Arkistot kuukauden mukaan: huhtikuu 2018

BIO-004: Ruuansulatus

|

Kyseinen opetusmateriaali on suunnattu lukioon tuleville opiskelijoille kertaukseksi. Aiheena ruuansulatus ja ruuansulatusentsyymit.

RUOANSULATUS

Tarvitsemme elääksemme energiaa. Sitä saamme ruuasta. Tärkeää on syödä terveellistä ruokaa, koska ruoan kautta voi imeytyä myös paljon ihmiselle haitallisia aineita. Ihminen saa monipuolisesta ruoasta tarvitsemansa ravintoaineet eli hiilihydraatit, proteiinit, rasvat, vitamiinit ja kivennäisaineet. Näistä pilkkoutumatta imeytyvät vitamiinit ja kivennäisaineet. Ihminen tarvitsee myös vettä. 

KERTAAVA TEHTÄVÄ: Yhdistä viivalla oikein

Yhdistä kuvaan seuraavat ruuansulatusjärjestelmän osat: maha, ohutsuoli, nielu, peräsuoli, paksusuoli, suu, ruokatorvi. Lähde: Olek Remesz, Creative Commons.

Ruoka kulkee elimistössä ruoansulatuskanavaa pitkin. Aikuisen ruuansulatuskanava on kokonaisuudessaan noin 5 metriä pitkä. Ruoansulatuskanavassa ruokaa muokataan sellaiseen muotoon, että ravintoaineet pääsevät imeytymään verenkiertoon.

SUUSSA ruoka pilkotaan pienemmiksi paloiksi hampaiden avulla. Samalla ruokaan sekoittuu sylkeä. Sylki helpottaa nielemistä. Syljen mukana ruokaan sekoittuu myös entsyymejä. Entsyymit aloittavat hiilihydraattien pilkkomisen. Ruuan pureskelu tehokkaasti helpottaa ruoansulatuksen seuraavia vaiheita. Suusta ruoka siirretään tahdonalaisesti NIELUUN. Nielusta ruoka siirtyy nielemisrefleksin avulla RUOKATORVEEN. Ruokatorvessa ruoka kulkee kohti mahaa lihassupistusten ja painovoiman avulla.

Kuvassa suu, nielu ja ruokatorvi Lähde: CC0 Creative Commons

MAHASSA varsinainen ruoansulatus käynnistyy. Mahalaukunmahanesteessä on suolahappoa, limaa ja pepsiiniä.Maha  Mahaneste on hapanta ja siksi mahan pH on alhainen.Hiilihydraattipitoinen ruoka poistuu mahasta nopeasti,proteeinipitoinen hieman hitaammin ja rasvainen ruoka hitaimmin. Tyhjenemiseen menee kokonaisuudessaan noin neljä tuntia. Mahalaukusta ruoka siirtyy ohutsuoleen.

Maha (punainen elin, nro 3) Lähde: Jmarchn, Wikimedia Commons

OHUTSUOLESSA tapahtuu pääosa ruokamassan
pilkkomisesta. Toisin kuin mahassa, ohutsuolen pH on
lähes neutraali. Ohutsuolessa rasvat pilkkoutuvat
rasvahapoiksi ja proteiinit aminohapoiksi. Hiilihydraatit
jatkavat pilkkoutumista monosakkarideiksi. Ravintoaineiden pilkkomisen saavat aikaan entsyymit sekä sappineste. Pilkkominen hajottaa ravintoaineet sellaiseen muotoon, että ne voivat imeytyä elimistöön. Ohutsuolen pinta-ala on suuri. Tämä tehostaa ravintoaineiden imeytymistä.

Ohutsuoli (keltainen) Paksusuoli (punertava) Peräsuoli (paksusuolen loppuosa) Lähde: www.MedicalGraphics.de CC BY-ND 4.0

PAKSUSUOLESSA ravintoaineita imeytyy enää hyvin vähän. Ruokamassan sisältämä vesi ja natriumkloridi sen sijaan imeytyvät. Jäljellä oleva, imeytymätön ruokamassa kiinteytyy ulosteeksi. Tämä poistuu elimistöstä PERÄSUOLEN kautta. Imeytymättömän ruokamassan lisäksi uloste sisältää bakteereja ja ruoansulatuskanavan kuolleita soluja.

TIIVISTELMÄ: RUOANSULATUSKANAVA

Suussa hampaat hienontavat ruoan, sylki auttaa nielemisessä. Nielun kautta ruoka siirtyy ruokatorveen. Mahassa alkaa varsinainen ruoansulatus. Ohutsuolessa pilkkominen jatkuu ja ruoka imeytyy. Paksusuolessa imeytymätön ruoka kiinteytyy ulosteeksi. Ulosten poistuu peräsuolen kautta. Lähde: Public domain

TEHTÄVIÄ

1 Mitä ravintoaineita ihminen tarvitsee?
2 Mitä ruoalle tapahtuu suussa?
3 Mahaneste on hapanta. Sen takia mahan pH on _______________________. Ohutsuolen pH on ____________________________.
4 Miksi ruoka pilkotaan ruoansulatuselimistössä pieniin osiin?

RUUANSULATUSENTSYYMIT

Entsyymit ovat proteiineja, jotka toimivat biologisina katalyytteinä, eli nopeuttavat kemiallisia reaktioita. Entsyymit ovat hyvin spesifisiä ja katalysoivat vain tiettyjä reaktioita. Ihmisessä tapahtuu jatkuvasti useita kemiallisia reaktioita, joita varten tarvitaan useita eri entsyymejä. Elimistö voi entsyymien tuottoa säätelemällä vaikuttaa tapahtuvien reaktioiden alkamiseen ja tehoon. Elämä ei olisikaan mahdollista ilman entsyymejä.

Entsyymit ovat hyvin tarkkoja ympäristönsä suhteen, ja vaativat usein tietyt olosuhteet toimiakseen. Entsyymin toimintaan vaikuttavat lämpötila, happamuus eli pH:n sekä suolapitoisuus. Epäsuotuisissa olosuhteissa entsyymit denaturoituvat, kuten muutkin proteiinit, eli menettävät muotonsa ja aktiivisuuden. Myös näitä olosuhteita säätelemällä ihmisen elimistö pystyy säätelemään entsyymien aktiivisuutta.

Ruuansulatusentsyymit ovat yleistys entsyymeistä, joita käytetään ruuan pilkkomiseen. Jokaiselle ravintoaineelle on oma entsyyminsä.

SUUSSA ruuan pilkkominen alkaa, kun sylkirauhasten mukana erittyy amylaasia. Amylaasi pilkkoo hiilihydraatteja. Se vaikuttaa ruokasulassa, kunnes se saapuu mahalaukun happamiin oloihin, jotka neutraloivat entsyymin toiminnan

HAIMA on ruuansulatuksen tärkein entsyymejä tuottava elin. Haima tuottaa useita ruuansulatusentsyymiä; amylaasi, lipaasi, trypsiini. Tärkein on proteiineja pilkkova trypsiini. Trypsiini eritetään inaktiivisessa trypsinogeeni muodossa, jotta se ei hajottaisi elimistön omia soluja. Lipaasi pilkkoo lipidejä eli rasvamolekyylejä. Haima erittää myös Bikarbonaattia, joka on emäksinen neste, mikä neutraloi mahalaukun suolahappoa. Entsyymit eritetään haimatiehyttä pitkin ohutsuolen alkuosaan, jossa ruokasulan varsinainen hajoaminen alkaa.

MAHASSA pepsiini pilkkoo suuren osan proteiineista. Mahalaukun solut erittävät pepsinogeeniä, joka on pepsiini-entsyymin inaktiivinen muoto. Mahalaukku erittää myös suolahappoa, mikä muuttaa mahalaukun sisällön pH:n 1-2 paikkeille, eli hyvin happamaksi. Pepsinogeeni aktivoituu mahalaukussa happamuuden vaikutuksesta, ja muuttuu pepsiiniksi ja alkaa hajottamaan proteiineja pienemmiksi aminohapoiksi.

MAKSA muodostaa sappinestettä, joka kerääntyy sappirakkoon. Sappineste osallistuu ohutsuolessa rasvojen hajottamiseen. Sappineste siirtyy ohutsuolen alkuosaan sappitiehyttä pitkin.

OHUTSUOLI ei itse tuota entsyymejä, mutta Haiman erittämät entsyymit aloittavat pilkkomistoiminnan saapuessaan ohutsuoleen. Bikarbonaatit tasoittavat mahalaukusta tulevan happaman ruokamassan pH:n emäksiseksi, jolloin ruuansulatusentsyymit aktivoituvat ja pilkkuminen voi alkaa. Entsyymit pilkkovat ravintoaineita yhä pienemmiksi, kunnes ne lopulta voidaan imeä ohutsuolen pinnan läpi verenkiertoon.

 

Yhteenveto ruuansulatusentsyymeistä
Ruuansulatuselimistön osa Entsyymi ja kohde ravintoaine
Suu Amylaasi – hiilihydraatteja
Mahalaukku

Pepsiini – proteiinit

Suolahappo – hapan noin 1-2 pH
Haima

Amylaasi – hiilihydraatteja

Trypsiini – proteiineja

Lipaasi – rasvoja
Maksa Sappisuoloja- rasvoja

Linkkejä

Animation: Organs of digestion

Animaatio: Ruuansulatus

Tehtävien vastaukset

Tehnyt: Elina Heinonen ja Lauri Äikäs

BIO-004: Biologinen tutkimus ja hyvän tutkimuksen tunnusmerkit

|

Tekijät: Salla Lindström, Heta Tuomivaara ja Aino Wuolijoki

Tämä opetusmateriaali on suunniteltu lukion biologian opetukseen ja soveltuu esimerkiksi lukion ensimmäiselle kurssille Elämä ja evoluutio. Tekstiosuuden jälkeen on tehtäviä. Tehtävät ovat Google Drive ympäristön forms-dokumentilla, joka on helposti käytössä opettajilla myös Google Classroom -ympäristössä.  Tehtävät ovat pääsääntöisesti automaattitarkisteisia, jotta opiskelija saa nopean palautteen osaamisestaan ja tehtäviä on myös yksinkertaista muokata ja päivittää. Heikosti menneet kysymykset on tarkoitus kuitenkin käsitellä yhteisesti tunnilla, jotta oppimisen tavoitteet varmasti täyttyvät ja mahdolliset väärinkäsitykset tulevat korjatuiksi.

Biologinen tutkimus

Helsingin Sanomien Tiede-osiossa oli helmikuussa mielenkiintoinen uutinen: ”Synnyttäneiden naisten kromosomien päässä olevat telomeerit lyhenevät useita prosentteja lapsettomiin verrattuna. Niiden lyhentyminen on yhteydessä ikääntymiseen.”(Kettunen N. 2018). Kyseessä on tieteellisen tutkimuksen yleistajuistaminen eli artikkeli ei sisällä tarkempia tietoja tutkimuksesta vaan kertoo lyhyesti tuloksista. Mitä muuttujia tutkimuksessa oli? Miten tutkittavat oli valittu? Voiko tuloksia yleistää? Medialukutaidon kannalta on tärkeää tuntea myös biologisen tutkimuksen vaiheet ja kriteerit, jotta osaamme arvioida lukemaamme tietoa. Lue koko artikkeli osoitteesta: https://www.hs.fi/tiede/art-2000005583498.html

Biologinen tutkimus on luonnontieteellistä tutkimusta, jolle on ominaista kokeellisuus. Kokeellisilla menetelmillä pyritään etsimään vastaus siihen mitä tutkittavassa ilmiössä tapahtuu ja mistä se johtuu. Biologiseen tutkimukseen kuuluvat mittaukset ja havainnointi. Esimerkiksi voidaan tehdä koejärjestely, jossa havainnoidaan kasviravinteiden vaikutusta kasvien kasvuun. Monet tutkimukset perustuvat myös havainnointiin suoraan luonnossa.

Biologisessa tutkimuksessa tutkitaan luonnon ilmiöitä eri organisaatiotasoilla molekyylitasolta koko biosfäärin tutkimiseen. Molekyylitasolla voidaan tutkia esimerkiksi DNA-molekyyliä ja biosfäärin tutkimisessa vaikkapa ilmastonmuutoksen vaikutuksia eliöstöön. 

Biologista tutkimustietoa hyödynnetään monilla aloilla, esimerkiksi lääketieteessä ja elintarviketeollisuudessa. Biologisen tutkimuksen avulla voidaan ymmärtää ja saada uutta tietoa elollisesta luonnosta ja tuloksien avulla voidaan pohtia esimerkiksi sopivia keinoja monimuotoisuuden säilyttämiseen. Tutkimustiedosta on hyötyä jokaisen arkielämässä. Biologinen tutkimus etsii vastauksia esimerkiksi siihen miten antibioottiresistenttejä bakteereja vastaan voidaan tulevaisuudessa taistella. Mitä esimerkkejä sinä keksit?

Kurkkaa tästä, miten ilmastonmuutoksen vaikutusta lajeihin ja avustettua leviämistä tutkitaan yhteishankkeessa, jossa on mukana muun muassa Helsingin yliopiston luonnontieteellinen keskusmuseo.https://www.luomus.fi/fi/avustettu-leviaminen

Biologisen tutkimuksen kulku

Biologinen tutkimus noudattaa tavallisesti seuraavaa luonnontieteellisen tutkimuksen etenemisen mallia.  

1. Tutkimus lähtee liikkeelle havainnosta

Havainto voi olla esimerkiksi huomio ilmiöstä, jota ei ole aiemmin selitetty. Tarve uuteen tutkimukseen herää usein aiemmista tutkimuksista, jotka vaativat tarkennusta.

2. Tutkimuskysymyksen muotoilu

Muotoillaan kysymys, johon tutkimuksella haetaan vastausta. Kysymyksen avulla pyritään saamaan selitys tutkittavaan ilmiöön. Kysymyksiä voi olla enemmän kuin yksi.

3. Olemassa olevaan tutkimustietoon tutustuminen

Tutkimusta ei aloiteta tyhjästä, vaan käytettävissä ovat kaikki aiemmat tutkimukset sekä teoriatieto aiheesta. Kirjallisuuteen tutustumiseen voi kulua paljon aikaa.

4. Hypoteesin laatiminen

Luonnontieteellisissä tutkimuksissa laaditaan yleensä hypoteesi eli todennäköinen selitys ilmiölle. Hypoteesi muodostetaan aiemman tiedon ja havaintojen perusteella. Hypoteesin paikkansapitävyyttä testataan erilaisilla koejärjestelyillä tai havainnoilla.

