Biologi 2
Insikt Biologi_smakprov.indd 1
livet p책 jorden
1
11-04-14 12.54.38
Innehåll 1
Livets vetenskap
Allt hänger ihop Sprutande hormoner … … och säldöd!
Att fråga hur och varför Naturligt urval Fortplantning viktigare än livet! Evolutionära och mekanistiska förklaringar
Hur kan vi veta? Kolera – bakterier eller dålig luft? Vilken förklaring ska man tro på? Observationer, hypoteser och teorier
2
Livet på jorden
Vad kännetecknar liv? Ordning Ämnesomsättning Reaktion på omgivningen Tillväxt och utveckling Förökning Evolution Vad är levande? Vad är virus?
Uppkomsten av ärftlighet Var uppkom livet? Hur bildades den första cellen? När uppkom livet på jorden? De första organismerna på jorden Livets träd Arkéer Bakterier Eukaryoter Liv på Mars? Cellens uppbyggnad Lynn Margulis och endosymbiosteorin Insikter Fundera vidare
3
Livets utveckling och historia
Varför utvecklas livet?
Vad är en cell?
”Survival of the fittest” Urval Varför måste det ske ett urval? Belgisk blå – ett exempel på konstlat urval Ärftlighet Variation Evolutionen har inget mål Människans tankar om livets historia
Vilka grundämnen ingår i en cell?
Evolutionens resultat
Cellteorin Tobaksmosaikviruset upptäcks
Livets molekyler Socker Fettsyror Aminosyror Nukleotider
Hur får organismer kol och energi? Kolet Energin
Hur uppkom livet på jorden? Jorden för 4,6 miljarder år sedan Hur uppkom de första biomolekylerna? Hur gammal är jorden? Vad kom först, hönan eller ägget?
Hur bildades de första makromolekylerna?
2
Konvergent evolution Divergent evolution Samevolution Sexuell selektion Altruism Snabba och långsamma förändringar Bli uppäten av sin älskarinna Evolutionära återvändsgränder Ögats evolution Artbildning
Finns verkligen evolutionen? Gemensam grundkonstruktion Likheter i embryoutveckling Likheter på molekylnivå Rudiment Fossil
Vi ser evolutionen pågå idag Åldersbestämning av fossil och bergarter
Arterna hänger samman Mr. Flower Power Livets utveckling Naturligt urval formade den första cellen Encelliga eukaryoter Hur tidiga flercelliga organismer kan ha sett ut Växter Svampar Det första flercelliga djuret Olika djurslag Den kambriska explosionen Ryggradsdjuren
Människans utveckling Upprätt gång och större hjärna Några människoarter eller grupper Var Neandertalarna en egen art? Människan har fortsatt anpassas Allt levande har en lika lång historia Hur kroppsform och temperatur hänger samman Insikter Fundera vidare
4
Etologi
Hur förklarar man djurens beteenden? Naturligt urval Evolutionärt stabil strategi
Medfödda beteenden Gråtrutens röda fläck Är fåglarnas flygförmåga medfödd? Bygga bo Fly eller fäkta?
Inlärda beteenden Hur lär sig en hund att bete sig som en hund? Hur lär sig en hund att öppna dörren? Skinner-boxen Råttan och labyrinten Kan djur lära sig av varandra?
innehåll
Insikt Biologi_smakprov.indd 2
11-04-14 12.54.38
Att undvika att bli uppäten Gift som skydd Skrämmande färgteckning som skydd Spela död som skydd
Att skaffa föda Lura till sig föda
Att få para sig Visa vilken art man tillhör Signalera om kön och attrahera Dubbelbeckasinens spel
Att få ungarna att överleva Liv i ensamhet Parliv Familjeliv Flockliv
Konflikthantering inom djurvärlden Jämställdhet inom djurvärden Polygami eller monogami? Ensamstående pappor
Tillämpad etologi Insikter Fundera vidare
5
Ekologi
Vad är ekologi? Grundförutsättningarna för liv Vattnets unika egenskaper Osmos Solen som energikälla Energiflödet i ekosystem Livets byggstenar – näringsämnen
Marken och skogens ekologi Jordarter Jordmån Vittring av berggrunden
Vattnets ekologi Havets ekologi Sjöar och vattendrags ekologi
Populationernas ekologi Födelse och död Populationens storlek
Samhällen Hur samhällen förändras Kampen för tillvaron i samhället
Predation Symbios: parasitism eller mutualism? Insikter Fundera vidare
6
Genetik
Arvsanlag
7
Människan och naturen
Från jägare-samlare till jordbrukare Boskapsskötsel Jordbruket uppkommer Mikroorganismer och enzymer tas i bruk Det tidiga jordbrukets konsekvenser för miljön
Proteiner får saker att hända… …och gör oss till dem vi är Proteiners uppbyggnad Gener och DNA DNA-dubbelhelixen Upptäckten av DNA:s struktur Kromosomer Arvsmassans storlek och skräp-DNA
Jordbrukets revolution
Hur gener fungerar
Halten av växthusgaser har ökat i atmosfären Effekter av den ökade mängden växthusgaser
Kopiera DNA Reparera skador Från DNA över RNA till protein Bygga mRNA Klippa bort delar av mRNA Bygga proteiner Många antibiotika slår mot proteinproduktionen Styra produktionen av proteiner Varför två steg? Leva eller inte leva på mjölksocker?
Förändring och utveckling Olika förändringar i arvsmassan ”Skräp-DNA” – laboratorium för evolutionen? Skillnader i arvsanlag mellan individer och arter
Förökning och celldelning Föröka sig genom delning – cellcykel och mitos När flercelliga varelser klonar sig Föröka sig med sex Sex hos högre växter och djur
Ärftlighet Egenskaper som styrs av en gen När många gener och miljön samverkar Gregor Mendel och ärtorna Bakteriesex Insikter Fundera vidare
Principen för växtförädling Hitta nya gener Korsa in den nya egenskapen Den gröna revolutionen Husdjursavel
Växthuseffekten och den globala uppvärmningen
Försurning Hur blir regnet surt? Vad händer när det sura regnet når marken? Vad händer när det sura regnet når sjöar och vattendrag?
