9789147018925

08-02-12

11.55

Sida 1

SPIRA Biologi A

I serien kommer att ingå SPIRA Biologi A SPIRA Biologi B Lärarhandledning till Spira Biologi A Lärarhandledning till Spira Biologi B SPIRA on-line på www.liber.se/spira

Best nr 47-01892-5 Tryck nr 47-01892-5-01

Björndahl Landgren Thyberg SPIRA Biologi A

SPIRA Biologi A innehåller det som kursplanen föreskriver.

Boken kan användas på gymnasiet, Komvux och Naturvetenskapligt basår.

Innehållet är rikt med möjlighet till fördjupning och breddning.

I slutet av boken finns frågor på texten som underlättar elevens inlärning.

Som ytterligare stöd för inlärningen finns en elevhandledning på webben, Spira on-line med sammanfattningar, animationer, frågor och länkar.

SPIRA Biologi A LIBER

Gunnar Björndahl Birgitta Landgren Mikael Thyberg

Spira - omslag.qxp

Spira - s i-vii.qxp

08-02-12

13.20

Sida 2

Var lat – studera smart!

ISBN 978-91-47-01892-5 © 2007 Gunnar Björndahl, Birgitta Landgren, Mikael Thyberg och Liber AB Redaktör Cecilia Söderpalm-Berndes Formgivare Ingmar Rudman Bildredaktör Elisabeth Westlund Illustratör Cicci Lorentzson Omslagsfoton Blad i regnskog i Costa Rica, Ingo Arndt/Nature Picture Library/IBL; Bakteriofag, Biozentrum, Univ. of Basel/ Science Photo Library/IBL; Geparder i Sydafrika, Bruce Coleman Inc/Alamy/Lucky Look; Ginko biloba, Dave Watts/ Nature Picture Library/IBL; Putsarräka i mun på fisk, Borneo, Doug Perrine/ Nature Picture Library/IBL Första upplagan 2 Repro Printing Malmö AB Tryck Nørhaven Book AS, Viborg, Danmark 2008 Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUSavtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommun/universitet.

Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare.

Liber AB, 113 98 Stockholm tfn 08-690 90 00 www.liber.se kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01, e-post: kundservice.liber@liber.se

II

Är du en av alla som läser läxorna från första till sista ordet i ett sträck, och tror att ju fler gånger du gör det, desto bättre kan du läxan? Kanhända lär du dig läxan, men det är inte speciellt effektivt utan tar lång tid och är ganska tröttande.

Antalet timmar du läser är inte det väsentliga. Det viktiga är i stället att du lär dig. Inlärning beror bl.a. på hur du mår för tillfället, hur det ser ut omkring dig, hur motiverad du är och vilken inlärningsteknik du använder dig av.

Här vill vi ge dig råd om hur du kan studera mer effektivt. Om du följer råden kommer du att märka att du sparar tid, och att det blir roligare att läsa. Ta chansen att sluta med dina dåliga läsvanor, om du har det, och utveckla andra, som är bra för dig och ditt liv vid sidan av skolan!

Vi människor är olika och lär oss bäst på olika sätt.

En del lär sig bäst genom att lyssna, andra genom att se, och ytterligare andra lär sig bäst genom att pröva sina kunskaper praktiskt.

Det som står i den här läroboken måste du förstås lära dig genom att läsa den, så studieråden handlar om just det.

För att resultatet ska bli så bra som möjligt, rekommenderar vi dels olika mentala förberedelser, dels något om hur man organiserar studierna praktiskt.

Mentala förberedelser Var positiv i inställningen till dina studier. Om du har en positiv inställning tar hjärnan lättare in det som står i läroboken. Det brukar kallas “mental träning” när man vänjer sig vid positiva tankebanor, som ”jag tycker det är intressant och spännande med genetik”.

Hjärnan förstår inte att det här är ett trick utan blir mer öppen och mottaglig alldeles av sig själv.

Utnyttja hjärnans möjligheter. Stora hjärnan tar emot information, som den sorterar, analyserar och lagrar i minnet. Hjärnans två halvor arbetar något olika. Den vänstra halvan är mer saklig, dvs. den ser

08-02-12

13.20

Sida 3

ord och siffror. Högerhalvan är mer påhittig och konstnärlig, dvs. den ser bilder och mönster. För att lära sig saker bra bör man få hjärnhalvorna att samarbeta.

Läs därför alltid med penna och papper till hands, så att du kan komplettera orden i boken med din fantasi och skapa bilder eller figurer till texten. Använd gärna färgpennor. Att träna sig i “mindmapping” och att rita begreppskartor är bra metoder. Var inte rädd att göra “fel”. Det viktiga är att just du förstår. I boken kommer du också att stöta på många bilder, som på ett kortfattat sätt beskriver innehållet i en text.

Praktiska förberedelser Samla krafter: Ta en ordentlig paus efter skoldagen, gärna med lite frisk luft.

Se ut en lugn plats där du vet att du får den läsro du behöver.

Planera: Du måste förstås ta hänsyn till både andra skolämnen och ditt liv i övrigt innan du planerar läxläsningen. Gör först en veckoplanering och bestäm dig för hur länge du ska läsa varje dag, förslagsvis 30–40 minuter åt gången, följt av en kvarts paus, osv.

Det är viktigt att du följer planeringen, så att du känner belöningen i pausen.

Klart för läxläsning När du ska lära dig innehållet i en text, lång eller kort, kan du arbeta enligt förslagen i "läspyramiden" dvs. schemat till höger. Börja från botten och arbeta uppåt!

Avslutningsvis vill vi som har skrivit den här läroboken få dig att förstå att det är väldigt kul och intressant med biologi, men att man inte kan lära sig saker utan en del arbete! Lycka till!

Stycket är nu klart och du kan börja repetera.

Välj något eller några av förslagen • läs anteckningarna • sätt upp dina anteckningar på väggen • repetera ihop med en klasskamrat • berätta för någon • gör minnesramsor

MÅL

Spira - s i-vii.qxp

Red ut svårigheter genom att gå tillbaka till dina anmärkningar. Kanske behöver dina minnesanteckningar kompletteras.

Sträckläs ett lagom stort avsnitt, utan att hänga upp dig på svåra ord osv. Ha papper och penna till hands och gör minnesanteckningar samtidigt.

Svåra ord eller sådant du inte förstår markerar du med penna i kanten.Ta nu avsnitt för avsnitt och gör samma sak. Detta steg är mest tidsödande och kan med fördel göras på olika dagar.

Skapa dig en överblick genom att bläddra igenom hela stycket, samtidig som du läser rubriker, ingresser, bildtexter, sammanfattningar m.m.