5. Tutkimuksen suunnittelu

Seuraavaksi suunnitellaan, miten tutkimus toteutetaan. Suunnitteluvaiheessa tehdään päätökset siitä, mitä tutkimusmenetelmiä käytetään ja miten koejärjestelyt käytännössä tehdään. Tutkimussuunnitelmaan kirjataan esimerkiksi tutkimuksen tavoitteet, menetelmät, tutkimusvälineet, aikataulu ja budjetti.

6. Tutkimuksen toteutus

Tutkimus toteutetaan suunnitelman mukaisesti ja tulokset kirjataan ylös. Tutkimuksen tekoa voidaan dokumentoida myös esimerkiksi valokuvin tai videoin.

7. Tulosten käsittely ja tulkinta

Luonnontieteellisen tutkimuksen aineisto on yleensä kvantitatiivista eli määrällistä, numerotietoa.  Kvantitatiiviset  tulokset käsitellään tilastollisilla menetelmillä. Voidaan esimerkiksi laatia taulukoita, joista tehdään tilastollisia analyysejä ja piirretään kuvaajia. Aineisto voi olla myös kvalitatiivista eli laadullista, kuvailevaa. Kun tuloksia tulkitaan, niitä verrataan kirjallisuuteen ja pohditaan mistä ne johtuvat.

8. Johtopäätösten teko

Tuloksista tehdään johtopäätökset ja palataan tarkastelemaan alussa muotoiltua hypoteesia. Jos tutkimustulokset eivät tue hypoteesia, hypoteesi hylätään ja voidaan muotoilla uusi. Jos taas tutkimus tukee hypoteesia, hypoteesi hyväksytään.

9. Julkaiseminen

Tutkimus julkaistaan esimerkiksi artikkelina tieteellisessä lehdessä tai kirjana. Tieteellisten lehtien artikkelit ovat vertaisarvioituja eli toinen alan asiantuntija arvioi, onko tutkimus julkaisukelpoinen.

Kaikki biologiset tutkimukset eivät noudata biologisen tutkimuksen yleistä kaavaa. Esimerkiksi hypoteesia ei tehdä joka tutkimuksessa.

Kuva 1. Pipetointia laboratoriotyöskentelyssä. Salla Lindström, CC BY-SA 4.0

Kuva 2. Näytteen tarkastelua valomikroskoopissa. Salla Lindström, CC BY-SA 4.0

Tutkimuksen teko koulussa

Myös koulussa voi toteuttaa pienimuotoisen biologisen tutkimuksen. Tutkimuskysymys ja hypoteesi kirjoitetaan ylös etukäteen, mutta aiempiin tutkimuksiin ja kirjallisuuteen tutustumisen voi jättää vähemmälle. Tutkimussuunnitelma tehdään ja tutkimus toteutetaan sen mukaisesti. Tulokset kirjataan huolellisesti ylös ja tutkimuksen eri vaiheista on hyvä ottaa myös kuvia, jotka voi liittää loppuraporttiin.

Saatuja tuloksia arvioidaan kriittisesti. Mitä tuloksia saatiin? Mitä tuloksista voi päätellä? Saatiinko tutkimuskysymykseen vastaus? Entä toteutuiko hypoteesi? Millaisia virhelähteitä tehtyyn tutkimukseen liittyy? Mukaan voi liittää myös ajatuksia mahdollisista jatkotutkimuksista.

Tutkimus esitellään tutkimusraportissa. Raporttiin on hyvä kuulua ainakin seuraavat osat: Informatiivinen, mutta lyhyt työn nimi, josta käy ilmi mitä on tutkittu. Mikäli raportti on pitkä, alussa on voi olla tiivistelmä sisällöstä tai sisällysluettelo. Johdanto herättää lukijan kiinnostuksen ja antaa alustavia tietoja tai kertoo tutkimuksen taustasta (miksi työ tehtiin). Tutkimuskysymykset ja hypoteesi kirjoitetaan selkeästi, mutta kokonaisina lauseina. Tutkimuksessa käytettävä aineisto ja tutkimusmenetelmät eli tutkimussuunnitelma kuvaillaan riittävän yksityiskohtaisesti, mutta ytimekkäästi. Lukijan tulisi kyetä tekstin avulla ymmärtämään, miten tutkimus on toteutettu. Valokuvia voi käyttää havainnollistamaan tekstiä.

Tulokset on hyvä koota esimerkiksi taulukoksi tai kuvioksi, mutta niiden pääasiat on syytä kirjoittaa myös tekstiksi. Tulosten tulkintaan kuuluvat arviot tutkimuskysymysten selvittämisestä, hypoteesin toteutumisesta, virhelähteistä sekä ennen kaikkea siitä, mitä tuloksista voi päätellä. Raportin loppuun liitetään vielä luettelo käytetyistä lähteistä. Luetteloon kuuluvat kirjat, nettisivut ja muut tahot, joista tietoa tutkimusta varten on kerätty. Muista myös kuvien lähteet, mikäli kuvat eivät ole omiasi. Muistathan, ettet julkaise kuvia, joihin sinulla ei ole käyttöoikeutta etkä kopioi suoraan tekstiä muualta.

Hyvä biologinen tutkimus

Biologisen tutkimuksen pitää noudattaa hyvän tutkimuksen piirteitä, jotta tieto olisi luotettavaa. Filosofi Ilkka Niiniluoto on listannut tieteen tunnusmerkkejä, joiden avulla on mahdollista erottaa tieteellinen tieto esimerkiksi näennäistieteestä ja uskonnosta. Tieteen tunnusmerkkejä ovat objektiivisuus, autonomisuus, kriittisyys ja edistyvyys. Objektiivisuus tarkoittaa, että henkilön (tutkijan) henkilökohtaiset näkemykset eivät vaikuta tutkimuksen tekemiseen, tuloksiin tai niiden tulkintaan. Tieteellinen tieto on autonomista, eli itsenäistä ja riippumatonta, silloin kun sitä ei ohjailla poliittisesti. Tutkimusten tulee olla julkisia, jotta muut tutkijat voivat kriittisesti tarkastella toisten työtä. Näin voidaan vähentää huijausyrityksiä. Lisäksi tiede on edistyvää, eli koko ajan tavoitellaan yhä tarkempia tutkimustuloksia. Tieteellinen tieto ei ole koskaan valmista, vaan tiede korjaa itse itseään koko ajan.

Biologisessa tutkimuksessa tutkimuksen luotettavuus otetaan huomioon tutkimuksen eri vaiheissa. Tutkimusta suunniteltaessa pyritään rajaamaan pois mahdolliset virhelähteet, eli asiat, jotka voivat vääristää tutkimustuloksia. Esimerkiksi pitää varmistaa, että olosuhteet pysyvät tasaisina koko tutkimuksen ajan. Havaintomateriaalia tulee olla riittävästi. Koe pitää toistaa useita kertoja, jotta satunnaisten tekijöiden osuus tuloksissa jäisi mahdollisimman pieneksi. Luonnontieteellisten tutkimusten tulee olla toistettavia.

Tutkimuksen eri työvaiheiden yhteydessä olosuhteet kuvaillaan ja mahdolliset virhelähteet kirjataan ylös. Nämä havainnot otetaan huomioon tulosten tulkinnassa. Tilastoaineiston luotettavuutta voidaan testata tilastollisilla menetelmillä, esimerkiksi laskemalla virheiden todennäköisyyttä kuvaavia tunnuslukuja. Kun tutkimus julkaistaan, muut tutkijat tarkastelevat sitä kriittisesti ja arvioivat tutkimuksen luotettavuutta. Myös muut tutkijat voivat tarvittaessa toistaa tutkimuksen.

TEHTÄVÄOSIO

Harjoittele ja testaa osaamistasi: https://goo.gl/forms/eTTzozAJikffmuBq2

Kirjallisuutta:

Niiniluoto, I. (1984). Tieteen tuntomerkit. Teoksessa Ilkka Niiniluoto: Tiede, filosofia ja maailmankatsomus. Otava, Helsinki.

Niiniluoto, I. (2010) Voiko tieteeseen luottaa? Tiede -lehti 10/2010 https://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/voiko_tieteeseen_luottaa_

Kettunen, N. 2018. Helsingin Sanomat. Katsottu 10.4.2018. <https://www.hs.fi/tiede/art-2000005583498.html>

Palmberg, Irmeli (2005). Tutkimuksen suunnittelun ja toteuttamisen vaiheita. Teoksessa: Eloranta, V. ym.: Biologia eläväksi – Biologian didaktiikka. PS-kustannus, Keuruu.

BIO-004: Yhteyttäminen – oppimateriaali

Kuva

Yhteyttäminen

Kasvin rakenne

Kasvit ovat modulaarisia eliöitä eli ne kasvavat kasvupisteistä, joista muodostuu uusia moduuleja. Moduuli on siis kasvin osa, johon muodostuu sen kasvaessa uusi kasvupiste. Esimerkki moduulista on vaikkapa kasvin varresta työntyvä haara. Kasvupisteitä kasveilla on useita. Kasvi kasvaa pituutta varren kärjen kärkikasvupisteestä. Lisäksi kasvi haarautuu varren muista kasvupisteistä. Kasvien kasvu on periaatteessa loputonta: uusia moduuleja voi muodostua peräkkäin niin kauan, kuin kasvi elää. Useimmilla eläimillä taas kasvu ei jatku läpi elämän, vaan pysähtyy eläimen vanhetessa.

Kasvien perusrakenteeseen kuuluvat juuret, varsi ja lehdet. Kaikki muut kasvin osat ovat muuntuneita juuria, varsia tai lehtiä. Esimerkiksi kukat ovat kehittyneet lehdistä. Kasvi ottaa juurilla vettä ja ravinteita. Yleensä kasvien juuret sijaitsevat maaperässä, mutta ne voivat kasvaa myös suoraan vedessä. Kosteissa sademetsissä juuret kasvavat ilmassa, josta ne ottavat tarvitsemansa veden.

Juurissa vesi siirtyy onttoihin putkimaisiin soluihin, joita pitkin vesi kulkee ylös kasvin varteen ja lehtiin. Varren tehtävänä on pitää kasvi pystyssä, jotta se saisi valoa. Ylimääräinen vesi haihtuu lehdistä. Lehtien tärkein tehtävä on yhteyttää.

Kasvi muodostuu maan päällisestä versosta sekä juurista. Verso koostuu varresta, sen haaroista sekä lehdistä ja mahdollisesti kukista. Verso kasvaa pituutta kärkikasvupisteen avulla ja varsi myös haarautuu.

Yhteyttäminen

Tuottajiksi kutsutaan eliöitä, jotka pystyvät käyttämään auringonvaloa energianlähteenä. Tällaisia eliöitä ovat kasvit, levät sekä eräät lehtivihreää sisältävät bakteerit. Kasvit hyödyntävät auringon valoenergiaa yhteyttämisen eli fotosynteesin avulla. Kasveilla reaktio tapahtuu lehtien viherhiukkasissa eli kloroplasteissa.

Auringon valoenergian lisäksi yhteyttämiseen tarvitaan vettä, jonka kasvit ottavat juurillaan maasta. Vesi nousee ohuita putkia pitkin kasvin lehtiin, joissa yhteyttäminen tapahtuu. Lisäksi kasvi ottaa hiilidioksidia ilmasta lehden ilmarakojen kautta. Yhteyttämisessä ilmakehään vapautuu vesimolekyylin sisältämää happea. Lisäksi vesi ja hiilidioksidi yhdistyvät sokeriksi. Auringon valoenergia sitoutuu sokerimolekyylin kemialliseksi energiaksi.  

Yhteyttämisessä osa sokerista muuttuu tärkkelykseksi, jonka nauris varastoi esimerkiksi juureensa. Kuva: Anni Peltoniemi

 

 

Yhteyttäminen eli fotosynteesi voidaan esittää seuraavan reaktioyhtälön avulla:

Vesi (6H2O) + Hiilidioksidi (6CO2 ) + valoenergiaa

→ sokeri (C6H12O6 ) + Happi (6O2) + sitoutunut energiaa

Yhteyttämisreaktion jälkeen suurin osa sokerista muuttuu tärkkelykseksi, jonka kasvi varastoi esimerkiksi juureensa myöhempää käyttöä varten. Tätä varastoitua tärkkelystä se pystyy hyödyntämään esimerkiksi seuraavana kesänä kukinnon kasvattamiseen. Lisäksi kasvi valmistaa sokerista omia rakennusaineitaan, kuten soluseinän selluloosaa ja puuainetta.

Lisätietolaatikko: ilmaraot ja lehden rakenne

Lehden pinnalla on solujen erittämistä vahoista koostuva kutikulakerros. Sen tehtävänä on estää liiallista veden haihtumista kasvista. Ilman kutikulaa kasvi kuivuisi. Kutikulan alla on epidermi. Se on pienikokoisista soluista koostuva kerros. Epidermin solujen soluseinät ovat yleensä puutuneet koviksi. Myös epidermin tehtävänä on estää kasvin kuivuminen ja yhdessä kutikulan kanssa se suojaa kasvia taudinaiheuttajilta.

Epidermissä ja kutikulassa on kuitenkin reikiä, joita kutsutaan ilmaraoiksi. Ilmarakojen kautta kasvi haihduttaa ylimääräisen veden sekä ottaa soluihin hiilidioksidia, jota tarvitaan yhteyttämiseen. Ilmarakoja reunustavat huulisolut. Kun kasvi on saanut tarpeeksi hiilidioksidia tai sitä uhkaa kuivuminen, huulisolut turpoavat ja sulkevat ilmaraon. Solujen turpoaminen perustuu osmoosiin. Kun ilmarako sulkeutuu, huulisoluihin vapautuu ioneita. Suuri ionikonsentraatio saa aikaan veden osmoottisen virtauksen huulisoluun sitä ympäröivistä soluista. Huulisolut turpoavat sulkien ilmaraon.

Epidermin alla on tylppysolukkoa. Sen tehtävänä on yhteyttää. Tylppysolukon soluissa on paljon viherhiukkasia eli kloroplasteja. Valoisissa paikoissa, kuten lehden yläpinnalla, tylppysolut ovat kehittyneet pitkiksiä ja näyttävät pylväiltä (pylvästylppy). Kun valoa on runsaasti, se pääsee läpi pitkänomaisen solun. Hämärämmissä paikoissa, kuten lehden alapinnalla, tylppysolut ovat pyöreitä, jotta valo pääsisi solun joka kohtaan (hohkatylppy).

