5
BIOLOGIJA POMEMBEN DEL NAŠEGA ŽIVLJENJA BIOLOGIJA SEGA NA VSA PODROČJA NAŠEGA ŽIVLJENJA CILJ ZNANOSTI JE RAZUMEVANJE NARAVNIH PROCESOV BIOLOŠKA ZNANJA SO POMEBNA
Danes si kakovostnega življenja brez biološkega znanja skoraj ne znamo več predstavljati. Poznati moramo na primer, kako gojiti rastline, kako skrbeti za živali, kako pripraviti kakovostna živila, da ne postanejo škodljiva in podobno. Marsikaj moramo vedeti o botaniki in agronomiji, živilski tehnologiji, mikrobiologiji in medicini. Znanja s področja biologije moramo uporabljati tudi pri svojih vsakodnevnih odločitvah, pa čeprav se tega niti ne zavedamo.
6
razmisli Razmisli, katera biološka znanja so razlog za to, da zjutraj pozajtrkujemo, se umijemo in si očistimo zobe? Katera biološka znanja uporabljajo starši pri pripravi dnevnih obrokov? Zakaj je pomembno, kakšna čistila uporabljamo za čiščenje doma, posode, oblačil? Zakaj ločujemo odpadke?
Biologija sega na vsa področja našega življenja
Potreba po razumevanju stvari okoli nas je ena izmed poglavitnih človekovih potreb. Pridobljena znanja nam pomagajo pri prilagajanju na različne življenjske razmere ter pri iskanju rešitev za kvalitetnejši način življenja. Biološka znanja uporabljamo v vsakdanjem življenju. Biologija je namreč s hitrim razvojem in z velikim številom novih informacij nepogrešljiv del drugih panog. Tako so se razvile panoge, kot so bioinformatika, biofizika, biokemija, biotehnologija, bionika, mikrobiologija; biološka znanja uporabljajo v gradbeništvu, arhitekturi, računalništvu, marketingu in na drugih področjih.
dejavnost Bionika .je biološka veda, ki znanja o zgradbi in delovanju živih bitij uporablja za reševanje problemov v tehnologiji.
zanimivost Arhitektura narave je velikokrat vzor arhitektom in gradbenikom.
Na fotografiji se uš s krempeljci oprijema človeškega lasu. Tehnologijo njenega oprijema je človek uspešno uporabil pri izdelavi klešč.
Poišči še druge primere, pri katerih so znanstveniki posnemali tehnološke rešitve iz narave.
Za kakovostno reševanje številnih problemov v družbi je potrebno sodelovanje biologov, kemikov, fizikov, računalničarjev, matematikov, geologov, meteorologov in drugih znanstvenikov. Nova znanja na področju biologije zahtevajo nov način učenja. Dobo, v kateri živimo, bi lahko poimenovali kar doba biologije, saj se količina znanja s tega področja veča iz dneva v dan. Pri graditvi mostov na primer uporabljajo znanje o zgradbi in obnavljanju kosti.
razmisli Si že razmišljal/a o izbiri poklica? Razmisli, katera biološka znanja so potrebna za poklic, ki ga želiš opravljati.
dejavnost Prelistaj dnevni časopis in eno izmed strokovnih revij z biološko vsebino ter si izpiši naslove, povezane z odkritji na področju biologije. Ali predstavljajo biološka znanja tudi velik del tiskanih medijev? Zakaj misliš, da je tako?
Zaradi prevelike količine biološkega znanja je postalo učenje podatkov na pamet nesmiselno, veliko pomembnejše je povezovanje tega znanja v določene ideje, koncepte. Ti nam omogočajo razumevanje delovanja sveta okoli nas in nas samih in nam pomagajo pri kritičnem sprejemanju novosti in novic, ki jih spremljamo v medijih, pa tudi pri številnih odločit vah, ki jih moramo sprejemati v življenju.