Spira Online För att det ska bli ännu lättare med biologin så finns en studiehandledning på webben, Spira Online, med sammanfattningar, animationer, frågor med svar, länkar och en ordlista. De förlopp som finns animerade har vi i boken hänvisat till med den här symbolen: III

SPIRA titel_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

14.24

Sida 4

BLOCK I: BIOLOGI HANDLAR OM LIV 2 Kapitel 1: Vad är biologi? 4 Varför studerar vi biologi? 5 Biologin som vetenskap 5 Pseudovetenskap 5 Vetenskapligt arbetssätt 6 Några viktiga biologiska teorier 7 Experiment, en viktig del av naturvetenskapen 7 Nyckelhål: Labbrapporten 8 Viktiga verktyg och metoder 10 Expermiment och kontroller 10 Statistiska metoder 10 Nyckelhål: preparat för ljusmikroskop 11 Nyckelhål:: Ljusmikroskop 12 Nyckelhål: Elektronmikroskop 13 SAMMANFATTNING 14 Kapitel 2: Liv och livsformer 15 Vad levande organismer kan 16 Energi och byggmaterial 17 Heterotrofer 17 Autotrofer 17 Cellandning och fotosyntes 17 Grundämnen i levande organismer 18 Kemiska föreningar i levande organismer 19 Cellens uppbyggnad 22 Cellens storlek 22 Cellmembranet 22 Två typer av celler 24 Biologiska organisationsnivåer 27 Virus 28 Virusens uppbyggnad och förökningssätt 28 Nyckelhål: Prioner 30 SAMMANFATTNING 31 IV

Spira - s i-vii.qxp

08-02-12

13.21

Sida 5

Kapitel 3: DNA och RNA; från molekyl till individ 34 Historik 34 Uppbyggnaden av RNA och DNA 35 RNA-molekylens uppbyggnad och roll 35 DNA-molekylens uppbyggnad 36 DNA:s funktioner 37 Informationsöverföring till nya celler – replikation 37 Styrning av den egna cellen – proteinsyntesen 38 Reglering av genaktiviteten 40 SAMMANFATTNING 42 Kapitel 4: Kromosomer, celldelning och förökning 43 Nyckelhål : Epigenetik 44 Cellcykeln 45 Nyckelhål:: Telomerer 46 Förökning – könlös eller könlig 47 Mekanismen för könlig förökning 48 Könsbestämning 49 SAMMANFATTNING 50

Kapitel 7: Genteknik 76 Genteknikens verktyg 77 DNA och RNA i olika organismer 78 Att få in nytt DNA i en cell 79 Att bearbeta och undersöka ett DNA-prov 80 Tillämpning av DNA-analyser 81 Kartläggning av hela genom 81 Biosystematik och evolutionsforskning 82 Kriminalteknik 82 Transgena eller genmodifierade organismer (GMO) 82 Kloning 86 Naturens egna kloner 86 Kloning av odlade växter 86 Kloning av hela däggdjur 87 Kloning av däggdjursceller 87 Medicinsk tillämpning av genteknik 88 Läkemedel 88 Vaccin 89 Transplantation med transgena djur 89 Genterapi 89 Nyckelhål: Stamcellsforskning 90 Risker med medicinsk tillämpning av genteknik 91 Lagen och genteknik 91 Jordbruk, djurhållning och livsmedel 92 Människan 92 SAMMANFATTNING 93

INNEHÅLL BLOCK TVÅ

BLOCK II: GENETIK 32

INNEHÅLL BLOCK ETT

Nedärvning av en egenskap 62 Nedärvning av flera olika egenskaper 64 Arv och miljö 67 Nyckelhål: Gener påverkar varandra 68 Könsbundet arv 69 Praktiska tillämpningar av klassisk genetik 71 SAMMANFATTNING 75

255 REGISTER 261 FRÅGOR

Kapitel 5: Mutationer 51 Genmutationer 52 Orsaker till genmutationer 53 Kromosommutationer 54 Cancer 56 Nyckelhål: Cancer – onormal cellaktivitet 56 SAMMANFATTNING 58 Kapitel 6: Klassisk genetik 59 Historik 59 Gregor Mendel och den klassiska genetiken 60 Grunderna i klassisk genetik 61 Viktiga begrepp inom den klassiska genetiken 61 V

SPIRA titel_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

14.24

Sida 6

Växtriket 124 Typiskt för växter 124 Växtrikets indelning 125 Mossor 125 Kärlväxter 126 SAMMANFATTNING om växtriket 130 Enkla eukaryota organismer 131 Enkla eukaryoter i vår omgivning 131 Djurliknande enkla eukaryoter 132 Sjukdomsalstrare 133 Nyckelhål: Malaria 134 SAMMANFATTNING om enkla eukaryoter 135 Prokaryota organismer – bakterier och arkéer 135 Arkéer 136 Bakterier 136 Hur grupperas bakterierna? 137 Nyckelhål: Tuberkulos 139 SAMMANFATTNING om prokaryoter 141

BLOCK III: LIVETS MÅNGFALD 94 Kapitel 8: Historiskt – i naturen ser vi likheter och mångfald 96 Biologerna får en ny syn på livet 97 SAMMANFATTNING 99 Kapitel 9: Översikt över de levande organismerna 100 Systematik visar på organismernas släktskap 100 SAMMANFATTNING om systematikens principer 102 Djurriket 102 Fåglar 102 Däggdjur 104 Nyckelhål: Några viktiga ordningar inom klassen däggdjur 105 Fiskar 106 Typiskt för alla djur 107 Djurens huvudgrupper 108 Jämförande anatomi 108 Viktiga fyla i djurriket 109 Svampdjur 109 Nässeldjur 109 Plattmaskar 110 Ringmaskar 110 Mollusker 111 Nyckelhål: Snäckfeber 112 Leddjur 113 Tagghudingar 117 Ryggsträngsdjur – ryggradsdjur 117 SAMMANFATTNING om djurriket 121 Svampriket 121 Vad är egentligen en svamp? 121 Svamparna och vi 122 Indelning av svampar 123 SAMMANFATTNING om svampriket 123 VI

Kapitel 10: Evolution 142 Tecken på evolution 143 Fossil 143 Likheter i kroppsbyggnad 144 Likheter i fosterutveckling 146 Biokemiska likheter 146 Organismernas utbredning – biogeografi 146 Livets historia 147 Allt består av atomer 147 Förutsättningarna för liv på den unga jorden 148 Livets fortsatta historia 149 Nyckelhål: Plattektonik och kontinentaldrift 150 Jordens urtid – Proterozoikum 152 Jordens forntid – Paleozoikum 155 Jordens medeltid – Mesozoikum 157 Jordens nutid – Kenozoikum 158 Evolutionens mekanismer 158 Evolutionen saknar syfte och mål 158 Nyckelhål: Evolutionen saknar mål 160 Anpassning till miljön – variation och urval 161 Nyckelhål: Antibiotika 163 Nyckelhål: Ögats evolution 164 Artbildning 168 Nyckelhål: Ö-principen 170 Människans evolution 171 Tidiga forskningsresultat 171 Forskningens nuvarande ståndpunkt 172 Några av våra föregångare 172 Nyckelhål: Hjälpte vattnet oss att gå upprätt? 174 Nyckelhål: Språkgenen 177 Nyckelhål: Mitokondriska Eva 178 Slutord om människans evolution 178 SAMMANFATTNING 179

SPIRA titel_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

14.24

Sida 7

Kapitel 11: Allmän ekologi 182 Omgivningen och individen 182 Abiotiska miljöfaktorer 182 Nyckelhål: Organismerna och miljön 183 Biotiska miljöfaktorer 184 Begränsade resurser 184 Habitat och nisch 185 Populationer 186 Organismsamhällen 188 Arters relationer i organismsamhällen 189 Ekosystemet 191 Energins flöde i ekosystemet 191 Grundämnenas kretslopp i ekosystemet 193 Ett ekosystem omvandlas till ett annat–ekologisk succession 197 Ekosystemets stabilitet 198 Allt levande på jorden – Biosfären 198 SAMMANFATTNING 199

Kapitel 12: Beteende-ekologi 200 Djurens reaktioner på omgivningen – beteenden 201 Etologi respektive beteende-ekologi 202 Vad etologin studerar 202 Vad beteende-ekologin studerar 206 Resurser 206 Att undvika rovdjur 207 Kommunikation 209 Sociala system 211 Reproduktion 211 Slutsatser från beteende-ekologin 213 SAMMANFATTNING om beteende-ekologi 214

Kapitel 15: Människans ekologi 247 Människan – en del av samspelet 247 Produktionslandskapet 248 Det moderna jordbruket 249 Det moderna skogsbruket 251 Epilog: Människan är en biologisk varelse 253 SAMMANFATTNING om människans ekologi 254