Kuva: Giancarlo Dessi / Wikipedia Commons / Lisenssi: Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Kuvassa on lehden poikkileikkaus. Kuvan yläreunassa näkyy lehden yläpinta. C=kutikula E.S.=epidermi lehden yläpinnalla E.I.=epidermi lehden alapinnalla P=pylvästylppy L=hohkatylppy C.S.=ilmarako S=huulisolut

Yhteyttämisen merkitys planeetalle

Ilman yhteyttäviä kasveja nykyisenlainen elämä ei olisi mahdollista maan pinnalla. Elämä perustuu viime kädessä auringon energiaan, jota ainoastaan vihreät kasvit kykenevät sitomaan suoraan itseensä yhteyttämisen kautta. Muut eliöt voivat hyödyntää tätä energiaa esimerkiksi syömällä eläviä kasveja, hajottamalla kuolleita kasveja tai syömällä muita eliöitä jotka ovat syöneet kasveja. Kasvit ovat siten eliöyhteisön tuottajia – maaperän ravinteiden ja auringon energian avulla ne kasvavat. Kasvit ovat energian suhteen omavaraisia eli ne tuottavat tarvitsemansa energian itse. Esimerkiksi eläimet ovat toisenvaraisia ja ne ovat riippuvaisia kasvien tuottamasta energiasta. Ravintoketjujen ensimmäinen askel tai ravintoverkkojen lähtöpiste on yhteyttävä kasvi.

Yksinkertaistettu savannin ravintoverkko. Kuva: Siyavula Education

Yhteyttämisellä on oleellinen rooli ilmastonmuutoksen torjumisessa. Sen myötä kasvit sitovat itseensä yhtä tärkeintä kasvihuonekaasua, hiilidioksidia. Koska yhteyttävät kasvit sitovat hiilidioksidia ja vapauttavat happea,  sademetsiä kutsutaan usein maailman keuhkoiksi. Kasvien on huomattu sitovan itseensä aiempaa enemmän hiilidioksidia sen määrän kasvaessa ilmakehässä, mutta ne eivät pysy nykyisen tahdin perässä. Vanhat, tiheät metsät kykenevät sitomaan valtavia määriä hiilidioksidia, mutta niiden pinta-ala on ihmisten hakkuiden seurauksena vähenemässä. Yhtenä tärkeänä ilmastonmuutoksen torjunnan keinona olisikin vanhojen metsien suojelu ja metsäpinta-alan lisääminen istutuksin.

Yhden lehden tuottaman hapen määrä on häviävän pieni, mutta yhdessä maapallon kasvit tuottavat yhteyttäessään valtavasti happea. Esimerkiksi yksi ihminen hengittää arviolta yhtä paljon happea kuin 10 000 lehteä kykenee tuottamaan, mikä tarkoittaa kasvista riippuen useaa sataa kasviyksilöä ihmistä kohden.

 

Tehtävät

  1. Yhdistä yhteyttämiseen tarvittavat lähtöaineet ja yhteyttämisessä syntyvät reaktiotuotteet oikeisiin kohtiin
    Lähtöaine

    Vesi

    Hiilidioksidi

    Auringon valoenergia

    Sokeri

    Happi

    		 Reaktiotuote

     

  2. Selitä parille alla olevaa kasvin kuvaa apuna käyttäen, kuinka kasvi yhteyttää.

    Kuva: International Institute of Tropical Agriculture (CC BY-NC 2.0)

     

     

  3. Pystyvätkö kasvit yhteyttämään lumen alla? Voit selvittää asiaa alla olevan linkin avulla.
    http://pinkka.helsinki.fi/pinkat/#/subpinkkas/200
  4. Piirrä kuva yleiskuva kasvista ja lähikuva sen lehdestä. Piirrä kuvaan seuraavat asiat: varsi, juuri, lehti, kutikula, epidermi, tylppysolukko, ilmarako, kloroplasti. Mitä tehtäviä näillä kasvin osilla on?
  5. Kaikki karhun ravinnostaan saama energia on lähtöisin auringosta. Voiko näin väittää? Miksi tai miksi ei?
  6. Kuvaajassa näkyy hiilidioksidin (CO2) taso ilmakehässä vuosina 2002-2014. Yksiköllä ppmv (parts per million by volume) tarkoitetaan kuinka monta osaa miljoonasta on mitattua ainetta, eli hiilidioksidia.
    1. Kuinka paljon hiilidioksidia ilmakehässä oli mittauksen alkupisteessä? Entä loppupisteessä?
    2. Mikä selittää joka vuosi säännöllisesti tapahtuvan nousun ja laskun?

      Kuva: NASA/JPL AIRS Project

 

 

 

 

 

 

BIO-004: Eliökunnan luokittelu

|

Oppimateriaali tuotettu lukion biologian 1. kurssia varten. Oppimateriaali on osa Johdatus biologian opiskeluun kurssia.

Tekijät: Laksela Paula, Ranki Jukka-Pekka, Sirviö Markus

Eliökunnan luokittelu

Ihmiset luokittelevat monia asioita. Luokittelu perustuu yhtäläisyyksiin ja samankaltaisuuksiin, esimerkiksi kirjallisuudessa on fantasiakirjallisuutta, tietokirjallisuutta, rikosromaaneita jne.. Myös eliöitä luokitellaan niiden samankaltaisuuksien mukaan. Satoja vuosia sitten eliöiden luokittelu perustui rakenteiden vertailuun, mutta kehittynyt tekniikka on mullistanut luokittelun, kun esimerkiksi eliöiden DNA:n vertailu on tullut mahdolliseksi.

Eliöitä luokitellaan

Fylogenetiikka selvittää eliöryhmien ja lajien kehityshistoriaa. Systematiikka tutkii eliöiden luokittelua ja selvittää niiden kehityshistoriallisia suhteita mm. fossiilien ja geenien avulla hyödyntäen esimerkiksi morfologiaa ja molekyylibiologian menetelmiä. Taksonomia liittyy eliöiden luokitteluun ja nimeämisjärjestelmään. Evoluutiopuun eli fylogeneettisen puun avulla voidaan kuvata eliöryhmien kehityshistoriaa visuaalisesti puumaisella rakenteella, jossa kehityslinjat kulkevat puun juuresta oksien kautta lehtiin. Puun runko edustaa varhaisimpia ja lehdet viimeisimpiä kehityshistoriallisia tapahtumia. Haaraumat oksiksi kuvaavat kehityslinjojen erkaantumista ja läheisten eliöryhmien (ns. sisartaksonien) polveutumista yhteisestä esivanhemmasta.

Fylogeneettiset puut pohjautuvat oletukselle, että geenit siirtyvät eliösukupolvelta seuraavalle vertikaalisesti eli suvuttomasti tai suvullisesti lisääntymällä. Kuitenkin eliöiden välillä tapahtuu myös horisontaalista geenisiirtoa, jossa solu saa geneettistä materiaalia ympäristöstä esimerkiksi viruksien välityksellä. Esimerkkejä muinaisista horisontaalisista geenisiirtymistä ovat nykyisten aitotumaisten mitokondriot ja kasvien viherhiukkaset eli kloroplastit. Fylogeneettiset puut ovatkin pikemminkin arvioita kuin täydellisiä kuvauksia eliöiden kehityshistoriasta.

Luokittelun tasot: domeenit ja kunnat   

Ihminen on luokitellut eliöitä eri aikoina eri tavoin. Nykyään eliöt luokitellaan solurakenteensa perusteella kahteen pääryhmään: esi- ja aitotumaisiin eliöihin. Esitumaiset eli tumattomat eliöt ovat yksisoluisia ja rakenteeltaan aitotumaisia yksinkertaisempia. Niiden perintöaines sijaitsee solulimassa. Esitumaiset solut ovat hyvin pieniä kooltaan ja soluissa on vain vähän erilaisia soluelimiä. Ne lisääntyvät jakautumalla kahtia, mikä tarkoittaa suvutonta lisääntymistä. Esitumallisiin eliöihin kuuluvat bakteerit ja arkeonit (arkit).

E. coli -bakteeri kuuluu bakteereihin. Tekijä: NIAID,Lisenssi: Creative Commons Attribution 2.0 Generic license https://commons.wikimedia.org/wiki/File:E._coli_Bacteria_(16578744517).jpg

Aitotumaisiin eli tumallisiin eliöihin kuuluvat alkueliöt eli protistit, kasvit, sienet ja eläimet. Aitotumallisten eliöiden solut ovat kooltaan paljon suurempia kuin esitumallisten eliöiden solut. Niiden perintötekijät sijaitsevat tumakotelon sisällä tumassa ja lisäksi soluissa on paljon erilaisia kalvon ympäröimiä soluelimiä.

Kolme domeenia:

Eliöt on jaettu kolmeen domeeniin eli superkuntaan 1990-luvulta alkaen: 1) bakteereihin, 2) arkeoneihin ja 3) aitotumaisiin. Bakteerit ja arkeonit kuuluvat esitumallisiin eliöihin. Tätä jakoa on perusteltu geeni- ja molekyylitutkimusten perusteella, sillä arkeonit muistuttavat tutkimusten perusteella enemmän aitotumallisia kuin bakteereita.

Kuusi kuntaa:

Eliöt jaetaan perinteisesti kuuteen kuntaan: 1) bakteereihin, 2) arkeoneihin, 3) alkueliöihin eli protisteihin, 4) kasveihin, 5) sieniin ja 6) eläimiin. Alkueliöiden kunta sisältää kaikki ne aitotumalliset eliöt, joita ei ole osattu tai voitu sijoittaa kasvi-, sieni- tai eläinkuntaan. Tämän takia alkueliöiden kunta muodostaa hyvin sekalaisen joukon erilaisia eliöitä. Alkueliöiden kunta tullaan tulevaisuudessa todennäköisesti jakamaan pienemmiksi kunniksi nykyisen tutkimuksen edetessä.

 

 

 

Domeenien käyttö luokittelussa kuvaa paremmin eliöiden välisiä sukulaisuussuhteita ja kehityshistoriaa kuin jako pelkästään kuuteen kuntaan. Erot bakteerien ja arkeonien evolutiivisten sukulaisuussuhteiden välillä ovat suurempia kuin erot aitotumallisiin kuuluvien sienten, kasvien ja eläinten välillä. Tämän takia luokittelu kolmeen domeeniin on perusteltua.

Eliökunnan luokittelu on muuttunut uusien tutkimusten myötä ja tulee yhä muuttumaan. Linné esimerkiksi luokitteli eliöt ainoastaan kahteen pääryhmään: kasvi- ja eläinkuntaan. Myöhemmin esimerkiksi arkeonit erotettiin bakteereista ja sienet erilleen kasveista omaksi kunnaksi. Eliökunnan luokittelu muuttuu tulevaisuudessa lajien sukulaisuussuhteiden selvitessä tarkemmin, joten tämänhetkinen luokittelu kuntiin ei ole koko totuus. Domeeneihin luokittelua käytettään nykyään tieteessä ja jakoa kuuteen kuntaan koulubiologiassa. Eliökunnan luokittelussa ei ole kuitenkaan vain yhtä oikeaa tapaa luokitella.

 

Virukset eivät kuulu eliökuntaan

Virukset jätetään eliökunnan luokittelun ulkopuolelle, sillä niitä ei pidetä eliöinä. Viruksilla ei ole omaa aineenvaihduntaa eikä selvää solurakennetta. Rakenteeltaan ne ovat hyvin yksinkertaisia ja kooltaan bakteereja paljon pienempiä. Virukset koostuvat geeneistä eli perintötekijöistä ja proteiinimolekyyleistä, jotka ympäröivät geenejä.

Virukset eivät pysty lisääntymään itsenäisesti eli ne ovat eliöiden loisia. Virukset ovat riippuvaisia isäntäeliöistä, koska niiden lisääntyminen vaatii elävän solun sisälle pääsyä. Kaikilla eliöryhmillä on omat viruksensa ja yleensä virukset ovat erikoistuneet tietynlaiseen isäntäeliöön. Useat virukset aiheuttavat isännälleen tauteja, kuten influenssaa tai aidsia. Isäntäeliöön päästyään virukset ottavat isäntäsolun valtaansa ja laittavat sen tuottaman uusia viruksia. Virukset ovat vaikuttaneet osaltaan eliöiden evoluutioon, sillä tunkeutuessaan soluihin ne liittävät isäntäsolun DNA:han myös omia geenejään.

Luokittelun tasot

Ihmiset luokittelevat eliöitä niiden ominaisuuksien mukaan, aivan kuten luokittelua käytetään monessa muussakin, esimerkiksi urheilussa (joukkue- ja yksilölajit). Lajin määritelmänä pidetään sitä, että eliöt pystyvät lisääntymään keskenään ja saavat lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä, joista käytetään myös termiä fertiili. Toki poikkeuksiakin löytyy, esimerkiksi korpin ja teerin risteymä korpimetso kykenee lisääntymään, mutta metso ja teeri ovat eri lajeja.

Saman lajin yksilöiden ominaisuudet ja perimä ovat samankaltaisia. Lajit, joilla samankaltaisia ominaisuuksia on paljon, kuuluvat samaan sukuun. Samankaltaiset suvut muodostavat heimoja. Heimot muodostavat lahkoja, lahkot muodostavat luokkia, luokat taas eläimissä pääjaksoja ja kasveissa kaaria. Kaarista ylempi luokka on kunta, joka jaetaan kuuteen osaan: arkeonit, bakteerit, alkueliöt, sienet, kasvi- ja eläinkunta. Kuntien lisäksi eliöt voidaan jakaa kolmeen domeeniin: aitotumaiset, bakteerit ja arkeoneihin. Luokittelu kehittyy jatkuvasti vielä tänäkin päivänä. 1900-luvun alussa eliöt jaettiin vain kahteen kuntaan: kasvi- ja eläinkunta, mutta tiedon lisääntyessä kuntien määrä on noussut kuuteen.

Yhteisten ominaisuuksien määrä vähenee, mitä suurempiin luokittelutasoihin siirrytään. Vielä luokkatasollakin luokittelu on melko yleispiirteistä. Toisaalta lähisukulajit voivat risteytyä keskenään, kuten aiemmin mainittu metso ja teeri. Aasi ja hevonenkin voivat risteytyä, mutta niiden jälkeläinen ei ole fertiili, vaan lisääntymiskyvytön steriili(muuli). Samankaltaisia ominaisuuksia löytyy melko paljon myös heimotasolla, esimerkiksi kissaeläinten heimoon kuuluvilla kissoilla ja tiikereillä.

Tieteellisen luokittlujärjestelmän kahdeksan osaa, esimerkkilajina susi.

https://pixabay.com/fi/susi-harmaa-petoel%C3%A4in-2800375/ CC0 Creative Commons

 

Eliöille on tieteelliset nimet   

Ruotsalainen luonnontieteilijä Carl von Linnén kehitti 1700-luvulla eliöiden luokittelujärjestelmän, jonka avulla eliöitä voidaan luokitella loogisesti. Linnén luoma järjestelmä on hierarkinen, jonka ylin taso on domeeni ja alin eli suppein taso on laji. Linné antoi lajeille tieteellisiä nimiä, jotka korvasivat pitkät lajien kuvailut. Tieteellinen lajinimi koostuu kahdesta osasta, ja luokittelun kieli pohjautuu latinasta. Yhteisen luokittelukielen tarkoituksena on, että eri kansalaisuuksien tutkijoiden on helppo ymmärtää toisiaan, kun lajeille on yhteinen tieteellinen kieli ja nimeämistapa. Eliöiden nimeämisessä pyritään kuvaamaan lajia tai antamaan tietoa sen ulkomuodosta, elintavoista tai elinympäristöstä.

