AZ ÉLET TUDOMÁNYA A biológia az élettel, az élõ szervezetekkel, valamint az élõ szervezetek és környezetük közötti kapcsolat törvényszerûségeivel foglalkozó tudomány. Az elnevezés a görög biosz (élet) és a logosz (tudomány) szavak összevonásával keletkezett. Megszületésérõl alig két évszázada beszélhetünk csupán. Azóta, mióta tudjuk, hogy az élõlények alapvetõen egységes felépítésûek és a különbözõ megjelenésû és fejlettségû csoportjaik közös származási kapcsolatban állnak egymással. A biológia az élet kialakulását, fejlõdésének történetét, a korábban élt, de napjainkra már kihalt, valamint a mai élõlények felépítését és szervezetük mûködését vizsgálja. Kutatja élõhelyüket, elterjedésük okait és nemzedékrõl nemzedékre való fennmaradásuk magyarázatát. Az élõlényeket az élettelen anyagoktól az életjelenségek különböztetik meg. Az életjelenségeket az önfenntartó (vegetatív), valamint a fajfenntartó (generatív) életjelenségek csoportjaira osztjuk. Az önfenntartó életjelenségek egyike az anyagcsere. Ez azt jelenti, hogy az élõlények a környezetükbõl különbözõ anyagokat vesznek fel, és oda különbözõ anyagokat adnak le, miközben a testüket felépítõ vegyületek folyamatosan megújulnak. Vagyis az élõlények táplálkoznak, lélegeznek, a felvett anyagokat feldolgozzák, valamint feleslegessé váló anyagcseretermékeiket kiválasztják és leadják. Egy másik életjelenség a hely- és helyzetváltoztatás képessége, a mozgás. Az élõlényekre az ingerlékenység is jellemzõ, ugyanis ha a környezetük megváltozik, arra valamilyen formában reagálnak. A válaszreakció lehet például mozgás (az éticsiga árnyas helyre mászik, ha rásüt a nap). Lehet más változás is (egy napozó ember a felmelegedésre hûtõ hatású verejtékezéssel válaszol). Az élõlények nagyfokú belsõ szervezettsége teszi lehetõvé, hogy a külsõ körülmények változásai ellenére viszonylag állandó belsõ körülményeket tudjanak biztosítani önmaguk számára. Az önfenntartó mûködések következtében az élõlények növekednek és fejlõdnek. A növekedés mennyiségi változás. Alapja a sejtek számának gyarapodása, vagy a már meglévõ sejtek megnyúlása. A fejlõdés mi- 7.1. A táplálkozás folyamata az önfenntartást szolgálja 7.2. Az élõlények mozgása ugyancsak az életjelenségek közé tartozik 7
nõségi változásokkal is jár. Lényege a differenciálódás, amelynek során az élõlényben új felépítésû és mûködésû részletek alakulnak ki. Egy-egy élõlény élete ugyan véges, ennek ellenére az élõlények nem tûnnek el nyomtalanul, mert szaporodni képesek. A szaporodás során önmagukhoz hasonló utódokat hoznak létre, és ez biztosítja az élet folytonosságát. 8.1. Melyik életjelenségek közé tartozik az ivadékgondozás? Az élet definiálásával, az életkritériumok meghatározásával sokat foglalkozott Gánti Tibor magyar kémikus is. Õ az élet kialakulását kutatta. Közben szükségesnek látta meghatározni azt, hogy az evolúció korai szakaszában mit tekinthetünk már élõ szervezetnek. Úgy találta, hogy vannak olyan életjelenségek, amelyek kivétel nélkül minden élõlényben, életének minden idõpontjában jellemzõek. Ezek az abszolút életkritériumok. Vannak olyan életjelenségek is azonban, amelyek nem szükségesek az egyed élõ állapotához, de az élõvilág fennmaradása szempontjából nélkülözhetetlenek. Ezek a potenciális életkritériumok. Az abszolút