3 Eliökunnan luokittelu

Transkriptio

1 3 Eliökunnan luokittelu YO Biologian tehtävien vastausohjeista osa on luettelomaisia ja vain osa on laadittu siten, että ohjeen mukainen mallivastaus riittää täysiin pisteisiin esimerkiksi ylioppilaskokeessa. 1. Luokitteluun liittyviä käsitteitä a. Laji on luokittelun perusyksikkö. Samaan lajiin kuuluvat yksilöt voivat lisääntyä keskenään ja niiden jälkeläiset ovat lisääntymiskykyisiä. Esimerkiksi susi on laji. b. Pääjakso on eläinten korkein luokitteluyksikkö, ja pääjaksot yhdessä muodostavat eläinkunnan. Pääjakso on esimerkiksi niveljalkaiset. c. Mikrobilla tarkoitetaan pieneliötä, jonka näkemiseen tarvitaan mikroskooppi. Esimerkiksi bakteerit ovat mikrobeja. d. Kunta on eliöiden luokittelun ylin taso. Eliöt jaetaan kuuteen kuntaan, esimerkiksi eläimet on yksi kunta. e. Kaari on kasvien korkein luokitteluyksikkö. Esimerkiksi siemenkasvit on yksi kasvien kaari. f. Alkueliö on alkueliöiden kuntaan kuuluva yksi- tai monisoluinen eliö. Esimerkiksi levät ovat alkueliöitä. 2. Tuntematon eläinlaji Eläimen anatomian tarkastelu: millaiset raajat, onko selkärankaa, ihon rakenne, hengitys- ja verenkiertoelimistön rakenne, lisääntymiselimistön rakenne, luuston rakenne. Käyttäytymisen tutkiminen: liikkumistapa, miten kommunikoi. Lisääntymistapa: ulkoinen vai sisäinen siitos, missä poikaset kehittyvät. Proteiinien tutkiminen ja vertailu lähisukulaisiksi arveltuihin lajeihin. DNA:n rakenteen tutkiminen. Kromosomien tutkiminen. Kuvan eläinlaji kuuluu kaloihin ja on lajinimeltään Psychrolutes marcidus. (Englanninkielinen nimi blobfish, ei suomalaista nimeä.) Jakso 1 1 Solut ja Eliöt

2 3. Eläinkunnan pääjaksot a. 1. Järvisieni kuuluu sienieläinten pääjaksoon 2. Käärme kuuluu selkäjänteisiin 3. Kasteliero kuuluu nivelmatoihin 4. Mustekala kuuluu nilviäisiin 5. Rapu kuuluu niveljalkaisiin 6. Meritähti kuuluu piikkinahkaisiin. b. Sienieläimet ovat rakenteeltaan hyvin yksinkertaisia: ne koostuvat kahdesta solukerroksesta ja niiden välissä olevista erilaistumattomista soluista. Nivelmadoilla on tikapuumainen hermosto ja ruumiin etupäässä alkeelliset aivot. Verenkierto on suljettu, eikä niillä ole sydäntä, vaan verta eteenpäin kuljettavat sykkivät verisuonet. Hengityselimistönä toimii iho. Niveljalkaisille on tyypillistä kitiinistä koostuva ulkoinen tukiranka. Niillä on tikapuuhermosto, monipuoliset aistit ja avoin verenkierto. Vedessä elävä rapu hengittää kiduksilla, kun taas maaniveljalkaisten hengityselimistönä toimii ilmaputkisto. Selkäjänteisillä, kuten käärmeellä, on sisäinen tukiranka, joka koostuu selkäjänteestä ja sitä suojaavista nikamista. Kaikkien maaselkäjänteisten tapaan käärmeet hengittävät keuhkoilla. Nilviäisten verenkierto on avoin, ja esimerkiksi mustekalan hermosto ja aistit ovat hyvin kehittyneet. Nilviäisten pehmeä ruumis on usein kalkkikuoren suojaama. Piikkinahkaisilla on sisäinen, kalkkilevyistä koostuva tukiranka, ja niiden hermosto on säteittäinen. Piikkinahkaisten liikunta, ruuansulatusja hengityseliminä toimii vesiputkilosto ja siihen liittyvät imujalat. 4. Putkilokasvin ja lakkisienen vertailua (yo k-13) Termi tai rakenne Putkilokasvi Lakkisieni Soluseinä X X Selluloosa X Kitiini X Fotosynteesi X Soluhengitys X X Juuri X Johtojänne X Nila X Itiö X X Itiöemä X Emi X Autotrofia X Heterotrofia (X) X Mykorritsa X X Silmu X Ilmarako X Jakso 1 2 Solut ja Eliöt

3 5. Retro-RNA-viruksen lisääntyminen RetroRNA-virus pääsee isäntäsolun sisään, kun sen vaippa sulautuu isäntäsolun solukalvoon. Solun sisälle päästyään virus hajotetaan isäntäsolun entsyymien avulla. Virus kopioi mukanaan kuljettamansa käänteiskopioijaentsyymin avulla yksijuosteisen RNA:n kaksijuosteiseksi DNA:ksi. Viruksen DNA siirtyy tumaan, liittyy osaksi isäntäsolun DNA:ta ja isäntäsolu muuttuu virustehtaaksi. Kun isäntäsolu tekee kopioita viruksen RNA:sta, osa syntyneestä RNA:sta toimii uusien virusten perimänä ja osa lähetti-rna:na. Syntyvän virus-lähetti-rna:n ohjeen mukaan isäntäsolu valmistaa proteiinisynteesissään uusien virusten pintaproteiineja ja käänteiskopioijaentsyymejä. Syntyneet pintaproteiinit kuljetetaan rakkuloissa uusien virusten kokoamispaikalle. Uudet virukset kootaan ja eritetään ulos solusta eksosytoosin avulla. Ulos lähtiessään virukset ottavat ympärilleen vaipan, joka koostuu isäntäsolun solukalvosta ja viruksen pintaproteiineista. 6. Bakteerien ja virusten vertailua a. Bakteeri: Bakteereilla on solurakenne. Bakteerissa on solukalvo, soluseinä ja joskus soluseinän ulkopuolella myös kapseli. Perintöaines on DNA:ta, ja se on yhtenä kromosomina sekä plasmidirenkaina solulimassa. Suuret soluelimet ja solukalvorakenteet puuttuvat. Solulimassa on runsaasti ribosomeja, joiden pinnalla tapahtuu bakteerin proteiinisynteesi. Solukalvosta sisäänpäin poimuttuneella yhteyttämiskalvostolla tapahtuvat fotosynteesireaktiot ja soluhengityskalvostolla soluhengitysreaktiot. Virus: Viruksissa ei ole solurakennetta. Ne koostuvat proteiinikuoresta, jossa on pintaproteiineja. Proteiinikuoren sisällä on perintöaines, joka voi olla DNA:ta tai RNA:ta. Viruksen ulkopuolella on joskus vaippa, joka on peräisin isäntäsolusta. b. Bakteerit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla. Ennen jakautumista bakteerin perintöaines kahdentuu. Suotuisissa oloissa jakautuminen on hyvin nopeaa. Virukset lisääntyvät isäntäsoluissaan. Ne tunnistavat isäntäsolunsa sen solukalvon reseptorien perusteella. Virus tunkeutuu soluun ja muuttaa isäntäsolunsa virustehtaaksi. Kun solu tulee täyteen viruksia, se hajoaa. Jakso 1 3 Solut ja Eliöt

4 c. Sekä bakteereissa että viruksissa perinnöllistä muuntelua aiheuttavat geenimutaatiot ja rekombinaatio. Molemmissa resessiivisetkin geenimutaatiot ilmenevät heti, koska geeneiltä puuttuvat vastinalleelit. Bakteereissa rekombinaatiota tuottavat transformaatio, konjugaatio ja transduktio. Transformaatio tarkoittaa sitä, että bakteeri pystyy ottamaan sisäänsä kuolleen bakteerin plasmideja ja kromosomin paloja. Konjugaatiossa luovuttajabakteeri siirtää kahdentunutta perintöainestaan vastaanottajabakteeriin. Transduktiossa bakteriofagi eli bakteerissa lisääntyvä virus siirtää geenejä bakteerista toiseen. Virusten rekombinaatiota voi tapahtua silloin, jos samaan isäntäsoluun joutuu kaksi geenikoostumukseltaan erilaista virustyyppiä. Kun isäntäsolussa syntyy uusia viruksen osia ja ne kootaan viruksiksi, voi jonkin uuden viruksen sisälle tulla sellainen geeniyhdistelmä, jossa osa geeneistä on peräisin toiselta ja osa geeneistä toiselta alkuperäiseltä virukselta. 7. Eliöiden luokittelua (yo k-11) Kuva 1 Kuva 2 X X Kuva 3 Kuva 4 Kuva 5 Selkäjänteinen Selkärankainen Niveljalkainen X Piikkinahkainen Polttiaiseläin X Koppisiemeninen X Paljassiemeninen Itiökasvi X Aitotumallinen X X X X X Esitumallinen X Kuva 6 Jakso 1 4 Solut ja Eliöt

5 8. Lintuinfluenssan leviäminen a. b. c. Pandemialla tarkoitetaan maailmanlaajuista kulkutautia, esimerkkinä espanjantauti. Taudinaiheuttaja on sellainen, jota vastaan suurimmalla osalla ihmisistä ei ole immuniteettia, ja siksi sekä tautiin sairastuneita että kuolleita on paljon. Lintuinfluenssaa on sekä luonnonvaraisissa että ravinnoksi kasvatettavissa linnuissa. Virus siirtyy linnusta toiseen esimerkiksi sellaisen veden mukana, jossa on lintujen ulosteita. Luonnonvaraiset linnut kuljettavat lintuinfluenssan uusille alueille muuttaessaan talvehtimispaikoilta kesäasuinsijoilleen, esim. Lähi-idästä Eurooppaan. Aasian maissa asutus on hyvin tiheää, ja ravinnoksi kasvatettavia lintuja pidetään samoissa tiloissa, missä ihmisetkin oleskelevat, joten lintuinfluenssalla on otolliset olosuhteet siirtyä myös ihmisiin. Huono hygienia esimerkiksi kuolleiden lintujen käsittelyssä edistää taudin leviämistä. Tällä hetkellä lintuinfluenssavirus voi ihmiseen tarttuessaan sairastuttaa ihmisen, mutta se ei pysty siirtymään sairaasta ihmisestä terveeseen. Mikäli samaan ihmisen soluun joutuu sekä lintuinfluenssavirus että ihmisen influenssavirus, voi tapahtua rekombinaatiota: Virusten geenit sekoittuvat, ja syntyy uusi virustyyppi, jonka geeneistä osa on peräisin lintuinfluenssaviruksesta ja osa ihmisen influenssaviruksesta. Mikäli tämä uusi geeniyhdistelmä antaa virukselle kyvyn siirtyä ihmisestä toiseen ja tartuttaa tauti toiseen ihmiseen, on syntynyt vaarallinen pandemian aiheuttava influenssavirustyyppi. Jakso 1 5 Solut ja Eliöt

6 +9. Virusten leviäminen (yo s-12) Monet eläinvirukset, kuten influenssavirukset, leviävät pisaratartunnalla. Veren välityksellä leviää esimerkiksi HIV-virus. Vektoreina toimivat hyönteiset, kuten punkit ja hyttyset, voivat myös levittää eläinviruksia. Kasvivirukset voivat levitä hyönteisten kuljettamina tai tuulen mukana. Kasviviruksia levittävät esimerkiksi kirvat. Kasvivirukset voivat siirtyä myös saastuneesta kasvista toiseen. Virukset lisääntyvät soluissa, ja ne ovat yleensä isäntäspesifisiä. Jotkut virukset pystyvät lisääntymään eri lajeissa ja siirtymään lajista toiseen. Tällainen on esimerkiksi influenssavirus. Virus käyttää lisääntymisessään apuna isäntäsolun aineenvaihduntamekanismeja: entsyymejä, DNA:n kahdentumista, proteiinisynteesiä, endosytoosia ja eksosytoosia. Virus otetaan isäntäsoluun sisään endosytoosin avulla, ja sisälle päässyt virus hajotetaan isäntäsolun entsyymien avulla. DNA-viruksen perimä siirtyy tumaan ja kiinnittyy osaksi isäntäsolun jotain kromosomia. Sitten isäntäsolu alkaa valmistaa uusien virusten DNA:ta ja proteiiniosia. RNA-virus pääsee isäntäsoluun sisälle, kun sen vaippa sulautuu isäntäsolun solukalvoon. Virus- RNA muutetaan viruksen mukanaan kuljettaman käänteiskopioijaentsyymin avulla kaksijuosteiseksi DNA:ksi, joka siirtyy tumaan ja kiinnittyy osaksi isäntäsolun kromosomia. Isäntäsolu alkaa valmistaa virus-rna:ta ja uusien virusten proteiiniosia. Virusten osat kootaan solulimassa ja ne poistuvat isäntäsolusta eksosytoosin avulla. RNA-virukset saavat poistuessaan ympärilleen vaipan, kun ne ottavat mukaansa isäntäsolun solukalvoa. Viruksia on vaikea torjua, koska ne muuntelevat hyvin paljon. Muuntelun seurauksena viruksen pintarakenteet muuttuvat, eivätkä ihmisen muistisolut tunnista viruksia. Muuntelun vuoksi myös osa rokotteista vanhenee nopeasti. Muuntelua aiheuttavat geenimutaatiot ja rekombinaatio. Kaikki geenimutaatiot ilmenevät heti, koska viruksissa jokaista geeniä on yksi kappale. Virusten rekombinaatiota tapahtuu silloin, jos samaan isäntäsoluun joutuu kaksi erilaista virustyyppiä. Isäntäsolussa voi syntyä uudenlainen virus, jonka geenit ovat yhdistelmä kahdesta aiemmasta viruksesta. Virusten tehokkaasta perinnöllisestä muuntelusta on esimerkkinä influenssavirukset, jotka voivat lisääntyä sekä ihmisessä että vesilinnuissa ja sioissa. Joitakin viruksia on vaikea torjua sen vuoksi, että ne voivat piileskellä isäntäsoluissa kauan aikaa ja aktivoitua aina välillä. Esimerkiksi herpesvirus on tällainen virus. Joihin virustauteihin on olemassa rokote, joka antaa elinikäisen suojan kyseistä virustauteja vastaan. Tällaisia rokotteita on esimerkiksi hepatiitti A- ja B-rokote sekä tuhkarokkorokote. Jakso 1 6 Solut ja Eliöt

7 +10. Sienet ja niiden merkitys (yo k-08) Rakenne ja ominaisuudet: Tumallisia eliöitä. Sieniin kuuluvat hiivat, homeet ja monisoluiset sienet sekä jäkälät. Sekä yksisoluisia (hiivat) että monisoluisia. Soluseinä kitiiniä. Ei viherhiukkasia. Toisenvaraisia. Lisääntyvät itiöiden ja sienirihmastojen avulla. Osa monisoluisista sienistä muodostaa itiöemän (esimerkiksi tatit). Monet sienet ovat myrkyllisiä (esimerkiksi punakärpässieni). Jäkälät kuuluvat sieniin: koostuvat yksisoluisista levistä ja sienirihmastosta. Esimerkiksi poronjäkälä. Merkitys: Tärkeitä hajottajia, osallistuvat ravinteiden kiertoon. Loisia: esimerkiksi käävät ottavat ravintoa isäntäpuusta. Tautien aiheuttajina: homeallergiat, kasvitaudit, eläintaudit. Elintarvikkeiden ja rakennusten pilaajina: homeet. Mutualistisissa suhteissa muiden eliöiden kanssa: - Monilla kasveilla on sienijuuri, jossa sieniosakkaan sienirihmasto antaa kasville vettä ja ravinteita ja kasvi antaa sieniosakkaalle yhteyttämäänsä sokeria. Esimerkiksi kantarelli ja koivu. - Jäkälässä leväosakas yhteyttää ja antaa sieniosakkaalle sokeria, sieniosakas ottaa ilmasta vettä ja ravinteita ja antaa niitä leväosakkaalle. Sieniosakas myös kiinnittää jäkälän kiinni alustaansa. Bioindikaattoreina: jäkälät ovat herkkiä ilman saasteille. Erityisesti lupot ja naavat ovat hyviä ilman saastumisen bioindikaattoreita. Ravintona eläimille ja ihmisille. Monet eläimet syövät sieniä, porojen tärkeää ruokaa on jäkälä. Hiivojen ja homeiden käyttö elintarvikkeiden valmistuksessa: olut, leipä, homejuusto. Hiiva- ja homesienten käyttö proteiinien tuottajina bioteknologiassa. Jakso 1 7 Solut ja Eliöt

8 11. Bakteerien evoluutio (yo k-10) Bakteereissa DNA:n kopioinnissa tapahtuu runsaasti virheitä, joten geenimutaatioita syntyy paljon. Kaikki geenimutaatiot ilmenevät heti, koska bakteereissa jokaista geeniä on vain yksi kappale. Bakteereissa tapahtuu myös rekombinaatiota eli syntyy uusia ominaisuusyhdistelmiä kolmella tavalla: 1. transformaatiossa, jossa elävä bakteeri ottaa sisäänsä kuolleen bakteerin perintöainesta, 2. konjugaatiossa, jossa luovuttajabakteerista siirtyy perintöainesta vastaanottajabakteeriin ja 3. transduktiossa, jossa bakteriofagi voi kuljettaa bakteerin perintöainesta bakteerista toiseen. Bakteerit lisääntyvät jakautumalla suotuisissa oloissa hyvin nopeasti. Luonnonvalinta suosii niitä bakteereja, joilla on paras geeniyhdistelmä, joten kelpoisimpien bakteerien määrä kasvaa nopeasti. Bakteerien nopea evoluutio näkyy esimerkiksi sairaalabakteerien yleistymisessä ja antibioottiresistenttien bakteerikantojen kehittymisessä. Jakso 1 8 Solut ja Eliöt

9 4 Erilaisia soluja, samoja kemiallisia yhdisteitä 1. Soluja ja soluelimiä a. 1. Kasvin yhteyttämissolukon solu 2. Poikkijuovainen lihassolu 3. Hermosolu 4. Siittiösolu 5. Punasolu 6. Valkosolu b. a. Viherhiukkanen b. Aktiini- ja myosiinisäikeitä c. Viejähaarake d. Siima 1. Kasvin fotosynteesireaktiot tapahtuvat viherhiukkasissa, joita on eniten kasvin lehtien yhteyttämissolukossa. 2. Lihas koostuu suuresta määrästä lihassoluja. Aktiini- ja myosiinisäikeiden liukuminen lomittain saa aikaan lihassolun supistumisen. Mitä useampi lihassolu on supistuneena, sitä suuremmalla teholla lihas toimii. 3. Hermosolun tehtävänä on kuljettaa hermoimpulsseja. Viejähaarakkeessa impulssi kulkee sähköisenä hermosolun solukeskuksesta kohti synapsia. 4. Siittiösolun tehtävänä on kuljettaa isältä tuleva perintöaines munasoluun. Siittiösolun liikkeen saa aikaan siima, ja liikkumiseen tarvittava energia tulee siittiösolun keskikappaleessa olevien mitokondrioiden soluhengityksestä. 5. Punasolun tehtävänä on kuljettaa happea, joka sitoutuu punasolussa olevaan hemoglobiinimolekyyliin. Punasolun muoto (kiekkomainen ja keskeltä litistynyt) lisää sen hapenkuljetuspinta-alaa. Punasolussa ei ole tumaa. 6. Valkosolujen tehtävänä on tuhota elimistölle vieraita soluja tai molekyylejä solusyönnillä tai erittämiensä vasta-aineiden avulla. Jakso 1 9 Solut ja Eliöt

10 a. Hermosolu: tehtävänä impulssien kuljetus ja siirtäminen toiseen hermosoluun tai lihassoluun paljon lyhyitä tuojahaarakkeita ja yksi pitkä viejähaarake kun haarakkeita on paljon, pystyy yksi hermosolu olemaan yhteydessä monen muun hermosolun kanssa, jolloin toiminta on tehokasta. Siittiösolu: häntä liikkumista varten pään sisällä siittiön geenit kun siittiösolu on tunkeutunut munasolun sisälle, sen häntä katkeaa tarpeettomana ja jää munasolun ulkopuolelle. keskikappaleessa paljon mitokondrioita, joissa tuotetaan energiaa siittiön liikkumista varten. kaksoiskovera, joten pinta-ala on suuri ja pystyy sitomaan tehokkaasti happea Punasolu: - sisällä ei soluelimiä (esim. tumaa tai mitokondrioita) - aineenvaihdunta anaerobista, joten ei itse kuluta kuljettamaansa happea. - solukalvo hyvin taipuisa, minkä seurauksena punasolu pystyy kulkemaan hyvinkin ahtaissa hiussuonissa. 2. Biologian ilmiöitä a. b. c. Solujen tukiranka koostuu erikokoisista proteiinisäikeistä. Tukirangan tehtävänä on mm. säädellä soluelinten paikkaa ja aineiden kuljetusta soluissa sekä muodostaa tumasukkulan rihmat, kun solu jakautuu. Koska taksoli tuhoaa syöpäsolujen tukirangan, solut menettävät jakautumiskykynsä: kromosomit eivät sukkularihmojen puuttuessa pysty ohjautumaan solun keskitasoon ja edelleen jakautumaan tytärkromatideiksi. Solujen yhteenlaskettu pinta-ala on sitä suurempi, mitä useampia niitä on ja mitä pienempiä ne ovat. Aineenvaihduntapintaa on enemmän, aineenvaihduntareaktiot tapahtuvat tehokkaammin ja solunsisäiset aineidenkuljetusmatkat ovat lyhyitä. Vesi on hyvä liuotin, aineiden kuljettaja ja lämmönsäätelijä. Vesi on useimpien solun kemiallisten reaktioiden lähtöaine tai lopputuote. Veden nestejännitys antaa solulle muodon ja tukee solua. Jakso 1 10 Solut ja Eliöt

11 3. Solujen välinen viestintä Kaikki käsitteet liittyvät solujen väliseen viestintään. a. Viestiaine on yleisnimitys kaikille solujen erittämille aineille, jotka vaikuttavat muiden solujen toimintaan. b. Kudoshormoni on viestiaine, jonka solu tai soluryhmä erittää kudosnesteeseen ja joka vaikuttaa naapurisoluihin. c. Kasvutekijät ovat viestiaineita, jotka muuttavat naapurisolujen toimintaa kytkemällä niiden geenejä päälle tai pois päältä. Siten ne säätelevät solujen jakautumista ja kypsymistä erityisesti alkion- ja yksilön eri kehityksen eri vaiheissa. d. Mikäli viestiaine eritetään vereen ja se siirtyy veren mukana kauemmaksi, puhutaan hormonista. e. Välittäjäaineet ovat hermosolujen viejähaarakkeissa hermonpäätteistä erittyviä viestiaineita, joiden avulla impulssi siirtyy hermosolusta toiseen synapsiraon yli. f. Vaste tarkoittaa viestin vastaanottaneen solun reagointia viestiaineeseen. 4. ATP-molekyyli a. b. c. ATP-molekyylin sisältämä energia on fosfaattiosien välisissä kemiallisissa sidoksissa. Kun solussa tarvitaan energiaa, irtoaa ATP-molekyylistä yksi fosfaattiosa ja syntyy ADP-molekyyli. Samalla vapautuu yhden sidoksen sisältämä energia solun käyttöön. ADP-molekyylistä voi irrota vielä yksi fosfaattiosa, jolloin vapautuu yhden sidoksen sisältämä energia solun käyttöön ja syntyy AMPmolekyyli. AMP- ja ADP-molekyyleihin liitetään fosfaattiosia, AMP-molekyyliin kaksi ja ADP-molekyyliin yksi, ja niistä syntyy ATP-molekyylejä. ATP-molekyylejä latautuu fotosynteesin valoreaktiossa, glykolyysissä, soluhengityksessä ja käymisessä. Jakso 1 11 Solut ja Eliöt

12 5. Solun orgaanisia yhdisteitä a. Kuvassa a. on hiilihydraatteihin kuuluva monosakkaridi, b. kuvassa DNA:n nukleotidi, c. kuvassa hiilihydraatteihin kuuluva, tuhansista monosakkarideista muodostuva polysakkaridi ja d. kuvassa lipidi. b. Monosakkaridit ovat solujen energialähteitä. Solukalvossa monosakkaridit muodostavat yhdessä proteiinien kanssa solukalvon glykoproteiineja, jotka toimivat solujen reseptori- ja tunnistuskohtina. DNA:ta on kromosomeissa, mitokondrioissa ja viherhiukkasissa, ja ne sisältävät solun perinnöllisen informaation. Polysakkaridit ovat varastohiilihydraatteja. Eläinsoluissa ne ovat glykogeenina maksa- ja lihassoluissa, kasvisoluissa tärkkelyksenä esim. perunan mukuloissa ja banaanissa. Lipidit ovat solun energiavarastona, solun kalvorakenteissa ja joidenkin hormonien rakenneosina sekä kasvisoluissa väriaineina. 6. Bakteerisolun rakenne Bakteerisolun osien tehtävät: Kromosomi: koostuu DNA:sta ja sisältää geenejä. Bakteerissa on vain yksi kromosomi. Plasmidi: pieni DNA-rengas, jossa on osa bakteerin geeneistä. Plasmidien määrä voi vaihdella. Solukalvo: säätelee aineiden kulkua bakteeriin ja bakteerista ulos Soluseinä: suojaa bakteeria Kapseli: suojaa bakteeria ja auttaa sitä kiinnittymään kohteeseensa. Soluhengityskalvosto: soluhengitysreaktiot tapahtuvat siellä. Yhteyttämiskalvosto: fotosynteesireaktiot tapahtuvat siellä. Ribosomi: aminohappoketjun rakentumispaikka. Ripset ja siimat: auttavat liikkumisessa ja alustaan kiinnittymisessä. Solulima: aineenvaihduntareaktioiden tapahtumispaikka. Jakso 1 12 Solut ja Eliöt

13 7. Kasvisolun rakenne ja toiminta a. Malli graafisesta esityksestä. HUOM! Älä käytä punaista kynää ylioppilaskirjoituksissa. Se väri on varattu korjaajille. b. c. Tumaa ympäröi kaksikerroksinen tumakotelo, jossa on tumahuokosia. Tuman sisällä on tumajyvänen sekä DNA:sta ja proteiinimolekyyleistä koostuvia kromosomeja. Ribosomi on kaksiosainen, pallomainen soluelin, joka koostuu ribosomi-rna:sta. Ribosomeja on kiinni solulimakalvostossa ja irrallaan solulimassa. Solulimakalvosto koostuu kahdesta fosfolipidikerroksesta sekä erikokoisista proteiinimolekyyleistä, kuten solua ympäröivä solukalvokin. Kaksikerroksisen kalvon ympäröimän viherhiukkasen sisällä on yhteyttämiskalvosto (kalvopinoja) ja välitila. Solulimakalvoston tehtävänä on osallistua proteiinien valmistamiseen ja kuljettamiseen. Viherhiukkasessa tapahtuu fotosynteesi, jossa auringon valoenergiaa sidotaan glukoosin sisältämäksi kemialliseksi energiaksi. Tuman, ribosomin ja solulimakalvoston tehtävät liittyvät toisiinsa proteiinisynteesissä. Geenin ohje proteiinin rakentamiseksi kopioidaan tumassa lähetti- RNA:ksi. Sitten lähetti-rna siirtyy solulimaan ribosomille, jossa siirtäjä-rna:t kuljettavat aminohapot oikeaan järjestykseen lähetti-rna:n kolmikkokoodin perusteella. Mikäli kyseessä on solukalvoproteiini tai solusta ulos eritettävä proteiini, sen synteesi alkaa normaalisti solulimassa ribosomin pinnalla. Sitten proteiinisynteesi jatkuu solulimakalvostossa, missä proteiinin laskostuminen tapahtuu. Lopuksi proteiini siirtyy Golgin laitteeseen, missä proteiini pakataan osoitelapun kanssa kalvorakkulaan solukalvolle siirtämistä tai ulos erittämistä varten. Jakso 1 13 Solut ja Eliöt

14 8. Tumallinen ja esitumallinen solu (yo k-02) a. b. Esitumallinen solu: Esitumallisiin eliöihin kuuluvat arkit ja bakteerit. Esitumallinen solu on tumallista solua paljon pienempi. Esitumallisessa solussa ei ole tumakoteloa, solulimakalvostoa, mitokondrioita, viherhiukkasia eikä muita suuria kalvon ympäröimiä soluelimiä. Solulimassa on ribosomeja. Soluhengitysreaktiot tapahtuvat soluhengityskalvostossa ja yhteyttämisreaktiot yhteyttämiskalvostossa. Perintöaines on yhtenä rengasmaisena kromosomina. Lisäksi solulimassa voi olla useita DNA-renkaita, plasmideja, joissa on muutamia geenejä. Esitumallista solua ympäröivät solukalvo, soluseinä sekä joskus myös kapseli. Esitumallisessa solussa voi olla myös ripsiä tai siimoja. Tumallinen solu: (Aito)tumallisessa solussa (kasvi-, eläin- ja sienisolu) perintöaines on kaksikertaisen tumakotelon sisällä sijaitsevissa kromosomeissa. Solussa on useita soluelimiä, joita esitumallisessa solussa ei ole: esimerkiksi mitokondriot, viherhiukkaset, Golgin laite, solulimakalvosto, lysosomit. Tumalliset solut ovat huomattavasti suurempia verrattuna esitumallisiin soluihin. Kasvisolussa on solukalvon ulkopuolella jäykkä soluseinä (selluloosaa), eläinsolua rajaa pelkästään solukalvo. Molemmissa solutyypeissä on vakuoleja, mutta kasvisolussa yksi vakuoli voi täyttää miltei koko solun. Kasvisolussa on kolmenlaisia värihiukkasia (plastideja): viher-, valko- ja rusohiukkaset. Eläinsolusta värihiukkaset puuttuvat. Eläinsolussa on kaksi keskusjyvästä, jotka ohjaavat sukkularihmojen muodostumista solunjakautumisessa. Kasvisolusta keskusjyväset puuttuvat. Lysosomeja on vain eläinsolussa. Jakso 1 14 Solut ja Eliöt

15 9. Mitokondriot ja viherhiukkaset (yo k-10) Sijainti Rakenne Tehtävä Merkitys solulle/eliölle Reaktioiden tapahtumapaikka Mitokondrio Kaikissa tumallisissa soluissa Sileä ulkokalvo, poimuinen sisäkalvo Soluhengitys: sokeri + happi hiilidioksidi + vesi + energiaa ATP-energiaa solun käyttöön Sisäkalvo Viherhiukkanen Kasvi- ja leväsoluissa Ympärillä kaksikerroksinen kalvo, sisällä yhteyttämiskalvosto (kalvopinot) ja välitila Fotosynteesi: hiilidioksidi + vesi + auringon valoenergia glukoosi + happi Glukoosia ja happea solun käyttöön Yhteyttämiskalvosto ja välitila 10. Eläinsolun rakenne (yo k-11) 1 Mitokondrio. Siellä tapahtuu soluhengitys, jossa energiaa vapautetaan glukoosista hapen avulla. Lopputuloksena syntyy vettä, hiilidioksidia ja ATPenergiaa. 2 Solukalvo. Huolehtii aineiden kuljetuksesta ja välittää viestejä solun ulko- ja sisäpuolen välillä. 3 Solulimakalvosto. Siinä valmistetaan, muokataan ja kuljetetaan proteiineja ja lipidejä. 4 Golgin laite. Siinä tapahtuu solukalvolle ja solusta ulos eritettävien proteiinien muokkaus ja pakkaus. 5 Lysosomi. Entsyymejä sisältävä kalvorakkula. Entsyymit hajottavat solulle tarpeettomia aineita uudelleen käytettäviksi TAI 5 Peroksisomi. Entsyymejä sisältävä kalvorakkula. Entsyymit muokkaavat solulle myrkylliset aineet vaarattomiksi. 6 Tumajyvänen. Siellä valmistetaan ribosomi-rna:ta eli ribosomin rakenneosia. Jakso 1 15 Solut ja Eliöt

16 11. Soluelinten tehtäviä (yo k-07) a. 1. Tuma: Sisältää perintöaineksen (geenit) ja säätelee solun toimintaa. 2. Tumajyvänen: Siellä valmistetaan ribosomi-rna:ta. 3. Solulimakalvosto: Aineiden kuljetus ja useiden aineiden, kuten proteiinien ja lipidien muokkaus tapahtuu solulimakalvostossa. 4. Vakuoli (solunesterakkula): Siellä hajotetaan solulle tarpeettomia aineita uudelleen käytettäviksi. Sinne myös varastoidaan solulle tarpeettomia aineita ja kasvisolun nestejännityksen ylläpito tapahtuu vakuolin avulla. 5. Viherhiukkanen (kloroplasti): Siellä tapahtuu fotosynteesi (yhteyttäminen), jossa auringon valoenergia sidotaan glukoosin kemialliseksi energiaksi. 6. Soluseinä: Tukee ja suojaa kasvisolua. 7. Mitokondrio: Siellä tapahtuu soluhengitys, jossa glukoosin hajotessa vapautuu energiaa ja vapautunut energia ladataan ATP-molekyyleihin. 8. Golgin laite: Siellä tapahtuu solun kalvostoille kuljetettavien ja solusta ulos lähetettävien proteiinien muokkaus b. Viherhiukkaset ovat alun perin olleet fotosynteesiin kykeneviä syanobakteereja ja mitokondriot soluhengitykseen kykeneviä bakteereja. Endosymbioositeorian mukaan ne joutuivat alkeellisen tumallisen solun sisälle ja niistä tuli soluelimiä. Viherhiukkasten ja mitokondrioiden bakteerialkuperän todisteita ovat seuraavat: Niillä on kaksoiskalvorakenne, ne ovat samankokoisia kuin bakteerit, niillä on omaa DNA:ta ja ribosomeja ja ne lisääntyvät itsenäisesti solun sisällä jakautumalla. Jakso 1 16 Solut ja Eliöt

17 5 Solun toiminta perustuu kemiallisiin reaktioihin 1. Solun aineenvaihduntaan liittyviä käsitteitä a. b. c. d. e. Entsyymi on solussa oleva proteiinimolekyyli, jonka tehtävänä on nopeuttaa (katalysoida) jotakin solun kemiallista reaktiota. Entsyymin pinnalla on aktiivinen kohta, johon entsyymin katalysoima aine/aineet eli substraatti/substraatit kiinnittyvät. Kiinnittyminen perustuu avain-lukko- periaatteeseen eli aktiivisen kohdan ja substraatin muodot sopivat toisiinsa. Jokainen entsyymi on siis erikoistunut tiettyyn substraattiin. Entsyymi tunnistaa katalysoimansa aineen pinnallaan olevan aktiivisen kohdan perusteella. Inhibiittori on aine, jonka rakenne on samanlainen kuin substraatin. Inhibiittori pysäyttää entsyymitoiminnan varastamalla paikan substraatilta eli kiinnittymällä aktiiviseen kohtaan. Kun inhibiittori lähtee siitä pois, on entsyymi taas toimintakykyinen. Kemosynteesi ja fotosynteesi ovat molemmat yhteyttämisreaktioita, joissa epäorgaanisista aineista valmistetaan orgaanisia yhdisteitä. Kemosynteesissä reaktioon tarvittava energia on peräisin epäorgaanisten yhdisteiden hapettamisesta. Kemosynteesiin pystyvät jotkin arkit ja bakteerit esimerkiksi syvänmeren pohjalla. Fotosynteesissä lähtöaineina ovat hiilidioksidi ja vesi, ja lopputuotteina syntyy glukoosia ja happea. Fotosynteesiin tarvittava energia on peräisin auringonvalosta. Fotosynteesiin pystyvät syanobakteerit, levät ja kasvit. Soluhengitys ja käyminen ovat molemmat solun energianvapauttamisreaktioita. Soluhengityksessä tarvitaan happea, ja siinä glukoosista syntyy hiilidioksidia, vettä ja runsaasti ATP-energiaa. Käyminen tapahtuu ilman happea, ja siinä glukoosista syntyy esimerkiksi alkoholia tai maitohappoa sekä paljon vähemmän ATP-energiaa. Molemmat reaktiot alkavat solulimassa, mutta soluhengitys jatkuu mitokondriossa. Käyminen tapahtuu loppuun asti solulimassa. Ionikanavat ja kuljettajaproteiinit liittyvät solukalvon aktiiviseen aineiden kuljetukseen, ja ne ovat solukalvossa sijaitsevia proteiinimolekyylejä. Ionikanavien kautta soluun tai solusta ulos siirtyy sähkövarauksen omaavia ioneja. Kuljettajaproteiinien kautta siirretään isoja molekyylejä, kuten glukoosia. Jakso 1 17 Solut ja Eliöt

18 f. Diffuusio ja osmoosi ovat aineiden passiivisia kuljetustapoja solussa. Diffuusio perustuu molekyylien lämpöliikkeeseen. Diffuusion avulla solukalvon läpi kulkevat pienet varauksettomat molekyylit sekä rasvaliukoiset aineet. Osmoosi on veden diffuusiota puoliläpäisevän kalvon eli solukalvon läpi. 2. Paprikanviipaleet eri vahvuisissa sokeriliuoksissa a. b. Osmoosia eli veden siirtymistä puoliläpäisevän kalvon eli solukalvon läpi. Osmoosissa vesi siirtyy laimeasta liuoksesta (= paljon vesimolekyylejä) väkevään liuokseen (= vähän vesimolekyylejä). c. Kun liuoksen väkevyys on alhainen (pienempi kuin 0,4M) eli liuoksessa on vähän tai ei lainkaan sokeria ja paljon vesimolekyylejä, tapahtuu osmoosi liuoksesta paprikasoluihin: vettä siirtyy solujen sisälle ja viipaleiden paino kasvaa. Kun liuoksen väkevyys on suuri (yli 0,4 M), tapahtuu osmoosi paprikasoluista liuokseen: solut menettävät vettä ja paprikaviipaleiden paino laskee. d. Paprikaviipaleiden osmoottinen väkevyys vastaa noin 0,4 M sokeriliuosta, koska siinä viipaleiden paino ei ole muuttunut. Toisin sanoen liuosten väkevyys (vesipitoisuus) liuoksessa ja paprikaviipaleiden sisällä on sama. Jakso 1 18 Solut ja Eliöt

19 3. Entsyymin toiminta (yo k-12) b. Entsyymin optimilämpötila on +37 C, koska kyseisessä lämpötilassa reaktio on nopeimmillaan. Kyseessä on jokin tasalämpöisen eläimen, esimerkiksi ihmisen entsyymi, koska tasalämpöisten eläinten entsyymit toimivat tehokkaimmin +37 C:ssa. c. Kun lämpötila nousee yli +45 C:een, entsyymin toiminta alkaa hidastua ja se lakkaa kokonaan +55 C:ssa. Syynä on entsyymin kolmiulotteisen proteiinirakenteen tuhoutuminen. Kyseessä on peruuttamaton tapahtuma. d. Muita entsyymien toimintaan vaikuttavia tekijöitä ovat happamuus (ph), inhibiittorit, substraatin määrä sekä kofaktorit. e. f. Mitä alhaisempi lämpötila on, sitä hitaampia ovat solun molekyylien lämpöliikkeet. Entsyymit ja substraatit kohtaavat epätodennäköisemmin ja siksi reaktiot tapahtuvat hitaammin. Kun lämpötila nousee yli +45 C:een, alkaa entsyymin proteiinirakenne tuhoutua. Kolmiulotteinen rakenne suoristuu ja substraatti ei enää pysty kiinnittymään entsyymin aktiiviseen kohtaan. Väärä happamuus muuttaa entsyymin kolmiulotteista rakennetta ja aktiivisen kohdan muotoa. Inhibiittori kiinnittyy joko aktiiviseen kohtaan ja varastaa substraatin paikan tai kiinnittyy johonkin muuhun kohtaan entsyymiä ja muuttaa samalla aktiivisen kohdan muotoa niin, että substraatti ei siihen pysty kiinnittymään. Jakso 1 19 Solut ja Eliöt

20 4. Solukalvon rakenne ja toiminta (yo k-13) b. Avustettu diffuusio tarkoittaa passiivista eli ilman energiaa tapahtuvaa aineiden kuljetusta kuljettajaproteiinien tai ionikanavien läpi suuremmasta pitoisuudesta pienempään. avustetun diffuusion avulla kulkevia aineita ovat varautuneet ionit ja suurikokoiset molekyylit kuten glukoosi. Aktiivisessa kuljetuksessa aineita siirretään kuljettajaproteiinien kautta pienemmästä pitoisuudesta suurempaan, ja siihen tarvitaan ATP:stä saatavaa energiaa. Esimerkkinä aktiivisesta kuljetuksesta on solukalvon natrium-kaliumpumppu. Energiaa vaativaa aktiivista kuljetusta ovat myös endosytoosi (solusyönti) ja eksosytoosi. Endosytoosissa solukalvo ympäröi esimerkiksi ravintoainehiukkasen, minkä jälkeen se otetaan sisälle kalvorakkulassa ja entsyymit hajottavat sen ravinnoksi. Eksosytoosissa jokin solulle tarpeeton aine pakataan kalvorakkulaan, kuljetetaan solukalvolle ja poistetaan solusta. Jakso 1 20 Solut ja Eliöt

21 5. Ameban aineidenottotavat (yo s-08) a. b. Protoktistit eli alkueliöt kuuluvat tumallisten eliöiden alkeellisimpaan kuntaan. Alkueliöiden soluissa on tumakotelo, useita pitkänomaisia kromosomeja sekä solulimassa paljon erilaisia kalvorakenteisia soluelimiä, kuten mitokondrioita ja solulimakalvosto. Alkueliöihin kuuluvat esimerkiksi alkueläimet kuten kuvan ameba sekä levät. Ameba saa happea diffuusion avulla. Diffuusiossa aine siirtyy solukalvon läpi passiivisesti suuremmasta pitoisuudesta pienempään. Diffuusio ei kuluta energiaa. Ameba saa veden osmoosin avulla. Osmoosi on veden diffuusiota, jossa vettä siirtyy väkevämmästä liuoksesta laimeampaan. Myöskään osmoosi ei kuluta energiaa. Ravintohiukkaset ameba ottaa endosytoosin eli solusyönnin avulla. Ameban solukalvo menee kuopalle ravintohiukkasen ympärille, kuroutuu rakkulaksi ja ravintohiukkanen siirtyy rakkulan mukana solun sisälle. Lopuksi ameban entsyymit hajottavat ravintohiukkasen. Solusyönti kuluttaa energiaa. Ameba poistaa soluhengityksessä syntyneen hiilidioksidin diffuusion avulla. Ameba poistaa kiinteät jätteet eksosytoosin avulla. Jätteet pakataan kalvorakkuloihin, siirretään solukalvolle ja vapautetaan solusta ulos. Eksosytoosi vaatii energiaa. 6. Eliöitä koeputkissa (yo -k09) a. Putki 1: Kastelieron soluissa tapahtuu soluhengitys, jossa kuluu happea ja syntyy hiilidioksidia. Koeputken sisältämän ilman happipitoisuus pienenee ja hiilidioksidipitoisuus kasvaa. Putki 2: Voikukan lehden soluissa tapahtuu pimeässä vain soluhengitystä. Koeputken sisältämän ilman happipitoisuus pienenee ja hiilidioksidipitoisuus kasvaa. Putki 3: Sekä kastelieron että voikukan lehden soluissa tapahtuu soluhengitystä. Koeputken sisältämän ilman happipitoisuus pienenee ja hiilidioksidipitoisuus kasvaa enemmän kuin koeputkissa 1 ja 2, koska koeputkessa 3 on kaksi soluhengittävää eliötä/eliön osaa. Putki 4: Koska koeputkessa ei ole mitään eliötä/eliön osaa, pysyvät hiilidioksidin ja hapen määrät ennallaan. Tämä putki toimii kokeessa vertailukoeputkena. Jakso 1 21 Solut ja Eliöt

22 b. Putki 1: Sama tilanne kuin a-kohdassa. Putki 2: Valossa voikukan lehti yhteyttää, jolloin hiilidioksidia kuluu ja syntyy happea. Koeputken sisältämän ilman happipitoisuus nousee ja hiilidioksidipitoisuus laskee. Putki 3: Kastelieron soluissa tapahtuu soluhengitys ja voikukan lehti yhteyttää. Hapen määrä on pienempi kuin putkessa 2., koska kasteliero kuluttaa voikukan yhteyttämisessä tuottamaa happea. Hiilidioksidin määrä on pienempi kuin putkessa 1., koska yhteyttäminen kuluttaa kastelieron tuottamaa hiilidioksidia. Putki 4: Sama tilanne kuin a-kohdassa. 7. Hiivasolu aerobisissa ja anaerobisissa oloissa (yo k-09) a. Aerobisilla olosuhteilla tarkoitetaan ympäristöä, jossa on happea läsnä. Aerobisissa olosuhteissa tapahtuva energianvapauttamisreaktio on soluhengitys. Anaerobisissa olosuhteissa ei happea ole läsnä. Silloin energiaa vapautetaan käymisen avulla Käyminen voi olla alkoholikäymistä tai maitohappokäymistä. b. Soluhengitys tapahtuu mitokondrioissa monessa vaiheessa. Se alkaa solulimassa glykolyysinä ja jatkuu mitkondrion sisällä sitruunahappokiertona ja elektroninsiirtoketjuna. Glukoosista saadaan vapautettua sen koko energiasisältö. Lopputuotteina syntyy hiilidioksidia ja vettä sekä ATPmolekyyleihin sitoutunutta energiaa. Yhtä glukoosimolekyyliä kohti syntyy ATP-molekyyliä. Käyminen tapahtuu solulimassa glykolyysissä, ja siinä saadaan vapautettua vain osa glukoosin energiasisällöstä. Lopputuotteena hiivasoluissa syntyy alkoholia (etanolia) ja lihassoluissa maitohappoa. Yhtä glukoosimolekyyliä kohti syntyy vain kaksi ATP-molekyyliä. c. Anaerobinen käymisreaktio on evolutiivisesti vanhempi energianvapauttamistapa. Alkumaapallon kaasukehässä ei ollut happea, joten soluhengitys ei ollut mahdollista. Happea alkoi vapautua kaasukehään vasta sitten, kun fotosynteesin avulla yhteyttävät syanobakteerit kehittyivät. Jakso 1 22 Solut ja Eliöt

23 8. Entsyymin toiminnan tutkiminen Hypoteesi: Pepsiini hajottaa proteiineja parhaiten silloin, kun ph on kaksi. Koska pepsiini hajottaa proteiineja, otetaan tutkittavaksi kohteeksi esimerkiksi kovaksikeitetyn kananmunan valkuaista, joka pilkotaan pienemmiksi, samankokoisiksi paloiksi. Laitetaan kuuteen koeputkeen sama määrä vettä. Lisätään koeputkiin suolahappoa eri määriä siten, että saadaan koeputkien happamuudet seuraaviksi: koeputki 1. ph 6, koeputki 2. ph 5, koeputki 3. ph 4, koeputki 4. ph 3, koeputki 5. ph 2 ja koeputki 6. ph 1. Tarkistetaan happamuudet ph-mittausten avulla. Lisätään koeputkiin sama määrä pepsiiniä. Lisätään koeputkiin yhtä monta kovaksikeitetyn kananmunan valkuaisen palaa. Laitetaan koeputket lämpökaappiin +37o C:een (vastaa ihmisen ruumiinlämpöä). Annetaan koeputkien olla lämpökaapissa useita päiviä. Lopuksi verrataan koeputkia toisiinsa: Siellä koeputkessa, jossa on eniten tapahtunut kananmunanvalkuaisen hajoamista, on ihanteellisin happamuus pepsiinientsyymin toiminnan kannalta. Todetaan, pitikö hypoteesi paikkaansa. 9. Solu ja fotosynteesi (yo s-09) 1 tuma 2 tumajyvänen 3 solulimakalvosto 4 solunesteontelo (vakuoli) 5 mitokondrio 6 viherhiukkanen (kloroplasti) Keskeinen soluelin glukoosin valmistuksessa on viherhiukkanen. Viherhiukkasessa tapahtuu yhteyttäminen (fotosynteesi), jossa vedestä ja hiilidioksidista syntyy auringon valoenergian avulla glukoosia ja happea. Yhteyttäminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Valoreaktiossa vesi hajoaa auringon valoenergian vaikutuksesta vedyksi ja hapeksi. Valoreaktiossa syntyy myös ATP-molekyylejä. Pimeäreaktioon siirtyvät vedyt ja energia liittyvät hiilidioksidiin ja syntyy glukoosia. Jakso 1 23 Solut ja Eliöt