Tieteelliset nimet ovat siis kaksiosaisia. Ensimmäisestä osasta käy ilmi mihin isompaan ryhmään eli sukuun laji kuuluu. Loppuosa määrittää lajin itsenäiseksi yksilöksi. Esimerkiksi suden latinankielinen nimi on Canis lupus, jossa alkuosa Canis yhdistää suden koirien sukuun. Loppuosa lupus on suden lajispesifinen osa. Tieteellisen nimet kirjoitetaan kursiivilla, ja suvun osa isolla alkukirjaimella, loppuosa pienellä.

Alla on esimerkkejä lokkien nimeämisestä. Huomaa, että lokkien tieteellisen nimen alkuosa on sama eli lajit kuuluvat samaan sukuun. Loppuosa lokeilla on eri.

  • Larus marinus, merilokki
  • Larus canus, kalalokki
  • Larus fuscus, selkälokki
  • Larus argentatus, harmaalokki

harmaalokki (https://pixabay.com/fi/lokki-harmaalokki-herring-gull-57752/) CC0 Creative Commons

Selkälokki (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Selk%C3%A4lokki.jpg) Hautala Creative Commons Attribution 2.5 Generic license

Selkälokki Larus fuscus (alhaalla) ja harmaalokki Larus argentatus (ylhäällä) kuuluvat lokkien sukuun

Luokittelussa käytettäviä keinoja

1700-luvulla Linnén luokitteli lajeja lähinnä ulkonäön perusteella. Hän vertaili lajien rakenteita ja niiden samankaltaisuuksia. Jos eläimissä oli samankaltaisia rakenteita, hän oletti, että lajit ovat sukua toisilleen. Mitä lähempää sukua lajit ovat, sitä myöhemmin ne ovat erkaantuneet omiksi lajeikseen. Nykyisin teknologia on mullistanut luokittelun.  Luokittelussa vertaillaan eroja perimässä, solurakenteissa sekä eliöiden biokemiassa. DNA:n vertailu onkin osoittautunut erinomaiseksi välineeksi sukulaisuussuhteiden selvityksessä: mitä vähemmän eroa on kahden lajin DNA:ssa, sitä läheisempää sukua ne ovat toisilleen. Esimerkiksi ihmisen ja simpanssin perimästä reilu 98% on samankaltaista. Perimä voi vaikuttaa esimerkiksi eläinten käyttäytymiseen, jolloin käyttäytymistäkin voidaan hyödyntää eläinten luokittelussa. Näitä perittyjä käyttäytymisiä voivat olla mm. reviirikäyttäytyminen tai soidinmenot.

Luokittelussa hyödynnetään vieläkin eliöiden rakenteita, joilla on sama evolutiivinen alkuperä (kantamuoto). Näitä rakenteita kutsutaan homologisiksi (samasyntyinen) rakenteiksi tai elimiksi. Esimerkiksi ihmisen, koiran, valaan ja linnun raajojen/siipien rakenne on samanlainen, vaikka käyttötarkoitukset ovat erilaisia. Samankaltaisilla rakenteilla voi kuitenkin olla erilainen kehityshistoriallinen alkuperä. Esimerkiksi lintujen ja perhosten siivet eivät ole homologisia rakenteita, vaikka niillä onkin sama tehtävä. Tällaisia rakenteita kutsutaan analogisiksi (samatoiminen) rakenteiksi, ja ne ovat kehittyneet samantapaisiksi ympäristösopeutumien seurauksena.

DNA:n ja rakenteiden vertailun lisäksi voidaan sukulaissuhteita selvittää mm. yksilönkehityksiä vertailemalla ja vertailemalla kromosomimääriä. Selkärankaisten alkiot muistuttavat alkuvaiheissa toisiaan, koska niillä on sama alkuperä. Yksilönkehityksen edetessä erot eri lajien alkioiden välillä alkavat kasvamaan. Lajeilla on yleensä lajityypillinen kromosomimäärä. Esimerkiksi simpanssien kromosomimäärä on 48 ja ihmisten 46.

                         Kehittyneen teknologian myötä käsitys lajien ja eliöryhmien sukulaisuussuhteista tulee tarkentumaan ja muuttumaan. Menetelmien avulla karhujen sukupuuta on pystytty tarkentamaan.  Ollaan löydetty, että jättiläispanda kuuluu karhujen heimoon, kun taas pikkupanda kuuluu puolikarhuihin.

Ihmisten, koirien, lintujen ja valaan homologisia rakenteita. Olkaluu=vaalean ruskea, kyynärluu=punainen, värttinäluu=vaalea, ranneluut=keltainen, sormiluut=tummempi ruskea. https://fi.m.wikipedia.org/wiki/Tiedosto:Homology_vertebrates_fi.svg Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedicationin

 

 

Tehtävät:

1. Selitä seuraavat termit

a) Aitotumainen

b) Homologinen rakenne

c) Arkeonit

d) Protisti

e) Tieteellinen nimi

Tehvätä 2

  1.  Mitä eroa on esi- ja aitotumaisilla eliöillä? Entä mitä kuntia näihin ryhmiin kuuluu?
  2.  Mitä eroa on kasveilla ja sienillä? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
  3.  Mitä eroa on bakteereilla ja arkeoneilla? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
  4.  Mitä eroa on kasveilla ja eläimillä? Onko näillä kunnilla jotain yhteistä?
  5.  Mikä ryhmä jätetään eliökunnan luokittelun ulkopuolelle ja mistä tämä johtuu?

Tehtävä 3
Mihin kuntaan seuraavat eliöt kuuluvat: ameba, malarialoisio, kultapiisku, meritähti, isohapero, järvisieni, paranvoi, rikkikääpä, sinisimpukka, korvameduusa, tohvelieläin, känsätuhkelo, rakkolevä, streptokokki, syanobakteerit, sinivuokko, metanogeeni, metsäkastikka, leivinhiiva, mykoplasma?

Tehtävä 4

Tässä tehtävässä voit etsiä lisätietoa oppikirjoista tai netistä.

Biologian ylioppilaskoe kevät 2017

Tehtävä 9.

Kosteikot, esimerkiksi suot, lähteiköt ja rannat, ovat tärkeitä monimuotoisuuden eli biodiversiteetin ylläpitämisessä Suomen luonnossa. Monimuotoisuutta tarkastellaan usein kolmella tasolla: ekosysteemien monimuotoisuus, lajiston monimuotoisuus ja geneettinen monimuotoisuus. Mikä merkitys kosteikoilla on monimuotoisuuden ylläpitämisessä näillä kolmella tasolla?

 

 

Mallivastaukset:

Tehtävä 1

a) Tumalliset eliöt. Alkueliöt, kasvit, sienet, eläimet. Solu esitumallisia suurempi. Perintötekijät ovat tumassa, paljon soluelimiä

b) Samansyntyinen rakenne. Eliöiden rakenteita, joilla sama evolutiivinen alkuperä (kantamuoto). Esimerkiksi monien selkärankaiset luusto (olkaluu, kyynärluu, värttinäluu, ranteen luut, sormiluut). Homologisilla rakenteilla voi olla eri eliöillä eri käyttötarkoitus.

c)Mikroskoopisen pieniä, tumattomia, yksisoluisia. Lisääntyvät suvuttomasti, on sekä omavaraisia, että toisen varaisia.

d) Tumallisia, yksi tai moni soluisia. Alkueläimet ja limasienet toisenvaraisia, levät omavaraisia. Protisteihin kuuluu myös tauteja aiheuttavia loisia.

e) Kehitti Carl von Linné 1700 luvulla. Latinan kielinen, helpottaa kommunikointia; yhteinen kieli lajeille. Ensimmäinen osa kertoo lajin suvun, jälkimäinen osa on ”lajin oma”, joka kuvaa jotenkin lajia (ulkomuoto, elintavat, elinympäristö)

Tehtävä 2

a) Esitumaiset eli tumattomat eliöt ovat yksisoluisia ja rakenteeltaan paljon aitotumaisia yksinkertaisempia. Kooltaan esitumaiset eliöt ovat hyvin pieniä ja soluissa on vain vähän erilaisia soluelimiä. Aitotumaisten eliöiden solut ovat puolestaan paljon suurempia kuin esitumaisten eliöiden solut ja ne voivat olla yksi- tai monisoluisia. Niiden perintötekijät sijaitsevat tumakotelon sisällä tumassa ja lisäksi soluissa on paljon erilaisia kalvon ympäröimiä soluelimiä. Esitumaisten eliöiden perintoaines (geenit) sijaitsee puolestaan solulimassa. Esitumaiset eliöt lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia, kun taas aitotumaiset eliöt lisääntyvät suvuttomasti tai suvullisesti. Esitumaisiin eliöihin kuuluvat bakteerit ja arkeonit. Aitotumaisiin kuuluvat alkueliöt eli protistit, kasvit, sienet, ja eläimet.

b) Sekä kasvit että sienet ovat tumallisia eli kuuluvat aitotumaisiin eliöihin. Kasvit ovat monisoluisia ja sienet puolestaan yksi- tai monisoluisia. Molemmat pystyvät lisääntymään sekä suvullisesti että suvuttomasti. Sienet lisääntyvät itiöiden avulla. Kasveihin kuuluu sekä itiökasveja (sanikkaiset, sammalet) että siemenkasveja (koppi- ja paljassiemeniset). Kasveista suurin osa on omavaraisia (fotosynteesi), sienet puolestaan ovat toisenvaraisia (loisia, hajottajia). Molemmilla on soluissa soluseinä, kasveilla se koostuu selluloosasta ja sienillä kitiinistä. Sienet muodostavat sienirihmastoja ja maan päällä näkyvää osaa kutsutaan itiöemäksi. Kasveilla ja sienillä voi olla molempia osapuolia hyödyttävä suhde (sienijuuri). Sienet voivat muodostaa tällaisen suhteen myös levän kanssa (jäkälä). Kasveilla on lisäksi kasvihormoneja säätelemässä elintoimintoja.

c) Bakteerit ja arkeonit kuuluvat molemmat esitumaisiin eliöihin eli ne ovat tumattomia ja yksisoluisia. Molemmat ovat myös mikroskooppisen pieniä, kuuluvat maapallon vanhimpiin eliöihin ja selviävät vaativissa olosuhteissa. Sekä bakteerit että arkeonit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia. Arkeonien geenien toiminta on samankaltaista kuin aitotumaisilla eliöillä, joten ne ovat läheisempää sukua aitotumaisille eliöille kuin bakteereille. Molemmilla on soluissa soluseinä, mutta niiden rakenne on erilainen. Sekä bakteerit että arkeonit ovat toisenvaraisia tai omavaraisia (fotosynteesi, kemosynteesi). Molemmat voivat toisenvaraisina olla esimerkiksi hajottajia. Bakteerit voivat elää molempia osapuolia hyödyttävässä suhteessa aitotumaisten eliöiden kanssa. Esimerkiksi ihmisen suolistossa elää paljon hyödyllisiä bakteereja. Bakteereihin kuuluu hajottajien lisäksi erilaisia taudinaiheuttajia ja loisia. Arkeonien ei tiedetä aiheuttavan tauteja.

d) Sekä kasvit että eläimet ovat monisoluisia ja aitotumaisia eliöitä. Kasveilla on soluissa soluseinä (selluloosaa), mutta eläimiltä soluseinä puuttuu kokonaan. Eläimet ovat toisenvaraisia, kun taas kasvit omavaraisia (fotosynteesi). Kasvit pystyvät lisääntymään sekä suvuttomasti että suvullisesti, mutta eläimet lisääntyvät yleensä vain suvullisesti. Kasveilla elintoimintoja säädellään kemiallisesti kasvihormonien avulla, mutta varsinainen hermosto niiltä puuttuu. Eläimet säätelevät elintoimintojaan puolestaan hormonien ja hermoston avulla.

e) Eliökunnan luokittelun ulkopuolelle jäävät virukset, koska niitä ei pidetä ollenkaan eliöinä. Viruksilta puuttuu oma aineenvaihdunta eikä niillä ole selvää solurakennetta. Rakenteeltaan virukset ovat hyvin yksinkertaisia ja kooltaan jopa bakteereja pienempiä.  Virukset koostuvat geeneistä eli perintötekijöistä ja proteiinimolekyyleistä, jotka ympäröivät geenejä. Ne eivät pysty lisääntymään itsenäisesti eli ovat eliöiden loisia ja riippuvaisia isäntäeliöstä.

 

Tehtävä 3

Bakteerit: streptokokki, syanobakteerit, mykoplasma

Arkonit: metanogeeni

Alkueliöt: ameba, malarialoisio, paranvoi, tohvelieläin, rakkolevä

Kasvit: kultapiisku, sinivuokko, metsäkastikka

Sienet: isohapero, rikkikääpä, känsätuhkelo, leivinhiiva

Eläimet: meritähti, järvisieni, sinisimpukka, korvameduusa

Tehtävä 4.

Mallivastaus löytyy Ylioppilastutkintolautakunnan hyvän vastauksen piirteet, biologia, kevät 2017 pdf-tiedostosta tehtävän 9 kohdalta. https://drive.google.com/file/d/0Bw3oPkjh-TYLSHl3VlNNNUM3dVE/view  

BIO-004: Kestävä kehitys

|

Yhteiskunta on kautta aikain kehittynyt ajalleen tyypillisellä tavalla aina uutta kohti. Kehitys on ollut jatkuvaa ja ihminen on keksinyt jatkuvasti uusia tapoja hyötyä ympäristöstään ja tehdä voittoa kehittyäkseen vielä enemmän. Mitä enemmän ihminen on saavuttanut, sitä enemmän on pitänyt saavuttaa. Materialismi lisääntyy nyt jo kehittyvissäkin maissa ja materian omistaminen onkin tämän päivän yhteiskunnassa tavoiteltu asia. Talouskasvu on kehityksen mittari ja suuremmat omistukset takaavat paremman tulevaisuuden. Jossain vaiheessa raja kuitenkin tulee vastaan. Ihmiset voivat huonosti maissa, joissa hyvinvointi edellä mainittujen mittareiden mukaan tulisi olla huipussaan. Kehitykseen pyrkiminen on jo nyt niin suurta, että ympäristö kärsii ihmisen toimista ja huoli ympäristön kestävyydestä onkin noussut tapetille kansainvälisesti jo muutama kymmenen vuotta sitten.

