärnor bildas. Var och en av dessa omges sedan med ett eget cellmembran, varpå de nya sporerna är färdiga.
”sporbildande” cellkärna (2n)
4
basidie spor (n)
sporkropp med hatt och fot
basidie
1 spor (n)
3
hyf cellkärnor (n) 2
Livscykel hos en basidiesvamp. Storleken på cellerna och basidierna har överdrivits. I verkligheten finns det tusentals mikroskopiskt små basidier på hattens undersida.
4 – Växter och svampar i funktion
103
Sammanfattning Kloroplaster omger sig med ett dubbelt membran samt innehåller DNA och ribosomer, vilket ger stöd åt endosymbiosteorin. Fotosyntesens ljusreaktion sker i kloroplasternas tylakoider, medan den koldioxidbindande reaktionen (Calvincykeln) sker i stromat utanför tylakoiderna. Kloroplaster är exempel på plastider. Till denna grupp av organeller hör även kromoplaster och leukoplaster. Klorofyll absorberar blått och gul-rött ljus, medan grönt ljus reflekteras från klorofyll. Karotenoider absorberar främst ljus inom det blå-gröna våglängdsområdet. Klorofyll innehåller bl.a. magnesium, ett grundämne som växter kan behöva hushålla med. I fotosyntesens ljusreaktion ingår fotosystem II och fotosystem I som ”lyfter” elektroner till höga energinivåer med hjälp av energi från ljus. De energirika elektronerna driver sedan aktiv transport av vätejoner in i tylakoiderna (via en elektrontransportkedja) respektive ”laddning” av vätebäraren NADPH. Vätejonerna som har ”lyfts in” i tylakoiderna kan ”falla ut” igen genom ATP-syntetas som därmed får energi till produktion av ATP. Elektronerna som behövs till ljusreaktionen hämtas från vatten genom följande reaktion: 2 H+ + 1/2 O2 + 2 e– H2O NADPH och ATP från ljusreaktionen ger energi till fotosyntesens mörkerreaktion, dvs. Calvincykeln. Denna inleds med att koldioxid binds till en organisk molekyl med hjälp av enzymet rubisco. Calvincykeln resulterar i produktion av glukos, vars kolatomer härstammar från koldioxid. Växterna använder glukos till cellandning och till produktion av andra organiska ämnen som t.ex. stärkelse (upplagsnäring) och cellulosa (till cellväggar). I den täta kutikulaklädda bladhuden finns klyvöppningar som öppnas och stängs med hjälp av läppfor-
104
made slutceller. Öppna klyvöppningar innebär förlust av vatten samtidigt som koldioxid kommer in i bladen och gynnar fotosyntesen. Här kan växterna tvingas till en kompromiss. Vid den ljusstyrka som kallas kompensationspunkten förbrukar växterna lika mycket organiskt material genom cellandning som de bildar genom fotosyntes. Om halten koldioxid minskar binder rubisco alltmer molekylärt syre istället för koldioxid, vilket motverkar fotosyntesen. C4-växter och CAM-växter har byggt på Calvincykeln med ett enzymsystem som tar upp och koncentrerar koldioxid innan denna får kontakt med rubisco. C4växterna ”samlar koldioxid” via speciella celler medan CAM-växterna ”samlar koldioxid” på nätterna och kan ha klyvöppningarna stängda på dagarna. Båda systemen ger en konkurrensfördel på solbelysta platser med brist på vatten. Rot, stam och blad har både xylem och floem. Xylemet innehåller vedkärl som transporterar vatten med lösta närsalter från rötterna. Floemet består av silrör som transporterar vattenlösningar av bl.a. glukos. Fördelningen av växthormonet auxin i en växt påverkas av ljus och indirekt av gravitationen. Detta ger upphov till fototropism respektive gravitropism. Eten stimulerar bl.a. mognaden av frukter. Den grönbladiga mossplantan är en haploid gametofyt, medan den mest framträdande generationen hos ormbunksväxter och fröväxter består av diploida sporofyter. En spor är haploid, medan ett frö bildas efter befruktning och innehåller en diploid grodd. Hos fröväxter transporteras hanceller (hangameter) förpackade i pollenkorn som är växternas hangametofyter. En svamp består av hyfer som kan vara samlade till ett mycel. Svampar delas in i sporsäcksvampar och basidiesvampar beroende på hur sporerna bildas.