24 +10. Fotosynteesin tehokkuus ja sen tutkiminen a. b. Agropyron sp. 30,5 ja Bouteloua sp. 21. c. Bouteloua sp., koska sen fotosynteesitehokkuus kasvaa lämpötilan noustessa ja optimi on +40 C. Se ei myöskään pysty yhteyttämään yhtä tehokkaasti alhaisissa lämpötiloissa kuin Agropyron. Agropyronin fotosynteesitehon optimilämpötila on + 25 C eli se on sopeutunut kasvamaan viileämmässä ilmastossa. d. Lämpötilan noustessa fotosynteesissä tarvittavien entsyymien kolmiulotteinen rakenne tuhoutuu, jolloin ne eivät enää pysty katalysoimaan reaktiota. Korkeassa lämpötilassa myös kasvin soluhengitys kiihtyy, ja kasvi kuluttaa enemmän glukoosia kuin ehtii sitä valmistamaan. e. Hiilidioksidipitoisuus: mitä enemmän hiilidioksidia on, sitä tehokkaammin kasvi yhteyttää. Veden määrä: vesi on fotosynteesin toinen lähtöaine. Ravinteet: niitä tarvitaan fotosynteesireaktion entsyymien ja väriaineiden rakennusaineina. Valon määrä: valoenergiaa tarvitaan veden pilkkomisessa valoreaktiossa. Valon aallonpituus: punainen ja sininen valo on yhteyttämisen kannalta tehokkainta. Jakso 1 24 Solut ja Eliöt

25 f. Laitetaan eri lämpöistä vettä esimerkiksi viiteen astiaan. Vesikasvi laitetaan koeputkeen, ja koeputki laitetaan ylösalaisin vesiastiaan 1 tietyksi ajaksi. Astiassa olevan veden lämpötila merkitään muistiin. Lasketaan syntyvien happikuplien määrä. Sitten koeputki vesikasveineen siirretään vesiastiaan 2 samanpituiseksi ajaksi, ja taas lasketaan happikuplien määrä. Näin menetellään jokaisen vesiastian kohdalla. Lopuksi tarkastellaan, missä lämpötilassa on syntynyt eniten happikuplia eli missä lämpötilassa vesikasvin fotosynteesiteho on ollut parhain. happea vesikasvi ja koeputki vettä C C C C C koeputkea siirretään asiasta toiseen 11. ATP:n muodostaminen soluissa (yo s-11) Lihassolut muodostavat tarvitsemansa ATP:n glukoosista joko mitokondrioissa tapahtuvassa soluhengityksessä tai solulimassa tapahtuvassa maitohappokäymisessä. Koivun lehden solut muodostavat ATP:tä kahdella tavalla: 1. Solujen viherhiukkasissa tapahtuvat fotosynteesin valoreaktiot, jossa auringon valoenergiaa sidotaan ATP-energiaksi. 2. Lehden solujen mitokondrioissa tapahtuu soluhengitystä, jossa fotosynteesissä syntyneen glukoosin hajotessa syntyy ATP-energiaa. Mäntykukka on loiskasvi, jolla ei ole lehtivihreää. Se tuottaa ATP:tä soluhengityksessä mitokondrioissaan glukoosista. Jäkälän viherleväosakas muodostaa ATP:tä viherhiukkasissaan fotosynteesin valoreaktioissa, kun se sitoo auringon valoenergiaa. ATP:tä syntyy myös glukoosista, kun viherlevän mitokondrioissa tapahtuu soluhengitystä. Jäkälän sieniosakas muodostaa ATP:tä soluhengityksessä mitokondrioissaan viherlevältä saamastaan glukoosista. Kolibakteeri muodostaa ATP:tä ympäristöstään ottamastaan ravinnosta joko soluhengitys- tai käymisreaktion avulla. Jakso 1 25 Solut ja Eliöt

26 6 Geenit sisältävät solujen toimintaan tarvittavan informaation 1. DNA:n rakenne a. b. Jos DNA:ssa on tymiiniä 17 %, täytyy emäsparisäännön mukaan myös adeniinia olla 17 %, koska DNA:ssa tymiini ja adeniini muodostavat emäsparin. Adeniinia ja tymiiniä on yhteensä 17 % + 17 % = 34 %. Emäksiä on yhteensä 100 %. 100 % 34 % = 66 % eli guaniinia ja sytosiinia on yhteensä 66 %. 66 % : 2 = 33 % eli sekä guaniinia että sytosiinia on 33 %. Jakso 1 26 Solut ja Eliöt

27 2. Käsiteparien selitys a. b. c. d. e. Sekä introni että eksoni ovat tumallisen eliön geenin koodaavan alueen osia. Introni on sellainen jakso, jossa ei ole geneettistä informaatiota eikä se niin ollen kopioidu lähetti-rna:ksi. Eksonien geneettinen informaatio kopioidaan lähetti-rna:n emäsjärjestykseksi. Intronit leikataan pois tumassa tapahtuvassa silmukoinnissa, kun intronit sisältävä esiaste-rna muutetaan valmiiksi lähetti-rna:ksi. Koodaava juoste ja mallijuoste ovat DNA:n juosteita. Koodaavan juosteen emäsjärjestys vastaa lähetti-rna:n emäsjärjestystä. Erona on kuitenkin se, että DNA:n tymiinin paikalla on lähetti-rna:ssa urasiili. Proteiinisynteesin alkaessa RNA-polymeraasi lukee mallijuosteen emäsjärjestystä nukleotidi nukleotidilta ja rakentaa lähetti-rna:ta emäspariperiaatteen mukaisesti. Lähetti-RNA ja siirtäjä-rna ovat molekyylejä, joita tarvitaan solun proteiinisynteesissä. Lähetti-RNA kuljettaa geenin sisältämän informaation ribosomille. Siirtäjä-RNA-molekyylit järjestävät kuljettamansa aminohapot oikeaan järjestykseen ribosomille. Jokainen siirtäjä-rna-molekyyli kuljettaa tiettyä aminohappoa, ja siirtäjä- RNA tunnistaa oikean kohdan lähetti-rna:sta oman vastinemäskolmikkonsa perusteella. Geeni koostuu säätelyalueesta ja koodaavasta alueesta. Säätelyalueen tehtävänä on käynnistää ja säädellä geenin luentaa. Se koostuu tehostajajaksoista ja promoottorista, johon RNA-polymeraasi kiinnittyy. Esitumallisessa solussa ei säätelyalueella ole tehostajajaksoja. Geenin koodaava alue sisältää varsinaisen geneettisen informaation, joka kopioituu lähetti-rna:han sen emäsjärjestyksenä. Tumallisessa solussa koodaava alue koostuu introneista ja eksoneista, kun taas esitumallisessa solussa ei ole lainkaan introneita. Transkriptio ja translaatio ovat proteiinisynteesin vaiheita. Transkriptio tarkoittaa geenin informaation kopioimista lähetti-rna:ksi. Tumallisessa solussa informaatio kopioituu ensin esiaste-rna:ksi, ja silmukoinnin jälkeen siitä syntyy valmis lähetti-rna. Translaatiossa ribosomi rakentaa aminohappoketjun lähetti-rna:n sisältämän koodin mukaisesti. Aminohapot järjestetään oikeaan järjestykseen siirtäjä-rna- molekyylien avulla. Jakso 1 27 Solut ja Eliöt

28 f. Kun proteiinisynteesi alkaa tumallisessa solussa, kopioituu geenin mallijuosteen emäsjärjestys siten, että siinä ovat mukana eksonien lisäksi myös geneettistä informaatiota sisältämättömät jaksot eli intronit. Tätä syntyvää molekyyliä nimitetään esiaste-rna:ksi. Silmukoinnin tarkoituksena on leikata siitä intronit pois, ja syntyy valmis lähetti-rna. Introneja voidaan leikata eri tavoin, ja sitä kutsutaan vaihtoehtoiseksi silmukoinniksi. Se vaikuttaa syntyvään geenituotteeseen ja siihen, että samaa geeniä voidaan lukea eri tavoin. 3. Antibiootit ja proteiinisynteesi a. b. c. d. Bakteerien soluseinä koostuu mureiinista, ja penisilliini estää sen rakentumisen. Koska sienisolujen soluseinä koostuu kitiinistä, ei penisilliini pysty vaikuttamaan sen rakentumiseen. Viruksissa ei ole ribosomeja eikä niissä ole itsenäistä aineenvaihduntaa kuten proteiinisynteesiä. Koska streptomysiinin teho perustuu proteiinisynteesin pysähdyttämiseen, ei se pysty vaikuttamaan viruksiin. Proteiinisynteesin alussa DNA-juosteet avautuvat tietyn geenin kohdalta lähetti-rna:n rakentumista varten. Koska mitomysiini C estää juosteiden avautumisen, ei proteiinisynteesiä voi tapahtua. Ennen solun jakautumista sen DNA kahdentuu välivaiheen lopussa. DNA:n kahdentumista varten DNA-juosteiden emästen väliset vetysidokset katkeavat ja DNA-molekyyli avautuu kuin vetoketju, ja molempien alkuperäisten juosteiden rinnalle rakentuvat uudet juosteet. Koska mitomysiini C estää DNA-juosteiden erkanemisen, ei DNA voi kahdentua eikä solu jakautua. Syöpäsolujen lisääntyminen siis loppuisi. 4. Emäskolmikot a. Metioniini, glutamiini, proliini, alaniini. b. CGA c. AUC d. Isoleusiini-aminohappoa. e. UCU, UCC, UCA, UCG f. UAC koodaa tyrosiinia, ja sytosiinin muuttuminen guaniiniksi muuttaa emäskolmikon lopetuskolmikoksi UAG. Proteiinisynteesi loppuisi kesken, eikä toimivaa proteiinia syntyisi. Jakso 1 28 Solut ja Eliöt

29 5. Geenin rakenne (yo s-08) Geeni eli perintötekijä on pätkä DNA-molekyyliä, ja siinä on rakennusohje proteiinin valmistamiseksi. Yksi emäskolmikko koodaa yhtä proteiiniin tulevaa aminohappoa. Geeni koostuu kahdesta osasta, säätelyalueesta ja koodaavasta alueesta. Säätelyalueen tehtävänä on käynnistää geenin luenta ja lähetti-rna:n valmistus. Tumallisilla eliöillä geenin säätelyalue on kaksiosainen. Se koostuu promoottorista, joka sijaitsee välittömästi ennen koodaavaa aluetta ja tehostajajaksoista, jotka säätelevät geenin luennan tehoa. Tehostajajaksojen tehtävänä on purkaa auki kromatiinirihmaa, tunnistaa promoottori ja auttaa RNA-polymeraasia kiinnittymään siihen. Erilaiset säätelyproteiinit säätelevät tehostajajaksojen toimintaa kiinnittymällä niihin. Esitumallisten geeneissä ei ole tehostajajaksoja, ja monen geenin koodaavan alueen säätelystä voi huolehtia yksi yhteinen säätelyalue. Tumallisen solun geenin koodaava alue on jaksottainen. Se koostuu eksoneista ja introneista, jotka vuorottelevat DNA-molekyylissä. Eksonit ovat niitä DNA-jaksoja, jotka koodittavat proteiinin aminohappojärjestystä. Intronit ovat eksonien välissä olevia koodittomia jaksoja. Transkriptiossa eli DNA:n mallijuosteen emäsjärjestyksen kopioinnissa geenin koodaava alue kopioidaan kokonaan ja syntyy ns. esiaste-rna, jossa myös intronit ovat mukana. Silmukointi on tumassa tapahtuvaa esiaste-rna:n muokkausta, jossa intronit poistetaan ja eksonit liitetään toisiinsa. Näin syntyy toimiva lähetti- RNA, joka siirtyy tumasta solulimaan ribosomille proteiinisynteesiä varten. Esitumallisen solun geenin koodaava alue on yhtenäinen eli siinä ei ole introneita. Koodaava alue kopioidaan siis yhtenäisenä valmiiksi lähetti- RNA:ksi eikä silmukointia tarvita. Jakso 1 29 Solut ja Eliöt

30 6. DNA:n ja RNA:n vertailua (yo s-06) Rakenne Tehtävät Toimipaikka solussa DNA Nukleotideista koostuva makromolekyyli, jossa on kaksi juostetta. Nukleotidissa fosfaattiosa, sokeriosa ja emäsosa. Neljänlaisia emäksiä: adeniini, guaniini, sytosiini ja tymiini. Sokeriosana deoksiriboosi. Sisältää perinnöllisen informaation. Siirtää perinnöllisen informaation sukupolvelta toiselle DNA:n kahdentumisessa. Tuman kromosomit Mitokondriot Viherhiukkaset RNA Nukleotideista koostuva makromolekyyli, jossa on yksi juoste. Nukleotidissa fosfaattiosa, sokeriosa ja emäsosa. Neljänlaisia emäksiä: adeniini, guaniini, sytosiini ja urasiili. Sokeriosana riboosi. Lähetti-RNA: perinnöllisen informaation kopiointi ja kuljetus solulimaan. Ribosomi-RNA: ribosomin rakennusaine. Siirtäjä-RNA: useita erilaisia, kuljettavat ja järjestävät aminohapot ribosomilla oikeaan järjestykseen aminohappoketjuksi. Tuma (lähetti-rna) Solulima 7. Solun osat ja proteiinisynteesi (yo s-12) a. 1 Soluseinä 2 Solukalvo 3 Vakuoli/solunesterakkula 4 Viherhiukkanen 5 Mitokondrio 6 Karkea solulimakalvosto 7 Tuma 8 Tumajyvänen 9 Golgin laite Jakso 1 30 Solut ja Eliöt

31 b. c. Kuva esittää kasvisolua, koska siinä on soluseinä, solunesterakkula ja viherhiukkanen. Ei voi olla eläinsolu, koska eläinsolussa ei ole edellä mainittuja rakenteita. Ei voi olla bakteerisolu, koska solussa on mm. tumakotelo. Proteiinisynteesissä ovat välttämättömiä seuraavat solurakenteet: Mitokondrio (numero 5), koska proteiinisynteesissä tarvitaan energiaa. Ribosomit (numero 6), niissä tapahtuu translaatio eli aminohappoketjun rakentuminen. Tuma (numero 7), jossa tapahtuu translaatio eli lähetti-rna:n rakentuminen DNA:n mallijuosteen ohjeen mukaan. Tumajyvänen (numero 8), jossa tuotetaan ribosomi-rna:ta. Golgin laite (numero 9), jossa tapahtuu solukalvolle siirtyvien ja solusta ulos eritettävien proteiinien muokkaus ja kuljetus. 8. Emäskolmikot ja aminohapot (yo k-10) a. b. c. Kun lähetti-rna:n emäsjärjestys: 5 UAU CCC CUG UAG 3, niin DNA:n mallijuosteen emäsjärjestys on ATA GGG GAC ATC. Syntyvä aminohappoketju on seuraava: tyrosiini, proliini, arginiini ja viimeiseksi tulee lopetuskoodi. Lopetuskoodi lopettaa aminohappoketjun valmistuksen ennenaikaisesti, joten ei voi syntyä toimivaa entsyymiä. Samalla aminohapolla on useita emäskolmikkokoodeja, joten vaikka yksi emäs muuttuisikin, niin aminohappo pysyy silti samana. Esimerkiksi arginiinilla on kuusi erilaista emäskolmikkokoodia. Joku seuraavista: Ensin DNA eristetään, sitten puhdistetaan proteiineista ja pilkotaan katkaisuentsyymillä paloiksi. Palat kloonataan bakteereissa ja halutut palat tunnistetaan koettimen avulla. Tunnistetut DNA-pätkät erotellaan elektroforeettisesti ja niiden tarkka emäsjärjestys määritetään sekvensoimalla. Ensin DNA eristetään, sitten puhdistetaan proteiineista ja pilkotaan katkaisuentsyymillä paloiksi. Sitten DNA-pätkät monistetaan PCRtekniikalla ja erotellaan elektroforeesin avulla. Lopuksi eri pätkien emäsjärjestykset määritetään sekvensoimalla. Ensin DNA eristetään, sitten puhdistetaan proteiineista ja pilkotaan katkaisuentsyymillä paloiksi. Sitten palat erotellaan elektroforeesissa ja niiden emäsjärjestykset määritetään sekvensoimalla. Jakso 1 31 Solut ja Eliöt

32 +9. Elämälle tärkeät molekyylit (yo s-11) A, vasemmanpuoleinen kuva: Vasemmanpuoleinen kuva esittää ATP-molekyyliä, jossa on kolme fosfaattiosaa, sokeriosana monosakkarideihin kuuluva riboosi ja emäksenä adeniini. Fosfaattiosien väliset sidokset sisältävät hyvin paljon energiaa. Solu saa kemiallisiin reaktioihin tarvitsemansa energian purkamalla fosfaattiosien välisiä sidoksia. Kun yksi fosfaattisidos purkautuu, syntyy ADP-molekyyli ja kun vielä toinen purkautuu, syntyy AMP-molekyyli. AMP-molekyylejä ladataan takaisin ATP-molekyyleiksi fotosynteesin valoreaktiossa, aerobisesti soluhengityksessä ja anaerobisesti käymisessä. Eräät bakteerit ja arkit tuottavat ATP:tä kemosynteesissä. Soluhengityksessä glykolyysi, sitruunahappokierto ja vedyn palaminen tuottavat yhteensä ATP-molekyyliä. Käymisreaktioissa syntyy vain 2 ATP-molekyyliä. A, oikeanpuoleinen kuva: Esittää DNA:n nukleotidia. Nukleotidi koostuu fosfaattiosasta, monosakkarideihin kuuluvasta deoksiriboosista ja emäksestä (kuvassa adeniini). Nukleotidit liittyvät toisiinsa juosteeksi. Kaksi erijuosteissa olevaa nukleotidia liittyy toisiinsa emästen välille syntyvien vetysidosten avulla ja syntyy kaksijuosteinen DNA-molekyyli. Emäsparisäännön mukaan vain adeniini ja tymiini voivat liittyä toisiinsa sekä sytosiini ja guaniini toisiinsa. DNA:ta on kromosomeissa, viherhiukkasissa ja mitokondrioissa sekä esitumallisten solujen plasmideissa. DNA-molekyylin koodaavan juosteen emäsjärjestys sisältää perinnöllisen tiedon. Koodi luetaan emäskolmikkoina: yksi emäskolmikko vastaa tiettyä proteiiniin tulevaa aminohappoa. DNA:n sisältämä perinnöllinen tieto siirtyy solusukupolvelta toiselle DNA kahdentumisen avulla. DNA:n kahdentuminen tapahtuu välivaiheen aikana. DNA-molekyyli avautuu, ja molempien alkuperäisten juosteiden rinnalle rakennetaan uudet juosteet tumassa olevista DNA-nukleotideista. Syntyneet sisarkromatidit jakautuvat tytärkromosomeiksi tuman jakautuessa kahdeksi tumaksi. Jakso 1 32 Solut ja Eliöt

33 B: Kuvat esittävät emäksiä. DNA-molekyylissä ovat emäkset adeniini, tymiini, sytosiini ja guaniini. RNA:ssa ovat emäkset adeniini, urasiili, sytosiini ja guaniini. RNA rakentuu nukleotideista. Nukleotidissa on fosfaattiosa, emäsosa ja monosakkarideihin kuuluva riboosi. RNA on yksijuosteinen. RNA:ta on kolmea tyyppiä: lähetti-rna, ribosomi-rna ja siirtäjä-rna. Niillä on eri tehtävät proteiinisynteesissä. Lähetti-RNA kuljettaa geenin sisältämän informaation (= emäsjärjestyksen) ribosomille, ribosomi-rna toimii ribosomien rakennusaineena ja siirtäjä-rna-molekyylit järjestävät aminohapot oikeaan järjestykseen aminohappoketjuksi lähetti-rna:n ohjeen mukaan. C-kuva, glukoosi: Glukoosi kuuluu monosakkarideihin ja on solujen tärkein energianlähde. Glukoosin varastomuoto on kasveilla tärkkelys ja eläimillä glykogeeni. Molemmat ovat hyvin pitkäketjuisia molekyylejä ja kuuluvat polysakkarideihin. Glukoosia syntyy yhteyttämisessä ja sen sisältämä energia vapautetaan soluhengityksessä sekä käymisessä. Jakso 1 33 Solut ja Eliöt

34 7 Lisääntyminen 1. Lisääntymisen käsitteet a. Monistuminen on eräiden yksisoluisten alkueläinten (itiöeläinten), esimerkiksi malarialoision suvuton lisääntymistapa. Loisio elää eräiden hyttyslajien elimistössä ja siirtyy hyttysen piston kautta ihmisen verenkiertoon. Malarialoisiot lisääntyvät ihmisen punasoluissa niin, että niiden tumat jakautuvat ensin moneksi tumaksi, sitten solulima jakaantuu tumien ympärillä ja yhdestä loisiosta syntyy useita uusia malarialoisioita. b. Silmikoituminen (simikointi/kuroutuminen) on hiivasienillä, joillakin kasveilla, polttiaiseläimillä ja eräillä homeilla esiintyvä suvuton lisääntymistapa. Emoyksilön pintaan muodostuu uudeksi yksilöksi kehittyvä pullistuma, joka kuroutuu emosta irti. c. Partenogeneesia kutsutaan neitseelliseksi lisääntymiseksi, koska siinä lähtökohtana on munasolu. Haploidinen munasolu tai sen diploidinen kantasolu kehittyy uudeksi yksilöksi ilman hedelmöitystä. Esimerkiksi mehiläiskoiraat kehittyvät haploidisista munasoluista. Kirvat ja vesikirput lisääntyvät välillä partenogeneettisesti ja välillä normaaliin suvulliseen tapaan siittiön hedelmöittämistä munasoluista. Partenogeneesi lisää näillä nopeasti populaation yksilömääriä, koska kaikki yksilöt ovat naaraita ja pystyvät tuottamaan nopeasti uusia sukupolvia. Partenogeneesi lasketaan useimmiten suvulliseksi lisääntymistavaksi. d. Klooni on suvuttoman lisääntymisen avulla syntynyt perintötekijöiltään samanlaisten yksilöiden tai solujen ryhmä. Solu- ja solukkoviljelmissä klooneja tuotetaan aloittamalla viljelmä yhdestä kantasolusta. Monet kasvit tuottavat klooneja, eläinkunnan puolella klooneja ovat esimerkiksi koralliriutat. e. Itiö on yksisoluinen rakenne, jonka avulla monet kasvit (sammalet, sanikkaiset,) levät ja sienet lisääntyvät, leviävät tai säilyvät epäsuotuisten aikojen yli. Itiöitä syntyy kasvien ja levien itiöpesäkkeissä ja sienten itiöemissä usein meioosin ja joskus myös mitoosin tuloksena. Itiöistä kehittyy yleensä haploidi, sukusoluja tuottava eliön elämänvaihe. f. Regeneraatio tarkoittaa uusiutumista (uudentumista). Regeneraatiokyky on suvuttoman lisääntymisen edellytys. Sen ansioista eliö (monet kasvit, eräät selkärangattomat eläimet) pystyvät kasvattamaan uuden yksilön jostain irronneesta osastaan. Eläinten regeneraatiokyky perustuu siihen, että osa soluista on säilyttänyt kantasolun ominaisuuksia ja pystyy sitten erilaistumaan tarvittaviksi kudossoluiksi. Selkärankaisilla eläimillä regeneraatiokyky näkyy mm luiden luutumisena, haavojen umpeutumisena tai sisiliskon hännän uusiutumisena. Jakso 1 34 Solut ja Eliöt

35 2. DNA:n kahdentuminen a. DNA kahdentuu solun välivaiheessa. b. DNA -polymeraasi on DNA:n kopioitumisessa tärkein entsyymi. Se lukee mallina olevaa juostetta nukleotidi nukleotidilta ja rakentaa rinnalle uutta juostetta emäspariperiaatteen mukaisesti. DNA -polymeraasi vertailee rakentamaansa juostetta mallina olevaan juosteeseen, poistaa väärät nukleotidit ja korvaa ne oikeilla. c. DNA:n kahdentumisessa tarvitaan myös korjaajaentsyymeitä, jos suuri pätkä DNA-juostetta on jostain syystä vaurioitunut. Näistä katkaisuentsyymi (nukleaasi) leikkaa viallisen palasen, DNA-polymeraasi rakentaa tilalle uuden ja liittäjäentsyymi liittää tämän uuden, korjatun palasen DNA-ketjuun. d. DNA-polymeraasi kykenee kopioimaan mallina olevaa DNA-juostetta vain yhteen suuntaan (3`suunnasta 5`suuntaan). Siksi se rakentaa uudet DNAjuosteet vastakkaisiin suuntiin. Toiseen suuntaan kopiointi jatkuu yhtäjaksoisesti, toinen puoli tehdään paloittain. Lopuksi liittäjäentsyymi kiinnittää palat yhtenäiseksi juosteeksi. e. Telomeeri on kromosomin päissä oleva geenittömistä DNA-jaksoista muodostuva pelivara, joka lyhenee solun jokaisella jakautumiskerralla, koska DNA-polymeraasi ei kykene kopioimaan sitä. Kun pelivara on käytetty, solut eivät enää jakaudu ja niistä muodostuvat kudokset alkavat rappeutua. Oletetaan, että telomeerien lyheneminen on yksi syy vanhenemiselle. f. Emäsparit ovat ylhäältä alas: C G T A C G A T A T G C C G A T T A C G G C C G Jakso 1 35 Solut ja Eliöt

36 3. DNA:n määrä solussa a. Välivaiheen alussa DNA ei ole vielä kahdentunut. Kun mitoosi alkaa (esivaihe), DNA on kahdentunut ja sitä on kaksi kertaa enemmän. b. Mitoosin esivaiheessa DNA on kahdentuneena. Mitoosissa kahdentuneet kromosomit halkeavat ja tytärkromosomit menevät eri soluihin. Siksi DNA:n määrä puolittuu esivaiheeseen verrattuna. c. Meioosin vähennysjakautumisen jälkivaiheessa kromosomien DNA on vielä kahdentuneena ja siksi DNA:ta on kaksi kertaa enemmän. Meioosin tasausjakautumisen keskivaiheessa solussa on puolet alkuperäisestä kromosomiluvusta ja siksi DNA:ta on puolet vähemmän. d. Tasausjakautumisen keskivaiheessa DNA on vielä kahdentuneena (solun DNA:n määrä 2). Loppuvaiheessa sukkularihmat kuljettavat vastinkromosomit toisistaan erilleen, jolloin alkuperäinen kromosomimäärä puolittuu eli DNA:n määrä on Mehiläisten lisääntyminen (yo s-08) a. Partenogeneesilla (neitseellinen lisääntyminen) tarkoitetaan lisääntymistapaa, jossa munasolu (haploidinen) tai sen kantasolu (diploidinen) kehittyy uudeksi yksilöksi ilman hedelmöitystä. Partenogeneettisesti syntyvät esimerkiksi mehiläiskoiraat ja kirvat. Haploidia tarkoittaa yksinkertaista kromosomistoa (peruskromosomistoa). Tavallisissa soluissa on kaksi peruskromosomistoa (2n), haploidisissa soluissa on vain yksi peruskromosomisto (n). b. Merkitään dominoivaa tumman värin alleelia kirjaimella V ja resessiivistä vaalean värin alleelia kirjaimella v. Heterotsygootin mehiläiskuningattaren genotyyppi on Vv ja kuhnurin genotyyppi V, koska se on haploidinen. Risteytys: tumma kuningatar ja tumma kuhnuri: Genotyypit: Vv x V Sukusolut: V ja v V Jälkeläiset: VV ja Vv V ja v Hedelmöitetyt munasolut: jälkeläisistä kaikki naaraita ja fenotyypiltään tummia. Genotyypiltään puolet homo- ja puolet heterotsygoottisia. Hedelmöitymättömät munasolut: kaikki jälkeläiset koiraita (kuhnureita, haploidisia) ja fenotyypiltään puolet tummia ja puolet vaaleita. Jakso 1 36 Solut ja Eliöt

37 5. Mitoosin ja meioosin vaiheet a. b. Malli piirroksesta. HUOM! Älä käytä punaista kynää ylioppilaskirjoituksissa. Se väri on varattu korjaajille. Jakso 1 37 Solut ja Eliöt

38 6. Kasvien lisääntymistapoja a. Sekä sammalilla että sanikkaisilla on sukupolvenvuorottelu: ne lisääntyvät sekä suvuttomasti itiöiden avulla että suvullisesti sukusolujen (siittiö- ja munasolut) avulla. Siittiösolut tarvitsevat kosteat olosuhteet päästäkseen munasolujen luokse. Sammalkasvin päässä olevasta itiöpesäkkeestä vapautuu itiöitä, ja maahan päästyään niistä kasvaa niin sanottuja alkeisrihmoja. Alkeisrihmoista kasvaa uusia sammalkasveja, joiden päihin syntyy muna- ja siittiöpesäkkeitä. Siittiöpesäkkeistä vapautuu siittiösoluja, jotka hedelmöittävät munapesäkkeessä olevan munasolun. Hedelmöityneestä munasolusta kasvaa itiöpesäke sammalkasvin kärkeen. Sammalilla itiöt, itse sammalkasvi ja muna- ja siittiösolut ovat haploidisia (n), itiöpesäke edustaa diploidista vaihetta sammalten elämässä. Sanikkaisessa (yleensä lehtien alapinnoilla) olevasta itiöpesäkkeestä vapautuu itiöitä, ja niistä kasvaa niin sanottu alkeisvarsikko. Osa alkeisvarsikon soluista erikoistuu muna- ja siitiösoluiksi. Siittiösolun hedelmöitettyä munasolun siitä kasvaa uusi, itiöitä tuottava sanikkaiskasvi. Sanikkaisilla itiöt, alkeisvarsikon solut ja muna- ja siittiösolut ovat haploidisia (n) ja itse sanikkaiskasvi on diploidinen (2n). b. Paljas- ja koppisiemeniset kasvit lisääntyvät suvullisesti sukusolujen avulla. Hedelmöityksen jälkeen kehittyvässä siemenessä on kasvin alkio ja sitä ympäröivä vararavinto. Paljas- ja koppisiemenisten kasvien siittiösolut on pakattu kuivuutta kestävään muotoon siitepölyksi, joka leviää paljassiemenisillä tuulen tai veden mukana, useimmilla koppisiemenisillä hyönteisten välityksellä. Siitepöly syntyy kasvien heteissä ja munasolut emeissä. Paljassiemenisillä kasveilla kuten havupuilla, hedelmöityksen tapahduttua siemen alkaa kehittyä paljaana emilehden pinnalla. Siinä on suhteellisen vähän vararavintoa, eikä siementä suojaamassa ole aina paksua siemenkuorta. Koppisiemenisillä kasveilla siitepölyhiukkanen sisältää kaksi tumaa, joista toinen hedelmöittää emin sikiäimessä olevan munasolun ja toinen niin sanotun keskussolun. Hedelmöityneestä munasolusta kehittyy kasvin alkio ja hedelmöityneestä keskussolusta siemenvalkuainen, joka toimii vararavintona. Lisäksi alkiota ympäröi siemenkuori ja siementä (siemeniä) usein värikäs marja tai hedelmä. Jakso 1 38 Solut ja Eliöt

39 7. Solunjakautumisen tapahtuma (yo k-13) Kuva esittää meioosin ensimmäisen jakautumisen eli vähennysjaon jälkivaihetta (anafaasi 1). Kuvassa sentromeereihin kiinnittyneet sukkularihmat vetävät kahdentuneet vastinkromosomit erilleen toisistaan. Vastinkromosomien sisempien kromatidien välillä on tapahtunut tekijäinvaihduntaa (crossing over ilmiö). Kuvan esittämää vaihetta on edeltänyt: - Välivaihe eli interfaasi, jonka aikana DNA on kahdentunut. - Esivaihe (profaasi 1), jossa välivaiheen aikana kahdentuneet koromosomit pakkautuvat tiiviimmin ja alkavat näkyä valomikroskoopilla tarkasteltaessa. Vastinkromosomit asettuvat rinnakkain eli niiden sanotaan konjugoituvan. Konjugoituneiden vastinkromosomien sisemmät kromatidit ovat kiinni toisissaan useasta kohdasta ja toisinaan näissä kohdissa, kiasmoissa, vastinkromosomien osat vaihtavat paikkoja keskenään. Tapahtumaa kutsutaan tekijäinvaihdunnaksi eli crossing overiksi. Esivaiheessa keskusjyväsistä eli sentrioleista ja niiden tuottamista proteiinirihmoista (sukkularihmoista) muodostuu tumasukkula. Sukkularihmat kiinnittyvät vastinkromosomien sentromeereihin ja tumakotelo hajoaa. - Keskivaihe (metafaasi 1), jossa jokaisen kromosomin sentromeerikohtaan on tarttunut sukkularihma. Sukkularihmat ohjaavat vastinkromosomiparit solun keskitasoon (jakotasoon). Jälkivaiheessa (anafaasi 1) vastinkromosomit ovat siis siirtyneet sukkularihmojen vetäminä solun vastakkaisille puolille. Jokainen kromosomi siis muodostuu edelleen kahdesta sisarkromatidista eli DNA on yhä niissä kahdentuneena. Loppuvaiheessa (telofaasi 1) tumakotelot muodostuvat solun vastakkaisilla puolilla olevien kromosomiryhmien ympärille ja solun muu sisältö jakautuu kahtia. Näin syntyy kaksi haploidia solua (n). Tämän jälkeen käynnistyy meioosin toinen jako eli tasausjako, jonka vaiheet muistuttavat tavallista mitoosia. Siinä yksittäiset kromosomit asettuvat jakotasoon, sukkularihmat kiinnittyvät sentromeereihin ja vetävät sisarkromatidit irti toisistaan. Tasausjaon seurauksena kummastakin meioosin vähennysjaon tuloksena syntyneestä haploidista solusta syntyy kaksi haploidia sukusolua eli yhteensä neljä uutta solua, joiden kromosomimäärä on puolet alkuperäisen emosolun kromosomimäärästä. Toimivia munasoluja kuitenkin yhdestä emosolusta kehittyy vain yksi, muut kolme ovat pienikokoisia poistosoluja. Eläinten meioosissa on yleensä vähennysjaon ja tasausjaon välissä lyhyt välivaihe. Koska tehtävän kuvassa näkyvät myös sentriolit, kyseessä on eläinsolu. Jakso 1 39 Solut ja Eliöt

40 8. Pölytys (yo s-11) a. Hyönteinen lentää tai kiipeää kukkaan imeäkseen niistä mettä tai kerätäkseen siitepölyä. Nämä ovat monien hyönteisten tärkeitä ravinnonlähteitä. Samalla niiden turkkiin ja karvoihin tarttuu siitepölyä kukan heteistä. Seuraavissa kukissa vieraillessaan hyönteinen kuljettaa siitepölyä emille. Siitepölyhiukkanen tarttuu emin luottiin ja kasvattaa emin sikiäimeen siiteputken, jonka avulla siitepölyhiukkasen tuma siirtyy emin sikiäimeen ja hedelmöittää siellä olevan munasolun. b. Siitepöly voi kulkeutua heteistä emeihin myös tuulen tai eräillä vesikasveilla myös veden mukana. Tuulipölytteisiä kasveja ovat esimerkiksi havupuut sekä koivu, haapa ja leppä sekä monet heinäkasvit. Siitepöly voi kulkeutua kukasta toiseen myös eräiden lintujen (esim. kolibrit) ja mettä ja siitepölyä syövien lepakoiden kuljettamana. Kasvit, joilla heteet ja emi ovat samassa kukassa voivat myös varistaa siitepölyä heteistä omalle emilleen. Tällöin on kyseessä itsepölytys. Jos siitepöly kulkeutuu kukasta (kasvista) toiseen, puhutaan ristipölytyksestä. c. Tavallisimpia mesipistiäisiä ovat mehiläinen ja kimalainen. Näistä molemmista tunnetaan useita sukulaislajeja. 9. Rataseläimen elämänkierto (yo k-11) a. Partenogeneesi on lisääntymistapa, jossa uusi yksilö syntyy hedelmöitymättömästä munasolusta tai sen kantasolusta. Haploidisissa soluissa (haploidisen yksilön kaikissa soluissa) on yksinkertainen kromosomisto eli vain yksi kappale kutakin kromosomia. b. Rataseläin populaatioissa on kesäaikaan vain diploidisia naaraita, jotka tuottavat diploidisia munasoluja (normaalisti eläinten munasolut ovat haploidisia). Nämä munasolut kehittyvät uusiksi naaraiksi ilman hedelmöitystä. Koska jokainen populaation yksilö pystyy lisääntymään ilman toista sukupuolta, populaatio kasvaa suotuisissa oloissa tehokkaasti. c. Syksyllä veden jäähtyessä naaraat alkavat tuottaa meioosin avulla haploidisia munia. Niihin tulee sattumanvaraisesti yksi kappale kutakin kromosomia. Osasta hedelmöitymättömiä munia kehittyy haploideja koiraita, jotka tuottavat haploideja siittiöitä. Siittiöt hedelmöittävät haploideja munasoluja sattumanvaraisesti. Hedelmöityneistä munasoluista kehittyy diploidisia lepomunia (kovakuorisia talvimunia), jotka säilyvät talven ajan seuraavaan kevääseen ja kehittyvät sitten diploidisiksi, partenogeneettisesti lisääntyviksi naaraiksi. Meioosissa tapahtuva rekombinaatio ja siittiöiden ja munasolujen sattumanvarainen yhdistyminen saavat aikaan geneettistä muuntelua ja uusia ominaisuusyhdistelmiä jälkeläisiin. Populaation geneettinen monimuotoisuus siis kasvaa syksyllä meioosin ja hedelmöityksen ansiosta. Jakso 1 40 Solut ja Eliöt

41 8 Perinnöllisyys 1. Mendelin säännöt a. Genotyypit: VV x vv Sukusolutyypit: V ja v b. Kaikki genotyyppiä Vv, eli väriltään mustia heterotsygootteja. Sukusolut v v V Vv Vv V Vv Vv c. Mendelin 1. sääntö: Risteytettäessä keskenään kaksi tietyn geenin suhteen homotsygoottista yksilöä, joista toinen ilmentää dominoivaa ja toinen resessiivistä alleelia, kaikki F1-polven yksilöt ovat tämän ominaisuuden suhteen heterotsygootteja. Ne ovat keskenään samanlaisia ja ilmentävät dominoivaa alleelia. d. Vv x Vv, sukusolut V ja v e. VV, Vv, Vv, vv, 3:1 mustia ja valkoisia. Sukusolut V v V VV Vv v Vv vv f. Mendelin 2. sääntö: Risteytettäessä keskenään kaksi tietyn geenin suhteen heterotsygoottista yksilöä jälkeläisissä ilmenevät molemmat ominaisuudet tietyissä lukusuhteissa (genotyyppilukusuhde 1:2:1, fenotyyppilukusuhde 3:1). Tämä johtuu siitä, että vastinkromosomit geeneineen joutuvat eri sukusoluihin meioosin vähennysjaon tuloksena. Jakso 2 41 Perinnöllisyys ja evoluutio

42 2. Kaniinin karvanväri a. Merkinnät: h a = albinismia aiheuttava alleeli, h A = himalaja-albinismialleeli, H = harmaanvärin alleeli. Koska jälkeläistössä on albiinoja, on kummallakin vanhemmalla oltava albinismia aiheuttava alleeli. Vanhempien genotyypit: Hh a x h A h a Sukusolut: H ja h a h A ja h a Sukusolut h A h a H h a Hh A (harmaa) h A h a (himalaja) Hh a (harmaa) h a h a (albiino) Vastaus: Vanhempien genotyypit ovat Hh a ja h A h a b. Jälkeläistössä oli siis harmaita ja himalajankaneja, mutta ei albiinoja. Vanhempien mahdolliset genotyypit ovat tällöin: 1. Hh A x Hh A tai 2. Hh A x Hh a Genotyyppi: Hh A x Hh A Sukusolut: H, h A H, h A Sukusolut H h A H HH Hh A h A Hh A H A h A Yllä oleva vastaa lukusuhdetta kahdeksan harmaata ja kaksi himalajankania. Genotyyppi: Hh A x Hh a Sukusolut: H, h A H, h a Sukusolut H h a H HH Hh a h A Hh A h A h a Myös tämän risteytyksen lukusuhde vastaa tehtävässä ilmoitettua. Vastaus: Vanhempien genotyypit ovat Hh A ja Hh A tai Hh A ja Hh A. Jakso 2 42 Perinnöllisyys ja evoluutio

43 3. Albinismi Merkinnät: normaalipigmentin aiheuttava alleeli A (dominoiva), albinismin aiheuttava alleeli a (resessiivinen). Äiti: normaalipigmenttinen, genotyyppi AA tai Aa Äidin isä: albiino, genotyyppi aa Isä: Isän äiti: normaalipigmenttinen, genotyyppi AA tai Aa albiino, genotyyppi aa Koska sekä perheen isä että äiti ovat normaalipigmenttisiä, mutta molempien vanhemmista toinen on albiino (aa), täytyy heidän olla genotyypiltään heterotsygootteja (Aa), ja siksi toisen kummankin vanhemmista on oltava normaalipigmenttinen (AA tai Aa). Isä Aa x äiti Aa Siittiöt: A ja a munasolut A ja a 50 % siittiöistä on tyyppiä A ja 50% tyyppiä a; samoin puolet munasoluista on tyyppiä A ja puolet a. Lasten genotyypit: AA, Aa, Aa ja aa Lasten fenotyypit: Kolme neljästä on normaalipigmenttisiä ja yksi neljästä albiino eli todennäköisyys albiinolapsen syntymiseen on 25 %. 4. Nautojen sarvet (yo s-12) Autosomaalinen periytyminen: Sarveton (nupo) sonni NN tai Nn x sarveton (nupo) lehmä A NN tai Nn. Nupo lehmävasikka voi olla genotyyppiä NN tai Nn olevan sonnin jälkeläinen. Sonnin genotyyppiä ei siis voi päätellä tämän risteytyksen perusteella. Sarveton sonni NN tai Nn x sarvellinen lehmä B nn. Sonnin genotyypin on oltava Nn, koska jälkeläinen on sarvellinen sonnivasikka nn. Sarveton sonni NN tai Nn x sarveton lehmä C NN tai Nn. Sonnin on oltava genotyypiltään Nn ( ja lehmän samoin Nn), koska syntyi sarvellinen sonnivasikka nn. Lehmien B ja C jälkeläisten perusteella voidaan päätellä sonnin genotyypin olevan Nn (heterotsygootti) Sukupuoleen (X-kromosomiin) sitoutunut periytyminen: Lehmä A. Sarveton sonni XNY x XNXn tai XNXN (sarveton lehmä A). Nupo lehmävasikka (XNXN tai XNXn) voi olla tämän sonnin jälkeläinen. Lehmä B. XNY x XnXn. Voi syntyä sarvellinen sonnivasikka XnY. Lehmä C. XNY x XNXn. Voi syntyä sarvellinen sonnivasikka XnY. (Jos sarvettomuuden aiheuttava nupousalleeli sijaitsee sonnin Y- kromosomissa, ei jälkeläisissä voi olla sarvellista sonnivasikkaa) Karjanjalostajat tietävät, että todellisuudessa nupous periytyy autosomaalisesti! Jakso 2 43 Perinnöllisyys ja evoluutio

44 5. Gerbiilin karvat a. Normaalivärisiä: CC, Cc b, Cc h, Burmia c b c b, c b c h, valkoisia c h c h b. Vanhempien genotyypit: Cc h x c b c h Sukusolut: C, c h c b, c h Sukusolut C c h c b Cc b c b c h c h Cc h c h c h Vastaus: Jälkeläisten geno- ja fenotyypit ovat seuraavat: Cc h (norm.), Cc b (norm.), c b c h (burma) ja c h c h (valk.) lukusuhteissa 2:1:1. c. Cc b x c b c b, c b c b x c b c b, c b c b x c b c h, c b c b x c h c h, Cc h x c b c b, Cc b x c b c h d. Cc h x Cc h, Cc h x c b c h, c b c h x c b c h, c b c h x c h c h, c h c h x c h c h 6. Samettikukat (yo s-01) a. Vanhempien A K A K x A V A V genotyypit: Sukusolut: A K A V Sukusolut A V A K A K A V (F 1 -polvi) Vastaus: Molemmat vanhemmat ovat homotsygoottisia, joten F 1 -polven kaikki jälkeläiset ovat genotyypiltään samanlaisia (A K A V ). Koska kukat ovat väriltään vanhempien välimuotoa, vaaleankeltaisia, periytyminen on intermediaarista eli yhteisvallitsevaa. Jakso 2 44 Perinnöllisyys ja evoluutio

45 b. Siementen tuottamiseksi risteytetään kaksi vaaleankeltaista samettikukkaa. Genotyypit: A K A V x A K A V Sukusolut: A K, A V A K, A V Sukusolut A K A V A K A K A K A K A V A V A K A V A V A V Vastaus: F 2 -polvessa syntyy vanhempien kaltaisia (valkokukkaisia ja voimakkaan keltaisia) ja välimuotoja (vaaleankeltaisia, A K A V ) suhteessa 1:2:1. Näin puutarhuri saa seuraavana kesänä edelliskesän siemenistä kaikkia kolmea muotoa, ei pelkästään haluamiaan vaaleankeltaisia. c. Genotyyppi: A K A K x A V A V Sukusolut: A K x A V Sukusolut A V A K A K A V Vastaus: Hänen pitää valita F 2 -polvesta vanhempien kaltaiset muodot (valkokukkainen ja voimakkaan keltakukkainen) ja risteyttää ne keskenään, jotta niiden siemenistä saadaan taas alkuperäisen F 1 -polven kaltaisia jälkeläisiä. (Samettikukkaa voidaan lisätä myös kasvullisesti.) 7. Petunialajikkeet (yo k-06) Punakukkaisuuden aiheuttaa alleeli A P. Vaaleakukkaisuuden aiheuttava alleeli A V. Punakukkaisia ovat genotyypit A P A P, vaaleakukkaisia A V A V ja vaaleanpunakukkaisia A P A V. Kukan väri periytyy intermediaarisesti (välimuotoisesti), kumpikaan kukan väriin vaikuttava alleeli ei dominoi siis toista, vaan heterotsygootti jälkeläinen (A P A V ) on väriltään vaaleanpunainen (välimuoto). Yksinkertaisen kukan aiheuttaa dominoiva alleeli K. Kerrotun kukan aiheuttaa resessiivinen alleeli k. Yksinkertaisia kukkia kehittyy genotyypeille KK ja Kk. Kerrottuja kukkia genotyypille kk. F 1 -polvi Vanhemmat: Kerrottu ja punakukkainen homotsygoottinen A P A P kk kaikki sukusolut A P k. Yksinkertainen vaaleakukkainen homotsygoottinen A V A V KK, kaikki sukusolut A V K. Jakso 2 45 Perinnöllisyys ja evoluutio