Kestävä kehitys on sellaista kehitystä, joka pystyy vastaamaan ympäristön ja yhteiskunnan tarpeisiin niin, että se ei aseta paineita tulevaisuuden sukupolvien pärjäämiselle. Se ei siis aseta vaaraan tulevaisuuden tarpeiden tyydyttämistä ympäristön kustannuksella esimerkiksi luonnonvarojen suhteen.

Kestävää kehitystä käsiteltiin ensimmäistä kertaa vuonna 1987 Yhdistyneissä Kansakunnissa eli YK:ssa. Tuolloin asia nousi esiin, koska vallalla oli huoli ihmisten eriarvoisuuden lisääntymisestä sekä luonnon monimuotoisuuden ja elinvoimaisuuden vähenemisestä. Sittemmin vuonna 1992 järjestettiin YK:n huippukokous Brasilian Rio de Janeirossa, jossa tavoitteena oli sovittaa taloudellinen ja sosiaalinen kehitys niihin raameihin, missä luonto ja inhimillisen elämän edellytykset eivät kärsisi ja säilyisivät myös tuleville sukupolville. Yhteisenä linjauksena luotiin kestävän kehityksen peruskirja, joka saatiin projektiluontoisena valmiiksi vuonna 2000. Siinä linjataan eettiset periaatteet, joiden mukaan rakennetaan oikeudenmukaista ja kestävää yhteiskuntaa.

Kestävä kehitys on monia eri näkökulmia läpileikkaava tavoite, joka otetaan huomioon niin paikallisella kuin maailmanlaajuisella eli globaalilla tasolla. Pienillä sekä suurilla teoilla on siis merkitystä. Kestävän kehityksen perusperiaate on, että kaikilta näkökannoilta tarkasteltuna kaiken tekemisen lähtökohta on se, että se ei tule vahingoittamaan tulevaisuuden sukupolvia. Kaikessa toiminnassa ja päätöksenteossa tuleekin ottaa huomioon sekä ihminen, talous että ympäristö. Kun toimintaa suunnitellaan tai harjoitetaan, sen ekologiset, taloudelliset, kulttuuriset ja sosiaaliset vaikutukset pitää huomioida. Tämä tarkoittaa, että ihmisten hyvinvointi tulee turvata luonnon kantokyvyn ja monimuotoisuuden säilymisen vaatimissa rajoissa.

Ekologinen kestävyys varmistetaan, kun päätöksenteko ja toiminta ei vahingoita biologista monimuotoisuutta ja pyrkii säilyttämään ekosysteemien toimivuuden. Ihmisen taloudellinen toiminta tapahtuu luonnon kantokyvyn rajoissa myös pitkällä aikavälillä. Kansainvälinen yhteistyö on tärkeää ekologisen kestävyyden saavuttamisessa. Tähän pyrittäessä jokaiseen toimintaan johtava päätöksenteko pitää perustaa riskinarvioon sekä haittojen ja kustannusten seikkaperäiseen kartoitukseen. Jokapäiväisessä elämässä ekologista kestävyyttä voi edesauttaa muun muassa kierrättämällä ja jätteiden lajittelulla, ympäristöä vähän saastuttavien liikkumismuotojen hyödyntämisellä, energian ja veden säästämisellä sekä ympäristöystävällisesti tuotettujen tuotteiden käyttämisellä.

Biodiversiteetin säilyttäminen on ekologisesti kestävän kehityksen kulmakiviä (kuva PD).

 

Taloudellinen kestävyys taas on laadultaan kasvua, joka ei velkaannuta yhteiskuntaa tai hävitä varantoja. Talouspolitiikka tähtääkin kansallisen hyvinvoinnin säilyttämiseen, mutta samanaikaiseen lisäämiseen. Tämä on tärkeää, koska näin pystytään myös vastaamaan pitkän aikavälin haasteisiin kuten esimerkiksi väestön ikääntymiseen ja siitä seuraaviin sosiaaliturvamenoihin. Kestävä talous johtaakin suoraan sosiaalisen kestävyyden perustaan.

Kulttuuriseen kestävyyteen liittyy vahvasti arkkitehtuuri, taide, kieli ja uskonto. Kulttuurin kestävyys varmistetaan eri kulttuuriperintöjen säilyttämisellä ja viemällä sitä eteenpäin tuleville sukupolville. Myös monikulttuurisuus on rikkaus ja eri kulttuuriryhmien elämän ja tapojen ymmärtäminen ja kunnioittaminen lisää kulttuurista kestävyyttä. Sosiaalinen kestävyys ohjaa yksilön ja yhteisön hyvinvoinnin turvaamiseen henkisellä tasolla. Tällä pyritään siihen, että yhteiskunnassa on hyvä olla myös tulevaisuudessa eikä esimerkiksi syrjäytyminen tai paha olo lisääntyisi. Tähän päästään ihmisten oikeudenmukaisella kohtelulla ja erilaisuuden kunnioittamisella.

 

Jalanjälki ja selkäreppu kulutuksen mittareina

Saadaksemme kattavamman käsityksen kulutuksemme eri tasoista tarvitaan mittareita, joilla näitä tasoja voidaan havainnollistaa. Ekologinen jalanjälki kuvaa sitä maa- ja vesialuetta, mikä tuottaa yhdelle kansalaiselle tai tietylle ihmisryhmälle kaikki kulutettavat tuotteet ja palvelut. Tällaisia tuotantoalueita ovat esimerkiksi viljelysmaat, metsät ja kalastusalueet. On hyvä huomata, että määritelmän mukaan myös rakennetut alueet ovat osa tätä pinta-alaa. Asfaltoitu pinta tarjoaa liikkumisen helppoutta, ja toisaalta rakennettua aluetta ovat myös tuotantolaitokset. Ekologiseen jalanjälkeen katsotaan kuuluvan myös syntyvän jätteen käsittelyn vaatima pinta-ala.

Ekologinen jalanjälki maailman maissa vuonna 2006 (kuva PD).

 

Ekologisen jalanjäljen mittaaminen ei ole yksioikoista, vaan se voidaan laskea eri tavoin. Tästä johtuen ei voida antaa yhtä ja oikeaa ekologisen jalanjäljen lukuarvoa. WWF:n raportin mukaan (Living Planet Report v. 2012) keskivertosuomalaisen ekologinen jalanjälki oli 6,2 hehtaaria. Kun tätä lukua verrataan maapallon ekologiseen kapasiteettiin, mikä on n. 2 hehtaaria, huomataan selkeästi kulutuksemme kestämättömyys. Keskivertosuomalainen siis kuluttaa yli kolme kertaa maapallon ekologisen kapasiteetin verran. Maailman mittakaavassa keskiarvo ekologiselle jalanjäljelle on kuitenkin pienempi, noin 2,7 hehtaaria. Se tarkoittaa silti pinta-alana noin 1,5:n maapallon käyttämistä vuodessa. Elämmekin jatkuvasti velaksi.

 

Ekologinen selkäreppu puolestaan kuvaa sitä kuormituksen määrää, minkä yksittäinen tuote aiheuttaa koko elinkaarensa aikana, materiaalin hankinnasta tuotteen kierrättämiseen. Jokainen tuote kuluttaa paljon enemmän luonnonvaroja, kuin mitä tuotetta päältä päin katsoen voi ymmärtää. Esimerkiksi vain viiden gramman painoisen kultasormuksen ekologisen selkärepun paino on noin 2000 kg, sillä kullan louhinnassa käytetään paljon energiaa ja liikutellaan suuria kivimassoja.  Kilo paperia on taas huomattavasti vähemmän luonnonvaroja kuluttavaa. Paperikilon valmistamiseen kuluu luonnonvaroja noin 10 kg.

Pelkästään tuotteen selkärepun painon tuijottaminen ei ole kuitenkaan mielekästä, sillä eri tuotteilla on hyvin erilainen elinkaari. Mitä useammin valmista tuotetta käytetään, sen parempi ekotehokkuus sillä on. Ekotehokkuuden tunnusluku MIPS (Materia Input Pet Service unit) saadaan jakamalla tuotteen kuluttamat luonnonvarat käyttökertojen määrällä. Näin ollen sekä raaka-aineiden vähentäminen tuotteen valmistuksessa että tuotteen elinkaaren pidentäminen (käyttökertojen lisääminen) alentavat MIPS-lukua.

 

Kiertotalous

 

Yksi keino kestävän kehityksen tavoitteisiin pääsemiseksi on kiertotalous. Koska luonnonvarojen kulutus on nykyisessä taloudessa kestämätöntä, tulee niiden käyttöä vähentää. Kiertotalouden periaatteena on pitää materiaali jatkuvassa kierrossa, joten neitseellisten luonnonvarojen käyttöä raaka-aineena voidaan vähentää. Luonnonvaroja säästetään myös käyttämällä energiantuotannossa uusiutuvia energianlähteitä, kuten aurinkoenergiaa. Materiaalin kiertämisen lisäksi kiertotaloudessa on olennaista myös arvon säilyminen ja jopa arvonnousu, jätemateriaaleista voidaan valmistaa arvokkaita tuotteita ja palveluilla voidaan korvata tavaroiden ostamista. Kiertotalouteen syntyy myös lukuisia uusia työpaikkoja korvaamaan teknologian kehityksen myötä hävinneitä työpaikkoja. Kiertotalous on siis osa sekä ekologista, taloudellista että sosiaalista kestävää kehitystä.

Aurinkoenergia on vaihtoehto uusiutumattomille energianlähteille. Mitä ongelmia siihen liittyy? (Kuva PD)

Kirjastot, kierrätyskeskukset, kirpputorit ja jätteiden lajittelu ovat kaikkien tuntemaa kiertotaloutta, mutta myös uusien tuotteiden valmistuksessa voidaan ottaa luonnonvarojen säästäminen paremmin huomioon. Kiertotaloudessa erilaiset tuotteet suunnitellaan niin, että ne ovat helposti korjattavissa ja että niihin käytettävät materiaalit on mahdollista hyödyntää uudelleen sen jälkeen, kun tuote on tullut elinkaarensa loppupäähän. Tuotteiden valmistuksessa pyritään mahdollisimman pieneen jätemäärään ja niin että syntyvät jätteet ja muu sivumateriaali voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi toisten tuotteiden valmistamisessa tai energiantuotannossa. Tuotteiden valmistamisessa tulee siis ottaa huomioon koko tuotteen elinkaari alusta loppuun saakka. Kiertotalous koskee tavaroiden valmistuksen lisäksi kaikkea taloutta, kuten ruoantuotantoa ja palveluita.

 

Jakamistalous on osa kiertotaloutta. Nykyinen talousmalli pohjaa omistamiseen, jakamistaloudessa pyritään tavaroiden yhteisomistajuuteen tai lainaamiseen ja vuokraamiseen. Kirjastot ovat toimineet jakamistalouden periaatteella jo kauan: samoja kirjoja voivat lukea sadat ihmiset, joten kirjoja tarvitsee valmistaa vähemmän kuin jos jokainen lukija joutuisi ostamaan kirjat omaksi ja niiden valmistamiseen kuluu siten vähemmän luonnonvaroja. Kirjastojen toimintatapa voi laajeta myös muiden kuin kirjojen lainaamiseen, harvoin tarvittavia tavaroita voi lainata tai vuokrata. Samalla kuluttajat voivat säästää rahaa ja tavaroiden säilyttämiseen ei tarvita tilaa. Esimerkiksi porakoneita tai painepesureita vuokrata lyhyeksi ajaksi. Yhteisomistaminen voi ulottua myös liikkumiseen: varsinkin isommissa kaupungeissa on yhteiskäyttöautoja, joita voi varata itselleen tietyksi ajaksi korvausta vastaan ja myös kaupunkipyöriä on ilmestynyt viime vuosina katukuvaan. Yritykset voivat myös tarjota tavaroiden ostamisen sijaan palveluja: sen sijaan että kuluttaja ostaa tavaran omakseen, yritys voi ”liisata” eli korvausta vastaan antaa tavaran kuluttajan käyttöön ja samalla yritys on vastuussa tavaran huollosta ja korjaamisesta ja myös loppusijoituksesta. Tällaista leasingia on  harjoitettu jo pitkään yritysten välillä, mutta se on yleistymässä myös kuluttajille. Tällainen toimintatapa kannustaa yrityksiä valmistamaan pitkäikäisiä ja helposti huollettavia tavaroita.

 

Kiertotalouteen siirtyminen on tärkeää myös ruoantuotannossa. Lannoittamiseen tarvittava fosfori on hupenemassa oleva luonnonvara, ja samalla fosforia huuhtoutuu pelloilta ja jäteveden mukana vesistöihin. Ruokahävikin mukana hukataan myös fosforia ja muita ruoantuotantoon käytettyjä hyödykkeitä, kuten energiaa. Ruokahävikkiä muodostuu paljon jo alkutuotannossa, kun osa tuotteista ei pääse koskaan eteenpäin jalostukseen tai kuluttajalle. Perinteisesti, ennen nykyaikaista tehomaataloutta maatiloilla on toimittu kiertotalouden mukaan: eläinten lantaa on käytetty pelloilla lannoitteena ja tuotantoeläimistä on käytetty hyödyksi kaikki osat, eläimille on voitu syöttää ihmisille kelpaamatonta ravintoa ja jätettä on syntynyt hyvin vähän. Modernilla teknologialla myös tehomaataloudessa voidaan tehostaa myös materiaalin ja energian kiertämistä. Lannoitteiden todellinen tarve pystytään laskemaan ja lannoitteiden valuminen vesistöihin estämään. Jäteveden puhdistamot voivat ottaa jätevedestä ravinteita talteen ja muodostunutta lietettä voidaan käyttää lannoitteena. Ruokahävikkiä pystytään estämään monin keinoin, ja jokainen ihminen voi itse helposti vaikuttaa ruokahävikkinsä määrään ostamalla ruokaa vain sen verran minkä syö.

 

Videoita:

Maailman paras oppitunti osa 1: https://www.youtube.com/watch?v=MqWE6pwwbO0

Maailman paras oppitunti osa 2: https://www.youtube.com/watch?v=LKW66_ehWa4

Kiertotalous: https://www.youtube.com/watch?v=_dJMWnVQUUc

 

Tehtäviä:

  1. Keskivertosuomalaisen ekologinen jalanjälki on 6,2 hehtaaria, intialaisen 1,1, yhdysvaltalaisen 8,4, kiinalaisen 3,7. Mistä erot johtuvat?
  2. Laske oma ekologinen jalanjälkesi: http://www.footprintcalculator.org/ (englanniksi)
  3. YO-tehtävä, syksy 2017 (mukailtu):

Kompostointi on suositeltava tapa kotitalouden jätteitä, jos erillistä biojätteen käsittelyä ei ole. Jätteiden kompostointi onnistuu parhaiten siihen tarkoitetussa kompostorissa. Ota selvää kompostoinnin periaatteista ja vastaa seuraaviin kysymyksiin:

  1. Millaisia jätteitä voi kompostoida? Anna esimerkkejä.
  2. Mihin kompostin toiminta perustuu?
  3. Mitä hyötyä kompostoinnista on kotitalouksille?