7
Cilj znanosti je razumevanje naravnih procesov
Čeprav je količina biološkega znanja danes res ogromna, pa še zdaleč ne razumemo vseh pojavov v naravi. Radovednost in številni problemi, s katerimi se srečujemo, nas ženejo k novim raziskovanjem. Tako se nekateri znanstveniki lotijo svojih raziskav zato, da bi razumeli določen proces, drugi pa se spopadajo s konkretnimi problemi in jih rešujejo z biološkimi znanji. Če bi znanstvenike vprašali po receptu za uspešno raziskovanje, bi bili odgovori verjetno različni. Danes uspešnega raziskovanja zagotovo ni brez natančnega načrtovanja poskusov in ustreznih finančnih sredstev za izvedbo raziskave.
dejavnost Ponovi, kako poteka znanstveno raziskovanje. Zastavi raziskovalno vprašanje z enega od področij biologije in izdelaj načrt raziskave.
zanimivost Včasih so domnevali, da lahko v tako ekstremno slanem okolju, kakršno so soline, preživijo le bakterije. Slovenska skupina znanstvenikov pa je ugotovila, da v solinah (Sečoveljskih solinah in solinah drugod po svetu) zelo dobro uspevajo tudi glive. Pričakujejo, da bo razumevanje mehanizmov, ki glivam omogočajo preživetje v tako ekstremnem okolju, sčasoma omogočilo uspešno gojenje poljščin tudi tam, kjer je zaradi čezmernega namakanja kmetijskih površin zasoljevanje tal vedno večji problem za to panogo.
Z znanstvenim raziskovanjem biologije želijo strokovnjaki rešiti probleme in razvozlati neznanke. V sodobni dinamiki raziskovanja pri raziskavah sodelujejo številni znanstveniki z različnih strokovnih področij.
Biološka znanja v zakonodaji
Biološka znanja so pomembna za sprejemanje ustrezne državne in mednarodne zakonodaje. Ljudje smo socialna bitja in živimo v urejenih skupinah oziroma skupnostih. Vsaka skupnost lahko uspešno in varno živi le, če je vsak posameznik v njej biološko ozaveščen. To pomeni, da zna skrbeti zase in za svoje bližnje ter za okolje tako, da s svojim ravnanjem ne škoduje niti sam sebi niti urbanemu in naravnemu okolju. Z nepremišljenim spreminjanjem okolja lahko to namreč postane neprimerno za preživetje človeka – skrb za okolje je torej hkrati skrb za ohranjanje človeške vrste. Zato da bi zmanjšale, omejile in preprečile posledice napak posameznih človekovih dejavnosti, so države sprejele številne nacionalne in mednarodne dogovore ter zakone, ki urejajo to področje. Pri oblikovanju teh dogovorov in zakonov sodelujejo strokovnjaki s posameznih področij, ki so se razvila na podlagi bioloških znanj: medicine, veterine, farmacije, biotehnologije, kmetijstva, gozdarstva, živinoreje, živilske industrije in drugih. Pri tem se srečujejo s številnimi etičnimi vprašanji, ki se dotikajo naših kulturnih vrednot, gospodarstva, politike. Zaradi tega moramo svoja mnenja pogosto izraziti tudi nestrokovnjaki, laiki na teh področjih, na primer – ali uporabljati gensko spremenjene organizme v prehrani človeka, ali se lahko matične celice zarodkov uporabljajo v raziskovalne namene, ali se je potrebno cepiti proti različnim boleznim in podobno.
Gliva iz Sečoveljskih solin (Eurotium sp.)
razmisli Kateri strokovnjaki so morali sodelovati pri oblikovanju Zakona o varstvu okolja?
8
RAZISKUJ, RAZMISLI, PONOVI 1. Pri številnih odločitvah si pogosto pomagamo z informacijami, ki nam jih posredujejo različni mediji (medmrežje, radio, televizija, revije, časopisi). Vendar se te velikokrat razlikujejo med seboj oziroma si nasprotujejo. Če jih želimo razumeti in kritično obravnavati, moramo nujno imeti določena biološka znanja.
è
PUSTITI PROSTOR ZA 4 ČLANKE – 4 X (11 X 4)
povzetek Biološko znanje je nepogrešljiv del mnogih družbenih dejavnosti – medicine, veterine, mikrobiologije, farmacije, biotehnologije, kmetijstva, gozdarstva, živinoreje, živilske industrije in drugih. Biološka znanja uporabljamo v vsakdanjem življenju. Omogočajo nam kritično sprejemanje informacij, ki nam jih danes ponujajo številni mediji.
povzetek pojmov Bioinformatika – veda in znanost, ki razvija računalniška orodja, metode in postopke za urejanje bioloških podatkov v uporabnikom dostopnejše in razumljive oblike Biofizika – je mlada veda in znanost, ki proučuje fizikalne vidike biologije Biokemija – je veda in znanost, ki preučuje kemične snovi in procese v organizmih Biotehnologija – interdisciplinarna veda in znanost, ki s sodobnimi metodami uporablja žive organizme ali njihove dele (celice, encime, ) v industrijske namene ter v medicini pri diagnostiki in zdravljenju bolezni.