46 Risteytys A P k x A V K F 1 -polvi: A P A V Kk Kaikki jälkeläiset keskenään samanlaisia, genotyyppiä A P A V Kk, fenotyypiltään vaaleanpunakukkaisia ja yksinkertaisia. F 2 -polvi (risteytetään siis keskenään kaksi F 1 -polven yksilöä) Molemmat vanhemmat: A P A V Kk. Sukusolut A P K A P k A V K A V k A P K A P A P KK punakukkainen yksinkertainen A P A P Kk punakukkainen yksinkertainen A P A V KK vaaleanpunainen yksinkertainen A P k A V K A V k 8. Kissan turkki (yo s-04) A P A P Kk punakukkainen yksinkertainen A P A V KK vaaleanpunainen yksinkertainen A P A V Kk vaaleanpunainen yksinkertainen A P A P kk punakukkainen kerrottu A P A V Kk vaaleanpunainen yksinkertainen A P A V kk vaaleanpunainen kerrottu A P A V Kk vaaleanpunainen yksinkertainen A V A V KK vaaleakukkainen yksinkertainen A V A V Kk vaaleakukkainen yksinkertainen Genotyyppi: X m X m (musta naaras), X k X k (keltainen naaras), X m X k (mustakeltalaikukas naaras), X m Y (musta kolli), X k Y (keltainen kolli). Alleelit: X m musta, X k keltainen. a. 1. Isänä musta kolli: X m X k x X m Y Sukusolut X m X k X m X m X m X m X k Y X m Y X k Y Pennut: X m X m (musta naaras), X m Y (musta koiras), X m X k (mustakeltalaikukas naaras), X k Y (keltainen koiras). Laikukkaiden todennäköisyys kaikista pennuista 25 %, naaraspennuista 50 %. 2. Isänä keltainen kolli: X m X k x X k Y A P A V Kk vaaleanpunainen yksinkertainen A P A V kk vaaleanpunainen kerrottu A V A V Kk vaaleakukkainen yksinkertainen A V A V kk vaaleakukkainen kerrottu Sukusolut X m X k X X k X m (laikukas X k X k (keltainen k naaras) naaras) X Y m Y(musta X k Y (keltainen koiras) koiras) Laikukkaiden todennäköisyys sama kuin edellä. Vastaus: Olipa kolli musta tai keltainen, todennäköisyys laikukkaiden pentujen syntyyn on 25 %, laikukkaiden naaraspentujen syntyyn on 50 %. Jakso 2 46 Perinnöllisyys ja evoluutio

47 b. Laikukkaita kissoja saadaan varmemmin (jälkeläisissä enemmän), jos kasvattaja käyttää yksivärisiä, mutta erivärisiä vanhempia: 1. Musta emokissa (X m X m ) x keltainen kolli (X k Y) Sukusolut X m X m X k X m X k X m X k Y X m Y X m Y 2. Keltainen emokissa (X k X k ) x musta kolli (X m Y) Sukusolut X k X k X m X k X m X k X m Y X k Y X k Y Vastaus: Pennuista laikukkaita 50 %, kaikki urospennut mustia (risteytys 1), keltaisia (risteytys 2.) ja kaikki naaraspennut laikukkaita molemmissa risteytyksissä. 9. Letaalialleeli (yo s-92) Merkitään resessiivistä letaalialleelia kirjaimella a ja vastaavaa normaalialleelia kirjaimella A. a. Alleeli sijaitsee autosomissa. Koska kyseessä on harvinainen alleeli, on erittäin epätodennäköistä, että sama letaalialleeli olisi myös lasten isällä. Vanhemmat: äiti Aa x isä AA Sukusolut A a A AA Aa A AA Aa Vastaus: Lasten genotyypit ovat AA ja Aa (50 % lapsista siis kantaa letaalialleelia perimässään). Sukulaisavioliitot voivat lisätä taudin ilmenemisriskiä. b. Alleeli sijaitsee X-kromosomissa. Terve alleeli X A, sairausalleeli X a. Vanhemmat: isä X A Y x äiti X A X a Sukusolut X A X a X A X A X A X a X A Y X A Y X a Y Vastaus: Todennäköisyydet ovat seuraavat: Tytöistä 50 % täysin terveitä (X A X A ), 50 % letaalialleelin kantajia (X A X a ); pojista 50 % terveitä (X A Y) ja 50 % saa letaalialleelin (X a Y), joka johtaa kuolemaan, koska Y-kromosomissa ei ole normaalialleelia lainkaan. Jakso 2 47 Perinnöllisyys ja evoluutio

48 10. Heinäkasvin varren pituus (yo k-07) a. Polymeeriset geenit, polygeenit, ovat määrällisiin ominaisuuksiin vaikuttavia geenejä. Niiden vaikutus on usein summautuvaa. Monet alleelit yhdessä saavat aikaan liukuvan sarjan erilaisia fenotyyppejä. Annettujen pituustietojen perusteella voidaan laskea, että yhden pituuskasvua lisäävän geenin vaikutus on 15 cm (120 cm 30 cm):6. Genotyypit: AABBCC x aabbcc Sukusolut: ABC abc Sukusolut abc ABC AaBbCc F 1 -polvi: AaBbCc Kaikkien jälkeläisten pituus on 75 cm (30 cm + (3 x 15 cm)) b. Genotyypit: AABbcc x aabbcc Sukusolut: ABc, Abc x abc, abc, abc, abc Sukusolut abc abc abc abc ABc AaBBCc AaBBcc AaBbCc AaBbcc pituus 90 cm pituus 75 cm pituus 75 cm pituus 60 cm Abc AaBbCc AaBbcc AabbCc Aabbcc pituus 75 cm pituus 60 cm pituus 60 cm pituus 45 cm Vastaus: Eripituisia jälkeläisiä syntyi: 90 cm, 75 cm, 60 cm, 45 cm lukusuhteissa 1:3:3:1 Tehtävän voi ratkaista myös niin. että a, b ja c lisäävät kasvua kukin 5 cm ja A, B ja C kukin 20 cm. 11. Ihonväri vaihtelee Ihmisen ihon väri on polygeenien määräämä ominaisuus. Se perustuu ainakin neljän alleeliparin yhteisvaikutukseen. Nämä alleelit vaikuttavat ihon melanosyyttien, eli pigmenttiä tuottavien solujen toimintaan. Hyvin tummilla ihmisillä on perimässään siis kahdeksan pigmenttiä lisäävää alleelia. Hyvin tumman ja hyvin vaalean ihmisen jälkeläisillä on perimässään neljä pigmenttiä lisäävää alleelia ja siksi heidän ihonvärinsä on useimmiten vaaleanruskea. Heidän perimässään on myös neljä alleelia, jotka eivät lisää ihon pigmenttiä. Jälkeläisistä suurin osa saa vanhempien sukusoluissa molempia alleeleita, mutta alleelit voivat meioosin tuloksena ryhmittyä myös niin, että johonkin siittiöön ja munasoluun kasaantuu useita pigmenttiä lisääviä alleeleja, samoin voi syntyä myös sukusoluja, joissa on vain alleeleja, jotka eivät pigmenttiä lisää. Vanhempien pigmenttialleelit: M1m1 M2m2 M3m3 M4m4 (M1,M2,M3, ja M4 lisäävät pigmenttiä; m1 m2 m3 ja m4 eivät lisää). Tummaihoisin lapsi M1M1M2M2M3M3M4M4. Vaaleaihoisin lapsi m1m1m2m2m3m3m4m4. Useimmat lapset ihonväriltään vaaleanruskeita, esim. M1m1M2m2M3m3M4m4. Jakso 2 48 Perinnöllisyys ja evoluutio

49 12. Punavihersokeus Punavihersokeuden aiheuttava resessiivinen alleeli periytyy X- kromosomiin sitoutuneena. Koska Y-kromosomissa ei ole tähän ominaisuuteen vaikuttavaa alleelia lainkaan, tauti ilmenee miehissä aina, jos sen aiheuttava alleeli on hänen X-kromosomissaan. alleeli. Merkintä X V = normaali alleeli, X v = punavihersokeuden aiheuttava Sukusolut X v X v X V X v X V X v X V Y X v Y X v Y Oletetaan, että mies on tässä tapauksessa terve X V Y. Hänen isänsä värisokeudella ei ole merkitystä, koska mies saa isältään vain Y- kromosomin, ei tautialleelia sisältävää X-kromosomia. Tehtävässä ei mainita miehen äidistä. Jos äiti on punavihersokea tai taudin kantaja, mies voi olla punavihersokea. Nainen on punavihervärisokea X v X v, eli kaikissa hänen munasoluissaan X v tautialleeli on mukana. Lapset: X V X v ilmiasultaan terveitä tyttöjä, joilla tautialleeli perimässään (kantajia) ja X v Y punavihersokeita poikia. Kaikki näiden vanhempien lapset ovat näitä tyyppejä. Punavihersokeuden ilmenemisprosentti siis 50 %. 13. Periytyvä tauti (yo s-11) Merkitään sairauden aiheuttavaa alleelia kirjaimella a ja normaalialleelia A. a. Isä: X a Y x äiti: X A X a. Äiti on siis taudin kantaja, koska äidinisä on sairas. Lapset: X A X a, X a X a, X A Y, X a Y. Sairaus ilmenee todennäköisesti puolella sekä tyttäristä että pojista. Terveetkin tyttäret ovat taudin kantajia. b. Isä: X A Y x äiti: X A X a. Äiti on taudin kantaja, koska äidinäiti on sairas (X a X a ). Lapset: X A X A, X A X a, X A Y, X a Y. Tauti ei ilmene tyttärissä, mutta puolet tyttäristä on taudin kantajia ja puolella ei ole tautia aiheuttavaa alleelia perimässään. Pojista puolet on sairaita ja puolet terveitä. Jakso 2 49 Perinnöllisyys ja evoluutio

50 14. Kyläyhteisö (yo k-98) a. Resessiivinen, koska terveet vanhemmat (14 ja 15) saavat sairaita lapsia. Lisäksi dominoiva alleeli ilmenisi joka sukupolvessa. b. Autosomaalisesti. Jos sairautta aiheuttava alleeli olisi X-kromosomissa, sairaan kantaäidin (1) kaikkien poikien pitäisi olla sairaita. Tässä tapauksessa poika 4 on terve. c. Mies numero 13 on taudinkantaja (Aa). Nainen 12 voi olla joko AA tai Aa, koska hänen isänsä on Aa (4) perinyt varmasti sairausgeenin äidiltään). Siksi jälkeläinen 18 on sairas (aa) naisen 12 genotyypistä riippuen joko 25 % tai 0 % todennäköisyydellä. Yhteenlaskettu todennäköisyys on siis 12,5 %. d. Nainen 14 ja mies 15 ovat kumpikin taudinkantajia (Aa), joten jokaisen lapsen todennäköisyys periä kummaltakin vanhemmalta sairautta aiheuttava alleeli on 25 %. Edellisten lasten kohdalla toteutunut huonompi vaihtoehto ei vaikuta seuraavan lapsen tilanteeseen mitenkään. Todennäköisyys on 25 % tämänkin lapsen (21) kohdalla. 1. aa 2. Aa 3. AA 4. Aa 5. AA 6. aa 7. Aa 8. AA 9. Aa 10. AA tai Aa 11. AA tai Aa 12. AA tai Aa 13. Aa 14. Aa 15. Aa 16. Aa tai AA 17. Aa tai AA 18. Aa tai aa 19. aa 20. aa 21. Aa tai aa Jakso 2 50 Perinnöllisyys ja evoluutio

51 15. Munuaissairauden sukupuu (yo s-06) a. Perinnöllinen munuaistauti ei voi periytyä autosomaalisesti resessiivisesti. Jos henkilöt 1 ja 2 olisivat genotyypiltään tyyppiä mm, ei terveitä jälkeläisiä voisi syntyä. mm x mm tuottaisi vain sairaita, joiden kaikkien genotyyppi olisi mm. Henkilöiden 1 ja 2 jälkeläisistä kaksi on terveitä (5 ja 6). X-kromosomaalinen resessiivinen periytyminen ei ole mahdollista, koska henkilöt 5 ja 6 ovat terveitä. Seuraava perustelukin kelpaa: Tautia aiheuttava alleeli ei voi olla X-kromosomissa, koska henkilö 6 on terve mies. Hän on saanut ainoan X-kromosominsa äidiltään, joka on sairas. X-kromosomaalinen dominoiva ei myöskään ole mahdollinen. Mies ei koskaan siirrä X-kromosomissa periytyvää ominaisuutta pojalleen. Sukupuun henkilö 4 on sairas ja hänen poikansa (sukupuussa numero 9) on myös sairas. Henkilö 9 on saanut X-kromosominsa äidiltään (henkilö 3), joka on terve. Numero 5 ei voi olla terve, jos isä on sairas. Aikuisiän munuaistauti periytyy siis autosomaalisesti ja sen aiheuttava alleeli on dominoiva. b. Henkilöiden 1-9 ja 11 genotyypit. Terveiden genotyyppi on mm, sairaiden genotyyppi on Mm tai MM. 1. Mm, 2. Mm. Vanhempien 1 x 2 lapsista on terveitä numerot 5 ja 6, siksi vanhempien genotyypin on oltava Mm. 3. mm 4. Mm tai MM 5. mm 6. mm 7. Mm (koska 11 on terve) 8. mm 9. Mm 11. mm c. Odotetun lapsen numero 10 riski sairastua on suurempi kuin lapsen numero 12, koska lapsen 10 isä voi olla genotyypiltään myös MM, kun taas lapsen 12 isän on oltava heterotsygoottinen Mm, koska lapsi 11 on terve. Jos lapsen 10 isä (4) on MM, on sairastumisen todennäköisyys 100 %. Jos isä on Mm, sairastumisen todennäköisyys on 50 %. Jakso 2 51 Perinnöllisyys ja evoluutio

52 16. Ongelmia kuningasperheessä (yo s-03) a. Hemofilia periytyy resessiivisesti ja X-kromosomiin sitoutuneena. Albert ei siten voi olla taudin kantaja. Selityksenä asialle on kuningatar Victorian tai hänen jommankumman vanhempansa ituradassa tapahtunut mutaatio. b. X H = normaalialleeli, X h = hemofiliaa aiheuttava alleeli; Viktoria on taudinkantaja X H X h vanhempien genotyypit: Victoria X H X h x Albert X H Y lapset: 1. X H Y 2. X H X h tai X H X H 3. X H X h 4. X h Y 5. X H X h c. Serkuksista miespuolinen on terve, joten hänellä ei ole hemofiliaa aiheuttavaa geeniä perimässään. Hemofilian periytymisen todennäköisyys on sama, olipa mies sukulainen tai ei. Äiti on kantaja, eli hänellä on hemofiliaa aiheuttava alleeli toisessa X-kromosomissaan. Kaksi sairasta poikaa on sattuman tuotosta. d. Edvard VII oli terve. Siksi hän ei ole voinut periyttää jälkeläisilleen hemofiliaalleelia. 17. Eri kromosomeissa vai samassa? a. KP, Kp, kp, kp; KP, kp; KP, Kp; kp, kp; kp. b. KP ja kp (kiasmoja ei tule). c. KP, Kp, kp, kp. Sukusolutyyppejä Kp ja kp syntyy vähemmän kuin tyyppejä KP ja kp. Jakso 2 52 Perinnöllisyys ja evoluutio

53 18. Mikä genotyyppi? (yo s-06) Kahta vallitsevaa ominaisuutta ilmentävän eliön genotyyppi voidaan selvittää takaisinristeytyksen avulla. Eli tutkittava yksilö risteytetään vastaavan resessiivisen homotsygootin kanssa. Merkitään alleeleja kirjaimilla A ja B. Vallitsevia ominaisuuksia ilmentävä eliö on genotyypiltään joko AABB tai AaBb tai AABb tai AaBB. Homotsygoottinen, resessiivisiä ominaisuuksia ilmentävä eliö on aabb. AABB x aabb Sukusolut ab AB AaBb Kaikki jälkeläiset AaBb ilmentävät geenien A ja B aikaansaamia vallitsevia ominaisuuksia fenotyypissään. AaBb x aabb Sukusolut AB Ab ab ab ab AaBb Aabb aabb aabbb Jälkeläisistä ¼ ilmentää fenotyypissään ominaisuuksia AB, ¼ ominaisuuksia ab, ¼ Ab ja ¼ ominaisuuksia ab. Lukusuhde siis 1:1:1:1. AaBB x aabb Sukusolut AB ab Ab AaBb aabb ½ jälkeläisistä ilmentää fenotyypissään ominaisuuksia AB ja ½ ominaisuuksia ab. AABb x aabb Sukusolut AB Ab ab AaBb Aabb ½ jälkeläisistä ilmentää fenotyypissään ominaisuuksia AB ja ½ ominaisuuksia Ab. Jakso 2 53 Perinnöllisyys ja evoluutio

54 19. Crossing over (yo k-06) a. C A B D 10 % 30 % 5 % b. Heterotsygoottisessa yksilössä on vastinkromosomipari, jonka toisessa kromosomissa ovat alleelit ABCD ja toisessa abcd. Sukusolutyypit, jotka syntyvät, jos kytkentä pitää: ABCD ja abcd yhteensä 70 %, molempia yhtä paljon. Sukusoluja, kun kytkentä purkautuu ja tekijäinvaihduntaa tapahtuu A ja B geenin välissä: AbCd ja abcd yhteensä 30 %, keskenään yhtä paljon. Alleelit voivat olla myös muussa järjestyksessä, esim. CABD. c. Kun kiasmoja syntyy, kytkentä purkautuu ja tapahtuu tekijäinvaihduntaa. Tämä lisää samassa kromosomissa olevien geenien uudelleen ryhmittymistä ja siis geneettistä muuntelua populaatiossa. Muuntelu voit tuottaa vallitseviin tai muuttuviin olosuhteisiin paremmin sopeutuvia yksilöitä. Tämä mahdollistaa lajin säilymisen ja myös sen muuttumisen. 20. Banaanikärpäsiä (yo k-12) a) AaAB x aabb: kaikkia mahdollisia genotyyppejä yhtä paljon b) AaCc x aacc: vain vanhempien genotyyppejä c) AaDd x aadd: vanhempien genotyyppejä 92 %, muita mahdollisia genotyyppejä 8 % * P-polven genotyypit on annettu tehtävässä ja näkyvät vastauksen alussa Sukusolut: a) AB, Ab, ab, ab b) AC, ac c) AD, Ad, ad, ad (naarat) ab ac ad (koiraat) F 1 -polvi a) AaBb, Aabb, aabb, b) AaCc, aacc c) AaDd ja aadd yht. 92 % aabb 5% 25% 25% 25% 50 % 50 % aadd ja Aadd yht. 8 % Syyt genotyyppien lukusuhteisiin: a) Geenit eri kromosomeissa, vapaa mendelöinti b) Geenit samassa kromosomissa, ei tekijäinvaihduntaa, vahva, purkautumaton kytkentä c) Geenit samassa kromosomissa, löyhä kytkentä (geenit etäällä toisistaan), tekijäinvaihduntaa naaraan sukusoluissa. Jakso 2 54 Perinnöllisyys ja evoluutio

55 21. Tomaattikasvien risteytys (yo s-13) Tomaattikasvien jälkeläisten mahdollisia feno- ja genotyyppejä ovat: Kookkaita punahedelmäisiä: MmKk, MMKK, MmKK ja MMKk. Matalia keltahedelmäisiä: mmkk. Johtopäätökset: Koska jälkeläisissä on matalia keltahedelmäisiä, genotyyppiä mmkk, on molemmilla vanhemmilla oltava alleelit m ja k. Koska osalla jälkeläisistä ilmenevät dominoivat ominaisuudet (kookas kasvu ja hedelmien punainen väri,) on ainakin toisella vanhemmista oltava alleelit M ja K. Vanhempien mahdolliset genotyypit: MmKk x mmkk MmKk x MmKk MmKk x Mmkk MmKk x mmkk Geenien sijainti: Risteytyksessä syntyi vain kahdenlaisia jälkeläisiä. Tämä osoittaa, että hedelmien väriin ja kasvin kokoon vaikuttavat geenit ovat samassa kromosomissa lähekkäin eli ne ovat toisiinsa voimakkaasti kytkeytyneitä. Jos geenit eivät olisi toisiinsa kytkeytyneitä, olisi syntynyt neljänlaisia jälkeläisiä. Koska kahdenlaisia jälkeläisiä syntyi suunnilleen sama määrä (lukusuhde 1:1), voidaan päätellä vanhempien genotyypeiksi MmKk ja mmkk (MmKk x mmkk). Jakso 2 55 Perinnöllisyys ja evoluutio

56 9 Evoluutio perustuu muunteluun ja luonnonvalintaan 1. Mutaatiotyypit a. Sukusolulinjan eli ituradan soluissa tapahtuneilla mutaatioilla, koska ne voivat siirtyä sukusolujen mukana seuraaviin sukupolviin. b. Mutaatiot ovat muuntelun perimmäinen aiheuttaja. Geenimutatiot saavat aikaan uusia alleeleja ja lisäävät näin populaation geneettistä monimuotoisuutta. Monimuotoisuus auttaa populaatiota sopeutumaan paremmin elinympäristöönsä. Mutaatioalleelit voivat runsastua populaatioissa luonnonvalinnan, geenivirran katkeamisen tai sattuman vaikutuksesta. c. Rekombinaatio, sukusolujen sattumanvaraisesta yhdistyminen ja ympäristötekijät. Rekombinaatiota tapahtuu vastinkromosomien ryhmittyessä vapaasti meioosissa. Sitä aiheuttaa myös tekijäinvaihdunta (alleelien vaihtuminen) vastinkromosomien kromatidien välillä. Sukusolujen sattumanvarainen yhdistyminen hedelmöityksessä ja lisääntymiskumppanin sattumanvarainen valinta aiheuttavat uusien ominaisuusyhdistelmien syntyä. Ympäristötekijöiden aiheuttamaa muuntelua kutsutaan muovautumismuunteluksi. Sitä tapahtuu perimän asettamissa rajoissa. d. Suvuttomasti lisääntyvissä populaatioissa. e. Säätelygeeneissä (Hox-geenit) tapahtuneet geeni- tai kromosomimutaatiot voivat vaikuttaa nopeasti lajien evoluutioon, koska säätelygeenit ohjaavat kokonaisten rakenteiden syntyä yksilönkehityksen aikana. 2. Perunan muuntelu a. Ilman sukusoluja tapahtuvaa kasvullista lisääntymistä. Suvuttomassa lisääntymisessä jälkeläiset ovat perimältään emoyksilön kaltaisia. b. Suvuton lisääntyminen on nopeampaa ja tehokkaampaa vakaissa ympäristöolosuhteissa kuin suvullinen lisääntyminen. c. Kummankin perunanmukulan palasesta kasvaneen verson kasvuun vaikuttaa veden saanti, valon määrä ja aallonpituus sekä kasvuympäristön ravinteet. d. Muovautumismuuntelusta. Luonnonvaraisille kasveille muovautumismuuntelu antaa aikaa sopeutua (geneettisesti) muuttuviin ympäristöolosuhteisiin. Muovautumismuuntelua tapahtuu perimän asettamissa rajoissa. Jakso 2 56 Perinnöllisyys ja evoluutio

57 3. Muuntelu mahdollistaa sopeutumisen a. Suvuttomassa lisääntymisessä jälkeläiset ovat perimältään emoyksilön kaltaisia. Uudessa yksilössä tapahtunut mutaatio voi synnyttää uuden alleelin, joka voi periytyä eteenpäin seuraavalle sukupolvelle. b. Perinnöllinen muuntelu mahdollistaa populaation sopeutumisen muuttuneeseen ympäristöön. Populaation kannalta hyödyllisiä mutaatioita syntyy kuitenkin hitaasti. Muovautumismuuntelu antaa populaatiolle aikaa sopeutua (geneettisesti) ja vähentää populaation häviämisriskiä. c. Geenimutaatiot tuottavat uusia alleeleita ja niiden seurauksena sama geeni voi ilmentyä yksilön erilaisena fenotyyppinä. Mutaatio säätelygeenissä voi lisäksi vaikuttaa kokonaisen rakenteen muutokseen, esimerkiksi linnun siiven ja ihmisen yläraajan erilaisuus on seurausta pääosin yhdestä hoxgeenin mutaatiosta. Kromosomimutaatio voi monistaa geenejä ja vaikuttaa suuresti yksilön fenotyyppiin. Kromosomistomutaatiot vaikuttavat erityisesti kasvien muunteluun. Esim. autopolyploidiat tuottavat kasvunopeudeltaan parempia yksilöitä. 4. Ihmisen X-kromosomin mutaatioita (yo k-00) X- kromosomin geenimutaatioita syntyy spontaanisti tai mutageenien aiheuttamina. Geenin jokin emäspari voi muuttua tai hävitä tai geeniin voi tulla ylimääräinen emäspari. Geenimutaatioiden seurauksena syntyy uusia alleeleita. X-kromosomin geenimutaatiot periytyvät sukupuoleen kytkeytyneesti siten, että resessiivisetkin ominaisuudet ilmenevät miehillä aina. Miehen kromosomistossa on vain yksi X-kromosomi, jonka parina on pieni Y-kromosomi, jossa ei ole vastingeenejä X-kromosomin geeneille. Tällaisia ominaisuuksia tunnetaan toista sataa, mm. punavihersokeus ja hemofilia. Vain harvoin ko. ominaisuudet ovat dominoivia. Eräs esimerkki periytymisestä: A = normaalialleeli a = mutanttialleeli Normaali mies normaali nainen(kantaja) X A Y x X A X a Sukusolut X A Y X A X a X A X A nainen normaali X A X a nainen normaali (mutanttialleelin kantaja) X A Y mies normaali X a Y mies mutanttialleelin ilmentäjä Jakso 2 57 Perinnöllisyys ja evoluutio

58 X-kromosomiin liittyvät kromosomimutaatiot syntyvät kromosomin murtuessa, minkä seurauksena kromosominpala on hävinnyt, kahdentunut, kääntynyt tai liittynyt johonkin muuhun kromosomiin (kromosomin rakenne on muuttunut). Muutos koskee useita geenejä, joten vaikutus ilmenee oireyhtymänä (syndrooma). Kromosomistomutaatiossa kromosomien lukumäärä poikkeaa normaalista. Kaikki kromosomistomutaatiot perustuvat häiriytyneeseen meioosiin, jossa joihinkin sukusoluihin tulee kaksi X-kromosomia ja joihinkin taas ei yhtään. Jos naisilla on vain yksi X-kromosomi, mutaatiotyyppi on monosomia (X0, Turnerin oireyhtymä). Tämä aiheuttaa kehitysvammaisuutta ja lisääntymishäiriöitä. Triploidiassa kromosomeja on kolme. Naisilla kolme X- kromosomia aiheuttaa lievää kehitysvammaisuutta. Ylimääräisen X-kromosomin esiintyminen miehillä (XXY) aiheuttaa häiriöitä lisääntymiskyvyssä (Klinefelterin syndrooma). 5. Geenimutaatio a. gly pro gluh tre leu kys gly ala gluh leu val asp ala b. Kysteiini muuttuu seriiniksi, mistä seuraa proteiinin kolmiulotteisen rakenteen muutos. Rakennemuutos riippuu aminohappomuutoksesta. Tässä tapauksessa muutos olisi merkittävä, koska kysteiini on proteiinien rakenteen kannalta keskeinen aminohappo. c. Aminohappojärjestys muuttuisi lähes täysin tästä eteenpäin (gly-pro-gluhtre-leu-ser-gly-pro-ser-try-try-met), ja tuloksena olisi hyvin todennäköisesti täysin toimintakelvoton proteiini. 6. Albinovaris (yo k-04) a. Albiinoyksilöiltä puuttuu pigmentti, koska sen muodostumista ohjaava entsyymi on albiinoyksilöillä toimimaton. b. Albinismin aiheuttaa resessiivinen alleeli a ja normaalin värin dominoiva alleeli A. Jotta kaksi harmaata yksilöä voisi saada albiinojälkeläisen niiden tulee olla heterotsygoottisia tämän alleeliparin suhteen. Fenotyyppi: harmaa x harmaa Genotyyppi: Aa Aa Sukusolut A a A AA Aa harmaa harmaa A Aa aa harmaa albiino Albiinojälkeläisiä syntyy 1:3 Jakso 2 58 Perinnöllisyys ja evoluutio

59 c. Albiinovarikset eivät yleisty populaatiossa, koska niillä on harmaita lajikumppaneitaan huonompi kelpoisuus eli fitness. Ne eivät yleensä elä lisääntymisikään asti, koska ne joutuvat helposti petojen, kuten huuhkajien ja kanahaukkojen, saaliiksi. Normaalin väriset varikset myös välttävät niitä valitessaan lisääntymiskumppaniaan. Näin luonnonvalinta karsii albinismia populaatiosta. Albinismialleeli ei kuitenkaan häviä helposti populaatiossa, koska valinta ei kohdistu heterotsygoottisiin yksilöihin. Ne siirtävät tämän haitallisen alleelin seuraaville sukupolville. 7. Muuntelua kanipopulaatiossa a. Karvan väriä ja pituutta. Lyhytkarvaisuus: a, pitkäkarvaisuus: A, valkokarvaisuus: v, mustakarvaisuus: V. b. Eniten erilaisia sukusoluja tuottaa molempien ominaisuuksien suhteen heterotsygoottinen yksilö VvAa: VA, Va, va ja va. Vähiten tuottaa joko musta pitkäkarvainen kani VVaa tai musta lyhytkarvainen kani VVAA. Kumpikin yksilö tuottaa näiden ominaisuuksien suhteen vain yhdenlaisia sukusoluja: ensimmäinen Va ja jälkimmäinen VA. c. Kyseessä on perinnöllinen eli geneettinen muuntelu. Muuntelun aiheuttaa kuvassa rekombinaatio, joka on seurausta vastinkromosomien vapaasta järjestäytymisestä meioosissa. Muuntelu ilmenee alakuvassa fenotyypiltään uudenlaisena yksilönä, valkeana pitkäkarvaisena kanina. d. Valkea pitkäkarvainen yksilö sopeutuisi parhaiten kylmään ja lumiseen ympäristöön. Musta väri voisi puolestaan antaa suojavärin yöllä liikkuvalle kanille. Mustasta väristä on myös etua, koska se absorboi muita värejä tehokkaammin auringon säteilyä ja vähentää näin energian tarvetta, mikäli kani voisi oleilla rauhassa aamuauringon paisteessa (musta on yleensä huono suojaväri kasvinsyöjillä). Yöllä pitkä karva vähentäisi lämmönhukkaa. e. Luonnonpopulaatiossa kanien värit eivät yleensä muuntele kovin paljon. Rakenne-eroja ilmenee yksilöiden koossa, raajojen pituudessa jne. Elintoiminnoissa muuntelua voi esiintyä hormonien ja entsyymien toiminnassa, aineenvaihdunnan vilkkaudessa sekä elimistön puolustusjärjestelmässä. Käyttäytymiseroja voi esiintyä yksilöiden aggressiivisuudessa, rohkeudessa, reaktionopeudessa jne. Jakso 2 59 Perinnöllisyys ja evoluutio

60 8. Luonnonvalinta miljoonakaloilla (yo s-11) a. Kokeissa havaittiin, että miljoonakalakoiraiden täplien määrä muuttui 20 kuukauden, siis noin kymmenen sukupolven aikana. Aluksi täplien määrä nousi keskimäärin kymmenestä kahteentoista. Kun ympäristöön tuotiin petokala (6 kuukautta kokeen alusta), populaation koiraiden täplien määrä väheni; se oli kokeen lopussa alle 10 täplää kalaa kohti. Siinä kalapopulaatiossa, johon petokalaa ei tuotu, täplien määrä jatkoi kasvua, tasoittuen 12. kuukauden jälkeen hiukan alle 13 täplään kalaa kohti. b. Tutkimuksissa ilmeni kaksi vastakkaissuuntaista valintapainetta: sukupuolivalinta ja saalistus. Aluksi naaraiden suosio ja paritteluhalukkuus monitäpläisten koiraiden kanssa vaikutti jälkeläisten perimään täplien määrää lisäävästi sukupolvien mittaan. Toisessa osapopulaatiossa petokalan vaikutus ilmeni täplien määrän vähenemisenä. Runsastäpläiset koiraat olivat helpommin havaittavia saaliita petokalalle; jäljelle jääneet olivat huomaamattomampia. Nämä lisääntyivät runsaammin, ja jälkeläisten perimä muuttui: täplämäärä väheni. Toisessa osapopulaatiossa sukupuolivalinta vaikutti edelleen eikä saalistuksen vaikutus tasapainottanut tilannetta. Täplien keskimäärä ei kuitenkaan kasvanut yli 13:n 9. Rekombinaatio (yo s-09) Rekombinaatio tuottaa populaatioon uusia ominaisuusyhdistelmiä, joita luonnonvalinta karsii. Populaatioon valikoituu sen hetkiseen ympäristöön parhaiten sopeutuneet yksilöt. Ne tuottavat eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Rekombinaatio on perinnöllisen muuntelun perusta. Tumallisilla eliöillä rekombinaatio perustuu: 1. kromosomien sattumanvaraiseen järjestymiseen meioosissa (sukusoluun tulee vain toinen vastinkromosomi). Näin jälkeläinen perii vanhempiensa ominaisuuksia sattumanvaraisesti. 2. Tekijäinvaihduntaan eli crossing-overiin, jossa kromosomin palat vaihtavat paikkoja vastinkromosomien välillä. Näin samassa kromosomissa sijaitsevien geenien alleelit voivat järjestyä uudella tavalla (geenien kytkentä voi purkautua). Esitumallisilla bakteereilla on kolme rekombinaatiotapaa: 1. Transformaatio: bakteeri ottaa vierasta perintöainesta ympäristöstään ja liittää sen osaksi omaa perimäänsä. 2. Konjugaatio: bakteeri saa toisen bakteerin perimää solulimasiltaa (pilus) pitkin. 3. Transduktio: virus (bakteriofagi) kuljettaa lisääntyessään sattumalta DNA:ta bakteerista toiseen. Bakteerilla rekombinaation seurauksena siirtyneet uudet aiheuttavat uusia ominaisuuksia välittömästi, koska niiden bakteerien perimä on haploidinen. Bakteerit lisääntyvät nopeasti jakautumalla, joten niiden evoluutio on usein nopeaa. esimerkiksi sairaalabakteerit. Jakso 2 60 Perinnöllisyys ja evoluutio

61 10. Valinnan kohde (yo k-08) a. Luonnonvalinta kohdistuu fenotyyppiin. Muuntelun ansiosta populaatiossa esiintyy erilaisia yksilöitä. Tällaisia fenotyyppisiä eroja ovat tietyt rakenteet, elintoiminnot ja käyttäytyminen, joiden ansiosta toiset yksilöt pärjäävät muita paremmin vallitsevissa olosuhteissa. Parhaiten sopeutuneet (kelpoisimmat) yksilöt tuottavat muita enemmän jälkeläisiä. Samalla myös alleelien lukusuhteet populaatiossa muuttuvat vähitellen. Suuri osa perimän alleeleista ei näy ilmiasussa, koska ne ovat resessiivisiä. Siten myös moni yksilön kelpoisuutta heikentävä alleeli säilyy populaatiossa, koska ne vain harvoin tulevat esiin ilmiasussa ja joutuvat luonnonvalinnan karsimiksi. b. Koiraslintujen värikäs höyhenpuku on kehittynyt osana soidinkäyttäytymistä. Korea asu lisää koiraan suosiota soitimella, jossa naarasyksilö valitsee parittelukumppanin. Värikkyyden lisäksi koiraan suosiota lisää huomiota herättävä käyttäytyminen, jossa värit, muodot ja liikkeet toimivat avainärsykkeinä. Ne laukaisevat naaraan vastavuoroisen käyttäytymisen ja varmistavat parittelun (esim. riikinkukko, kanalinnut, telkkä ja monet muut sorsalinnut). Korostetut eli ylinormaalit ärsykkeet laukaisevat naaraan käyttäytymisen varmemmin. Luonnonvalinnan seurauksena koiraiden värikkyyden aiheuttavat alleelit ovat evoluution mittaan yleistyneet populaatiossa. Naaraalle on oman sekä munapesyeen säilymisen kannalta hyötyä vaatimattomasta ulkoasusta. Maapesässä hautova haahkanaaras sulautuu ympäristöönsä maastonvärisen höyhenpuvun ansiosta, jota pedon on vaikea havaita. Myös poikasten untuva puku on yleensä maastonvärinen; sukupuolten erot kehittyvät vasta sukukypsyyden myötä 11. Albinismi (yo s-10) a. Albinismialleeli on resessiivinen normaalialleeliin verrattuna. Tämä näkyy siinä, että ilmiasultaan normaalit vanhemmat (6 ja 7) saavat albiinojälkeläisen. Vanhemmat ovat alleelin suhteen heterotsygootteja, lapsi (8) resessiivinen homotsygootti. b. Ihmisen ihonväri on polygeeninen ominaisuus ja siten ihon tummuusasteita on liukuva sarja aivan vaaleasta erittäin tummaan. Lähellä päiväntasaajaa elävissä ihmispopulaatioissa luonnonvalinta on suosinut tummia yksilöitä, koska pigmentoitunut iho suojaa auringon UV-säteilyltä. Ihonväri vaalenee asteittain napoja kohti, koska vaaleaihoisuus on valintaetu siellä, missä säteilyä on talvella vähän, koska vaalean ihon läpi pääsee riittävä määrä D- vitamiinin valmistumiseen tarvittavaa säteilyä. c. Haitalliset resessiiviset ominaisuudet eivät kokonaan karsiudu populaatiosta, koska alleeleja säilyy heterotsygoottisissa yksilöissä, joiden ilmiasussa resessiivinen alleeli ei ilmene. Jakso 2 61 Perinnöllisyys ja evoluutio

62 12. Hietatokko (yo k-06) Yksilöiden väliset erot hietatokoilla johtuvat pääasiassa geneettisestä muuntelusta. Koko on kvantitatiivinen ja polygeeninen ominaisuus, joten sen määrää monta geeniä yhdessä. Erikokoiset yksilöt altistuvat luonnonvalinnalle. Parhaiten ympäristöönsä sopeutuneilla yksilöillä on muita parempi kelpoisuus eli fitness ja ne tuottavat eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Koko vaikuttaa useammalla tavalla hietatokkojen kelpoisuuteen. Koolla on merkitystä lajin sisäisessä kilpailussa. Kookkailla koirailla on valintaetu pienempiin verrattuna, koska ne kykenevät valtaamaan pesäpaikat pienemmiltä koirailta. Myös naaraat suosivat suuria koiraita, koska se kykenee puolustamaan hyvin munia ja on kestävä löyhyttelijä. Suuntaava valinta toimii tässä tilanteessa kookkaiden eduksi. Hietatokkoihin kohdistuva saalistus puolestaan suosii populaation pienikokoisia yksilöitä, koska naurulokit valitsevat saaliikseen mieluiten kookkaita yksilöitä. Suuntaava valinta toimii tässä tilanteessa pienikokoisten yksilöiden eduksi. Kaksi erisuuntaista suuntaavaa valintaa kumoaa toistensa vaikutusta ja johtavat yhdessä tilanteeseen, jossa hietatokkojen koko pysyy 3,5 6 cm:n välissä. Kyseessä on tasapainottava valinta, joka suosii heterotsygotiaa ja keskikokoisia yksilöitä. Jakso 2 62 Perinnöllisyys ja evoluutio

63 10 Luonnonvalinta ohjaa evoluutiota 1. Lajiutumisen peruskäsitteet a. Maantieteellinen isolaatio, kuten mantereiden erkaantuminen toisistaan, voi eristää populaatiot toisistaan ja katkaista syntyneiden alapopulaatioiden välisen geenivirran. Alapopulaatiot kehittyvät vähitellen omiksi lajeikseen. b. Alapopulaatioihin kohdistuvat erilaiset valintapaineet. Eri populaatioiden yksilöt kehittyvät aikojen kuluessa rakenteeltaan, elintoiminnoiltaan ja käyttäytymiseltään niin erilaisiksi, että ne eivät enää lisäänny keskenään. c. Lisääntymiseste eristää eri lajien yksilöt toisistaan. Lisääntymisesteitä ovat eläminen eri alueilla, erilaiset lisääntymisajat, erilainen soidinkäyttäytyminen, lisääntymiselinten rakenteelliset erot tai biokemialliset erot sukusoluissa. d. Samaa alkuperää olevan eliöryhmän sopeutuminen uusiin ekologisiin lokeroihin, mikä johtaa suhteellisen lyhyessä ajassa uusien lajien syntyyn. e. Perustajavaikutuksessa uuden alueen populaatio on peräisin vain muutamista yksilöistä. Uuden populaation perintötekijäyhdistelmät voivat poiketa sattuman takia paljonkin kantapopulaation perintötekijäyhdistelmistä. Uudenlaisessa ympäristössä uudesta populaatiosta voi kehittyä suhteellisen nopeasti oma lajinsa. f. Kromosomistomutaatio voi aiheuttaa allopolyploidiaa. Lajiristeymän kautta voi syntyä uusi laji. Monia tällaisia lajiristeymien kautta syntyneitä lajeja tunnetaan kasveilla, esimerkiksi peltopillike. 2. Perhosten evoluutio a. Linnut ovat evoluution kuluessa oppineet välttämään Amauris-lajeja niiden myrkyllisyyden takia. Lajin väritys siis toimii kyseisen lajin suojavärinä. Papilio dardanus populaatioihin on syntynyt evoluution kuluessa monen värisiä yksilöitä sattumanvaraisten mutaatioiden seurauksena. Luonnonvalinta on suosinut muuntelevassa populaatiossa niitä yksilöitä, jotka muistuttavat eniten myrkyllisiä lajeja (ilmiötä kutsutaan mimikryksi). Amauris-lajeja muistuttavilla P. dardanus naarailla on ollut paras fitness eli ne tuottavat eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Näin väritys on yleistynyt populaatiossa. Koirailla väritys ei ole muuttunut, koska naaraiden tulee kyetä tunnistamaan parittelukumppanit lajin lisääntyessä. b. Linnut eivät vältä Amauris-lajeja muistuttavia P. dardanus -naaraita, koska myrkyllinen laji puuttuu saarelta. Tämän kaltaisesta suojaväristä ei näin ole myrkyttömille perhosille valintaetua, joten populaation naaraat ovat säilyneet koiraiden kaltaisina. Tämä väritys on kyseisessä tilanteessa lajin naaraille parempi. c. Esim. korallikäärme ja valekorallikäärme tai ampiainen ja kukkakärpänen. Jakso 2 63 Perinnöllisyys ja evoluutio

64 3. Lajien synty (yo k-01) Lajilla on biologiassa luokittelun perusyksikkö. Samaan lajiin kuuluvat yksilöt voivat lisääntyä keskenään ja tuottaa lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Uusien lajien syntyminen edellyttää, että saman lajin eri populaatioiden välille muodostuu lisääntymiseste, joka katkaisee niiden välisen geenivirran. Lisääntymisesteitä voi myös syntyä populaation sisällä. Maantieteellinen isolaatio katkaisee geenivirran populaatioiden väliltä, minkä jälkeen uudet populaatiot voivat pitkän ajan kuluessa kehittyä hyvinkin erilaisiksi. Kummassakin populaatiossa tapahtuu sattumanvaraisia mutaatioita, jotka aiheuttavat muuntelua. Luonnonvalinta suosii kummassakin populaatiossa perimältään erilaisia yksilöitä, koska ympäristöolosuhteet vaihtelevat eri alueilla. Näin populaatiot kehittyvät ensin alalajeiksi ja vähitellen lajeiksi. Esimerkiksi norpat (Itämeren, Saimaan ja Laatokan) ovat eriytyneet vasta alalajeiksi, koska jääkauden jälkeinen aika ei ole ollut riittävän pitkä täydelliselle lajiutumiselle. Maantieteellisen isolaation aikana syntyy periytyviä isolaatiomekanismeja. Ne voivat olla ekologisia (erilainen lisääntymisaika, esim. eräät lokit), rakenteellisia (ulkonäkö erilainen, esim. monet sorsalinnut) tai käyttäytymiseen (esim. tylli ja pikkutylli; monet sorsalajit) liittyviä. Valinta on tärkeä evoluutiota ohjaava voima. Luonnonvalinta suosii hyviä geeniyhdistelmiä. Ne yksilöt, joilla on vallitseviin oloihin sopivimmat alleeliyhdistelmät saavat muita enemmän jälkeläisiä ja näin nämä alleeliyhdistelmät vähitellen yleistyvät ja populaation geneettinen rakenne muuttuu. Pienessä populaatiossa sattumalla on myös suuri merkitys evoluution kannalta. Joskus pieni joukko jonkin lajin yksilöitä levittäytyy kokonaan uudelle alueelle, missä ei esiinny juurikaan kilpailua ja vapaita ekologisia lokeroita on runsaasti tarjolla. Näissä olosuhteissa yhdestä kantalajista voi kehittyä hajottavan valinnan seurauksena alapopulaatioita, joista kehittyy nopeasti uusia lajeja. Ilmiötä kutsutaan sopeutumislevittäytymiseksi. Tästä ovat esimerkkinä darwininsirkut. Sopeutumislevittäytymisessä perustajavaikutuksella on suuri merkitys. Kromosomistomutaatioihin kuuluva alloploidia voi synnyttää nopeasti uusia kasvilajeja. Esimerkiksi karhea pillike ja peltopillike ovat syntyneet kirjopillikkeen ja karvapillikkeen risteyminä. Myös säätelygeeneissä tapahtuvat mutaatiot nopeuttavat lajiutumista. 4. Sairaalabakteerien tutkiminen a. Sairaalabakteerit ovat sairaalaympäristössä esiintyviä bakteereita, jotka ovat vastustuskykyisiä useita antibiootteja vastaan, esim. MRSA-bakteeri. Runsaan antibioottien käytön seurauksena resistenssit mutanttikannat alkavat yleistyä. Koska bakteereissa tapahtuu rekombinaatiota, voi yksi bakteeri keräillä monia resistenttigeenejä. Rekombinaatio tapahtuu yleensä plasmidien avulla. b. Kokeella pyrittiin testaamaan syntyykö mutaatioita sattumanvaraisesti vai saako antibiootti aikaan resistenssin synnyn. Koe osoitti että resistenssi syntyy sattumanvaraisesti. Jakso 2 64 Perinnöllisyys ja evoluutio

65 c. Sen avulla pystyttiin osoittamaan, että resistenssi oli syntynyt ennen kuin bakteerit olivat kosketuksissa antibioottiin. Tämä näkyi siinä, että resistentit bakteerit kasvavat kummallakin maljalla samassa paikassa. Mikäli resistenssi syntyisi, antibioottikosketuksesta tulisi kummallakin antibioottimaljalla olla resistenttien bakteerin muodostamia pesäkkeitä eri paikoissa. d. Kokeessa näkyi kuinka populaation syntyy sattumanvaraisesti uusia alleeleita, joiden ansiosta populaatioon muodostuu ominaisuuksiltaan erilaisia yksilöitä, eli populaatiossa esiintyy muuntelua. Luonnonvalinta suosii ympäristöön parhaiten sopeutuneita yksilöitä, jotka ovat tässä tapauksessa antibioottiresistentit bakteerit. Huonommin sopeutuneet puolestaan karsiutuvat populaatiosta. Näin bakteeripopulaatio kehittyy paremmin ympäristöönsä sopeutuneeksi. 5. Läheinen lajipari a. Lajit ovat samaa sukua, joka on lajista seuraava tieteellinen luokitteluyksikkö. Mitä läheisempää luokittelutasoa lajit ovat, sen vähemmän aikaa on kulunut siitä, kun ne ovat erkaantuneet yhteisestä kantalajista. b. Hypoteesi: Lajit ovat kehittyneet samasta kantalajista jääkauden lopulla. Pieni ryhmä kantalajia levittäytyi voimakkaan ilmavirtauksen seurauksena uudelle alueelle. Uuden alueen katajavaltainen pensaikkoympäristö poikkesi merkittävästi aikaisemmasta avoimesta ympäristöstä. Perustajapopulaatiossa esiintyi runsaasti muuntelua ja luonnonvalinnan seurauksena uuteen ympäristöön parhaiten sopeutuneet yksilöt alkoivat tuottaa eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Alapopulaatiosta kehittyi vähitellen oma lajinsa, hernekerttu, joka levittäytyi vähitellen uusille alueille. Alkuperäinen populaatio kehittyi samaan aikaan rakenteeltaan ja käyttäytymiseltään nykyisen pensaskertun kaltaiseksi. Kun uudet lajit kohtasivat samoilla levinneisyysalueilla, niiden erilainen soidinlento ja elinympäristön valinta toimivat lisääntymisesteenä ja näin lajit eivät risteydy keskenään. c. Täyden varmuuden voi saada risteyttämällä lajit keskenään ja risteyttämällä vielä syntyneet jälkeläisetkin keskenään. Mikäli jälkeläiset eivät risteydy keskenään, kyseessä on kaksi eri lajia. Myös eri kromosomiluku tai riittävän suuret erot DNA:ssa riittävät todisteeksi, jota voidaan tutkia DNAviivakoodin avulla. Jakso 2 65 Perinnöllisyys ja evoluutio