INNEHÅLL BLOCK FYRA

BLOCK IV: SAMSPEL I NATUREN 180

Kapitel 14: Livet i landmiljöer 231 Mark och berggrund 232 Klimat 233 Vegetationsregioner och skogstyper 233 Typiskt för barrskogen 234 Typiskt för lövskogen 237 Världens klimatområden och biom 238 Den tropiska regnskogen 239 Savannen 240 Öknen 241 Hårdbladsvegetationen i medelhavsklimat 243 Den lövfällande skogen 244 Barrskogen – taigan 244 Tundran 244 Slutord om biom 245 SAMMANFATTNING om landmiljöer 246

INNEHÅLL BLOCK TRE

Kapitel 13: Livet i vattenmiljöer 215 Sötvattenmiljöer 216 Stillastående vatten som i sjöar och dammar 216 Rinnande vatten 222 Havsmiljöer: Oceaner och kusthav 223 Världshaven 223 Sveriges kust 226 Östersjön 226 Våtmarker 228 Myrmarker – kärr och mossar 229 SAMMANFATTNING om livet i vattenmiljöer 230

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.20

Sida 2

Den här läroboken handlar om hur livet är uppbyggt och organiserat, samt hur olika livsformer utvecklas och samverkar. Läran om livet kallas biologi, vilket kommer från de grekiska orden bios = liv, och logos = lära.

Biologisk kunskap är viktig i många olika sammanhang, exempelvis inom jordbruk, matlagning och sjukvård, och för att hantera miljöproblemen. Vi människor har genom tiderna fått mycket biologisk kunskap genom vardagserfarenhet.

Med forskning kan man skaffa sig ny kunskap på ett mera medvetet sätt. Vad ägnar man sig då åt inom vetenskapen biologi, och vilken betydelse har den för oss? De här frågorna behandlas i hela läroboken, och mer ingående i första kapitlet.

2

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.20

Sida 3

Att äta eller ätas. Lappugglornas tillvaro är en kamp på liv och död – liksom bytesdjurets.

BLOCK ETT • KAP. 1

BIOLOGI HANDLAR OM LIV

3

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 4

Vad är biologi?

KAPITEL 1

En heltäckande förklaring är att biologi är den kunskap om levande organismer som man har fått fram genom att arbeta på ett vetenskapligt sätt. Det betyder att biologi både handlar om vår samlade kunskap, och om principerna för hur man forskar inom det här området. Eftersom vetenskapen biologi är ett brett område kan en enskild forskare inte vara expert på mer än en liten del. Det finns därför många olika delvetenskaper eller underavdelningar inom biologin.

Många människor ägnar sig åt biologiska studier för att det är roligt och för att det ökar deras livskvalitet. Kunskap om fåglar skaffar sig alltså ornitologen främst genom observationer i fält.

I den här läroboken kommer du i kontakt med bl.a.

• cellbiologi och biokemi, som ger en beskrivning av hur grundenheterna för livet, cellerna, fungerar.

• genetik, eller ärftlighetslära, med underavdelningarna klassisk genetik, molekylärgenetik (molekylärbiologi) och genteknik. Genetiken förklarar hur vi ärver egenskaper och vilka molekylära processer som är inblandade.

• systematik, som visar släktskapet mellan livsformerna.

• evolutionsbiologi, som reder ut hur olika arter har anpassats och utvecklats.

• ekologi, som visar samspelet i naturen och hur olika naturtyper fungerar.

Den andra kursen i biologi (kurs B) bygger på kurs A, men där ligger fokus på fysiologi, dvs. hur olika organ utvecklas, fungerar och samspelar, främst hos människan, men även hos andra organismer.

4

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 5

BLOCK ETT • KAP. 1

Varför studerar vi biologi?

Kunskaper i biologi är viktiga för att vi alla som medborgare ska förstå frågor som handlar om bl.a. hälsa, sjukvård och miljö. Om man utbildar sig inom naturvetenskap eller teknik, så behövs biologin som allmänbildning. En ingenjör kan behöva veta vilka naturhänsyn som måste tas vid brobyggen, stadsplanering, osv.

Det gäller även exempelvis ekonomer och samhällsvetare. Biologin är också en grund för utbildning till yrken som läkare, tandläkare, agronom och veterinär.

Dessutom ägnar sig många människor åt djur eller växter på fritiden, för att det ökar deras livskvalitet. En tredje aspekt är att vi med biologisk kunskap bättre kan förstå världen och oss själva.

Biologin som vetenskap Människan har alltid utnyttjat biologisk kunskap.

Redan för omkring 10 000 år sedan kom man på att olika grässorter gav olika god skörd. Denna och andra upptäckter fick stor betydelse för jordbrukets utveckling och därmed för livsmedelsförsörjningen. Men att använda sig av samlad erfarenhet är inte detsamma som att undersöka världen på ett vetenskapligt sätt. Vi skulle kunna förklara det vetenskapliga arbetssättet genom att börja omvänt – med uppfattningar som inte är vetenskap.

Pseudovetenskap Motsatsen till vetenskaplig kunskap är att man påstår något som det inte finns belägg för. Felaktiga föreställningar behöver inte vara så farliga, men ibland kan det få allvarliga följder, som de här påståendena: • "Vårt folkslag är så överlägset alla andra att vi har rätt att börja krig och döda andra folk". I bl.a. 30-talets Tyskland hävdade man det, vilket fick till följd att miljontals människor mördades.

• "Om vete eller potatis tränas att klara kyla så kan man odla de här växterna också i väldigt kalla klimat". Så här resonerade Trofim Lysenko i forna Sovjetunionen. Han fick så mycket makt att han i princip styrde jordbrukspolitiken, och därmed orsakade han årtionden av missväxt.

• "Åderlåtning, dvs. att tappa människor på blod, är bra både för att hindra sjukdomar att bryta ut och som botemedel mot alla sjukdomar". Åderlåtning var ett vanligt tilltag i Sverige fram till mitten av 1800-talet. Vi vet nu att ingen blev botad av metoden.

Det här är exempel på pseudovetenskap, dvs. falsk vetenskap. Inom pseudovetenskapen använder man ofta naturvetenskapliga begrepp, som "energi" och "kraftfält". Påståendena har dock inte sin grund i resultat från vetenskaplig forskning.

5

En stor del av den naturvetenskapliga forskningen går ut på att göra mätningar och sedan utvärdera resultatet. Här vägs albatrossungar på ön Sydgeorgien i Atlanten.

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 6

Vetenskapligt arbetssätt Hur gör man då för att skaffa sig vetenskaplig kunskap? Det viktiga är att man kan stödja sina påståenden med observationer eller experiment.

För att planera observationer eller experiment måste man ha något att utgå ifrån. Det är då vår vardagskunskap om levande organismer kommer till användning. Utifrån det man har lagt märke till, eller hört talas om, kan man formulera en hypotes (en "avancerad gissning") om hur det förhåller sig. Det innebär att man försöker tänka sig vad ett visst fenomen beror på. Hypotesen är alltså ett påstående om verkligheten. Då gäller att: Om vårt experiment ger det här resultatet, så stämmer hypotesen, annars är den felaktig.

Ett lyckat experiment leder oftast till att man dels kan säga att hypotesen stämmer, dels till tanken att sammanhangen är mer komplicerade än man först trodde. Då måste man ändra lite i hypotesen och sedan testa igen. Om experimentet i stället inte ger önskat resultat måste man formulera en annan hypotes och testa den i stället. Så småningom kan samlingen av hållbara hypoteser sammanfattas som en teori över hur ett visst fenomen fungerar. En teori är alltså inte lösa funderingar, utan den just för ögonblicket mest trovärdiga förklaringen! Ytterligare en definition är att: En teori är en idé som kan prövas om och om igen och alltid ger samma resultat.

försöka förstå världen FRÅGESTÄLLNING försöka lösa problem

formuleras genom iakttagelser försöka finna någon förklaring

hypotesen håller inte HYPOTES hypotesen håller prövas TEORI UNDERSÖKNING observationer, experiment o.s.v. dokumenteras

RESULTAT

SLUTSATS

Vetenskapligt arbetssätt uttryckt som "hypotes-cirkelgång".