életkritériumok: Egységes rendszer Anyagcsere Stabilitás Információhordozó alegység Vezéreltség, szabályozottság A potenciális életkritériumok: Növekedés-szaporodás Öröklõdõ változás képessége Halandóság Gánti Tibornak az élet keletkezésével és az élõ rendszerekkel kapcsolatos gondolatai Az élet princípiuma és Az élet általános elmélete címû könyvekbõl ismerhetõk meg részletesebben. Más megközelítésben az élõ rendszereket úgynevezett életkritériumokkal jellemezhetjük. Azt a szervezetet nevezzük élõnek, amelyik rendelkezik az összes életkritériummal. Vagyis az életkritériumokat úgy kell megválasztani, hogy azoknak minden élõ megfeleljen, de kizárólag az élõk feleljenek meg nekik. Az élõlények rendelkeznek egy olyan életprogrammal (örökítõanyaggal), amely a felépítésükre és a mûködésükre vonatkozó információkat tárolja. Rendelkeznek egy olyan rendszerrel is, amely az életprogramban rejlõ adatokat értelmezi és megvalósítja. Gondoskodik az utasítások megõrzésérõl, sokszorosításáról, valamint az utódokba történõ átadásáról. Az élet egy további kritériuma a biológiai anyagcsere megléte, amely által az élõlény fedezni tudja saját anyag- és energiaszükségletét, ebbõl saját testének állandó fel- és leépítését. A folytonos átépülés közben az anyagcsere-folyamatok összekapcsolódó láncszemei dinamikus belsõ állandóságot biztosítanak az élõlény számára. Képessé teszik arra is, hogy az egyensúly megváltoztatására irányuló külsõ hatásokra az egyensúlyt védelmezõ válaszokat adjon, azaz ingerlékeny legyen. Az egyedi élet megvalósulása és a szaporodás még nem elegendõ az élõvilág sokszínû kibontakozásához. Ehhez az is szükséges, hogy az örökítõanyag változni tudjon. Hozzon létre egy olyan sokféleséget, amely lehetõvé teszi, hogy a változatok közül azok szaporodjanak el, amelyek legjobban alkalmazkodnak a környe zet feltételeihez. Azaz az élõ anyag evolúcióképes legyen. Kérdések, feladatok Milyen életjelenségeket ismersz? (7.2.) Mi a különbség az önfenntartó és a fajfenntartó életjelenségek között? 8
A VÍRUSOK A VÍRUSOK A vírusok általában 20 és 150 nm közötti, csak elektronmikroszkóppal látható szervezetek. Általánosságban külsõ fehérjeburokból és az abban elhelyezkedõ örökítõanyag ból épülnek fel. A külsõ fehérjeburok alakja és szerkezete igen változatos lehet. A vírusok nagyon speciális, az élõ és élettelen világ határán egyensúlyozó szervezetek. Önmagukban nem mutatnak életjelenségeket és az ásványi anyagokhoz hasonlóan kristályos állapotuk is lehet. De ha az önálló mozgásra képtelen nyugvó vírus (az ún. virion) egy számá ra kedvezõ környezetet biztosító sejt felületére kerül, akkor átalakul vegetatív vírussá és bekövetkezik a vírusfertõzés. A fertõzés elsõ lépéseként a vírus fehérjeburka megtapad a sejt (az ún. gazdasejt) felületén, örökítõanyaga pedig behatol a sejtbe. Ezután drámai változás következik be. A vírus örökítõanyaga átprogramozza a sejtet. Arra kényszeríti, hogy lényegében a sejt a saját anyagainak termelése helyett a vírus örökítõanyagát sokszorozza meg és nagy számban termelje a vírusfehérjéket. Ezekbõl azután sok új virion képzõdik, amelyek a gazdasejtbõl kiszabadulnak és a fertõzés robbanásszerûen továbbterjedhet. Számos olyan vírust ismerünk, amelyeknél a gazdasejt belepusztul az idegen érdekek szolgálatába. A