9
!
Preglej zgornje časopisne članke. Kaj meniš, kateri med njimi so strokovni članki? Katerim člankom bi verjel in zakaj? 2. Poznavanje biologije je pomembno tudi za tvoje življenje. Kje vse že uporabljaš in boš uporabljal biološka znanja v bodoče? 3. S kakšnimi motivi se raziskovalci lotijo svojih raziskovanj – kaj bi s tem radi dosegli? 4. Ali je dovolj, da nek problem raziskujejo znanstveniki le z enega področja? Odgovor utemelji. Vedno bolj so pomembna za sprejemanje ustrezne nacionalne in mednarodne zakonodaje. Biologija je tako že od nekdaj zelo pomemben del našega življenja, ki nam omogoča preživetje ter kvalitetnejše življenje.
Bionika – je biološka veda, ki znanja o zgradbi in delovanju živih bitij uporablja za reševanje problemov v tehnologiji. Kot veda se je začela razvijati v petdesetih letih prejšnjega stoletja in se razvija še danes. Mikrobiologija – je veda in znanost, ki preučuje mikroorganizme (organizme, ki jih lahko opazujemo le skozi mikroskop) Gensko spremenjeni organizmi – so organizmi, ki so jim s pomočjo tenik biotehnologije spremenili genetski material Matične celice – so celice, ki vse življenje ohranijo sposobnost razvoja v druge tipe celic.
10
Zemlja nekoÄ?
11
SNOVI V ŽIVIH SISTEMIH DELOVANJE ŽIVIH SISTEMOV VSE SNOVI SO IZ VES ČAS GIBAJOČIH SE ATOMOV BREZ OGLJIKA NI ŽIVLJENJA ŽIVLJENJE NA ZEMLJI NI MOGOČE BREZ VODE V CELICAH POTEKAJO BIOKEMIJSKE REAKCIJE
Poiščimo skrivnost življenja. Pojdimo na začetek – čaka nas vznemirljiva pustolovščina. Da ne vznemirimo svojih prednikov, se podajmo v svoje raziskovalno plovilo in odpotujmo 3,5 milijarde let nazaj. Ne pozabimo s seboj vzeti dovolj kisika – takrat ga na Zemlji namreč še ni bilo. Zemljo, po velikosti manjšo od današnje, pokriva tanka plast ozračja, predvsem iz plinov, ki izparevajo iz segrete magme: ogljikovega dioksida (CO2), dušika (N2), vodika (H2), metana (CH4), amoniaka (NH3), vodikovega sulfida (H2S). V ozračju je tudi vodna para. Kisika tu še ni, tako da moramo skrbno ravnati s tistim, ki smo ga pripeljali s seboj. Prav tako ni ozonske plasti, ki bi nas varovala pred velikim delom sevanja iz vesolja. Sonce sveti hladneje in svetleje. Brrr – zelo neprijetne razmere za nas. Na srečo ogljikov dioksid zadržuje del toplote in ustvarja učinek tople grede. Kometi, meteorji in drugi galaktični drobir so prinašali vodo, iz katere so nastali oceani, in druge sestavine, potrebne za nastanek življenja, med njimi tudi ogljik, poglavitni gradnik živih bitij.
12
Delovanje živih sistemov razmisli Kaj vse je bilo potrebno, da se je na Zemlji lahko razvilo življenje, kakršnega poznamo danes?
zanimivost Odkritje elementov je spremenilo pogled na svet Spoznali smo že, da radovednost ljudi žene k postavljanju novih vprašanj, k raziskovanjem in odkritjem. Tako se je človek že v preteklosti spraševal, iz česa so snovi okoli nas. V 18. in 19. stoletju so prvi kemiki odkrili večino kemijskih elementov, ki so imeli tudi po več imen, saj jih je vsak odkritelj imenoval po svoje.