6

återkoppling

07-02-01

15.21

Sida 7

Bilden visar också hur metoderna med att formulera hypoteser och pröva dem, och att sedan formulera nya hypoteser, kan ses som en cirkelgång. Hypoteserna förbättras för varje varv man går runt, så att man så småningom kan anse att man har en teori. Naturligtvis är målet att med tiden få så pass säker kunskap att den kan få praktisk användning, exempelvis när man odlar grödor eller behandlar sjukdomar.

All vetenskaplig verksamhet bygger på en observation utifrån vilken man formulerar en hypotes som kan testas. Genom testerna får man bättre och bättre hypoteser, som kan sammanfattas till en teori.

Några viktiga biologiska teorier En av de viktigaste biologiska teorierna är cellteorin. Den innebär att alla levande organismer består av celler. En individ kan bestå av en enda cell eller ibland många miljarder celler. Ingen forskare har förstås tittat på alla levande organismer i mikroskop för att övertyga sig om att det här är helt sant, men mest intressant är det omvända, nämligen: Man har aldrig hittat en organism som inte är uppbyggd av celler.

Teorin utformades på 1830-talet, och ganska snart förstod en del läkare att sjukdomar kan bero på att kroppens celler inte fungerar som de ska. Det innebär bl.a. att sjukhuslaboratorier letar efter cellförändringar hos patienter för att se om de har drabbats av cancer eller någon störning i cellernas ämnesomsättning.

En annan viktig teori inom biologin är evolutionsteorin. Den innebär att alla levande organismer är resultatet av en utveckling som har pågått under mycket lång tid. Under 1900-talet kom man fram till hur evolutionsteorin hänger ihop med teorin om ärftligheten, alltså genetiken.

Teorierna är inte enbart "fastslagna sanningar" utan också "forskningsprogram". Även om cellteorin kom åren före 1840, så har våra kunskaper om celler ökat enormt sedan dess. Det viktiga är, att om man inte hade ansett att cellen är grundenheten för allt liv, så hade den inte varit intressant att forska om. Inom genetiken kan vi på liknande sätt se på historien om DNA. Ämnet upptäcktes redan år 1869, men det var inte förrän på 1940-talet man förstod att molekylen har med arvet att göra. Då blev forskningen om DNA mycket intensiv!

Experiment, en viktig del av naturvetenskapen När du arbetar med biologi är det viktigt att du tränar på det vetenskapliga arbetssättet, främst med experiment eller laborationer, alltså praktiska undersökningar.

När du har gjort en laboration bör du skriva en labbrapport, där det framgår vad du har undersökt, vad resultatet blev och vilka slutsatser du kan dra. En laboration innebär oftast att man prövar en hypotes, och drar slutsatsen om den verkar riktig eller inte. Hur du skriver en labbrapport framgår i nyckelhålet på nästa sida.

7

BLOCK ETT • KAP. 1

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 8

NYCKELHÅL:

Så här utformar du en labbrapport Rubrik – vad den här rapporten handlar om Rapportförfattaren, dvs. ditt namn.

3. Resultat Här redovisar du resultatet och ingenting annat – på ett så objektivt sätt som möjligt.

Om något verkar speciellt kan du påpeka det, men du hänvisar till diskussionen. Resultaten ska presenteras så tydligt som möjligt, med tabeller, diagram och bilder. Kom ihåg att inte redovisa samma saker i både tabell och diagram!

4. Slutsats och diskussion 1. Inledning Inledningen ska formuleras så att den som läser rapporten blir intresserad. Då behövs viss bakgrundsinformation. På så vis kan du motivera varför du gör undersökningen och dessutom ge en bakgrund till diskussionen som du skriver i slutet av rapporten.

Syfte: Här redovisar du kortfattat din frågeställning och vad du vill undersöka.

Hypotes: Här redovisar du idén om vad du tror ska hända. I delen "slutsats och diskussion" kan du sedan diskutera om hypotesen kan godtas, om den måste omformuleras eller om den måste förkastas helt.

2. Materiel och metoder Här beskriver du hur du utförde undersökningen. Du skriver kortfattat men ändå begripligt, så att andra kan göra om undersökningen. Men om metoden finns beskriven i instruktionen för laborationen så kan du hänvisa dit.

8

Först reder du ut vad resultaten visar. Stämmer hypotesen eller måste den förkastas? Ta också upp och diskutera om någonting verkar ha gått fel under laborationen – och hänvisa då till de metoder som du har använt. Kan metoderna förbättras? Bör hypotesen formuleras om? Vad har andra fått för resultat i samma typ av undersökning? Vilken nytta har man av de här resultaten?

5. Referenser Här tar du upp källor, dvs. du nämner undersökningar som är jämförbara och kanske har givit samma resultat, eller ett annorlunda sådant. Ibland kan det vara bra att även hänvisa till metoderna. Du måste ange källorna så att andra personer kan gå in på Internet eller beställa böcker eller tidskrifter på ett bibliotek.

Ofta skriver man källhänvisningen så här: Författarnamn, årtal inom parentes, titel på artikel eller bok, tidskrift eller bokförlag, nummer på tidskriften, sidhänvisning.

07-02-01

NYCKELHÅL:

Labbrapporten

15.21

Sida 9

BAKTERIER UTAN PLASMID 1. tillväxt över hela petriskålen

2. ingen tillväxt

ej ampicillin

ampicillin

Experiment med genöverföring till bakterier Transformation med E. coli och plasmid-DNA Författare: Lisa Svensson, Anna Jansson.

1. Inledning Bakterier har DNA i en större, ringformad kromosom, men också ofta i mindre ringformade DNA-molekyler som kallas plasmider. Det är möjligt att föra in specialtillverkade plasmider i bakterier. På så sätt kan man få bakterier att tillverka ämnen som de annars inte kan göra själva.

Syftet med experimentet är att testa om man i bakterieceller kan föra in plasmider med gener för att tillverka enzymer (proteiner) som bryter ner antibiotika. Det antibiotikum vi undersöker är ampicillin, och bakterien är den vanliga tarmbakterien Escherichia coli (E. coli). Genom att arbeta med två bakteriegrupper, där bara den ena får tillgång till plasmiden, men där annars båda grupperna utsätts för samma behandling, kan vi kontrollera om plasmidöverföringen fungerar.

Hypotes: Bakterier som med hjälp av plasmiden får möjlighet att bryta ner ampicillin kan växa på näringsmedium som innehåller ampicillin. Bakterier som inte har fått plasmiden kan inte det, eftersom ampicillinet tar död på de här bakterierna.

2. Materiel och metoder Utrustning öglor av metallen platina för överföring av bakterier automatpipetter Eppendorfrör (små plastprovrör med lock) vattenbad som håller 42 °C värmeskåp som håller 37 °C spritbrännare Biologiskt material, kemikalier: odling med E. coli-bakterier lösning av plasmider med resistensgen mot ampicillin 1Agar

BAKTERIER MED PLASMID 3. tillväxt över hela petriskålen

4. enstaka kolonier

ej ampicillin

ampicillin

3. Resultat Efter ett dygn i värmeskåp hade följande hänt i de olika petriskålarna med bakterieodling: 1. Bakterier utan plasmid, näringsagar utan ampicillin: Stor tillväxt – hela petriskålen täckt av bakterer.