vírusok felfedezése A vírusokat kórokozó hatásuk révén fedezte fel Ivanovszkij (1864 1920) orosz biológus. A dohány mozaikbetegségét vizsgálva megállapította, hogy a beteg növények kipréselt nedvében a baktériumoknál is kisebb méretû kórokozó található. Kísérleteiben a beteg növények nedvét olyan szûrõn szûrte át, amely a baktériumokat visszatartotta, az átszûrt nedv mégis megbetegítette az egészséges növényeket. Ezt az addig ismeretlen kórokozót nevezték el vírusnak (vírus = méreg). A vírusok szerkezetének megfigyelésére csak a 20. század derekától az elektronmikroszkóp felfedezését követõen nyílt lehetõség. örökítõanyag A vírus megtapad a baktérium felületén Kiszabadulnak a továbbfertõzésre kész vírusok 1. A vírus örökítõanyaga bejut a baktériumsejtbe fehérjeburok 5. 2. örökítõanyag 4. 3. fehérjeburok A baktériumsejtben elkészülnek a vírus burkát adó fehérjék Az átprogramozott baktériumsejt megsokszorozza a vírus örökítõanyagát Dohánymozaikvírus és bakteriofág elektronmikroszkópos képe és felépítése 9.1. A vírusfertõzés folyamata 9.2. A vírusok szerkezete 9
A vírusok eredete A vírusok eredetét mindmáig nem sikerült egyértelmûen megfejteni. Mai tudásunk szerint a legvalószínûbb, hogy a vírusok az evolúció során egyes sejtekbõl kiszakadt és önállósult örökítõanyagból és fehérjébõl álló komplexumok. Vagyis nem a vírusokból fejlõdtek ki a bonyolultabb sejtek, nem a vírusokból indult el az evolúció. Úgy tûnik, hamarabb voltak sejtek, mint vírusok. 10.1. A fertõzõ májgyulladás vírusa 10.2. Az influenzavírusok megtapadnak a gazdasejt felületén A vírusoktól, a vírusbetegségektõl szinte az egész élõvilág szenved. A bakteriofágok (baktériumfaló vírusok) a baktériumokat pusztítják, és a növényeket is számos vírus veszélyezteti. Az állatok vírusbetegségei közül súlyos járványt okoz a szarvasmarhák száj- és köröm fájása, a rókák és a kutyák körében pusztító veszettség, amely az emberre is halálos veszéllyel jár. Emberközös ségekben gyakori az influenza, bárányhimlõ, szamár köhögés, fertõzõ májgyulladás, fertõzõ gyermekbénulás vírusának fel-felbukkanása. Ma az egyik legrettegettebb vírusbetegség az AIDS, melyet a HIV-vírusok okoznak. A fertõzéstõl a betegség tüneteinek megjelenéséig vírusonként nagyon különbözõ lappangási idõ telhet el. A megfertõzött sejtekben a vírus örökítõanyaga sokáig megbújva maradhat, s esetleg csak hónapok vagy évek múlva gyorsul fel a folyamat. Ez jellemzõ a HIV-vírusokra is. Más esetben, mint pl. az influenzánál, a fertõzést gyorsan követi a betegség teljes kifejlõdése. Az egészséges ember szervezete sok vírusbetegséggel meg tud birkózni. Az enyhébb vírusbetegségek leküzdéséhez sokszor elegendõ a szervezetünk védekezõ mechanizmusa. Számos súlyos vírusbetegség (pl. veszettség, fertõzõ májgyulladás) esetében az orvostudomány fejlõdése lehetõvé tette, hogy védõoltásokkal megelõzzük a betegség kifejlõdését. Más esetben, mint a rettegett fekete himlõ elleni küzdelem során, sikerült megszakítani a fertõzési láncot, végleg sarokba szorítani a vírust. Ezt a láthatatlan, parányi ellenséget csak tudatosan, egészséges életmóddal van esélyünk kiszorítani életünkbõl. Például az AIDS-fertõzés kockázatát hordozza a kicsapongó, felelõtlen nemi élet, de sokan fertõzõdnek meg HIV-vírussal a kábítószerek áldozatai közül is, az egymásnak továbbadott fertõzött injekciós tû használata miatt. A kullanccsal terjedõ agyvelõgyulladás kockázatát megfelelõ öltözködéssel, kellõ figyelemmel lehet csökkenteni, az elõzetes védõoltások pedig néhány évi védett séget nyújtanak bizonyos kórokozókkal szemben. 10.3. Herpeszvírusok Kérdések, feladatok Milyen anyagokból épülnek fel a vírusok? (9.2.) Hogyan zajlik le a vírusfertõzés? (9.1.) Sorolj fel néhány vírusok okozta betegséget! (10.1 3.) 10
