PHG 113 Celler og artenes opprinnelse. Line Rosef

Transkript

1 PHG 113 Celler og artenes opprinnelse Line Rosef

2 Livets opprinnelse Organiske molekyler ble dannet ved lyn, regn, solenergi i gasser i omgivelsene ble oppsamlet i havet Noen organiske molekyler har en tendens til å samle seg i grupper Disse gruppene dannet dråper slik som olje i vann Forstadiet til primitive celler De første primitive cellene kunne bruke disse organiske molekylene som energikilde for å tilfredsstille energibehovet 2

3 Livets opprinnelse Cellene ble mer komplekse og kunne etter hvert Vokse Reprodusere Videreføre sine egenskaper til neste generasjon (arv) I tillegg fikk man en cellulær organisasjon Disse fire egenskapene definerer alt liv på jorden 3

4 Celler Alle levende organismer består av en eller flere celler Alle kjemiske reaksjoner i levende organismer skjer i cellen Celler oppstår fra andre celler Celler inneholder arvestoff og viderefører dette 4 Foto: Kristian Peters

5 Ulike typer celler prokaryote Bakterier Stort sirkulært DNA Ingen cellekjerne Mangler organeller som kloroplaster og mitokondrier Mangler cytoskjelett 5 Tegning: Mariana Ruiz Villarreal

6 Ulike typer celler eukaryote Planteceller og dyreceller Lineært DNA DNA er omgitt av en membran Har organeller membran-omsluttede rom i cellene Har cytoskjelett 6

7 Planteceller Karakteristisk for planteceller Cellevegg Vakuole Kloroplast Plantecellen deles i Cellevegg Protoplast Cellekjerne Cytoplasma (inneholder alle organellene) 7

8 8 Organeller i plantecellen Celleveggen Cellemembran Cytoplasma Kloroplaster Vakuole Mitokondrium Cellekjerne Ribosomer Golgiapparat Det endoplasmatiske nettverk (ER)

9 9 Cellemembranen (Plasmamembranen) Den membranen som omslutter cellen og funger som yttervegg Sørger for transport inn og ut av cellen Koordinerer syntese og oppbygging av celleveggen Mottar signaler fra innsiden og utsiden av cellen Alle interne membraner i cellen har samme struktur Oppbygd av lipider Polart hode som vender utover Upolare lipidkjeder Dobbelt lag

10 Cellekjernen Lagrer den genetiske informasjonen Antall kromosomer varierer Kontrollerer aktiviteten i cellen DNA -> mrna mrna tranporteres til ribosomer i cytoplasma hvor aminosyrer settes sammen til proteiner Dobbeltmembran (kjernemembranen) Har porer i overflaten Kontinuerlig med endoplasmatisk retikulum (ER) 10

11 11 Vakuoler Omgitt av en membran (tonoplast) Mangler indre struktur Unge planteceller har flere små vakuoler Opptar 90 % av volumet i celler Inneholder cellsap (plantesaft) Vann Ioner (Ca2+, K+, Cl-og Na+) Sukker Organiske syrer aminosyrer

12 12 Kloroplaster Fotosyntese Sollys 6CO 2 + 6H 2 O -> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Fargepigmenter Reseptorer for lysenergi Klorofyll og karotenoider Sitter i thylakoidemembranen Oppbygging Dobbel ytre membran Stroma Thylakoide membran Grana (stabler av thylakoider) Rominndeling viktig for funksjonen

13 Kloroplaster 13

14 14 Mitokondrie cellens kraftstasjon Respirasjon Sukker + O 2 -> CO 2 + H 2 O + energi Omdanner energi til former som cellen kan bruke ATP Består av en indre og en ytre membran Ytre membran Indre membranen Sterkt forgreinet med stor overflate Matrix Det indre rommet i mitokondriet

15 Mitokondrie 15

16 Ribosomer Ribosomer kompliserte molekylære maskiner dekoder mrna og setter sammen kjeder av aminosyrer til proteiner 16

17 Endoplasmatisk reticulum (ER) og Golgi-apparatet Endoplasmatisk reticulum Kan være festet til kjernemembranen og golgi-apparatet Grynet ER har ribosomer og danner proteiner Glatt ER produserer fettsyrer og fosfolipider Kommunikasjon Golgi-apparatet Cellens postsentral samle og pakke substanser for videre transport i cellen og ut av cellen 17

18 Endoplasmatisk reticulum (ER) og Golgi-apparatet I lysosomet nedbrytes molekyler som cellen tar opp gjennom plasmamembranen Exocytose er den prosessen hvor stoff blir transportert ut av cellen Endoscytose er når stoff blir tatt opp i cellen 18

19 Cellevegg Støtter og beskytter cellen Gir en fast form til plantecellen Varierer i tykkelse, utforming og stivhet Funksjon innen absorpsjon, transport og sekresjon 19 Wallace, R.A., Sanders, G.P. & Ferl, R.J Biology. The science of life. Fourth Edition. HarperCollins Publisher.