66 6. Lajiutumistavat a. Tapaus 1: Isolaatioon perustuva lajiutuminen. Populaatio jakautuu kahdeksi eri alueella esiintyväksi alapopulaatioksi. Isolaatiotekijä, kuten vuoristo, vesistö, autiomaa tai jäätikkö, katkaisee geenivirran alapopulaatioiden välillä. Kumpikin populaatio kehittyy erilaisessa ympäristössä luonnonvalinnan seurauksena ominaisuuksiltaan erilaiseksi. Aikojen kuluessa kummastakin populaatiosta kehittyy vähitellen omat lajinsa, jotka eivät enää kykene kohdatessaan risteytymään keskenään. Tapaus 2: Perustajavaikutus. Uudelle alueelle syntyvä populaatio saa alkunsa vain muutamasta yksilöstä. Uuden populaation perintötekijät ovat seurausta lähinnä sattumasta eikä luonnonvalinnasta. Mikäli geenivirta katkeaa uuden ja alkuperäisen populaation väliltä, uuden populaation yksilöt kehittyvät suhteellisen nopeasti omaksi lajikseen. Tapaus 3: Lajiristeymän seurauksena syntynyt uusi laji populaation sisällä. Uusia kasvilajeja voi syntyä nopeasti, mikäli kaksi läheistä lajia risteytyy keskenään ja jälkeläisten kromosomiluku kahdentuu. b. Tapaus 1: Kanadan harmaakarhu ja maakarhu. Tapaus 2: Esimerkiksi darwininsirkut. Tapaus 3: Esimerkiksi kirjopillikkeen ja karvapillikkeen risteymänä syntynyt peltopillike. +7. Mannerlaattojen liikkeiden vaikutus evoluutioon (yo k-10) Evoluutiovoimat: Muuntelu Geneettinen muuntelu, joka perustuu suvullisessa lisääntymisessä tapahtuvaan perintötekijöiden uudelleen järjestäytymiseen rekombinaatioon. Geneettinen rekombinaatio: mendelistinen rekombinaatio ja crossingover. Luonnonvalinta Suosii parhaiten sen hetkiseen ympäristöön sopeutuneita yksilöitä. Kilpailussa menestyvät ne yksilöt, jotka kykenevät tuottamaan eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Kelpoisimpien yksilöiden geenit alkavat yleistyä populaatiossa. Suuntaava ja hajottava valinta. Isolaatio ja lajiutuminen Mikro- ja makroevoluutio Maantieteellinen isolaatio Muita lisääntymisisolaatioita Geenivirran katkeaminen Satunnaisajautuminen Perustajavaikutus Sopeutumislevittäytyminen Jakso 2 66 Perinnöllisyys ja evoluutio

67 Australia Pitkään jatkunut eristyneisyys: endeemisiä lajeja. Eläimet: alkuperäiset nisäkkäät istukattomia pussieläimiä. Koalat, kengurut ja nokkaeläin. Sopeutumislevittäytymisen ansiosta runsaasti lajeja. Kasvit mm. eukalyptus. Pohjois- ja Etelä-Amerikka Erkaantuminen: Pohjois-Amerikka Euraasiasta ja Etelä-Amerikka Afrikasta (Gondwana). Pohjois- ja Etelä-Amerikka vain 3 milj. vuotta yhteydessä. Molemmilla mantereilla riittävän pitkään kestänyt isolaatio omanlaisensa lajiston kehittymiseen esim. Etelä-Amerikka okapi ja Afrikka kirahvi, tai Pohjois-Amerikka harmaakarhu ja Eurooppa maakarhu. Keski-Amerikka erittäin lajirikas. Valtamerten saaret Isolaatio. Perustajavaikutus usein merkittävä evoluutiotekijä yhdessä sopeutumislevittäytymisen kanssa esim. darwininsirkut Galapagossaarilla. Lajisto usein endeemistä. Saaren koko vaikuttaa lajimäärään. 8. Malawi-järven kirjoahventen lajiutuminen (yo k-13) a. Kantalaji asutti koko järven satoja tuhansia vuosia sitten. Vedenpinnan lasku aiheutti järven jakautumisen useiksi pieniksi järviksi. Järvien välille syntyi sen seurauksena maantieteellinen isolaatio, mikä esti alapopulaatioiden välisen geenivirran (geenivaihdon). Erillään olevien järvien kalapopulaatioissa ilmeni yksilöiden välistä muuntelua, jota aikaansaivat mutaatiot ja suvullisen lisääntymisen aiheuttama rekombinaatio. Seurauksena populaatioissa oli feno- ja genotyypiltään erilaisia yksilöitä. Järvet olivat olosuhteiltaan erilaisia, joten luonnonvalinta suosi ja karsi eri tavoin eri järvissä. Populaatiot kehittyivät eri järvissä erilaisiksi. Pienissä järvissä tai lampareissa eläneissä pienissä populaatioissa myös sattuma (pullonkaulailmiö, perustajanvaikutus) saattoi vaikuttaa. (Kirjavien värikuvioiden kehittyessä myös sukupuolivalinta johti huomiota herättävien kuvioiden yleistymiseen joissakin populaatioissa. b. Maantieteellisen isolaation lisäksi eri alapopulaatioihin kehittyi erilaisia muita lisääntymisesteitä. Esimerkiksi eri kutuaika, eläminen eri syvyyksissä tai erilaisilla pohjilla esti yksilöitä lisääntymästä keskenään. Lisäksi lisääntymisteinä sukusolujen yhteensopimattomuus tai poikasten heikentynyt elinkyky edisti lajiutumista. c. Saman lajin yksilöt lisääntyvät luonnossa keskenään ja tuottavat lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Erilaisilla risteyttämiskokeilla on mahdollista selvittää onko kyseessä yhdestä vai useammasta lajista. Nykyisin monien molekyylibiologisin menetelmin, esimerkiksi DNA-viivakoodin avulla, voidaan erottaa lajit toisistaan. Jakso 2 67 Perinnöllisyys ja evoluutio

68 11 Elämän kehitys 1. Evoluution suuria kehitysaskelia a. Fotosynteesi kehittyi noin 3 miljardia vuotta sitten. Ensimmäiset fotosynteesiin kykenevät eliöt olivat syanobakteereita. Fotosynteesi mahdollisti energian tehokkaan sitomisen. Fotosynteesissä auringon valoenergia muutetaan kemialliseksi energiaksi. Sivutuotteena syntynyt happea, jota vapautui ilmakehään. Se mahdollisti energian tehokkaan vapauttamisen soluhengityksessä. Lisäksi hapesta muodostui otsonikerros stratosfääriin, mikä suojaa maapalon eliöitä vahingolliselta UV-säteilyltä. b. Tumallinen solu kehittyi noin miljardi vuotta sitten. Alkusolu otti solusyönnillä sisäänsä happea käyttäviä bakteereita, joista muodostui mitokondriot. Lisäksi osa soluista otti sisäänsä yhteyttäviä syanobakteereita, joista muodostui levien ja myöhemmin kasvien viherhiukkaset. Tumallinen solu mahdollisti mm. isomman DNA:n määrän, solujen erilaistumisen ja tehokkaan aineenvaihdunnan. Se oli myös monisoluisuuden edellytys. c. Suvullisessa lisääntymisessä kaksi lisääntymiseen erilaistunutta solua yhtyy ja niistä muodostuu uusi ainutkertainen yksilö. Sen edellytyksenä oli monisoluinen eliö, joka kykeni tuottamaan sukusoluja. Monisoluisuus synty noin 700 miljoonaa vuotta sitten ja suvullinen lisääntyminen kehittyi vähän tämän jälkeen. Suvullinen lisääntyminen lisäsi räjähdysmäisesti muuntelua ja vauhditti uusien eliölajien syntyä. 2. Nisäkkäiden valttikortit a. Tasalämpöisyys auttaa nisäkkäitä sopeutumaan kylmille alueille tai alueille, missä lämpötila vaihtelee suuresti. b. Karvapeite toimii hyvänä lämmöneristeenä koska se sitoo hyvin ilmaa. Tämä auttaa nisäkkäitä selviytymään kylmillä ja kuumilla alueilla. Lisäksi karvapeite suojaa vahingolliselta UV-säteilyltä. c. Iho suojaa nisäkkäitä haitallisilta aineilta, mikrobeilta ja UV-säteilyltä. Erityisen tärkeä tehtävä on veden haihtumisen estäminen. Lisäksi iho säätelee lämpöä pintaverenkierron avulla. d. Selkäranka toimii nisäkkäillä tukirankana, lihasten kiinnittymispaikkana sekä kalsium ja fosfaattivarastona. e. Keuhkojen avulla on mahdollista ottaa soluhengitykseen tarvittava happi ilmasta. f. Kohtu mahdollistaa pitkän yksilönkehityksen ennen syntymää. Alkio ja sikiö ovat paremmin suojassa ja niiden ravinnonsaanti on turvattu. Jakso 2 68 Perinnöllisyys ja evoluutio

69 3. Eläinparit A. Molemmat eläimet ovat petonisäkkäitä. Niillä on nisäkkäiden tapaan selkäranka, neljä rajaa, ne hengittävät keuhkoilla, niillä karvapeite ja ne ovat tasalämpöisiä. Suurin ero löytyy väristä. Jääkarhu on valkoinen. Sen karvapeitteen väri toimii pedolle suojavärinä sen saalistaessa hylkeitä arktisten alueitten jääkentillä. Maakarhun väri sulautuu myös hämärään metsään. Värin merkitys on kuitenkin vähäisempi naaraskarhulle, koska sillä ei ole luontaisia vihollisia ja se on pääasiassa kasvinsyöjä. B. Molemmat lajeista ovat sopeutuneet elämään vesiympäristössä, mikä näkyy niiden osittain samankaltaisessa rakenteessa. (Virtaviivainen ruumiinmuoto vähentää veden vastusta, raajat ja evät ohjailevat uintia ja pyrstö toimii liikuntaelimenä). Delfiini on nisäkäs ja hai kala, eivätkä ne ole lähisukulaisia. C. Ampiainen varoittaa saalistajaa myrkyllisyydestään huomiota herättävällä värityksellä. Kukkakärpänen on kehittynyt muistuttamaan väritykseltään (ja myös lentoääneltään) ampiaista ja välttyy monelta saalistajalta. (Ilmiötä kutsutaan mimikryksi). Ampiainen (pistiäinen) ja kukkakärpänen (kaksisiipinen) ovat eri ryhmiin kuuluvia hyönteisiä. Sukulaisuussuhteiden tutkimista voidaan suorittaa vertailemalla lajiparien ruumiin rakenteita, esimerkiksi hain ja valaan hengityselimistö tai ampiaisen ja kukkakärpäsen siivet. Myös lisääntymiselinten erot kertovat sukulaisuudesta. Niin ikään kromosomilukua voi vertailla esim. hevosen ja muulin kromosomiluvut poikkeavat toisistaan. Tarkinta tietoa lajien välisistä eroista saa kuitenkin yhteisiä geenejä ja DNA-viivakoodeja vertailemalla. 4. Eliöiden kehitys a. 1. Järjestyneisyys. 2. Samankaltaiset kemialliset ominaisuudet. 3. Informaation sisältäminen ja hyödyntäminen. 4. Lisääntyminen. 5. Elämänkaari. 6. Aineenvaihdunta. 7. Itsesäätelykyky. 8. Evoluutio. b. Elämän synnyn on päätelty tapahtuneen kolmessa vaiheessa: Ensimmäisessä vaiheessa syntyvät orgaaniset hiiliyhdisteet. Mm vedystä, hiilidioksidista, metaanista ja ammoniakista syntyi UV-säteilyn, salamoinnin, meteoriittipommitusten ja tulivuorten purkausten vaikutuksesta energiaa sisältäviä orgaanisia molekyylejä, jotka toimivat nukleotidien ja aminohappojen rakenneosina. Hiili, vety ja typpiyhdisteet syntyivät ilmeisesti meriin. Toisessa vaiheessa nämä elämän näistä orgaanisista molekyylit liittyivät yhteen muodostaen makromolekyylejä. Nukleotideistä syntyi nukleiinihappoja RNA:ta ja DNA:ta sekä ATP:tä (ja muita nukleotiditrifosfaatteja). Nukleiinihapot mahdollistivat informaation tallennuksen ja ATP energian nopean sitomisen ja vapauttamisen aineenvaihduntareaktioissa. Aminohapoista muodostui proteiineja, joista rakentui entsyymejä sekä vahvoja rakenteita. Jakso 2 69 Perinnöllisyys ja evoluutio

70 Kolmannessa vaiheessa veteen liukenemattomat lipidit muodostivat pisaroita (kolloideja). Näistä muodostui kalvorakenteita, joiden sisään jäi jättimolekyylejä. Näistä muodostuivat ilmeisesti ensimmäiset alkeelliset solut. 5. Ihmisen evoluutioon vaikuttavia tekijöitä (yo s-08) Ihminen kuuluu kädellisten lahkoon ja Hominidae-heimoon. Ihmisen on erkaantunut läheisimmästä sukulaisestaan simpanssista noin 7 miljoonaa vuotta sitten ja tämän jälkeen suhteellisen nopea evoluutio on johtanut nykyihmiseen. Pystyasento on seurausta siirtymisestä metsäympäristöstä savannille. Pystyasento tehosti liikkumista, ravinnonhankintaa ja lämmönsäätelyä sekä vähensi energiankulutusta. Pystyasennon myötä eturaajat ovat kehittyneet lyhyemmiksi käsiksi. Käsien liikkeet ja selkärangan mutkat auttavat tasapainon säilyttämistä kävellessä tai juostessa. Myös lantion rakenne ja pääkallon kiinnittyminen selkärankaan ovat kehittyneet pystyasentoon soveltuviksi Peukalon taipuminen mahdollistaa tarkkuusotteen Käden kehitys on johtanut työkalujen käyttöön, mikä on ollut kulttuurievoluution edellytys. Yhteisöllisyys perustuu puhekykyyn, jonka teki mahdolliseksi kurkunpään rakenteeseen kehittyminen monipuolisten äänteiden tuottamiseen. Puhekykyyn tarvittiin myös aivojen koon kasvu ja aivotoiminnan tehostuminen. Sosiaalinen käyttäytyminen on ollut ihmiselle valintaetu. 6. Lisääntymistapojen vaikutus evoluutioon (yo k-12) a. Siemen itiö Siemen on siemenkasveilla (paljas- ja koppisiemenisillä) hedelmöityneestä munasolusta kehittynyt rakenne, johon kuuluvat alkio, vararavinto alkion kasvua varten ja niitä ympäröivä suojaava, kuivuutta kestävä siemenkuori. Siemen syntyy siis suvullisen lisääntymisen tuloksena heteen siitepölyhiukkasen ja emin munasolun yhtyessä. Tuuli tai eläimet kuljettavat siitepölyhiukkasia heteistä emeihin. Siitepölyhiukkasten ja munasolujen syntymistapa ja niiden sattumanvarainen yhdistyminen saavat aikaan rekombinaatiota ja tämä lisää siemenistä kehittyvien jälkeläisten perinnöllistä monimuotoisuutta, joka on tärkeä perusta evoluutiolle. Monien kasvien siemenet leviävät tuulen mukana, koska ne ovat kevyitä ja niissä voi olla leviämistä edistäviä rakenteita. Myös eläimet levittävät tehokkaasti siemeniä monella tapaa: syömällä siemeniä ja niitä ympäröiviä marjoja ja hedelmiä, siemenet voivat tarttua myös eläinten karvoihin ja höyheniin. Jakso 2 70 Perinnöllisyys ja evoluutio

71 Itiöt ovat evolutiivisesti siemenkasveja vanhempien itiökasvien (sammalet, sanikkaiset) haploidisia lisääntymissoluja. Niitä syntyy meioosin (joillakin itiökasveilla myös mitoosin) tuloksena runsaasti niin sanotuissa itiöpesäkkeissä. Itiöiden geenit ovat siis peräisin vain siitä yksilöstä, jossa ne kehittyvät. Siemenessä yhdistyvät munasolun ja siitepölyhiukkasen mukana tulleet geenit. Itiöiden suuri määrä, hyvä kuivuudenkestävyys ja keveys takaavat tehokkaan leviämisen. Siksi itiökasvit ovat säilyneet monilajisena kasviryhmänä siemenkasvien rinnalla. b. Sisäinen hedelmöitys ulkoinen hedelmöitys Sisäisessä hedelmöityksessä siittiön ja munasolun yhdistyminen tapahtuu naaraan sukupuolielimistössä (usein munanjohtimissa). Sisäinen hedelmöitys on esimerkiksi matelijoilla, linnuilla ja nisäkkäillä. Linnut (tasalämpöisiä) hautovat hedelmöityneet munat ja huolehtivat kuoriutuneista poikasista riittävän pitkään. Monet matelijat tuottavat runsaasti hedelmöityneitä munasoluja (esim. kilpikonnat) ja jättävät ne hautumaan lämpimään ympäristöön (hiekkaan, lahoavan kasvillisuuden alle, tms. paikkaan). Matelijoidenkin poikastappiot ovat suuria, mutta runsas munamäärä takaa lajin säilymisen. Nisäkkäiden poikaset kehittyvät paremmin suojattuina kohdussa tai pussissa ja nisäkkäät yleensä huolehtivat jälkeläisistä syntymän jälkeen lintujen tavoin. Siksi pienempikin jälkeläismäärä riittää (k-strategistit). Ulkoisessa hedelmöityksessä siittiön ja munasolun yhdistyminen tapahtuu naaraan sukupuolielimistön ulkopuolella. Ulkoinen hedelmöitys edellyttää vesiympäristöä ja sukusolujen suurta määrää. Yleensä vain pieni määrä suuresta jälkeläisjoukosta selviää elossa lisääntymisikään saakka. Koko poikasajan kestävä kilpailutilanne omasta ravinnosta ja monet saalistajat toimivat tehokkaana evoluutiokeinona heikommat karsiutuvat ja vahvimmat ja parhaiten sopeutuvat säilyvät. Kalat ja sammakkoeläimet ovat hyviä esimerkkejä eläinryhmistä, joilla on ulkoinen hedelmöitys ja runsas jälkeläismäärä. Runsaasti jälkeläisiä tuottavia ulkoisen hedelmöityksen avulla lisääntyviä lajeja kutsutaan r- valintaisiksi lajeiksi (r-strategistit). c. Kohtu pussi Kohdussa kehittyvän nisäkkään poikanen saa ravintonsa emon verenkierrosta istukan ja napanuoran avulla. Kehittyvää poikasta suojaavat kohtu, sikiökalvot ja sikiövesi, joten ulkoiset uhat eivät useinkaan vaaranna sen kehitystä. Siksi istukallisten nisäkkäiden jälkeläismäärä on pieni ja lajit siitä huolimatta säilyvät. Pussieläimet ovat evolutiivisesti istukallisia nisäkkäitä vanhempia. Pussieläinten kohdussa on ravintopitoista nestettä, jonka turvin jälkeläisen alkukehitys tapahtuu. Pussieläinten poikaset siirtyvät jo sikiövaiheessa (hyvin pieninä) kohdusta emon pussiin ja kiinnittyvät sinne aukeaviin maitorauhasiin. Tällainen sikiönkehitys on istukallisten nisäkkäiden poikasten kehittymistä turvattomampaa. Todennäköisesti tämä on pääsyy istukallisten nisäkkäiden yleistymiseen. Pussieläimiä on nykyisin pääasiassa Australian endeemisessä nisäkäslajistossa ja muutamia lajeja myös Etelä-Amerikassa. Jakso 2 71 Perinnöllisyys ja evoluutio

72 7. Ihmisen evoluutio a. b. Apinaihmiset: erkanevat simpanssista 7 milj. v. s., aivot 500 cm3, pystyasento, useita lajeja: suuret kasvinsyöjät ja pienemmät lajit raadonsyöjiä. Varhaiset ihmiset: useita lajeja, aivot 1000 cm3, pitkä lapsuus, yhteisöllisyys, työkaluja, tulen käyttö ja puhekyky. Nykyihminen: vuotta sitten, yksi laji: Homo sapiens, kulttuurievoluution merkitys kasvaa. Kolmiulotteisesti liikkuva peukalo: Mahdollistaa tarkkuusotteen ja työkalujen tehokkaan käytön. Selkäranka kallon keskiosassa: Tämän seurauksena pää on tasapainossa pystyasennossa. Leveä lonkkaluu: Pystyasennon edellytys (sisäelinten kannatus). Pienet kulmahampaat: Hampaiston muutos mahdollistaa siirtymisestä sekaravintoon. Suoraksi ojentuva polvi: Helpottaa tasapainon ylläpitämistä ja näin nopeuttaa liikkumista. Suuri otsalohko: Mahdollistaa aivojen suuren koon ja älykkään käyttäytymisen. 8. Rakenne kertoo sopeutumisesta a. Kyseessä on mutualistinen suhde, joten molemmat lajit hyötyvät toisistaan. Kasvi on riippuvainen pölyttäjästä, koska tämän avulla siitepölyä siirtyy saman lajin toisiin yksilöihin ja näin hedelmöitys tulee mahdolliseksi. Lintu on puolestaan saa ravintoa kasvin kukista. Molempien lajien rakenteiden kehitys on seurausta koevoluutiosta. Molempien lajien rakenteet ovat seurausta vuorovaikutteisesta kehityksestä, minkä seurauksena molempien lajien kelpoisuus paranee. Jakso 2 72 Perinnöllisyys ja evoluutio

73 b. Kasvi ottaa veden juurellaan (A). Juuressa on juurikarvoja, jotka ovat ympäristöään väkevämpiä, joten vesi siirtyy osmoottisesti maasta juureen. Juuressa vesi kulkee solujen pitoisuuseroja tasoittaen eteenpäin, kunnes saapuu johtojänteeseen (B). Johtojänteessä vesi siirtyy haihtumisimun avulla ohuina vesilankoina kohti lehteä. Vesimolekyylit pysyvät toisissaan kiinni koheesion avulla. Vesi kulkee ohuissa puuputkiloissa. Myös kapillaari-ilmiö auttaa veden kohoamista. Lehdissä osa vedestä käytetään fotosynteesiin, suurin osa joutuu kuitenkin tuuletussolukkoon, missä nestemäinen vesi muuttuu vesihöyryksi (kaasua) ja poistuu ilmarakojen kautta ilmaan (C). Ilmaraoista poistuva vesi saa aikaiseksi vettä kohottavan haihtumisimun. Mikäli haihtumisimua ei saada aikaiseksi, esim. liian kylmän tai kostean ilman vuoksi, kasvi voi väkevöittää juuren soluja ottamalla aineita aktiivisesti maaperästä. Väkevöityneet solut imevät niin tehokkaasti vettä, että ne saavat aikaiseksi vettä kohottavan juuripaineen. Useimmilla kasveilla on lisäksi apunaan vettä ja ravinteita keräävä sienijuuri eli mykorritsa. 9. Hapen merkitys evoluutiossa (yo k-12) Anaerobia tarkoittaa hapetonta ympäristöä: Hapettomia ympäristöjä: syvänmeren pohja, rehevöityneiden järvien tai merien pohja, missä aerobiset bakteerit ja muut hajottajat ovat käyttäneet kaiken hapen soluhengitykseensä. Hapettomassa ympäristössä elää anaerobisia bakteereita, joista osa sietää happea ja osa ei voi elää hapen läsnä ollessa. Kasvit ja eläimet eivät normaalisti voi elää hapettomissa oloissa, poikkeus ruutana. Tumallisista soluista osa voi olla hetkellisesti ilman happea esim. lihassolut voivat vapauttaa energiaa maitohappokäymisellä: glykolyysi pyruvaatti + 2 ATP maitohappo. Hiiva voi vapauttaa tarvitsemansa energian alkoholikäymisellä. Evoluutio ja happi Elämä syntyi ja kehittyi aluksi anaerobisissa olissa, happiatomit olivat vedessä, typen ja hiilen oksideissa. Fotosynteesi kehittyi noin 3,5 miljardia vuotta sitten: fotosynteesin valoreaktiossa vesi hajoaa hapeksi ja vedyksi. Happi muodostaa happimolekyylin O2, joka vapautui veteen ja siitä ilmakehään. Ilmakehän vapaa happi mahdollisti soluhengityksen, joka on tehokas tapa vapauttaa energiaa orgaanisista molekyyleistä. Soluhengitys tuottaa jopa 32 ATP molekyyliä kun käymisessä niitä syntyy vain 2 kpl. Endosymbioosin seurauksena tumallisiin soluihin kehittyivät mitokondriot Happi muodosti otsonikerroksen stratosfääriin ja otsonikerros suodatti tehokkaasti haitallista UV-säteilyä. Eliöiden sopeutumia hapen ottoon: kalojen kidukset, hyönteisten hengitysputket ja keuhkot. Jakso 2 73 Perinnöllisyys ja evoluutio

74 Eliöiden sopeutumia hapen kuljetukseen: veri ja verenkierto, punasolut. Hapen läsnäolo mahdollisti esim. paljon energiaa kuluttavan tasalämpöisyyden kehittymisen Elämän kehittyminen maalla (yo k-11) Noin 400 miljoonaa vuotta sitten maapallon ilmakehässä oli happea lähes samassa määrin kuin nykyisinkin (n. 20%) ja UV säteily vähentynyt (otsonikerroksen vahvistuttua). Ilmassa oli kasveille myös riittävästi hiilidioksidia. Ilmasto oli lämmin ja kostea. Maapallolla vallitsivat suotuisat olosuhteet eliöiden siirtymiseksi kuivalle maalle: tarjolla oli runsaasti sopivia elinympäristöjä esim. matalilla vuorovesirannoilla. Sammalet Ilmeisesti polveutuivat viherlevistä. Varhaisimpia kuivan maan tuntumaan siirtyneitä kasveja. Vuorovesirannoilla ja ne. Varhaisten sammalten tuki ja johtorakenteet olivat alkeelliset, joten ne eivät voineet kasvaa kovin suuriksi. Lisääntyminen itiöistä vaatii edelleenkin kosteita olosuhteita. Sanikkaiset Ensimmäiset varsinaiset maakasvit. Kehittyneet noin 400 v sitten (devonikaudella). Veden ja ravinteiden ottoon erikoistuneet rakenteet: juuret ja johtosolukko. Johtosolukossa vesi kulkee puuputkiloissa ja ravinteet veden mukana. Tukisolukko mahdollisti kasvin koon kasvun Niveljalkaiset Ensimmäisiä maaympäristöön kehittyneitä eläimiä. Kehittyivät vähän ensimmäisten maakasvien jälkeen. Skorpioneja ja tuhatjalkaisia. Hengitysputket. Kuorellinen muna. Selkärankaiset Sammakkoeläimiä, kehittyivät varsieväkalojen kaltaisista muodoista n. 360 miljoonaa vuotta sitten devonikaudella. Parillisista evistä kehittyivät sammakkoeläinten parilliset etu- ja takaraajat. Aikuinen yksilö hengitti keuhkoilla ja iholla, poikaset kiduksilla. Lisääntyminen kutemalla vedessä. Levisivät tehokkaasti kosteisiin ympäristöihin. Jakso 2 74 Perinnöllisyys ja evoluutio

75 12 Evoluution tutkiminen 1. Evoluution tutkimusaineistoa a. Fossiilit ovat vähintään vuotta vanhoja, muinoin eläneiden eliöiden jäänteitä. Fossiilit ovat voineet syntyä monin eri tavoin: kivettyminä, valelmina ja painaumina, tai kokonaisina eliöinä. b. Johtofossiilit ovat tietyn eliöryhmän fossiileja, jotka ovat eläneet runsaslukuisina tiettynä aikana eri puolilla maapalloa (esimerkiksi ammoniitit). Johtofossiileja käytetään apuna uusien fossiililöytöjen suhteellisessa ajoituksessa. c. Fossiilisarja kertoo yhden lajin tai eliöryhmän kehityksestä ajan kuluessa. Eri-ikäisistä fossiileista voidaan nähdä lajin tai eliöryhmän rakenteiden kehittyminen vaihe vaiheelta. d. Molekyylikelloksi kutsutaan DNA:n ja proteiinien rakenteessa vakionopeudella tapahtuvia mutaatiota joissakin eliöryhmissä tai evolutiivisissa linjoissa. Molekyylikellon avulla voidaan selvittää, missä vaiheessa sukulaislajit ovat erkaantuneet yhteisestä kantalajista. e. Homologinen rakenne tarkoittaa yhteisestä kantamuodosta kehittynyttä rakennetta tietyssä eliöryhmässä. Homologinen rakenne on esimerkiksi selkärankaislajien raajojen luusto. Pyöriäinen ui ja lepakko lentää, mutta niiden raajan perusrakenne on sama. f. DNA:n hybridisaatiota voidaan käyttää apuna nykyisin elävien lajien sukulaisuuden määrittämisessä. Mitä paremmin kahden lajin DNA-juosteet muodostavat emästen välisiä sidoksia (hybridisaatio), sitä läheisempää sukua lajit ovat keskenään. 2. Kromosomit ja DNA evoluutiotutkimuksissa a. Simpanssin kromosomien käsivarret ovat pitempiä. Erot kromosomeissa johtuvat meioosin aikana tapahtuneista kromosomimutaatiosta. Joko ihmisen kromosomeissa on häviämä ja/tai simpanssin kromosomeissa siirtymä. b. Ihminen ja simpanssi ovat polveutuneet yhteisestä kantamuodosta. c. Yhteiset geenit, samojen geenien emäsjärjestyksen vertailu, pseudogeenit, homeoottiset geenit, geenisiirrot (esim. banaanikärpäseen siirretään ihmisen geeni), genomiprojektit ja-tietokannat, hybridisaatiokokeet, molekyylikellot ja mitokondrionaalinen DNA. 3. Selkärankaisten evoluutio ja sen tutkiminen (yo k-04) Selkärankaiset kuuluvat selkäjänteisten pääjaksoon. Pääjakso syntyi kambrikaudella noin 550 miljoonaa vuotta sitten. Kaikilla selkärankaisilla on sisäinen tukiranka, joka mahdollisti eläinten koon kasvun ja aikaisempaa tehokkaamman liikkumisen. Selkärankaisten evoluutio perustuu muunteluun ja luonnonvalintaan sekä ympäristössä tapahtuviin suuriin muutoksiin. Ympäristössä tapahtuneet muutokset ovat pakottaneet lajit sopeutumaan uusiin Jakso 2 75 Perinnöllisyys ja evoluutio

76 olosuhteisiin. Erityisesti massasukupuuttojen jälkeen syntyy uusia valtamuotoja, jotka rakenteensa, elintoimintojensa ja käyttäytymisensä suhteen ovat aikaisempia lajeja kelpoisempia. Leuattomat alkukalat olivat ensimmäinen selkärankaisten ryhmä. Ne kehittyivät paleotsooisen maailmankauden (Elämän vanha aika) alussa. Näitä edustaa nykyisin enää ympyräsuiset, joihin kuuluu esim. nahkiainen. Näistä kehittyivät leualliset rustokalat ja noin 440 miljoonaa vuotta sitten luukalat, joilla oli paljon ylivertaisia ominaisuuksia edeltäjiinsä nähden kuten uimarakko, joka mahdollisti uintisyvyyden säätelyn. Luukalojen luusto toimi myös tehokkaana lihasten kiinnityspaikkana ja mineraalivarastona. Elämän vanhan ajan loppupuolella selkärankaisia siirtyi myös maalle. Maa ja vesiympäristön rajalla elävistä luukaloista alkoi kehittyä sammakkoeläimiä kivihiilikaudella (360 miljoonaa vuotta sitten) Sammakkoeläimille kehittyivät keuhkot, aikaisempaa tehokkaampi verenkierto ja ruumiinpainoa tukevat raajat. Hengitys niillä tapahtui myös ohuen ihon avulla ja ne lisääntyvät kalojen tapaan kutemalla veteen. Näin sammakkoeläimet olivat hyvin riippuvaisia lämpimästä ja kosteasta ilmastosta, joka oli tyypillistä tälle maailmankaudelle. Niiden lajimonimuotoisuus olikin suuri tänä aikana. Elämän vanhan ajan lopussa ilmasto muuttui huomattavasti kuivemmaksi ja maapalolle muodostui runsaasti aavikoita. Ympäristöolosuhteiden suuret muutokset johtivat sammakkoeläinten ja monien muiden lajien massasukupuuttoon. Luonnonvalinta alkoi suosia uudenlaisia ominaisuuksia ja maapallolle kehittyivät matelijat. Matelijat olivat ensimmäisiä todellisia maaselkärankaisia. Ne hengittävät yksinomaan keuhkoilla ja niillä on vedensäästöön sopeutunut suomupeite. Matelijat eivät ole riippuvaisia lisääntymisessään vedestä, koska niillä on sisäinen siitos ja alkionkehitys turvataan kuorellisen munan avulla. Matelijoiden valtakautta kesti koko Elämän keskiajan (mesotsooisen maailmankauden). Sinä aikana kehittyi sopeutumislevittäytymisen seurauksena hyvin monipuolinen lajisto pienistä kasvinsyöjistä ja pedoista jättikokoisiin dinosauruksiin. Lajeja tavattiin ilmassa, maalla ja vedessä. Matelijoiden valtakausi päättyi ilmaston kylmetessä, jolloin matelijoista kehittyneet tasalämpöiset nisäkkäät ja linnut nousivat hallitseviksi luokiksi. Keskeisiä todisteita selkärankaisten kehityksestä ovat fossiilit. Erityisen arvokkaita ovat fossiilisarjat, koska niiden avulla on voitu tutkia erityisesti rakenteiden vaiheittaista muuttumista. Myös välimuotofossiilit ovat tuoneet tietoa selkärankaisten evoluutiosta. Esimerkiksi konnalisko edustaa sammakon ja matelijan välimuotoa. Muita eliöryhmiä edustavien johtofossiilien avulla selkärankaisia edustavat fossiileita voidaan laittaa oikeaan järjestykseen ja radioaktiivisella iänmäärityksellä voidaan tietää selkärankaisfossiilin absoluuttinen ikä. Myös yksilönkehitystä seuraamalla voidaan saada tietoa selkärankaisten evoluutiosta. Eri luokkien alkiot muistuttavat varhaisvaiheessa huomattavasti toisiaan; esim. matelijoiden alkiolla on kiduskaaren aiheet tietyssä kehitysvaiheessa, mutta ne alkavat kehittyä leuoiksi tämän jälkeen. Todisteina selkärankaisten evoluutiosta toimivat myös surkastumat ja kalojen, sammakkoeläinten ja matelijoiden nykymuotojen rakenteiden vertailut. Yhä enenemässä määrin avuksi on tullut DNA:n emäsjärjestyksen tutkiminen Jakso 2 76 Perinnöllisyys ja evoluutio

77 4. Aminohappojärjestyksen käyttö sukupuun rakentamisessa a. Ihmisen ja simpanssin välillä on yksi erilainen, ihmisen ja gorillan välillä kolme erilaista ja ihmisen ja gorillan välillä seitsemän erilaista emästä. Simpanssin ja gorillan välillä on kaksi ja simpanssin ja orankin välillä seitsemän erilaista emästä. Gorillan ja orankin välillä on viisi erilaista emästä. Tämän aineiston perusteella ihminen ja simpanssi ovat läheisempiä sukulaisia kuin muut lajit keskenään. Oranki on erkaantunut yhteisestä kantalajista kaikkein varhaisimmassa vaiheessa. b. Ihminen ARG KYS TRY VAL KYS TRY Simpanssi ARG KYS TRY VAL KYS TRY Gorilla ARG KYS TRY VAL KYS TYR Oranki KYS TRY TRY VAL KYS ASP Eri emäskolmikko voi koodata samaa aminohappoa, joten perimän lajien väliset erot eivät välttämättä näy aminohappoketjussa. Esimerkiksi ihmisellä ja simpanssilla on sama aminohappoketju, vaikka geneettisessä koodissa on yhden emäksen ero. Emäsjärjestyksen vertailu on tarkempi menetelmä. c. Mm. raitavärjättyjen kromosomien vertailua, vasta-aineiden vertailua, DNAhybridisaatiota ja geenien ulkopuolisten alueiden emäsjärjestyksen selvittämistä. 5. Fossiilit ja sukupuut (yo s-07) a. Fossiili on muinoin elänyt eliö, joka on säilynyt nykypäiviin saakka kivettymänä, valelmana tai painanteena. Kovakuorisista eliöistä jää helpommin fossiileita kuin pehmeäkuorisista b. Yhdestä kantamuodosta voi kehittyä kaksi linjaa isolaation ja hajottavan valinnan seurauksena esim. pussieläimet Australiassa ja nisäkkäät Euraasiassa c. Pysähtyminen johtaa eläviin fossiileihin. Ne ovat hyvin sopeutuneita ympäristöönsä ja niihin kohdistuu vähän valintapainetta. Lajiin kohdistuu tasapainottava valinta. d. Sopeutumislevittäytymisessä yhdestä kantalajista muodostuu lähes samanaikaisesti monia uusia lajeja kilpailun takia. Sopeutumislevittäytymistä ilmenee suurten ympäristömuutosten jälkeen, koska silloin esiintyy runsaasti vapaita ekologisia lokeroita. Lajilla on yleensä jokin tärkeä avainsopeuma. Ympäristömuutoksen voi aiheuttaa kantalajin siirtyminen uudelle alueelle esim. darwininsirkut tai jokin geologinen mullistus ja sitä seurannut massasukupuutto. Jakso 2 77 Perinnöllisyys ja evoluutio

78 6. Mikroevoluutiota nykyaikana a. Jäkälä muodostuu keskenään mutualistisessa suhteessa elävistä levästä ja sienirihmastosta. Jäkälät reagoivat herkästi happamoitumista aiheuttaviin typen ja rikin oksideihin. Jotkut lajit kestävät toisia paremmin, joten jäkälien kunnon, määrän ja lajiston avulla on mahdollista määrittää ilman laatua. b. Luonnonvalinta suosi tummaa värimuotoa koska ilmansaasteet hävittivät jäkälät puiden rungoilta ja jäkälää jäljittelevät koivumittarit olivat tummia värimuotoja helpommin havaittava saalis linnuille. c. Tummaa värimuotoa esiintyy eniten teollisuusalueilla, missä hiiltä käytetään runsaasti energialähteenä sekä näiden alueiden itäpuolella koska ilmansaasteet kulkeutuvat länsituulten mukana. d. Tämä on seurausta ilman laadun paranemisesta ja jäkälien paluusta puiden rungoille. e. Koivumittarien värimuutokset ovat hyvä esimerkki suuntaavan valinnan aiheuttamasta mikroevoluutiosta. 7. Litosfäärilaattojen liikkeet ja fossiilit a. Litosfääri eli on muodostunut maankuoresta ja vaipasta muodostunut jäykkä kerros, joka on jakautunut useaksi laataksi. Laatat liikkuvat suhteessa toisiinsa konvektiovirtausten vaikutuksesta. Fossiilit kertovat mitkä laatat ovat peräisin samasta mantereesta ja mihin suuntaan laatat ovat liikkuneet. b. Johtofossiililla tarkoitetaan tiettynä, suhteellisen lyhyenä aikana, aikana laajalla alueella eläneen eliön jäännöksiä. Glossopteris sopisi parhaiten johtofossiiliksi, koska sillä on laajin levinneisyysalue. c. Fossiilien ikä on mahdollista määrittää suhteellisesti johtofossiilien ja mannerliikuntojen avulla. Absoluuttinen ikä on mahdollista määrittää radioaktiivisten isotooppien hajoamiseen perustuvilla menetelmillä. Esimerkiksi uraanin tietyt isotoopit, jotka hajoavat lyijyksi, sopivat tähän. Jakso 2 78 Perinnöllisyys ja evoluutio

79 8. Lajien sukulaisuuden tutkiminen (yo s-12) a. Rakenne: väri, muoto, koko, luusto. Kromosomistot: kromosomiluku, yksittäisten kromosomien rakenne. DNA: DNA-viivakoodi. Fossiilit: fossiilisarjat ja välimuotofossiilit, fossiilien iänmääritys. b. Lajien erilainen evoluutio on ollut seurausta maantieteellisestä isolaatiosta: Kirahvin evoluutio Elinympäristö puusavanni. Kilpailu muiden lehvästöä syövien lajien kanssa. Muuntelua kaulan pituuden suhteen. Luonnonvalinta on suosinut pitkäkaulaisia yksilöitä, koska ne kilpailivat vähemmän muiden lajien kanssa. Pitkäraajaisuus helpotti ravinnonhankintaa ja pakenemista saalistajilta. Väritys on kehittynyt suojaväriksi. Okapin evoluutio Sademetsäympäristö. Rakenne suosii ravinnonhankintaa ja liikkumista tiheämmässä ja rehevämmässä ympäristössä. Okapin ympäristö on pysynyt pitkään samanlaisena, joten vallitsevana on ollut tasapainottava valinta. c. Elävä fossiili tarkoitetaan eliölajia, joka on muuttunut rakenteellisesti vain hyvin vähän pitkän ajan kuluessa. Lajiin on kohdistunut vähän muutospainetta. Valinta on ollut tasapainottavaa. Jakso 2 79 Perinnöllisyys ja evoluutio

80 13 Yksilöiden ja populaatioiden ekologiaa 1. Peruskäsitteitä a. Ympäristön vastus: kaikki ne tekijät, jotka rajoittavat ja hidastavat populaation kasvua. Kantokyky: suurin populaatiotiheys, minkä ekosysteemi voi elättää. Mitä lähempänä kantokykyä populaatiotiheys on, sitä suurempi on ympäristön vastus. b. Elinympäristö: useimmiten elottomien, mutta myös elollisten ympäristötekijöiden kokonaisuutta, jossa eliö elää ( osoite ). Ekolokero: eliön (lajin) asema ekosysteemissään ( osoite ja ammatti ). Elinympäristö siis käsitteenä sisältyy ekolokeron käsitteeseen. c. Minimitekijä: ympäristötekijä, joka voimakkaimmin rajoittaa eliön elinmahdollisuuksia. Ilmentäjälaji (bioindikaattori): sietoisuudeltaan kapeaalainen ja ilmaisee esim. minimitekijässä tapahtuvia muutoksia reagoimalla niihin muita helpommin. d. Eksponentiaalinen kasvu: rajoittamaton populaation kasvu (ei yleensä mahdollista luonnossa). Logistinen kasvu: populaation hidastuva kasvu, kun kasvua rajoittavat tekijät alkavat vaikuttaa. Populaatiotiheys asettuu ympäristön kantokyvyn tasolle. Molemmat ovat siis populaation kasvun malleja. e. Molemmat kuvaavat populaation ikä- ja sukupuolijakaumaa. Leveäkantainen ikäpyramidi kertoo, että populaatio kasvaa, kapeakantainen puolestaan, että se pienenee. f. Eloonjäämiskuvaajilla havainnollistetaan populaation yksilöiden kuolleisuutta eri ikäluokissa. Kupera kuvaaja merkitsee, että kuolleisuus on suurinta vanhoissa ikäluokissa, kovera nuorissa. Ks. tehtävän 6 kuvio. 2. Käsitepareja (yo k-06) a. Autotrofinen (omavarainen) eliö kykenee yhteyttämällä (foto- tai kemosynteesissä) itse tuottamaan epäorgaanisista aineista orgaanista. Se ei siis tarvitse valmista ravintoa. Esim. vihreät kasvit (voikukka) ja levät (rakkolevä). Heterotrofinen (toisenvarainen) eliö ei kykene yhteyttämään, joten se on ravinnon saannissa riippuvainen muista eliöistä. Esim. eläimet (kissa), sienet (mesisieni) ja loiskasvit (mäntykukka). b. Laji on eliöiden luokittelun perusyksikkö. Samaan lajiin kuuluvat eliöt kykenevät luonnonolosuhteissa lisääntymään keskenään ja tuottamaan lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä (esim. koira). Rotu on lajin sisäinen yksilöjoukko, jonka jäsenet poikkeavat muista saman lajin yksilöistä tiettyjen ominaisuuksien suhteen. Eri rotujen yksilöt kykenevät risteytymään ja tuottamaan lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä (esim. suomenpystykorva, suomenajokoira). Jakso 3 80 Ekologia ja ympäristöekologia

81 c. Ekologinen lokero (eli ekolokero) ilmaisee, millä tavoin eliöt ovat sopeutuneet käyttämään ympäristönsä resursseja (tilaa, ravintoa ym.). Esim. talvisen tiaisparven eri lajien tapa hakea ravintoa puun eri osista. Reviiri on eläinyksilön tai -lauman alue, jota se puolustaa muita saman lajin yksilöitä tai laumoja vastaan. Esim. koiraspeipon lisääntymisaikainen reviiri. 3. Ongelmana talvi (yo k-12) Ongelmia: Kylmyys ja ravinnon puute, mitkä lisäävät Suomessa talvehtivien lajien kuolleisuutta. Lumipeite myös eristää: hangen alla on lämpimämpää kuin hangen päällä, paksu lumikerros estää maaperän jäätymisen. Hangen pinnan kovettuminen (hankiainen) helpottaa joidenkin liikkumista, mutta samalla vaikeuttaa lumen alle kaivautumista. Paksu jääpeite tai jäätyminen pohjaan asti aiheuttaa järvissä happikatoa. Eläinten talvehtimiskeinoja: Talviuni (tasalämpöiset eläimet mm. karhu, supikoira): aineenvaihdunta hidastuu ja ruumiinlämpö laskee vain muutamia asteita. Talvihorros (tasalämpöiset eläimet mm. lepakot, siili): syvässä horroksessa, ruumiinlämpö vain muutaman asteen nollan yläpuolella. Kylmänhorros (vaihtolämpöiset eläimet, kuten matelijat, sammakkoeläimet): syvä horros. kudoksiin voi kertyä sokeria, glykolia, alkoholia, jotka estävät solujen jäätymisen. Käyttäytyminen: suojautuminen kylmältä hangen alle kieppiin pakkasella (kanalinnut) ja hakautuminen ihmisasumusten suojiin (kotihiiri, talitiainen). Muuttolinnut muuttavat etelään. Vaelluslinnut siirtyvät muualle ravintotilanteen mukaan. Eri kehitysasteet voivat talvehtia: muna, toukka, kotelo, nuori yksilö, aikuinen monilla selkärangattomilla. Jotkin vesiselkärangattomat (sienieläimet, sammaleläimet) talvehtivat lepoasteina. Jotkin metsien selkärangattomat (mm. lierot, hämähäkit) kaivautuvat maahan, sammakoiden ihohengitys mahdollista vedessä jään alla. Rakenteellisia sopeutumia: paksu rasvakerros (karhu), ruskea rasva energiavarastona (siili), eristävä talvikarva (rusakko), suojaväri (metsäjänis), metsäjäniksellä lumikenkä. Kasvien talvehtimiskeinoja: Kasvien erilaiset elomuodot (kasvumuodot) talvehtivat eri tavoin. Lehtien pudottaminen syksyllä, viherhiukkasten hajotus ja aineiden talteen ottaminen talvehtiviin osiin. Maanpäälliset osat voivat talvehtia (puut, varvut, sinivuokko, kallioimarre jne.) Maan pintakerroksessa olevat osat voivat talvehtia: sipulit, juurimukulat, maavarret ym. Kuivat siemenet säilyvät varsissa tai maaperässä talven yli. Silmut talvehtivat. Sienirihmastot ja bakteerit sietävät hyvin alhaisia lämpötiloja. Jakso 3 81 Ekologia ja ympäristöekologia

