BIOLOGIE v souvislostech
Pro gymnázia
BIOLOGIE v souvislostech
Pro gymnázia
Autor: Mgr. Petr Šíma
Recenzenti: Mgr. Vojtech Baláž, Ph.D., Mgr. Alena Balážová, Ph.D., Bc. Kateřina Bezányiová, prof. RNDr. Ivan Čepička, Ph.D., prof. RNDr. Jan Černý, PhD., Mgr. Kateřina Marková, RNDr. Martin Čertner, Ph.D., Mgr. Albert František Damaška, RNDr. Petr Dolejš, Ph.D., doc. RNDr. Lubomír Hrouda, CSc., RNDr. Zuzana Chumová, Ph.D., Mgr. Josef Juráň, Ph.D., doc. RNDr. Lucie Juřičková, Ph.D., doc. Mgr. Ondřej Koukol, Ph.D., doc. Mgr. Jan Kučera, Ph.D., RNDr. Lenka Libusová, Ph.D., Mgr. Jiří Malíček, Ph.D., Mgr. Martin Minařík, Ph.D., RNDr. Alena Drda Morávková, Ph.D., Mgr. Zuzana Musilová, Ph.D., RNDr. Jaroslav Nunvář, Ph.D., prof. RNDr. Adam Petrusek, Ph.D., RNDr. Štěpán Rak, Ph.D., RNDr. Milan Řezáč, Ph.D., RNDr. Aleš Soukup, Ph.D., Mgr. Petr Šípek, Ph.D., Mgr. Tomáš Urfus, Ph.D.,
RNDr. Pavel Vařejka, RNDr. Petr Veselý, Ph.D., doc. RNDr. Jan Votýpka, Ph.D.
Ilustrace: MgA. Radka Bošková, Michal Muzikant
Za originální fotografie, které obohatily tuto učebnici, si zaslouží dík zejména tito autoři: Jan Martinek, Petr Šípek, Petr Juračka, Dana Holubová, Jaroslav Nunvář, Petr Znachor, Martin a Ondřej Pelánkovi, Lubomír Hlásek, Petr Hamerník, Jan Jindra, Jan Kaštovský, Jaroslav Kubín, Pavel Škaloud, Štěpán Koval, Stanislav Krejčí, Martin Procházka, Petr Suvorov, Tereza Humhalová, Petr Synek, Tomáš Macháček, Sabina Belicová, Jan Matějů, ale samozřejmě i mnoho dalších.
Dílo vzniklo ve spolupráci s řadou vědců a pedagogů vysokých škol, kteří texty posuzují. Za pečlivou práci jim patří obrovský dík.
Nakladatelství se snaží o maximální kvalitu učebnic po stránce obsahové, didaktické, jazykové, estetické i po stránce praktického uplatnění.
Pokud máte nějaké postřehy k vylepšení učebnice, budeme rádi, když je pošlete na adresu biologie@eduko.cz. Předem Vám za ně děkujeme.
Součástí první strany obálky je snímek květu huseníčku rolního. Tímto snímkem se v roce 2022 jeho autor Jan Martinek, doktorand Katedry experimentální biologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, stal vítězem celosvětové soutěže zaměřené na světelnou mikroskopii Olympus Image of the Year Award.
© Petr Šíma, 2024
© EDUKO nakladatelství, s. r. o., 2024
OBECNÁ BIOLOGIE
1 Biologie jako věda / 8
2 Dějiny biologie / 10
3 Obecné vlastnosti organismů / 12
4 Základy taxonomie / 14
BIOLOGIE BUŇKY
5 Prokaryotické a eukaryotické buňky /16
6 Membrána /18
7 Buněčná stěna / 20
8 Jednomembránové organely / 22
9 Semiautonomní organely / 24
10 Cytoskelet / 26
11 Jádro a DNA / 28
12 Mitóza / 30
13 Meióza / 32
14 Buněčný cyklus / 34
15 Mikroskopie 36
MIKROBIOLOGIE
16 Viry a jiné infekční částice / 38
17 Množení virů / 40
18 Význam virů / 42
19 Virová onemocnění / 44
20 Bakteriální buňka / 46
21 Genetika bakterií / 48
22 Ekofyziologie bakterií / 50
23 Člověk a bakterie / 52
24 Patogenní bakterie / 54
25 Sinice / 56
26 Archea / 58
27 Systém eukaryot / 60
BOTANIKA
28 Rostliny / 62
29 Řasy / 64
30 Fotosyntéza / 66
31 Alternativní výživa rostlin / 68
32 Rozmnožování rostlin / 70
33 Vyšší rostliny / 72
34 Mechorosty / 74
35 Pletiva cévnatých rostlin / 76
36 Cévní svazky a druhotné tloustnutí / 78
37 Kořen / 80
38 Stonek / 82
39 List / 84
40 Vodní režim rostlin / 86
41 Cévnaté rostliny a plavuně / 88
42 Kapradiny (a přesličky) / 90
43 Rostlinné hormony / 92
44 Pohyby rostlin / 94
45 Nahosemenné rostliny / 96
46 Jehličnany / 98
47 Květ a květenství / 100
48 Opylení a oplození / 102
49 Plod / 104
50 Krytosemenné rostliny / 106
51 Jednoděložné rostliny / 108
52 Dvouděložné rostliny I / 110
53 Dvouděložné rostliny II / 112
PROTISTA
54 Exkaváti a měňavkovci / 114
55 SAR I / 116
56 SAR II / 118
57 SAR III / 120
HOUBY
58 Vlastnosti a ekologie hub / 122
59 Systém hub, chytridie a spájivé houby / 124
60 Vřeckovýtrusé houby / 126
61 Lišejníky / 128
62 Stopkovýtrusé houby / 130
ZOOLOGIE
63 Živočichové / 132
64 Vývoj živočichů / 134
65 Epitely / 136
66 Pojiva / 138
67 Svalová a nervová tkáň / 140
68 Systém živočichů / 142
69 Houbovci / 144
70 Žebernatky a žahavci / 146
71 Svět žahavců / 148
72 Ploštěnci / 150
73 Parazitičtí ploštěnci / 152
74 Kroužkovci / 154
75 Měkkýši – mlži / 156
76 Měkkýši – plži / 158
77 Měkkýši – hlavonožci / 160
78 Břichobrvky, mechovci, ramenonožci, pásnice, vířníci, ploutvenky / 162
79 Hlístice a příbuzní / 164
80 Parazitické hlístice / 166
81 Členovci / 168
82 Trilobiti, ostrorepi a další / 170
83 Pavouci a štíři / 172
84 Další pavoukovci / 174
85 Stonožkovci / 176
86 Korýši I / 178
87 Korýši II / 180
88 Šestinozí / 182
89 Hmyz – anatomie / 184
90 Hmyz – ekologie / 186
91 Hmyz – význam / 188
92 Hmyz s proměnou nedokonalou / 190
93 Hmyz s proměnou dokonalou / 192
94 Ostnokožci a polostrunatci / 194
95 Strunatci – kopinatci a pláštěnci / 196
96 Obratlovci / 198
97 Kruhoústí / 200
98 Paryby / 202
99 Žraloci a rejnoci / 204
100 Paprskoploutvé ryby – anatomie / 206
101 Paprskoploutvé ryby – ekologie / 208
102 Paprskoploutvé ryby – systém / 210
103 Svaloploutví / 212
104 Obojživelníci – anatomie a ekologie / 214
PŘEHLED IKONEK
Zajímavosti
Informace z reálného života, praktické aplikace, kuriozity, rekordy.
Mezipředmětové vztahy
Nejen z jiných přírodovědných oborů, jako je fyzika, chemie, zeměpis, ale i z oblasti historie, literatury a dalších oborů.
První pomoc
Informace o první pomoci a lidském zdraví.
Odkazy na jinou část učebnice
Odkazuje na místo, kde je daný jev vysvětlen a více popsán. V elektronické verzi připravovaných učebnic bude aktivní na prokliknutí.
Odkaz na protější stranu v učebnici
V učebnici je vždy první strana kapitoly graficky soustředěná kolem centrálního obrázku. Pokud se všechny informace nevešly na místo, kam by logicky patřily, šedá šipka na ně odkazuje na protější straně.
Videa
Odkazy na videa kanálu YouTube, archivu České televize a dalších webů, které nabízejí sledování videí. Odkazy budou pravidelně kontrolovány a aktualizovány.