Övergödning Effekter på sjöar och vattendrag Effekter på hav
Miljögifter Organiska miljögifter Metaller
Ozon – bra eller dåligt? Marknära ozon
Hållbar utveckling Ekonomisk syn på ekologin Sveriges miljökvalitetsmål
Hur försöker vi lösa problemen? Åtgärder inom Sverige Internationellt samarbete Insikter Fundera vidare
innehåll
Insikt Biologi_smakprov.indd 3
3
11-04-14 12.54.39
Insikt Biologi_smakprov.indd 4
11-04-14 12.54.40
2 Livet på jorden ÄR VI ENSAMMA I UNIVERSUM? VAR UPPKOM LIVET?
HUR SÅG DEN FÖRSTA VARELSEN UT?
FINNS DET LIV PÅ MARS?
VAD ÄR EN CELL?
2
Insikt Biologi_smakprov.indd 19
livet på jorden
19
11-04-14 12.54.52
Vad kännetecknar liv? Man brukar säga att biologi är läran om livet, men vad är egentligen liv? Vad innebär det att vara levande? Du kanske tycker att det är självklart vad som är levande eller inte, men de här frågorna har forskare diskuterat i århundraden och det finns faktiskt inga enkla svar. Ska t.ex. virus räknas som levande eller inte? Ja, det beror helt enkelt på hur man definierar liv, d.v.s. vilka egenskaper man tycker att levande organismer ska ha. Vi ska nu titta på de egenskaper som en organism borde ha, enligt de flesta biologer.
Masken och bakterien räknas till det levande, men många biologer tycker att ett virus inte är en levande organism. Varför? Bilderna visar: Clostridium botulinum (överst t.v.), daggmask (nederst t.v.) och influensavirus (t.h.).
20
2
livet på jorden
Insikt Biologi_smakprov.indd 20
11-04-14 12.54.56
Ordning Levande organismer består, precis som allt annat, av atomer. Atomerna bygger upp enkla molekyler som sätts samman till större molekyler. De större molekylerna ingår sedan i ännu större strukturer och bildar det vi kallar för celler. Tänk dig organismen som ett hus: med hjälp av en massa olika typer av byggstenar byggs huset upp. I huset finns olika rum som innehåller garderober, skåp och liknande. Det krävs energi för att bygga upp ett fungerande hus och skapa ordning. På samma sätt krävs det energi för att hålla ordning i en levande organism.
Ämnesomsättning Alla organismer behöver energi och byggstenar för att kunna leva och de har därför en ämnesomsättning. Under ämnesomsättningen bryts stora molekyler ner till mindre delar samtidigt som små byggstenar Strålningsenergi (solljus)
Du upplever säkert själv naturens strävan mot kaos. Tänk på hur mycket energi som krävs för att hålla ditt rum i ordning – och plötsligt är det kaos igen!
Fotosyntes
Koldioxid + vatten
Socker + syre ◄ Växter kan utnyttja ljus som energikälla och koldioxid som kolkälla. Via fotosyntesen kan de bilda organiska ämnen. Under denna process omvandlas strålningsenergi till kemisk energi. Djur är däremot beroende av att äta organiska föreningar för att få energi och byggstenar.
Cellandning
Kemisk energi
Kemisk energi (t.ex. uppbyggnad av makromolekyler)
Rörelseenergi
Värmeenergi
Elektrisk energi
2
Insikt Biologi_smakprov.indd 21
livet på jorden
21
11-04-14 12.54.59
sätts ihop till större. För att bygga stora molekyler behövs energi, och olika organismer får energi på olika sätt. Vissa utnyttjar t.ex. solljus som energikälla, medan andra är beroende av att äta för att få energi. Oavsett varifrån organismen får sin energi kan den lagra energin. Ämnesomsättning innebär även att energirika ämnen bryts ner och att energi frigörs. Den frigjorda energin kan sedan användas för att celler ska byggas upp och kunna ta in ämnen de behöver, ja, helt enkelt för att hålla ordning. Energi behövs även för flera andra funktioner i en organism, t.ex. för att organismen ska kunna röra sig.
Reaktion på omgivningen Alla levande organismer kan känna av förändringar i sin omgivning och reagera på dessa stimuli (retningar). Du kan säkert komma på många olika exempel på hur djur reagerar på omgivningen, men det är inte unikt för djur. En liten bakterie kan märka om det finns näring i närheten och röra sig mot den. Dessutom kan bakterien undvika skadliga ämnen genom att röra sig bort från dem. Växter då, kan de reagera på omgivningen? Jodå, eftersom ljus är livsviktigt för växter reagerar de på denna retning (stimulus) och växer i riktning mot ljuset. Du kanske också känner till att vissa växter reagerar på beröring. Mimosans blad rullar ihop sig när man rör vid dem, och vissa köttätande växter sluter sig runt en insekt som landar på växten.
Även växter reagerar på sin omgivning. Venus flugfälla sluter sig snabbt runt sitt byte när den känner beröring.
22
2
livet på jorden
Insikt Biologi_smakprov.indd 22
11-04-14 12.55.01
Tillväxt och utveckling Genom att ta upp ämnen från omgivningen och använda dem kan en organism växa. Många organismer är inte likadana under hela sitt liv, utan genomgår en utveckling – t.ex. från unge till vuxen. Tänk bara på utvecklingen som en fjäril genomgår från att den kläcks som larv ur ett ägg tills att den blir en vuxen fjäril. Hur den vuxna individen så småningom ser ut beror både på den information som finns i arvsmassan och på den miljö som organismen lever i.
Förökning Reproduktion, eller förökning, är något som allt levande har gemensamt. Arvsmassan innehåller ”recept” på de proteiner som behövs för att skapa en viss organism. Recepten kallas för gener och överförs från en generation till nästa vid förökning. Förökningen kan vara sexuell eller asexuell. Vid sexuell förökning bildar hanar och honor könsceller, även kallade gameter (spermier och äggceller), som när de träffar på varandra utvecklas till en ny individ. Den nya individen får därför hälften av sina recept från den ena föräldern och hälften från den andra. Asexuell förökning sker utan könsceller och innebär att en individ klonar (kopierar) sig själv, avkomman blir alltså en kopia av föräldern. En bakterie som delar sig, eller en jästcell som bildar nya jästceller genom knoppning, är exempel på asexuell förökning.