Iz vsakdanjega življenja veste, da za dobro počutje potrebujemo ustrezno hrano in pravo količino vode, v vdihanem zraku mora biti določena koncentracija kisika, imeti pa moramo tudi dovolj prostora. Podobne potrebe za preživetje imajo številna danes na Zemlji živeča bitja. Pri naravoslovju ste izvedeli, da z zadovoljevanjem življenjskih potreb organizmi izmenjujejo snovi in energijo z okoljem, rastejo, se razvijajo in razmnožujejo oziroma ohranjajo svoje življenje. V vsakem organizmu potekajo procesi, s katerimi deli organizma sprejemajo snovi iz okolja, jih razgrajujejo in uporabijo za graditev novih molekul, te pa nato vgrajujejo v svoj organizem ali pa z njimi nadomeščajo izgubljene in izrabljene snovi. Delovanje živih sistemov tako temelji na kemijskih in fizikalnih načelih.
ŽIVA NARAVA
NEŽIVA NARAVA značilnosti
Razmere za življenje:
Življenjski znaki: - rast in razvoj - izmenjava snovi in energije z okoljem - razmnoževanje - staranje in
- hranilne snovi ODVISNOST
- voda
POVEZANOST
- zrak
VZAJEMNI VPLIV
- svetloba
SPREMENLJIVOST
- toplota
odmiranje
- življenjski prostor
Snovi v obliki atomov in molekul med živo in neživo naravo nenehno krožijo. Prav tako neprestano prehaja energija iz nežive narave v živo in obratno.
Živa in neživa narava se ves čas spreminjata in vplivata druga na drugo.
Vse snovi so iz ves čas gibajočih se atomov
Prvi, ki je v kemijo elementov vnesel red in oblikoval periodni sistem elementov, je bil Dimitrij Ivanović Mendelejev.
Tudi naše telo sestavljajo atomi, ki nikoli niso povsem pri miru. Vsi atomi našega telesa in s tem tudi molekule, sestavljene iz njih, se ves čas gibljejo. Zaradi majhnosti molekul in atomov mi njihovega premikanja ne opazimo. Vsa živa bitja so zgrajena iz atomov ogljika, vodika, kisika in dušika, malo je kalcija, nekaj žvepla in fosforja ter za vzorec nekaterih drugih elementov (magnezija, natrija, kalija, in drugih). Elemente, ki sestavljajo živa bitja, imenujemo biogeni (življenjetvorni) elementi.
13 Ogljika, vodika, dušika, kisika, fosforja in žvepla je za več kot 97 % mase živih bitij. Ti elementi sestavljajo zelo raznolike molekule, od majhnih (voda, soli) do zelo velikih (ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine, nukleinske kisline).
Brez ogljika ni življenja
Čisti ogljik (mehak grafit in trd diamant) ter ogljikove spojine brez vodika (karbonati, ogljikov dioksid, ki ga izdihavamo, ter ogljikov monoksid – za nas strup) uvrščamo med del nežive narave, tako imenovane anorganske snovi. Večino drugih snovi, pri katerih je ogljik poglavitni element, pa najdemo kot sestavne dele živih bitij in jih zato imenujemo organske snovi. Poleg ogljika vsebujejo vodik, večina tudi kisik, z ogljikom pa se lahko povezujejo tudi drugi elementi.
dejavnost Zapiši, katere anorganske in katere organske snovi si že spoznal pri pouku kemije. Katere od njih vsebujejo ogljik?
Anorganske ogljikove spojine (kot je CO2) se ves čas pretvarjajo v organske ogljikove spojine, te v druge organske ogljikove spojine in ne nazadnje spet v anorganske ogljikove spojine.
ogljikov dioksid v ozračju fotosinteza ogljikove spojine v rastlinah
ogljikove spojine v prsti
erozija
reka
izhlapevanje
mineralne snovi Legenda ogljik v anorganskih spojinah ogljik v organskih spojinah fotosinteza
izločanje organskih in anorganskih spojin
raztopljene ogljikove spojine
razgradnja
V naravi ogljik kroži med organskimi in anorganskimi snovmi.
obrežne usedline
zanimivost Razdelitev snovi na organske in anorganske je leta 1807 uvedel švedski kemik Jöns Jakob Berzelius. Že takrat so ljudje opazili, da se snovi iz organizmov razlikujejo od ostalih snovi.
