A biológiai szerveződés minden szintjén új tulajdonságok jelennek meg. Az életet nagyon sok szerveződési szinten tanulmányozhatjuk Az egyes szerveződési szintek tanulmányozásával a biológia más más tudományága foglalkozik (sejtbiológia, genetika, ökológia stb.)
Bioszféra Az élővilág szerveződése Biomok Társulások Populációk Előlények/egyedek
A bioszféra a Föld kőzetburkának (litoszféra), vízburkának (hidroszféra), levegőburkának (atmoszféra) azon része, ahol van élet és biológiai folyamatok mennek végbe. A teljes bioszféra: hamis színes mozaikfelvétel a planktonkoncentrációt jelző CZCS képekből és a szárazföldi vegetációra vonatkozó AVHRR adatokból.
Bioszféra Az élővilág szerveződése Biomok Társulások Populációk Előlények/egyedek
A biom vagy bioformáció klimatikusan és földrajzilag meghatározott, ökológiai szempontból hasonló jellegű életközösségek együttese. (pl.: mérsékelt övi lombhullató erdő) Biomok elhelyezkedése és területaránya a Földön (mozaweb.hu).
A társulás (biocönózis) meghatározott területen élő, különböző fajokhoz tartozó élőlények populációinak közössége. (pl.: lejtős sztyepprét, láprét stb.) A populációt egy adott faj azon egyedei alkotják, amelyek térben és időben együtt élnek. Ezeket a szerveződési szinteket egyed feletti vagy szupraindividuális szerveződési szinteknek nevezzük.
Egyed alatti szerveződési szintek Szervek és szervrendszerek 10 µm Sejtek Sejt Sejtszervecskék Szövetek 50 µm A szövet egy adott funkció elvégzésére specializálódott (többnyire azonos eredetű) sejtek és a sejtek közötti terekben található sejtközötti állomány együttese. 1 µm Molekulák Atomok
Megjelenő tulajdonságok A megjelenő tulajdonság a vizsgált rendszer elemeinek elrendezéséből és kölcsönhatásából származik. (pl. kloroplasztisz molekulái) A megjelenő tulajdonság nem-biológiai entitásokat is jellemezhet: Például, működő repülő csak az alkatrészek egy megfelelő összeállításából alakul ki.
A redukcionizmus lehetőségei és határai A redukcionizmus egy filozófiai, módszertani irányzat (Descartes), mely a komplex rendszert egyszerűbb elemekre bontja, hogy azok könnyebben tanulmányozhatóak legyenek például, a DNS molekuláris struktúrájából következtettek annak öröklődésben betöltött funkciójára (Watson&Crick) A biológiai folyamatok megértése a redukcionizmust a megjelenő tulajdonságok tanulmányozásával együtt mérlegeli például, új folyamatok felismerése a DNS más molekulákkal való kölcsönhatásának vizsgálatából származott
Rendszerbiológia (Systems Biology) A rendszer a konponenseknek egy együttműködő kombinációja A rendszerbiológiai a teljes biológiai rendszerek dinamikus viselkedéséről készít modelleket (holisztikus szemlélet): Hogyan hatnak egymásra az egyes anyagcsere hálózatok? Hogyan jelezheti előre a proteom megváltozása egy betegség kialakulását?
A tudósok két fő formáját használják a tudományos vizsgálatoknak Leíró-felfedező tudomány Hipotéziseken alapuló tudomány
Leíró-felfedező tudomány A felfedező tudomány leírja a természetes struktúrákat és folyamatokat Ez a megközelítés a megfigyeléseken és az adatok elemzésén alapul
Az adatok típusai Az adatok lehetnek rögzített megfigyelések vagy információs elemek Az adatokat két nagy kategóriába oszthatjuk Kvalitatív vagy leíró adatok, melyek minőségi mutatókkal rendelkeznek Kvantitatív vagy mennyiségi, mért adatok, melyek számszerű kiértékeléseket tesznek lehetővé (pl. statisztika)
Következtetések a leíró tudományban A következtető okfejtés a konklúziót a következtetés logikai folyamatán keresztül éri el A megfigyelések ismétlése fontos általánosításokra vezethet például, az organizmusok sejtekből épülnek fel
Hipotézisen alapú tudomány A megfigyelések oda vezetnek, hogy a tudományosan megfogalmazott kérdéseinkre hipotetikus válaszokat adjunk, vagyis hipotéziseket (igazolandó tudományos felvetéseket) hozunk létre.