Fjärilen har tre olika former under sitt liv: larv, puppa och fjäril. Den process som fjärilen genomgår från larv till vuxen fjäril kallas för metamorfos.
Vad har en jästcell och en människa gemensamt? Mer är du kanske anar – inte bara förmågan att föröka sig! Bilden visar en knoppande jästcell. 2
Insikt Biologi_smakprov.indd 23
livet på jorden
23
11-04-14 12.55.06
Skogsharen (t.v.) och fältharen (t.h.) ser olika ut. De är båda anpassade till sin miljö. På vilket sätt?
Evolution Den miljö som organismer lever i förändras gradvis. Som ett svar på förändringarna, förändras också organismernas egenskaper som gör att de passar bättre in i miljön, en process som kallas för evolution. Ingen individ är den andra lik, det finns variation. Den individ som har de egenskaper som passar bäst in i miljön har en fördel och har därigenom större chans att överleva och föra sina gener vidare genom förökning. På så sätt blir vissa gener och därmed egenskaper vanligare och vanligare. Många biologer menar att evolution är det som bäst av allt definierar liv.
Vad är levande? Det är viktigt att komma ihåg att det är vi människor som sätter upp kriterierna för liv. Ovanstående egenskaper kan användas för att avgöra om något kan räknas som levande eller inte, men det är naturligtvis inte helt enkelt. En mulåsna (en korsning mellan en häst och en åsna) måste väl ändå betraktas som levande, trots att den är steril och inte uppfyller kravet att kunna föröka sig? Ska ett frö betraktas som levande? Det befinner sig ju i ett vilostadium och ofta räcker det med lite vatten för att väcka det till liv. En fråga som många biologer diskuterar är om virus är levande eller inte. Utgår vi från att en levande organism ska ha de egenskaper som vi nyss har diskuterat är svaret: nej, eftersom virus inte kan föröka sig på egen hand och inte heller har någon egen ämnesomsättning, utan utnyttjar cellens resurser (de parasiterar), borde de inte räknas som levande. Enligt cellteorin (se nästa avsnitt) består alla organismer 24
2
livet på jorden
Insikt Biologi_smakprov.indd 24
11-04-14 12.55.10
av celler. Virus har visserligen en ordnad struktur, men består inte av celler utan i stort sett bara av arvsmassa omsluten av ett skal av proteiner. Den enda egenskap för liv som virus har är den sistnämnda – evolution. Många virus har en mycket snabb förändring av arvsmassan, d.v.s. en hög mutationstakt. Det är ett stort problem för oss när vi försöker forska fram vacciner och andra medel mot exempelvis hiv. Biologer är alltså inte eniga om virus ska räknas som levande organismer. De som tycker att gener och deras reproduktion är det centrala för liv, att organismen i sig bara är skalet, tycker också att virus därför är levande.
Virus Virus är mycket mindre än bakterier, de är så små att de mäts i miljondels millimeter (nm, nanometer). Det kanske är svårt att föreställa sig storleken, men om du radade upp virus efter varandra tvärs över denna boksida skulle det rymmas ca 5 miljoner virus. Virus är mycket enkelt uppbyggda, med arvsmassa omgiven av ett skyddande skal av proteiner. Vissa virus har även ett sorts membran utanför proteinskalet. Membranet är en rest av cellmembranet från den cell som viruset har infekterat och gör att viruset lätt kan slinka in i och ut ur celler. De virus som inte har ett sådant membran kan ta till andra knep för att ta sig in i cellen: en variant är att spruta in sin arvsmassa i cellen medan proteinskalet blir kvar utanför. Oavsett på vilket sätt viruset för in sin arvsmassa tvingas cellen skapa nya virus utifrån ”virusreceptet”. Viruset stjäl både byggnadsmaterial och energi från den cell det infekterar. När viruset förökar sig i cellen, kanske till tusen nya virus, tar de nya viruspartiklarna sig ut ur cellen (ibland genom att cellen spricker) och lämnar efter sig en förstörd eller utmattad cell. Dessa tusentals virus letar sedan upp nya celler att infektera. Andra virus har en annan strategi, nämligen att låta cellen bilda begränsade mängder virus, vilka släpps ut under en längre tid. Det finns många olika typer av virus, och de kan infektera allt från bakterier till människor. De är alltså ofta specialiserade på olika celltyper. Förkylningsvirus t.ex. infekterar celler i våra luftvägar, medan hiv-viruset infekterar vita blodkroppar i människans immunsystem.
virus
cell
1. Ett virus närmar sig den celltyp det specialiserat sig på. 2. Viruset sprutar in
sin arvsmassa i cellen.
3. Arvsmassan
(nukleinsyran) kopieras utifrån ”receptet” i arvsmassan.
4. Proteinhöljen bildas runt den kopierade nukleinsyran. 5. Cellen spricker och det nybildade viruset frigörs.
2
Insikt Biologi_smakprov.indd 25
livet på jorden
25
11-04-14 12.55.12
Ett elektronmikroskop tar stor plats och är mycket dyrt jämfört med de ljusmikroskop som vi brukar använda i skolan (t.v.). Elektronmikroskop har väldigt hög upplösning och kan förstora upp till 250 000 ggr. Till höger syns en bild på blodkroppar i ca 5 000 ggr förstoring.
Detta mikroskop (överst) använde Robert Hooke när han upptäckte att korkvävnad består av små rum vilka han kallade celler. Hookes skiss av vad han såg i mikroskopet. Det han såg var inte levande celler utan skal av döda växtceller, nämligen cellväggar (nederst.).