Internet
Odkazy na webové stránky, které podávají další informace, galerie obrázků a další užitečné portály.
105 Obojživelníci – systém / 216
106 Plazi – anatomie a ekologie / 218
107 Plazi – želvy a krokodýli / 220
108 Plazi – šupinatí / 222
109 Ptáci – anatomie / 224
110 Ptáci – ekologie / 226
111 Ptáci – systém I / 228
112 Ptáci – systém II / 230
113 Savci – anatomie I / 232
114 Savci – anatomie II / 234
115 Savci – ekologie / 236
116 Savci – ptakořitní a vačnatci / 238
117 Savci – Afrotheria a chudozubí / 240
118 Savci – Euarchontoglires / 242
119 Savci – Laurasiatheria / 244
120 Etologie / 246
ÚLOHY / 250
Odkazy na jinou část elektronické učebnice
Zatím v naší učebnici nejsou tyto odkazy zařazeny.
Experimenty
Uvádí náměty na jednoduché, doma nebo v přírodě snadno proveditelné pozorování a pokusy.
Procvičování
Nejrůznější typy úloh na procvičení látky, na vytvoření vztahů mezi osvojovanými poznatky, na jejich aplikaci a částečně také rozšiřující znalosti.
Odpovědi
Autorské řešení úloh, v tištěné verzi učebnice je uváděno minimálně, bude součástí elektronické verze.
VÝZNAM POUŽITÉHO PÍSMA
černé základní – hlavní text
černé tučné – důležitá hesla, termíny, pojmy
černé kurzivní – názvy uměleckých děl
zelené tučné – rodová a druhová jména organismů zelené tučné kurzivní – rodová a druhová jména organismů latinsky
modré tučné – názvy vyšších skupin organismů, než je rod a druh
oranžové tučné – jména osobností
Vážení čtenáři, zvídaví studenti a milí vyučující, dostáváte do rukou první díl dvoudílné řady učebnic Biologie v souvislostech pro gymnázia doplněné jedním pracovním sešitem.
Mou snahou bylo podat výklad moderní biologie přehledně, srozumitelně, v souladu se současnými požadavky kladenými na rozvoj důležitých kompetencí a gramotností, včetně gramotnosti digitální, a s ohledem na mentalitu dnešních středoškoláků. Tedy tak, aby učebnice nebyla pouhým zdrojem teoretických znalostí, ale aby přinášela také poznatky důležité pro praktický život.
K lepšímu porozumění učiva na základě vytváření konkrétních a správných představ o probíraných jevech napomáhá velké množství ilustrací, fotografií, schémat, ale také přehledná grafická úprava.
Náplní tohoto dílu jsou kapitoly věnované buněčné biologii a biologii organismů. Nečekejte však jejich vyčerpávající seznam, ale určitě zde najdete odborně správné (díky mnoha recenzentům, odborníkům z vysokých škol), logicky provázané a srozumitelně podávané zákonitosti platné v přírodě kolem nás.
V učebnici na straně 2 naleznete přístupový kód k online verzi učebnice, kde naleznete odkazy na videa, webové stránky, jiné části učebnice, velké detailní nákresy a fotografie
Přál bych si, aby se tato učebnice stala dobrým pomocníkem při výuce pro studenty i vyučující a práce s ní byla pro ně radostná.
autor
1 B iologie jako věda
OBECNÁ BIOLOGIE
Prototyp biologa – je to batikovaná mánička s mastnými vlasy, introvertní podivín s brýlemi, nebo ušlechtilý člověk v bílém plášti? ● Ne každý doktor předepíše léky na angínu. ● Chcete se stát bryologem, malakologem nebo batrachologem? ● Správný sadař by měl být pomologem, rybář ichtyologem. ● Když vystuduji biologii, uživím se?
BIOLOGIE JAKO VĚDNÍ OBOR
Biologie zkoumá vše živé. Původ názvu vědního oboru je v řeckém bios = život a logos = slovo, řeč, smysl, přeneseně i věda.
VÝZKUM
Vědci provádějící základní výzkum se snaží získat nové poznatky o jevech, organismech nebo látkách bez ohledu na to, jestli bude mít výsledek jejich práce praktické uplatnění.
Přesto je zásadní, protože na něj může navázat aplikovaný výzkum, zaměřený na konkrétní cíl praktického využití (1/1).
PLODY VÝZKUMU
Příkladem výsledků základního výzkumu může být nový druh kobylky, poznatky o tom, jak přesně roste ucho myši nebo výpočet struktury zajímavého proteinu.
Ústav organické chemie a biochemie jen díky tomu, že v rámci základního výzkumu syntetizoval různé látky odvozené od dusíkatých bází nukleových kyselin, mohl potom některé využít jako dnes používaná antivirotika pro léčbu hepatitidy B nebo infekce HIV. Za to vděčíme laboratoři prof. Antonína Holého ( kap. 18)
Další příklad základního výzkumu virových infekcí u bakterií a objev systému ( kap. 21), který umožní léčit dědičné choroby lidí, najdete v TED-videu nositelky NC 2020 Jennifer Doudna
VĚDECKÁ PRÁCE
Pokud na něco ve vědě přijdete, je důležité to publikovat. Ať už v odborných časopisech, na konferencích, v mezinárodních databázích, nebo v dalších odborných publikacích. Tím mohou být vaše závěry použity v dalším výzkumu jinými vědci.
AMATÉRSKÁ BIOLOGIE
Biologií se lze zabývat také na amatérské úrovni (pozorování přírody, pěstování rostlin nebo chov zvířat, sběr přírodnin, fotografování, mikroskopie, birdwatching). Je možné amatérsky provádět i vědecký výzkum, poskytovat svá data ostatním (mapování druhů, amatérská entomologie, citizen science neboli občanská věda – na mapování druhů se podílejí běžní obyvatelé např. sčítáním ptáků České společnosti ornitologické nebo mapováním pomocí mobilní aplikace iNaturalist kap. 28).
BIOLOGICKÉ DISCIPLÍNY
Stejně jako každý jiný vědní obor, i biologie obsahuje nepřeberné množství vědních disciplín. Abychom se v té změti disciplín zorientovali, roztřídíme je na disciplíny podle zkoumaných organismů, podle jejich vlastností, disciplíny hraničící s jinými velkými obory a disciplíny aplikované ( protější strana).
JAK SE STÁT BIOLOGEM?
V České republice se můžete stát profesionálním biologem studiem na několika přírodovědeckých fakultách. Biologii dále potřebujete pro studium lékařských, veterinárních nebo zemědělských oborů, biotechnologie a biochemie.
AKADEMICKÉ TITULY A HODNOSTI
Po třech letech studia získáte titul bakalář (Bc.), po dalších dvou letech magistr (Mgr.). Poté lze složit rigorózní zkoušku a získat titul doktor přírodních věd (RNDr.) a po doktorském studiu získáte za jméno titul Ph.D.
Nejúspěšnější vědci a pedagogové získávají od rektora univerzity po habilitaci titul docent (doc.). Do pozice profesora (prof.) jmenuje vědce prezident republiky.
DOKTORSKÉ TITULY
Říkáme-li, že jdeme k doktorovi, máme na mysli lékaře, tedy doktora medicíny s titulem MUDr. (latinsky medicinae universae doctor, doktor všeobecného lékařství). Další doktorské tituly jsou třeba RNDr. (rerum naturalium doctor, doktor přírodních věd), MVDr. (medicinae veterinariae doctor, doktor veterinární medicíny), PaedDr. (paedagogiae doctor, doktor pedagogiky) nebo PhDr. (philosophiae doctor, doktor filozofie).
UPLATNĚNÍ
Biologů je kromě vědy a výzkumu třeba například v zoologických a botanických zahradách, muzeích, v ochraně přírody, ale také na úřadech a v klinické praxi (v nemocnicích a jiných zdravotnických zařízeních) a v biotechnologickém či farmaceutickém průmyslu.