2. Bakterier utan plasmid, näringsagar med ampicillin: Ingen tillväxt alls.

3. Bakterier med plasmid, näringsagar utan ampicillin: Stor tillväxt – hela petriskålen täckt av bakterier.

4. Bakterier med plasmid, näringsagar med ampicillin: En del bakterier har överlevt och bildat enstaka kolonier.

4. Slutsats och diskussion

Resultatet visar alltså att bakterier som har tagit upp plasmiden med gener för ampicillinresistens kan växa på näringsagar med kalicumkloridlösning, steril ampicillin. Bakterier som inte har fått tillnäringsbuljong för bakterier, steril gång till plasmiden klarar inte det. Hypotenäringsagar1 för bakterier, i petriskålar: sen var alltså korrekt.

2 st med antibiotikumet ampicillin En tanke är att det är möjligt att föra in 2 st utan ampicillin plasmider med andra egenskaper, som gör is att bakterien kan användas för produktion Utförande av något speciellt ämne. Kanske något horBakterier rörs ut i kalciumkloridlösning i två mon?

Eppendorfrör som placeras på is.

Man kan också tänka sig att olika misslyckPlasmiderna sätts till det ena Eppendorfrö- ade försök borde ha gett resultat enligt fölret. jande: Bakterierna värms i det 42-gradiga vatten- Om bakterierna som borde ha fått plasmibadet i 90 sekunder och kyls sedan åter på den inte växer på agar med ampicillin, men is, i 1 minut. växer på agar utan ampicillin, så har överBakterierna placeras i värmeskåp med föringen av plasmiden misslyckats.

37 °C i 30 minuter.

Om bakterierna utan tillgång på plasmiden Näringsbuljong tillsätts. växer på agar med ampicillin, så är den Bakterierna rörs ut på näringsagar. Vi har agarn troligen felblandad. fyra kombinationer: Om inga bakterier växer över huvud taget, 1. Bakterier utan plasmid, på näringsagar inte ens på agar utan ampicillin, så har utan ampicillin något i experimentet, utöver plasmiden, 2. Bakterier utan plasmid, på näringsagar skadat alla bakterierna! med ampicillin 3. Bakterier med plasmid, på näringsagar 5. Referens utan ampicillin Transformation med E.coli och plasmid4. Bakterier med plasmid, på näringsagar DNA, labbhandledning, Karlstads universitet med ampicillin.

Petriskålarna med näringsagar och bakteri- Observera att den här redogörelsen är lite er placeras i värmeskåp vid 37 °C till nästa förenklad – se s. 78–79 för tillämpningar dag, då resultatet avläses. av tekniken med överföring av plasmider.

Bakteriekolonier

är ett geléartat extrakt från alger. Det kan smältas, hällas ut i en petriskål, och sedan användas för att odla bl.a. bakterier på.

9

BLOCK ETT • KAP. 1

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 10

Viktiga verktyg och metoder Ett viktigt vetenskapligt verktyg inom biologin är mikroskopet. Det finns olika slags mikroskop och de mest använda är ljusmikroskop, transmissionselektronmikroskop (TEM) och svepelektronmikroskop (SEM). På gymnasiet används i första hand ljusmikroskop, eftersom de andra typerna är dyra och dessutom komplicerade att använda.

Ett annat viktigt hjälpmedel inom biologin är olika statistiska metoder.

Experiment och kontroller Experiment i biologin innebär att man utsätter levande organismer för en behandling och därefter jämför med en kontroll. Behandlingen kan t.ex. vara förhöjd temperatur. Om vi placerar vitlöksklyftor i två olika vattenbad, det ena med rumstempererat vatten och det andra med 37-gradigt vatten, så har vi en experimentuppsättning med kontroll (rumstempererat) och värmebehandling (37 °C). Om det blir skillnad i tillväxt mellan behandlade vitlökar och kontrollvitlökar så har temperaturen haft effekt. Utan kontrollen, som också kallas referens, kan vi inte veta om just vår speciella behandling har haft någon effekt. Du kan också se exemplet i nyckelhålet på s. 9. vitlöksklyfta

rumstempererat vatten

37-gradigt vatten

1 vecka senare

Exempel på experimentuppställning – här undersöks om temperaturen påverkar vitlökens tillväxt.

Genom att flera vitlöksklyftor får samma behandling (fem stycken) garderar vi oss mot att resultatet beror på slumpen.

Statistiska metoder Vi hoppas förstås att skillnaden mellan behandling och kontroll i ett experiment ska bli så tydlig att resultatet blir självklart. Om så inte är fallet kan vi använda statistiska metoder för att få fram sannolikheten för att det verkligen finns en skillnad mellan behandling och kontroll. Syns ingen skillnad ens med den statistiska metoden, så är det slumpen som gör att det verkar vara en skillnad.

Vi tar ett exempel. Två tallar växer intill varandra, alltså i samma miljö. Den ena tallen verkar ha lite längre barr än den andra, och den skillnaden kan vara genetisk, eftersom miljön är densamma. Men alla barr på ett och samma träd är inte exakt lika långa. Vi vill då veta om det verkligen finns någon skillnad i barrens medellängd.

10

07-02-12

11.29

Sida 11

Vi mäter 15 barr från vartdera trädet och räknar ut medelvärdena, som mycket riktigt skiljer sig åt en del. Det längsta barret från trädet med korta barr är aningen längre än det kortaste barret från trädet med långa barr. Med statistiska metoder kan vi då få fram sannolikheten för att det finns en verklig skillnad. Om sannolikheten är större än 95 % accepterar vi hypotesen att det finns en faktisk skillnad mellan barrens medellängd. Om sannolikheten däremot visar sig vara mindre än 95 %, förkastar vi hypotesen och drar slutsatsen att det är slumpen som gör att det ser ut att vara en skillnad.

NYCKELHÅL:

Preparat för ljusmikroskop Några saker är alltid viktiga när man arbetar med ljusmikroskop: Förutsättningen för att få ett bra preparat är att det man tittar på är tunt och platt, eftersom ljuset ska passera igenom preparatet. Alltså ska man ta så lite som möjligt av det material man vill undersöka.

För att få ett tunt och platt objekt, alltså det man ska undersöka, pressar man det mellan två glasskivor. Med hjälp av en liten vattendroppe sugs då glasskivorna intill varandra med hjälp av vattnets kapillärkraft.

Tillverkning av preparat 1. Placera en vattendroppe på ett objektglas – se bilden.

2. Placera det du ska undersöka, objektet, i vattendroppen, och se till att ditt tunna preparat ligger slätt.

3. "Fäll" ett täckglas över objektet.

4. Sug upp eventuellt överflödigt vatten med lite papper.

objektglas

täckglas

Objektglas, täckglas, preparat.

11

BLOCK ETT • KAP. 1

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

NYCKELHÅL:

Ljusmikroskop

13.22

Sida 12

okular

objektivrevolver objektiv

objektbord med preparathållare fininställning för skärpa

kondensor med ljusfältsbländare ljuskälla

grovinställning för skärpa kontrollrattar för objektbordet

Undersökning av preparatet i mikroskopet 1. Placera preparatet på mikroskopets objektbord – se bilden.

2. Börja med den minsta förstoringen, dvs. med det objektiv på mikroskopet som förstorar minst. Ha objektbordet så högt upp som det går.

3.Titta i okularet.Vrid objektbordet nedåt med skärpeinställningen tills du får en skarp bild.

4. Justera ljuset med bländaren under objektbordet. Om mikroskopet har en flyttbar kondensor ska den vara långt ner vid minsta för-

storingen, högt upp vid större förstoringar.