(Mallivastaukset:

  1. Maissa, joissa elintaso on korkealla, kulutetaan luonnonvaroja enemmän kuin matalan elintason maissa. Mitä enemmän kulutetaan, sen suurempi on myös ekologinen jalanjälki. Suomessa ja Yhdysvalloissa muun muassa syödään enemmän lihaa, autoillaan enemmän, asutaan isommissa asunnoissa ja käytetään paljon energiaa. Vastaavasti Kiinassa ja Intiassa kulutustaso on alhaisempi. Kiina kuitenkin on keskiluokkaistumassa ja samalla luonnonvarojen kulutus on Kiinassakin kasvanut.
  2. Yksilöllinen vastaus
  3. Yo-tehtävä:
  1. Kompostiin sopii kaikki maatuva eli orgaaninen jäte, kuten ruoantähteet, kananmunankuoret, puutarhajäte, vähäiset määrät pehmopaperia. Kompostiin tarvitaan myös kosteutta sitovaa materiaalia, kuten haketta.
  2. Kompostin toiminta perustuu siihen, että mikrobit ja pieneliöt hajottavat orgaanista ainetta hapellisissa olosuhteissa. Hajotustoiminnan seuraksena syntyy multaa ja samalla vapautuu ravinteita, kuten fosforia ja typpeä kasvien käytettäväksi. Hajotustoiminta on vilkkainta lämpimässä, kosteassa ja aerobisessa eli hapekkaassa  ympäristössä.
  3. Kompostointi hyödyttää kotitalouksia:
  • vähentämällä sekajätteen määrää
  • tuottamalla multaa kasveille
  • vähentämällä lannoitteiden tarvetta viljelyssä
  • säästämällä jätehuollon kustannuksia
  • auttaa hillitsemään ilmastonmuutosta (orgaanisen aineen hajoaminen hapettomissa olosuhteissa muodostaa metaania, joka on voimakas kasvihuonekaasu)

BIO-004: Eliökunnan historia -oppimateriaali

|

Tekijät: Senni Luoto, Sonja Pekkola ja Laura Ahola

Tämä oppimateriaali on tuotettu Johdatus biologian opetukseen -kurssin puitteissa AAKE-hankkeeseen. Teoriaosuuden lisäksi postaukseen kuuluu tehtäväpaketti sekä mallivastaukset.

Eliökunnan historia

Maailmankaudet

Eliökunnan historia voidaan jakaa neljään pääaikakauteen: elämän alkuaikaan, elämän vanhaan aikaan, elämän keskiaikaan ja elämän uutteen aikaan. Elämän alkuajalla eli prekambrisella ajalla ilmakehässä oli hyvin vähän happea ja eliökunta koostui pääasiassa merien arkeista, bakteereista ja syanobakteereista. Elämän alkuaika päättyi n. 570 miljoonaa vuotta sitten niin kutsuttuun kambrin räjähdykseen. Kambrin räjähdyksellä viitataan siihen, että eliömäärä lisääntyi merissä räjähdysmäisesti. Tämä oli alkusysäys seuraavalle aikakaudelle – elämän vanhalle ajalle eli paleotsooiselle ajalle.

Kaaviokuva: Senni Luoto, kuvat: Creative Commons

Elämän vanhan ajan alussa merien eläimille alkoi kehittyä alkeellista hermostoa ja näköaistia, minkä ansiosta myös ensimmäiset petoeläimet kehittyivät. Myös ensimmäiset nykypäivän merkittävät fossiilit syntyivät, kuten runsaslukuiset trilobiitit. Vanhan ajan loppupuolella elämä siirtyi asteittain merestä maalle, mikä vaati eliöiltä uudenlaisia sopeumia. Elämän historian aikakausiin merkittävästi vaikuttaneita tapahtumia oli suuret sukupuuttoaallot, joita tapahtui elämän vanhan ajan aikana kolme. Viimeisin näistä vanhan ajan sukupuuttoaalloista n. 250 miljoonaa vuotta sitten on maapallon historian tuhoisin. Äkillinen lämpötilan nousu hävitti maapallolta kaikkiaan n. 96% lajeista. Tästä sukupuuttoaallosta alkoi uusi aikakausi – elämän keskiaika eli mesotsooinen aika.

Elämän keskiajan alussa elintilaa valtavan massasukupuuton jälkeen oli paljon. Ilmasto oli kuuma, mistä todisteena ovat pohjoisilta vuoristoilta löytyneet sanikkaisfossiilit. Elämän keskiaika oli dinosaurusten ja liskolintujen sekä suurien koppisiemenisten valtakautta. Tämä valtakausi päättyi kuitenkin n. 65 miljoonaa vuotta sitten asteroidin iskeytyessä Meksikoon Jukatanin niemimaan alueelle, synnyttäen valtaisan tsunamin ja nostattaen pölypilven, joka esti auringonsäteiden pääsyn maapallolle. Näitä tapahtumia seurasi pitkä kylmä jakso, jonka aikana lähes 75% maapallon eliöistä kuoli sukupuuttoon – mukaan lukien dinosaurukset.

Maapallolla on siis tapahtunut kaikkiaan 5 suurta sukupuuttoaaltoa. Niistä viimeisin käynnisti samalla nykyisen aikamme. Elämän uusi aika eli kenotsooinen aika on nisäkkäiden evoluution kulta-aikaa, joka lopulta johti myös ihmisen kehittymiseen. Ihmisen toiminnan myötä maapallo on muuttunut paljon ja monia lajeja on kuollut sukupuuttoon. Siksi yleinen käsitys onkin, että tällä hetkellä on käynnissä kuudes, ihmisen aiheuttama sukupuuttoaalto, jonka seurauksena vuoteen 2020 mennessä selkärankaisista lajeista jopa kaksi kolmasosaa saattaa olla tuhoutunut.

Elämän synty merissä

Nykyisin arvellaan, että elämä maapallolla saattoi hyvinkin syntyä syvänmeren alueella. Tuolla, katseilta piilossa, on maailman suurin geologinen muodostuma. Se on valtamerten keskiosia peittävä vedenalainen vuoristo, joka ulottuu maapallon kaikkiin osiin. Tätä valtavaa vuoristo kutsutaan keskiselänteeksi. Vilkaise kuvaa 2 ja kuvittele, kuinka eteläisellä Tyynellämerellä merenpohja repeilee. Yli kolme neljäsosaa planeettamme tuliperäisestä toiminnasta tapahtuu syvänmeren alueella. Toiminta on keskittynyt valtamerten keskiselänteille. Rajuista purkauksista seuraa kuitenkin paljon hyvää. Halkeamista syöksyy kaasuja ja tulikuuma vettä. Näistä suihkuista tiivistyvät mineraalit muodostavat suuria piippuja, joita kutsutaan hydrotermisiksi purkausaukoiksi. Eräät arkeonit ja bakteerit viihtyvät näissä aukoissa. Nykyisin tiedetään myös, että näiden kuumien lähteiden ympärillä on yhtä paljon elämää kuin trooppisissa sademetsissä. Yhden neliömetrin alalle voi paikoitellen ahtautua jopa puoli miljoonaa yksittäistä eläintä.

Hydrotermisistä purkausaukoista ehkä tärkeimmät sijaitsevat Atlantilla. Tämä erityinen purkausaukkojen alue on nimetty kadonneeksi kaupungiksi. Sen 60 metristen tornien sisällä tapahtuu jotain todella poikkeuksellista. Äärimmäisessä paineessa ja lämpötilassa syntyy spontaanisti hiilivetyjä, molekyylejä, jotka ovat kaiken elollisen peruskomponentteja (orgaanisen kemian perusta). Monet tutkijat uskovat nykyään, että elämä maapallolla saattoi saada alkunsa tällaisen purkausaukon ympärillä 4 miljardia vuotta sitten. Jos elämää esiintyy näin äärimmäisissä oloissa maapallolla, sitä voi varmasti esiintyä myös muualla.

Hydroterminen purkasaaukko eli syvänmeren savuttaja
Credit: New Zealand-American Submarine Ring of Fire 2005

Merenalainen vulkaaninen purkaus Tyynellämerellä,
Credit: Image courtesy of Submarine Ring of Fire 2006 Exploration

 

 

 

Elämä siirtyy maalle

Elämän alkuaikana ensimmäiset monisoluiset eliöt kehittyivät yhdistymällä monista yksisoluisista. Esitumalliset kehittyivät siis aitotumallisiksi eliöiksi, joilla ei vielä alkuun ollut tuman lisäksi muita soluelimiä. Ajan kuluessa monisoluisuus mahdollisti solujen erikoistumisen omiin tehtäviinsä, sekä eliön tehokkaamman kasvun ja suuremman koon. Suvuttoman lisääntymisen rinnalle kehittyi myös uusi, tehokkaampi keino lisääntyä. Suvullinen lisääntyminen mahdollisti perinnöllisen muuntelun sekä nopeamman sopeutumisen muuttuvan ympäristön uusiin olosuhteisiin. Kemo- ja fotosynteesin myötä eliöt pystyivät myös tuottamaan itse oman energiansa. Ensimmäisiä fotosynteesiin eli valon avulla yhteyttämiseen kykenevät eliöt olivat merissä eläviä syanobakteereita. Yhteyttämisen sivutuotteesta hapesta muodostui vähitellen ilmakehään UV-säteiltä suojaava otsonikerros. Vaikka aluksi happi oli anaerobisiin olosuhteisiin tottuneille eliöille myrkyllistä, soluhengityksen kehittyessä ja sopeutumislevittäytymisen kiihtyessä elämä alkoi siirtyä hiljalleen merestä maalle.

Kambrikauden räjähdyksen myötä elämän vanhalla ajalla kehittyivät eliöiden kaikkien nykyisten pääjaksojen edustajat. Vaikka suurin osa eliöistä eli yhä merissä, kilpailu maan valloittamisesta oli alkanut.  Endosymbioositeorian mukaan viherhiukkaset ovat ilmestyneet soluun sen fagosytoimista bakteereista. Yhteyttävistä viherlevistä kehittyivät ensimmäiset maakasvit eli sammalet, sekä myöhemmin sanikkaiset ja paljassiemeniset siemenkasvit. Ensimmäiset maaeläimet puolestaan olivat selkärangattomia kuten niveljalkaisia, jotka sopeuduttuaan aerobisiin oloihin saivat kilpailuedut siirtyessään ravinnon perässä maalle. Merten ensimmäisistä selkärankaisista eli luu- ja rustokaloista kehittyi hiljalleen sammakkoeläimiä, jotka puolestaan olivat ensimmäisiä maalla eläviä selkärangallisia. Sammakkoeläimistä kehittyi ajan myötä matelijoita ja niistä edelleen ensimmäisiä lintuja ja nisäkkäitä.

Pölyttäjän ja kukkakasvin rinnakkaisevoluutio on yksi esimerkki koevoluutiosta.
Kuva: Public Domain.

Koevoluution eli rinnakkaisevoluution myötä elämän keskiajalla kehittyivät myös koppisiemeniset kukkakasvit sekä niitä pölyttävät hyönteiset. Sekä kasvien että eläinten tuli sopeutua lyhyessä ajassa suuriin muutoksiin. Uudet kehittyvät rakenteet mahdollistivat uusien lajien synnyn ja sopeutumisen maaelämään. Permikauden lopulla uusi massasukupuutto katkaisi matelijoiden valtakauden ja linnut ja nisäkkäät alkoivat kehittyä ja runsastua edelleen. Lintujen ja nisäkkäiden, sekä uusien kasvien evoluutio jatkui voimakkaasti elämän uudella ajalla, jonka lopulla kehittyi myös nykyajan ihminen.

Eliökunnan historia -oppimateriaali, tehtävät

Eliökunnan historia -oppimateriaali; mallivastaukset

BIO-004: Entsyymitehtävien mallivastaukset

|
    1. 1.
        1. Väittämä on oikein.
        2. Kemiallisia reaktioita voi tapahtua ilman entsyymeitä, mutta niiden käynnistymiseen tarvitaan tällöin enemmän aktivaatioenergiaa ja reaktiot käynnistyvät hitaammin.
        3. Osa entsyymeistä toimii vain, jos kofaktori on liittynyt proteiiniosaan.
        4. Entsyymi ei tuhoudu reaktion päättyessä, vaan säilyy toimintakykyisenä.
        5. Joidenkin entsyymien toiminnalle optimaalinen pH on lähellä neutraalia, mutta ei kaikkien.
        6. Osa entsyymeistä toimii parhaiten yli 55 C-asteen lämpötilassa, mutta esimerkiksi ihmisen entsyymit denaturoituvat.

        2.

        1. Entsyymi
        2. Aktivaatioenergia
        3. Substraatti
        4. Kofaktori

BIO-004: Entsyymit

|

Tämä oppimateriaali on tuotettu osana Helsingin yliopiston biologian aineenopettajaopintojen Johdatus biologian opiskeluun -kurssia. Perehdyimme entsyymeihin ja kirjoitimme tietotekstin omaa ymmärrystämme syventäen. Suunnittelimme ja toteutimme myös aiheeseen liittyvän opetustuokion lukion biologian Solu ja perinnöllisyys -kurssin (BI3) opiskelijoille.

Tekijät: Katja Leiman, Henna Helén ja Sonja Vanhanen

 

Kaikki elävät eliöt tarvitsevat entsyymejä toimiakseen (12). Ilman entsyymejä elämälle välttämättömät reaktiot tapahtuisivat liian hitaasti, ja onkin esitetty, että ilman niitä elämä ei olisi mahdollista. (17, s. 29.) Esimerkiksi rubisco helpottaa hiilidioksidin sitomista ilmasta kasvien fotosynteesin pimeäreaktiossa, ja sitä onkin sanottu maailman tärkeimmäksi entsyymiksi (13, s. 19). Myös ihmisen elimistön kemiallisista reaktioista useimmat ovat entsymaattisia (17, s. 29), ja entsyymit ovat äärimmäisen tärkeässä roolissa mm. ruoansulatuksessa (12). Ilman ruuansulatusentsyymejä eläimet ja ihmiset kuolisivat nälkään, sillä entsyymit nopeuttavat ruuan pilkkoutumista solujen käyttöön sopivaan muotoon (7).