ZAKLADATEL BIONIKY
Z poznatků biologie hojně čerpá technika a umění. Na počátku 16. století zkonstruoval Leonardo da Vinci létající stroj inspirovaný netopýrem. Da Vinciho tak můžeme považovat za zakladatele bioniky, aplikovaného oboru spojujícího poznatky BIOlogie a techNIKY (1/2)
1/1 Biologové – vědci
skupiny organismů
1 botanika
2 algologie
3 bryologie
4 dendrologie
5 mikrobiologie
6 virologie
7 bakteriologie
8 protozoologie, protistologie
9 zoologie
10 entomologie
11 malakologie
12 ichtyologie
13 batrachologie
14 herpetologie
15 ornitologie
16 mamaliologie
17 antropologie
18 mykologie 19 lichenologie
BIOLOGIE
vlastnosti a popis organismů
20 molekulární biologie
21 proteomika
22 morfologie
23 anatomie
24 histologie
25 embryologie
26 cytologie
27 fyziologie
28 imunologie
29 genetika
30 etologie
31 parazitologie
32 ekologie
33 biogeografie
34 taxonomie
35 fylogenetika
36 vývojová biologie
37 evoluční biologie
38 obecná biologie
řec. a-, an- = ne, lat. alga = řasa, řec. batrachos = žába, řec. bryon = mech, řec. dendron = strom, řec. ethos = zvyk, řec. fysis = příroda, řec. herpo = plazit se, řec. histos = tkanina, tkáň, řec. ichthys = ryba, řec. kytos, cytos = dutina, komůrka, buňka, lat. lichenes = lišejník, řec. malakos = měkký, lat. mamma = prs, řec. morfé = tvar, Morfeus = řecký bůh snů, řec. mykes = houba, řec. oikos = dům, řec. ornis = pták, řec. paleo = minulý, dávný, řec. phylon = kmen, klan, řec. proto = první, prvotní, řec. taxis = řád, řec. tome = řez
A. bakterie a jiná prokaryota
B. bílkoviny (proteiny) – struktura a funkce
C. buňka, její stavba a procesy v ní
D. cizopasnictví
E. člověk
F. data a jejich statistické zpracování v oboru biologie
G. dědičnost a proměnlivost organismů
H. dřeviny (stromy a keře)
I. fosílie (zkameněliny), pozůstatky po živých formách na Zemi v minulosti
J. funkce živých soustav, fungování procesů v nich
K. fyzikální vlastnosti živých soustav a vliv fyzikálních faktorů na živé systémy
L. hmyz
M houby
N. chemické složení organismů a chemické děje, které v nich probíhají
O. chování živočichů, včetně člověka, jich projevy, funkce a vývoj
P. informace – zpracování rozsáhlých souborů dat
Q. jednobuněčná eukaryota (prvoci nebo protista)
R. lišejníky
S. manipulace s genetickou informací organismů
T. mechorosty
U. měkkýši
V. mikroorganismy
W. molekuly, jejich struktura a funkce v organismech
X. morální otázky vztahu člověka k životu, živým organismům, včetně otázek medicínských
Y. obecné zákonitosti vývoje života na Zemi
Z. obojživelníci
AA. obranyschopnost organismů
BB. ochrana životního prostředí
CC. ontogeneze (vývoj jedince během života)
DD. péče o zdraví člověka
EE. péče o zdraví chovaných živočichů
FF. plazi
GG. ptáci
HH. rostliny
II. rozšíření organismů na Zemi
JJ. ryby, rybovití obratlovci
1HH, 2KK, 3T, 4H, 5V, 6PP, 7A, 8Q, 9AAA, 10L, 11U, 12JJ, 13Z, 14FF, 15GG, 16LL, 17E, 18M, 19R, 20W, 21B, 22RR, 23SS, 24MM, 25YY, 26C, 27J, 28AA, 29G, 30O, 31D, 32XX, 33II, 34NN, 35WW, 36CC, 37Y, 38QQ, 39N, 40K, 41X, 42F, 43P, 44OO, 45I, 46VV, 47BB, 48TT, 49S, 50ZZ, 51UU, 52DD, 53EE
hraniční obory
39 biochemie
40 biofyzika
41 bioetika
42 biostatistika
43 bioinformatika
44 bionika
45 paleontologie
aplikované obory
46 biotechnologie
47 ochranářská biologie
48 hydrobiologie
49 genové inženýrství
50 agrobiologie
51 klinická biologie
52 humánní medicína
53 veterinární medicína
KK. řasy a sinice
LL. savci
MM. tkáně
NN. třídění organismů do systému podle jejich příbuznosti
OO. technické aplikace poznatků o živé přírodě
PP. viry
QQ. vlastnosti společné všem organismům
RR. vnější tvary organismů a jejich částí
SS. vnitřní orgány – stavba a popis
TT. voda a život v ní
UU. vyšetřování lidského organismu laboratorními metodami
VV. využití organismů a jejich produktů k výrobě látek
WW. vývojové vztahy mezi organismy, hledání vzájemné přirozené příbuznosti skupin
XX. vztahy mezi organismy a jejich vztahy k prostředí
YY. zárodečný vývoj živočichů
ZZ. zemědělství a využití biologie v něm
AAA. živočichové
1/2 Bionika – létající stroj Da Vinciho
Má cenu se v dnešní moderní době zabývat dějinami biologie? ● Je česká věda popelkou vedle vědy světové? ● Má Čech šanci se na poli světové vědy prosadit? ● Budovali Kopčem s Veverčákem pasti na mamuty? ● Lze oplodnit koroptev dechem? ● Co přináší hnis? Zajímavé objevy!
PREHISTORIE
Už od doby vzniku lidského druhu je znalost některých biologických poznatků otázkou přežití – lidské nemoci a jejich léčení, etologie zvířecí kořisti, jedovatost a jiné účinky rostlin a mnoho dalšího.
LOVCI
MAMUTŮ
Paleolitičtí obyvatelé jižní Moravy, lovci mamutů známí z románů Eduarda Štorcha (2/1) potřebovali mít perfektní znalosti o tom, jak mamuti žijí, kudy chodí, a tedy i jak na ně. Je zajímavé, že představa lovu mamutů do jam, jak o něm Štorch píše, je chybná. I když bylo období jara, půda zůstávala v dobách ledových (glaciálech) často trvale zmrzlá. Navíc nebyly nikdy zjištěny žádné archeologické nálezy, které by pasti dokumentovaly.
Pravěké přírodovědné myšlení a znalosti lze dodnes spatřit u přírodních národů. Popisuje je například kniha Vojtěcha Novotného Papuánské polopravdy
STŘEDOVĚK
Po pádu antiky došlo obecně ke snížení životní úrovně („pádu civilizace“), a tedy i k odklonu od výzkumu a vzdělanosti. Intelektuálno se udrželo jen v prostředí církve, kde se však spíš než vědecké otázky řešily otázky náboženské – proto Evropa na několik století vypadla z přírodovědeckého bádání.
ARABSKÝ SVĚT
ANTIKA
ŘEKOVÉ A ŘÍMANÉ
Rozkvět evropské civilizace ve starověkém Řecku a Římě vedl k poznávání přírody i člověka. Hippokrates založil asi v roce 400 př. n. l. na ostrově Kós lékařskou školu. Dodnes budoucí lékaři skládají Hippokratovu přísahu, i když některé její pasáže dnes vyznívají poněkud absurdně . Rozdělil lidský temperament podle toho, která ze 4 tělních tekutin v těle převažuje (černá žluč melaino cholé, žluč cholé, krev sanguis a hlen flegma), jejich nerovnováha je příčinou nemocí. Aristoteles klasifikoval známé živočichy do prvního systému, je autorem řady zoologických spisů.
Zabýval se i původem života, jeho teorie samoplození (spontánní abiogeneze) dnes budí úsměv. Žáby se rodí z bláta, myši z prachu a mouchy z hnijícího masa, koroptev lze oplodnit dechem. Římský Plinius starší sepsal veškeré vědění antického světa v 37 knihách díla Naturalis historia (Přírodověda) a Galénos ve 2. století prováděl první pitvy a experimenty. Přišel také s teorií, že nový jedinec vzniká splynutím mužského a ženského semene, které se tvoří v pohlavních žlázách z krve (odtud „čistokrevnost“).
RENESANCE
2/2 Avicennův portrét na stříbrné váze
Perský filozof a lékař Ibn Síná (Avicenna) – (2/2) sepsal v 11. století Kánon lékařství – soubor lékařských poznatků středověkého arabského světa.