20 20 Kommunikasjon mellom celler Cellene i en flercellet organisme er avhengige av hverandre Transporten ut og inn av cellen er avhengig av cellene rundt I flercellede organismer er cellene organisert i vev Grupper av spesialiserte celler med felles funksjon Disse er videre organisert i organer som har en struktur som passer funksjonen En velfungerende organsime er dannet av velfungerende vev og organer Alle deler av organismen har celler som kommuniserer med hverandre

21 21 Livets opprinnelse De første organismene var heterotrofe De var avhengig av organiske molekyler utenfra for å kunne skaffe seg energi De organiske molekylene ble etter hvert færre og konkurransen begynte Med tiden utviklet det seg celler som kunne lage sine egne energirike molekyler fra enkel uorganiske forbindelser Slike organismer kalles autotrofe De mest suksessfulle autotrofe var de som utviklet et system for å utnytte solens energi dirkete Fototrofe organismer

22 Plantenes opprinnelse 22

23 23 Era Period Epoch Cenozoic Mesozoic Paleozoic Quaternary (1.6)* Tertiary (65)* Cretaceous (145)* Jurassic (208)* Triassic (245)* Permian (290)* Carboniferous: Pennyslvanian (322)* Carboniferous: Mississippian (362)* Devonian (408)* Silurian (439)* Ordovician (510)* Cambrian (570)* Holocene (0.01)* Pleistocene (1.6)* Pliocene (5.2)* Miocene (23.2)* Oligocene (35.4)* Eocene (56.5)* Paleocene (65.0)* "Age of Reptiles" "Age of Amphibians" "Age of Fishes" "Age of Invertibrates" Plant and Animal Development Humans develop. Extinction of many large mammals and birds "Age of mammals" Many modern genera of plants evolve First flowering plants. Extinction of dinosaurs and many other species at the end of period Gymnosperms. First birds Dinosaurs dominant. Extinction of trilobites and many other marine animals. Origins of conifers, cycads and ginkgoes First reptiles Large coal swamps Large Amphibians abundant. First insect fossils. Major extinction events Fishes dominant First land plants First fishes Trilobites dominant First organisms with shells Precambrian - comprises about 88% of geologic time (4500)* Multicellular animals (700 million years ago) Origin of eukaryots (at least 1.5 billoin years ago) * = millioner år siden Origin of life (3.5 billioner år siden) Lutgens, Frederick K. and Tarbuck, Edward J., Essentials of Geology, 7th Ed., Prentice Hall, 2000.

24 24 Wallace, R.A., Sanders, G.P. & Ferl, R.J Biology. The science og life. Fourth Edition. HarperCollins Publisher.

25 Plantenes opprinnelse Oppsto for 439 millioner år siden Silurperioden i Paleozonic Den evolusjonære opprinnelsen til plantene kan bli fulgt tilbake til akvatiske grønnalger Overgangen fra vann til land førte til en del problemer I havet kunne platene ta opp de stoffene de trengte direkte fra omgivelsene Plantene brukte vannet til å spre sporer og gameter Vannet stabiliserer plantene og holder dem oppe 25

26 26 Plantenes opprinnelse Alle landlevende organismer er utsatt for uttørking En tilpasning til dette er å utvikle en kutikula Vanntett beskyttende hinne som blir dannet av epidermis (det ytterste vevet) Denne hinnen hindrer fordampning og dermed stort vanntap Pollen og sporer utvikler også en beskyttende hinne sporopollenin Hindrer uttørking ved spredning med vind Hindrer skader ved transport gjennom tarmsystemet til dyr og fugler