Entsyymejä on jokaisessa solussa ja tuhansia erilaisia (1 s. 28; 20, s. 54). Suurin osa niistä toimii solun sisällä, mutta osa eritetään myös solun ulkopuolelle (18). Solun sisäpuolella toimivia entsyymejä ovat esimerkiksi DNA:n kaksoiskierteen avaava entsyymi RNA-polymeraasi sekä lysosomissa ravintoaineita ja nukleiinihappoja pilkkova hydrolaasi (13). Solun ulkopuolelle erittyviä entsyymejä taas ovat esimerkiksi ruuansulatusentsyymit (18).

Kaikki solut tuottavat entsyymejä (18), ja niitä valmistetaan ja eritetään elimistössä tarpeen mukaan (13). Solun tumassa olevat geenit ohjaavat, millaisia entsyymejä ja kuinka paljon solu valmistaa (13).

Useimmat entsyymit ovat proteiineja (25). Solut valmistavat proteiineja aminohapoista proteiinisynteesin avulla. Aminohappojen muodostamat aminohappoketjut kiertyvät tai laskostuvat, vääntyvät mutkille ja liittyvät yhteen pallomaisiksi entsyymeiksi monivaiheisen prosessin seurauksena. (13.) Aminohappojärjestys määrää entsyymin kolmiulotteisen rakenteen (7). Tietyt entsyymit vastaavat oikeanlaisen kolmiulotteisen rakenteen muodostumisesta (19, s. 138). Entsyymin rakenne puolestaan määrittää sen, mitä kemiallista reaktiota entsyymi katalysoi (7). Entsyymi voi myös olla virheellinen, eikä sitä aina valmistu ollenkaan. Esimerkiksi osa ihmisistä saa sienistä vatsavaivoja, koska sienisokeria hajottavaa trehalaasientsyymiä ei kaikilla ihmisillä muodostu. (20, s. 55.)

 

Entsyymien toiminta

Kukin entsyymi vaikuttaa yleensä vain tietyn molekyylin tai yhdisteen eli substraatin toimintaan (2). Entsyymi-substraattispesifisyydellä tarkoitetaan sitä, että jokaisen reaktion käynnistymiseen vaikuttaa oma entsyymi (13). Kaikilla entsyymeillä on myös oma tietty tehtävänsä. Entsyymejä onkin verrattu työkaluihin: tietyssä tehtävässä toimii paremmin siihen suunniteltu työkalu kuin monitoimityökalu. (15.)

Biologisten reaktioiden käynnistymiseen tarvitaan yleensä runsaasti energiaa (aktivaatioenergia), joten ne alkavat hitaasti. Entsyymit helpottavat reaktioiden käynnistymistä vähentämällä tarvittavan aktivaatioenergiaan määrää ja nopeuttavat reaktioita eli toimivat katalyytteinä. [Kuva 1] Entsyymit eivät kuitenkaan itse kulu reaktiossa. Tästä syystä entsyymeitä tarvitaan vain pieniä määriä, ja niiden voidaan sanoa olevan tehokkaita. (1; 2; 13, s. 19; 20, s. 53-54.)

Kuva 1: Aktivaatioenergia soluhengityksessä. Tekijä: Jerry Crimson Mann 2006, muokannut: Henna Helén, Lisenssi: CC, GFDL

Entsyymien rakenne on yleensä kaksiosainen. Suurimman osan entsyymistä muodostaa proteiiniosa (eli apoentsyymi). (13, s. 20.) Osa entsyymeistä kykenee toimimaan vasta, kun niihin on kiinnittynyt erillinen osa, kofaktori (20, s. 54; 21). Kofaktorit voivat olla epäorgaanisia metalli-ioneja tai orgaanisia yhdisteitä, kuten suurikokoisia koentsyymejä, esimerkiksi vitamiineja (13, s. 20; 21; 24). Ne aktivoivat entsyymejä muuttamalla entsyymin aktiivisen alueen eli kiinnittymiskohdan substraatille sopivaksi (13, s. 20; 20, s. 54). [Kuva 2]

Kuva 2: Substraatin sitoutuessa entsyymi muuttaa muotoaan. Heksokinaasientsyymin aktiivinen alue merkitty sinisellä, substraatit (ATP ja 6-hiilinen sokeri) mustalla ja kofaktori (magnesium ioni) keltaisella. Tekijä: Thomas Shafee 2015, Lisenssi: CC

Reaktiossa substraatti kiinnittyy entsyymin aktiiviselle alueelle, syntyy entsyymi-substraatti-kompleksi, ja kemiallinen reaktio käynnistyy (3; 13, s. 20; 17, s. 29). Entsyymi ja substraatti voivat liittyä toisiinsa, koska substraatin sitoutuminen muuttaa entsyymin aktiivisen alueen muotoa (3; 22). Reaktion tuloksena substraatti muuttuu toiseksi aineeksi, lopputuotteeksi. Tällä tavoin substraatti voidaan pilkkoa tai liittää toiseen aineeseen. Reaktion loputtua entsyymi irtoaa lopputuotteesta. (3; 13, s. 20; 17, s. 29.) Entsyymit katalysoivat usein peräkkäisiä reaktioita. Tällöin edellisen reaktion lopputuote on seuraavan reaktion substraatti. (20, s. 54.)

Entsyymit toimivat esimerkiksi solujen aineenvaihdunnassa anabolisten (rakentavien) ja katabolisten (hajottavien) reaktioiden katalyytteinä. Anabolisessa reaktiossa entsyymi katalysoi substraatin rakentumista yksinkertaisemmista yhdisteistä monimutkaisemmiksi yhdisteiksi. Esimerkiksi kasvien pimeäreaktio, jossa glukoosimolekyylit rakentuvat pitkäksi ketjuksi ja muodostavat tärkkelystä. Anaboliset reaktiot sitovat energiaa. Kataboliset reaktiot ovat entsyymien hajottavia reaktioita. Niissä entsyymi katalysoi monimutkaisten yhdisteiden hajottamista yksinkertaisemmiksi yhdisteiksi. Soluhengitys on esimerkki katabolisesta reaktiosta. Siinä glukoosi hajoaa vedeksi ja hiilidioksidiksi ja samalla vapautuu energiaa solun käyttöön. (7, s. 66.) [Kuva 3]

Kuva 3: Entsyymin kiinnittyminen substraattiin ja muutos lopputuotteeksi. Anabolinen ja katabolinen reaktio. Tekijä: Henna Helén 2018, Lisenssi: public domain

 

Entsyymien toimintaan vaikuttavia tekijöitä

Entsyymien toiminnan tehokkuuteen vaikuttavat kaikki reaktioon osallistuvat ja ulkopuoliset tekijät, mm. entsyymin ja substraatin konsentraatio, happamuus, lämpötila, sekä aktivaattorit ja inhibiittorit. (10; 11; 12 ;13, s. 21; 21; 24) Ne voivat kiihdyttää, hidastaa tai estää entsyymin toiminnan kokonaan (13, s. 21).

Useimmissa eliöissä syntyy soluhengityksen sivutuotteena vetyperoksidia. Se on haitallista soluille, joten siitä pitää päästä nopeasti eroon. (12.) Tästä syystä soluissa on katalaasientsyymiä, joka hajottaa vetyperoksidia vedeksi ja hapeksi (12; 13, s.22). Hajotettavan vetyperoksidisubstraatin määrä eli konsentraatio vaikuttaa reaktion voimakkuuteen, joka on alkuvaiheessa nopea ja tuottaa paljon happea, mutta pysähtyy vähitellen substraatin vähentyessä. (13, s. 22.)

Kukin entsyymi toimii parhaiten juuri sille optimaalisissa olosuhteissa. Entsyymin toiminta vaikeutuu tai estyy epäsopivassa lämpötilassa tai pH:ssa. Useimmat solujen entsyymit toimivat parhaiten pH-neutraalissa ympäristössä, kuten esimerkiksi syljessä tärkkelystä pilkkova amylaasientsyymi. Ruuansulatuskanavan eri osissa esiintyy entsyymejä, jotka toimivat parhaiten happamissa tai emäksisissä olosuhteissa. Mahalaukussa happamassa nesteessä (pH 2) maharauhasen erittämä pepsiini pilkkoo ruuan proteiineja peptideiksi ja aminohapoiksi. Ruokasulan edettyä pohjukaissuoleen proteiinien pilkkomista jatkaa haiman erittämä trypsiini, jonka ihanteellinen pH on 8. Haima erittää monia ruoka-aineita hajottavia entsyymejä. (10; 11; 12; 17) [Kuva 4]

Kuva 4: Happamuuden vaikutus pepsiini- ja trypsiinientsyymien toimintaan. Tekijä: Gal M. 2007, muokannut: Henna Helén, Lisenssi: CC, GFDL

Esimerkiksi liian kuumassa ympäristössä entsyymi denaturoituu eli menettää kolmiulotteisen rakenteensa, jolloin se ei ole enää toimintakykyinen. Kuumennuksessa proteiinin kolmiulotteista rakennetta ylläpitävät rikkisidokset katkeavat ja vetysidokset järjestäytyvät uudelleen (eli rakenne muuttuu). Proteiinien denaturoitumisen korkeassa lämpötilassa voi huomata esimerkiksi ruuan valmistuksessa. Kananmunan paistaminen tai keittäminen saa munanvalkuaisen proteiinimolekyylit liittymään toisiinsa ja sitomaan vettä, jolloin valkuaisen koostumus muuttuu sakeaksi. Ihmisen entsyymit toimivat parhaiten +37 ºC:n lämpötilassa, ja yli 42ºc:n kuume johtaa denaturoitumisen vuoksi kuolemaan. Kuumissa lähteistä elävien bakteerien ja arkeonien entsyymit puolestaan toimivat parhaiten lähes +80ºC:ssa. Alhaisessa lämpötilassa entsyymien toiminta hidastuu, mutta ei lopu kokonaan edes pakkasasteiden puolella. Siksi pakastetut ruoka-aineet eivät säily ikuisesti. (7; 13, s. 22; 14.)

 

Entsyymien toiminnan säätely

Tietyt kemialliset aineet aktivoivat tai ehkäisevät entsyymien toimintaa. Solut myös tuottavat itse näitä aktivaattoreita ja inhibiittoreita. Entsyymien toimintaa kiihdyttäviä aineita kutsutaan aktivaattoreiksi. Aktivaattoreita ovat esimerkiksi monet kofaktorit ja koentsyymit. (24.)

Inhibiittorit ovat aineita, jotka estävät entsyymin aktiivisuutta (7). Inhibiittorit voivat estää entsyymin toiminnan tilapäisesti tai pysyvästi (13, s. 21). Ne voivat olla joko soluille haitallisia vierasaineita tai solun omia luontaisia inhibiittoreita. Esimerkiksi entsyymireaktion lopputuote voi toimia luontaisena inhibiittorina estäen entsyymin toiminnan silloin, kun lopputuotetta on tuotettu riittävästi. Näin solun sisäiset kemialliset reaktiot pysyvät tasapainossa. (7.)

Inhibiittori voi estää entsyymin toiminnan sitoutumalla itse entsyymin aktiiviselle alueelle (kilpaileva inhibitio) tai muuttamalla entsyymimolekyylin muotoa (ei-kilpaileva inhibitio). Kilpaileva inhibiittori sitoutuu entsyymin aktiiviselle alueelle, jolloin substraatti ei voi sitoutua siihen. (7.) [Kuva 5]

Kuva 5: Kilpaileva inhibitio. Tekijä: Jerry Crimson Mann 2006, muokkaus: Henna Helén, lisenssi: public domain

 

Ei-kilpaileva inhibiittori sitoutuu erilliseen sitoutumiskohtaan (allosteerinen kohta) entsyymissä. Inhibiittorin sitoutuminen aiheuttaa rakenteellisen muutoksen entsyymissä, mikä estää substraatin sitoutumisen. (7) [Kuva 6] Tätä kutsutaan entsyymin allosteeriseksi säätelyksi ja se voi olla entsyymiin sitoutuneesta molekyylistä riippuen joko inhiboiva tai aktivoiva reaktio (23). Allosteeriset säätelijät ovat lupaavia entsyymien aktiivisuuteen vaikuttavia lääkeaineita, koska ne ovat hyvin spesifisiä, toisin kuin aktiiviseen keskukseen sitoutuvat inhibiittorit (16).

Kuva 6: Ei kilpaileva inhibitio, allosteerinen säätely. Tekijä: Jerry Crimson Mann 2009, muokannut: Henna Helén, Lisenssi: public domain

Esimerkiksi monet lääkeaineet vaikuttavat entsyymien inhibitioreaktioihin. Kivun hoito perustuu nykyisin pääasiassa tulehduskipulääkkeisiin, joiden vaikutusmekanismina on COX-entsyymien toiminnan ja prostanoidien synteesin esto. (6.) Osa antibiooteista toimii bakteerien inhibiittoreina kiinnittymällä niiden aineenvaihdunnassa toimivien entsyymien aktiiviseen kohtaan (kilpaileva inhibitio) (7). Myös monet myrkyt vaikuttavat inhiboimalla entsyymejä. Esimerkiksi syanidi sitoutuu mitokondrioiden sytokromi-c-oksidaasi-entsyymiin, denaturoi sen ja katkaisee soluhengityksen elektroninsiirtoketjun, joka johtaa solun energiantuotannon loppumiseen (8; 9).

 

Entsyymien hyödyntäminen

Entsyymejä hyödynnetään monissa arkielämän tuotteissa ja niiden valmistuksessa. Esimerkiksi juuston valmistuksessa maito juoksutetaan kymosiinientsyymin avulla, ja vähälaktoosisista maitotuotteista laktoosia on pilkottu laktaasientsyymin avulla. (12.) Hammastahnaan ja purukumiin voidaan lisätä entsyymejä pahanhajuista hengitystä ehkäisemään, ja hiusväriin värin kiinnittymistä helpottamaan (19, s. 374-375). Monet pyykinpesuaineet sisältävät proteaasi-, amylaasi- ja lipaasientsyymejä, jotka hajottavat likatahrojen proteiineja, tärkkelystä ja lipidejä. Entsyymit toimivat hyvin eri lämpötiloissa, ja erilaisten entsyymien ansiosta voidaan käyttää alhaisempaa pesulämpötilaa sekä lyhyempää pesuohjelmaa. Kaikissa pesuaineissa ei kuitenkaan ole entsyymejä. Esimerkiksi villa ja silkki ovat proteiinipitoisia, ja proteaaseja sisältävä pesuaine harjoittaisi niiden kuitujen rakenteen. (12.)