V období renesance se evropská civilizace vrací k antickým základům evropské vzdělanosti. Rozvoj zaznamenávají univerzity, s růstem životní úrovně se vrací zájem o bádání. Leonardo da Vinci se ve svých dílech inspiroval srovnávací anatomií a tyto znalosti využíval i při konstrukci svých vynálezů. Je považován za zakladatele bioniky (spojení biologie a techniky). Rozvoj zaznamenává i výzkum organismů, např. o rozvoj botaniky se zasloužil autor významného renesančního herbáře P. A. Mattioli
LÉKAŘI
Pořádají veřejné anatomické pitvy lidí – Andreas Vesalius v Padově – nebo později (rok 1600) Jan Jessenius v Praze (2/3) – více . Anglický lékař William Harvey popsal krevní oběh na základě poměrně brutálních pokusů a prohlásil, že vše živé pochází z vajíčka (Omne vivum ex ovo).
2/3 Veřejná pitva
V roce 1590 sestrojili holandští brusiči skla, otec a syn Janssenové, první mikroskop ( kap. 15).
2/1 Lovci mamutů
OSVÍCENSTVÍ
Zejména v protestantských zemích (Anglii, Holandsku, Francii) dochází k osvobození se od křesťanských dogmat (hlídaných také násilně pomocí inkvizice). Vzniká osvícenství a s ním základy moderní vědy Biologie se ale více rozvíjí až v 19. století se vznikem evoluční teorie, srovnávací anatomie, paleontologie a dalších oborů. Je tak v rámci přírodovědných disciplín (vedle matematiky, chemie a fyziky) nejmladším vědním oborem.
MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE
A GENETIKA
Z nemocničních obvazů s hnisem byla už v roce 1869 německým lékařem Miescherem izolována deoxyribonukleová kyselina (DNA). Aniž by věděl, že DNA nějak souvisí s dědičností, formuloval německý kněz působící v augustiniánském klášteře v Brně Johann Gregor Mendel základní zákony dědičnosti. Roku 1944 Američan Oswald Avery prokázal na bakteriích, že je DNA nositelkou dědičnosti, a v roce 1962 dostali Watson, Crick a Wilkins Nobelovu cenu za objev struktury DNA.
Francis Crick je autorem centrálního dogmatu molekulární biologie ( kap. 205).
Stojí za to přečíst si knihu Jamese Watsona Tajemství DNA (Academia, 2005) a shlédnout divadelní hru Snímek 51 o roli Rosalindy Franklinové, bez níž by struktura DNA objevena nebyla ( kap. 204 a 208).
NOBELOVY CENY ZA BIOLOGII
Alfred Nobel objevil dynamit, tedy stabilizovanou formu nitroglycerínu. Nitroglycerín stabilizoval jeho napuštěním do křemeliny (diatomitu), horniny vzniklé ze schránek rozsivek ( kap. 55).
Ze zisků z patentů roku 1901 ve své závěti založil Nobelovu nadaci.
Na základě jeho poslední vůle je každoročně udělována Nobelova cena (2/4). Při určení oborů, v rámci kterých se Nobelova cena uděluje, biologii opomněl. Ale v oboru chemie a lékařství a fyziologie bylo oceněno mnoho biologických objevů. Jejich přehled najdete na Wikipedii.
NOVÉ
Se zámořskými objevy se do Evropy dostává mnoho exotických přírodnin a roste zájem o organismy. Vznikají první muzea, Carl von Linné vydává pravidla pro klasifikaci druhů a začíná celosvětový výzkum biodiverzity. Množství nových informací osvětě umožňuje postupný vznik evolučních teorií, s čímž souvisí i rozvoj výzkumu pravěkých organismů (průkopníkem paleontologie se stává Richard Owen, mj. autor označení dinosaurus).
Více o Cuvierovi, Lamarckovi, Darwinovi a Dawkinsovi ( kap. 125).
Za zakladatele etologie ve světě je považován Konrad Lorenz ( kap. 120).
MIKROBIOLOGIE
Za zakladatele mnoha oborů je považován francouzský biolog a chemik Louis Pasteur
Považuje se za zakladatele mikrobiologie a imunologie, vyvinul vakcínu proti vzteklině, popsal kvašení a proces pasterizace potravin. V roce 1859 vyvrátil Aristotelovu teorii samoplození, která do té doby pro mikroorganismy stále platila. Pomocí baňky s labutím krkem dokázal, že pokud se do prostředí nemohou bakterie dostat z okolí, tak spontánně nevznikají (2/5)
2/5 Louis Pasteur a baňka s labutím krkem
ČESKÁ BIOLOGIE SVĚTOVÁ
Česká biologická věda patří mezi světově uznávané. Češi se podílejí na výzkumu na univerzitách po celém světě. Dlouhodobě patří např. mezi nejvýznamnější světové taxonomy.
Jan Evangelista Purkyně založil roku 1853 Živu, časopis pro popularizaci biologie. Více o J. E. Purkyně (Purkyňova vlákna v srdci, Purkyňovy buňky v mozečku) kap. 152 a 181, o Bohumilu Němcovi (přesýpavý škrob v kořenové špičce) kap. 37, o Janu Janském (krevní skupiny systému AB0) kap. 146 a o Aleši Hrdličkovi (jednotný původ člověka a osídlení Ameriky) kap. 134.
by vás historie biologického myšlení zajímala více, přečtete si knihu Stanislava Komárka Stručné dějiny biologie (Academia, 2017).
3 O becné vlastnosti organismů
Všichni směřujeme k maximální entropii, tedy smrti. ● Je včelstvo jedinec, populace, nebo něco mezi tím? ● Virus – špatná zpráva v bílkovinové obálce. ● Máme v sobě třetinu periodické tabulky prvků. ● Jak stárneme, vysycháme.
Co všechno jsou živé organismy, lze někdy obtížně vymezit. Zejména nebuněčné organismy – viry – se z obecné charakteristiky živého hodně vymykají. Když ale řekneme, že viry projevují známky života v hostitelských buňkách, trochu pravdy na tom je. Jedná se vlastně o nukleovou kyselinu zabalenou v bílkovinovém obalu – špatnou zprávu pro hostitele v proteinové obálce. Rozhodně ale následující společné charakteristiky platí pro všechny buněčné organismy, jako jsou prokaryota nebo eukaryota
HIERARCHICKÉ USPOŘÁDÁNÍ
Z atomů v organismech se skládají jednoduché molekuly, z nich molekuly složité (polymery). Některé molekuly zde tvoří nadmolekulární komplexy (membrány, ribozómy, cytoskelet) a organely – všechny tyto struktury pak bývají membránou odděleny od okolního prostředí – tvoří buňky. Mnohobuněčné organismy mívají buňky uspořádané do tkání nebo pletiv, ze kterých jsou tvořeny orgány a případně orgánové soustavy. Ty tvoří celé jedince. Jedinci tvoří populace (někdy v trochu těsnějším uspořádání, třeba u sociálně žijícího hmyzu, jako jsou mravenci nebo včely), s ostatními druhy tvoří společenstva a ekosystémy a vytvářejí život na Zemi, tedy biosféru (3/1)
VÝVOJ
Vše se neustále mění. Každý jedinec organismu se mění s postupujícím věkem (individuální vývoj – ontogeneze). Organismy jsou také dráždivé –dovedou reagovat na změny ve svém okolí. V průběhu věků se pak organismy mění i z generace na generaci – dochází k biologické evoluci, která vede ke vzniku nových druhů, forem, i k rozvoji celých skupin organismů (fylogenezi – vývoji skupin). To, že změny jsou dědičné, zajišťuje genetická informace uložená obvykle v DNA.
sekvojovec
voda protein virus SARS-CoV-2
ribozóm
atom fosfolipid
trepka
živočišná buňka
bakterie mitochondrie
červená krvinka
myš
lidské vajíčko
slepičí vejce
mravenec
rostlinná buňka
žabí vajíčko
velikost (na logaritmické stupnici)
člověk pštrosí vejce
plejtvák
3/1 Poměry velikostí v živých strukturách
OTEVŘENÉ SOUSTAVY
Z fyziky víte, že vše, co lze v prostoru oddělit od okolí, jsou fyzikální soustavy. Tedy i organismy jsou fyzikální soustavy, konkrétně otevřené, což znamená, že si s okolím vyměňují látky, energii i informace.