VÍRUSBETEGSÉGEK VÍRUSBETEGSÉGEK (Olvasmány) 11.1. HIV-vírus A leggyakoribb vírusos megbetegedés a nátha, amelynek a vírusai cseppfertõzéssel terjednek, a lappangási ideje mindössze 1-2 nap és a legfontosabb tünete a légutak begyulladása. Az influenza is cseppfertõzéssel terjedõ, járványos fertõzõ betegség, amely szintén fõképpen a légutak nyálkahártyáján okoz gyulladást. A betegség hirtelen hidegrázással, borzongással, lázzal, elesettséggel, étvágytalansággal, végtagfájdalmakkal kezdõdik. A felsõ légúti tünetek közül gyakran csak a köhögés észlelhetõ. Általában egy hét alatt gyógyul, szövõdményei viszont gyakran jelentkeznek. Ezeket a szövõdményeket nem az influenzavírus, hanem baktérium-társfertõzés okozza. A bárányhimlõ viszonylag ártatlan gyermekbetegség, amelynek a vírusa 14 21 napos lappangási idõvel fertõz és hólyagos kiütéseket okoz. Cseppfertõzéssel és a hólyagok váladékával terjed. A felnõttkori fertõzés életveszélyes is lehet. A fekete himlõ súlyos, életveszélyes kiütéses megbetegedés volt. A 20. század végére sikerült teljesen felszámolni. A járványos gyermekbénulás vírusa az idegrendszert támadja meg; a gerincvelõ vagy az agyvelõ károsodása miatt bénulások alakulhatnak ki. A Sabin-cseppek bevezetése óta mindenütt visszaszorult. A vírusos májgyulladás cseppfertõzéssel, széklettel terjed. Sárgaságot, súlyos esetben heveny májzsugorodást vagy májrákot okozhat. Védõoltással megelõzhetõ. A veszettség vírusa beteg állatok, fõképpen kutya, macska, róka vagy erdei apróvadak ha rapásával, illetve váladékaival terjed. A lappangási idõ elején beadott oltással a betegség kialakulása megelõzhetõ. Az AIDS betûszó az angol acquired immune deficiency kifejezés rövidítése, magyarul szerzett immunhiányos állapotot jelent. Fõképpen nemi úton terjedõ, vírusos betegség. Vírusa (human immune deficiency virus, HIV) a szervezet belsõ védekezési rendszerét támadja meg, és fokozatosan terjedve a belsõ védekezés teljes összeomlását okozza. A fertõzéstõl a betegség kialakulásáig több év telhet el. A még nem beteg, de a vírusokat már hordozó egyén is fertõz. A HIV-vírus csak testnedvek útján fertõz és a vírusnak a vérbe kell bejutnia. Ez jelentõsen behatárolja a fertõzõdés lehetõségeit. A fertõzött személy a vírust testfolyadékaiban (vér, ondó, hüvelyváladék, nyál, verejték, könny) hordozza. Ezekbõl fõképpen az elsõ három tartalmaz olyan sok vírust, ami fertõzést okozhat. E sajátos fertõzési út miatt tekinthetõ az AIDS elsõsorban nemi úton terjedõ betegségnek, ezért jelent nagy veszélyt a szexuális partnerek felelõtlen váltogatása. Az AIDS megelõzését a stabil, megbízható monogám partnerkapcsolat szolgálja a legjobban, amelyben a partnerek tökéletesen megbízhatnak egymás hûségében. Megbízható partnerkapcsolat híján a gumi óvszer használata és a túlzások elkerülése ajánlott. De a HIV-vírus nem csak nemi úton fertõz. Az AIDS-es nõ magzata már az anyaméhben megfertõzõdik, mert a vírus átjut a méhlepényen a magzatba. A kábítószeresek is viszonylag nagyobb gyakorisággal fertõzõdnek meg AIDS-szel. Bizonyos kábítószereket, elsõ sorban a heroint intravénás injekcióval juttatják a szervezetbe. Gyakran többen ugyanazt a fecskendõt használják, amely az AIDS-es személy vérével mindazokra átviszi a fertõzést, akik utána használták. 11