82 4. Pyynti merkintä uudelleen pyynti a. Menetelmä perustuu oletukseen, että merkittyjen osuus populaatiosta pysyy samana ensimmäisen ja toisen pyyntikerran välillä. Toisin sanoen ensimmäisellä pyyntikerralla merkittyjen (N 1 ) osuus koko populaatiosta (X) on sama kuin merkittyjen (N m ) osuus toisella kerralla pyydystetyistä (N 2 ). Tehdään siis verranto N1/X = N m /N 2. X = N 1 x N 2 / Nm. X = 100 x 50 / 5 = 5000 / 5 = 1000 Tutkittavan populaation koko on yksilöä. b. Menetelmä sopii helposti pyydystettävien, lukumäärältään runsaiden, liikkuvien tai muuten vaikeasti laskettavien (yöaktiivisten) eläinlajien populaatiotutkimuksiin. Sellaisia ovat esim. kalat, kimalaiset ja myyrät. c. Merkittyjen osuus pyyntikerroilla ei pysy jostain syystä vakiona, jolloin menetelmä antaa vääriä tuloksia. Merkit voivat irrota tai haitata yksilöiden liikkumista. Ne voivat myös lisätä yksilöiden stressiä ja siten alentaa niiden hyvinvointia. Näin merkintä voi vaikuttaa todennäköisyyteen tulla uudelleen pyydystetyksi. Lisäksi yksilöitä voi poistua tai uusi voi tulla alueelle. 5. Siementen idätyskoe a. Malli graafisesta esityksestä. HUOM! Älä käytä punaista kynää ylioppilaskirjoituksissa. Se väri on varattu korjaajille. b. Kannassa A optimaalinen lämpötila on +13 C ja kannassa B +18 C, koska itämisprosentti on niissä lämpötiloissa korkeimmillaan. c. Kuviosta arvioiden (interpoloiden) kannassa A itävyys on noin 53 % ja kannassa B noin 6 %. d. Kantojen kuvioissa jakaumat osuvat jokseenkin samalle lämpötilavälille, mutta optimit ovat selvästi eri kohdissa. Kanta B on peräisin ilmastoltaan selvästi lämpimämmältä alueelta. Se edustaa lajin populaatiota, joka on geneettisesti sopeutunut tälle alavalle rannikkoseudulle. Kanta A sen sijaan on populaatiosta, joka on sopeutunut viileämpään ilmastoon. e. Kannan B siemenet kuolevat, sillä populaatio ei ole sopeutunut pakkasiin leudolla rannikkoseudulla. Kannan A siemenistä huomattava osa selviytyy (lepotilassa), sillä sisämaassa pakkasia on yleisesti talven aikana. Jakso 3 82 Ekologia ja ympäristöekologia

83 6. Eloonjäämiskuvaajien tulkinta A. Kuvaaja on kovera. Esim. kalojen ja hyönteisten jälkeläistuotto on suuri. Kuolleisuus on kuitenkin populaation nuorissa ikäluokissa hyvin suurta. Vanhemmat eivät huolehdi poikasista lainkaan, mistä seuraa, että vain pieni osa yksilöistä saavuttaa lajille tyypillisen, maksimaalisen eliniän. Ikäpyramidi on hyvin leveätyvinen ja kapenee nopeasti teräväksi huipuksi. B. Kuvaaja on suora. Kuolleisuus on tasaista kaikissa ikäryhmissä, joten ikäpyramidi kapenee tasaisesti kohti kärkeä. Suora kuvaaja on tyypillinen esim. pikkunisäkkäille ja pikkulinnuille. C. Kuvaaja on kupera. Esim. suurten nisäkkäiden ja petolintujen jälkeläistuotto on pieni, mutta poikasista huolehditaan ja siten varmistetaan eloonjäänti. Nuorissa ikäluokissa kuolleisuus on melko pientä. Ikäpyramidi on siten tyvestä tasapaksu ja kapenee vasta lähellä kärkeä. 7. Kasvillisuustutkimusta hiekkarannalla a. Mm. veden syvyys, aallokon voimakkuus, pohjan maa-aines, kertyvän tai huuhtoutuvan aineksen määrä, valon määrä, talvenaikaisen jään mekaaninen vaikutus vaikuttavat eri kasvien elinmahdollisuuksiin eri tavoin. Näin jokaiselle rannan kasvipopulaatiolle rajautuu tietty vyöhyke rannalta. Eri lajien kasviyksilöt ottavat lehdillään valoa ja juurillaan ravinteita eri korkeuksilta veden pinnan yläpuolelta tai eri syvyyksiltä pohjasta. b. Pullosara on ilmaversoinen eli sen yhteyttävien osien on ulotuttava reilusti veden yläpuolelle. Sen sietoisuusalue ulottuu reilusti veden pinnan yläpuolelta aina cm syvyyteen ja optimi on hiukan vesirajan yläpuolella. Lahnanruoho on pieni uposkasvi (pohjaversoinen), joka on sopeutunut ottamaan hiilidioksidia vedestä ja menestyy niukalla valolla, joka siivilöityy veden läpi. Lahnanruohon sietoisuusalue ulottuu välille cm. Optimi on cm syvyydessä. c. Molemmat lajit ovat monilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, kookkaita ilmaversoisia kasveja. Karulla hiekkarannalla ravinteiden puute rajoittaa kummankin kasvua, mikä pitää niiden populaatiotiheydet pieninä. Tällöin lajien välinen kilpailu ei muodostu voimakkaaksi ja niiden ekolokerot voivat olla päällekkäisiä. d. Rehevöityminen tarkoittaa, että kasveilla olisi enemmän ravinteita käytettävissään. Se edesauttaisi molempien kasvua, jolloin niiden populaatiot tihenisivät. Samalla kilpailu kovenisi ja lajien ekolokerot kaventuisivat. Todennäköisesti ruo on ja kaislan kasvustot eriytyisivät ja sekakasvustoja ei juuri olisi. Jakso 3 83 Ekologia ja ympäristöekologia

84 8. Kaksiosainen levinneisyys a. Kanta B on pieni ja eristynyt. Geenivirta populaatioiden A ja B välillä on katkennut. Populaatio B on vaarassa kuolla sukupuuttoon satunnaisten tekijöiden (esim. sääolot, ravinnon saatavuuden vaihtelu) seurauksena. Jos syntyvyys on pientä ja kuolevuus suurta eikä uusia yksilöitä tule muualta, on mahdollista, että kanta kuolee sukupuuttoon. Pullonkaulailmiön vuoksi kanta on geneettisesti kapea (sukusiitos) ja haitallisten alleelien vaikutus voi olla merkittävä. Myös sattuman vaikutus kantaan on suuri. b. Kanta A on osa suurempaa populaatiota. Sillä ei ole vakavaa sukupuuton uhkaa, koska se saa jatkuvasti täydennystä manteren suunnasta. Mahdolliset haitalliset alleelit sekoittuvat huomattavasti suurempaan yksilömäärään kuin kannassa B. Kannan A geneettinen pohja on tästä syystä laajempi kuin kannan B eikä sukusiitoksen vaaraa ole. +9. Populaation muutokset a. Populaation koosta ja tiheydestä riippuvaisia. Populaation koosta ja tiheydestä riippumattomia. Edistävät populaation kasvua Suuri syntyvyys, pieni kuolevuus, yksilöiden hyvä kilpailukyky, hyvä sopeutumiskyky, optimaalinen tiheys, joustava ekolokero. Optimiolosuhteet, runsaasti tilaa ym. ympäristön tarjoamia resursseja, vähän saalistajia, ei kilpailevia lajeja, vakaa ympäristö, tulomuutto. Haittaavat populaation kasvua Pieni syntyvyys, suuri kuolevuus, huono kilpailukyky, huono sopeutumiskyky, liian pieni tai suuri tiheys, ankara lajinsisäinen kilpailu, yksilöiden stressi, aggressiivisuus, ahdas ekolokero, poismuutto. Huonot olosuhteet, puute resursseista, saalistajia, kilpailevia lajeja, muutoksia ympäristötekijöissä (kylmyys, kuivuus tms.) Jakso 3 84 Ekologia ja ympäristöekologia

85 b. 10. Saimaannieriän elvytys a. Ekolokero on lajin osoite ja ammatti. Nieriän elinympäristö ( osoite ) ovat kylmät, karut, kirkkaat, puhtaat ja syvät järvet. Ravintoa ( ammatti ) ovat eläinplankton ja pienet pohjaeläimet, suuremmat yksilöt syövät myös muita kaloja. Tätä ei artikkelissa ole mainittu. b. Lisääntyminen on epävarmaa. Syitä ovat mm. häirintä kutualueilla, vesien rehevöityminen (happipitoisuuden aleneminen), järvien lasku, ilmaston lämpeneminen sekä liiallinen pyynti. c. Pienissä, eristyneissä populaatioissa sukupuuton vaara on suurempi kuin suurissa populaatioissa. Toisaalta myös evoluutio voi edetä niissä nopeammin kuin suurissa populaatioissa. Nämä ovat seurausta siitä, että sattumalla on pienissä populaatioissa suuri merkitys. d. Nieriän istutuksia haluttaisiin lisätä käyttämällä luonnonkannan perimää. Samalla on tavoitteena laajentaa istutettavien kalojen geneettistä pohjaa eli lajin sisäistä monimuotoisuutta. Emokalojen niukkuuden takia tämä ei ole toistaiseksi onnistunut. e. Lajin sisäinen monimuotoisuus on eräänlainen henkivakuutus. Geneettisesti monimuotoisemmat populaatiot selviytyvät paremmin ympäristössä tapahtuvista muutoksista. f. Mahdollisuuksia ovat: kalastuksen säätely, valistus, haitallisten muutosten estäminen, poikasten kasvattaminen altaissa ja istutukset luonnonvesiin. Jakso 3 85 Ekologia ja ympäristöekologia

86 +11. Lajiparien vertailua a. Lajit ovat ulkonäönkin perusteella läheistä sukua. Esim. ravintokilpailun takia lajit ovat eriytyneet eri levinneisyysalueille. Niiden käyttämä ravinto perustuu levinneisyysalueella tyypillisiin, sopivan kokoisiin pikkueläimiin. Piekanan ravintona on sopuleita ja myyriä, joiden kannat vaihtelevat Lapissa voimakkaasti. Sen seurauksena myös piekanan kanta vaihtelee selvemmin kuin hiirihaukan. b. Ekolokeroon liittyy elinympäristö ja -tapa. Lumikko ja kärppä ovat sukkulan muotoisia, erittäin ketteriä pikkupetoja, jotka liikkuvat sulavasti myyrien tekemissä käytävissä ja koloissa. Kumpikin saa talvella valkoisen turkin, mikä osoittaa niiden sopeutuneen hyvin lumiseen talveen. Kilpailua ravinnosta varmasti on, mutta kärpän saalisvalikoima on suurempi. Niukkoina myyrävuosina lumikon kanta pienenee rajusti, mutta kärpän kanta pysyy vakaampana, koska laji voi siirtyä käyttämään muuta ravintoa. Hyvinä myyrävuosina lumikon kanta vahvistuu selvemmin kuin kärpän. c. Mustikka kasvaa ravinteikkaammalla, kosteammalla ja varjoisammalla kasvupaikalla kuin puolukka. Se saa sen vuoksi käyttöönsä riittävästi vettä ja ravinteita ja liiallinen haihduttaminen ohuiden lehtien kautta ei ole ongelma. Näiden seikkojen vuoksi mustikalla on myös varaa pudottaa lehdet talveksi ja kasvattaa alkukesällä uudet. Puolukka sen sijaan kasvaa karummalla, kuivemmalla ja avoimemmalla kasvupaikalla kuin mustikka. Vedestä ja ravinteista on niukkuutta ja varjon puuttuessa vettä voi haihtua runsaasti. Näiden seikkojen vuoksi puolukka säästää resursseja pitämällä samat lehdet yli talven sekä estämällä haihtumista lehdissä olevan vahapinnan avulla. Jakso 3 86 Ekologia ja ympäristöekologia

87 14 Eliöyhteisöjen ja ekosysteemien ekologiaa 1. Käsiteparit a. Laidunnus: kasvinsyöjäeläinten ravinnonottotapa, jossa ne hyödyntävät vain osan ravintoeliöstöstä, tappamatta tätä. Saalistus: esim. pedot tappavat eläviä saaliseläimiä ravinnokseen. b. Mutualismi: kahden lajin suhde, josta molemmille on hyötyä. Pöytävierassuhde: hyödyttää vain toista osapuolta ja toiselle suhde on yhdentekevä. c. Lajin sisäinen kilpailu: saman lajin yksilöiden välistä kilpailu samoista resursseista. Lajien välinen kilpailu: eri lajien yksilöiden välinen kilpailu samoista resursseista. d. Ekologinen tehokkuus: hyötysuhde, jolla jokin ravintoketjun lenkki siirtää ravinnossa saamaansa energiaa seuraavan lenkin käytettäväksi. Ohivirtaus: se energiamäärä, joka joutuu samassa yhteydessä hukkaan eli jonka eliö itse käyttää soluhengityksessään. e. Pioneerivaihe: sukkession (suksession) alkuvaihe. Kliimaksi: loppuvaihe. f. Bruttoperustuotanto: ekosysteemin tuottajien eli kasvien, levien tai syanobakteerien koko tuotanto eli niiden sitoma energiamäärä. Nettoperustuotanto: bruttoperustuotanto miinus kasvien hengitys. Nettoperustuotanto ilmenee tuottajien vuotuisena biomassana tai kasvuna. 2. Käsitteitä ja esimerkkilajeja (yo k-07) a. Omavarainen eli autotrofinen eliö pystyy fotosynteesin (kasvit) tai kemosynteesin (jotkin bakteerit) avulla sitomaan itseensä tarvitsemansa energian ja tuottamaan tarvitsemansa orgaaniset yhdisteet. b. Lahottaja on eliö (sieni tai bakteeri), joka aerobisissa (hapekkaissa) oloissa hajottaa kasviainesta. c. Päällysvieras (epifyytti) on kasvi tai jäkälä, joka elää toisen kasvin pinnalla (oksistossa tai rungolla). Vuorovaikutussuhde hyödyttää päällysvierasta ja on toiselle yhdentekevä. d. Huippupeto: ravintoketjun tai -pyramidin ylin kuluttajaporras, jota toinen eläin ei saalista. Esimerkiksi isot petolinnut (kotkat, monet haukat ja pöllöt) ja isot petonisäkkäät (karhu, leijona, susi). Jakso 3 87 Ekologia ja ympäristöekologia

88 +3. Paloaukeasta kliimaksiin (yo s-07) Sukkessio: samalla alueella ajallisesti toisiaan seuraavien eliöyhteisöjen sarja. Se alkaa pioneerivaiheesta ja päättyy kliimaksivaiheeseen. Pioneerivaihe (heinikkovaihe) 1 10 v. Valoa, tilaa ja ravinteita (tuhkasta) runsaasti. Tehokkaasti lisääntyvät ja leviävät kasvilajit runsastuvat: aluksi yksi-, myöhemmin useat. Monivuotiset ruoho- ja heinälajit. Monet kukkivat kasvit ovat ravintoa hyönteistoukille ja aikuisille. Perhoslajisto runsaimmillaan. Ravintoketjut lyhyitä. Pensaat ja lehtipuiden taimet alkavat vähitellen syrjäyttää joitakin kenttäkerroksen lajeja. Pensasvaihe v. Pajut, haapa, koivu, pihlaja kasvavat nopeasti. Kenttäkerroksen ruohot ja heinät vähenevät valon määrän vähetessä. Havupuiden taimia alkaa kasvaa lehtipuiden varjossa. Sekametsävaihe v. Kasvilajien välinen kilpailu kovenee, parhaat kilpailijat menestyvät ja valtaavat alaa. Nuoret puut kasvavat nopeasti. Nettotuotanto suuri. Useita latvuskerroksia ja runsaasti ekologisia lokeroita. Lintujen laji- ja parimäärät suurimmillaan. Kliimaksivaihe yli 80 v. Mänty kasvaa valtapuuksi kuivan kankaan maaperässä. Lajien välinen kilpailu enää vähäistä. Ravintoketjut pitkiä. Puusto järeää ja kasvibiomassa suurimmillaan. Maassa yhä enemmän lahopökkelöitä ja kariketta. Nettotuotanto pieni. Jakso 3 88 Ekologia ja ympäristöekologia

89 4. Ravintoketju ja -verkko (yo s-12) a. Ravintoketju on ekologinen suhde, joka yhdistää kasveja, kasvinsyöjiä ja petoja sekä hajottajia toisiinsa. Sillä kuvataan myös aineen ja energia siirtymistä tuottajilta kuluttajille ja lopulta hajottajille. Ravintoverkko on ekosysteemin toisiinsa liittyvien useiden ravintoketjujen muodostama kokonaisuus. b. Kasvit (kuva 1) sitovat fotosynteesissä auringon valoenergiaa glukoosiin, jota ne voivat käyttää soluhengitykseensä. Kasvinsyöjä (myyrä kuva 3) saa energiaa syömästään kasviravinnosta soluhengityksen avulla. Peto (pöllö kuva 1) saalistaa ja syö myyrän ja saa energiaa soluhengityksen avulla. Ravintoketju muodostuu seuraavasti: kasvit (tuottajia) kasvinsyöjä, pikkujyrsijä (1. asteen kuluttaja) peto, pöllö (2. asteen kuluttaja). Jokaisessa vaiheessa energiaa poistuu lämpönä (ohivirtauksena). Lajienväliset suhteet: Laidunnus (kasvi ja kasvinsyöjä); peto-saalis -suhde (myyrä pöllö). c. Tarvitaan lisäksi hajottajia (mikrobeja, pieniä selkärangattomia), jotka palauttavat ravinteet kiertoon. 5. Hirvi ja susi a. b. Vaikutus populaatioihin: Vaikutus populaatioihin: Hirvi on suden ravintoa. Susien määrä riippuu hirvipopulaation koosta. Susipopulaation tiheys seuraa viiveellä alueen hirvipopulaation tiheyshuippua. Saalistus estää ylitiheän hirvipopulaation kehittymisen. (Nykyisin kantoja säädellään myös metsästyksellä.) Runsas hirvikanta kasvattaa susipentueiden kokoa ja parantaa susien hengissä säilymistä. Petojen saaliiksi joutuu enimmäkseen hitaita (vanhoja, sairaita tai loukkaantuneita sekä aivan nuoria) yksilöitä. Siten saalistus parantaa hirvipopulaation geeniperimää. Hirvet suojautuvat parhaiten susia vastaan laumoissa. Kun hirvikanta on pieni, susilla on vain vähän saalistettavaa, ja lajinsisäinen kilpailu kasvaa susipopulaatiossa. Tällöin vain parhaat susiyksilöt selviävät. Jakso 3 89 Ekologia ja ympäristöekologia

90 c. Lumi-ilmastossa elävien hirvien pitkät raajat helpottavat liikkumista syvässä lumessa. Hirvi torjuu susien hyökkäyksiä sarvillaan ja pitkien raajojensa kovilla potkuilla. Suuri koko auttaa suojautumaan susilta. Laumassa liikkuminen talven oloissa lisää hirvien turvallisuutta. Hirvilauma kätkeytyy tiheän metsän antamaan suojaan mm. värityksensä turvin. Ontot karvat antavat suojaa pakkaselta. Hirvi havaitsee mm. susilauman hajuaistinsa avulla. Myös kuuloaisti on hyvä. Susi tarvitsee päivittäin viitisen kiloa lihaa, mutta voi olla syömättä viikon ja ahmia sitten kerralla jopa 20 kg. Yksi susi tarvitsee ravinnokseen vuosittain noin 10 hirveä. Susi löytää saaliinsa hajuaistin avulla. Paimennustaipumuksensa perusteella sudet yrittävät ajaa jonkin hirviyksilön erilleen pakenevasta laumasta. Susi toteuttaa saalistaessaan ryhmätyötä, sillä sen käyttäytymistä ohjaa mm. sen riippuvuus laumoissa liikkuvista hirvistä. Yksin liikkuva susi käyttää ravintonaan pienempiä saaliseläimiä. Lajit ovat kehittyneet rinnakkais- eli koevoluutiossa ja vaikuttaneet toistensa kehitykseen niin ulkoisen rakenteen, aistien kuin käyttäytymisenkin osalta. Molemmat ovat samalla sopeutuneet erinomaisesti pohjoisten havumetsien lumisiin talviin. Lajien on kehityttävä koko ajan, jotta ne olisivat peto-saalissuhteessaan toisen edellä 6. Syksyn lehdet (yo k-10) a. Puut ottavat ennen lehtien pudottamista talteen mm. viherhiukkasten lehtivihreän (klorofyllin), jolloin lehtien muut keltaiset väriaineet (karotenoidit) tulevat näkyviin. Näin puu säästää typpeä ja fosforia, jotka usein ovat puiden kasvua rajoittavia minimitekijöitä. (Esim. lepät voivat varistaa lehtensä vihreinä, sillä ne saavat typpeä juurinystyröidensä bakteerien avulla.) Lehtien varistaminen syksyllä on tärkeää myös siksi, että lehdistä haihtuisi vettä talven aikana (pakkaskuivuminen) eikä puu voisi ottaa vettä jäisestä maasta. b. Pudonneet lehdet hajoavat maaperässä maaperän hajottajaeliöstön ansiosta. Hajottajat tarvitsevat sopivan lämpötilan, kosteuden ja ph:n toimiakseen. Maan pintakerroksessa elävät hyönteiset ja niiden toukat, lierot sekä sienet ja bakteerit hajottavat lehtien orgaanisen aineksen. Siihen sitoutuneet mineraalit ja hiili vapautuvat. Näin lehtiin sitoutuneet ravinteet palautuvat uudelleen kiertoon ja tuottajien käyttöön. Jakso 3 90 Ekologia ja ympäristöekologia

91 7. Lajien suhteet a. Suhde on mutualismi. Kimalainen on tärkeä omenapuun pölyttäjä. Sen poistaminen haittaisi omenakantaa, sillä pölyttäjistä tulisi puute. Omenapuun lisääntyminen eli siementen ja siten uusien taimien tuotto vähenisi. b. Suolinkainen on loinen ja kissa on sen isäntä. Kissan poistaminen hävittäisi myös suolinkaiset, koska se on riippuvainen kissasta, ellei sitten löydä uutta kissan sukuista isäntää. c. Korppi on suden pöytävieras. Korppi on elämäntavoiltaan haaskansyöjä ja hyötyy suden tappamien saaliseläinten haaskoista. Sudelle korppi on jokseenkin yhdentekevä eikä vaikuta susipopulaatioon. d. Suhde on mutualismi (sienijuuri). Sienijuuressa mänty antaa tatin rihmastolle yhteyttämisessään valmistamaansa glukoosia ja tatti puolestaan antaa männylle vettä ja siihen liuenneita ravinteita. Tatin poistaminen haittaa männyn veden ja ravinteiden saantia ja hidastaa siten sen kasvua. e. Suhde on lajienvälinen kilpailu eli lajit käyttävät samaa ravintoa ja etsivät sitä melko samoista paikoista. Jossain määrin lajit ovat erikoistuneet hakemaan ruokaansa esim. kuusen latvuston eri osista. Hömötiaisen poistaminen johtaisi todennäköisesti töyhtötiaiskannan kasvuun. f. Kirjosieppo on peto ja paarma sen saalis. Saaliin poistaminen on tietenkin epäedullista pedolle, mutta tässä tapauksessa kirjosieppo (vanhalta nimeltään paarmalintu) voi löytää helposti muitakin hyönteisiä pyydystettäväkseen. 8. Ekologiset lokerot (yo k-04) a. Ekologisella lokerolla tarkoitetaan lajin tehtävää ekosysteemissä. Käsite sisältää tavan, jolla laji hyödyntää elinympäristönsä resursseja (ympäristön tarjoamia ravintomahdollisuuksia, elintilaa sekä pesä- ja suojapaikkoja). Lajienvälinen kilpailu on ympäristötekijöiden niukkuudesta johtuva lajien välinen suhde. Lajienvälinen kilpailu on sitä voimakkaampaa mitä enemmän lajien ekologiset lokerot ovat päällekkäisiä. Jos kahden lajin ekologiset lokerot ovat (täysin) samanlaiset, toinen lajeista häviää (syrjäyttävä kilpailu). Keskenään kilpailevien lajien määrän vähetessä jäljelle jäävät voivat laajentaa ekolokeroitaan. Lajit pyrkivät pienentämään keskinäistä kilpailua sopeutumalla entistä paremmin omiin ekolokeroihinsa. b. Kaikki kolme kyyhkylajia elävät Uudessa-Guineassa. Voimakas lajienvälinen kilpailu on johtanut siihen, että kyyhkylajien ekolokerot ovat suppeampia kuin saariryhmissä, joissa elää vain yksi tai kaksi kyyhkylajia. Kultarintakyyhky on sademetsälaji, sillä se asustaa vain Uuden-Guinean pääsaaren sisämaan sademetsissä. Smaragdi- ja ruskosmaragdikyyhkyn esiintyessä kaksin (Bagabag saari) ruskosmaragdikyyhky on voimakkaampi kilpailija, koska se on pystynyt valtaamaan kultarintakyyhkyn ekolokeron. Kun smaragdikyyhky (Espiritu Santolla) tai ruskosmaragdikyyhky (Uudessa- Englannissa, Tolokiwalla ja Karkarilla) elää yksin, ne kumpikin pystyvät valtaamaan kahden puuttuvan lajin ekolokeron. Jakso 3 91 Ekologia ja ympäristöekologia

92 9. Gausen tohvelit a. Populaatioiden kasvun kuvaajat ovat loivan S-kirjaimen muotoisia eli logistisen kasvun kuvaajia. Kasvu on aluksi nopeutuvaa, mutta myöhemmin hidastuvaa, koska ravinnon saanti alkaa rajoittaa kasvua. Populaatiotiheydet asettuvat kantokyvyn määräämälle tasolle eli käyrä asettuu vaakasuoraan. b. Kilpailu lajien välillä on vähäistä, sillä niillä on jokseenkin erilainen ekolokero. Lajit pystyvät elämään samassa akvaariossa, koska hyödyntävät sen resursseja eri tavoin. Vaikutusta on kuitenkin sen verran, että kummankin populaation tiheydet ovat alhaisemmat kuin niiden kasvaessa yksin. c. Kuvion mukaan tapahtuu syrjäyttävää kilpailua (Gausen luoma käsite). Lajeilla on liian samanlainen ekolokero, jotta ne voisivat elää yhdessä. P. aurelian populaatio kasvaa aluksi hitaammin, mutta päivän jälkeen se alkaa syrjäyttää P. caudatumia. 10. Hajottajat (yo k-11) Hajottajilla tarkoitetaan eliöitä, jotka käyttävät ravintonaan kuolleita eliöitä tai eliöiden jätöksiä. Hajottajiin kuuluu mm. erilaisia niveljalkaisia ja niiden toukkia, matoja, maaperäpunkkeja, sieniä ja bakteereita. (1 p) Toiminta: Maaperäekosysteemin tuottajat ja kuluttajat eivät voisi toimia ilman hajottajia. Maaperässä hajotus tapahtuu asteittain. Hajotuksen alkuvaiheessa selkärangattomat hajottajat (lierot, kaksoisjalkaiset, siirat, monet hyönteiset ja niiden toukat, kuoripunkit, ym.) syövät osia kuolleesta kasviaineksesta kuten lehdistä. Monet sienet ja bakteerit hajottavat edelleen orgaanisia yhdisteitä kasveille käyttökelpoiseen muotoon. Orgaanisen kasviaineksen hajotus hapekkaissa (aerobisissa) olosuhteissa on lahottamista. Sienirihmasto ja monet bakteerit erittävät selluloosaa hajottavia entsyymejä. Mädättäjäbakteerit toimivat hapettomissa (anaerobisissa) olosuhteissa. (3 p) Merkitys: Hajottajat vapauttavat kuolleen orgaanisen aineksen sisältämät epäorgaaniset ravinteet suoloiksi kasvien käyttöön (mineralisoituminen). Näin ravinteet palautuvat kiertoon. Tästä prosessista hajottajat saavat tarvitsemansa energian ja vapauttavat hiilidioksidia (maahengitys). Esim. lierojen toiminta maaperässä parantaa maan viljelyominaisuuksia. (2 p) Jakso 3 92 Ekologia ja ympäristöekologia

93 11. Häkistä häiriköksi Minkki on maamme luonnossa vieraslaji. Minkeiltä todennäköisesti puuttuivat Suomessa luontaiset viholliset ja muut kantaa kurissa pitävät bioottiset tekijät, joten laji alkoi lisääntyä rantabiotoopeissa tehokkaasti. Suomessa eli samassa ekolokerossa toinen laji, vesikko. Lajit ovat hyvin samannäköisiä ja käyttävät samaa ravintoa. Lajien välillä syntyi kilpailua. Koska ekolokerot olivat hyvin samanlaisia, kilpailu oli syrjäyttävää, jolloin hieman pienempi ja heikompi vesikko hävisi alueelta kokonaan. Minkki omaksui vesikon ekologisen lokeron ja alkoi kilpailla resursseista (elintilasta, ravinnosta) myös muiden lajien kanssa. Se alkoi vaikuttaa alueen ravintoverkkojen rakenteeseen hävittämällä mm. vesi- ja rantalintuja, niiden poikasia ja munia. Minkki voi periaatteessa risteytyä jonkin toisen paikallisen näätäeläinlajin kanssa. Se voi kuljettaa mukanaan jonkin alueen lajistolle uuden bakteeri- tai virustaudin tai suolistoloisen. Tämäkin saattoi koitua vesikon kohtaloksi. Vesilinnustolle ja kalastolle aiheutui vahinkoja, mikä nosti metsästäjien ja kalastajien vihan minkkiä kohtaan ja sitä alettiin pyydystää erilaisilla ansoilla. 12. Ekologinen tehokkuus (yo s-10) Ravintopyramidin ekologisella tehokkuudella tarkoitetaan sitä osuutta (%) biomassan energiasta, joka siirtyy yhdeltä pyramidin portaalta seuraavan portaan eliön biomassaksi. Portaalta toiselle siirryttäessä suurin osa biomassan energiasta häviää lämpönä tai jätteinä (ohivirtauksena) ja vain noin 10 % siirtyy seuraavan portaan biomassaksi. Energiaa kuluu runsaasti eliön soluhengitykseen, liikkumiseen ja erittämiseen. Kun mittariperhosen toukka syö 10 grammaa lehtiä, suurin osa lehtien biomassasta kuluu toukan elintoimintoihin ja biomassaksi jää 10 % eli yksi gramma. Kun talitiainen syö toukkia, tuosta yhdestä grammasta muuttuu talitiaisen biomassaksi vain 0,1 grammaa. Kun varpushaukka syö talitiaisen, 0,1 grammasta muuttuu taas vain 10 % haukan biomassaksi eli 0,01 grammaa (eli 10 milligrammaa). Jakso 3 93 Ekologia ja ympäristöekologia

94 + 13. Metsän energiabudjetti a. Kasvit sitovat fotosynteesissään kj saamastaan :sta kj:sta. Se on noin 0,6 %. b. Osa kasvillisuudesta jää syömättä, kuolee ja jää hajottajien ravinnoksi. Kasvit kuluttavat energiaa myös omaan aineenvaihduntaansa (soluhengitykseen). X tarkoittaa siis hajottajia ja Y ohivirtaavaa energiaa. c. Kasvinsyöjien käytössä on kj, josta ne muuttavat biomassaksi kj eli 6,7 %. Eläimet liikkuvat ja kuluttavat siihen huomattavan osa saamastaan energiasta. Rajoittamalla tuotantoeläinten liikkumista halutaan minimoida niiden omaa energian kulutusta. Näin niistä saatava lihamäärä tms. (ekologinen tehokkuus) olisi mahdollisimman suuri. d. Kasvit sitovat auringon energiaa ja muuttavat sitä kemialliseksi energiaksi. Jokaisessa ravintoketjun portaassa osa kemiallisesta energiasta muuttuu lämpöenergiaksi eli eliöiden kannalta käyttökelvottomaan muotoon. Lopulta kaikki ekosysteemin energia muuttuu (ohivirtaavaksi) lämpöenergiaksi ja poistuu ekosysteemistä. Aineet eivät sen sijaan katoa, vaan palautuvat hajottajien ansiosta uudelleen tuottajien käytettäviksi. Ravintoketjuissa aineet siirtyvät eliöltä toiselle energiaa sisältävinä orgaanisina yhdisteinä. Hajottajat muuttavat aineet kasveille käyttökelpoiseen, epäorgaaniseen muotoon. e. Kasvien sitomasta energiasta päätyy lihansyöjille 0,1 %. Jokaisessa ravintoketjun vaiheessa tapahtuu ohivirtausta. Sen vuoksi kasvien sitoma energia ei useimmiten riitä viidelle tai sitä useammalle lenkille. Jakso 3 94 Ekologia ja ympäristöekologia

95 15 Uhanalainen biodiversiteetti 1. Peruskäsitteitä a. Monimuotoisuuskeskus on alue, jolla on poikkeuksellisen monimuotoinen eliölajisto. Esim. Uusi-Seelanti. b. Endeeminen tarkoittaa lajia, jonka luonnollinen levinneisyys kattaa vain tietyn, suppeahkon alueen. Esim. tunturisopuli Fennoskandiassa. c. Ekologinen käytävä on eliöiden kannalta suotuisa reitti, jonka kautta erillään olevien osapopulaatioiden välillä tapahtuu yksilöiden liikkumista ja niiden myötä geenivirtaa. Esim. jokivarret, teiden pientaret, pitkänomaiset puistoalueet tai metsäkaistaleet jne. d. CITES on vuodesta 1975 voimassa ollut sopimus, jonka avulla on estetty uhanalaisilla eläimillä tai niiden osilla käytävää kauppaa. Esim. leopardin nahkat, norsunluu. e. Vieraslaji ei ole alueella alkuperäinen laji, vaan ihmisen sinne tahallisesti tai tahattomasti siirtämä. Esim. minkki Euroopassa. f. Geenipankki tarkoittaa kokoelmaa, jossa säilytetään eliöyksilöitä, sukusoluja tai siemeniä. Tarkoituksena on säilyttää uhanalaisten lajien geneettistä materiaalia. Esim. eläintarhat ja kasvitieteelliset puutarhat. 2. Biodiversiteetin kriisin syitä a. Elinympäristön muuttuminen: Ihmiset raivaavat metsiä, aroja ym. viljelymaiksi ja asuinalueiksi. Soita, kosteikoita ja jokisuistoja kuivataan. Metsien talouskäyttö muuttaa metsien ekosysteemiä. Mm. vanhojen metsien lajit (esim. kuukkeli, näätä, neidonkenkä) taantuvat. b. Luonnonvaraisten eliöiden liikakäyttö: Biologisia luonnonvaroja hyödynnetään yli niiden uusiutumisnopeuden eli liian tehokkaasti. Aiemmin esim. metsästys, nykyisin tehokalastus ovat johtaneet saalistettavien lajien populaatioiden taantumiseen. Esim. tonnikalat ja monet valaat taantuvat. Afrikan suuria nisäkkäitä on metsästetty liikaa. Pohjois-Amerikan muuttokyyhky kuoli sukupuuttoon mm. rajoittamattoman metsästyksen vuoksi. c. Populaatioiden pirstoutuminen: Maatalouden, rakentamisen ym. syiden takia eliölajien populaatiot hajoavat pienemmiksi osapopulaatioiksi. Tämä johtaa saarettumiseen, mikä lisää huomattavasti populaatioiden häviämisriskiä. Esim. monet metsälajit ovat vaarassa. Esim. kuukkeli vaatii häiriöttömiä metsäalueita, jotka kuitenkin käyvät koko ajan niukemmiksi. d. Vieraslajit: Ihmisen tahallisesti tai tahattomasti uusille alueille siirtämät lajit hävittävät ja syrjäyttävät alkuperäisiä lajeja. Esim. minkin siirto Eurooppaan on ainakin osaltaan aiheuttanut vesikon häviämisen monilta alueilta. Jakso 3 95 Ekologia ja ympäristöekologia

96 e. Saasteet: Kasvihuonekaasut (esim. hiilidioksidi) voimistavat kasvihuoneilmiötä. Sen voimistumisesta aiheutuu maailmanlaajuinen ilmaston lämpeneminen, mikä muuttaa lajistoa (jääkarhu). Typpi ja fosforipäästöt aiheuttavat vesistöjen rehevöitymistä. Seurauksena osa lajeista hyötyy (rehevöitymistä sietävät lajit: mm. vesirutto, särkikalat), osa taantuu (puhtaan veden lajit: mm. rakkolevä, nuottaruoho, lohikalat). Rikin ja typen oksidit aiheuttavat eliöille haitallista happamoitumista (puiden runkojäkälät). Ympäristömyrkyt tappavat tai alentavat eliöiden elinkykyä (huippupedot, kuten hylkeet, muuttohaukka). 3. Suojelun keinoja SUOJELUKEINO Suojelualueet ja elinympäristöjen hoito Ekologiset käytävät, askelkivet Sateenvarjolajien suojelu Eläintarhat (ex situ - suojelu), geenitekniikka Rauhoitukset, valvonta ja suojelusopimukset Tiedotus, valistus TAVOITE: Miten tällä voidaan edistää lajien suojelua? Uhanalaisten lajien populaatiot voivat elää ja lisääntyä niille tyypillisessä ja hyvässä ympäristössä. Toisistaan hajalleen joutuneiden pienten populaatioiden yksilöt voivat siirtyä populaatiosta toiseen ja vahvistaa siten geenien vaihtoa (geenivirtaa); suuremman populaation riski sukupuuttoon on pienempi kuin pienen populaation. Esim. valkoselkätikkaa suojelemalla suojellaan samalla muita uhanalaisia lajeja (esim. lahopuissa eläviä selkärangattomia). Eläintarha voi olla uhanalaisen lajin viimeinen suojapaikka; populaatio voi kasvaa turvallisessa ympäristössä ja sen yksilöitä voidaan siirtää luontoon; geenitekniikan avulla voidaan esim. kloonata uusia yksilöitä. Uhanalaisten eliöiden tappaminen voidaan kriminalisoida lakien ja asetusten avulla; suojelusopimuksen allekirjoittaneet maat ovat velvollisia valvomaan niiden toteutumista. Ihmisten asenteita voidaan muuttaa suojelulle suotuisemmiksi. Jakso 3 96 Ekologia ja ympäristöekologia

97 +4. Kaupunkiekosysteemi (yo s-07) Kaupunkiympäristö: Kaupunki-ilmasto on ympäristöä lämpimämpi (rakennusten lämmitys, lämpöputket, tummat pinnat absorboivat tehokkaasti lämpöä). Pienilmasto-oloissa on suurta vaihtelua. Kasvukausi pitempi kasveilla ja aktiivisuuskausi eläimillä pitempi kuin luonnonoloissa. Ilman laatu: ympäristöä saasteisempi (liikenne, lämmitys, pienhiukkaset). Perhosilla ilmenee teollisuusmelanismia, jäkälälajisto köyhtynyt. Valo: Keinovalaistus pidentää kasvien kasvu- ja kukintakautta ja muuttaa valojaksoja. Sademäärä ympäristöä suurempi (tiivistymistä edistäviä hiukkasia ilmassa paljon) mutta se kulkeutuu nopeasti pois viemäreissä. Lunta vähemmän kuin ympäristössä, joten lumen eristävä vaikutus pienempi kuin luonnonoloissa. Jätteet: Avoimia jäteastioita, joissa orgaanista ainesta tarjolla ympäri vuoden. Rotta- lokki-, varis- ja naakkakanta kasvavat. Viheralueet: Eloperäistä kasviainesta kertyy maahan vähän, koska nurmikoita ja puistoja. hoidetaan ja orgaaninen aines viedään pois. Monien aineiden kierto on avoin, koska orgaanista materiaalia kuljetetaan pois. Maaperäeläimistö niukka. Viherkäytävät antavat eläimille ja kasveille kulku- ja leviämisreittejä sekä suojaa. Ympäristömyrkkyjen rikastuminen nopeampaa kuin luonnonympäristöissä Liikenne huomattava riskitekijä, joka lisää eläinten kuolleisuutta (siili, monet linnut, jne.). Myös melu on haitta (talitiaisen laulu). Ruokinta parantaa monien lajien ravinnonsaantia. Niiden kanta kasvaa ja talvehtiminen onnistuu paremmin kuin ympäröivällä maaseudulla. Tulokas- ja vieraslajit: Ihmisten ja tavaroiden liikkuvuus suurta. Tavaroiden mukana saapuu tarkoituksella tai tahattomasti suuri määrä uusia lajeja, joista osa kotiutuu. (6 p) Lajiesimerkkejä: Kasvit: Lajien kokonaislajimäärä on suuri (esim. Helsingissä tavattu n putkilokasvilajia). Syynä on hyvin vaihteleva ympäristö. Tulokaslajien osuus on suuri (mm. lupiini, jättiukonputki, ym.). Puistoissa ja nurmikoilla kasvaa paljon istutettuja kasvilajeja (koristekasvit, puistopuut). Kasvistossa on lukuisia tallaamista kestäviä lajeja (piharatamo, pihatatar). Eläinlajisto on yleensä niukempaa kaupungeissa kuin ympäröivässä luonnossa. Monet luonnonvaraiset lajit ovat kuitenkin löytäneet uuden elinympäristön, ravintokohteen, pesäpaikan tms. eli niiden ekolokero on toisenlainen kuin luonnonoloissa (kettu, karhu, mäyrä, monet lepakot, orava, kesykyyhky, tervapääsky, tuulihaukka, muuttohaukka, huuhkaja, jne.). Sisätiloissa asustaa erilaisia tuholaisia (hyönteistoukkia, sokeritoukkia) sekä seuralaislajeja (koirat, kissat). Monet tulokaslajeista voivat elää ja lisääntyä vain sisätiloissa (esim. viemäriliero, varastohämähäkki). (3 p) Jakso 3 97 Ekologia ja ympäristöekologia

98 +5. Erilaisia metsiä a. Ylempänä on talousmetsä (tasaikäinen, tasavälinen kuusikko, ei kuolleita puita), alla on luonnontilainen metsä (vaihtelevan ikäistä puustoa, eri lajeja, pystyyn kuolleita puita, liekopuita). b. Luonnontilaisen metsän monimuotoisuus on suurempi, koska siellä on vaihtelevan ikäistä puustoa, eri lajeja, pystyyn kuolleita puita, liekopuita, lahoavaa ainesta. Mukana on vanhan metsän lajeja, kääpiä, lahoa puuta syöviä hyönteisiä, pesäpaikkoja kolopesijöille sekä mm. tikoille ravintoa. c. Kaupallinen tehokas puun kasvatus ei siedä lahopuita ja niissä pesiviä mahdollisia tuholaisia. Vanhojen metsien puun kasvu (nettotuotanto) hidastuu ja samalla taloudellinen tuotto. Metsä halutaan kaataa pian nopeimman kasvun jälkeen ja istuttaa tilalle uusi taimikko. d. Suojelutyötä voidaan tehdä tuottamalla tietoa lajien ekologisista vaatimuksista, levinneisyydestä ja muuntelusta käytännön toimien perustaksi (ekologinen tutkimus), säästämällä luontaisia elinympäristöjä suojelualueiksi (esim. alueiden lunastukseen suojelualueeksi tarvitaan rahaa), rauhoittamalla laji (lainsäädäntö, sopimukset), ennakoimalla esim. maankäytön vaikutuksia (YVA = ympäristövaikutusten arviointi) sekä kasvattamalla yksilöitä luontoon siirrettäviksi (eläintarhat, siemenpankit, geenipankit). 6. Maannokset a. Ilmasto (sade, lämpötila), veden liike maan pintaosissa (haihdunta, huuhtoutuminen), maaperän rakenne, happamuus ovat maannokseen vaikuttavia abioottisia tekijöitä. Kasvillisuus, karikkeen laatu ja määrä sekä hajottajaeliöiden toiminta ovat bioottisia tekijöitä, jotka muokkaavat maan pintakerrosta. Tekijöiden yhteisvaikutuksena syntyy kerroksellinen profiili. b. Podsoli on tyypillinen viileän lämpövyöhykkeen havumetsissä. Ruskomaa on tyypillinen lauhkean vyöhykkeen lehtimetsissä. Mustamulta on tyypillinen lauhkean vyöhykkeen aroilla. Latosoli on tyypillinen trooppisen vyöhykkeen sademetsissä. (Myös savanneilla on latosoli, mutta siellä multakerros on paksumpi.) c. Mustamulta ja ruskomaa sopivat hyvin maanviljelyyn, koska niiden pintakerroksessa on kasvien käyttöön runsaasti ravinteita. Podsolissa ja latosolissa ravinteita on vain niukasti. Ruskomaassa on paksu multakerros, joka on peräisin maahan karisseesta lehtikarikkeesta. Aroilla ravinteita nousee kasvien juuriston ulottuville voimakkaan haihdunnan ansiosta. Ruskomaa-alueet (lauhkean vyöhykkeen lehtimetsät) ovat tämän vuoksi tiheään asuttuja. Mustanmullan alueet (arot) ovat tärkeitä viljanviljelyalueita. Pohjoiset havumetsät ja trooppiset sademetsät eivät suosi tiheää asutusta. Jakso 3 98 Ekologia ja ympäristöekologia

99 +7. Australian kanikatastrofi a. Kanit ovat luonnonvaraisia lajeja Englannissa. Niille oli kehittynyt tauteja ja muita loisia, jotka pitivät kantaa kurissa. Oli myös petoja (esim. kettuja), jotka saalistivat kaneja ja osaltaan estivät kannan kasvun liian suureksi. Englannissa kanipopulaatio pysyi sen ympäristön kantokyvyn määräämissä rajoissa. b. Ketut pyrkivät minimoimaan saalistukseen kuluvan energian, joten kanien sijasta ne tappoivat pussieläimiä, koska niiden kiinni saaminen oli helpompaa. Pussieläinkannat vähentyivät kettujen takia. c. Kanit ja lampaat käyttivät samaa ravintoa (ruohoa yms.) ja kilpailivat siitä. d. Etelä-Amerikassa sekä virus että sen isäntäeläimet olivat sopeutuneet toinen toisiinsa siten, että virus ei ollut liian tappava ja kaneille oli kehittynyt vastustuskykyä virusta vastaan. e. Kaneissa ilmenevät mutaatiot ja perinnöllinen muuntelu tuottivat vähitellen virukselle vastustuskykyisiä yksilöitä. Näiden osuus kanipopulaatiosta lisääntyi koko ajan, kun virukselle herkkiä yksilöitä kuoli runsaasti. f. Viruksissa tapahtuu koko ajan mutaatioita. Jos virus on isännälleen liian tappava, sen omatkin lisääntymismahdollisuudet häviävät. Viruksista yleistyy siis sellainen muoto, jonka tartuttamisteho on hyvä, mutta isäntäeläimet eivät kuole liian nopeasti. Virusten on päästävä leviämään uusiin isäntäeläimiin. 8. Itämeri, murtovesi a. Meren pohjassa olevissa kerrostumissa on säilynyt subfossiileja mm. kotiloiden ja simpukoiden kuorista. Joidenkin kerrostumien lajit ovat suolaa vaativia merilajeja, joidenkin taas suolaa karttavia järvilajeja. Samoja lajeja elää nykyisinkin ja niiden ekologiset vaatimukset tunnetaan. Jäätiköt ja maankohoaminen ovat ajoittain katkaisseet yhteydet valtamereen, jolloin vesialue on muuttunut järveksi. b. Suolapitoisuus vaikuttaa suoraan eliöiden aineenvaihduntaan (erityselimistöön) ja lisääntymiseen (esim. kalojen mätimunien kehittymiseen) tai epäsuorasti muiden lajien (esim. ravinnon) kautta. Järvilajeille (esim. kuhalle) suolapitoisuus on haitta, merilajeille (esim. turskalle) etu. c. Itämeri on murtovetenä aivan liian nuori, jotta erityisesti murtoveteen sopeutunutta lajistoa olisi ehtinyt kehittyä. d. Itämeressä on paljon tyhjiä ekolokeroita, koska se on nuori. Itämeren asuttaminen on ikään kuin kesken tai pioneerivaiheessa. Uudet lajit löytävät helposti itselleen ekolokeron. Esim. merirokko, hietasimpukka, vaeltajakotilo, mustakitatokko, villasaksirapu. Jakso 3 99 Ekologia ja ympäristöekologia