SNIŽUJEME ENTROPII
Prostor v živém organismu je vysoce uspořádaný. Každý váček v eukaryotické buňce má své charakteristické složení, probíhají v něm jen určité reakce. Vše je potřeba udržet v dynamické rovnováze, ale zároveň stabilním stavu zvaném homeostáza (řec. homoios = stejný, stasis = trvání, stání). Z fyzikálního hlediska je takovýto systém velice nepravděpodobný a může existovat jen díky velkým dodávkám energie, které snižují míru neuspořádanosti systému, veličinu zvanou entropie. Všechny děje samovolně spějí k chaosu, stavu s maximální entropií (3/2)
Aby maximální entropie (tedy smrt organismu) nenastala, musíme neustále systému dodávat energii (rostliny to dělají pomocí světla a fotosyntézy, živočichové včetně nás pomocí trávení živin v potravě). V průběhu života probíhá neustálá přeměna látek i energií, tedy metabolismus
nízká entropie
vysoká entropie 3/2 Zvyšování entropie
CHEMICKÉ SLOŽENÍ
Všechny živé organismy mají společné chemické složení – obsahují nukleové kyseliny a bílkoviny. Nukleové kyseliny jsou látky, které v sobě nesou kódovanou informaci o podobě celého organismu. U většiny organismů to je deoxyribonukleová kyselina (DNA), u některých virů je to ribonukleová kyselina (RNA). Podle nich se syntetizují bílkoviny neboli proteiny a ty buď slouží přímo jako stavební nebo funkční molekuly, nebo jako enzymy umožňují průběh všech chemických reakcí, včetně vzniku všech dalších látek (struktur a vlastností, prostě všeho), které těla organismů tvoří. Snižují energetické bariéry reakcí, čímž působí jako katalyzátory.
PRVKOVÉ SLOŽENÍ
Organismy jsou z velké části tvořeny sloučeninami z několika biogenních prvků (řec. bios = život, gennao = tvořit, rodit). V periodické tabulce (3/3) je vidíte rozdělené do tří kategorií. To lze brát jako proměnlivé podle toho, pro jaký konkrétní organismus prvkové složení vyjadřujeme. Více o prvcích v přírodě najdete zde.
MAKROBIOGENNÍ PRVKY
Scénu z filmu Jak básníci přicházejí o iluze, kde H. CON, profesor biochemie, zároveň představí 4 nejdůležitější prvky i sebe, asi znáte Vodík, uhlík a kyslík jsou ve všech základních přírodních látkách (nukleové kyseliny, proteiny, sacharidy, lipidy), v prvních dvou je také zastoupen dusík. Nadbytečný dusík se z těla živočichů vylučuje v podobě moči. Vápník (Ca2+) je v lidském těle obsažen v kostech a schránkách měkkýšů, korýšů, dírkonošců a jiných organismů a je zodpovědný za stah svaloviny nebo srážení krve. Fosfor je součástí naší kostry. V podobě zbytku kyseliny fosforečné (fosfátu) je součástí nukleových kyselin, může se vázat na proteiny a je obsažen v molekule ATP ( kap. 9).
Těchto prvků je v těle zastoupeno opravdu malé množství, často jsou ve větším množství i toxické. Jód je součástí hormonu štítné žlázy tyroxinu nebo těl chaluh. Brom je přítomen v červeném purpuru, barvivu mořských plžů ostranek, selenocystein byl zjištěn jako 21. kódovaná aminokyselina v proteinech (více o genetickém kódu kap. 5, kap. 206).
Zelený hemovanadin je barvivo neznámé funkce obsažené v mořských sumkách. Enzym nitrogenáza obsahující molybden je zodpovědný za schopnost hlízkových bakterií měnit vzdušný dusík na amoniak. Zinek je obsažen v enzymech zvaných zinkové prsty. Ty jsou součástí mnoha transkripčních faktorů (proteinů spouštějících nebo blokujících přepis DNA do RNA).
Mangan a měď v podobě iontů jsou součástí enzymů fotosyntézy. Kobalt tvoří centrální iont vitamínu B12 neboli kobalaminu. Působí jako součást enzymů pro tvorbu DNA, významně se uplatňuje při krvetvorbě. Síran strontnatý v strontnatcích (skupina mřížovců kap. 57) nebo oxid křemičitý v rozsivkách a přesličkách tvoří oporu těla. A mohli bychom pokračovat dál, ale u mnoha prvků jejich funkce v živých organismech není dosud známá.
Jejich zastoupení v sušině (vše tvořící organismy, vyjma volné vody) je mezi 1–0,05 %. Draslík (K+) a sodík (Na+) vytvářejí svými odlišnými koncentracemi uvnitř a vně buněk nerovnoměrné rozložení náboje umožňující třeba vedení nervového vzruchu. Hořčík je součástí molekuly chlorofylu. Chlor v podobě Cl- tvoří spolu s Na+ okolní prostředí buněk imitující mořskou vodu, ve které život vznikl. A o kyselině chlorovodíkové (HCl) v našem žaludku jste jistě také už slyšeli. Sirné aminokyseliny jsou součástí některých bílkovin (pálící se bílkoviny mléka či vlasů s obsahem síry bezpečně poznáte čichem). Železo najdeme v hemoglobinu červených krvinek nebo v cytochromech, přenašečích elektronů v mitochondriích.
makrobiogenní prvky – nad 1 % oligobiogenní prvky – 1–0,05 % stopové prvky – méně než 0,05 %
3/3 Periodická tabulka biogenních prvků
Voda je základní prostředí, v kterém vznikl život a které si organismy udržují uvnitř buněk i v jejich okolí. Má polární molekulu, která je lomená. Na kyslíku má částečný záporný náboj, na pólu s vodíky kladný náboj (díky rozdílu elektronegativit prvků). Díky tomu drží molekuly pohromadě vodíkovými můstky (3/4), což umožňuje chůzi po hladině vodoměrkám (povrchové napětí) nebo vedení vody v cévách rostlin (koheze, soudržnost částic vody, kap. 40).
Proto voda rozpouští iontové látky (soli) a polární látky (např. glukózu). Vodíkové můstky mohou i za hustotní anomálii, nejvyšší hustotu vody při 4 °C. To umožňuje život v zimě u dna zamrzajících vod. Velká měrná tepelná kapacita vodního prostředí zajišťuje minimální výkyvy teplot organismů při kolísání teploty okolí. Zároveň funguje jako reaktant, ve fotosyntéze je zásadním zdrojem vodíku pro redukci oxidu uhličitého. Reakce s vodou –hydrolýza – je základem štěpení živin na stavební kameny (proteiny na aminokyseliny, polysacharidy na monosacharidy, tuky a oleje na mastné kyseliny a glycerol).
VODA V NÁS
Hmota těla bez volné vody se nazývá sušina. Množství vody se pohybuje od 98 % u těla medúz, přes 93 % v plodu melounu, 80 % u novorozence člověka, po 60 % u dospělého člověka, ve stáří jen 50 %, až po 10 % u zralých obilek pšenice
VODA
4 Z áklady taxonomie
OBECNÁ BIOLOGIE
Může Honza Novák babočku, kterou chytil a zdála se mu nějaká zvláštní, pojmenovat Novákova? ● Také sypete dinosaurům v zimě do krmítka zob? ● Ulovíte-li lochnesku, je nezbytné ji dotáhnout do Národního muzea? ● Když se tygr a lev mohou zkřížit, jsou to samostatné druhy? ● Neuznávejte parafyletické taxony!
Taxonomie neboli systematika se zabývá definováním druhů a všech vyšších skupin – taxonů (živočichové, členovci, brouci). Určuje jejich hierarchickou klasifikaci pomocí taxonomických jednotek, tedy jakýchsi škatulek, do kterých taxony patří (rod, čeleď, řád, kmen). Pravidla nomenklatury (názvosloví) různých skupin (rostliny, živočichové, bakterie) se v detailech liší.
BINOMICKÁ NOMENKLATURA
Odpradávna lidé pojmenovávali organismy kolem sebe. Čím více druhů bylo známo, tím větší byla potřeba jednotných pravidel. Současný způsob klasifikace druhů vytvořil v 18. století švédský botanik Carl Linné, který ve svém díle Systema naturae (Systém přírody) stanovil základní pravidla biologického názvosloví. Názvosloví druhů je dvouslovné (binomická nomenklatura). Skládá se z rodového jména, které je vlastní rodu, do něhož patří blízce příbuzné druhy, a druhového jména, které je vlastní každému druhu.
Závazné vědecké názvy druhů mají zpravidla latinské tvary a skloňování (přestože mohou vznikat i z nelatinských slov). Binomickou formu mají ale i české a slovenské názvy, což je poměrně unikátní (většina jiných jazyků to tak nemá).