Az élõvilág megismerése kezdetben elsõsorban a gyakorlati vonatkozású növényekre és állatokra korlátozódott. Az elsõ rendszerezõ Arisztotelész volt. Õ a növényeket hajtásrendszerük alapján fákra, cserjékre és lágyszárúakra osztotta. Ez a felosztás hosszú ideig érvényben volt, és az életformák csoportosításában a mai napig fennmaradt. Arisztotelész az állatok csoportosítására is kísérletet tett, és mintegy félezer állatot ismertetett. Két nagy csoportra, vörös vérûekre és nem vörös vérûekre osztotta õket. A nem vörös vérûek között testszervezõdésük bonyolultsága alapján szivacsokat, csalánozókat, puhatestûeket, ro va rokat, rákokat és polipokat különböztetett meg. A vörös vérûeket a halak, a madarak és az emlõsök ké pezték. 12.1. Arisztotelész (i. e. 384 322) AZ ÉLÕVILÁG ÁTTEKINTÉSE A faj fogalma A rendszerezés ma is használatos alapjait Karl Linné svéd természettudós rakta le. Elsõ fontos mûve, a Systema Naturae (A természet rendszere), 1735-ben jelent meg. Ebben bevezette a faj fogalmát, valamint megalkotta a lényegében ma is használatos rendszertani kategóriák többségét. A faj mind a mai napig a rendszerezés alapegységének tekinthetõ. Hagyományos megfogalmazás szerint egy fajba tartoznak azok az élõlények, amelyek lényeges külsõ tulajdonságaikban és belsõ felépítésükben megegyeznek, és egymás között párosodva termékeny utódok létrehozására képesek. Késõbb megjelent munkájában Linné kifejtette a ma ugyancsak használatos kettõs nevezéktanra vonatkozó elképzeléseit is. Az addig leírt valamennyi állat- és növényfaj kettõs elnevezését is megadta. Eszerint minden fajnak a tudományos latin neve két részbõl áll. A második név a fajnév, ezt mindig kisbetûvel írjuk. Az elsõ név a legközelebbi rokonsági körnek, a nemzetségnek a neve, ezt mindig nagybetûvel kell írnunk. Például Linnénél a farkas latin neve Canis lupus. Linné a rokon fajokat nemzetségekbe sorolta. A nemzetségeket magasabb rendszertani kategóriákba, családokba. A családokat rendekbe, a rendeket osztályokba, az osztályokat törzsekbe rendezte. Végül a törzsek az élõvilág valamelyik országába kerültek. Ebben a hierarchikus rendszerben valamennyi magasabb kategória magába foglalja az alatta lévõ egyre kisebb rendszertani egységeket. Felfelé haladva mind több fajt tartalmaznak, ám azok egyre kevesebb közös tulajdonsággal rendelkeznek. Az élõlények rendszerezése 12.2. Karl Linné (1707 1778) Linné a növényeket a porzók, valamint a bibék száma szerint csoportosította. Rendszere könnyen áttekinthetõ, logikus volt. Egy csoportba kerültek azonban olyan növények is, amelyek a porzók számát tekintve megegyeztek, egyéb hasonlóság azonban nem volt közöttük. Rendszere ezért mesterséges rendszer volt. A késõbb létrehozott természetes rendszerek nem egyetlen kiragadott sajátosság, hanem a tulajdonságok összessége 12