5. När du har en bra bild kan du byta till ett objektiv med större förstoring.

6. Med objektiven med större förstoring ändrar man bara skärpan genom ratten för finjustering. Försiktigt!

7. Om mikroskopet har ett objektiv med 100 gångers förstoring är det ofta märkt med "oil". För att kunna se objektet behövs nämligen en droppe olja mellan objektivet och objektet. Däremot behövs inget täckglas.

Använd bara det här objektivet vid speciella tillfällen, t.ex. när du tittar på bakterier, som bara är ca 1/10 så stora som djurceller.

Användning av permanenta preparat Du kommer även att få möjlighet att titta på färdiga, permanenta, preparat. De är ofta färgade. Principen för att få fram tunna, färgade preparat från något organ är följande: Det biologiska provmaterial man vill undersöka gjuts in i exempelvis paraffin eller plast.

Tunna snitt skärs med en speciell apparat.

Snitten placeras på objektglas.

Objektglasen doppas i olika färgbad.

Efter sköljning och torkning limmas ett täckglas på, så att preparatet blir hållbart.

Ett objektglas med blodutstryk. Ett torkat preparat behöver inte ha täckglas.

12

Blodceller (blodkroppar) i ljusmikroskop. De allra flesta är röda blodkroppar, men i mitten och lite till höger syns två vita blodkroppar. Förstoring: ca 1 000 gånger.

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

13.22

Sida 13

BLOCK ETT • KAP. 1

NYCKELHÅL:

Elektronmikroskop Många av detaljerna i celler går inte att se med ljusmikroskop, utan då krävs elektronmikroskop.

Hur kan man förklara att det är på det viset?

Delvis hänger det ihop med att ljuset är en vågrörelse. Det blågröna ljusets våglängd är i medeltal 500 nm (nanometer), dvs. 1/2000 av en millimeter. Föremål av den storleken eller mindre syns mest som suddiga prickar, och det går absolut inte att se några detaljer som är mindre än så. Följden blir att även ljusmikroskop av absolut högsta kvalitet inte kan användas för förstoringar över ca 1500 gånger. Om man försöker fotografera i ljusmikroskop och därefter förstorar bilden blir alltså de minsta detaljerna suddiga hur man än gör.

Lösningen på problemet är att använda elektronvågor i stället för ljus. På så sätt kan man få bilder av enskilda molekyler!

Det mest använda elektronmikroskopet är transmissionselektronmikroskopet (TEM). Likheten med ljusmikroskop är att man "tittar" igenom ett tunt preparat.

Att göra preparat till ett elektronmikroskop är mer komplicerat än till ljusmikroskop. Först gjuter man in provet i plast. Sedan skär man mycket tunna snitt av ingjutningen.

Vit blodkropp i transmissionselektronmikroskop (TEM). Observera att bilden är färgad. Förstoring: ca 3 000 gånger.

Eftersom elektronvågor inte är "vanligt" ljus, så kan man inte uppfatta olika färger och därför blir bilderna svartvita. För att få bättre kontrast i bilden kan man dock “färga” preparatet med speciella kemikalier. I böcker ser man ofta elektronmikroskopbilder med färg, men det är alltså "falska färger".

En annan typ av elektronmikroskop kallas svepelektronmikroskop (Scanning Electron Microscope, SEM). Med SEM blir bilden tredimensionell.

En vit blodkropp bland många röda blodkroppar, i svepelektronmikroskop (SEM). Observera att bilden är färgad.

Förstoring: ca 6 000 gånger.

13

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 14

SAMMANFATTNING • Biologin arbetar med att få fram kunskap om organismer genom ett vetenskapligt arbetssätt.

• Vetenskapen biologi är uppdelad i många delvetenskaper, som t.ex. cellbiologi, genetik, evolution, systematik och ekologi.

• Pseudovetenskap är en falsk kunskap som grundar sig på tro och fantasi.

• Vetenskaplig kunskap grundar sig på bl.a. observationer och experiment.

Resultaten kan kontrolleras med nya experiment.

• En hypotes är en "kvalificerad gissning".

• En teori är en idé som kan prövas om och om igen och alltid ger samma resultat.

• Viktiga teorier inom biologin är cellteorin och evolutionsteorin.

• Experiment utförs med kontroller (referenser).

14

07-02-01

15.21

Sida 15

Liv och livsformer

KAPITEL 2

Tänk dig att du fick i uppdrag att undersöka om det finns någon livsform på en helt okänd plats, kanske på en annan planet. Hur skulle du då bära dig åt?

Antagligen skulle du fundera på vad som är typiskt för olika livsformer och vad som kännetecknar levande till skillnad från död materia. Det kanske inte är så enkelt som man först tror, och det finns biologiska fenomen som kan anses befinna sig i gränslandet mellan levande och död materia.

Vad är då egentligen liv? Vilka krav ska uppfyllas för att något ska räknas som levande? Ett svar är att alla levande organismer har energiomsättning samt förmåga att växa, fortplanta sig och reagera på omgivningen.

Dessutom är alla levande organismer uppbyggda av celler, som alltså är grundenheten för livet. Många organismer består av bara en enda cell, och den kan vara olika stor. Andra organismer består av flera celler. En del alger byggs upp av ett fåtal celler, medan komplicerade organismer som exempelvis människan består av uppemot 1014 celler.

Det här kapitlet tar också upp lite biokemi, dvs. de kemiska ämnen som finns i levande varelser och vad de har för funktion.

Virus uppfyller inte kriterierna för levande organismer om man ser dem ensamma, men de använder levande celler för sin förökning. Eftersom många virus orsakar sjukdomar är de ändå viktiga att känna till. Detsamma gäller de mer nyligen upptäckta prionerna, som också kan orsaka sjukdomar.

Svampens växtkraft är så stor att den till och med kan “spränga” sig igenom asfalt!

15

BLOCK ETT • KAP. 2

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 16

Vad levande organismer kan förökning

Vi kan först titta på vilka färdigheter levande varelser har, till skillnad mot död materia.

tillväxt reaktion på omgivningen

rörelse

f ö r m å g a t i ll

Förökning

För att livet ska fortgå måste organismerna föröka sig. Föräldrarnas egenskaper kopieras och överförs till avkomman. Föräldrarnas egenskaper går alltså i arv.

Tillväxt

LIV

Åtminstone alla flercelliga varelser ökar i storlek och förändrar utseende från befruktningen till dess att de blir vuxna.

Rörelse

behov byggmaterial

energi

Levande organismer behöver energi och byggmaterial från omvärlden, och klarar av flera olika saker som skiljer dem från det icke-levande.

Växter vänder sig mot ljuset.

Det är ett exempel på att levande organismer har rörelseförmåga och att de reagerar på omgivningen.

16

Nästan alla livsformer kan röra sig. Även många stillasittande organismer kan ha någon form av rörelse – se bara hur växter vänder sig mot ljuset.

Reaktion på omgivningen

Nästan alla livsformer kan reagera på omgivningen på något sätt. Djur får information om omgivningen med hjälp av sina sinnen. Växter kan alltså vända sig mot ljuset. En del klätterväxter lindar sig kring de föremål som de får kontakt med. Även en del encelliga organismer orienterar sig mot ljuset, eller mot kemiska ämnen.

08-02-12

13.22

Sida 17

Energi och byggmaterial Alla organismer behöver energi för att hålla igång de olika livsprocesserna. Dessutom behövs olika kemiska ämnen som byggmaterial. Organismerna kan skaffa sig energi respektive byggmaterial på olika sätt. Den största skillnaden är mellan autotrofer, som kan bygga upp sig själva med enkla ämnen som vatten och koldioxid, och heterotrofer, som måste leva på organiska1 ämnen som andra organismer har tillverkat.