100 e. Kehitys kulkee kohti järvilajistoa, koska maankohoaminen jatkuu edelleen ja Tanskan salmet madaltuvat. Itämereen tulvahtaa yhä harvemmin suolaista valtameren vettä. Myös rehevöityminen muuttaa lajistoa. Rannikoiden levävyöhykkeissä tapahtuu suuria muutoksia, mikä johtaa niistä riippuvaisten lajien taantumiseen. Pohjaeliöstö kärsii rehevöitymisen seurauksena lisääntyvästä pohjien liettymisestä ja happikadoista. Rahtiliikenteen lisääntyessä myös tulokaslajien määrä kasvaa koko ajan. Lajeja voi tulla laivojen painolastitankeissa hyvinkin kaukaa, esim. Kaspianmeren alueelta. Ilmastonmuutos nostaa Itämeren alueen lämpötiloja. Jääpeite vähenee ja talvi lyhenee. Lajien kilpailuasetelmissa tapahtuu muutoksia. Jos sademäärät valuma-alueella lisääntyvät, kehittyy vesi entistä nopeammin suolattomaan suuntaan. Valunnan lisääntyessä ravinteiden määrä Itämeressä lisääntyy edelleen. 9. Monimuotoisuuskeskukset a. Useimmat monimuotoisuuskeskukset ovat hyvin lämpimillä alueilla, missä biologinen tuotanto on suurta. Lisäksi ne ovat usein rikkonaisia (vuoristoja, saaristoja, jokia, rannikoita). Monet ovat lisäksi eristyneitä (saaria, järviä). b. Trooppisilla alueilla on parhaat mahdollisuudet lisääntyä tehokkaasti, mikä nopeuttaa myös lajiutumista. Rikkonaisilla alueilla runsaana ilmenevä reunavaikutus lisää lajimäärää. Heterogeenisillä eli luonnonoloiltaan vaihtelevilla alueilla on runsaasti erilaisia elinympäristöjä ja ekolokeroita. Niillä alueilla valinta voi vaikuttaa hajottavasti jo pienellä alueella, mikä voi edelleen johtaa lajiutumiseen. Eristyneisyys (isolaatio) taas estää geenivirran muilla alueilla olevien populaatioiden kanssa, mikä on mahdollistanut omaleimaisen lajiston ja useiden kotoperäisen (endeemisen) lajin kehittymisen. c. Monet keskuksista sijaitsevat kehitysmaissa. Köyhät ihmiset verottavat alueiden kasvi- ja eläinlajistoa saadakseen ruokaa tai rahaa. Metsiä hakataan polttopuiksi ja raivataan pelloiksi. Paikallinen väestö on kokenut suojelun usein uhaksi omalle toimeentulolleen. Antamalla ihmisille tietoa ja malleja suojelun tuomista mahdollisuuksista (esim. kasvava turismi) asenteet ovat kääntyneet suopeammiksi. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

101 10. Nuuksion kansallispuisto a. Metsäluontoa suojelemalla pyritään säilyttämään alkuperäistä metsää ja metsälajistoa. b. Onnistunutta on suojelualueen eteläinen sijainti, sillä Etelä-Suomessa laajoja metsien suojelualueita ei ole kovin paljon. Alue on myös kohtalaisen laaja, joskin se saisi olla mielellään suurempikin. Alue on sangen rikkonainen, mikä aiheuttaa, että ihmisen vaikutukset ulottuvat myös kansallispuiston ydinalueelle ja reunavaikutus on suuri. Toisaalta eri suuntiin ulottuvista suojelukaistaleista muodostuu useita erilaisia ekologisia käytäviä. Alueen luonto on myös monimuotoista, vaihtelevaa ja pienpiirteistä, mikä tekee siitä myös lajistoltaan rikkaan. Nuuksiossa säilyneiden vanhojen metsien ansiosta esim. EU:n alueella uhanalainen liito-orava asustaa kansallispuiston alueella. Alue on lisäksi aivan maan tiheimmin asutun alueen välittömässä tuntumassa. c. Uhkana on ihmisen toiminnan laajentuminen ja voimistuminen. Asuinalueiden ja teiden rakentaminen kilpailee Helsingin tuntumassa suojelun kanssa. Koska kansallispuistot ovat avoimia kaikille, voivat lisääntyvä retkeily ja siitä aiheutuva häiriö ja kulutus aiheuttaa ongelmia luonnolle. Ilmastonmuutoksen seurauksena lajien elinolot muuttuvat, mikä saattaa aiheuttaa joidenkin lajien taantumista. Myös uusia lajeja todennäköisesti siirtyy alueelle. 11. Ilmastodiagrammien tulkintaa a. 1 Subtrooppinen, talvisateita, nahkealehtinen (Tunis). 2 Lauhkea, luminen talvi, havumetsä (Vantaa). 3 Trooppinen, kuiva, aavikko (Lima). 4 Trooppinen, kostea, sademetsä (Colombo, Sri Lanka). 5 Trooppinen, kesäsateita (monsuuni-ilmasto), savanni (Kolkata, Intia). 6 Kylmä (arktinen), kuiva, tundra (Nook, Grönlanti). Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

102 b. 1 Kesä on kuuma ja kuiva, eliöiden suojauduttava liialliselta haihtumiselta. 2 Talvi on luminen ja kylmä, kesä melko lämmin ja kosteahko. 3 Kuivuus ja kuumuus ovat lähes jatkuvia, sateet hyvin niukkoja. 4 Kesä on hyvin lämmin ja jatkuvasti kostea, kuivakautta ei ole. 5 Sadekauden ja kuivakauden ero on raju. Sateet tulevat kesällä, muuta talvikin on lähes kuuma. 6 Talvi on pitkä ja kylmä, kesä lyhyt ja viileä. c. 1 Kasvillisuuden lepokausi on kesällä kuivuuden takia. Kasveille on kehittynyt haihtumista estäviä ja vettä varastoivia rakenteita (nahkeat lehdet, vettä varastoivia varsia ja lehtiä). Kasvukausi on talvella. 2 Lepokausi on talvella kylmyyden takia. Kasvit varistavat lehtensä. Kasveilla ja eläimillä on erilaisia talvehtimistapoja (suojautuminen lumen alle, talviuni, -horros tai muutto). 3 Kasveilla on kuivuutta sietäviä ja haihtumista estäviä rakenteita. Monet eläimet ovat yöaktiivisia, koska päivällä on liian kuumaa. 4 Sademetsissä vaaditaan erikoistumista kovan lajienvälisen kilpailun takia. Puilla on rankkaa sadetta sietäviä lehtiä sekä ilma- ja lankkujuuria. Suurin osa lajeista on erikoistunut elämään puiden latvuksissa, jossa on runsaasti ekolokeroita. Maan pinnassa on niukasti valoa ja ravinteita. Hajottajien toiminta on hyvin nopeaa. 5 Kasveilla on lepokausi talvella kuivuuden takia. Kesä on kasvun ja lisääntymisen aikaa. Eläimillä on selviä vuodenaikaisvaelluksia ravinnon (esim. laitumien) mukaan. 6 Kasveilla on kovaa kylmyyttä sietäviä talvehtimiskeinoja ja haihtumista estävät rakenteita. Lisäksi tarvitaan kyky hyödyntää lyhyt kasvukausi lisääntymällä nopeasti. Eläimillä suojavärit, paksu turkki, vaellukset talveksi lämpimämmille seuduille (arktinen muutto) ovat tyypillisiä. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

103 12. Suomen uhanalaiset lajit a. Perinnebiotooppi on vanhan maatalouden ja maankäytön tuloksena syntynyt elinympäristö (niityt, ahot, kedot, hakamaat). Avainbiotooppi on lajistoltaan rikas elinympäristö, jossa on erityisen paljon vaateliaita lajeja (luonnontilaiset vanhat metsät, lehdot, lähteiköt, puronotkot, rehevät suot, laajat kosteikot sekä erilaiset perinnebiotoopit). b. Mainittujen biotooppien määrä ja pinta-ala ovat vähentyneet. Elinympäristöjen huvetessa myös niiden lajisto käy uhanalaiseksi. c. Vanhat metsät ovat syntyneet ilman ihmisen vaikutusta, perinnebiotoopit taas ihmisen vaikutuksesta. d. Vanhojen metsien lajistossa on paljon metsän kliimaksivaiheen lajeja. Ne ovat hitaasti lisääntyviä ja levittäytyviä lajeja, vahvoja kilpailijoita, jotka kärsivät häiriöistä. Koska vanhoja metsiä on ollut esim. Suomessa ennen ihmisen vaikutuksia, niiden lajisto on maamme alkuperäistä lajistoa. Perinnebiotooppien lajistossa on useita pioneerivaiheen lajeja. Ne ovat nopeasti lisääntyviä, heikkoja kilpailijoita, jotka tarvitsevat häiriöitä (= ihmisen toimintaa) elinympäristössään. Useimmat perinnebiotooppien lajit ovat ihmisen mukana levittäytyneitä, vakiintuneita tulokkaista. e. Vanhojen metsien suojelu edellyttää metsien rauhoittamista hakkuilta, kulutukselta ja muilta haitallisilta toimilta. Perinnebiotooppien säilyttäminen taas edellyttää jatkuvaa hoitoa, niittoja, laiduntamista jne Vieraslajit (yo s-02) Vieraslaji ei ole alueella alkuperäinen laji, vaan se on usein ihmisen sinne tahallisesti tai tahattomasti siirtämä. Uusi laji on voinut levitä itsestään tulokkaana (esim. rusakko, villisika), saapua tahattomasti esim. laivojen, junien tai sotaväen mukana (esim. isorotta, kampamaneetti) tai tahallisesti istutettuna vieraslajina (esim. täplärapu, piisami). Suomeen on kotiutunut yli 600 vierasta kasvi- ja eläinlajia. Itämeren murtovedessä lajeja on vähän, ja siksi monet tulokkaat ovat saattaneet löytää oman ekologisen lokeron. Näitä ovat esim. merirokko, petovesikirppu ja mustakitatokko. Minkit ovat usein päässeet luontoomme karkulaisina turkistarhoista ja voivat sopeutua luonnonoloihin Suomessa. Ne voivat aiheuttaa vahinkoa esim. luonnonvaraisille linnuillemme. Monet eläin- ja kasvilajit ovat levinneet maahamme itärajan yli, esim. rusakko ja supikoira tai Suomenlahden eteläpuolelta ilmaston lämmetessä joko jään yli tai Karjalan kannaksen kautta (villisika). Ne voivat kilpailla alkuperäisten luonnonlajiemme kanssa elintilasta (esim. kettu, mäyrä ja supikoira tai jänis ja rusakko). Viljelykasvien mukana on maahamme kulkeutunut monia peltojen rikkakasveja, jotka kuitenkin vain harvoin leviävät luontoon, sillä vapaita ekologisia lokeroita on vähän. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

104 Usein uudet kasvilajit menestyvät pioneerilajeina rikotussa maassa ja avoimilla paikoilla (esim. lupiini ja kurtturuusu maanteiden varsilla), mutta eivät useimmiten pysty kilpailemaan alkuperäisten ja kliimaksivaiheen lajien kanssa luonnonkasvupaikoilla. Ne voivat siten muuttaa joidenkin ympäristöjen alkuperäistä lajikoostumusta huomattavasti. Kanadanmajava ja meillä alkuperäinen euroopanmajava elävät samassa ekolokerossa eivätkä siksi menesty samoilla alueilla. Kanadanmajava voittaa lajien välisen kilpailun ja syrjäyttää euroopanmajavan. Pohjoisamerikkalaista täplärapua on istutettu maahamme järviin, joista rapurutto on tuhonnut alkuperäisen rapukannan. Täplärapu voi kuitenkin rapuruttosienen kantajana ja levittää tautia vielä säilyneisiin alkuperäisiin jokirapuesiintymiin. Pohjoisamerikkalainen valkohäntäpeura tuotiin Suomeen 1934 ja on sittemmin levinnyt laajalle. Se voi aiheuttaa vahinkoa taimikoissa. Fasaani on Suomeen tuotu lintulaji, joka menestyy vain Etelä-Suomessa ihmisen pöytävieraana ja talviruokinnan turvin. Piisami istutettiin turkiseläimeksi Suomeen 1919 ja on hyvä esimerkki lajista, joka on löytänyt oman ekolokeronsa ja levinnyt koko Suomeen. Kyhmyjoutsen on kotoisin Etelä-Venäjän aroilta ja istutettu Ahvenanmaalle. Se on toistaiseksi levinnyt vain Etelä-Suomeen. Luonnonvarainen laulujoutsen näyttää olevan voitolla lajien välisessä kilpailussa Uhanalaisia elinympäristöjä a. Suuri osa Suomen järvistä on karuja, humuspitoisia ja matalia. Järvien valuma-alueelta joutuu rehevöittäviä ravinteita veteen hajakuormituksena pelloilta ja metsistä. Myös pistekuormituksella on ollut suuri merkitys, mutta esim. taajamien jätevedet on saatu puhdistuksen piiriin. Suuret sikalat ja navetat voivat olla isoja paikallisia pistekuormittajia. Talvella jääpeite voi johtaa happikatoon etenkin lopputalvella, kun hajottajaeliöt ovat kuluttaneet hapen loppuun. Luontaisesti hapan- ja kirkasvetiset järvet ovat herkkiä happamoitumiselle. Paljon humusta sisältävät ruskeavetiset järvet kestävät sitä paremmin. ph:n laskiessa alle 6 vaikutukset alkavat ilmetä. Etenkin kalkkikuoriset eliöt kärsivät. Myös kalojen lisääntyminen vaikeutuu. Ympäristömyrkyistä elohopea aiheuttaa ongelmia. Elohopeaa on joutunut vesiin puunjalostusteollisuudesta. Nykyisin elohopeaa joutuu vesiin klooritehtaista ja fossiilisia polttoaineita käytettäessä (kaukokulkeumana). Etenkin Pohjois-Suomen suurissa tekojärvissä metyylielohopea on ollut ongelma. Sitä on kertynyt eliöihin ja rikastunut ravintoketjujen huipulla oleviin petokaloihin. Kalojen runsas käyttö ravintona on katsottu terveyshaitaksi. Myös veden pinnan säännöstely on paikoin ongelma. Voimalayhtiöt säännöstelevät järvien vettä taatakseen tasaisen juoksutuksen ja sähkön tuotannon. Tämä on katsottu tarpeelliseksi, koska maamme korkeuserot ovat pienet ja suuria jokia on vähän. Järvien rantavyöhykkeet ja niiden eliöstö kärsivät veden laskusta etenkin talvisin. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

105 b. Virtaavien vesien tilaa heikentäviä toimia ovat esim. jokien perkaaminen, virtaaman säätely, valuma-alueen maa- ja metsätalous sekä turvetuotanto. Patojen ja suojavallien rakentaminen sekä vesiliikenne muuttavat virtavesiä yksinkertaisemmiksi. Tuloksena on yksipuolinen vesiekosysteemi, jonka biologinen monimuotoisuus on vähentynyt. Vesien rakentaminen voi tuhota koko elinympäristön. Energiantuotantoa varten rakennetut padot voivat estää tai haitata kalojen vaellusta kutupaikoille. Eliöiden lisääntymis- ja elinalueet voivat huonontua myös padon alapuolella esim. säännöstelyn takia. Vesialueiden ruoppaaminen lisää virtaamaa ja laskee veden pintaa. Viime vuosikymmeninä virtaavia vesiä on ryhdytty runsaasti kunnostamaan monimuotoisuuden säilyttämiseksi. c. Kaupallinen metsätalous tähtää tehokkaaseen puun tuottoon. Tämän vuoksi metsiä hoidetaan voimaperäisesti, mikä johtaa erityisten talousmetsien kehittymiseen. Parhaiten tuottavat metsät ovat iältään enintään joitakin kymmeniä vuosia. Kun laajat metsäalueet ovat yhden lajin samanikäisten puiden viljelykäytössä, voidaan puhua puupelloista. Näiden biologinen monimuotoisuus ja sietokyky erilaisia metsätuhoja vastaan ovat heikkoja. Vanhojen metsien osuus pienenee koko ajan. Etenkin Etelä-Suomessa vanhat metsät ja niiden lajisto rajoittuvat pienille suojelualueille. Vanhojen metsien kasvi- (jotkin orkideat) ja eläinlajisto (liito-orava, valkoselkätikka) on vaarantunutta tai uhanalaista. Lapissa metsien uudistuminen on hidasta. Voimaperäiset, laajat hakkuut näkyvät rumina alueina pitkään. Myös kulontorjunta on liian tehokasta. Metsien palaminen on aina kuulunut pohjoisten havumetsien luontaiseen kiertoon. Vuosisatojen saatossa osa metsistä on kaadettu ja raivattu pelloiksi. Näin on käynyt rehevimmille metsätyypeille, kuten hyväkasvuisille lehdoille ja lehtomaisille kangasmetsille. Samalla on menetetty vaateliaiden lajien elinympäristöjä. Palamatta jääneiden metsien biodiversiteetti alenee tai alttius mm. sienituhoille kasvaa. d. Vanhastaan soita on kuivattu eniten pelloksi. Tähän tarkoitukseen on käytetty rehevimmät suotyypit kuten letot, ohutturpeiset korvet ja lehtipuuvaltaiset luhdat. Seurauksena mm. letot ja niiden vaatelias kasvilajisto on tullut erittäin uhanalaiseksi. Soita saatettiin pitää myös ns. hallanpesinä, jotka piti hävittää. Tosiasiassa kuivattu suo oli alttiimpi halloille kuin märkä, luonnontilainen suo. Nykyisin soita ojitetaan eniten metsäksi. Tavoitteena on saada suo kuivumaan sen verran, että ravinteita vapautuu turpeesta ja puiden juuristo pystyy ottamaan niitä tehokkaasti. Monista soista onkin tullut ojituksen seurauksena puuta melko hyvin kasvavia. Osa osituksista on kuitenkin ollut täysin turhia. Seurauksena soista on tullut hiilidioksidia vapauttavia hiilen lähteitä, kun luonnontilainen suo on hiiltä sitova hiilinielu. Myös soille tyypillinen kasvi- ja eläinlajisto on kärsinyt ojituksista. Suo tuhoutuu täydellisesti, jos se otetaan turvetuotantoon. Silloin suon kasvillisuus kuoritaan pois, annetaan turvepinnan kuivua ja rouhitaan se talteen. Turve käytetään lähinnä energiantuotantoon voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Tätä perustellaan energian kotimaisuudella. Osa turpeesta käytetään kasvuturpeena tai öljyntorjunnan välineenä. Kun kaikki turve on kaivettu pois, voidaan alue käyttää esim. metsän kasvatukseen. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

106 e. Kosteikot ovat maamme oloissa poikkeuksellisen tuottoisia elinympäristöjä. Tämä on houkutellut kuivattamaan matalia järviä ja tulvamaita pelloiksi. Kosteikkoja on pidetty yleensä joutomaina, joita on käytetty etenkin kaupunkien liepeillä täyttömaina ja kaatopaikkoina. Kosteikkoja hävittämällä ja vaurioittamalla on tuhottu hyviä lintujärviä Lajien merkitys ihmiselle (yo k-07) Uhanalaisuuden määrittely: Käsitteeseen kuuluu useita eriasteisia luokkia: Erittäin uhanalainen (laji tai alalaji, jota näyttää uhkaavan sukupuutto lyhyellä aikavälillä), vaarantunut (laji tai alalaji, joka ilman suojelutoimia tulee erittäin uhanalaiseksi). Melko harvat lajit tunnetaan riittävän hyvin, jotta ne voitaisiin luotettavasti luokitella uhanalaisiksi. Uhanalaisuuden syitä: Metsästys, erityisesti salametsästys, liikakalastus, keräily. Lajin asuinalueen tuhoutuminen. Lajin asuinalueen pirstoutuminen liian pieniksi osiksi. Ihmisen levittämät myrkyt. Elinympäristön muuttuminen. Vieraiden lajien siirtäminen on uhka alkuperäislajistolle. Ilmastonmuutos. Happamoituminen. Mitä menetetään? Biodiversiteetti vähenee. Geenivarasto pienenee. Lajien väliset suhteet muuttuvat. Hyvin sopeutuneiden maatiaiskantojen geenivarasto vähenee. Sukupuuttoon kuolevissa eliöissä saattaa kadota mm. lääkkeinä arvokkaita aineita. Miten suojellaan? Lajikohtaiset suojeluohjelmat. Avainbiotooppien suojelu. Uhanalaisten eliöiden kaupan kielto. Kasvatus eläintarhoissa ja kasvitieteellisissä puutarhoissa ja istutus takaisin luontoon. Luonnonsuojelualueet ja niiden hoito. Geenipankit. Biotekniset menetelmät. Lajien rauhoitus. Kansainväliset sopimukset. (Hyvässä vastauksessa on lajiesimerkkejä.) Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

107 16 Aineita väärissä paikoissa 1. Vihreitä käsitteitä a. Luonnonsuojelulla tarkoitetaan eliölajien ja niiden luontaisten elinympäristöjen suojelua. b. Ympäristönsuojelu sisältää luonnonsuojelun, mutta on laajempi käsite. Sillä tarkoitetaan ekosysteemien suojelua ihmisen haitallisilta vaikutuksilta. c. Kestävä kehitys tarkoittaa toimintaa, jossa nykyisin elävät ihmiset ottavat eri tavoin huomioon tulevien sukupolvien tarpeet; ekologinen kestävyys ottaa huomioon nimenomaan ekosysteemien toiminnan ja biodiversiteetin. Nyt elävän sukupolven on tyydytettävä omat tarpeensa niin, että myöhemmillä sukupolvella olisi yhtäläiset mahdollisuudet tyydyttää omat tarpeensa. Kestävää kehitystä toteutetaan paikallisella, kansallisella ja globaalilla tasolla. d. Ekotehokkuus tarkoittaa, että tuotanto pyritään saavuttamaan pienemmillä raaka-aine-, materiaali- ja energiamäärillä eli pienemmillä päästöillä. e. Ekologia on biologian osa-alue, tiede, jossa tutkitaan luonnon toimintaa, eliöiden levinneisyyttä ja niihin vaikuttavia tekijöitä. Ekologia tarkoittaa myös oppia luonnon taloudesta (vrt. ekonomia). f. Luomu on lyhenne sanasta luonnonmukainen. Se tarkoittaa, että vaikkapa maataloustuote (elintarvike tms.) on kasvatettu ekologisesti eli sen tuottamisessa ei ole käytetty keinolannoitteita eikä torjunta-aineita. 2. Varpushaukan munat a luvulle asti varpushaukan munat olivat paksukuorisempia kuin siitä eteenpäin. Kuorien paksuudessa on suurta hajontaa. Keskiarvoa putoaa suunnilleen vuoden -47 kohdalla. 60-luvun jälkipuoliskolla munien paksuus alkaa jälleen kasvaa, mutta niissä ilmenevä hajonta on erittäin suurta. b. Torjunta-aineiden (DDT, PCB, elohopeayhdisteet) käyttö yleistyi luvulla. Aineita rikastui ravintoketjussa ravintopyramidin huipulla eläviin lajeihin, kuten varpushaukkaan. Ne aiheuttivat sillä mm. lisääntymiselintoimintojen häiriöitä, jolloin niiden munankuoret ohenivat vuosien välisenä aikana. Ympäristömyrkkyjen käytön kieltäviä lakeja ja rajoituksia tuli voimaan 1970-luvulla, jolloin paksukuorisia munia alkaa esiintyä jälleen. Munankuorten ohetessa varpushaukan lisääntyminen heikkeni ja kanta romahti. Ohuiden munankuorien takia munia kuivui ja rikkoutui helpommin. Myös pesäpoikaskuolleisuus lisääntyi, koska poikasten kunto heikkeni niiden saaman myrkkypitoisen ravinnon vuoksi. Osa emoista saattoi olla heikkokuntoisia ja jätti ehkä pesimättä. 70-luvulta lähtien myrkkyjen rikastuminen väheni. Vähitellen munankuorien paksuus kasvoi, mikä lisäsi poikasmääriä ja kannat alkoivat elpyä. Ympäristömyrkyt hajoavat hyvin hitaasti, ja siksi myös kantojen toipuminen on hidasta. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

108 c. Talitiainen käyttää erilaista ravintoa ja on ravintopyramidissa alempana kuin varpushaukka. Siksi ympäristömyrkkyjä rikastui talitiaiseen vähemmän eivätkä myrkyt aiheuttaneet havaittavaa muutosta munankuoren paksuudessa. Talitiainen on lyhytikäinen eikä sen vuoksi altistu yhtä suurille ympäristömyrkkymäärille kuin varpushaukka. 3. Öljy (yo s-06) Vaikutukset vesiympäristöissä: Meriin öljyä pääsee karille ajaneista öljytankkereista, laivojen pilssivesistä, kauan sitten uponneista laivoista ja asutuksesta tulevista jätevesistä (jäteöljy) sekä öljynporauslautoilta. Öljy tuhoaa vesi- ja rantaekosysteemejä. Veden laatu huononee. Öljyä tarttuu vedessä uiviin lintuihin ja nisäkkäisiin, joiden turkki ja höyhenpeite eivät enää toimi eristeenä ja eläimet kuolevat kylmyyteen sekä ravinnon puutteeseen, sillä öljyn saastuttamassa ympäristössä ei ole ravinnoksi soveltuvia eliöitä. Eliöiden kannat romahtavat, harvinaiset lajit voivat hävitä kokonaan. Pohjaeläimistö köyhtyy, planktonin toiminta häiriintyy. Lintujen ja nisäkkäiden pesimäympäristöjä ja kalojen kutupaikkoja tuhoutuu. Ekosysteemin rakenne ja toiminta muuttuvat. Raakaöljyn mukana rasvaliukoiset myrkyt pääsevät ihon läpi ja ravinnon mukana ruoansulatuskanavan läpi eläimiin, joissa ne aiheuttavat häiriöitä solujen toiminnoissa. Veden pinnalta ja rannoilta öljy haihtuu vähitellen. Ekosysteemin toipuminen vie useita vuosia tai vuosikymmeniä. Arktiset merialueet ja Itämeri ovat öljytuhoille herkkiä alueita, joiden toipuminen saattaa kestää kauan. (3 p) Vaikutukset maaympäristöön ja ilmaan: Huoltoasemilta, korjaamoilta, kaatopaikoilta ym. maahan joutunut öljy saastuttaa maaperää paikallisesti. Pohjaveteen päässyt öljy tekee vedestä käyttökelvotonta.) Maaperäeläimistö ja paikan kasvisto köyhtyvät. Öljy on fossiilinen polttoaine, jonka polttamisessa muodostuu hiilidioksidia (kasvihuonekaasu) ja erilaisia myrkyllisiä yhdisteitä, kuten rikkiyhdisteitä. Ilmaston lämpeneminen nopeutuu ja ilman laatu huononee. Epätäydellisessä palamisessa syntyy syöpää aiheuttavia PAH-yhdisteitä. (2p) Puhdistaminen: Öljyn saastuttamaa maaperää voidaan puhdistaa bakteereiden avulla. Veteen joutunutta öljyä eristetään puomein ja kerätään mekaanisesti tai hävitetään kemiallisesti. (1 p) Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

109 4. Happamoituminen (yo k-11) a. Metsissä: Silmämääräiset havainnot: havupuiden harsuuntuminen ja sen aste, puukuolemat, neulasten laatu, jäkälien määrä, laatu ja lajisto jne. Näytteiden keruu tarkempaa tutkimista varten: neulasnäytteet, kasvinäytteet, selkärangattomat eläimet, sienet. Näytteiden analysointi: lajimääritykset, kunto, mikroskooppinen tarkastelu). Kemialliset analyysit karike-, kasvi- ja maaperänäytteistä (ph, raskasmetallit). b. Järvissä: Silmämääräinen tarkastelu: veden väri, kasvillisuuden määrä ja laatu, pohjaan kertyneen hajoamattoman aineksen määrä. Eläin- ja kasvilajiston analysointi: kalat (koekalastus), muut selkärankaiset (linnut, nisäkkäät, sammakkoeläimet: lajiston ja määrien tutkiminen). Selkärangattomien eläinten keruu ja analysointi (lajisto, määrä, kunto ja esim. kalkkikuoriset eliöt). Kasvi- ja planktonnäytteiden otto sekä määrän ja lajiston selvitys. Kemialliset analyysit (veden ph, raskasmetallit, värin määritys ym.) Hyvään tutkimussuunnitelmaan kuuluu hypoteesin tekeminen, happamoitumisen vaikutusten selvittäminen kirjallisuudesta ja sen perusteella tehty tutkimussuunnitelma. Tutkimus voidaan keskittää bioindikaattorilajeihin ja selvimmin happamoitumista osoittavien kemiallisten ja biologisten piirteiden selvittelyyn. Ympäristössä tapahtuneiden muutosten kunnollinen selvittäminen edellyttää tutkimuskohteen olojen tuntemista ennen ympäristömuutosta, tai toisaalta tutkimustietoa vastaavan ekosysteemin normaalitilanteesta. Vain siten vertailu on mahdollista. Lajiesimerkkien mainitseminen on ansio. 5. Ravintoketjun ympäristömyrkyt Kaikki käsitteet liittyvät ympäristömyrkkyihin, niiden vaikutuksiin tai tutkimiseen. a. Kertyminen tarkoittaa ympäristössä olevien myrkkyjen kasaantumista jonkin eliön kudoksiin. Esim. raskasmetalleja (mm. kadmiumia) kertyy simpukoihin niiden suodattaessa vedestä ravintoa. b. Rikastuminen tarkoittaa ympäristössä olevien myrkkyjen kasaantumista eliöihin siten, että niiden pitoisuudet ovat sitä suurempia mitä pitemmälle ravintoketjuissa mennään. Esim. raskasmetalleja (mm. elohopeaa) rikastuu ravintoketjujen huippupetoihin (mm. muuttohaukkaan). c. Huippupeto on ravintoketjujen viimeinen lenkki, jolla ei ole saalistajia. Esim. merikotka, muuttohaukka, tiikeri ja suuri hauki ovat huippupetoja. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

110 6. Biopuhdistus (yo s-11) a. Kuvaajat 1 ja 4: typen ja fosforin määrät vedessä vähenevät, koska limaska käyttää niitä kasvuun ja valkuaisainetuotantoon. Kuvaaja 2: pikkulimaskan valkuaisainepitoisuuden voimakas lisääntymisen. Kuvaaja 3: limaskapopulaation määrällinen lisääntyminen, biomassan kasvu. b. Kuvaaja 1: typen määrä vedessä vähenee, jolloin levät eivät saa riittävää määrää kasvulleen välttämätöntä typpeä. Kuvaaja 4: myös fosforin määrän väheneminen vedessä rajoittaa levien kasvua. Pintakellujana pikkulimaska estää valon pääsyä veteen, jolloin levien yhteyttämistehokkuus heikkenee. c. Vesistöjen rehevöitymistä aiheuttavat typen ja fosforin lisääntyminen. Rehevöitymistä voidaan rajoittaa korjaamalla vedestä pois ravinteita itseensä rikastavaa, nopeasti kasvavaa pikkulimaskaa 7. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden muutokset a. Pohjoisen pallonpuoliskon syksyn ja talven aikana hiilidioksidin määrä ilmassa lisääntyy eliöiden, etenkin hajottajien, soluhengityksestä vapautuvasta hiilidioksidista. Keväällä ja kesällä hiilidioksidin määrä vähenee, kun kasvien yhteyttäminen lisääntyy ja ne sitovat hiiltä runsaasti ilmakehästä. b. Merkittävin seuraus on ilmakehän kasvihuoneilmiön voimistuminen, minkä seurauksena maapallon ilmasto lämpenee. c. Kasvillisuudella on käytössään enemmän hiilidioksidia, mikä tehostaa kasvua. Kasvillisuusvyöhykkeet ja biomit siirtyvät kohti viileämpiä alueita. Vastaavasti vuoristoissa vyöhykkeet siirtyvät ylöspäin. d. Eliöiden on muutettava ekolokeroaan eli osoitettaan (elinympäristöä) tai ammattiaan (elintoimintoja, käyttäytymistä, ravintoa ja sen hankintaa). Elleivät ne pysty sopeutumaan eli muuttamaan ekolokeroaan, niiden on siirryttävä muille alueille tai kuoltava pois. Muutos on useiden eliöiden kannalta kuitenkin aivan liian raju. Populaatiot eivät yleensä ehdi sopeutua geneettisesti muutokseen. Nopeasti lisääntyvät lajit, joilla on lyhyt sukupolvien väli, pystyvät siihen parhaiten. Tällaisia lajeja ovat esim. monet hyönteiset. Suurimmassa vaarassa ovat viileillä alueilla pohjoisessa (tundralla) sekä vuoristoissa vastaavilla korkeuksilla elävät lajit, koska niillä ei ole suojaalueita, mihin siirtyä pakoon. 8. Pienen järven ekosysteemi a. Puhdistamolta (pistekuormittaja) ja maatilan pelloilta (hajakuormitusta) voi valua ravinteita (typpeä ja fosforia) järveen. Myös peltojen muokkauksen takia maa-ainesten huuhtoutuminen joen kautta järveen lisääntyy. Maatilalla saatetaan käyttää myös torjunta-aineita. Moottoritieltä päätyy järveen raskasmetalleja (esim. lyijyä). Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

111 b. Fosfaatit ja typpiyhdisteet ovat vesiekosysteemeissä perustuotantoa rajoittavia minimitekijöitä. Seurauksena fosfaatti- ja typpipäästöistä on järven rehevöityminen, mikä ilmenee kasvillisuuden runsastumisena ja eloperäisen aineksen kertymisenä järven rannoille ja pohjaan. Hajottajaeliöt kuluttavat happea (biologinen hapenkulutus BHK). Talven aikana syntyy helposti jään alle happikatoja ja kalakuolemia. Maa-ainesten (multa, savi) huuhtoutuminen järveen samentaa vettä ja haittaa pohjakasvillisuuden ja kirkasta vettä vaativan eläimistön menestymistä. Torjunta-aineet ovat myrkkyjä, jotka vaikuttavat haitallisesti vesieliöstöön. Aineiden kertyminen ja rikastuminen saattavat aiheuttaa ravintopyramidien huipulla olevien lajien (esim. kalasääsken) taantumista. Myös lyijy on ympäristömyrkky, joka rikastuu järven ravintoketjuissa. Erityisesti pitkäikäiset yksilöt (petokalat) kärsivät. Petojen puuttuminen taas mahdollistaa saalispopulaatioiden liiallisen kasvun. +9. Tehtaan ympäristön jäkälät a. Malli graafisesta piirroksesta. HUOM! Älä käytä punaista kynää yokirjoituksissa. Se on varattu tarkistajille. koilliseen b. Tutkimuksessa käytettiin jäkäliä, koska ne ovat herkkiä rikkiyhdisteille ja sopivat sen vuoksi hyvin rikin ilmentäjiksi (bioindikaattoreiksi). Puhtaassa ilmassa jäkäliä on runsaasti ja ne ovat hyväkuntoisia, saastuneessa ilmassa jäkälien määrät vähenevät ja kunto huononee. Tuuli levitti rikkidioksidia eniten koilliseen. Siinä suunnassa jäkälien määrä pysyi alhaisena (5) vielä lähes 30 km päässä päästölähteestä. Sen sijaan lounaaseen päästöt eivät levinneet yhtä kauaksi. Noin 8 km asti rikkidioksidipitoisuudet ja jäkälien lajimäärät olivat melko samoja kuin koillisen suuntaan. Yli 10 km etäisyydellä lounaassa rikkimäärät vähenivät selvästi ja samalla jäkälin lajimäärät kasvoivat 14:ään. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

112 c. Teollisuusmelanismi tarkoittaa, että teollisuuden saastuttamilla alueilla tummat (melanistiset) yksilöt ovat yleisempiä kuin puhtailla alueilla. Ilmiö on luonnonvalinnan seurausta. Kun ilma on puhdasta ja puiden rungoilla runsaasti jäkälää, rungot ovat yleisväriltään vaaleita tai harmaita. Silloin suuntaava valinta suosii yöperhosten vaaleita muotoja, jotka lepäävät päivisin rungoilla suojaväriinsä luottaen. Sen sijaan tummat yksilöt joutuvat useammin lintujen syömiksi. Saastuneessa ilmassa jäkäliä on vähän ja puiden rungot ovat tummia. Silloin valinta suosii tummia, koska näillä on nyt parempi suojaväri lintuja vastaan. Vaaleat tulevat useimmin syödyiksi ja tummien osuus populaatiosta kasvaa Typen monivaiheinen kierto a. Eliöt tarvitsevat typpeä etenkin aminohappojen ja proteiinien rakennusaineeksi. b. Typpeä voi sitoutua kovassa kuumuudessa abioottisesti nitraateiksi esimerkiksi salamoinnin tuloksena. Biologinen typen sidonta tapahtuu mikrobien toimesta. Syanobakteerit ovat vesissä vapaina eläviä typen sitojia. Mm. hernekasvien juurinystyröissä elävät bakteerit ovat ns. symbionttisia typen sitojia. Niiden maahan tai veteen muodostamat nitraattiyhdisteet ovat kasveille käyttökelpoisia ja tärkeitä ravinteita. Eläimet saavat typpiyhdisteitä syömällä kasveja tai toisia eläimiä. c. Ihmisen ja kotieläinten ulosteissa ja virtsassa olevat typpiyhdisteet kuuluisi palauttaa peltoihin. Ne joutuvat kuitenkin joko suoraan tai vajaatehoisesti puhdistettuina (pistekuormituksena) vesistöihin. Vesiekosysteemissä typpi on minimitekijä ja sen määrän kasvu johtaa rehevöitymiseen. Myös pelloille ja metsiin levitettyjä typpilannoitteita huuhtoutuu vesiin (hajakuormituksena). d. Jätevedet tulisi puhdistaa poistamalla typpi. Viljelmille ei tulisi levittää keinolannoitteita vaan karjanlantaa. Lannoitteiden määrien tulisi olla kohtuullisia, koska ylimääräinen annos huuhtoutuu. Viljelytekniikkaa parantamalla voisi vähentää huuhtoutumista järveen. Suojavyöhykkeitä jättämällä voitaisiin valuntaa ja ravinteiden pääsyä veteen vähentää. Autojen pakokaasuja voitaisiin puhdistaa paremmalla tekniikalla. Fossiilisilla polttoaineilla kulkevista, saastuttavista autoista voitaisiin jossain vaiheessa luopua. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

113 +11. Fosfaattiyhdisteet (yo k-07) Soluissa ja eliöissä: Solujen tavallisin runsasenerginen yhdiste ATP (adenosiinitrifosfaatti). Nukleiinihapot (DNA ja RNA), joissa on fosfaatti-, sokeri- ja emäsosat. Perinnöllisen informaation säilyttäminen ja sen siirtäminen, proteiinisynteesi ja koko solun toiminta perustuvat nukleiinihappoihin. Solukalvoissa fosfolipidit, jotka koostuvat glyserolista, rasvahapoista ja fosfaatista. Luun perusrakenteena kollageenista muodostunut runko, johon on kertynyt kalsiumfosfaattia. Vesiekosysteemeissä: Viljelymaita ja metsiä lannoitetaan fosfaattilannoitteilla, jotta sadon mukana poistuvat ravinteet saadaan korvattua. Fosfaatti on tärkeimpiä kasviravinteita. Liika lannoitus johtaa ravinteiden pääsyyn pelloilta ojien kautta vesistöihin. Seurauksena rehevöityminen. Fosfaattia tulee vesistöihin myös hajakuormituksena tai puhdistamattomien asutus- tai teollisuus jätevesien mukana. Myös kalankasvatuksessa veteen pääsee runsaasti ravinteita, myös fosfaatteja. Fosfaatit ovat vesiekosysteemeissä perustuottajien (syanobakteerit, levät, vesikasvit) kasvua rajoittava minimitekijä. Vesistöihin valuva fosfaatti kiihdyttää kasvimassan lisääntymistä ja aiheuttaa rehevöitymistä. Rehevöityminen johtaa vesistön umpeenkasvuun, veden samenemiseen, sinileväkukintaan ja voi johtaa talvella happikatoon ja kalakuolemiin. Happikatotilanteessa pohjalietteeseen saostunut fosfaatti alkaa liueta veteen ja järvi lannoittaa itse itseään (sisäinen kuormitus) Bioindikaattorit (yo k-08) Bioindikaattorilajit Positiivinen tai negatiivinen riippuvuus abioottisesta ympäristötekijästä, johon ihmisen toiminta vaikuttaa. Selvärajainen sietoalue ja reagointi muutoksiin herkkää. Niiden runsauden tai puuttumisen perusteella voidaan tehdä päätelmiä ympäristön tilasta. Ilman laadun muutosten bioindikaattorit: Havupuut: Neulasten vahakerros syöpyy happaman sateen ja kuivalaskeuman vaikutuksesta, neulaset kuivuvat, kellastuvat ja varisevat ennenaikaisesti. Juuristo vaurioituu ja veden ja ravinteiden saanti häiriintyvät. Puut harsuuntuvat (monistressioireet). Puiden runkojäkälät: Alttiita saastukkeille imiessään kosteutta ja ravinteita ilmasta ympäri vuoden. Jäkälien ulkonäkö kärsii. Voivat hävitä kokonaan (esim. naavat ja lupot), seurauksena jäkäläautio. Poikkeuksena on ilman typestä hyötyvä sormipaisukarve. Eräät perhoslajit: Runsaiden noki- ym. kiinteiden hiukkasten likaamissa elinympäristöissä on yöperhosten (mm. eräiden mittareiden ja yökkösten) tummuutta tuottavalla geeniperimällä valintaetu lintujen valikoivan saalistuksen kohdistuessa vaaleisiin yksilöihin. Ilmiö on nimeltään teollisuusmelanismi. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

114 Eräät huippupedot: Kaukolaskeutuneita tai paikallisia ympäristömyrkkyjä (mm. Hg, Pb, Cd ja DDT) rikastuu huippupetoihin (esim. merikotkaan, muuttohaukkaan, hylkeisiin). Seurauksena näillä hermosto- ja lisääntymishäiriöt. Vesien happamoitumisen bioindikaattorit: Hapan sade alentaa sekä veden että maaperän ph:ta. Happamoituneesta maaperästä veteen liukenevaa alumiinia huuhtoutuu vesiin. Happamoitumisen seurauksena tietyt eliölajit kärsivät/häviävät vesistä kokonaan: Kalojen nuoruusasteet kuolevat alumiinin limoittaessa kidukset. Herkimpinä lajeina lohikalat ja särki häviävät ensimmäisinä. Kalkkikuoriset lajit (äyriäiset, simpukat, kotilot) häviävät kuoren rakennusaineen puutteeseen. Plankton ja hajottajamikrobit kuolevat, vesi kirkastuu. Rahkasammal hyötyy ja runsastuu pohjalla. Vesistöjen rehevöitymisen bioindikaattorit: Rehevöitymistä aiheuttavat vesistöihin valuma- ja jätevesien (haja- ja pistekuormituksen) mukana kulkeutuvat ravinteet. Rehevöitymistä runsastumalla ilmentävät: - Syanobakteerit ( sinileväkukinta ) ja planktonlevät. - Ilmaversoiset sekä kelluslehtiset vesikasvit hyötyvät ravinteista. - Särkikalat: vedessä runsaasti planktonravintoa, - Aerobiset hajottajat: hajotettavaa orgaanista ainesta paljon; happea kuluu, happikato mahdollinen. - Anaerobiset hajottajat saavat vallan hapen loputtua Kertyy metaania, ammoniakkia, rikkivetyä kertyy veteen. Eliöyhteisö voi kuolla. Ilmansuojelutoimilla, mm. päästörajoituksilla, on ollut ilman laatua parantava vaikutus, mitä indikaattorit myös voivat ilmentää: havupuiden ja runkojäkälien kunto on kohentunut, perhosten tummat muodot ovat vähentyneet sekä petolintukannat elpyneet. Myös vesiensuojelutoimilla on ollut positiivisia vaikutuksia. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

115 +13. Säteilyn vaikutuksia (yo s-12) Lyhytaaltoinen säteily tarkoittaa näkyvää valoa lyhytaaltoisempaa säteilyä, kuten UV-, röntgen- ja γ-säteily (sekä hiukkassäteily, kuten α ja β). UV-säteilyä lukuun ottamatta mainitut säteilyt ovat ionisoivia; ne muuttavat kohtaamansa aineen sähköisesti varautuneeksi. Lyhytaaltoista säteilyä tulee auringosta ja kallioperästä sekä ihmisen toimesta radioaktiivisena säteilynä ydinenergiaa tuotettaessa ja mm. röntgensäteilynä lääketieteen ja teknologian yhteydessä. Kaikelle lyhytaaltosäteilylle ominaista on läpitunkevuus. Ihmisen solurakenteet, erityisesti DNA, ovat herkkiä lyhytaaltoiselle säteilylle, ja muutokset voivat olla kohtalokkaita. Toisaalta spontaanit mutaatiot tuottavat uusia alleeleja ja mahdollistavat näin evoluution. Ionisoivan säteilyn lähteet: Radioaktiivinen säteily on peräisin alkuaineiden radioaktiivisista isotoopeista, joita on kallioperässä luonnossa. Niiden hajotessa syntyy edelleen radioaktiivisia isotooppeja, kuten cesiumia (137Cs), strontiumia (90 Sr) ja jodia (131 I). Myös avaruudesta tulee jonkin verran radioaktiivista taustasäteilyä. Radioaktiivinen säteily vaikuttaa sitä voimakkaammin mitä suuremman säteilyannoksen saa. Vähäinenkin säteily voi vaikuttaa haitallisesti pitkän ajan kuluessa. Suomessa maa- ja kallioperässä on paikoin radonia, jota syntyy luonnossa uraanin hajotessa. - Radonkaasua voi olla porakaivojen vedessä ja rakennusten huoneilmassa. Suomalaisiin kohdistuvasta radioaktiivisesta säteilystä noin puolet on peräisin radonista. Energiateollisuudessa uraanin käyttö ei täysin kontrolloiduissa oloissa aiheuta radioaktiivisia päästöjä. On lukuisia esimerkkejä katastrofeista (mm. Tshernobyl 1986 ja Fukushima 2011). Ionisoivan säteilyn vaikutuksia: Välittömiä muutoksia, kuten iho- ja muina kudosvaurioita. Herkimpiä säteilylle ovat jakautuvat solut, kuten sukusolut ja niiden esivaiheet. Sikiövauriot ja kehitysvammaisten lasten syntyminen ovat seurauksia. Solujen DNA:han kohdistuvat vauriot voivat aiheuttaa niiden muuttumisen syöpäsoluiksi. Pitkäaikaisin ja vakavin vaikutus on perimään kohdistuvien muutosten aiheuttama geneettinen taakka populaatiossa. Perimän muutoksien aiheuttamien sikiövaurioiden, kasvainten ja kehitysvammojen mahdollisuus sekä syöpäalttius säilyvät kauan tulevissa sukupolvissa. Solutasolla säteily saa aikaan mutaation: DNA-molekyylisidosten katkeamisen ja siten sen rakenteen muutoksen. Solun entsyymit pystyvät korjaamaan osan muutoksista. Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