27 Plantenes opprinnelse Når plantene ble store trengte de nye måter å sikre seg tilstrekkelig tilgang til vann og karbondioksid til fotosyntesen Tilgangen til karbondioksid ble løst ved utvikling av stomata Porer som hindrer unødig vanntap Er åpne ved fotosynteseaktivitet og lukket ellers 27 Stomata hos tomat Foto: Peter Halasz

28 Plantenes opprinnelse Når plantene ble store trengte de nye måter å sikre seg tilstrekkelig tilgang til vann og karbondioksid til fotosyntesen Tilgangen til vann ble løst ved utviklingen av ledningsvev De fleste planter produserer to typer Xylem for transport av vann Phloem for transport av sukker og andre næringsstoffer Marg 2. Primærxylem 3. Xylem 4. Phloem 5. Bast fibre 6. Cortex (primærvev) 7. Epidermis (hudvev)

29 Plantenes opprinnelse Opptak av vann og næring krevde store tilpasninger når plantene ble store og kom opp på land Utvikling av rotsystem som kunne ta opp næring og vann fra jorden Rotsystemet forankret planten til jorden Cellene ble gjort harde og tykke med lignin for å stive av planten og lette opptaket av vann og næring 29 Foto: Bele/Rosef

30 30 Plantenes opprinnelse For å kunne konkurrere om lys ble det utviklet stengler (stammer) som kunne vokse i tykkelse sekundær vekst Plantene kunne da bli større og høyere for å føre bladene mot lyset For å kunne konkurrere om lys ble det utviklet stengler (stammer) som kunne føre de spesialiserte fotosyntetiserende organene bladene mot solen

31 31 Plantenes opprinnelse Måtte utvikle nye måter for å formere seg på land uavhengig av vann Tørkeresistente sporer Utvikling av flercellede strukturer der gametene ble beskyttet fra å tørke ut av et lag med sterile celler Gameter uten flageller uavhengig av vann Spredning ved hjelp av vind, dyr, insekter Frø der embryo er beskyttet fra uttørking og predatorer i tillegg til å ha med seg opplagsnæring i tillegg til en beskyttende frøkappe

32 32

33 Evolusjon Hvorfor er det så stor variasjon av organismer? Alle organsimer har visse fellestrekk, er dette et resultat av felles arv? Forandrer arter seg over tid? Skyldes diversiteten mellom arter forandring som har hopet seg opp innen hver art? Dette er spørsmål som har opptatt filosofer til alle tider 33

34 Evolusjon 34

35 Evolusjon - historie Platon trodde på idealene perfekte former som var stabile, variasjoner fra idealet var ikke perfekte Aristoteles utviklet en naturlig skala hvor organismer er arrangert i en økende form fra enkle til komplekse, med menneskene på toppen rett ovenfor den indiske elefanten. Begge to mente at artene var stabile og ikke kunne forandre seg hvordan kunne man overføre til avkommet noe som var forskjellig fra en selv? 35

36 Evolusjon -historie Carl von Linne (svensk botaniker) ( ) fant opp klassifikasjonssystemet for alle levende organsimer. Arter som liknet hverandre ble klassifisert sammen Mente at hver enkelt art var skapt og hadde sin originale form og kunne ikke forandres (kreasjonisme) 36 Maler: Aleksander Roslin

37 37 Evolusjon -historie Franskmannen George- Louis Leclerc De Buffon ( ) Forkastet Bibelens verdi som kildeskrift for vitenskapen I boka Naturens epoker fra 1778 hevder han at organismer kan endre seg. Miljøets direkte innflytelse skaper artene og arter som lever i samme miljø blir like Maler: François-Hubert Drouais

38 38 Evolusjon -historie Franskmannen Jean Baptiste Lamarck ( ) Mente at ikke bare en art hadde gitt opphav til en annen, men også menneskene hadde oppstått fra andre arter Han mente det var en livskraft som førte til at organismer dannet nye strukturer og organer for å møte behovene Strukturene ble overført til neste generasjon ved arv av ervervede karakteristikker En teori om utvikling gjennom perfeksjon Maler: de J. Pizzetta, Ed. Hennuyer

39 Evolusjon -historie Jean Baptiste Lamarck Eksempel på hans teori er den lange halsen til giraffen. Han mente den lange halsen hadde utviklet seg for hver generasjon, ettersom giraffene hadde strukket halsen i et forsøk på å nå de øverste grene og bladene i trærne. De hadde da overført de ervervede egenskapene for lang hals til neste generasjon 39 Foto: Luca Galuzzi -