26
2
Cellteorin Mikroskopet är en uppfinning som har revolutionerat biologin. Med det kan man se sådant som man tidigare inte kunde se – en helt ny värld har uppenbarat sig. Det första, mycket enkla, ljusmikroskopet (0 gångers förstoring) uppfanns av Robert Hooke (15–10). Med hjälp av mikroskopet studerade han tunna skikt av kork och upptäckte då små ”rum”. År 15 publicerade han sin upptäckt av det som han gav namnet celler (små rum). Han trodde att rummen var unika för kork, men det visade sig senare att det Hooke såg i sitt mikroskop var själva grundstrukturen för allt liv på jorden, nämligen cellen. Antonie van Leeuwenhoek (12–12) konstruerade även han ett mikroskop som användes när han studerade droppar av dammvatten och i dem fann ett myller av liv. Han hade upptäckt de encelliga organismerna. Det skulle dock dröja nästan 200 år innan man kom fram till att alla organismer består av celler. Under den första hälften av 100-talet hävdade biologerna Matthias Schleiden (104–11) och Theodor Schwann (110–12) att alla växter och djur består av celler och att cellen utgör grundstrukturen för liv. Denna teori tillsammans med forskaren Rudolf Virchows tes, att celler bara kan uppkomma från andra celler, gav upphov till den s.k. cellteorin: • alla organismer består av en eller fl era celler • cellen utgör grundstrukturen för liv • celler kan bara bildas från redan existerande celler.
livet på jorden
Insikt Biologi_smakprov.indd 26
11-04-14 12.55.24
Tobaksmosaikviruset upptäcks I början av 1900-talet gjorde den holländske biologen Martinus Willem Beijerinck (1851–1931) experiment som visade att tobaksplantor kunde infekteras och få fläckar på bladen av någonting som var mindre än bakterier. Han gjorde nämligen extrakt av infekterade blad och filtrerade det för att få bort alla bakterier. Sedan smorde han extraktet på friska tobaksplantor och det visade sig att de friska bladen blev infekterade. Beijerinck trodde att det var själva vätskan som gav upphov till sjukdomen och kallade vätskan för virus. Det dröjde till 1940-talet, då elektronmikroskopet började användas, innan man kunde se de små partiklar som denna vätska innehöll. I dag kallar vi dessa partiklar för tobaksmosaikvirus. Detta är bara ett av många exempel på vilken betydelse mikroskopet har haft för vetenskapen.
Översta bilden visar blad från tobaksplantor som är infekterade med tobaksmosaikviruset. Nedersta bilden visar en elektronmikroskopbild av tobaksmosaikvirus.
22
Insikt Biologi_smakprov.indd 27
livet på jorden
27
11-04-14 12.55.29
INSIKTER Biologi är läran om livet, men vad liv egentligen är kan ingen riktigt säga. Alla är överens om att det finns ordning och aktivitet i det som lever. Detta kostar energi och allt levande måste därför utnyttja energirika ämnen, som bryts ner till energifattiga. Det som lever måste också kunna växa, föröka sig och reagera på omgivningen. Därför behövs information om hur det ska se ut, information som ofta kallas för arvsanlag, eller gener. Allt levande hanterar alltså både information och förbrukar energi. Allt som lever består av en eller flera celler, och man kan säga att en cell är livets minsta enhet. En del levande varelser består bara av en cell, andra består av många celler som samarbetar. Cellerna är uppbyggda av samma slags grundämnen som resten av universum. En levande varelse består till största delen av vatten. Det finns fyra typer av stora molekyler som utmärker det levande:
• proteiner, som på olika sätt styr cellens liv och därför gör att organismer får olika egenskaper
• kolhydrater, som bär energi och fungerar som byggstenar • lipider (fettaktiga ämnen), som lagrar energi och som bildar de höljen som avgränsar cellerna. Allt liv på jorden har utvecklats från en enda tidig cell, som måste ha bildats då jorden ännu var mycket ung. Om den första cellen bildades i vattenpölar, i heta källor på havsbotten eller djupt nere i klippor är oklart. Men på något sätt har små molekyler satts ihop med varandra till kedjor, som först fått förmåga att kopiera sig själva, sedan att skapa fler byggstenar till kopieringen, och därefter att slå in sig själv i ett hölje. Ur en sådan urcell uppkom för mer än fyra miljarder år sedan den första moderna cellen med både proteiner och DNA. Att allt liv sedan utvecklades från en enda sådan cell ser vi bl.a. på att alla levande varelser använder samma språk för att översätta informationen i DNA till proteiner.
• DNA som lagrar information om vilka proteiner som kan bildas hos en viss organism
FUNDERA VIDARE 9. Rita en bakteriecell och namnge de olika delarna.
1. Vilka fyra grupper av biomolekyler ingår i allt levande?
10. Rita en växtcell och namnge de olika delarna.
2. Alla celler behöver energi. Varför?
11. Rita en djurcell och namnge de olika delarna.
3. Vilken kolkälla har en autotrof respektive heterotrof organism?
12. Vad innebär den s.k. endosymbiosteorin?
4. Vilken energikälla utnyttjar en fotoautotrof? 5. Hur kan biomolekyler ha uppkommit på vår jord?
13. Hur uppkom fritt syre (syrgas) på jorden och vilken påverkan fick det? ★ 14.
Argumentera för påståendet ”Virus är inte levande organismer”.
★ 15.
Hur kan en cell i ditt öga ha en helt annan funktion än en cell i din lever, trots att de har exakt samma DNA-innehåll?
6. Var kan de första cellerna på jorden ha bildats? 7. Vad skiljer bakterier och arkéer från eukaryota celler? 8. Bakterier orsakar inte bara sjukdomar. På vilket sätt är vi människor beroende av bakterier?
28
2
livet på jorden
Insikt Biologi_smakprov.indd 28
11-04-14 12.55.31
6 Genetik
VAD ÄR ARVSANLAG? VARFÖR KLONAR VI INTE OSS SJÄLVA?