4 – Växter och svampar i funktion
Testa dig själv
webbstöd:
www.gleerups.se
4.1 Hur har kloroplaster bildats enligt endo symbiosteorin?
4.12 Hur uppstår det ”rottryck” som får ”saven att stiga”?
4.2 Vad är en leukoplast?
4.13 Varför dör ett träd som har ”ringbarkats”?
4.3
4.14 Vad är det som gör att en växt blir böjd om den växer där ljuset kommer från en viss sida av växten?
Varför är det viktigare för lövträd att ta tillvara klorofyllets innehåll inför lövfällningen på hösten än att ”rädda” karotenoidernas kemiska beståndsdelar?
4.4 Vilket ämne använder växter som elektron donator till fotosyntesens ljusreaktion? 4.5
ATP som bildas under fotosyntesens ljusreaktion kan sägas vara laddat med energi som härstammar från solen. Beskriv energins väg från ljuset till den kemiskt bundna energin i ATP.
4.6 Varför är ”mörkerreaktionen” ett olämpligt namn på den process som vi kallar för den koldioxidbindande reaktionen? 4.7 Varför behöver växter cellandning trots att de kan ”fånga” ljusenergi?
4.15 Beskriv sporofyten hos a) björnmossa b) vitsippa 4.16 Förklara vad det är för skillnader mellan sporer och frön. 4.17 Förklara skillnaden mellan befruktning och pollinering. 4.18 Ge en kortfattad beskrivning av t.ex. basidie svamparnas näringsupptagning. 4.19 När under en basidiesvamps livscykel sker motsvarigheten till andra organismers befruktning?
4.8 Förklara begreppet kompensationspunkten (avseende växter och fotosyntes). TÄNK UT 4.9 Förklara hur bevattning av en gröda kan leda till ökad fotosyntes och därmed bättre till växt. 4.10 Enzymet rubisco kan tyckas ha vissa brister. Vilka? 4.11 a) Varför är C4-växter bättre på att klara sig med snål vattentillgång än vad C3-växter är? b) Varför är normalt C3-växter mer konkur renskraftiga än C4-växter i t.ex. en svensk granskog?
4 – Växter och svampar i funktion
4.20 När under dygnet kan man förvänta sig att vattnet i en grund sjövik har högst halt av syrgas? Motivera svaret. 4.21 När under dygnet kan man förvänta sig att en CAM-växt har mest syrlig smak? Motivera svaret. 4.22 Kan man förvänta sig att olika äppelträd som härstammar från kärnor (frön) från samma äpple utgör en klon? Motivera svaret.
105
Boken har följande kapitelindelning: 1 Olika men ändå lika 2 Livets kemi 3 Cellen i funktion 4 Växter och svampar i funktion 5 Människan och andra djur i funktion 6 Sinnen och kommunikation 7 Sex och människans livscykel 8 Bakterier och virus 9 Bioteknik
Anders Henriksson har undervisat i biologi, kemi och naturkunskap på gymnasieskolan i ca 20 år. Nu arbetar Anders som läromedelsförfattare och naturfotograf. Han har samarbetat med Gleerups sedan 1994, vilket har resulterat i flera kända läroböcker i biologi, kemi och naturkunskap.
Anders Henriksson
I Iris-serien ingår även kursboken Iris Biologi 1 (100 p) samt webbtjänster till kursböckerna. Läs mer på www.gleerups.se.
Iris Biologi 2
Iris Biologi 2 är kursbok till gymnasiekursen Biologi 2 (100 p).
Iris
biologi 2 Anders Henriksson