Suuri osa kaupallisesti saatavilla olevista entsyymeistä on peräisin ja tuotetaan sienissä. Useimmat niistä on tarkoitettu elintarvike- ja pesuaineteollisuuden käyttöön. (19, s. 374.) Sienten kykyä hajottaa luonnonpolymeereja solunulkoisten entsyymien avulla hyödynnetään kasvibiomassojen muokkauksessa, esimerkiksi muovien raaka-aineena ja polttoaineena käytettävän etanolin valmistuksessa (19, s. 372, 379-381).

Entsyymejä hyödynnetään myös paperin valmistuksessa ja puuvillakankaiden käsittelyssä, sekä tekstiiliteollisuuden tuottamien väriaineiden puhdistuksessa jätevesistä. (19, s. 373-375, 382.) Parhaillaan tutkitaan sienten entsyymejä lääkkeiden kehitystyössä, pilaantuneen maan kunnostuksessa, sekä entsyymien vaikutusta jätevesien ympäristöä uhkaaviin yhdisteisiin ja lääkejäämiin (19, s. 374, 376, 382-383).

 

Käsitteet

Aktiivinen alue, aktiivinen keskus – substraatin (ja kilpailevan inhibiittorin) sitoutumiskohta entsyymissä.

Aktivaatioenergia – reaktion käynnistymiseen vaadittavan energian määrä.

Aktivaattori – entsyymin toimintaa aktivoiva aine (engl. activate)

Allosteerinen kohta – ei-kilpailevan inhibiittorin sitoutumiskohta entsyymissä.

Anabolia – rakentava reaktio, jossa kemiallista energiaa sitoutuu orgaaniseen yhdisteeseen.

Denaturoituminen – Proteiinien rakenteen muutos, jossa toimintakyky häviää. Tämä voi tapahtua esimerkiksi liian lämpimässä, happamassa, tai suolapitoisessa ympäristössä.

Entsyymi-substraatti-kompleksi, ES-kompleksi – entsyymin ja substraatin muodostama kokonaisuus.

Entsyymi-substraattispesifisyys – Kukin entsyymi vaikuttaa tietyn substraatin toimintaan.

Inhibiittori – entsyymin toimintaa ehkäisevä aine (engl. inhibit)

Katabolia – kemiallista energiaa vapauttava, hajottava reaktio.

Katalyytti – aktivaatioenergiaa pienentävä, kemiallista reaktiota nopeuttava aine.

Kofaktori – Aine jota entsyymi tarvitsee, mutta joka ei osallistu reaktioon. Kofaktori muodostaa toimivan entsyymin yhdessä proteiiniosan kanssa.

Koentsyymi – suurikokoinen orgaaninen kofaktori, esimerkiksi vitamiini.

Lopputuote – Substraatista muodostuva, entsymaattisen reaktion päättyessä valmistuva aine.

Proteiiniosa eli apoentsyymi – Muodostaa suurimman osan entsyymistä.

Substraatti – Molekyyli tai yhdiste, jota rakennetaan tai hajotetaan entsymaattisessa reaktiossa. Kiinnittyy entsyymin aktiiviselle alueelle.

 

Tehtävät

  1. Mitkä seuraavista väittämistä ovat virheellisiä. Miksi? Korjaa virheelliset väittämät.
    1. Kaikki solut tarvitsevat entsyymejä toimiakseen.
    2. Kemiallisia reaktioita ei voi tapahtua ilman entsyymejä.
    3. Entsyymit toimivat vain, jos kofaktori on liittynyt proteiiniosaan.
    4. Entsyymi tuhoutuu reaktion päättyessä.
    5. Entsyymien toiminnalle optimaalinen pH on lähellä neutraalia.
    6. Entsyymit toimivat parhaiten yli 55 C-asteen lämpötilassa.
  1. Mihin käsitteeseen selitys liittyy?
    1. Aktivaatioenergiaa pienentävä ja kemiallista reaktiota nopeuttava aine, yleensä proteiini.
    2. Reaktion käynnistymiseen vaadittavan energian määrä.
    3. Entsyymin aktiiviselle alueelle kiinnittyvä molekyyli tai yhdiste, jota rakennetaan tai hajotetaan entsymaattisessa reaktiossa.
    4. Muodostaa toimivan entsyymin yhdessä proteiiniosan kanssa.

Tehtävien mallivastaukset

 

Materiaalia oppitunnille

Tuntisuunnitelma

Johdanto ja yhteenveto

Juuston valmistus, opiskelijoiden työohje

Juuston valmistus, opettajan työohje

 

Lue loppuun →

BIO-004: Biodiversiteetti-oppimateriaali

|

Tekijät: Ronja Hyppölä, Petteri Saarela & Matias Järvinen

Tämä blogipostaus sisältää opetusmateriaalia lukion BI2-kurssille Ekologia ja ympäristö. Materiaali käsittelee biodiversiteettiä, ja sisältää ”oppikirjan” kappaleen aiheesta.

Biodiversiteetti

Biodiversiteetin tasot

Biodiversiteetti eli luonnon monimuotoisuus tarkoittaa elollisen luonnon erilaisuutta ja monipuolisuutta. Biodiversiteetillä on kolme tasoa: lajin sisäinen eli geneettinen monimuotoisuus, lajimonimuotoisuus ja ekosysteemien monimuotoisuus.

Geneettinen monimuotoisuus ilmenee jokaisella lajin yksilöllä ainutlaatuisena perimänä. Jokainen yksilö poikkeaa muista saman lajin yksilöistä geneettiseltä koostumukseltaan. Vaihtelua esiintyy esimerkiksi kasvien kylmänsietokyvyssä, kasvunopeudessa tai eläinten käyttäytymisessä. Geneettinen monimuotoisuus on tärkeää lajin sopeutumisen ja säilymisen kannalta. Yksilöllinen muuntelu mahdollistaa lajin sopeutumisen, kun laji leviää uusille alueille tai jos elinympäristö muuttuu. Monimuotoisuus suojaa populaatioita myös taudeilta, tuholaisilta ja saasteilta.

Kuva: Wikimedia Commons.

Lajimonimuotoisuus tarkoittaa lajien runsautta ekosysteemissä tai jollakin tietyllä alueella. Sademetsissä ja koralliriutoilla lajimonimuotoisuus on runsainta. Alueita, joilla monimuotoisuus on erityisen suurta, kutsutaan monimuotoisuus- eli hotspot-keskuksiksi. Myös vierekkäisten ekosysteemien raja-alueilla on runsaasti lajeja niin sanotulla reunavaikutusalueella. Suomessa lajimonimuotoisuus on suurinta lehdoissa ja lettosoilla. Jokaisella lajilla on oma paikkansa ekosysteemissä. Esimerkiksi monet hyönteiset pölyttävät kasveja ja toiset eläimet voivat auttaa kasveja levittäytymään syömällä ja ulostamalla niiden siemeniä. Jos ekosysteemissä lajimäärä muuttuu lajin katoamisen tai uuden lajin leviämisen takia, vaikutukset voivat ulottua koko ekosysteemiin.

Ekosysteemien monimuotoisuus on laajin monimuotoisuuden taso. Sillä tarkoitetaan erilaisten elinympäristöjen eli biotooppien monimuotoisuutta. Biotooppien monimuotoisuutta voidaan tutkia jollain tietyllä alueella tai koko maapallolla. Ekosysteemien monimuotoisuuteen vaikuttavat muun muassa lämpö, valo, maaperän ravinnepitoisuus ja kosteusolosuhteet. Maapallolla on 10 eri suurekosysteemiä, jotka ovat ekosysteemien muodostamia kokonaisuuksia. Maapallon 10 suurekosysteemiä ovat sademetsät, savannit, aavikot ja puoliaavikot, nahkealehtiset kasvit, subtrooppiset sademetsät, arot, lehtimetsät, havumetsät, tundrat ja vuoristot. Ekosysteemien rajat eivät ole tarkkoja, ja ekosysteemit vaikuttavat toisiinsa.

Kuva: Wikimedia Commons. Vertaile sademetsän ja tundran biotooppeja.

Biodiversiteetin alueellinen jakautuminen

Luonnon monimuotoisuus on jakautunut maapallolla epätasaisesti, sillä abioottiset eli elottomat tekijät, kuten valo, lämpö ja sademäärä vaihtelevat alueittain. Kunkin alueen abioottiset tekijät määrittävät, millainen ekosysteemi sinne muodostuu. Maapallo on jaettu suurekosysteemeihin eli biomeihin, joita ovat esimerkiksi pohjoiset havumetsät, aavikot ja trooppiset sademetsät.

Alueiden biodiversiteettiin vaikuttavia tärkeimpiä abioottisia tekijöitä ovat alueen pinta-ala, lämpötila, auringon säteily ja sadanta. Pinta-alaltaan laajalla alueella on paljon tilaa erilaisille eliölajeille ja -yhteisöille. Kun luonnonolot pysyvät vakaina, esimerkiksi vuoden ympäri lämpimissä ja kosteissa sademetsissä, eliöt eivät altistu muutoksista aiheutuvalle stressille. Pidemmällä aikavälillä vakaiden alueiden biodiversiteettiä vahvistaa se, että lajit ovat ehtineet aikojen saatossa sopeutumaan tiettyihin pysyviin paikkoihin eliöyhteisössä eli ekolokeroihin. Vakiintuneet olosuhteet ja eristyminen muista alueista voi johtaa myös ainutlaatuisiin endeemisiin lajistoihin, kuten Galapagossaarilla.

Suurin osa maapallon ekosysteemeistä perustuu auringon säteilyn energiaan, jota kasvit ja levät hyödyntävät yhteyttäessään. Maapallolla eniten auringon säteilyä saadaan päiväntasaajalla, vähiten napa-alueilla. Tästä johtuen perustuotanto ja ekosysteemien lajimäärät vähenevät napoja kohti edetessä. Maailman lajirikkaimpia alueita ovat trooppiset sademetsät ja koralliriutat.

Kuva: Wikimedia Commons. Kuva sammakkoeläinten lajimääristä.

Biodiversiteetin mittaaminen

Biologian sanakirjassa biodiversiteetti on määritetty seuraavasti: “elollisen luonnon monimuotoisuus; tarkoittaa eliölajien perinnöllistä muuntelua, eliöyhteisön lajiston monimuotoisuutta ja erilaisten eliöyhteisöjen kirjoa.” Miten monimuotoisuutta voidaan mitata tai minkälaisia keinoja biodiversiteetin arvioimiseksi käytetään?

Kuvat: Wikimedia Commons. Eliökunnan diversiteettiä.

Yleisin mittaamistapa on jonkin paikan tai alueen laji-lukumäärän laskeminen.  Lähtökohtaisesti tarkka laskeminen on kuitenkin hankalaa, sillä biodiversiteetin tasoja on useita, lajin sisäisistä erilaisiin eliöryhmiin. Sen lisäksi laskemisen toteuttaminen kentällä on haasteellista; jotkin lajit ovat liian pieniä tullakseen nähdyiksi, toiset taas eivät välttämättä ole laskentahetkellä paikalla vaikka normaalisti habitaattia asuttavatkin. Kaikkiaan biodiversiteetin mittaaminen on lähes aina vain suuntaa antavaa oikeassa luonnossa. Mittaamista ja biodiversiteettien vertailua voidaan kuitenkin tehdä, kun ensin päätetään selkeästi mitattavan biodiversiteetin taso, mitä eliöryhmiä huomioidaan, millä perusteilla eri lajeja painotetaan jos se on habitaatin kannalta oleellista ja millä tarkkuudella laskenta pyritään tekemään.

Joskus huomio kiinnitetään lajien tärkeyteen. Jotkin lajit ovat ns. avainlajeja, joiden läsnäolo vaikuttaa muihin lajeihin. Avainlajit mahdollistavat muiden lajien elämän kyseisessä habitaatissa. Usein tällaisia avainlajeja painotetaan laskennoissa niiden tärkeyden takia. Joitakin vain vähäisiä elinympäristön muutoksia sietäviä lajeja kutsutaan indikaattori- eli ilmentäjälajeiksi. Indikaattorilajien tai -ryhmien läsnäolo kertoo, että habitaattiin vaikuttaa jokin biologinen tai fysikaalis-kemiallinen tekijä, esimerkiksi pohjavesi, joka ei kuitenkaan välttämättä näy maisemassa päällepäin oikeana vesistönä. Jos tämä tekijä puuttuu, indikaattorilaji ei enää viihdy paikalla. Jotkin indikaattorilajit voivat ilmentää että habitaatissa esiintyy myös jotain toista tiettyä lajia; lajit ovat siis yhteydessä toisiinsa.

Kuva: Wikimedia Commons. Indikaattorilaji, rahkasammalet kertovat veden happamuudesta.

Monimuotoisuutta voidaan mitata myös vertailemalla lajien ainutlaatuisuutta tai paikallisten kotoperäisten lajien määrää. Hyvin äärimmäisissä elinympäristöissä asuvat lajit ovat ainutlaatuisempia kuin lajit joita tavataan monenlaisissa ympäristöissä. Toisaalta jos laji on sukunsa ainoa edustaja, on se ainutlaatuisempi, kuin laji jolla on useita läheisiä sukulaislajeja. Kotoperäiset eli endeemiset lajit asuttavat vain tiettyä aluetta ja ovat sopeutuneet elämään juuri siellä; ne ovat sieltä kotoisin. Kotoperäisten lajien esiintyminen painottaa kyseisen alueen tai habitaatin tärkeyttä biodiversiteetin säilymisen kannalta.

Monimuotoisuutta voidaan arvioida myös vertailemalla kahta eri aluetta tai habitaattia ja niiden lajien välistä erilaisuutta. Esimerkiksi järvi, jossa asuu ahvenia ei ole yhtä monimuotoinen kuin järvi, jossa on ahventen lisäksi haukia. Kuitenkin jos pelkkien ahvenien asuttaman järven ahvenet ovat geneettisesti monimuotoisia, lisää se myös koko järven monimuotoisuutta. Järvi voi myös luoda sen alueelle erilaisia habitaatteja, esimerkiksi erilaisia rantoja kallioisista hiekkaisiin, tai reheviä-  ja karuja saaria. Mitä enemmän näitä erilaisia elinympäristöjä on, sen monimuotoisempi järven alue on luultavasti myös lajistoltaan.

Yleisesti diversiteetistä puhuttaessa käytetään termejä alfa-, beeta- ja gammadiversiteetti, mitkä viittaavat diversiteettien maantieteelliseen tarkasteluun.

Alfadiversiteetti kuvaa alueellista monimuotoisuutta, beetadiversiteetti taas alueiden välistä diversiteettiä. Gammadiversiteetti on maantieteellisesti laajan alueen monimuotoisuus; usean alfadiversiteetin yhteenlaskettu monimuotoisuus.

Kuva: Ronja Hyppölä. Maantieteellinen alfa-, beta-, ja gammadiversiteetti.