VARFÖR SER VI UT SOM VI GÖR? 6
Insikt Biologi_smakprov.indd 189
genetik
189
11-04-14 12.55.42
Arvsanlag Från våra föräldrar får vi våra arvsanlag. Arvsanlagen spelar en stor roll för hur det befruktade ägget utvecklas till en människa, och fortsätter att påverka saker som händer i kroppen under resten av livet. Det är arvsanlagen som ser till att människor blir människor och att maskar blir maskar. De gör att vi på olika sätt påminner om våra föräldrar, och de gör att somliga av oss får ljust hår och andra mörkt, att några lätt lägger på hullet medan andra tycks kunna äta hur mycket som helst utan att bli tjocka. Men vad är dessa arvsanlag? Hur kan de påverka hur du och jag ska se ut och fungera? 190
6
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 190
11-04-14 12.55.46
Proteiner får saker att hända … Allt liv kryllar av aktivitet: näringsämnen bryts ner och signaler skickas fram och tillbaka. Vi människor kan hoppa, springa och äta, vi kan bli ledsna eller förälskade. Nästan all denna aktivitet utförs av proteiner, och varje gång något händer är många olika proteiner inblandade. När t.ex. en nervcell träffar ett signalämne som talar om att man blivit förälskad arbetar tiotals olika proteiner med att skicka det glada budskapet vidare. I en muskel behövs över hundra olika proteiner för att omvandla energin i vanligt socker till de energirika molekyler (ATP) som används när man springer, tränar eller drömmer. Sammanlagt räknar man med att det finns över 100 000 olika sorters proteiner i en människa. Och bara i den lilla tarmbakterien Escherichia coli finns mer än 4 000 proteiner. Varje protein finns sedan i ett mycket stort antal exemplar.
… och gör oss till dem vi är Nästan allt en levande varelse gör utförs alltså av proteiner. Och nästan allt som finns i varelsen har tillverkats av hennes proteiner. Det som avgör hur en levande varelse ska se ut och fungera är därför vilka proteiner hon har, och hur mycket hon har av dem. Uppsättningen av proteiner skiljer sig t.ex. mycket mellan en människa och en jordgubbsplanta. Jordgubbsplantan har en massa proteiner som kan bygga socker med hjälp av solljus, medan människan i stället har proteiner som kan bilda de hårda tänder som lätt mosar en jordgubbe. I schimpansen finns däremot de allra flesta proteiner som även finns i människan. Men många av dem ser lite annorlunda ut hos schimpansen och tillverkas inte i samma mängder som hos människan. Det är sådana små skillnader som gör människan och schimpansen olika. Till exempel tillverkar människan under ett visst stadium av fosterutvecklingen mer än schimpansen av ett protein som säger åt cellerna i skallbenet att växa och dela sig. Det är en av förklaringarna till att människan har större hjärna. Även skillnader mellan två människor har ofta att göra med små skillnader i proteinernas utseende, och hur mycket individerna tillverkar av dem. En människa som ofta är på gott humör kanske tillverkar ovanligt mycket av ett protein som bildar ett signalämne som påverkar humöret uppåt. Medan den som ofta ser lite dystrare på tillvaron kanske bildar mer av ett protein som bryter ner samma signalämne.
6
Insikt Biologi_smakprov.indd 191
genetik
191
11-04-14 12.55.46
Aminosyrakedja …
tillväxthormon
… veckas till mottagarprotein för tillväxthormon Ordningsföljden av aminosyror bestämmer proteinets form, som ger det dess funktion. Mottagarproteinet för tillväxthormon fungerar genom att passa som hand i handske till hormonet. Till höger i bilden visas mottagarproteinet när det binder hormonet. Alla atomer är markerade.
cellmembran
Proteiners uppbyggnad Sekvens
Proteiner består av långa kedjor av en slags byggstenar som kallas aminosyror. Det finns 20 olika sorters aminosyror, alla med olika storlek, form och andra kemiska egenskaper som surhet och laddning. Ett normalt protein består av några hundra sådana byggstenar, och olika proteiner skiljer sig från varandra genom att de har olika ordningsföljd av aminosyror i sin kedja – varje protein har alltså en unik aminosyrasekvens. Form ger funktion
Kedjorna av aminosyror lindar ihop sig till kompakta nystan, där ordningsföljden av aminosyrorna bestämmer vilken form nystanet får. Ett proteins aminosyrasekvens bestämmer alltså dess form, och formen bestämmer sedan proteinets funktion. Det protein som transporterar vitamin A i blodet har exempelvis ett stort hål där vitaminet kan glida in eftersom det passar som hand i handske. De proteiner som i stället fångar upp signalämnen kan göra detta genom att ha en form som precis passar ihop med signalämnets.
Gener och DNA Alla proteiner går till slut sönder och måste ersättas med nya. Cellerna behöver därför en ”receptsamling” som talar om hur de ska bilda sina olika proteiner. Det är denna receptsamling, eller kokbok, som är våra arvsanlag. Där finns ”recepten” för alla proteiner i den levande varelsen, och receptet för ett protein kallas för en gen.
192
6
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 192
11-04-14 12.55.46
Arvsanlagen vilar i cellens DNA-molekyler. De är bara två nanometer (något tiotal atomer) breda, men mycket långa för att vara molekyler. Redan i de flesta bakterier är DNA-molekylen flera millimeter lång. Lägger man ihop alla DNA-molekyler i en människa räcker de flera gånger fram och tillbaka till månen. En DNA-molekyl är en lång kedja, som är uppbyggd av små byggstenar som heter deoxiribonukleotider, men som också kan kallas nukleotider. De finns av fyra olika sorter: A, T, G och C. Informationen i en DNA-molekyl finns i ordningsföljden, sekvensen, av dessa byggstenar. Det innebär t.ex. att ATG betyder en sak och CCT betyder något helt annat.
A
T
G
C
A
G
Med elektronmikroskop kan man urskilja de smala, avlånga DNAmolekylerna.
En DNA-kedja består av fyra olika byggstenar. Informationen ligger i deras ordningsföljd.
När DNA-molekylen beskriver ett protein anger den vilka aminosyror proteinet ska innehålla, en efter en, och avslutar med att tala om att nu är proteinet färdigt. Varje aminosyra beskrivs av ett ”ord” som består av tre nukleotider. De flesta proteiner består av några hundra aminosyror, så för att beskriva dem behövs i storleksordningen tusen nukleotider.