116 Radioaktiiviset aineet säilyvät ekosysteemissä pitkään. Radioaktiiviset isotoopit rikastuvat ravintoketjussa, koska ne eivät hajoa normaalissa aineenvaihdunnassa. Tshernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen mm. Suomessa on edelleen havaittu merkittäviä cesiumin radioaktiivisen isotoopin pitoisuuksia etenkin Lapin eliöstössä. Fukushiman onnettomuuden jälkeen laajat alueet voimalan ympäristössä on pitkiksi ajoiksi evakuoitu ja elintarvikkeiden tuotanto lopetettu. UV-säteily: Auringosta tuleva UV-säteily voidaan jakaa A-, B- ja C-tyypeiksi. Eliöille on kehittynyt luonnonvalinnan tuloksena suojamekanismeja liiallista säteilyä vastaan: kitiini ja sarveisaineet sekä esim. ihmisen ihon pigmenttisolujen tummuminen. UVA on pitkäaaltoisinta eikä siten kovin vaarallista. Sen sijaan UVB aiheuttaa muutoksia solurakenteissa ionisoivan säteilyn tapaan. Muutokset voivat olla mutageenisiä tai proteiineihin kohdistuvia. Ihmisillä runsas UV-säteily saattaa aiheuttaa ihosyövän (melanooman). Riski on suurin vaaleaihoisilla ja toistuva ihon palaminen lisää riskiä. UV-säteilyn haitallisuus perustuu happimolekyylejä rikkovaan vaikutukseen: syntyy ns. happiradikaaleja, jotka reagoivat herkästi lipidien kanssa aiheuttaen solukalvon toimintahäiriöitä. UV-säteily on pieneltä osin hyödyllistä ihmiselle, koska sen vaikutuksesta ihossa muodostuu D-vitamiinia. Kasveilla UVB vaurioittaa viherhiukkasia ja siten yhteyttämisteho heikkenee. Ilmiöllä on globaaleja vaikutuksia hiilidioksiditasapainoon (metsien ja merten planktonin muodostamat hiilinielut vähenevät) sekä ravinnontuotantoon. UV-säteilyn haitat ovat pahimpia ohutihoisilla eläimillä kuten kalanpoikasilla ja sammakoilla, joiden määrän dramaattisen pienenemisen katsotaan johtuvan lisääntyneestä UV-säteilystä. Monet eläimet voivat aistia UV-säteilyä (myyrien virtsa, mesiviitat). Jakso Ekologia ja ympäristöekologia

117 17 Ihminen pystyy sopeutumaan monenlaisiin olosuhteisiin 1. Kuuloaistimuksen syntyminen a. Täydennä taulukkoon kohdat 1 7. Korvan osa Merkitys kuuloaistimuksen synnyssä Korvalehti 1. Kerää ääniaallot. 2. Korvakäytävä Ääniaallot siirtyvät ilmassa eteenpäin Tärykalvo 3. Ääniaallot saavat värähtelemään. Ääniaallot muuttuvat mekaaniseksi 4. Kuuloluut värähtelyksi. 5. Kuuloaistinsolut, ns. karvasolut sijaitsevat simpukassa. Luissa tapahtuva mekaaninen värähtely siirtyy simpukan kolmen pituussuuntaisen käytävän nesteeseen. Karvasolut sijaitsevat Simpukka keskimmäisenä olevassa simpukkatiehyessä tyvilevyyn kiinnittyneinä. Ne ärtyvät, kun karvat osuvat niiden yläpuolella olevaan katekalvoon ja samalla taipuvat tyvilevyn liikahdellessa nesteen värähtelyn tahdissa. 6. Ottaa vastaan karvasoluissa syntyneet impulssit ja siirtää ne Kuulohermo edelleen isoaivokuoren ohimolohkoissa sijaitseville kuuloalueilla. 7. Isoaivojen kuuloalue. Kuuloaistimus syntyy b. A. Tärykalvo on normaalitilassa. B. Kun noustaan korkealle. Esimerkiksi lentokoneen noustessa tai noustaan autolla vuoren rinnettä ylös, paine ulkokorvassa laskee. Tärykalvo pullistuu ulospäin. Tärykalvo voi pullistua ulospäin myös välikorvan tulehduksessa, kun välikorvaan kertyy bakteerien eritteitä. C. Kun lentokone laskeutuu tai tullaan vuorenrinnettä alaspäin, paineen nousu ulkokorvassa saa tärykalvon pullistumaan sisäänpäin. c. Painetta tasaava korvatorvi on tukossa, jolloin lisääntyvä paine tuntuu kipuna. Jakso Ihmisen biologia

118 2. Sauva- ja tappisolujen toiminta sekä näköaistin ongelmia a. Sauvasolujen avulla nähdään hämärässä ja tappisolujen avulla kirkkaassa valossa. Molemmissa soluissa valo vaikuttaa vastaanottavaan reseptoriproteiiniin, näköpigmenttiin, joka hajoaa valon vaikutuksesta aiheuttaen aivoihin kulkevan hermoimpulssin. Aistinsolusta hermoimpulssi siirtyy ensin välittäviin hermosoluihin ja edelleen näköhermosoluihin, jotka välittävät impulssin isoaivojen näköalueelle. Värien näkeminen perustuu siihen, että tappisoluja on kolmea eri tyyppiä. Ne ovat herkkiä joko siniselle, vihreälle tai punaiselle valolle (eri aallonpituudelle). Eri tappisolutyyppien aallonpituusalueet menevät päällekkäin. Tietty aallonpituusalue ärsyttää eri tappityyppejä tietyssä suhteessa. Aivot saavat yhteisvaikutuksesta impulssin ja vertaavat eri tappien aktivoitumisastetta, minkä perusteella pystytään erottamaan suuri määrä värisävyjä. b. Vain tappisolut pystyvät reagoimaan väreihin, mutta ne toimivat ainoastaan kirkkaassa valossa. Hämärässä toimivat vain sauvasolut, joten aistimus on mustavalkoinen. c. Keltatäplä sijaitsee verkkokalvon keskellä ja sen alueella on suurin osa tappisoluista. Sen keskellä olevassa keskikuopassa on vain tappisoluja. Keskikuopassa on suurin näkötarkkuus. Sokeatäplä on kohta, josta lähtee näköhermo. Sen alueella ei ole lainkaan aistinsoluja. d. 1. Silmä on likitaittoinen. Silmämuna on liian pitkä, ja siksi kaukana olevien kohteiden kuvat tarkentuvat verkkokalvon eteen. Virhe voidaan korjata koverilla (miinus) linsseillä. 2. Silmä on kaukotaittoinen. Silmämuna on liian lyhyt, jolloin lähellä olevista kohteista muodostuu kuva verkkokalvon taakse. Virhe voidaan korjata kuperilla (plus) linsseillä. 3. Punavihersokeus johtuu siitä, että henkilöltä puuttuvat puna- tai viherherkät tappisolut tai ne eivät toimi kunnolla. Punavihersokeus on perinnöllinen ominaisuus. Siihen vaikuttava geeni sijaitsee X- kromosomissa ja punavihersokeuden aiheuttava alleeli on resessiivinen. Mies on punavihersokea, kun hän on perinyt alleelin X-kromosomissa äidiltään. Nainen on punavihersokea, kun hän on perinyt alleelin kummaltakin vanhemmaltaan. Punavihersokeutta ei voida korjata. Jakso Ihmisen biologia

119 3. Elimistön puolustautumiseen liittyvät käsitteet a. Immuniteetti eli elimistön vastustuskyky. Fysiologinen puolustusjärjestelmä, jonka avulla elimistö puolustautuu mikrobeja ja vieraita molekyylejä sekä soluja vastaan. Siihen kuuluvat synnynnäinen eli epäspesifinen ja hankittu eli spesifinen immuniteetti. b. Antigeeni. Aine, joka käynnistää hankitun immuniteettireaktion. Ne ovat yleensä proteiineja tai polysakkarideja, joita esiintyy esimerkiksi bakteerien tai virusten pintarakenteissa. c. Immuunivaste. Valkosolujen puolustusreaktio elimistöön tunkeutuneita antigeenejä vastaan. d. Hankittu immuniteetti. Immuniteetti, joka perustuu spesifisten vastaaineiden ja muistisolujen säilymiseen ensimmäisen tartunnan jälkeen. Hankittu immuniteetti kehittyy syntymän jälkeen ihmisen elinympäristön mukaan. e. Synnynnäinen immuniteetti. Peritty immuniteetti. Elimistö reagoi aikaisemmin kohtaamiinsa ja uusiin taudinaiheuttajiin samalla tavalla. f. Vasta-aine. Immuunijärjestelmän B-imusolujen tuottama proteiinimolekyyli, joka on spesifisesti muodostunut tiettyä elimistölle vierasta ainetta, antigeeniä, vastaan. 4. Ihminen on tasalämpöinen eläin (yo s-11) Tasalämpöisyydellä tarkoitetaan eläimen (linnut ja nisäkkäät) kykyä pitää ruumiinlämpönsä tietyllä tasolla (ihmisellä 37 C) riippumatta ympäristön lämpötilasta. Se perustuu hermoston ja hormonien avulla tapahtuvaan lämmönsäätelyyn. Ihossa ja sisäelimissä sijaitsevat lämpimän- ja kylmänreseptorit välittävät hypotalamukselle tietoa ihon, veren ja elimistön lämpötilasta. Hypotalamus säätelee autonomisen hermoston avulla ihon verenkiertoa sekä maksan ja lihasten lämmöntuottoa. Se käynnistää tietojen perusteella mekanismit, joiden avulla elimistö tuottaa lisää lämpöenergiaa tai vähentää lämmönhukkaa. Kuumassa ilmassa elimistö lämpenee sekä ulkopuolelta tulevasta lämpösäteilystä että lihasten tuottamasta lämmöstä. Hypotalamus alkaa toimia siten, että lämmön poistuminen tehostuu, ihon pienet valtimot ja hiussuonet laajenevat, jolloin verta ohjautuu runsaasti iholle ja lämpöä poistuu säteilemällä. Hikoilu voimistuu. Jos ilmasto on kostea, hikoiltu vesi ei haihdu tehokkaasti. Tällöin sydämen syke nopeutuu, koska iholle ohjautuu paljon verta, mutta aivoille ja lihaksille on kuljetettava riittävästi happea ja glukoosia. Jos aivojen hapen saanti vaikeutuu, seurauksena on pahoinvointia ja uupumusta, pahimmassa tapauksessa lämpöhalvaus eli lämmönsäätelyn pettämisestä johtuva tajuttomuus. Kylmässä hypotalamus käynnistää mekanismit, jotka vähentävät lämmönhukkaa ja tehostavat lämmöntuottoa. Ihon pikkuvaltimot ja hiussuonet supistuvat, jolloin veri kuljettaa vähemmän lämpöä iholle. Liikkumisen vaikutuksesta lihasten lämmöntuotto tehostuu. Paikallaan ollessakin lihasjännitys kasvaa ja alkaa esiintyä tahattomia vilunväristyksiä. Myös ihonalainen rasvakerros vähentää lämmönhukkaa. Jakso Ihmisen biologia

120 Kun elimistön lämpötila pysyy vakaana, solut toimivat koko ajan normaalisti. Ihminen pystyy liikkumaan tehokkaasti, sopeutumaan ja reagoimaan. Lämpötilan pysyminen vakaana on osa homeostasiaa. Kuumeessa ihmisen ruumiinlämpö on yli 37 C. Kuumeen avulla elimistö yrittää tuhota tauteja aiheuttavia mikrobeja. Kuumeessa sydämen syke ja hengitys nopeutuvat sekä muut elintoiminnot vilkastuvat. Entsyymien optimilämpötila on 37 C, joten ruumiinlämmön nousu hidastaa niiden toimintaa. Lopulta tulee kouristuksia ja palautumattomia aivomuutoksia. Hengenvaarallinen ruumiinlämpö on C. Kehon ääriosien, kuten käsien ja jalkojen lämpötilan laskeminen voi aiheuttaa tunnottomuutta ja paleltumavammoja. Jos koko kehon lämpötila laskee liikaa, seurauksena on hypotermia, jolloin ihminen tulee uniseksi, aloitekyvyttömäksi, menettää tajuntansa ja pahimmillaan kuolee. 5. Elimistön puolustautuminen viruksia vastaan (yo k-11) Kun sikainfluenssavirus tunkeutuu elimistöön ensimmäisen kerran, B- solu tunnistaa sen viruksen pintaproteiinien perusteella. Immuunivasteen aiheuttavia aineita kutsutaan antigeeneiksi. B-solut jakautuvat ja erikoistuvat plasmasoluiksi, jotka tuottavat vastaaineita. T-imusoluista syntyy T-auttajasoluja ja T-tappajasoluja. T-auttajasolut osallistuvat puolustukseen saatuaan viestin B-soluilta. T-auttajasolut tuottavat viestiaineita, jotka lisäävät imusolujen jakautumista ja erilaistumista plasmasoluiksi sekä tehostavat makrofagien solusyöntiä. Ensimmäisellä kerralla tehokkaan vasta-ainetuotannon käynnistäminen kestää noin viikon. Infektion jälkeen osa T ja B-soluista muuttuu muistisoluiksi, jotka käynnistävät puolustusjärjestelmän reaktiot nopeasti, jos samoja antigeenejä pääsee elimistöön uudelleen. Immuniteetin takia sama virus ei aiheuta sairautta toista kertaa. Jakso Ihmisen biologia

121 6. Virukset ja rokottaminen a. Rokotus perustuu elimistön immunologiseen muistiin. Rokotuksessa elimistöön ruiskutetaan tapettuja tai heikennettyjä taudinaiheuttajia tai niiden osia. Rokotuksen jälkeen elimistö alkaa tuottaa vasta-ainetta taudinaiheuttajaa vastaan ja syntyy muistisoluja. Elimistöön kehittyy immuniteetti kyseiselle sairaudelle. Vasta-aineen määrä veressä pysyy tasaisena. Kun samoja taudinaiheuttajia (tartunta) myöhemmin pääsee elimistöön, muistisolut tunnistavat ne nopeasti ja vasta-aineen tuotanto käynnistyy ja vasta-aineen määrä veressä nousee nopeasti. Immuniteettijärjestelmän toiminta tuhoaa taudinaiheuttajat nopeasti, eikä sairaus puhkea. b. Viruksella on proteiinikuori, joka mahdollistaa tunkeutumisen isäntäsoluun. Joillakin viruksilla on lisäksi vaippa, joka on peräisin isäntäsolun solukalvosta. Virukset ovat yleensä erittäin lajispesifisiä, tunnistavat isäntäsolun solukalvon sen pintarakenteen perusteella. Viruksen perintöaines on joko DNA:ta tai RNA:ta. Virus siirtää perintöaineksensa isäntäsoluun, viruksen DNA alkaa monistua isäntäsolussa, RNA muuttuu ensin käänteiskopioijaentsyymin avulla DNA:ksi, isäntäsolu alkaa tuottaa uusia viruksia. Syntyneet uudet virukset infektoivat tehokkaasti uusia soluja ja virusinfektio leviää. Viruksen perimä voi joskus jäädä piileskelemään isäntäsoluun, esimerkiksi Herpes simplex -virus voi ensimmäisen infektion jälkeen piileskellä hermosoluissa vuosikausia. Virusten nopea muuntelu perustuu mutaatioihin ja rekombinaatioon. Virus voi sisältää myös geenejä isäntäsolusta. Sekä virusinfektion torjunta että immuniteetti perustuvat kehon oman puolustusjärjestelmän toimintaan (T-solut). Rokotukset ovat saman mekanismin lääkesovelluksia. Virusten infektoimat solut pyrkivät torjumaan viruksia myös erittämillään interferoineilla, interferoneja käytetään nykyään virustautien torjunnassa. Ihmisen puolustusjärjestelmä ei ole ehtinyt sopeutua eläimestä ihmiseen siirtyneisiin virustauteihin (HIV, SARS, lintuinfluenssa). Virukset muuntuvat nopeasti, esim. influenssavirukset. Muuntelu vaikeuttaa rokotteiden kehittelyä. Ihmisten liikkuvuus nopeuttaa virustautien leviämistä ja maailmanlaajuiset epidemiat eli pandemiat tulleet yhä suuremmaksi uhaksi. c. Sairastuneen ihmisen elimistöön ruiskutetaan eläimessä tuotettua vastaainetta. Elimistöön ei jää pysyvää tietoa, koska seerumihoito ei aiheuta immuunivastetta. Vasta-ainetta joudutaan ruiskuttamaan uudelleen, mikäli henkilö sairastuu toisen kerran samaan sairauteen. Jakso Ihmisen biologia

122 7. Iho (yo k-07) Iho on ihmisen suurin elin ja sillä on useita tehtäviä: se suojaa, toimii aistimena, erityselimenä sekä lämmönsäätelijänä. Ihon kerrokset ovat: orvaskesi, verinahka ja ihonalaiskerros. Orvaskesi suojaa elimistöä haihtumiselta ja kuivumiselta. Orvaskesi on paksuinta voimakkaimmin kuluvissa kohdissa, kuten kämmenissä ja jalkapohjissa. Orvaskesi uusiutuu jatkuvasti. Pintakerroksen kuluessa tyvikerroksessa syntyy uusia soluja. Karvat ja kynnet ovat orvaskeden sarveistumia. Talirauhaset erittävät ihon pinnalle talia, joka sisältää rasvahappoja ja entsyymejä. Talirauhasten erite tekee ihosta vettä hylkivän ja notkean. Ehjä ja terve iho ei läpäise mikrobeja. Ihon pinnalla elää myös hyödyllisiä mikrobeja. Nämä mikrobit ja ihon happamuus estävät haitallisten bakteerien kasvun iholla. Iho suojaa sisäelimiä mekaanisilta vaurioilta. Orvaskeden alimmassa kerroksessa on haaraisia melanosyyttisoluja, jotka sisältävät melaniinia. Se antaa iholle värin ja suojaa ihoa liialliselta UVsäteilyltä, joka voi aiheuttaa ihosyöpää. Ihossa muodostaa auringon valon avulla D-vitamiinin esiastetta. Iho on tärkeä aistinelin, jolla aistitaan painetta, kosketusta, kipua sekä lämpötilan vaihteluja. Ympäristöstä tulevia ärsykkeitä aistitaan vapaiden hermonpäätteiden tai tuntoaistikerästen avulla. Ihon hikirauhaset, ihon verisuonet ja ihonalaiskudos osallistuvat lämmönsäätelyyn ja kuonaneritykseen. Hikirauhasten eritteessä on mm. vettä, suoloja, ammoniakkia ja virtsa-ainetta. Suuri osa kehon tuottamasta lämmöstä poistuu ihon kautta. Hikoilu lisää ihon jäähtymistä, sillä haihtumisessa poistuu lämpöenergiaa. Ihonalaiskudoksen rasva toimii lämmöneristeenä ja suojana. 8. Väittämiä (yo k-13) a. Antigeenit ovat yleensä proteiineja (esim. mikrobien pintaproteiinit), jotka käynnistävät vasta-aineiden tuotannon. b. Syöjäsolut vastaavat elimistön valikoimattomasta puolustuksesta. Ne tuhoavat kaikkia elimistöön päässeitä mikrobeja. Imusolut (T- ja B- imusolut) vastaavat valikoivasta puolustuksesta. c. Autoimmuunisairauksissa ( esim. tyypin 1 diabetes ja reuma) elimistön puolustusjärjestelmä voi tulkita elimistön omia soluja vieraiksi ja tuhota niitä. Puolustusjärjestelmän valkosolut tuhoavat myös syöpäsoluja ja virusten saastuttamia soluja. d. Rokotus perustuu elimistön immunologiseen muistiin. Rokotuksessa elimistöön ruiskutetaan tapettua tai heikennettyä taudinaiheuttajaa tai sen osaa. e. Veressä on valmiita vasta-aineita vain AB- veriryhmätekijöitä vastaan. Muut (esim. Rh- tekijän vasta-ainereaktio) syntyvät antigeenien vaikutuksesta. f. A- ja B- veriryhmiin kuuluvat vanhemmat voivat saada O- veriryhmään kuuluvan lapsen, jos kummatkin vanhemmat ovat genotyypiltään heterotsygoottisia, I A i ja I B i. Jakso Ihmisen biologia

123 9. Ihmisen suurin elin (yo s-10) 1. Iho 2. Orvaskesi 3. Marraskesi eli sarveiskerros 4. Apoptoosi 5. Verinahka 6. Sidekudosta 7. Melanosyytit (pigmenttisolut) 8. Ihosyöpä 9. D 10. Hikirauhasen 11. Talirauhasen 12. Sarveisainetta (keratiinia) UV-säteilyn vaikutukset ihmiseen a. Ultraviolettisäteily on aallonpituudeltaan ( nm) näkyvän valon ja röntgensäteilyn välissä olevaa sähkömagneettista säteilyä. UV-säteily jaetaan kolmeen ryhmään aallonpituuden mukaan, UVA-, UVB- ja UVC - säteilyyn. Lyhytaaltoisin UVC suodattuu pois ilmakehän otsonikerroksessa, samoin osa UVB:stä. b. Otsonikerroksen ohentuminen on lisännyt maapallolle tulevan UVsäteilyn määrää, lähinnä UVB-säteilyä, jonka määrä on noin 5 % maapallolle tulevasta UV-säteilystä. Ihmisen aiheuttamien päästöjen (esim. CFC-yhdisteet eli freonit ja halonit) takia otsonia on hajonnut nopeammin kuin uusia otsonimolekyylejä muodostui. c. UV-säteily vaikuttaa solujen DNA: n rakenteeseen aiheuttaen mutaatioita. Mutaatiot saattavat aiheuttaa syöpää (ihosyöpä). UV-säteily vaikuttaa solun proteiineihin, jolloin entsyymien tai kuljettajaproteiinien toiminta voi häiriintyä. UV-säteily vaurioittaa myös solujen kalvorakenteita. Ihmisen iho suojautuu UV-säteilyä vastaan orvaskeden melanosyyttisolujen tuottaman pigmentin avulla. Tämä ilmenee ihon ruskettumisena. UV-säteily on lisäksi tärkeää, koska sen vaikutuksesta iholla muodostuu kolesterolista D-vitamiinin esiastetta. d. Diagrammista nähdään, että UV-indeksi on Jokioisissa yli 3 seitsemän tunnin ajan eli klo Suurimmillaan UV-indeksin arvo Jokioisissa on 5,5. Välimeren maissa säteily on päivällä voimakkaampaa, korkeimmillaan UV-indeksin arvo Thessalonikissa on 9. Thessaloniki sijaitsee lähempänä päivätasaajaa kuin Jokioinen, joten sinne Auringon säteet tulevat kohtisuorempaan ja kulkevat lyhyemmän matkan ilmakehässä. Suojautumisaika (UV-indeksi yli 3) on Thessalonikissa kuitenkin melko sama kuin Jokioisissakin. Jakso Ihmisen biologia

124 e. 1. Mitä korkeammalla aurinko on, sitä enemmän maahan tulee UV-säteilyä. 2. Pilvettömänä päivänä UV-säteilyn määrä on suurempi kuin pilvisenä, mutta UVsäteily läpäisee pilvet helpommin kuin näkyvä valo. Pilviselläkin säällä voi siis altistua liialliselle säteilylle. Jopa 90 % UV-säteilystä läpäisee ohuen pilven. 3. UV-säteilyä heijastuu eri tavoin erilaisista pinnoista. Puhdas lumi heijastaa yli 80 % UV-säteilystä. 4. Keskipäivällä UV-säteilyä on eniten, (ks. diagrammi). 5. Rakennusten sisällä on suojassa UV-säteilyltä. 6. Vaatteet ja varjot suojaavat ihoa UV-säteilyltä. 7. Makuuasennossa oleva ihminen saa enemmän UV-säteilyä kuin pystyasennossa oleva. Esimerkiksi kävellessä ja leikkiessä iholle tulevan säteilyn määrä alenee. 8. Vesi suojaa UV-säteilyltä, mutta kirkkaassa vedessä puolen metrin syvyyteen tunkeutuu vielä 40 % UV-säteilystä, joten uidessakin altistuu UV-säteilylle Syövän synty, elimistön torjuntakeinot ja hoidot (yo k-10) 1. Syövän synty Syöpää aiheuttavat ulkoiset tekijät ovat karsinogeenejä Esimerkkejä karsinogeeneistä: ionisoiva säteily ( UVB- ja UVC- säteily, röntgensäteily, ydinsäteily, radon), eräät kemikaalit ja jotkin virukset Mutaatiot solun jakautumista säätelevissä geeneissä Esisyöpägeeni muuttuu syöpä- eli onkogeeniksi Solu muuttuu syöpäsoluksi Syöpäsolut eivät vastaanota muiden solujen viestejä ja niihin kehittyy verisuonia, joiden kautta solut saavat ravintoaineita ja happea Syöpäsolut jakautuvat nopeasti ja tunkeutuvat ympäröivään kudokseen, muodostavat syöpäkasvaimen. 2. Elimistön torjuntakeinot Korjaajaentsyymit. Apoptoosi eli ohjelmoitunut solukuolema. Immuniteettijärjestelmä tunnistaa ja tuhoaa syöpäsoluja. Interferonit. 3. Hoidot Leikkaukset. Sytostaatit eli solusalpaajat (estävät syöpäsolujen jakautumista). Sädehoito (tuhoaa jakautuvia soluja). Interferonihoidot. Kantasoluhoidot: vialliset solut tuhotaan ja korvataan terveillä. Täsmälääkkeet. Verisuonten kasvun estäminen. Jakso Ihmisen biologia

125 12. Näkökyvyn puutteita (yo s-13) a. b. c. d. X-kromosomissa periytyvän resessiivisen alleelin aiheuttama. Yleisempi miehillä kuin naisilla, koska miehen Y-kromosomista puuttuu vastinalleeli. Punavihersokea nainen on perinyt punavihersokeuden alleelin molemmilta vanhemmiltaan, punavihersokea mies on perinyt alleelin aina äidiltään. Silmän verkkokalvon punaiselle tai vihreälle valolle herkät tappisolut puuttuva tai ne eivät toimi normaalisti. Punaisen ja vihreän värisävyt eivät erotu normaalisti. Silmämuna on liian pitkä tai linssi on liian kupera. Kuva kohteesta ei muodostu terävänä verkkokalvolle vaan sen eteen. Sauvasolut ovat tuhoutuneet tai niissä ei muodostu näköpigmenttiä (rodopsiinia eli näköpurppuraa) riittävästi. Syynä voi olla A-vitamiinin puute. Silmän linssi on samentunut (aiheutuu linssin proteiinien denaturoitumisesta). Useimmiten iän mukana kehittyvä sairaus. Jakso Ihmisen biologia

126 18 Ihminen on toimiva kokonaisuus 1. Ravintoaineet a. Hiilihydraatteja elimistömme saa syömästämme ruuasta. Hyviä hiilihydraattilähteitä ovat viljatuotteet, kasvikset, hedelmät ja marjat. Hiilihydraatit pilkkoutuvat ruuansulatuselimistössä glukoosiksi. Glukoosi on tärkein solujen energialähde. Siitä vapautetaan energiaa solujen käyttöön soluhengityksessä. Ylimääräinen glukoosi varastoituu glykogeeninä lihas- ja maksasoluihin. b. Rasva-aineita eli lipidejä elimistömme saa ruuan sisältämistä kasvis- ja eläinrasvoista. Tyydyttymättömät kasvirasvat ovat ihmiselle terveellisempiä kuin tyydyttyneet eläinrasvat. Rasva-aineet pilkkoutuvat ruuansulatuselimistössä glyseroliksi ja rasvahapoiksi. Rasvoja elimistö käyttää energian tuottamiseen ja energiavarastoiksi. Rasvat ovat tärkeitä solukalvojen ja joidenkin hormonien rakenneosia. c. Proteiineja elimistömme saa pääasiassa kalasta, lihasta, siemenistä (esim. herneet, pavut ja maapähkinät) ja maitotuotteista. Ruuansulatuselimistössä proteiinit pilkkoutuvat aminohapoiksi. Aminohapoista rakennetaan proteiinisynteesissä elimistölle tarpeellisia proteiineja, kuten esimerkiksi entsyymit, varastoproteiinit, kuljetusproteiinit, suojaproteiinit, hormonit ja rakenneproteiinit. d. Hyviä C-vitamiinin lähteitä ovat marjat, vihannekset ja sitrushedelmät. C- vitamiini tehostaa immuunipuolustusta ja haavojen paranemista, toimii antioksidanttina, edistää raudan imeytymistä ja on tärkeä sidekudoksen hyvinvoinnille. C-vitamiini on vesiliukoinen vitamiini, jota on saatava ravinnossa päivittäin. K-vitamiinia ihmisen elimistössä valmistavat paksusuolessa elävät symbionttibakteerit. K-vitamiini on välttämätöntä veren hyytymisessä. Se myös muuttaa proteiineja sellaiseen muotoon, että ne kykenevät sitomaan kalsiumia. K-vitamiini on rasvaliukoinen vitamiini. Ravinnon D-vitamiinilähteitä ovat rasvaiset kalat, sienet, maitotuotteet ja kalanmaksaöljy. Auringon UV-säteily on välttämätöntä D-vitamiinin muodostumiselle. Sen vaikutuksesta iholla muodostuu kolesterolista D-vitamiinin esiastetta, joka muuttuu maksassa ja munuaisissa D-vitamiiniksi. D-vitamiini on välttämätöntä luuston ja hampaiden kehityksessä sekä kalsiumin imeytymisessä ja kiinnittymisessä luustoon. e. Rautaa elimistömme saa esimerkiksi punaisesta lihasta ja pinaatista. Rautaa tarvitaan punasolujen hemoglobiinin rakenneosaksi. Se on siis välttämätön kivennäisaine hapen kuljetuksessa. Rauta on myös joidenkin entsyymien rakenneosa. Natriumia ihminen saa lähinnä vain jalostetuista elintarvikkeista, koska niihin on lisätty ruokasuolaa (NaCl). Elimistön natriumin tarve on erittäin pieni ja elimistö säätelee munuaisten avulla sen pitoisuutta tarkasti. Natriumia tarvitaan hermosoluissa, joissa impulssin kulku perustuu natrium-ionien siirtymiseen solukalvon sisä- ja ulkopuolelle. Jakso Ihmisen biologia

127 f. Kuituja sisältävät muun muassa vihannekset, hedelmät ja täysjyväviljatuotteet. Kuidut ovat tärkeitä ruuansulatuselimistön toiminnalle. Ne lisäävät syljeneritystä ja saavat ruuansulatuselimistön toimimaan tehokkaammin. Kuitupitoinen ravinto ehkäisee ummetusta. Kuidut pystyvät sitomaan kolesterolia, jolloin sitä siirtyy pois elimistöstä. Kuidut auttavat myös pitämään veren sokeritasoa tasaisena. 2. Ruuansulatuselimistön rakenne ja toiminta a 1. Suu 2. Sylkirauhaset (korvasylkirauhanen, kielenalussylkirauhanen ja leuanalussylkirauhanen) 3. Ruokatorvi 4. Maha 5. Maksa 6. Sappirakko 7. Haima 8. Ohutsuoli 9. Paksusuoli 10. Umpilisäke 11. Peräsuoli 12. Peräaukko b. Mahassa rauhasten erittämä mahaneste, joka sisältää pepsiiniä ja suolahappoa, alkaa hajottaa proteiineja polypeptideiksi. Mahasta polypeptidit siirtyvät ruokasulan mukana ohutsuoleen, jonka etuosaan (pohjukaissuoleen) avautuu haimatiehyt. Haima erittää ruuansulatusentsyymejä (trypsiini, kymotrypsiini ja karboksipeptidaasi) sisältävää haimanestettä, joka jatkaa proteiinien hajotusta pilkkoen polypeptidejä peptideiksi. Ohutsuolen seinämän solut erittävät proteiineja pilkkovia entsyymejä, jotka hajottavat peptidit aminohapoiksi. Ohutsuolessa aminohapot imeytyvät nukkalisäkkeiden hiussuoniin. Suolen lihasten aiheuttama matamisliike kuljettaa ruokasulan ohutsuolesta paksusuoleen, jossa pääosa vedestä imeytyy takaisin elimistöön. c. Nukkalisäkkeet lisäävät ohutsuolen imeytymispinta-alaa. Nukkalisäkkeet eli mikrovillukset ovat ohutsuolen epiteeli- eli pintasoluista muodostuneita ulokkeita. Jokaisessa nukkalisäkkeessä on hiussuonia ja imusuoni. Ruuansulatuselimistössä hajotetut ravintoaineet siirtyvät nukkalisäkkeisiin ja niistä verenkieroon kuljetettaviksi solujen käyttöön. Aminohapot ja monosakkaridit siirtyvät avustetun diffuusion tai aktiivisen kuljetuksen avulla nukkalisäkkeiden soluihin ja niistä hiussuoniin avustetun diffuusion avulla. Rasvahapot ja glyseridit siirtyvät diffuusion avulla nukkalisäkkeen pintasoluihin solukalvon lipidikerroksen läpi. Sieltä ne siirtyvät imusuoniin. Jakso Ihmisen biologia

128 3. Veren kolesteroli (yo s-05) a. Kolesteroli on eläinkudoksissa yleinen rasva-aine eli lipidi. Se on mm. solujen kalvorakenteiden, steroidihormonien ja sapen rakennusaine. Maksalla on keskeinen merkitys elimistön kolesteroliaineenvaihdunnassa. Se valmistaa kolesterolia, joka siirtyy sappinesteen mukana ohutsuoleen ja imeytyy edelleen verenkiertoon. Koska kolesteroli on lipidi, se ei liukene veteen. Maksa valmistaakin niille kuljetusta helpottavan proteiinikuoren. Syntynyttä proteiini-lipidiyhdistelmää sanotaan lipoproteiiniksi. Lipoproteiineja on kahta tyyppiä: HDL (high density lipoprotein) ja LDL (low density lipoprotein). Jälkimmäiselle tyypillistä on takertuminen verisuonten seinämiin, minkä vuoksi sitä kutsutaan pahaksi kolesteroliksi. HDL puolestaan poistaa verestä kolesterolia maksaan, joten se vaikuttaa päinvastaisesti ja tunnetaan hyvänä kolesterolina. b. Veren korkea LDL-pitoisuus lisää valtimoiden ahtautumisriskiä ja voi aiheuttaa ns. valtimonkovetustaudin (ateroskleroosin). Sepelvaltimoissa ahtauma voi pahimmillaan aiheuttaa sydäninfarktin. Kokonaiskolesterolin määrä ei ole ratkaiseva, vaan HDL/LDL-suhde. Edullisin on suhteellisen korkea HDL- ja matala LDL-pitoisuus. Kokonaiskolesterolin suositusarvoksi on Suomessa asetettu 5 mmol/l. Sitä korkeampi kolesterolitaso lisää riskiä valtimonkovetustautiin. Korkea kolesterolitaso on osittain perinnöllinen ominaisuus. Ruokavaliolla voi vaikuttaa veren kolesterolitasoon: runsaasti kolesteroleja sisältävät mm. kananmunan keltuainen, kalan mäti ja eläinrasvat (tyydyttyneitä rasvoja). On olemassa myös kolesterolia alentavia terveysvaikutteisia elintarvikkeita, esimerkiksi ravintorasvoja ja maitotuotteita. Myös liikunnalla ja lääkityksellä pyritään alentamaan veren kolesterolitasoa. 4. Veren koostumus ja sairaudet (yo k-12) Ihmisessä on keskimäärin 5 litraa verta. Verestä on noin 55 % plasmaa ja noin 45 % verisoluja; punasoluja, valkosoluja ja verihiutaleita. Valkosolut jaetaan tuman ulkonäön ja soluliman jyvästen perusteella jyvässoluihin (neutrofiilit, eosinofiilit ja basofiilit), monosyytteihin ja lymfosyytteihin eli imusoluihin. Plasmasta suurin osa on vettä, jossa on esimerkiksi glukoosia, aminohappoja, rasva-aineita ja kivennäisaineita, hiilidioksidia, ureaa ja muita kuona-aineita, hormoneja sekä plasmaproteiineja (fibrinogeeni, albumiinit, globuliinit, lipoproteiinit ym.). Plasma vastaa väkevyydeltään 0,9 prosenttista suolaliuosta. Anemia: Punasolujen määrä tai niiden sisältämän hemoglobiinin määrä on liian pieni. Seurauksena on alentunut hapenkuljetuskyky. Anemian syitä ovat esimerkiksi riittämätön raudan saanti ravinnosta tai raudan imeytymishäiriö. Sirppisoluanemia on perinnöllinen sairaus, jonka aiheuttava alleeli on resessiivinen. Sirppisoluanemiassa punasolut ovat sirpinmuotoisia. Tästä johtuen ne eivät pysty kuljettamaan happea yhtä tehokkaasti kuin normaalit punasolut. Jakso Ihmisen biologia

129 Leukemia: Leukemiassa eli verisyövässä valkosolumuodostus luuytimessä on häiriintynyt. Valkosolut tai niiden esiasteet lisääntyvät runsaasti. Hemofilia: Hemofilia eli verenvuototauti johtuu tietyn hyytymistekijän puuttumisesta, josta on seurauksena se, ettei veri hyydy eikä verenvuoto haavasta lopu. Sairauden aiheuttaa resessiivinen X-kromosomissa sijaitseva alleeli. Periytymistavasta johtuen tauti on yleisempää miehillä kuin naisilla. 5. Verenkierto ja elintoiminnot (yo k-03) a. Verenkiertoelimistö kuljettaa ravintoaineita ruoansulatuselimistöstä kudoksiin. Ruuansulatuksessa entsyymit hajottavat suurimolekyyliset ravintoaineet (hiilihydraatit, proteiinit, lipidit) pienimolekyylisiksi, jotta ne pystyvät siirtymään ohutsuolesta verenkiertoon. Veriplasmasta ravintoaineet siirtyvät kudoksiin solujen rakennusaineiksi ja energianlähteeksi. b. Verenkiertoelimistö kuljettaa soluhengityksessä tarvittavan hapen ja siinä syntyvän hiilidioksidin kudoksista keuhkoihin ja päinvastoin. Sisään hengityksessä happipitoista ilmaa tulee hengitysteitä pitkin keuhkorakkuloihin. Sekä keuhkorakkuloiden että niitä ympäröivien hiussuonien ohut, yksikerroksinen epiteeli mahdollistavat kaasujen vaihdon (diffuusio). Keuhkorakkuloiden ilmasta happi siirtyy hiussuonien vereen ja sitoutuu punasolujen hemoglobiiniin. Kudoksissa syntynyt hiilidioksidi kulkee veressä keuhkojen hiussuoniin ja niistä keuhkorakkuloihin sekä lopulta uloshengityksessä pois elimistöstä. Keuhkoista hapekas veri siirtyy keuhkolaskimoita myöten sydämen kautta muihin valtimoihin. Valtimohiussuonien punasolut luovuttavat hapen kudosten mitokondrioissa tapahtuvaan soluhengitykseen. 6. Munuaisen toiminta a. Piirretyssä nefronissa tulee olla seuraavat rakenteet: 1. viejävaltimo 2. tuojavaltimo 3. munuaiskeränen 4. kotelo 5. munuaistiehyt 6. kokoojaputki 7. laskimo b. A. Suodatus: Veriplasmaa suodattuu koteloon = alkuvirtsa (noin 180 l/vuorokausi), koteloon suodattuu sekä kuona-aineita että elimistölle hyödyllisiä aineita. Verisolut ja suurimolekyyliset proteiinit eivät suodatu. B. Takaisinimeytyminen: Vettä ja hyödylliset aineet (glukoosi, aminohapot, lipidit, natrium- ja kaliumionit), mutta myös rasvaliukoiset ympäristömyrkyt ja alkoholi, imeytyvät takaisin verenkiertoon. Noin 99 % alkuvirtsasta imeytyy takaisin verenkiertoon. C. Aktiivinen eritys: Munuaistiehyisiin siirtyy aineita aktiivisesti erittymällä, esim. hormoneita, lääkeaineita ja elintarvikkeiden lisäaineita, Eritetyt aineet poistuvat elimistöstä virtsan mukana. Jakso Ihmisen biologia

130 c. Hypotalamus rekisteröi veren väkevyyden muutoksia. Kun veren väkevyys nousee (veren vesimäärä on pieni), hypotalamuksesta erittyy virtsan eritystä vähentävää antidiureettista hormonia. Sen seurauksena virtsan eritys vähenee. Hypotalamuksen janokeskus saa aikaan janon tunteen. Veren vesipitoisuuden noustessa antidiureettisen hormonin eritys vähenee. Munuaiset erittävät runsaasti laimeaa virtsaa. 7. Ihmisen solutyyppien vertailu (yo s-12) Solutyyppi Luustolihasol u Punasolu Munasolu Mitokondrioiden määrä A. Paljon, koska solut tarvitsevat runsaasti energiaa B. Ei mitokondrioita C. Paljon, koska solu on suurikokoinen Tumien määrä Hermostollinen tai hormonaalinen säätelytekijä ja sen vaikutus D. Useita G. Asetyylikoliini (välittäjäaine), supistuminen E. Ei tumaa H. Erytropoietiini (EPO), lisää punasolujen tuotantoa F. Yksi I. FSH ja LH, Munasolun kypsyminen ja ovulaatio Uusiutumiskyky J. Heikko tai ei ollenkaan K. Syntyy luuytimessä, punasolun elinikä on noin 120 vrk L. Poistuu munasarjasta ovulaatiossa, ei uusiudu 8. Ruuansulatusentsyymit Entsyymi Amylaasi Hajotettava Erityspaikka ravintoaine Polysakkaridit Sylkirauhaset, haima Vaikutuksen kohde Suu, ohutsuoli Lopputuote Disakkaridit, monosakkari dit Peptidit Pepsiini Proteiinit Mahan seinämän solut Maha Lipaasi Lipidit Haima Ohutsuoli Rasvahapot ja glyseroli Trypsiini Proteiinit Haima Ohutsuoli Peptidit, aminohapot Nukleaasi Laktaasi Nukleiinihapo t (RNA ja DNA) Maitosokeri (laktoosi) Haima Ohutsuoli Nukleotidit Ohutsuolen seinämän solut Ohutsuoli Glukoosi Jakso Ihmisen biologia

131 9. Virtsan muodostuminen ja koostumus (yo k-10) Ureaa eli virtsa-ainetta syntyy maksassa, kun aminohapot hajoavat. Urea kulkeutuu veren mukana munuaisiin. Munuaisten toiminnallisia yksiköitä ovat nefronit, joihin kuuluvat munuaiskeränen (muodostuu kotelosta ja hiussuonikeräsestä) ja munuaistiehyt. Nefronin toiminta: suodattuminen, takaisinimeytyminen ja aktiivinen eritys. Hiussuonikeräsestä suodattuu veriplasmaa koteloon (alkuvirtsaa noin 180 l/vrk). Munuaistiehyissä alkuvirtsasta imeytyy takaisin verenkiertoon hyödyllisiä aineita (glukoosia, aminohappoja, kalium- ja natriumioneja) ja vettä. Munuaistiehyistä virtsa siirtyy kokoojaputkiin ja niistä munuaisaltaaseen ja sieltä edelleen virtsanjohtimia pitkin virtsarakkoon. Virtsan koostumus: vettä (noin 95 %), virtsa-ainetta eli ureaa, muita typpipitoisia aineita (kreatiinia, virtsahappoa ja ammoniumia), suoloja (natrium- ja kaliumioneja). - Virtsa saattaa sisältää lisäksi glukoosia (diabetes), hormoneja, bakteereja, valkosoluja, lääkkeitä ja huumeita. - Maaperässä bakteerit hajottavat virtsan typpiyhdisteet ammoniumioneiksi ja nitriiteiksi ja edelleen nitraateiksi. - Kasvit (ravintoketjun tuottajat) ottavat maaperästä ammoniumtai nitraatti-ioneja ravinteikseen. - Jos maaperässä ei ole happea, typpiyhdisteistä syntyy typpikaasua ja typpidioksidia. 10. Maksan toiminta Maksalla on monia tehtäviä. Kaikki aineet, jotka imeytyvät vereen ruuansulatuselimistöstä, kulkevat maksan läpi. Maksa hajottaa elimistölle haitallisia ja tarpeettomia aineita. Maksan solut muuttavat joitakin aineita vaarattomampaan muotoon muuttamalla niitä vesiliukoisiksi, jolloin munuaiset pystyvät poistamaan ne virtsan mukana. Aineita (esim. raskasmetallit), joita maksa ei pysty käsittelemään, varastoituu maksaan. Maksan soluissa etanoli muutetaan ensin asetaldehydiksi ja siitä vaarattomaksi etikkahapoksi. Pitkäaikainen runsas alkoholin käyttö vaurioittaa maksakudosta. Maksa valmistaa sappinestettä, hiilihydraateista rasvoja sekä maitohaposta ja aminohapoista glukoosia. Insuliinin vaikutuksesta glukoosia muutetaan glykogeeniksi, jota varastoituu maksaan. Glukagoni puolestaan muuttaa glykogeenia glukoosiksi. Kun maksan glykogeenivarastot loppuvat, maksa muodostaa rasvoista ketoaineita energialähteeksi. Maksa valmistaa kolesterolia, johon liittyy kuljetusta varten lipoproteiineja (HDL ja LDL). Maksa varastoi rautaa, A- ja B 12 - vitamiinia. Maksalla on myös tärkeä merkitys lämmöntuottajana, koska sen aineenvaihduntareaktiot vapauttavat runsaasti lämpöä. Jakso Ihmisen biologia

132 11. Ravinnonkäyttö a. Ihmisen esi-isät ja -äidit liikkuivat huomattavasti enemmän kuin nykyihmiset. Ravintoa oli niukalti saatavilla ja sen hankkimiseen kului paljon energiaa. Silloin, kun ravintoa oli saatavilla, sitä oli syötävä mahdollisimman paljon. Kaikki mahdollinen ravinto pilkkoutuu ruuansulatuselimistössä ja hajotetut ravintoaineet siirtyvät verenkiertoon. Ihmisen ruuansulatuksen tehokas toiminta on ollut välttämätöntä ihmisen lajinkehityksen aikana, kun ravintoa on ollut saatavilla rajallinen määrä. Ihmisen elimistön kyky varastoida rasvaa oli kilpailuetu ja hengissä pysymisen edellytys. Mieltymys rasvoihin on ollut tärkeää eloonjäämisen kannalta. b. Ravinto on tärkeimpiä ihmisen terveyteen vaikuttavia tekijöitä. Terveellinen ravinto sisältää hiilihydraatteja, proteiineja ja rasvoja sekä vitamiineja ja hivenaineita riittävän määrän ja oikeissa suhteissa. Teollisuusmaiden ihmisten ruokavalio sisältää liikaa rasvoja ja hiilihydraatteja. Monet ruuat sisältävät ns. piilosokereita tai -rasvoja. Jos syöty ravinto sisältää energiaa enemmän kuin sitä tarvitaan, seurauksena on lihominen. Rasvaa varastoituu elimistöön ja myös ylimääräiset hiilihydraatit varastoituvat rasvoina. Lapsuuden aikainen ravitsemus vaikuttaa aikuisen rasvasolujen määrään. Rasvojen kertyminen elimistöön on osittain perinnöllistä ja aineenvaihdunnan teho on ihmisillä erilainen. c. Hermosto ja hormonit säätelevät sekä ruuansulatuskanavan toimintaa että nälän ja kylläisyyden tunnetta. Nälän ja kylläisyyden säätelykeskus on hypotalamus. Hypotalamus reagoi veren mukana sinne saapuneiden hormonien pitoisuuksiin. Osa hormoneista hillitsee ja osa lisää ruokahalua. Kylläisyyden tunteen lyhyen aikavälin säätelyssä on veren sokeripitoisuudella keskeinen merkitys. Kun veren sokeripitoisuus laskee, alamme tuntea nälkää. Kylläisyyttä välittävien hormonien toiminnassa saattaa olla perinnöllisiä eroja. Nälän ja kylläisyyden tunne voi häiriintyä. Tämä ilmenee esimerkiksi bulimiana tai anoreksiana. d. Ihmiset liikkuvat nykyään huomattavasti vähemmän kuin aiemmin, ei ole ainakaan pakko liikkua. Myös arkipäivän askareet ovat helpottuneet koneiden ansiosta. Energiantarve on vähentynyt ja ihmiset lihovat. Monet tavoittelevat elämässä helppoutta, ja tämä näkyy ravintotottumuksissakin. Syödään sitä, mitä saa helposti ja nopeasti popsittua, mutta ei useinkaan terveellisesti. Jakso Ihmisen biologia