Na obrázku je vidět medvěd hnědý, vědecky Ursus arctos (rodové a druhové jméno se píše kurzívou) – (4/1)
4/1 Medvěd hnědý (Ursus arctos)
Pro pojmenovávání druhů i skupin se jako odborný mezinárodní jazyk používá latina nebo slova do ní převedená z jiných jazyků. V dobách národního obrození čeští obrozenci vymysleli k latinské a německé nomenklatuře jmen organismů, minerálů, prvků a dalších entit i nomenklaturu českou. Jan Svatopluk a Karel Bořivoj Presl byli bratři, kterým vděčíme za mnoho hezkých českých názvů zvířat, rostlin, minerálů, chemických prvků s koncovkou -ík, nastavili základy pro koncovkové označování oxidačních čísel sloučenin (ný, natý, itý, ičitý atd.).
Názvy prvků kostík (P) podle kostí nebo chaluzík (I) podle chaluh se dnes už nepoužívají. Některé obrozenecké názvy byly poněkud ostřejší, lišejník hávnatka byl původně pojmenován hovnatka (podle tvaru stélky), dlouhoocasý pěvec byl pojmenován podle beraního šourku moudíváček, dnes moudivláček. Mnoho Preslových názvů savců se ujalo (slon, hroch, klokan, tuleň), mnoho ne (ťutě jako mládě tuleně, uchoš poloopice komba, smrdoš skunk nebo drápoš koala se dnes již nepoužívají).
Dnes vznikají i bizarní jména latinská (která naopak věčně platí), jako je netopýr Ia io, pancířník Darthvaderum, ryba Batman, brouci Jentozkus a Taktozkus, střevlík Carabus broukpytlik nebo střevlík Anophthalmus hitleri.
Aby svévolně nebylo možné pojmenovávat znovu již popsané druhy, bylo stanoveno pravidlo, že platný je nejstarší známý název, a to od roku 1758 (10. vydání Linného díla).
Proto se u latinských názvů píše také autor jeho popisu a rok objevu, tedy v našem případě medvěda je to Ursus arctos Linné 1758. Některá jména se také zkracují, třeba Ursus arctos L. 1758. Pokud druh někdo popsal v jiném rodě, než v jakém se nachází nyní, uvádí se jméno autora a rok v závorce.
Při popisu organismu se konkrétní preparovaný jedinec, podle kterého byl druh popsán, ukládá, především ve veřejně přístupné instituci (v muzeu na univerzitě) jako holotyp – (4/2).
4/2 Holotyp gekona awašského ze sbírek Národního muzea v Praze
Jedná se např. o herbářovou položku rostliny,preparovaný hmyz, schránku měkkýše, lihový preparát, kůži, kostru, vzorek tkáně nebo jakoukoli jinou dostupnou část organismu.
Více o pravidlech nomenklatury a typových sbírkách Národního muzea v Praze.
PRINCIP JEDNOZNAČNOSTI
Název druhu by měl být jedinečný. Při paralelních botanických a zoologických pravidlech názvosloví se může stát, že se dva různé organismy jmenují stejně. Například Bacillus je pakobylka i tyčinkovitá bakterie, Prunella je hluchavkovitá bylinka černohlávek i pták pěvuška
Pro češtinu žádná podobná pravidla neexistují. Zkusíte vymyslet nebo najít česká rodová jména používaná pro dva různé organismy?
Moderní taxonomie požaduje, aby každý taxon byl přirozený, tedy monofyletický (řec. mono = jediný, phylon = větev), tj. aby zahrnoval všechny potomky jednoho společného předka. Zdá se to jako triviální, logický požadavek, ale v tradičních systémech se najde velké množství taxonů, u kterých příbuznost skupin není zjevná. Bez znalosti molekulárních dat, kdy se srovnává podobnost sekvencí genů v DNA, se dnešní molekulární fylogenetika, tedy nástroj moderní taxonomie, neobejde (4/3) Tak např. dnešní ptáci jsou nejblíže příbuzní dinosaurům a z dnešních skupin krokodýlům. A se všemi zmíněnými tvoří v rámci plazů skupinu Archosauria. Pokud bychom měli plazy bez ptáků nebo pokud bychom používali označení ryby pro všechny paprskoploutvé a svaloploutvé (latimérie a bahníci), nebyl by to monofyletický, ale parafyletický taxon (řec. para = vedle), který nezahrnuje všechny potomky jednoho předka. Principům taxonomie nejvzdálenější jsou taxony polyfyletické (předpona poly = mnoho). Ty byly ustanoveny úplně chybně – na základě znaků, kterými si jsou náhodou podobné, spojují nepříbuzné organismy. Takže původní řád dravci sestává z vedlejší vývojové větve směřující k papouškům (to jsou sokolovití ptáci) a z ostatních dravců, kteří jsou spíš příbuzní se sovami. Ale díky konvergentnímu vývoji (vývoj nepříbuzných skupin vedoucí díky přizpůsobení podobnému způsobu života k podobným znakům) vypadají obě skupiny hodně podobně. Měňavkovitá jednobuněčná eukaryota tvořila kdysi skupinu kořenonožci, ale do tohoto stadia dospělo mnoho nepříbuzných skupin eukaryot ( kap. 27).
ARCHOSAURIA
TAXONOMICKÉ KATEGORIE
Nejdůležitější taxonomické kategorie, které se používají, jsou v pořadí podle klesající důležitosti následující:
Domény neboli nadříše jsou tři – bakterie, archea a eukaryota. Říše tradičního systému eukaryot (živočichové, rostliny, houby) už dnes neodpovídají současnému poznání, systém eukaryot se dnes člení na několik superskupin ( kap. 27). Dalšími kategoriemi jsou kmen (u rostlin a hub se tradičně používá oddělení), třída, řád, čeleď a rod. V nich jsou řazené základní jednotky taxonomie, tedy druhy. U všech jednotek se mohou ještě používat předpony nad- a pod-, tedy třeba nadtřída je víc než třída a ta třída má vyšší úroveň než podtřída.
Řekneme-li „řád primáti“, tak „řád“ je taxonomická jednotka, kategorie, „primáti“ jsou taxon.
DRUH
Obtížná je samotná definice druhu. Biologický druh je soubor příbuzných populací se společnými vlastnostmi, evolučním původem a reprodukční izolací od druhů ostatních (tedy nemůžou se mezi sebou křížit na plodné potomstvo) kap. 126 a brožura Biologické olympiády 56. ročníku.
Někdy je toto ale obtížně zjistitelné. Druhy rostlin se často plodně kříží. Časté jsou kryptické druhy, které jsou morfologicky neodlišitelné a odlišíme je jen analýzou DNA. Úplně jinak jsou definované druhy bakterií a virů Mnoho organismů žije v těsných symbiózách. Lišejníky jsou pojmenované podle druhu houby, která je tvoří, protože v přírodě neexistuje samostatně ( kap. 61).
5 P rokaryotické a eukaryotické buňky
Kdo koho pohltil a v sobě si nechal? ● Eukaryotická buňka jako matrjoška nebo chiméra. ● Platí, že čím je organismus složitější, tím je větší? ● Kdo může za všechny naše vlastnosti? Proteiny.
BUNĚČNÉ ORGANISMY
Existují 3 nadříše (domény) buněčných organismů. První doména bakterie a druhá doména archea mají jednodušší typ buněk –buňky prokaryotické (řec. pro = před, karyon = jádro). Třetí doména zvaná eukaryota, kam patří živočichové, rostliny, houby a další skupiny organismů, má buňky eukaryotické (řec. eu = pravý, dobrý).
PROKARYOTICKÁ BUŇKA
Jednodušší stavbu má evolučně původní prokaryotická buňka. Nejstarší fosílie takových buněk jsou staré 3,5 mld. let. Jedná se o buňky řádově velké kolem 1 mikrometru (μm = 10-6 m).
TRPASLÍK A OBR
Mykoplazmy jsou nejmenší (0,2 μm), Thiomargarita magnifica, vláknitá bakterie ze sedimentu mangrovových lesů na ostrově Guadeloupe, měří až 2 cm.
fimbrie
cytoplazmatická membrána
EUKARYOTICKÁ BUŇKA
Eukaryotické buňky vznikly z prokaryotických asi před 2 mld. let. Popisuje to endosymbiotická teorie ( protější strana). Jsou obvykle větší než buňky prokaryotické, řádově 10–100 μm. Cytoplazma obsahuje množství organel, tedy obsahuje membránou ohraničené prostory, ve kterých má prostředí různé vlastnosti (tzv. kompartmentace). Kromě jednomembránových organel (endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu, vakuoly) obsahuje i vícemembránové organely vzniklé endosymbiózou (chloroplasty, mitochondrie).