G A C C A T G C A T T A C ……… A T C A A G C C A G A G T G A C A T T A Start His Tyr ……… Ile Lys Pro Glu Stopp Genernas språk. Tre DNA-bokstäver anger antingen en viss aminosyra, att beskrivningen av ett protein just ska starta eller att den ska sluta.
Bredvid beskrivningen av ett protein finns nästan alltid en bit DNA som innehåller en styrsekvens med instruktioner som talar om i vilka celler proteinet ska bildas, när det ska bildas och hur mycket som ska bildas. När en biolog använder ordet ”gen” menar hon ofta, men inte alltid, både själva beskrivningen av proteinet och dess styrsekvens.
Om genernas språk När en gen beskriver ett protein anger den proteinets aminosyror en efter en, och avslutar med att säga att proteinet är färdigt. Varje ord består av tre DNA-byggstenar, och dessa ord kommer omedelbart efter varandra, utan några mellanslag eller skiljetecken. Eftersom varje ord i genernas språk består av tre bokstäver och det finns fyra olika bokstäver att välja mellan kan det bildas 64 olika ord. Det behövs emellertid bara 21 ord: ett som säger stopp och ett för varje aminosyra (20 stycken). Genernas språk har därför många synonymer. I genomsnitt finns tre olika DNA-ord för varje aminosyra.
6
Insikt Biologi_smakprov.indd 193
genetik
193
11-04-14 12.55.48
DNA-dubbelhelixen DNA byggs som sagt upp av fyra olika byggstenar. Skillnaderna mellan dem finns i en del av byggstenarna som kallas kvävebas, som skjuter ut från den kedja som resten av nukleotiderna bildar. De utskjutande delarna passar ihop två och två – den utskjutande delen av ett A kan binda med vätebindningar till den utskjutande delen av ett T. Den utskjutande delen av ett G kan på samma sätt binda till den utskjutande delen av C. Man säger då att kvävebaserna basparar till varandra. T
C
A
G
Basparning. De utstickande delarna i DNA-byggstenarna (kallade kvävebaser) passar ihop två och två.
G
T
C A
A C
T T
A
T
A
T
G
G C
C G G
C A
C C
T T
A
T
A
G
G
A T
De två kedjorna i DNA-molekylen lindar sig kring varandra till en dubbelspiral (dubbelhelix).
194
6
A
C
G
AT
C
A
T
G
C
A
G
A
C
Komplementära kedjor. DNA-kedjor ligger ofta invid varandra två och två så att byggstenarna basparar med varandra.
A T G
T
I nästan allt levande ligger DNAkedjor två och två, med kvävebaserna pekande mot (och bindande till) varandra. Det gör att ett A i den ena DNA-kedjan alltid sitter mitt emot och basparar till ett T, och att ett C alltid sitter mitt emot och basparar till ett G. Den ena strängen fungerar därigenom som en beskrivning av den andra. Man säger därför att de två strängarna är komplementära till varandra. Att strängarna är komplementära är till stor nytta både när arvsanlagen kopieras inför celldelningar och när skadat DNA repareras. De två komplementära strängarna ligger dock inte platt bredvid varandra, utan är lindade runt varandra till en struktur som liknar en spiral. Strukturen kallas dubbelhelix.
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 194
11-04-14 12.55.49
Upptäckten av DNA:s struktur I början av 1950-talet satt två unga män, Francis Crick (1916–2004) och James Watson (f. 1928), i Cavendishlaboratoriet i Cambridge i England och var fascinerade av frågan hur gener kan kopieras. De var övertygade om att lösningen på problemet fanns i utseendet hos DNA-molekylen och bestämde sig för att lista ut hur denna ser ut. De läste, diskuterade med varandra, bollade med olika vilda idéer och byggde modeller. Många av deras kollegor tyckte att de lekte. Men efter något år kom de på den viktiga principen om basparning och gissade därför att DNA-molekylen består av två komplementära DNA-kedjor. Samtidigt undersökte Rosalind Franklin (1920– 1958), vid Kings College i London, hur röntgenstrålar sprider sig när de går igenom fibrer av DNA. Hon lyckades ta foton på dessa spridningsmönster, som var tydligare och skarpare än de foton någon annan DNA-forskare hade lyckats åstadkomma. Hon försökte själv tolka sina bilder, men kom på fel spår. När Rosalind Franklin hade skrivit en rapport till den statliga myndighet som betalade hennes forskning, kom den till en av Cricks chefer som visade Crick och Watson det vackraste av Franklins foton. Tack vare att Crick var mycket skicklig på att tolka den här
James Watson (t.v) och Francis Crick (t.h.) bredvid den första modellen av en DNA-molekyl. Foto taget av Antony Barrington Brown, några månader efter upptäckten.
typen av bilder drog han omedelbart slutsatsen att DNA-molekylen hade formen av en helix. Dessutom kunde han från bilden räkna ut helixens ungefärliga diameter. Crick och Watson försökte då bygga en modell där två komplementära DNA-kedjor basparade och formade en helix med de dimensioner Crick hade räknat fram ur Franklins bild – och det lyckades. Crick och Watson publicerade omedelbart (1953) en bild av modellen, med en liten kommentar om att deras modell delvis byggde på kunskap från Franklins arbete. I samma nummer av tidskriften publicerade Franklin sedan sina bilder, och förklarade tydligt att hennes data stödde den modell Crick och Watson hade byggt. I dag är det uppenbart att alla tre forskarnas insatser var nödvändiga för att förstå DNA-molekylen. När upptäckten år 1962 belönades med nobelpriset i medicin hade dock Rosalind Franklin avlidit i cancer. Rosalind Franklin gjorde de undersökningar som gjorde det möjligt för Watson och Crick att lista ut DNA-molekylens struktur. 6
Insikt Biologi_smakprov.indd 195
genetik
195
11-04-14 12.55.52
Kromosomer
Hos bakterier ligger DNA:t (rött i bilden) lindat fritt i bakteriens cytoplasma.