A hipotézis szerepe a tudományos vizsgálatokban A hipotézis egy kísérleti válasz egy jól meghatározott kérdésre A tudományos hipotézis predikciókra (előrejelzésekre) vezet, melyeket kísérletekkel, vagy megfigyelésekkel kell ellenőrizni.
például, Megfigyelés: nem ég az elemlámpa Kérdés: Miért nem működik? Megfigyelés Kérdés Hipotézis 1: kimerült az elem Hipotézis 2: kiégett az izzó Mindkét hipotézis tesztelhető: Hipotézis#1: Kimerült elem Jóslat: Elemcsere megoldja a gondot Hipotézis#2: Kiégett izzó Jóslat: Izzócsere megodja a gondot Jóslat ellenőrzése Jóslat ellenőrzése Hipotézis cáfolva Hipotézis megerősítve
Levezetés: A hipotézisen alapú tudomány Ha Akkor logikája Levezető (deduktív) okfejtés általános feltevéseket használ fel, hogy előrejelzéseket tegyen például, ha az előlények sejtekből állnak (feltevés1), és az emberek élőlények (feltevés2), akkor az emberek sejtekből állnak (deductive előrejelzés)
Hipotézisek a tudományos vizsgálatokban A hipotézisnek tesztelhetőnek és cáfolhatónak kell lennie A hipotéziseken alapuló tudomány több alternatív hipotézist is felvet A hipotézis cáfolásának hibája nem bizonyítja a hipotézist például, ha kicserélem a lámpaizzót, és a lámpa nem működik; az támogatja azt a hipotézist, hogy az izzó égett ki, de nem bizonyítja azt (például csak elmozdult az eredeti izzó)
Ellenőrzött kísérletek kialakítása Az ellenőrzött (kontrollált) kísérlet során egy kísérleti csoportot (pl. hatóanyagot tartalmazó gyógyszer) hasonlítunk össze egy kontroll csoporttal (pl, placebo) Ideális esetben, csak egy vizsgált változó (hatóanyag jelenléte vagy hiánya) különbözik a kontroll csoport és a kísérleti csoport között Az ellenőrzött kísérlet azt jelenti, hogy a kontroll csoport felhasználásával a nem-várt változók hatásait kizárjuk Ugyanakkor a kontrollált kísérlet nem jelenti azt, hogy minden nem-várt változói hatást állandónak tarthatunk.
Teóriák a tudományban Tudományos értelemben, a teória: Szélesebb körű, mint a hipotézis Általános, és új tesztelhető hipotézisekre vezethet Nagy számú bizonyíték támasztja alá Pl.: az élő strukturák funkcionális és strukturális alapegysége a sejt
Az élethez szükséges elemek 92 elemből kb. 25 szükséges az élethez szén, hidrogén, oxigén és nitrogén alkotja az elő anyag 96%-t A fennmaradó 4% legnagyobb része pedig kálciumból, foszforból, káliumból és kénből áll Nyomelemekre (pl, Zn, Mn, Cu stb.) is szükségesek az előlények számára, csak igen kis mennyiségben
(a) Nitrogén hiány (b) Jód hiány (golyva)
A molekulák képződése és funkciója függ az atomok között kialakuló kémiai kötésektől A nem teljes vegyértékhéjjal rendelkező atomok meg tudják osztani vagy át tudják adni vegyértékelektronjukat egy másik atomnak Ezek a kölcsönhatások gyakran azt eredményezik, hogy az atomok együtt maradnak, kémiai kötés jön létre.
Kovalens kötés A kovalens kötés a vegyérték elektron pár megosztását jelenti a két atom között A kölönböző atomokból vegyületek alakulnak ki
Az elektronnegativitás az atom olyan képessége, hogy a kötésben szereplő elektront mennyire képes magához vonzani Az apoláros kovalens kötésben, az atomok az elektronokon egyenlően osztoznak A poláros kovalens kötésben, a nagyobb elektronnegativitású atom birtokolja inkább a kötési elektronokat Az elektronok egyenlőtlen megosztása a molekulában részlegesen pozitív és negatív töltésű részeket hoz létre.
δ O H H δ+ δ+ H 2 O
Ionos kötés Az atomok néha lehántják az elektronokat a kötő partnerről Az elektron transzfert követően mindkét atom töltéssel rendelkezik A töltéssel rendelkező atom vagy molekula neve: ion
Na Cl Na Nátrium atom Cl Klór atom
Na Cl Na Cl Na Nátrium atom Cl Na + Klór atom Nátrium ion (kation) Cl Klorid ion (anion) Nátriumklorid (NaCl)
Na + Cl
Másodlagos kötések - Hidrogén kötés Hidrogén kötés akkor alakul ki, ha egy elektronnegatív atomhoz kovalensen kötött hidrogént egy másik elektron negatív atom is vonzani kezd. Az élő sejtben az elektronnegatív partnerek általában oxigén vagy nitrogén atomok.
δ - δ+ Víz (H 2 O) δ+ δ - Hidrogén kötés Ammónia (NH 3 ) δ+ δ+ δ+
Van der Waals kölcsönhatás Ha az elektronok aszimmetrikusan oszlanak meg a molekulában pozitívan vagy negatívan töktött forró pontokat alakíthatnak ki Van der Waals kölcsönhatások olyan molekulák közötti vonzások, melyek elég közel vannak egymáshoz, hogy a fenti hatások érvényesüljenek