OBŘI A TRPASLÍCI
Největší eukaryotickou buňkou je žloutek pštrosího vejce (má až 8 cm průměr), nejdelší jsou nervové buňky, větve bloudivého nervu u žirafy (dlouhé 5 m), u plejtváka se předpokládá délka neuronů až 30 m. Nejmenší volně žijící oceánská zelená řasa Ostreococcus má 0,8 μm, některé buňky lidského mozečku mají 5 μm
buněčná stěna mitochondrie
pouzdro
cytoplazma
ribozóm
bakteriální chromozóm (nukleoid) obsahující DNA
lysozóm
plazmid
centriola jako součást cytoskeletu
bakteriální bičík
drsné endoplazmatické retikulum
Golgiho aparát
5/1 Srovnání stavby buňky prokaryotické – bakteriální (vlevo) a eukaryotické – živočišné (vpravo)
Poznámka: Oranžově popsané struktury znázorňují znaky společné pro oba typy buněk.
STAVBA PROKARYOTICKÉ BUŇKY
Na povrchu eukaryotické buňky je vždy cytoplazmatická membrána, pod ní cytoplazma s ribozómy. V centrální části obsahuje kružnicovou molekulu DNA uspořádanou do nukleoidu neboli bakteriálního chromozómu. Všechny ostatní struktury, které vidíte na obrázku 5/1, prokaryotická buňka nutně mít nemusí. Ale třeba buněčnou stěnu (kromě nejmenších mykoplazmat) má prakticky vždy.
cytoplazmatická membrána
jádro glykokalyx
chromatin obsahující DNA a histony
jadérko
hladké endoplazmatické retikulum
jaderná membrána jaderné póry
JÁDRO EUKARYOT
Eukaryota mají pravé jádro, tj. jádro obalené dvojitou jadernou membránou s jadernými póry. Uvnitř jsou lineární molekuly DNA (tzn. nejsou kružnicové a mají začátek a konec). Na záporně nabité fosfátové skupiny se vážou kladně nabité proteiny histony, které spolu s DNA tvoří jadernou hmotu – chromatin.
Ta se v době dělení jádra zformuje do podoby viditelných a barvitelných chromozómů. Splývání jader je principem pohlavního rozmnožování, kterého jsou schopná pouze eukaryota.
ENDOSYMBIOTICKÁ TEORIE
Podle teorie zpopularizované americkou evoluční bioložkou Lynn Margulisovou vznikly eukaryotické buňky endosymbiózou (řec. endo = uvnitř, symbiosis = spolužití) prokaryotických buněk. Takto se dovnitř eukaryotické buňky dostaly mitochondrie (asi před 2 miliardami let) vzniklé z heterotrofních aerobních bakterií a chloroplasty (asi před 1 miliardou let, možná i dříve) ze sinic (tedy z bakterií produkujících kyslík prostřednictvím oxygenní fotosyntéz kap. 25). Zároveň se zformovala dvojitá jaderná membrána a systém membránových organel. Dnes již víme, že předkem eukaryotických buněk byl zástupce prokaryot ze skupiny archea, který získal schopnost fagocytózy. Po pohlcení jiných prokaryot jejich buňky nerozložil, ale ponechal si je v sobě jako vnitřní symbionty (5/2)
Mitochondriím jsou nejpříbuznější alfaproteobakterie, kam patří např. Rickettsia (způsobující třeba skvrnitý tyfus).
To, že je genom eukaryot příbuznější archeím než bakteriím, nám dokazuje podobnost mnoha genů a procesu proteosyntézy. V evoluci fotosyntetizujících organismů proběhla i sekundární a terciární endosymbióza eukaryotických, rostlinných buněk a vznikly chloroplasty obalené více membránami třeba u hnědých řas nebo krásnooček ( kap. 9 a 54 a 55).
LECA A LUCA
Poslední společný předek eukaryot, tedy první eukaryotický organismus starý asi 2 mld. let, je označován jako LECA (ang. Last Eukaryote Common Ancestor). Univerzální předek všech buněčných organismů je nazývaný LUCA ( kap. 20).
DŮKAZY ENDOSYMBIÓZY
Mitochondrie a chloroplasty tvarem a velikostí odpovídají bakteriální buňce. Fungují v eukaryotické buňce semiautonomně (polosamostatně) – dělí se nezávisle na eukaryotické buňce. Část jejich genů přešla do jádra, a tím tyto organely ztratily schopnost samostatné existence mimo eukaryotickou buňku. Membrány organel obsahují poriny, proteiny typické pro vnější membránu gramnegativních bakterií (7/4). Také mají podobné typy fosfolipidů membrán. Podobně jako prokaryota obsahují kružnicové molekuly DNA (u mitochondrií jsou molekuly DNA většinou cyklické, u chloroplastů častěji lineární, ve všech případech se podle nich syntetizují proteiny). Jejich ribozómy jsou menší než v cytoplazmě a na endoplazmatickém retikulu, svou velikostí a stavbou odpovídají bakteriálním.
PROTEOSYNTÉZA
Pro všechny buněčné organismy je společný mechanismus realizace jejich vlastností pomocí exprese genů , tedy procesu, kdy se podle informace v DNA (v genech) vytvoří „pracovní“ molekula mRNA a podle ní se na ribozómech vyrábějí proteiny – bílkoviny. Celý proces proteosyntézy (translace) je založen na principu překladu informace z jazyka nukleových kyselin (tj. pořadí nukleotidů , jejich stavebních kamenů) do jazyka bílkovin (tj. pořadí aminokyselin v bílkovinách). Vzniklé bílkoviny pak fungují jako stavební (strukturní) molekuly, nebo jako molekuly s nejrůznějšími funkcemi, včetně funkce enzymů, tedy katalyzátorů všech reakcí v živých systémech. Takže za všechno, co jsme, můžou proteiny (a RNA). Celý proces je naznačen na obrázku ( 5/3 ) a důkladně vysvětlen až dále ( kap. 206).
RIBOZÓM
Ribozómy jsou komplexy molekul bílkovin a molekul rRNA (ribozomální RNA) a jsou složené z malé a velké podjednotky. Sama rRNA některé děje proteosyntézy katalyzuje (stejně jako bílkovinové enzymy). Ribozómy eukaryot jsou větší, ribozómy prokaryot a semiautonomních organel (mitochondrií a chloroplastů) jsou menší. Velikost se udává v jednotkách sedimentačního koeficientu Svedberg (S), které označují rychlost usazování při odstřeďování (centrifugaci). Čím větší struktura, tím pomalejší sedimentace. Eukaryotický ribozóm má velikost 80 S, prokaryotický 70 S.
ŽIVOČIŠNÁ BUŇKA
jádro formování organel archea
ROSTLINNÁ BUŇKA chloroplast
sinice
endosymbióza
heterotrofní aerobní bakterie endosymbióza
5/2 Vznik eukaryot endosymbiózou
peptid/protein (bílkovina)
aminokyseliny velká podjednotka ribozómu
malá podjednotka ribozómu
5/3 Ribozóm a proteosyntéza
6 Membrána
Mastný povrch každé buňky. ● Cholesterol je zlo, vždyť nás zabije! ● Nejvíce sofistikovaná vrátnice každé buňky je membrána. ● Proč okurka pláče? ● Fagocytóza – to nás buňka oblije svými panožkami.