Arvsmassan består alltså av DNA-molekyler, och på dessa ligger generna utspridda. Ofta använder man ordet kromosomer om DNAmolekyler. Hos bakterier ligger nästan all arvsmassa på en enda kromosom. Denna består vanligen av flera miljoner baspar och är några millimeter lång. Bakterierna själva är emellertid bara några mikrometer stora. Att ha en DNA-molekyl inne i en bakterie är därför som att ha en flera hundra meter lång lina i en liten ryggsäck. För att det ska fungera måste den vara ordentligt ihoprullad. Hos eukaryota celler är arvsanlagen oftast uppdelade i flera kromosomer. De kan vara flera centimeter långa och ligger packade i cellkärnor som bara är några mikrometer stora. Hos eukaryoter måste därför DNA:t vara ännu mer packat än hos bakterier. DNA-molekylerna hos eukaryoter lindar sig därför runt speciella proteiner (s.k. histoner), som griper tag i varandra och lindar sig och DNA:t till en fiber. Denna är med ojämna mellanrum fäst på insidan av cellkärnans membran, så att DNA-molekylen ligger i öglor inne i cellkärnan (se bild nedan). När en eukaryot cell ska dela sig löser cellkärnans membran upp sig och DNA:t lindar ihop sig en gång till. Kromosomerna bildar då strukturer som är så stora och kompakta att man kan se dem i vanligt ljusmikroskop (se bild på nästa sida). Dessa består dock bara under en kort period, medan celldelningen håller på. När den avslutats återgår kromosomerna till att vara tunnare fibrer som sitter i öglor på insidan av cellkärnan.
DNA lindar sig kring klumpar av proteiner …
cytoplasma kärnmembran cellkärna
… och viker ihop sig till en fiber I eukaryota celler lindas DNA:t runt proteiner och packas tätt i cellkärnan.
196
6
DNA
… som hängs upp i cellkärnans membran så att den bildar öglor in i cellkärnan.
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 196
11-04-14 12.55.54
Inför celldelningen lindar de eukaryota cellernas kromosomer ihop sig till kompakta strukturer, som kan ses i mikroskop.
Arvsmassans storlek och skräp-DNA Olika arter har olika mycket DNA. Ofta, men inte alltid, är mängden DNA större ju mer komplicerad en organism är. (Se tabellen.) Generna ligger olika tätt hos olika organismer. Hos de flesta bakterier och arkéer är den största delen av DNA:t recept för proteiner. Men hos människor och andra däggdjur beskriver mindre än 1,5 % av DNA-molekylen proteiner, och någon ytterligare procent antas utgöra styrsekvenser. Art Mycobacterium genitale Escherichia coli Bananfluga Människa
Mängd DNA (baspar)
Antal gener
500 000
500
4 600 000
4 300
150 000 000
12 000
3 000 000 000
20 000–25 000
Man kan då fundera över vad resten av däggdjurens DNA har för funktion. Trots att många forskare ägnat mycket tid åt att undersöka saken har de bara hittat spår av nyttiga funktioner hos några enstaka procent av det övriga DNA:t. Bland annat har det visat sig finnas gener för ett stort antal RNA-molekyler, som inte översätts till proteiner utan som på egen hand utför olika arbetsuppgifter i cellerna. Men även om man räknar generöst tycks bara runt 5 % av däggdjurens DNA ha en för oss begriplig funktion. De resterande 95 % av vår arvsmassa kallas ibland för ”skräp-DNA”, och forskarvärlden är osäker på om detta DNA har någon direkt funktion. (Se faktarutan ”Skräp-DNA”.)
6
Insikt Biologi_smakprov.indd 197
genetik
197
11-04-14 12.55.56
Hur gener fungerar DNA-molekylernas roll är alltså att bära information om hur olika proteiner och RNA-molekyler ser ut, och att överföra denna information mellan generationerna. Det kräver att alla celler har system för att: • kopiera DNA-molekylerna varje gång en cell ska dela sig • reparera de skador på DNA som orsakas av ultraviolett strålning från solen och fria radikaler som bildas inne i cellerna vid cellandningen • avläsa informationen på DNA-molekylerna och bygga RNA-molekyler och proteiner utifrån den • styra hur mycket de ska bilda av alla RNA-molekyler och proteiner. Vi ska nu titta närmare på hur detta går till. AT GC CG
Kopiera DNA
Alla celler förökar sig genom att dela sig. Det händer gång på gång när ett befruktat ägg utvecklas till ett foster. Även hos den vuxna männisTA kan delar sig cellerna när gamla celler ersätts med nya. Bakterier delar TA sig också och blir fler och fler, tänk bara på hur mycket bakterier som CG finns i ett paket köttfärs som blivit kvarlämnat på köksbordet en varm GC sommardag. AT Varje gång en cell delar sig måste var och en av de två nya cellerna C G G C få med sig en komplett uppsättning av arvsanlagen. Därför måste celC G len kopiera sina DNA-molekyler innan den börjar dela sig. Denna A T kopiering kallas ofta med ett lån från engelskan för replikation. T A A CG Eftersom DNA-molekylens två strängar alltid kan fungera G T C GC C som beskrivningar av varandra är principen för kopieringen G GC GC av DNA mycket enkel: De två kedjorna på DNA-molekylen TA TA lossas bit för bit från varandra. Fria DNA-byggstenar AT AT TA (nukleotider) finns i cellen, och när de möter en komTA TA TA plementär bas på någon av DNA-kedjorna basparar CG CG de dit. Därför kommer nya nukleotider att radas upp längs de gamla kedjorna i just den ordning de ska sitta i de nya, och sedan klistras de ihop med varandra. Kopiering av DNA-molekylen. SträngHos E. coli-bakterien sker detta i en hastighet av ungefär arna i den gamla molekylen säras. Fria byggstenar parar ihop sig med 2 000 nukleotider per sekund. En bakterie behöver mer än tio olika komplementära kvävebaser på de slags proteiner för att utföra olika steg i denna kopiering. Själva kopiegamla strängarna och fogas ihop med varandra till nya DNA-strängar. ringen utförs av ett enzym som kallas DNA-polymeras. GC
A
198
6
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 198
11-04-14 12.55.56
De proteiner som utför kopieringen är dock inte helt perfekta. Någon gång ibland (vid ungefär en nukleotid på miljarden) sätter de av misstag in fel nukleotid i den nya DNA-kedjan. Om sådana misstag inte rättas till leder de till förändringar i DNA-sekvensen, mutationer.