Heterotrofer Om vi tar oss själva som exempel så kan vi konstatera att vi äter varje dag. Maten ger oss både energi för att fortsätta att leva och material till att bygga upp kroppen. Maten består av delar från andra levande organismer, både djur och växter.

Mycket av maten bryts ner till koldioxid och vatten i cellandningen, och då frigörs den energi vi behöver. Det enda livsviktiga vi kan få i oss utan att äta andra organismer är vatten, och med det också olika mineralämnen. Alla som har den här grundprincipen av ämnesomsättning kallas heterotrofer.

Autotrofer Alla organismer kan förstås inte vara heterotrofer. Några måste tillverka de organiska ämnen som vår föda består av. Autotrofer kan tillverka organiska ämnen ur enkla molekyler som koldioxid och vatten. Viktigast är de gröna organismerna, dvs. växter, alger och blågröna bakterier. Dessa klarar sig i princip på vatten med en del lösta närsalter, ljus och den koldioxid som finns i luften. Medan heterotrofer, som vi människor, får både energi och material från maten, får de gröna organismerna alltså energin från ljuset och materialet från luften och vattnet.

Processen när växter, alger och blågröna bakterier bygger energirika ämnen från koldioxid och solenergi kallas fotosyntes. Alla organismer som försörjer sig på det här viset är fotoautotrofa.

En del bakterier får istället energi från någon oorganisk, kemisk reaktion.

Med den energin kan de här bakterierna göra om koldioxid till socker och andra organiska ämnen. Då behöver de varken det vi kallar mat, eller solljus. Bakterier som lever på det här viset är kemoautotrofa.

Cellandning och fotosyntes Organismerna behöver alltså hela tiden energi för att hålla sig vid liv. I cellerna kan energi frigöras ur organiska ämnen genom cellandningen, som kan sammanfattas så här: kolhydrater (fett, protein) + syre ➔ koldioxid + vatten + energi (lagrad i energibäraren ATP)

Cellandning förekommer hos de flesta levande organismer. En del kan dock klara sig utan syre, och får då energin genom jäsning, exempelvis jästsvampar.

17

1Organiska ämnen (molekyler) är kolföreningar som bl.a. bygger upp celler och deltar i reaktioner i cellen.

BLOCK ETT • KAP. 2

Spira - s 2-31.qxp

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 18

Med hjälp av sina kloroplaster, med det gröna färgämnet klorofyll, kan de gröna organismerna omvandla ljusenergin från solen till kemisk energi lagrad i kolhydrater. Den här är alltså fotosyntesen. En förenklad formel är koldioxid + vatten + ljusenergi ➔ kolhydrater + syre

Kolhydraterna fungerar alltså som kemiskt bunden solenergi. Växternas fotosyntes är grunden för det mesta av livet på jorden, och växterna kallas också ofta för producenter, eftersom de tillverkar kolhydrater, som alla levande organismer behöver. djurcell

växtcell

ATP

ljusenergi

kloroplast

I fotosyntesen omvandlas ljusenergin från solen till kemiskt bunden energi i kolhydrater. I cellandningen frigörs kolhydraternas energi.

Först lagras energin i energibäraren ATP, som kan användas till många energibehov i cellen, men slutligen blir all energi till värme. Värmen strålar slutligen ut i rymden igen.

mitokondrie

koldioxid + vatten kolhydrater + syre

koldioxid + vatten + ljusenergi kemisk energi

fotosyntes kolhydrater + syre cellandning

Grundämnen i levande organismer Det finns drygt 100 grundämnen, varav ca 90 går att hitta i naturen, alltså luften, havet och jordskorpan. Ska man vara petig finns det några enstaka atomer av alla de här ämnena i var och en av oss, men det är inte så många grundämnen som finns i stor mängd i levande organismer.

Allra vanligast är kol, väte och syre, och därefter kväve, fosfor och svavel. I cellerna ingår kvävet främst i aminosyror, som bygger upp proteiner, samt i DNA och RNA. I DNA och RNA ingår även fosfor. Svavel ingår i vissa aminosyror.

Alla levande organismer behöver också många andra grundämnen. Några exempel är metallerna natrium, kalium, kalcium, magnesium, järn, mangan, koppar, zink och molybden. För en del speciella funktioner behövs också klor och jod.

18

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

13.22

Sida 19

De flesta kemiska föreningar i organismerna är uppbyggda av grundämnet kol och brukar kallas organiska ämnen. I levande organismer finns fyra stora grupper av organiska ämnen med olika egenskaper och funktioner: • • • •

proteiner med sina byggstenar aminosyrorna, lipider, dvs. fetter m.m., kolhydrater, nukleinsyror och deras byggstenar. Hit hör DNA och RNA. Proteiner bygger upp djurens kroppar, och är dessutom ämnen som organismen måste vara sparsam med. Ett exempel är den här lövgrodan, som har stött bort det yttersta lagret på sin hud, men efteråt äter upp sitt gamla skinn för att återanvända proteinets beståndsdelar.

Proteiner med aminosyror

Laxkött är proteinrikt medan grönsaker istället är rika på kolhydrater.

Aminosyror är ganska små molekyler, som har egenheten att kunna fungera som en syra i ena änden och som en bas i den andra. Om man löser en aminosyra i destillerat vatten blir pH därför ofta ungefär 7. Den basiska änden på en aminosyra kan kopplas ihop med syra-änden på en annan aminosyra. På det viset kan aminosyror kopplas ihop till långa kedjor och bilda mycket stora molekyler, nämligen proteiner. Teoretiskt kan man tänka sig nästan hur många sorters aminosyror som helst, men i proteiner förekommer bara 20 olika varianter. Beroende på vilka aminosyror som dominerar, och i vilken ordning de sitter, kan proteinmolekylerna få mycket olika egenskaper.

Några av proteinernas uppgifter är att • fungera som byggstenar. Muskler, hud, naglarna och håret är uppbyggda av proteiner.

• skynda på kemiska reaktioner i cellerna, alltså fungera som katalysatorer. De här proteinerna kallas enzymer. Man kan säga att det finns minst ett enzym för varje kemisk reaktion som sker i en cell.

19

BLOCK ETT • KAP. 2

Kemiska föreningar i levande organismer

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

13.22

Sida 20

aminosyran glycin

syre kväve

kol

väte

Proteiner är mycket stora molekyler, som byggs upp av hundratals, ibland tusentals, ihopkopplade aminosyror. De olika aminosyrorna har något olika kemiska egenskaper, och det gör att en proteinmolekyl kan vecka ihop sig på ett bestämt sätt.

• bekämpa främmande ämnen och organismer som tränger in i kroppen och gör oss sjuka. Den här sortens proteiner kallas antikroppar.

• transportera ämnen i blodet. Hit hör hemoglobin, som transporterar syre.

För att aminosyrorna ska sättas ihop i rätt ordning i ett visst protein behövs information, och den informationen lagrar cellen i DNA!

Lipider

1Opolär betyder laddningsneutral.

Till lipiderna räknas ämnen som inte löser sig så lätt i vatten, men däremot i exempelvis bensin och andra opolära1 vätskor. Fetter är kanske de mest välbekanta lipiderna. De är uppbyggda som en kombination av alkoholen glycerol och tre fettsyror, se bilden nedan. Mest används fetterna som energiförråd, både i djur och växter, men även som värmeisolering. Cellmembranet består också i stor utsträckning av lipider, oftast fosfolipider. Andra lipider, som har annorlunda uppbyggnad, är karotenoider, alltså färgämnet i bl.a. morötter, samt steroider, som är "grundmolekyler" i många olika hormoner.

syre

kol

Ett fett är uppbyggt av alkoholen glycerol och tre fettsyror – fettsvansar.

väte glycerol

20

fettsvansar

BIOLOGI kap 1-2_SUSS_5_0.qxp

07-02-01

15.21

Sida 21

BLOCK ETT • KAP. 2

Kolhydrater I gruppen kolhydrater ingår både enkla sockerarter (glukos, se bilden nedan) och större molekyler som är uppbyggda av ihopfogade sockermolekyler, t.ex. stärkelse och cellulosa. Både stärkelse och cellulosa består av långa kedjor, men sockermolekylerna är hopkopplade på lite olika sätt. Socker och stärkelse används mest som energilager, medan cellulosa bygger upp växternas cellväggar.