14 Prav to, da se ogljik rad na različne načine spaja z drugimi manjšimi atomi (tudi z drugimi atomi ogljika), je bilo ključnega pomena za nastanek in obstoj živih bitij. Ogljik kot majhen atom lahko oblikuje večkratne vezi. Tako je znanih skoraj deset milijonov različnih ogljikovih spojin, ki omogočajo veliko raznolikost in delovanje živih bitij. Med ogljikove spojine spadajo tudi velike molekule, kot so beljakovine, ogljikovi hidrati, maščobe, nukleinske kisline (deoksiribonukleinska kislina – DNA, ribonukleinska kislina – RNA) in vitamini, ki jih naše telo dobi s hrano.
ogljikov dioksid alkohol etanol aminokislina glicin
fosfoglicerid
glukoza
Življenje na Zemlji ni mogoče brez vode
Prve oblike življenja na Zemlji so nastale v vodi. Življenje se je v vodi razvijalo tri milijone let, preden je prešlo na kopno. Pa še potem so kopenski organizmi ostali odvisni od vode. Vsi nam znani organizmi so sestavljeni pretežno iz vode in brez nje ne preživijo.
razmisli Zakaj astronomi pri preučevanju oddaljenih planetov iščejo predvsem znamenja o navzočnosti vode na njih?
Voda je edina naravna snov, ki je je v naravi veliko v vseh treh agregatnih stanjih - kot led, tekoča voda in vodna para. V vsaki celici je 70 – 95 % vode, pri čemer je voda okolje, v katerem v celici potekajo za življenje potrebne biokemijske reakcije, pri nekaterih izmed njih voda sodeluje tudi kot reaktant. Vodne molekule so med seboj povezane s posebnimi šibkimi vezmi, zaradi katerih ima voda posebne lastnosti, pomembne za živa bitja: – Led ima pri 0 °C manjšo gostoto od vode, zato plava na njej. To omogoča preživetje živih organizmov tudi na hladnejših območjih.
zanimivost Ljudje lahko preživimo kar nekaj tednov brez hrane, a le kakšen teden brez vode.
ureditev vodnih molekul v ledu Rak kozica v zaledenelem morju
ureditev vodnih molekul v vodi
15 – Tesna povezanost vodnih molekul omogoča premikanje vodnega stolpca po rastlinskih žilah. Podobno kot lahko s slamico posrkamo vodni stolpec iz kozarca v usta, izgubljanje vode z izhlapevanjem skozi listne reže potisne celoten vodni stolpec po rastlinskih žilah tudi več metrov navzgor od korenin vse do listov.
smer premikanja vodnega stolpca
vodovodne cevi
vezi med molekulami vode omogočajo premikanje vodnega stolpca
– Voda se počasi segreva in počasi ohlaja, to pa omogoča počasnejše temperaturne spremembe okolja in lažje uravnavanje telesne temperature. Zaradi velike specifične toplote pri potenju ob dokaj majhni izgubi vode izgubimo veliko toplote, zaradi česar se telo hitro ohladi in se ne pregreje niti pri večjem naprezanju in v vročem podnebju. Nekatere živali se podobno hladijo s sopenjem (plazilci), rastline s transpiracijo. – Voda je polarna molekula in zaradi tega zelo primerna kot topilo za polarne snovi. Voda je tako primerno sredstvo za prenašanje hranilnih snovi.
molekule vode Na+
Cl
beljakovina
Cl
Na+
Cl
Na+
Cl
Na+
Cl
Na+
Cl
kristal natrijevega klorida
Vodne molekule obdajajo snovi, ki se raztapljajo v vodi
razmisli Zakaj je za organizme dehidracija tako nevarna?
razlaga pojma Specifična toplota – toplota, potrebna, da en kilogram snovi segrejemo za en kelvin. Specifična toplota vode je približno 4181 joulov na kilogram.