Reparera skador Molekylerna i cellen lever ett farligt liv. De utsätts för ultraviolett strålning från solen och de angrips av aggressiva molekyler, fria radikaler, som bildas som biprodukt vid cellandningen. Både UV-strålning och fria radikaler är farliga av ungefär samma anledning – de knuffar eller rycker bort elektroner från de molekyler de träffar och skadar därmed bindningarna mellan molekylens olika atomer. Om exempelvis ett protein skadas på detta sätt bryts det snabbt ner av cellen och ersätts med ett nytt. Men om en sådan skada drabbar DNA-molekylen som bär cellens arvsanlag, kan cellen inte förstöra den skadade molekylen utan måste i stället laga den. För att göra det har cellen flera olika proteiner som kan känna igen skador på DNA-molekylen och klippa bort dem. Sedan startar ett maskineri som påminner om kopiering av DNA, där den oskadade DNA-strängen används som mall för att reparera den skadade. I de allra flesta fall lyckas detta. Men reparationsmaskineriet gör ibland fel. Därför uppstår mutationer inte bara när DNA kopieras, utan också när skador på DNA-molekylerna repareras.
skada
Området runt skadan klipps bort.
Nya byggstenar provar att binda in … … och fogas ihop med de ursprungliga DNA-kedjorna.
Reparation av skador på DNA är slarvigare än kopiering av DNA. DNA-skador ökar därför risken för mutationer.
6
Insikt Biologi_smakprov.indd 199
genetik
199
11-04-14 12.55.57
INSIKTER Hos allt levande händer ständigt saker, och nästan all denna aktivitet utförs av proteiner. Och det är proteiner som tillverkar nästan allt annat i de levande varelserna. Hur man ser ut och fungerar beror därför i grunden på vilka proteiner man har, hur mycket man har av de olika proteinerna, och hur de ser ut. Hur proteinerna ser ut bestäms av våra arvsanlag, där man kallar beskrivningen av ett protein för en gen. Men hur mycket vi bildar av våra olika proteiner bestäms av ett samspel mellan arv, miljö och saker man varit med om tidigare. Därför spelar inte bara arvet utan också miljön en viktig roll för att forma oss till dem vi är. Arvsanlagen bärs av en molekyl som heter DNA, och varje levande cell har en komplett uppsättning av sin arts DNA. Dessa DNA-molekyler kan ibland råka få förändringar, som man kallar mutationer. Oftast märker vi dem inte, men ibland kan de leda till missbildningar, ärftliga
sjukdomar eller cancer. Men, någon sällsynt gång ibland leder en mutation istället till en förbättring, eller till att ett protein kan börja göra något helt nytt, som är till nytta för organismen. Det är sådana mutationer som gjort att livet har kunnat utvecklas från den första urcellen till dagens mångfald av livsformer. Många levande varelser förökar sig genom att skapa en ny individ med exakt samma arvsmassa som sig själv. Det sker när två bakterier delar sig, eller när en krukväxt skjuter skott. Man talar då om icke-sexuell förökning. Men många varelser har utvecklat sätt att föröka sig genom att två individer blandar sina arvsanlag – varje barn bär en blandning av bägge sina föräldrars gener. Man talar då om sexuell förökning. När individer har olika kombinationer av gener ökar sannolikheten för att någon ska klara sig om miljön förändras.
FUNDERA VIDARE 1. Det som skiljer en groda från en tiger är vilka proteiner de bildar. Hur kan uppsättningen av proteiner spela så stor roll? 2. Hos den lilla rundmasken C. elegans är 14 % av kvävebaserna adenin (A). Hur stora procentandelar utgör de övriga baserna G, C respektive T? 3. När en cell delar sig får den nya cellen samma DNA-innehåll. Förklara hur detta går till. 4. Hur kan det komma sig att mer än var femte gen som finns i människan också finns hos någon bakterie? 5. Trots att geninnehållet är detsamma hela livet sker stora förändringar med ens kropp när man kommer in i puberteten. Varför? 6. Varför kan två syskon bli väldigt olika varandra? 7. Hur kan det komma sig att vissa organismer förökar sig sexuellt, andra asexuellt och att vissa förökar sig på bägge sätten?
200
6
8. Ge några exempel på tillfällen då en eukaryot cell befinner sig i cellcykeln, d.v.s. delar sig gång på gång. Ge några exempel då en eukaryot cell under långa perioder över huvud taget inte går in i cellcykeln. 9. Vi får ju hälften av våra DNA-molekyler och gener från mamma och hälften från pappa. Varför fungerar inte ärftligheten så enkelt att vi också får hälften av våra egenskaper från pappa och andra hälften från mamma? 10. Hur kan två friska föräldrar få ett barn med en ärftlig sjukdom? 11. I vissa små isolerade byar lider en stor andel av människorna av ärftliga sjukdomar. Varför? ★ 12.
Måste ett barns hudfärg hamna mitt emellan föräldrarnas, eller kan det vara möjligt att två föräldrar får ett barn med mycket mörkare hud än någon av föräldrarna? Förklara varför!
genetik
Insikt Biologi_smakprov.indd 200
11-04-14 12.55.57
Insikt Biologi_smakprov.indd 201
11-04-14 12.55.57
Lena Brynhildsen • Henrik Brändén • Magnus Ehinger Insikt Biologi är ett läromedel anpassat till Gy2011. Läromedlet ger eleven förståelse för biologiska samband, visar spännande inblickar i aktuell forskning och betonar vikten av hållbar utveckling. För mer information om Insikt Biologi och digitalt material, se www.nok.se 2 livet på jorden 202
ISBN 978-91-27-40958-3
9 789127 409583
Insikt Biologi_smakprov.indd 202
11-04-14 12.56.02