40 40 Evolusjon -historie Engelskmannen Charles Darwin ( ) 16 år gammel begynte Charles å studere medisin i Edinburgh, men han orket ikke obduksjonene og disseksjonene, og måtte avbryte studiet. For å tross alt få seg en utdannelse som kunne gi ham arbeide begynte han i 1828 å studere teologi i Cambridge, han tok sin Bachelor's degree i Han fikk aldri noen formell undervisning i naturfag, verken på folkeskolen eller universitetet, men både i Edinburgh og Cambridge fulgte han forelesninger og leste på egen hånd. I løpet av studietiden ble han godt kjent med flere vitenskapsmenn, og han var aktiv i flere naturvitenskapelige foreninger.

41 Evolusjon -historie Charles Darwin Etter anmodning fra J.S. Henslow (professor i botanikk i Cambridge, og Charles Darwins gode venn) ble han med ekspedisjonen på HMS Beagle som skipets naturviter. Ekspedisjonen var et rent forskningstokt hvor hovedmålene var å kartlegge Sør-Amerikas kyst og få en bedre plassering av lengdegradene. 41 Maler: Owen Stanley

42 Evolusjon -historie Charles Darwin Arbeidet tok lang tid, og toktet varte fra desember 1831 til oktober

43 Evolusjon -historie Charles Darwin På grunn av de kompliserte målingene måtte skipet seile mye fram og tilbake langs kystene, og Darwin fikk derfor tid til lange og grundige innsamlingsturer på land. I løpet av reisen samlet han kasse på kasse med forskjellige planter, dyr og steiner som han sendte hjem til England. 43 Tegning: John Gould

44 Evolusjon -historie Charles Darwin Darwin var imponert og påvirket av et essay skrevet av Thomas Malthus (1798) som holdt fram at alle arter hadde en enorm reproduktiv kapasitet. Artene ville ekspanderer geometrisk om ikke antallet ble holdt i sjakk ved prosesser som drepte deler av populasjonen Darwin var også påvirket av Charles Lyell som påsto at jorden var mye eldre enn man tidligere hadde trodd. Det var viktig at jorden hadde en lang historie for at evolusjonen skal virke 44

45 Evolusjon -historie Charles Darwin Hadde god kjennskap til landbrukspraksis og avl av husdyr. Det var kjent at avkommet lignet foreldrene og de beste foreldrene avlet det beste avkommet. Det ble arrangert årlige markeder der de beste dyrene fikk ærespriser og ble valgt for videre avl kunstig seleksjon (artificial selection) Darwin lurte på om denne seleksjonen kunne fungere uten at menneskene blandet seg inn? 45 Foto: L. Rosef Foto: L. Rosef Foto: L. Rosef

46 46 Evolusjon -historie Charles Darwin I 1838 hadde han løst spørsmålet om evolusjonen. Mekanismene bak evolusjonen var naturlig seleksjon (utvelgelse). Naturlig seleksjon (natural selection) bygger på 4 punkt Det er variasjon mellom individer i de fleste naturlige populasjoner Noe av variasjonen blir arvet Populasjoner produserer mer avkom enn miljøet kan opprettholde De individene med egenskaper best tilpasset miljøet vil overleve bedre og etterlate seg mer avkom enn de individene med mindre tilpassete egenskaper

47 Evolusjon -historie Charles Darwin Skriver et manuskript i 1842 der han forklarer hele sin teori. Han regner med at teorien vil skape stor oppstandelse og manuskriptet blir ikke gitt ut fordi han ønsker å begrunne teorien sin bedre. Manuskriptet ble bare vist til en venn, botanikeren Joseph Hooker starter Darwin å skrive på sitt hovedverk som han ville kalle Natural selection 47

48 Evolusjon -historie Charles Darwin 1858 mottar Darwin et manuskript skrevet av Alfred Russel Wallace ( ). Han ber om at Darwin gir kommentarer til manuskriptet. Manuskriptet omhandler evolusjon og naturlig seleksjon. Darwins ideer har blitt oppdaget av en annen også! Darwin er bekymret for at man skal tro at hans ideer er basert på en annens. 48

49 Evolusjon -historie Charles Darwin Hooker overtaler Darwin til å sende inn manuskriptet fra 1842 sammen med et langt brev der han beskriver sine ideer, i tillegg til Wallace sin artikkel. Begge artiklene ble publisert i august Darwin hadde tydeligere bevis for teorien og hans artikkel ble derfor publisert først. 49