16
V celicah potekajo biokemijske reakcije
V celicah nenehno potekajo kemijske reakcije, ki jih usmerjajo beljakovine. Snovi, ki preidejo skozi izbirno prepustno membrano v celico, se vključujejo v procese v celici. Ti obsegajo tako reakcije graditve kot tudi reakcije razgradnje snovi, omogočajo obnavljanje, rast, razvoj in delovanje celic. Ker te reakcije potekajo v živih organizmih (celicah), jih imenujemo tudi biokemijske reakcije.
zanimivost Biokemijske reakcije, ki potekajo v živih organizmih (celicah), preučuje biokemija.
zanimivost
dejavnost Zapiši, katere biokemijske reakcije, ki potekajo v celici že poznaš.
Večina biokemijskih reakcij v celicah ne bi mogla potekati ali pa bi potekala zelo težko brez posredovalcev, tako imenovanih encimov, ki so beljakovinskega izvora. Beljakovine torej niso le gradniki celic, ampak imajo tudi ključno vlogo v procesih v celici, zaradi česar so za preživetje celice izjemno pomembne.
glukoza
Celično dihanje je pravzaprav proces, ki ga tvori niz biokemijskih reakcij. Del teh reakcij ne poteka linearno, pač pa ciklično. Da je del celičnega dihanja v mitohondrijih organiziran v obliki biokemijskih reakcij, katerih produkt je hkrati reaktant za naslednje reakcije, je spoznal Hans Adolf Krebs, angleški znanstvenik nemškega rodu, ki je za svoje odkritje leta 1953 prejel Nobelovo nagrado za medicino. Njegov članek je še danes med najbolj citiranimi članki na svetu.
piruvat
Delovanje celice omogoča mreža biokemijskih reakcij. Za vsako izmed biokemijskih reakcij v celici je potreben zanjo značilen encim. Katera reakcija bo v celici potekla in kdaj, določajo posebni mehanizmi uravnavanja delovanja celice.
Celice si potrebne beljakovine izdelajo same na podlagi dednega zapisa (receptov) za izdelavo beljakovin v molekuli DNA. Pri tem kot sestavine uporabijo tudi aminokisline, ki jih pridobimo s hrano.
17
RAZISKUJ, RAZMISLI, PONOVI 1. Kateri elementi so potrebni za obstoj živih sistemov? 2. Katere lastnosti omogočajo ogljiku tvorbo različnih spojin, ki gradijo živa bitja? 3. Razloži, zakaj je voda tako pomembna za življenje. 4. Razloži pojem biokemijska reakcija in navedi vsaj dva primera.
! povzetek
Delovanje živih organizmov temelji na kemijskih in fizikalnih načelih in je odvisno od zgradbe živih organizmov. Večji del organizmov sestavlja voda, brez katere na Zemlji ni življenja. Med elementi, ki gradijo živa bitja ima osrednjo vlogo ogljik, ker ima sposobnost mnogih kombinacij s samim seboj in z drugimi elementi in tako lahko tvori številne različne organske ogljikove spojine. Organizmi poleg velikih organskih spojin (ogljikovi hidrati, maščobe, beljakovine, DNA), vsebujejo tudi manjše molekule (voda, soli). Molekule, iz katerih so celice, sodelujejo v številnih procesih v celici (prenos snovi v celico in po celici, procesi gradnje in razgradnje za rast, razvoj, in podobno). Ti procesi potekajo na osnovi množice med seboj bolj ali manj povezanih biokemijskih reakcij, ki jih usmerjajo beljakovine, imenovane encimi.
povzetek pojmov Organske snovi – snovi organskega izvora (nastale v živih organizmih), ki vsebujejo ogljik Anorganske snovi – snovi, ki niso organskega izvora (niso nastale v živih organizmih) Biogeni elementi – življenjetvorni elementi; elementi, ki gradijo živa bitja (od tod prepona bio) Kemijski elementi – snovi, sestavljene le iz ene vrste atomov, ki jih ni mogoče z nobenim kemijskim postopkom razstaviti na enostavnejše sestavine Reaktanti – reaktanti so snovi, ki reagirajo med seboj Vodikova vez – je šibka vez med vodikom in dvema elektronegativnima atomoma. Povezuje na primer dve molekuli vode med seboj, dušikove baze v molekuli DNA in podobno Transpiracija – izhlapevanje vode iz rastlin Polarna snov – snov, ki ima neenakomerno razporejene pozitivne in negativne naboje. Tako je del snovi oziroma molekule bolj pozitivno nabit, drugi del pa je negativno nabit. Zaradi oblikovanja različnih polov takšne snovi imenujemo polarne snovi