CYTOPLAZMATICKÁ
A JINÉ MEMBRÁNY
Všechny typy buněk, prokaryotické i eukaryotické, mají na povrchu membránu, které říkáme cytoplazmatická (6/1). U eukaryot membrána vytváří povrch organel, kde tvoří jednu i více obalových vrstev. Těm už neříkáme cytoplazmatické. U prokaryot se občas vchlipuje dovnitř do cytoplazmy v různé výběžky
DVOJVRSTVA
Cytoplazmatická membrána je asi 4–10 nm silná. Je tvořena dvojvrstvou fosfolipidů, proteinů a sterolů. Díky jejímu uspořádání a vlastnostem stavebních molekul je polopropustná (semipermeabilní). Některé látky propouští, jiné ne ( protější strana).
sacharidy glykokalyxu
FOSFOLIPIDY
Základem stavby membrány jsou molekuly fosfolipidů (6/2). Skládají se ze dvou mastných kyselin (dlouhé řetězce karboxylových kyselin). Mají molekuly tvořené nepolárními vazbami C-C nebo C-H. Proto odpuzují polární molekuly vody – jsou hydrofobní (řec. fobos = strach, fobie = patologické strachy). Esterovou vazbou jsou vázány na glycerol, na němž je vázán také zbytek kyseliny fosforečné (fosfát) a další polární molekula. Celý tento úsek (hlava) obsahuje mnoho polárních vazeb, proto přitajuje polární molekuly vody, obaluje se jimi – je hydrofilní (řec. filia = láska, filie = patologické zbožňování něčeho, třeba pedofilie – sexuální náklonnost k dětem). Protože je cytoplazma i okolí buňky vlastně vodní prostředí, staví se tyto amfifilní (obojaké) molekuly hydrofobními ocasy do dvojvrstvy, vně jsou hydrofilní hlavy.
polární skupina fosfát glycerol mastné kyseliny
6/2 Fosfolipid
hydrofilní hlavy fosfolipidů
fosfolipid
6/1 Cytoplazmatická membrána
STEROLY
Mezi fosfolipidy jsou vmezeřeny molekuly spíše nepolárních sterolů, které jsou poutány na mastné kyseliny fosfolipidů a omezují tak pohyb v rámci jedné vrstvy molekul membrány ve svém okolí. Membrána je neustále v pohybu, je fluidní, tekutá, což můžete vidět na videu.
CHOLESTEROL
Nejčastějším sterolem živočišných buněk je cholesterol. Je pro nás nezbytný. Umíme ho vyrábět v játrech. Jeho nadměrný příjem potravou může vést k jeho usazování na stěně cév ( kap. 153)
transmembránové proteiny (přenašeče)
hydrofobní ocasy fosfolipidů periferní proteiny
Napříč membránou procházejí transmembránové proteiny, často určené k transportu různých částic do buňky nebo z buňky. Fungují jako přenašeče. Za spotřeby energie z ATP fungují pumpy, mluvíme o aktivním transportu Bez potřeby energie fungují kanály (využívají koncentrační spád, částice samovolně tečou do místa, kde mají menší koncentraci), jedná se o pasivní transport Periferní proteiny (neprochází napříč celou membránou) mohou sloužit k příjmu signálů a interakci buňky s okolím.
VE SVALU
Ve svalových buňkách je obecně nízká koncentrace vápenatých kationtů Ca2+. Pokud přijde z motorického nervu signál, že má dojít ke svalové kontrakci (stahu), vylijí se do cytoplazmy svalových buněk Ca2+ ionty přes vápenaté kanály. Aby svalový stah zase pominul, musejí vápenaté pumpy za spotřeby energie vypumpovat Ca2+ opět mimo cytoplazmu.
hydrofilní hlava
hydrofobní ocas
MEMBRÁNOVÉ PROTEINY
TRANSPORT VODY PŘES MEMBRÁNU
Voda prochází přes membránu samovolně do místa s větší koncentrací osmoticky aktivních rozpuštěných látek. Tomuto jevu se říká osmóza, tedy vlastně difúze molekul vody přes polopropustnou přepážku, membránu. Protože je to proces poměrně pomalý, osmózu urychlují kanály zvané akvaporiny. Ty mají veliký význam třeba v buňkách ledvin při zpětném vstřebávání vody z moči ( kap. 168) nebo ve svěracích buňkách průduchů při jejich otevírání a zavírání ( kap. 35 a 40).
OSMOTICKÉ JEVY
Pokud je buňka v prostředí, které má stejnou koncentraci rozpuštěných, osmoticky aktivních látek, je v izotonickém prostředí (řec. isos = stejný, tonus = tlak). Izotonické nápoje znáte ze sportu. V praxi je jako izotonický roztok brán fyziologický roztok tvořený 0‚9% roztokem NaCl ve vodě. Vyšší koncentrace látek v hypertonickém roztoku (řec. hyper = nad) vede k vysoušení buňky, svraskání živočišných buněk (plazmorhiza) nebo odtržení buňky od pevné buněčné stěny (plazmolýza) u rostlin. V hypotonickém roztoku (řec. hypos = pod) jsou buňky plněny vodou, zvyšuje se vnitrobuněčný tlak (turgor), případně buňky praskají (plazmoptýza) – (6/3)
hypertonický roztok
izotonický roztok
hypotonický roztok
ŽIVOČIŠNÁ BUŇKA – ČERVENÁ KRVINKA
plazmolýza
6/3 Osmotické jevy
TRANSPORT DALŠÍCH LÁTEK PŘES MEMBRÁNU
Částice volně prostupující přes membránu
• plyny, kyslík O2 a oxid uhličitý CO2
• další plynné molekuly hormonálně působící oxid dusnatý NO (u živočichů způsobuje rozšiřování cév) nebo etylen C2H4 (u rostlin působí na dozrávání plodů)
• nepolární organické molekuly, třeba steroidní hormony (pohlavní hormony), mastné kyseliny, ale i nepolární rozpouštědla (benzen, toluen)
• malé amfifilní molekuly – s polární a nepolární částí etanol z alkoholických nápojů prostupuje do krve už z úst a žaludku přes buňky
CYTÓZA
Do buňky nebo ven z buňky se musejí kromě jednotlivých iontů a molekul dostat i větší objekty. Některé buňky jsou schopné přijímat větší částice potravy nebo roztoky z okolí. Ven zase odcházejí velká množství vyprodukovaných látek. To zajišťuje proces zvaný cytóza (6/4) – (řec. cytos = buňka). Vylučování produktů metabolismu ven z buňky je exocytóza, příjem čehokoliv dovnitř je endocytóza. Pokud buňka přijímá pevnou potravu, kořist, jedná se o fagocytózu (řec. fagein = žrát), pokud přijímá z okolí kapičky roztoku, jedná se o pinocytózu, někdy se používá i označení buněčné pití.
Bílá krvinka (leukocyt) nebo měňavka dokáží oblít svými panožkami bakterii a fagocytovat ji, na dně buněčných úst trepky také dochází k fagocytóze. Někdy je endocytóza specifická, tzn. že se endozóm (fagozóm) začne tvořit až
ROSTLINNÁ BUŇKA
plazmorhiza plazmoptýza
zvýšený turgor až plazmolýza
Prohlédněte si video a odvoďte a vysvětlete, co se děje, když osolíte rozkrojenou okurku, dlouho se koupete ve vodě a vaše pokožka na prstech „zvarhánkovatí“, na zralé třesně plné cukrů zaprší, ledvina určená k transplantaci se převáží ve fyziologickém roztoku, nezkušený lékař vstříkne pacientovi do krevního oběhu destilovanou vodu.
Částice neprostupující, transportované přes přenašeče
• ionty, kationty i anionty musejí mít každý svůj specifický přenašečový protein vysokou koncentraci sodných kationtů Na+ vně buněk a draselných iontů K+ uvnitř buněk udržuje sodno-draselná pumpa
• menší organické polární molekuly (cukry, aminokyseliny) glukóza do buněk vstupuje prostřednictvím glukózového přenašeče (transportéru), který se na membráně vystaví za přítomnosti hormonu inzulínu; pokud otevírání nefunguje (z nejrůznějších příčin), nastává cukrovka (diabetes mellitus)
• velké polární molekuly velké peptidové nebo proteinové hormony mají na membráně specifické receptory a periferní membránové proteiny spustí na vnitřní straně membrány patřičnou odezvu buňky
lysozómy hydrolytické enzymy
panožky
panožkybakterie
fagozóm
6/4 Cytóza
fagocytóza exocytóza
fagolysozóm, potravní vakuola
tehdy, pokud se na membránové receptory navážou molekuly z pohlcovaných objektů. Exocytózu můžeme pozorovat na nervových zakončeních, kdy se v oblasti synapse exocytózou uvolňuje z neuronu obsah váčků obsahujících molekuly přenašečů nervového vzruchu na další neuron nebo svalovou buňku ( kap. 178). Exocytózou také vylučují buňky sliznice trávicí soustavy trávicí enzymy a další látky.
Na tvorbě a pohybu všech váčků se významně podílí cytoskelet ( kap. 10). Boj bílých krvinek s bakteriemi a měňavky s trepkou uvidíte na videu.
vakuola