50 Evolusjon -historie Charles Darwin Darwin jobbet i rekordfart og publiserte den berømte On the origin of species (Artenes opprinnelse) i Førsteopplaget ble utsolgt første dag Prosessen med naturlig seleksjon ble snart kjent som survival of the fittest 50

51 Evolusjon Forandring i levende organismer over lange tidsperioder. Genetisk forandring i en populasjon av organismer som leder til forandring fra det enkle til det mer komplekse. Omfatter også kjemisk evolusjon fra atomer til biomolekyler. 51

52 52 Evolusjon Variasjon I en hver populasjon vil individene variere fra hverandre. Hvert individ har sine sett med egenskaper. Variasjonen kan finnes på et utallig sett av egenskaper og vi er bare i stand til å oppdage et lite sett av denne variasjonen Variasjonen kan være i oppførselen til dyr, utseendet, kjemisk oppbygning Naturlig seleksjon virker på den genetiske variasjonen som er knyttet til muligheten for å overleve og reprodusere I en populasjon vil derfor noen gener øke (favoriserer) mens andre vil minke

53 Evolusjon Variasjon Oppstår på to ulike måter, enten ved genetisk rekombinasjon eller mutasjon Genetisk rekombinasjon er ombytting av gener hos et individ i meiosen (kjønnscelle delingen) Mutasjon er arvelige forandringer i det genetiske materialet. Mutasjonene gir opphav til ny variasjon innenfor populasjonen 53

54 Evolusjon Opprettholdelse av variasjonen Suksessrike populasjoner bør ha en viss variasjon slik at de kan møte naturlig seleksjon Det er flere mekanismer som hjelper til med å opprettholde variasjonen En viktig faktor er at recessive gener opprettholdes i populasjonen fordi allelene kan bli videreført i heterozygote individer uten å uttrykke egenskapen 54

55 55 Naturlig seleksjon Gjør hver populasjon mer tilpasset lokale forhold Vil trolig øke forskjellen mellom populasjoner Muligheten for gene flow (bevegelse av gener ut og inn av en populasjon) mellom naturlige populasjoner minker med økende avstand For insektpollinerte planter kan en avstand på 300 m være nok til å isolere to populasjoner (bare 1 prosent av pollenet vil komme så langt borte fra) Linjeelement Fragmentering For vindpollinerte planter er vil det meste av pollenet ikke bli transportert mer enn 50 m av gårde Avhengig av høyde Barrierer

56 56 The Peppered Moth (Biston betularia) - et mye brukt eksempel på naturlig seleksjon i en naturlig populasjon

57 Responser på seleksjon Når en egenskap blir favorisert vil det akkumuleres gener som favoriserer dette og eliminere gener som virker motsatt Det er viktig å huske på at fenotypen er avhengig både av genotypen og av miljøet! Resultatet av naturlig seleksjon er tilpasninger (adaption) 57

58 Øvelse Peppered Moth Simulation naturlig seleksjon Mål: Se hvor viktig farge er for å unngå å bli spist. Se hvordan forandring i miljøfaktorer fører til forandring i organsimen. Forklar hvordan naturlig seleksjon i en populasjon foregår Materiale: Ark med hvitt papir, avis, klokke med sekundviser, 30 sirkler av avispapir og 30 sirkler av hvitt papir Gjennomføring: 1.Plasser det hvite arket på bordet og la en person spre de 30 hvite- og 30 avispapirsirklene på arket mens den andre personen ikke ser 2. Rovdyret vil plukke opp så mange sirkler den kan på 15 sekunder 3. Gjenta 4 ganger Runde Bakgrunn Startpopulasjon avispapir Startpopulasjon hvitt papir Antall avispapir plukket opp Antall hvite plukket opp 1 Hvit Hvit Avispapir Avispapir 30 30

59 Øvelse Peppered Moth Simulation naturlig seleksjon 1. Hva viste eksperimentet om hvordan byttedyr blir valgt av rovdyr? 2. Hvilke farge har møll som er best tilpasset mørk bakgrunn (avispapir)? Hvordan vet du det? 3. Hvordan forventer du at neste generasjon med møll blir seende ut etter første runde? Hva med generasjonen etter runde 3? 4. Hvordan simulerer denne øvelsen naturlig seleksjon? 59