Olika specialiserade sockerarter ingår i exempelvis DNA och RNA. Också människans blodgrupper bestäms av olika sockermolekyler. I det fallet har individer med olika blodgrupp olika sockermolekyler på utsidan av de röda blodkropparna.

sockret glukos

syre

kol

väte

Den enkla sockerarten glukos.

DNA, RNA och deras byggstenar Både DNA och RNA byggs upp av en sockermolekyl med fem kolatomer, fosfat och fyra olika kvävebaser, se bilden nedan. En "enhet" i båda molekylerna består av en kombination av fosfat, socker och kvävebas. Tillsammans utgör de en nukleotid. En sådan kombination av småmolekyler är också grunden i den molekyl som cellen använder som energibärare, nämligen ATP1. DNA och RNA beskrivs närmare i kapitel 3.

fosfatgrupp

kvävebas

socker

fosfor

syre kväve kol väte

Grundstrukturen i DNA och RNA: fosfat - socker - kvävebas bildar tillsammmans en nukleotid.

21

1från engelskans adenosine triphosphate, på svenska adenosintrifosfat

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

13.23

Sida 22

Cellens uppbyggnad

1Ordet cell kommer just från latinets cellula, dvs. litet rum.

Cellerna1 är som små enheter, "moduler", för allt liv. Hos de flesta flercelliga organismer finns olika celltyper. En liknelse är att ett hus byggs upp av olika enheter som t.ex. tegelstenar, fönsterbågar och takbjälkar. Det är viktigt att förstå att cellen är ett litet utrymme med en inre, kemisk miljö som är skild från omgivningens miljö.

Cellens storlek Celler varierar i storlek. De minsta cellerna är ungefär 1 mikrometer (μm) långa, de största (bortsett från äggulan i fågelägg) är knappt 1 millimeter. Litenheten innebär åtminstone två fördelar. Ett litet föremål har stor yta jämfört med volymen. Då blir det enkelt att ta in och pumpa ut olika ämnen. Inom en liten cell behöver inte heller olika kemiska molekyler förflytta sig särskilt långt. Molekyler kan delvis röra sig av sig själva, genom diffusion (se nästa sida), men den processen är mest effektiv över korta avstånd.

Cellmembranet

cellens utsida fosfolipider

vattenliknande del

fettliknande del

cellens insida

Schematisk bild av ett cellmembran i genomskärning.

Fosfolipidmolekylerna vänder sin fettliknande del inåt membranet, medan den vattenliknande delen vetter mot utsidan av membranet – dels mot omgivningen, dels in mot cellen.

Cellmembranet är gränsen mellan omgivningen och cellens inre värld. Det styr vilka ämnen som kan passera igenom och gör att cellens inre får en egen kemisk miljö, där livsprocesserna kan fungera ganska oberoende av vad som sker utanför.

Cellmembranet är i huvudsak uppbyggt av fosfolipider som liknar fett. De här molekylernas ena ände påminner om vatten, den andra om fett. I membranet, som består av dubbla lipidlager, vänder sig molekylerna så att de fettliknande "svansarna" pekar inåt, mot varandra, och de vattenliknande delarna pekar dels utåt mot omgivningen, dels inåt cellen.

Cellmembranet fungerar som en kemisk barriär, men det måste också kunna ta emot olika slags signaler från omgivningen samt vidarebefordra signalerna så att någonting sker längre in i cellen. Dessutom styr cellen med hjälp av membranet vilka ämnen som ska in i respektive ut ur cellen. För att klara de här uppgifterna har cellmembranet olika typer av proteiner inbäddade mellan fosfolipiderna.

Transport över cellmembranet För att kunna styra vilka ämnen som passerar, och därmed styra den inre miljön i cellen, måste membranet kunna transportera ämnen på olika sätt. Bara ett fåtal ämnen kan utan vidare passera genom membranet. Dit hör koldioxid och syrgas, bl.a. eftersom de är små, oladdade molekyler, samt för det mesta också vatten. För flertalet andra ämnen krävs kanaler eller pumpar, dvs. speciella proteiner. Kanalerna kan vara selektiva, vilket innebär att bara en del ämnen släpps in eller ut, och bara vid speciella tillfällen. Pumparna behövs också när ämnen ska röra sig från en lägre till en högre koncentration.

22

Spira - s 2-31.qxp

08-02-12

13.23

Sida 23

Passiv transport

BLOCK ETT • KAP. 2

Ämnen som är lösta i en vätska eller en gas sprider sig i hela det tillgängliga utrymmet genom en spontan process som kallas diffusion. Diffusionen beror på att alla molekyler och atomer har rörelseenergi som gör att de svänger och vibrerar.

Diffusionen gör att molekyler från områden med hög koncentration rör sig till områden med låg koncentration, så att koncentrationsskillnaden jämnas ut.

Halvgenomsläpplig hinna

Diffusion innebär att ett ämne sprider sig i en vätska eller en gas, så att koncentrationen till slut är densamma överallt i gasen eller vätskan.

Diffusionen kan även fungera över ett cellmembran. En del molekyler går rätt igenom utan problem, medan det för andra krävs att cellmembranet öppnar en bestämd kanal för att ämnet i fråga ska strömma in, eller ut, från högre till lägre koncentration. Cellen behöver inte bidra med någon energi, och därför kallas de här processerna för passiv transport.

cellens utsida

cellens utsida O2

CO2

membranprotein

kanalprotein

energi cellens insida

cellens insida

Passiv transport mellan fosfolipiderna i ett cellmembran eller genom ett speciellt kanalprotein, från en högre koncentration till en lägre.

Aktiv transport innebär att cellen kan föra ämnen från en lägre koncentration till en högre. Då krävs speciella pumpproteiner och energibäraren ATP.

Aktiv transport

Molekyler rör sig alltså av sig själva från högre till lägre koncentration. Men i många fall måste cellen få ämnen att röra sig i motsatt riktning. Då måste cellen tillföra energi. Den kommer från cellandningen, oftast i form av energibäraren ATP. Den här typen av transport över cellmembranet kallas aktiv transport, och den kräver alltså speciella pumpproteiner i membranet.

23

08-02-12

11.55

Sida 1

SPIRA Biologi A

I serien kommer att ingå SPIRA Biologi A SPIRA Biologi B Lärarhandledning till Spira Biologi A Lärarhandledning till Spira Biologi B SPIRA on-line på www.liber.se/spira

Best nr 47-01892-5 Tryck nr 47-01892-5-01

Björndahl Landgren Thyberg SPIRA Biologi A

SPIRA Biologi A innehåller det som kursplanen föreskriver.

Boken kan användas på gymnasiet, Komvux och Naturvetenskapligt basår.

Innehållet är rikt med möjlighet till fördjupning och breddning.

I slutet av boken finns frågor på texten som underlättar elevens inlärning.

Som ytterligare stöd för inlärningen finns en elevhandledning på webben, Spira on-line med sammanfattningar, animationer, frågor och länkar.

SPIRA Biologi A LIBER

Gunnar Björndahl Birgitta Landgren Mikael Thyberg

Spira - omslag.qxp