133 12. Keliakia (yo s-12) a. Mikrovillukset ovat ohutsuolen seinämän sormimaisia ulokkeita. Ne lisäävät ohutsuolen ravintoaineiden imeytymispinta-alaa. b. Proteiinit pilkkoutuvat ruuansulatuselimistössä aminohapoiksi. Mahasta erittyvä pepsiini ja haimasta erittyvä trypsiini ja kymotrypiini pilkkovat proteiinit peptidi- ketjuiksi. Ohutsuolen peptidaasit ja proteaasit sekä haiman karpoksipepsidaasi pilkkovat peptidaasit aminohapoiksi. Aminohapot siirtyvät suolesta vereen helpotetun diffuusion tai aktiivisen kuljetuksen avulla. c. Syöjäsolut ovat valkosoluja (neutrofiilit ja makrofagit). Syöjäsolut muodostavat elimistön synnynnäisen puolustusjärjestelmän. Ne tuhoavat elimistöön päässeitä mikrobeja syömällä (fagotytoosi) niitä. Ne ottavat mikrobin sisäänsä ja hajottavat sen entsyymiensä avulla Aineenvaihdunnan tapahtumat (yo s-09) Hiilidioksidia, vettä ja lämpöä syntyy ihmisen soluissa soluhengityksessä. Siinä glukoosin sisältämä energia muutetaan soluille käyttökelpoiseen muotoon ATP- molekyylien sidosenergiaksi. Yhden glukoosimolekyylin sisältämästä energiasta ATP: tä syntyy noin 40 % ja loppu energia vapautuu lämpönä. Eniten lämpöä tuottavat sellaiset elimet, joiden aineenvaihdunta on vilkasta. Tällaisia elimiä ovat esimerkiksi maksa, lihakset ja aivot. Lämpöä kulkeutuu veriplasmassa kaikkialle elimistöön. Myös hiilidioksidin kuljetus tapahtuu suurimmaksi osaksi veriplasmassa. Typellisiä kuona-aineita syntyy proteiinien hajoamisessa. Niistä muodostuu maksassa virtsa-ainetta eli ureaa. Ihon kautta elimistöstä poistuu lämpöä ja vettä sekä hieman ureaa. Ihminen on tasalämpöinen. Jos ruumiinlämpö nousee liian korkeaksi, lämpöä poistuu ihon kautta, kun verisuonet laajenevat. Lämpöä poistuu myös hikirauhasten kautta. Niiden kautta erittyy hikeä, joka sisältää vettä ja ureaa. Hengityselimistö poistaa hiilidioksidia, vettä ja lämpöä. Hiilidioksidi siirtyy soluista hiussuoniin, niistä edelleen laskimoihin, sydämen oikeaan eteiseen ja kammioon, sieltä keuhkovaltimoa pitkin keuhkojen hiussuoniin. Hiussuonista hiilidioksidia siirtyy diffuusisesti keuhkorakkuloihin. Keuhkorakkuloista hengitysteihin, joista hiilidioksidia poistuu uloshengityksessä. Uloshengitysilma sisältää myös vesihöyryä ja lämpöä. Ydinjatkeessa sijaitseva hengityskeskus säätelee hengitystä. Kun hiilidioksidin määrä veressä kasvaa, hengitys tihenee ja syvenee. Maksasta urea kulkee veren mukana munuaisiin poistettavaksi. Munuaisten toiminnallisia yksiköitä ovat nefronit. Nefronin hiussuonikeräsestä suodattuu alkuvirtsaa nefronin koteloon. Munuaistiehyissä alkuvirtsasta imeytyy takaisin vereen vettä ja hyödyllisiä aineita, kuten glukoosia ja aminohappoja. Poistettava ureaa kertyy munuaisaltaisiin, joista se poistuu virtsanjohtimia pitkin virtsarakkoon ja sieltä virtsaputkea pitkin pois elimistöstä. Lopullinen virtsa sisältää vettä, ureaa, suolaa. Erittyvän virtsan määrää säätelee aivolisäkkeen takalohkosta erittyvä antidiureettinen hormoni (ADH), joka lisää veden takaisinimeytymistä munuaistiehyissä. Jakso Ihmisen biologia

134 +14. Veri, kudosneste ja imuneste (yo k-09) Veri, kudosneste ja imuneste ovat yhteydessä toisiinsa, niiden välillä tapahtuu jatkuvaa aineiden siirtymistä. Veri Koostuu veriplasmasta (55 %) ja verisoluista (45 %). Veriplasma on suurimmaksi osaksi vettä (91 %), lisäksi siinä on ioneja, plasmaproteiineja, ravintoaineita, kuona-aineita, happea, hiilidioksidia ja hormoneja. Lisäksi veri kuljettaa lämpöä. Veri kiertää suljetussa verisuonistossa, liikettä pitää yllä sydämen syke. Kudosneste Valtimohiussuonista siirtyy veriplasmaa kudosnesteeksi. Kudosnesteeseen siirtyy hiussuonista ravintoaineita, happea ja hormoneja. Kudosnesteestä hiussuoniin siirtyy hiilidioksidia ja muita kuonaaineita. Suurin osa kudosnesteestä palautuu verenkiertoon. Imuneste Kudosnestettä siirtyy imusuoniin, ne palauttavat kudosnestettä verenkiertoon. Imusuonisto kuljettaa verestä ohutsuolesta imeytyneet rasvojen hajoamistuotteet. Imusuonisto liittyy ihmisen puolustusjärjestelmään, imuneste kulkee imusolmukkeiden läpi, joissa on mikrobeja tuhoavia valkosoluja. Imusuonisto kulkee verisuoniston kanssa samoja reittejä. Imusuonet yhtyvät ennen sydäntä rintatiehyiksi, joita pitkin suurin osa imunesteestä laskee solislaskimon kautta yläonttolaskimoon ja näin imuneste siirtyy verenkiertoon. Jakso Ihmisen biologia

135 +15. Proteiinit (yo s-11) Mistä ihminen saa proteiineja? Ihminen saa proteiineja syömästään ruuasta Kasviproteiineja on esimerkiksi palkokasveissa, joita ovat mm. Soija, herne ja papu sekä viljoista Eläinproteiineja on lihassa, kalassa, kananmunissa ja maitotuotteissa Vauvat saavat proteiineja äidinmaidosta Proteiinien puute vaikuttaa kasvuun ja kehitykseen, erityisesti kasvavilla lapsilla (kwasiorkor-tauti, jota esiintyy kehitysmaissa johtuu proteiinien puutteesta) Miten proteiinit hajoavat ruuansulatuksessa? Proteiinit pilkkoutuvat ruuansulatuselimistössä aminohapoiksi Pilkkominen alkaa mahassa, jossa pepsiinientsyymi pilkkoo proteiinit peptideiksi Mahan seinämän soluista erittyy suolahappoa (mahan ph on 2), pepsiini toimii vain happamassa ympäristössä Pohjukaissuoleen tulee tulee haimasta haimatiehyttä pitkin trypsiinientsyymiä Ohutsuolen seinämän solut erittävät peptidaasientsyymiä Ohutsuolessa peptidaasit pilkkoutuvat aminohapoiksi, jotka imeytyvät ohutsuolen nukkalisäkkeiden hiussuoniin Verenkierron mukana aminohapot kulkeutuvat kaikkiin soluihin Miten elimistö valmistaa tarvitsemiaan proteiineja? Proteiinit valmistuvat soluissa geenien ohjeiden mukaan proteiinisynteesissä Ohje muodostuu DNA: n emäsosien järjestyksestä Emäkset ovat adeniini (A), tymiini (T), sytosiini (S) ja guaniini (G) DNA: n emästen väliset vetysidokset aukeavat ja kaksoiskierre avautuu entsyymin avulla Mallijuosteen viereen valmistuu nukleotideista lähetti- RNAmolekyyli (transkriptio) l- RNA valmistuu emäspariperiaatteen mukaisesti (RNA: ssa tymiiniä vastaa urasiili, U) l-rna: sta poistetaan tumassa intronit (silmukointi) ja muokkauksen jälkeen se siirtyy tumahuokosten kautta solulimaan ribosomiin Ribosomissa tapahtuu aminohappoketjun valmistuminen (translaatio) Siirtäjä- RNA- molekyylit kuljettavat aminohappoja ribosomiin l- RNA:n viereen s- RNA asettuu l- RNA:n viereen emäskolmikkoaan vastaavaan kohtaan Aminohapot liittyvät toisiinsa peptidisidoksilla Aminohappoketjun lopullinen muokkaus proteiiniksi tapahtuu solulimakalvostossa Proteiineja muokataan ja pakataan Golgin laitteessa Jakso Ihmisen biologia

136 + 16. Sydämen rakenne ja toiminta a. 1. yläonttolaskimo 2. aortta 3. keuhkovaltimo 4. sepelvaltimo (sydänvaltimo) 5. alaonttolaskimo 6. sepellaskimo (sydänlaskimo) b. Iso verenkierto Sydämen vasen kammio, aortta, valtimot, valtimohiussuonet, solut, laskimohiussuonet, laskimot, ylä- ja alaonttolaskimo, sydämen oikea eteinen, oikea kammio. Pieni verenkierto Sydämen oikea kammio, keuhkovaltimot, hiussuonet, keuhkorakkulat, hiussuonet, keuhkolaskimot, sydämen vasen eteinen. c. Sydänlihas supistuu automaattisesti. Sinussolmuke tahdistaa sydämen sykkeen. Myös hermosto ja hormonit vaikuttavat sykkeeseen. Autonomisen hermoston sympaattinen hermosto lisää sykettä ja parasympaattinen hermosto hidastaa sitä. d. Sydän saa tarvitsemansa hapen ja ravinnon sepelvaltimoiden tuomasta verestä. e. Sininen käyrä kuvaa systolista verenpainetta ja punainen diastolista verenpainetta. Sydämen kammioiden supistuminen saa aikaan valtimoiden korkean verenpaineen. Mitä kauemmaksi sydämestä mennään, sitä pienempi on verenpaine. Valtimoissa näkyy sydämen lepo- ja supistumisvaiheen verenpaineen ero. Jakso Ihmisen biologia

137 19 Hermosto ja hormonit säätelevät elimistön toimintaa 1. Hermosolun rakenne ja toiminta a. Malli vastaukseen liitettävästä piirroksesta. Huom! Älä käytä punaista kynää ylioppilaskirjoituksissa, se väri on varattu tarkastajille. b. Kun hermosolu on lepotilassa (lepopotentiaali), natriumkanavat ja suuri osa kaliumkanavista on kiinni. Solukalvon sisäpuoli on negatiivisesti varautunut ulkopuoleen verrattuna. Impulssi lähtee liikkeelle hermosoluun kohdistuvan ärsytyksen seurauksena, jolloin natriumkanavat aukeavat ja natriumia siirtyy hermosolun solukalvon sisäpuolelle. Sisäpuoli muuttuu positiivisesti varautuneeksi. Syntyy toimintajännite. Sisäpuolen positiivinen varaus saa aikaan viereisten natriumkanavien aukeamisen, ja impulssi leviää hermosolussa. Natriumkanavat sulkeutuvat ja kaliumkanavat aukeavat ja kaliumia siirtyy solun ulkopuolelle. Lepojännite palautuu, kun natrium-kaliumpumppu palauttaa ionit alkuperäisille puolilleen. Vasta tämän jälkeen uusi impulssi voi kulkea hermosolussa. Jakso Ihmisen biologia

138 2. Autonomisen hermoston toiminta a. Levon aikana parasympaattisen hermoston toiminta on vallitsevampaa kuin sympaattisen hermoston toiminta. Parasympaattisen hermoston toiminnot pyrkivät säästämään elimistön energiaa. Silmäterät supistuvat, sylkirauhasten toiminta lisääntyy, hengitystiet supistuvat, sydämen syke hidastuu, ruuansulatus tehostuu, sisäelinten verisuonet laajenevat, sapen valuminen sappirakosta lisääntyy, virtsarakon lihakset supistuvat, lisämunuaisten adrenaliinin ja noradrenaliinin eritys vähenee. b. Stressitilanteessa sympaattisen hermoston toiminta vilkastuu. Se lisää elimistön suorituskykyä. Silmäterät laajenevat, syljeneritys vähenee, hengitystiet laajenevat, sydämen syke kiihtyy, ruuansulatus hidastuu, ääreisverenkierron verisuonet supistuvat, maksasta vapautuu glukoosia vereen, virtsarakon supistajalihakset veltostuvat, hikirauhasten toiminta kiihtyy, lisämunuaisten adrenaliinin ja noradrenaliinin eritys lisääntyy. 3. Käsiteparit a. Umpieritteisen rauhasen eli umpirauhasen solut valmistavat hormonia, joka siirtyy verenkierron kuljettamana vaikutuskohteeseensa. Esim. aivolisäke ja kilpirauhanen. Avoeritteisen rauhasen eritteet poistuvat tiehyttä pitkin ihon tai limakalvon pinnalle. Esim. sylkirauhaset ja ruuansulatusentsyymejä erittävät rauhaset. Umpirauhasten erittämät hormonit osallistuvat avoeritteisten rauhasten eritystoiminnan säätelyyn. b. Sekä rasva- että vesiliukoiset hormonit ovat viestiaineita. Vesiliukoiset hormonit kulkevat vaikutuskohteeseensa vereen tai kudosnesteeseen liuenneina. Ne kiinnittyvät solukalvolla olevaan reseptoriin. Rasvaliukoiset hormonit kulkevat veressä plasman proteiineihin sitoutuneina. Ne pääsevät verenkierrosta soluihin solukalvon läpi ja kiinnittyvät solulimassa tai tumassa reseptoriinsa. c. Ääreishermosto on hermoston osa, johon kuuluvat aistinsoluista keskushermostoon viestejä tuovat tuntohermosolut ja keskushermostosta luustolihaksiin viestejä vievät liikehermosolut sekä autonomisenhermoston hermot. Keskushermosto on aivojen ja selkäytimen muodostama hermoston osa. Ääreis- ja keskushermosto toimivat kiinteässä yhteistyössä ja säätelevät elimistön toimintaa. Ääreishermoston välityksellä aivot saavat jatkuvasti tietoa elimistön sisäja ulkopuolelta. Aivot käsittelevät ja varastoivat tätä informaatiota. d. Lepojännitteeksi kutsutaan lepotilassa olevan hermosolun solukalvon sisä- ja ulkopuolen välillä vallitsevaa sähköistä jännite-eroa. Kalvon sisäpuoli on ulkopuoleen verrattuna negatiivisesti varautunut. Toimintajännitteen aikana edellä mainittu jännite-ero muuttuu hetkellisesti, joka aiheutuu ärsykkeen seurauksena tapahtuvasta muutoksesta solukalvon läpäisevyydessä. Muutos etenee hermosolussa. Hermosolun toiminta perustuu lepo- ja toimintajännitteen vuorotteluun. Jakso Ihmisen biologia

139 e. Viejähaarake eli aksoni on hermosolun haarake, joka välittää impulsseja eteenpäin solukeskuksesta. Tuojahaarake eli dentriitti välittää impulsseja solukeskukseen päin. Viejä- ja tuojahaarakkeet ovat yhteydessä toisiinsa solukeskuksen välityksellä. f. Aivolisäke on väliaivojen pohjassa sijaitseva umpirauhanen., joka erittää verenkiertoon useita hormoneja. Se säätelee muiden umpirauhasten toimintaa erittämiensä hormoneiden avulla. Hypotalamus on väliaivojen alaosa, johon aivolisäke on kiinnittynyt. Hypotalamus ohjaa yhdessä aivolisäkkeen kanssa umpirauhasten toimintaa. 4. Aivolisäkkeen tuottamat hormonit a. ja b. Hormoni Kohde-elin Vaikutus Liika- tai vajaaerityksen merkitys Kasvuhormoni Solut Kasvuiässä kudosten kasvu (nopeuttaa solujen jakautumista), aineenvaihdunnan vilkastuminen. Prolaktiini Maitorauhaset Maidon eritys synnytyksen jälkeen. Lutropiini (LH) Munasarjat/ kivekset Follitropiini (FSH) Munasarjat/ kivekset Kortikotropiini Lisämunuaisten kuorikerros Ovulaatio, keltarauhashormonien tuotanto/siittiöiden muodostuminen ja testosteronin tuotanto. Munarakkulan kehittyminen, estrogeenin tuotanto/siittiöiden muodostuminen ja testosteronin tuotanto. Lisämunuaisten kuorikerroksen hormonierityksen kiihtyminen. Tyreotropiini Kilpirauhanen Tyroksiinihormonin erityksen kiihtyminen. Antidiureettinen hormoni (ADH) Munuaiset Lisää veden takaisinimeytymistä, pienentää erittyvän virtsan määrää. Oksitosiini Kohtu Kohdun seinämän lihasten supistuminen Lapsuusiässä jättiläisja kääpiökasvuisuus. Aikuisiässä agromegalia. Vajaaeritys: maitoa ei erity. Miehillä: testosteronin erityksen häiriöt. Naisilla: kuukautiskierron häiriöt. Naisilla: munarakkulan kypsyminen estyy. Miehillä: siittiöiden muodostuminen häiriintyy. Kortisolin eritys häiriintyy. Aineenvaihdunnan häiriöt. Lapsuusiässä kääpiökasvuisuus. Virtsanerityksen häiriöt. Vajaaeritys: synnytys ei käynnisty. Jakso Ihmisen biologia

140 ja maidon eritys. c. Hypotalamus ohjaa erittämiensä hormonien avulla aivolisäkkeen hormonieritystä. Palautesäätelyllä tarkoitetaan sitä, että umpirauhasten hormonierityksen säätely tapahtuu palauteperiaatteella. Kaaviossa hypotalamuksesta erittyy vapauttavaa hormonia, jonka seurauksena aivolisäke erittää kilpirauhasen toimintaa kiihdyttävää hormonia, tyreotropiinia (TSH). Tämä saa aikaan kilpirauhashormonin, tyroksiinin erittymisen. Kun hormonin määrä veressä nousee tietylle tasolle, hypotalamus ei enää eritä vapauttavaa hormonia. d. Kun elimistöön tulee ylimääräistä hormonia, veren hormonipitoisuus nousee. Tästä välittyy tieto hypotalamukselle tai suoraan hormonia erittävälle umpirauhaselle. Hormonin erittyminen umpirauhasesta lakkaa. Ulkopuolelta elimistöön tullut hormoni aiheuttaa siis oman hormonituotannon alenemisen. 5. Huumeiden vaikutus hermoimpulssiin a. Hermoimpulssi siirtyy solusta toiseen kemiallisesti synapsin kautta. Hermoimpulssin siirtyminen perustuu välittäjäaineen erittymiseen. Hermopäätteeseen saapuva impulssi saa aikaan välittäjäaineen vapautumisen välittäjäainerakkuloista synapsirakoon. Välittäjäaine sitoutuu vastaanottavan solun solukalvolla olevaan vastaanottajamolekyyliin eli reseptoriin. Tämä saa aikaan solun aktivoitumisen (kalvojännitteen muutoksen) ja syntyy toimintajännite. Hermosolusta toiseen välittyvä impulssi jatkaa matkaansa sähköisesti. Kun välittäjäainetta ei enää tarvita, entsyymi hajottaa sen tai se siirtyy takaisin välittäjäainerakkuloihin. Jakso Ihmisen biologia

141 b. Normaalitilanteessa hermoimpulssi siirtyy solusta toiseen, kun dopamiinia erittyy välittäjäainerakkuloista ja dopamiinimolekyylit tarttuvat vastaanottavan solun reseptoreihin. Kun impulssi on välittynyt eikä dopamiinia enää tarvita, synapsiraossa oleva dopamiini otetaan takaisin välittäjäainerakkuloihin. Kokaiini ja metamfetamiini estävät dopamiinin takaisinoton. Näin ollen välittäjäaineet pysyvät synapsiraossa kauemmin ja vaikuttavat siis voimakkaammin. Tämä vaikuttaa keskushermostoa kiihottavasti. Vireyden kohoaminen aiheuttaa ylikierroksilla käymistä, mikä voi johtaa viikkojen unettomuuteen. Molemmat aineet aiheuttavat muun muassa verisuonten supistumista, pupillien laajentumista sekä sydämen rytmihäiriöitä ja verenpaineen nousua. Yliannostuksen seurauksena voi olla hengitys- ja sydänvaikeuksia, jotka voivat johtaa kuolemaan. c. Puudutusaineet, kipulääkkeet, rauhoittavat lääkkeet, kofeiini, alkoholi, nikotiini, hermokaasut, kurare (nuolimyrkkynä ja lääkkeenä käytetty kasvista saatava uute) ja hyönteismyrkyt. 6. Refleksi ja tahdonalainen liike a. Refleksi eli heijaste on tahdosta riippumaton, nopea ja aina samalla tavalla tapahtuva reaktio ärsykkeeseen. Kun kosketat kuumaa levyä, ihossa olevat aistinsolut ärtyvät, ja niistä lähtee tuntohermoa pitkin viesti selkäytimeen. Selkäytimestä välittyy impulssi liikehermoa pitkin sormeen ja vetäiset sormesi äkkiä pois kuumalta levyltä. Selkäytimestä lähtee tieto myös aivoihin. Tiedostat tilanteen vasta, kun olet jo vetäissyt sormen pois levyltä. Muita refleksejä ovat esimerkiksi hengitysrefleksi, väistörefleksi, ojennusrefleksi, syljenerittymisrefleksi, pupillirefleksi, yskimisrefleksi, silmänräpäytysrefleksi ja virtsaamisrefleksi (rakkorefleksi). b. Tahdonalainen liike tapahtuu aivojen ohjaamana. Silmän verkkokalvolta välittyy impulssi näköhermoa pitkin isoaivojen kuorikerroksen näkökeskukseen. Siellä syntyy näköaistimus. Kuorikerroksen assosiaatioalueet käsittelevät tietoa. Liikkeestä tehdään kokonaissuunnitelma, joka siirtyy liikeaivokuorelle. Pikkuaivot huolehtivat liikkeiden hienosäädöstä. Impulssit välittyvät edelleen aivorunkoa, selkäydintä ja liikehermoa pitkin käden lihaksiin, jotka supistuvat mukin nostamiseksi. Lihaksista lähtee impulsseja tuntohermoja pitkin pikkuaivoihin, jotka ohjaavat ja korjaavat nostoliikettä. Jakso Ihmisen biologia

142 7. Hermostoon liittyvä ilmiö (yo k-10) a. Refleksikaari. A= tuntohermosolu B= välittävä hermosolu C= liikehermosolu D= poikkijuovainen lihassolu E= selkäytimen harmaa aines Aistisolun reseptorit ärtyvät ärsykkeen seurauksena. Ärsyke siirtyy tuntohermoluun. Tuntohermosolussa impulssi kulkee sähköisenä viestinä eteenpäin. Päätelevyyn saapuva sähköinen impulssi saa aikaan välittäjäaineen vapautumisen. Kemiallinen välittäjäaine saa aikaan impulssin välittävässä hermosolussa, joka sijaitsee selkäytimen harmaassa aineessa. Välittävästä hermosolusta viesti siirtyy liikehermosolun kautta lihassoluun, joka supistuu. Supistuminen saa aikaan raajan liikkeen. Liike tiedostetaan vasta sen tapahduttua. b. Opittaessa eri asioita hermosoluissa tapahtuu rakenteellisia muutoksia. Muodostuu uusia hermopääteyhteyksiä ja harjoittelun avulla toimintaan liittyvät hermoyhteydet vakiintuvat. Hermopäätteet laajenevat, kun tiettyjä hermoyhteyksiä käytetään jatkuvasti. Välittäjäainetta erittyy näin enemmän, joten impulssien kulku tehostuu. 8. Hermoimpulssin kulku A. Hermosolun ollessa lepotilassa, sen sisäpuoli on negatiivisesti varautunut suhteessa ulkopuoleen (lepojännite). Kalvopotentiaali (mv) on negatiivinen (n. 70mV). Solun sisäpuolen negatiivinen varaus johtuu sekä suurista negatiivisesti varautuneista proteiinimolekyyleistä että positiivisesti varautuneiden kaliumionien siirtymisestä solukalvon ulkopuolelle. Natriumioneja on runsaasti solukalvon ulkopuolella, eivätkä ne pääse siirtymään hermosolun sisäpuolelle, koska solukalvon natriumkanavat ovat kiinni. B. Hermosolun ärsytyksen (esim. aistinsolun ärsytys) seurauksena solukalvon läpäisevyys muuttuu. Syntyy toimintajännite. Natriumkanavat aukeavat, ja positiivisesti varautuneita natriumioneja virtaa sisään hermosoluun. Hermosolun solukalvon sisäpuoli muuttuu positiiviseksi varautuneeksi. C. Natriumkanavat sulkeutuvat nopeasti toimintajännitteen syntymisen jälkeen, ja kaliumkanavat aukeavat. Kaliumin virratessa ulospäin solukalvon sisäpuolen negatiivinen varaus palautuu. D. Natrium-kaliumpumppu palauttaa ionit alkuperäisille puolille solukalvoa. Seuraava impulssi on mahdollinen vasta, kun siirtyneet natriumionit on pumpattu solukalvon ulkopuolelle ja kaliumionit sisäpuolelle. Natriumkaliumpumpun toiminta vaatii ATP:stä saatavaa energiaa. Negatiivinen lepojännite palautuu. Jakso Ihmisen biologia

143 9. Aistien ja hermoston yhteistyö (yo s-06) Kirjaa lukiessa tytön katse on tarkentunut lähelle. Linssiä ympäröivä rengasmainen sädelihas on supistuneena, jolloin rengaslihaksen ja linssin välillä olevat ripustimet ovat löysällä ja linssin muoto on pyöreänä. Kun tyttö siirtää katseensa kirjasta, lähellä olevasta kohteesta, kaukana olevaan laivaan, silmän linssin muoto muuttuu kuperasta litteämmäksi, tarkentaen näön kaukaiseen kohteeseen. Linssiä ympäröivä rengasmainen sädelihas veltostuu, jolloin ripustimet kiristyvät ja linssi muuttuu litteämmäksi. Aurinkolasien kohottaminen päästää silmiin runsaammin valoa, silmiä häikäisee. Silmät mukautuvat kirkkaaseen valoon. Värikalvo eli iiris supistuu, jonka seurauksena mustuainen eli pupilli pienenee ja silmään pääsevän valon määrä pienenee. Pupillin pieneneminen on refleksi. Silmään lentänyt hiekka saa tytön räpyttelemään silmäluomiaan ja hieromaan silmiään. Kyynelrauhasista erittyy kyynelnestettä hiekan huuhtomiseksi pois silmästä. Hierominen voi naarmuttaa silmän etuosan ulointa läpinäkyvää kerrosta, sarveiskalvoa. Ääreishermoston tuntohermot vievät silmästä ärsykkeen aikaansaaman viestin keskushermostoon isoaivojen kuorikerroksen näköalueelle. Siellä impulssi muutetaan näköaistimukseksi. Ennen lopullisen aistimuksen syntyä aistimusta käsitellään näköassosiaatioalueilla. Silmän mukautumista näkemään eri etäisyyksille säädellään keskushermostosta liikehermojen välityksellä. Aivojen eri osat osallistuvat säätelyyn. Pupillin pieneneminen on refleksi, joten silmästä välittyy tuntohermoja pitkin impulssi häikäistymisestä vain selkäytimeen saakka ja vasta pupillin pienennyttyä impulssi välittyy keskushermostoon. Kyynelrauhasten eritystä säätelee autonominen hermosto. Hiekan mekaanisesta ärsytyksestä välittyy viesti tuntohermoja pitkin isoaivoihin. Isoaivot välittävät toimintakäskyn liikehermoja pitkin käden lihaksille, jolloin seuraa tahdonalainen liike, silmän hierominen. Pikkuaivot säätelevät käden lihasten motoriikkaa. 10. Hermomyrkyn vaikutus (yo k-12) a. 1= Myeliinituppi 2= Mitokondrio 3= Välittäjäainerakkula 4= Hermopääte 5= Reseptori, johon välittäjäaine vaikuttaa 6= Poikkijuovainen lihassolu b. Sisään hengitettäessä pallealihas supistuu ja painuu alaspäin. Pallealihas on tärkeä hengityslihas. Pallean lamaantuminen johtaa tukehtumiseen. Jakso Ihmisen biologia

144 c. Sydän on tahdosta riippumaton lihas. Sydänlihas supistuu automaattisesti. Sinussolmuke tahdistaa sydämen sykkeen. Hermosto ja hormonit vaikuttavat sykkeeseen. Autonomisen hermoston sympaattinen hermosto lisää sykettä ja parasympaattinen hermosto hidastaa sitä. Sympaattisen hermoston toimintaa vahvistaa lisämunuaisista erittyvä adrenaliini. Sinussolmuke sijaitsee oikean eteisen yläosassa. Sieltä sähköiset impulssit kulkevat ensin eteisiin ja sitten kammioihin erityisten sähköä johtavien lihassolujen kautta. Sydän supistuu kaikki tai mitään periaatteella eli se supistuu joko kokonaan tai ei ollenkaan. Luustolihas (poikkijuovainen lihaskudos) on tahdonalaista eli hermosto voi säädellä sen toimintaa tietoisesti. Luustolihakset supistuvat nopeasti, mutta väsyvät myös nopeasti, toisin kuin sydänlihas. Liikekäskyt lähtevät hermoimpulsseina isoaivojen kuorikerroksesta. Liikkeiden hienosäätöön osallistuvat myös pikkuaivot. 11. Biologisen kellon säätely a. Melatoniinia erittää käpyrauhanen. b. Melatoniinin eritykseen vaikuttaa valon määrän vaihtelu. Silmien ja ihon kautta tuleva valo vaikuttaa melatoniinin eritykseen. Pimeässä käpyrauhanen erittää melatoniinia ja valossa melatoniinin eritys lakkaa. Melatoniini säätelee ihmisen unirytmiä sekä kasvuun ja kehitykseen vaikuttavien hormonien, kuten kasvuhormonin, eritystä. Stressi vähentää melatoniinin eritystä. Pienillä lapsilla (noin kolmen kuukauden ikään asti) melatoniinia ei erity. Lapsuusiässä melatoniinin eritys on runsasta ja se on korkeimmillaan ennen murrosikää. Vanhetessa melatoniinin eritys vähenee. c. Melatoniinivalmisteita voidaan käyttää aikaerorasituksen oireisiin sekä tilapäisten uniongelmien hoitoon. Kun melatoniinivalmiste otetaan aina tiettyyn aikaan illalla, se tahdistaa häiriintynyttä unirytmiä. Jakso Ihmisen biologia

145 20 Lisääntyminen ja elämänkaari 1. Naisen ja miehen sukupuolielimistöjen osat a. Naisen sukupuolielimistön osat: 1. munasarja, 2. munanjohdin, 3. kohtu, 4. kohdunsuu, 5. emätin. b. Miehen sukupuolielimistön osat: 1. eturauhanen, 2. siemenjohdin, 3. kivespussi, 4. kives, 5. terska, 6. virtsaputki, 7. siittimen paisuvaisia. 2. Yksilönkehitykseen liittyviä käsitteitä a. Gastrulaatio on selkärankaisten alkionkehityksen tapahtumasarja, jossa alkiolevy jakautuu kolmeksi alkiokerrokseksi: sisä-, keski- ja ulkokerrokseksi (endo-, meso- ja ektodermiksi). Gastrulaatiosta alkaa solujen erilaistuminen kudoksiksi ja elimiksi. b. Neurulaatio on alkion kehitysvaihe, jonka aikana hermosto alkaa muodostua. Neurulaatiossa alkiolle kehittyy ensin hermostolevy, siitä hermostokouru ja lopuksi hermostoputki, josta aivot myöhemmin kehittyvät. c. Hedelmöityksessä siittiön ja munasolun tuman yhtyvät, jolloin syntyy hedelmöitynyt munasolu eli tsygootti. d. Muotoutumisella tarkoitetaan elinten ja ruumiinosien rakentumista yksilönkehityksen aikana. Sitä ohjaavat kudosten väliset induktiot. e. Kaavoittuminen on alkionkehityksen aikana tapahtuva tapahtumasarja, joka johtaa alkion akseleiden (pää häntä, oikea vasen, selkä vatsa) muodostumiseen. f. Alkiokerrokset: sisä-, keski- ja ulkokerros, syntyvät alkiolevystä. Kudokset ja elimet kehittyvät niistä. Jakso Ihmisen biologia

146 3. Sikiö kohdussa a. Istukka ja napanuora: Huolehtivat sikiön ravitsemuksesta ja kuona-aineiden poistosta. Istukan tupsumaisten lisäkkeiden pinta-ala on suuri, joten aineiden vaihto on tehokasta. Äidin ja sikiön verenkierrot eivät ole välittömästi yhteydessä toisiinsa. Välissä on vähintään yksi solukerros. Aineiden siirtyminen perustuu pääasiassa diffuusioon. Pienimolekyyliset aineet, kuten hiilidioksidi ja happi pääsevät helposti istukan läpi. Myös haitalliset pienimolekyyliset aineet, kuten lääkkeet ja alkoholi pääsevät istukan kautta sikiöön, samoin kuin virukset. Äidistä sikiöön siirtyy happea, vettä, ravintoaineita, hormoneja ja vasta-aineita. Sikiöstä äidin verenkiertoon siirtyy hiilidioksidia ja muita kuonaaineita, kuten virtsa-ainetta. Istukka erittää hormoneja, kuten estrogeenia ja keltarauhashormonia. Napanuora yhdistää sikiön istukkaan. Napanuorassa on napalaskimo, jota pitkin äidistä saapuva happipitoinen veri saapuu sikiöön. Napanuoran napavaltimoissa aineet siirtyvät sikiöstä istukkaan. Sikiökalvot: Sikiö on vesikalvon sisällä sikiövedessä (lapsivedessä). Suonikalvo toimii ennen istukan muodostumista hengityspintana. Ravitsemuskalvo muodostuu suonikalvosta ja rakkokalvosta. Ravitsemuskalvosta syntyy istukan sikiönpuoleinen osa. Lapsivesi: Suojaa sikiötä kolhuilta ja estää sikiön kuivumista. Sikiö pystyy liikkumaan sikiövedessä. b. Noin % todetuista raskauksista päätyy keskenmenoon. Keskenmenon syynä on yleensä jokin sikiön tai istukan kehityshäiriö. Näihin spontaaneihin keskenmenoihin ei yleensä voi vaikuttaa. Ympäristöön ja elintapoihin liittyvät: Istukan läpi pääsevät pienimolekyyliset aineet ja virukset voivat vaikuttaa alkion- ja sikiönkehitykseen. Virusinfektiot. Haitalliset kemikaalit ja tupakansavu (passiivinen tupakointi). Ympäristömyrkyistä erityisesti DDT ja PCB. Röntgensäteily ja radioaktiiviset aineet aiheuttavat muutoksia DNA:ssa. Äidin sairastama vihurirokko voi aiheuttaa sikiön sokeutumisen. Äidin tupakointi, lääkkeet sekä alkoholin- ja huumeiden käyttö. Jakso Ihmisen biologia

147 4. Ihmisen pituuskasvu ja fyysinen kehittyminen Aivolisäkkeen etulohkon erittämä kasvuhormoni eli somatotropiini vaikuttaa sekä suoraan että epäsuorasti kudosten kasvuun ja kehitykseen. Kasvuhormoni tehostaa solujen kykyä ottaa verenkierrosta aminohappoja rakennusaineiksi. Proteiinisynteesi tehostuu, ja kudosten kasvu voimistuu. Kasvuhormoni lisää ruston ja luukudoksen muodostumista tehostavan kudoshormonin eritystä. Kasvuhormonin eritys on voimakkaimmillaan lapsuus- ja nuoruusiässä. Kilpirauhasen erittämät tyroksiini ja trijodityroniini edistävät solujen proteiinisynteesiä ja kiihdyttävät solujen aineenvaihduntaa. Pojilla FSH saa murrosiässä aikaan androgeenien, erityisesti testosteronin, erityksen lisääntymisen. Testosteroni vaikuttaa luuston ja lihaksiston kasvamiseen. 5. Ihmisyksilön elämän alku a. 1. Munasolu kypsyy toisessa munasarjassa. Tytöllä on syntyessään valmiina noin miljoona epäkypsää munasolua. Murrosiän hormonitoiminnan muutokset käynnistävät munasolujen kypsymisen. Yleensä kuukautiskierron alkuvaiheessa yksi munasolu kypsyy munarakkulan suojassa, ja vapautuu ovulaatiossa munanjohtimeen. 2. Hedelmöitys tapahtuu munanjohtimessa, jossa munasolu kohtaa siittiösolun. Hedelmöittynyt munasolu alkaa jakautua. Solunjakautumisvaihe kestää 14 päivää. Solurypäle kulkee munanjohtimesta kohti kohtua. 3. Solurypäle on päässyt kohtuun asti. Tässä vaiheessa siinä on useita satoja soluja. 4. Alkiorakkula kiinnittyy kohdun limakalvoon. Istukka ei ole vielä kehittynyt, joten alkiorakkula saa ravintoa kohdun limakalvon rauhasten eritteistä. b. Alkiolla tarkoitetaan yksilönkehitysvaihetta, joka kestää hedelmöittymisestä kahdeksannen viikon loppuun asti. Sen aikana muodostuvat kaikki elimet. Kahdeksan viikon jälkeen alkiota kutsutaan sikiöksi syntymään saakka. 6. Naisen kuukautiskierto a. Alussa tasainen estrogeenitaso pitää FSH:n (1) ja LH:n (2) erityksen melko pienenä. Kun munarakkula suurenee, sen estrogeenieritys (3) kasvaa. Progesteronin (4) eritys pysyy edelleen alhaisena. Ensimmäisten vuorokausien aikana paksuntunutta kohdun limakalvoa ja verta poistuu kuukautisvuotona. Vuodon jälkeen kohdun limakalvo alkaa paksuuntua estrogeenin ja LH:n vaikutuksesta. Jakso Ihmisen biologia

148 b. Estrogeenin määrän nousu laukaisee aivolisäkkeen erittämään LH:ta ja FSH:ta enemmän kuin aiemmin. Tämä saa aikaan munasolun irtoamisen eli ovulaation. c. LH:n säätelemänä munasolun irtoamispaikasta muodostuu keltarauhanen, joka alkaa erittää keltarauhashormonia eli progesteronia. Progesteronin eritys saavuttaa huippunsa noin 10 päivää ovulaation jälkeen. Progesteroni stimuloi kohdun limakalvon paksuuntumista. Progesteronin ja estrogeenin määrä on korkea, mikä estää FSH:n ja LH:n erittymistä. Jos munasolu ei hedelmöity, keltarauhanen surkastuu. Progesteronin ja estrogeenin määrän väheneminen saa aikaan kohdun limakalvon irtoamisen. d. Jos munasolu hedelmöittyy, munarakkula pysyy keltarauhasena ja sen progesteronin eritys jatkuu. Progesteronin vaikutuksesta kohdun limakalvo pysyy paksuuntuneena ja kohdun seinämän lihakset pysyvät lepotilassa. Se estää myös uuden munasolun irtoamisen, joten kuukautisvuoto jää pois. Kun istukka on kehittynyt, myös sen solut erittävät progesteronia ja istukan gonadotropiinia (HCG). Raskaustesti perustuu HCG:n mittaamiseen. Raskauden loppupuolella progesteronin erittyminen vähenee, minkä seurauksena aivolisäke alkaa erittää oksitosiinia. Oksitosiinin vaikutuksesta synnytys käynnistyy. 7. Alkio- ja sikiötutkimukset a. Lapsivesitutkimus tehdään yleensä raskauden viikolla. Näytteenottoa edeltää ultraäänitutkimus, jossa varmistetaan raskauden kesto ja sikiöiden lukumäärä sekä istukan sijainti. Lapsivesinäyte otetaan ohuella neulalla vatsan ihon läpi. Lapsivedessä on sikiöstä irronneita soluja, jotka erotetaan näytteestä. Soluja viljellään 1 2 viikkoa tai pidempään, kunnes tutkittavaksi saadaan riittävästi jakautuvia soluja. Solut erikoiskäsitellään ja värjätään. Soluja mikroskooppisesti tutkimalla saadaan selville mahdolliset kromosomien rakenteelliset muutokset (kromosomimutaatiot) ja kromosomien lukumäärämuutokset (kromosomistomutaatiot). Sikiön sukupuoli nähdään sukupuolikromosomeista. Kromosomitutkimuksessa voidaan todeta esimerkiksi trisomiat (kromosomit 21, 18 ja 13) sekä suomalaistyyppinen synnynnäinen munuaissairaus. Nykyisin voidaan käyttää trisomioiden toteamiseen triosomia-pcr -tutkimusta. b. Ultraäänitutkimus tehdään äidin vatsanpeitteiden läpi ultraäänianturilla. Suomessa ultraäänitutkimus tehdään yleensä (varhainen ultraäänitutkimus) ja raskausviikolla. Varhaisessa ultraäänitutkimuksessa selvitetään sikiöiden lukumäärä ja raskauden kesto. Sikiön rakenteita voidaan tarkastella myöhemmässä tutkimuksessa. Sen avulla saadaan selville sikiön vakavat rakenteelliset poikkeamat, kuten selkärankahalkio. Jakso Ihmisen biologia

149 c. Geenitestin edellytyksenä on, että tautia aiheuttavan geenin emäsjärjestys on selvitetty. Geenitestit perustuvat geenin emäsjärjestyksen mukaan valmistettujen geenikoettimien käyttöön. Geenitestien avulla voidaan etsiä alkiosta tai sikiöstä perinnöllisiä sairauksia. Geenitesti tehdään, jos sikiöllä tiedetään olevan kohonnut riski vakavaan tautiin, jonka geenivirhe on tiedossa. Geenitesti tehdään istukkanäytteen soluista. Suomessa on käytössä geenitesti noin 20:lle monogeenisesti periytyvälle sairaudelle. Keinohedelmöitetyt alkiot on mahdollista testata geenitesteillä ja niiden joukosta voidaan valita terve alkio. Alkioseulontaa on käytetty ns. designvauvojen synnyttämiseen. Alkioseulonta on herättänyt runsaasti vastustusta ja on erittäin harvinaista. Suomessa se on kielletty. 8. Kivesten ja lisäkivesten toiminta a. Sekä kivesten välisolujen että tukisolujen toiminta on välttämätön siittiöiden muodostumiselle. Aivolisäkkeen FSH säätelee tukisolujen toimintaa. Tukisolut huolehtivat kypsyvien siittiösolujen ravinnonsaannista ja säätelevät niiden kypsymistä. Aivolisäkkeen LH säätelee kivesten välisolujen toimintaa. Ne erittävät testosteronia, joka kiihdyttää siittiöiden muodostumista. b. Tukisolut huolehtivat kypsyvien siittiösolujen ravinnonsaannista ja niiden kypsymisestä. Välisolut erittävät testosteronia. c. Siemennesteessä on siittiöitä ja rauhasten eritteitä (limaa ja sokereita). Siittiöt syntyvät kivesten kiemuraisissa siementiehyissä meioosissa siittiöiden kantasoluista. Siittiöiden kypsyminen kestää noin 10 viikkoa. Ne siirtyvät vähitellen kohti siementiehyen onteloa. Nesteen mukana ne kulkeutuvat lisäkiveksiin, joihin ne varastoituvat. Rauhasten erite toimii siittiöiden vararavintona. d. Murrosiässä (noin 15-vuotiaana) aivolisäkkeen FSH saa aikaan testosteronin erityksen kiveksissä. Testosteronin määrä veressä nousee nopeasti, ja saavuttaa huippunsa hieman alle 30-vuotiaana. Tämän jälkeen testosteronin eritys vähenee melko tasaisesti. Testosteronin määrä virtsassa on 60-vuotiaana noin 0,1 µmol/vrk. e. Aivolisäke erittää LH:ta ja FSH:ta, jotka säätelevät kivesten tuki- ja välisolujen toimintaa. 9. Ihmisen elämänkaari a. Hermosoluja tuhoutuu, mutta jäljelle jääneet muodostavat uusia yhteyksiä ja korvaavat puuttuvien hermosolujen tehtäviä, aivot säilyvät toimintakykyisinä yleensä pitkälle vanhuuteen. Hormonieritys muuttuu, lihasmassa vähenee, tukikudos menettää kimmoisuuttaan (rypyt, nivelten liikkuvuuden väheneminen), aistit heikkenevät, aineenvaihdunta hidastuu (ylimääräistä rasvaa kertyy), lisääntymiskyky loppuu naisilta vaihdevuosissa, miehillä jatkuu pidempään. Jakso Ihmisen biologia

150 b. Eliniän pituuteen vaikuttavat geenit ja ympäristö. Liikunta, monipuolinen, terveellinen ja riittävä ravinto sekä sosiaalinen verkosto ja riittävä virikkeiden määrä pidentävät elinikää. Eliniän pituuteen vaikuttaa myös sukupuoli. Useimmissa kulttuureissa miehet kuolevat nuorempina kuin naiset (biologiset ja kulttuuriset syyt). c. Teollisuusmaissa elinikä on pidentynyt lähinnä kehittyneen lääketieteen ja hyvän hygienian sekä korkean elintason vaikutuksesta. Kehitysmaissakin keskimääräinen elinikä on noussut, mutta hitaammin kuin teollisuusmaissa. Kehitysmaissa aliravitsemus heikentää ihmisten yleiskuntoa, joten he sairastuvat helpommin erilaisiin infektioihin. Lisäksi likaisen juomaveden takia infektiotaudit ovat yleisiä. Kehitysmaissa yleisimpiä kuolemansyitä ovat malaria ja AIDS sekä muut tarttuvat taudit Ihmisalkion kehittyminen (yo k-11) Miehen siittiösolut syntyvät kiveksissä ja naisen munasolut munasarjoissa hormonitoiminnan ohjaamina. Sukukypsän naisen munasarjoissa kypsyy yksi munasolu/kuukautiskierto (ovulaatio). Hedelmöitys (siittiön ja munasolun haploidit tumat yhtyvät) munanjohtimessa. Yksilön sukupuoli määräytyy hedelmöityksessä, koska siittiösoluissa voi olla joko X tai Y sukupuolikromosomi ja naisen munasoluissa on X sukupuolikromosomi. Diploidi tsygootti alkaa jakautua. Alkion solut ovat kaikkikykyisiä 36 soluasteelle saakka. Solunjakautumisvaihe kestää noin 14 vuorokautta ja solurypäle kulkee munanjohtimesta kohtuun. Satoja soluja sisältävä alkiorakkula kiinnittyy kohdun seinämään. Alkiorakkulan kiinnittyminen on altis häiriöille. Alkiovaihe alkaa 14 vrk:n jälkeen (8 viikon ikäiseksi asti). Sikiökalvot kehittyvät alkiokauden alussa (suonikalvo,ruskuaispussi, vesikalvo). Napanuora, istukka, lapsivesi. Alkiovaiheessa solut erilaistuvat, solujen määrä kasvaa ja kolmiulotteisuuden kehitys (kaavoittuminen) alkaa. Alkiovaiheessa sydän alkaa sykkiä, verenkierto käynnistyy, ala- ja yläraajojen silmut muodostuvat (muotoutuminen alkaa). Sikiönkehitysvaihe alkaa raskauden 9. alusta ja kestää raskauden loppuun (yhteensä 40 viikkoa). Sikiö kasvaa ja keskushermosto ja aistit kehittyvät. Vastasyntynyt painaa keskimäärin 3,5 kiloa ja on noin 50 cm pitkä. Kysymys on erittäin laaja. Hyvä vastaus sisältää eri vaiheet ja niistä esimerkkejä. Jakso Ihmisen biologia

151 +11. Miehen ja naisen sukusolut (yo s-06) Sukusolujen synty miehellä: Miehen lisääntymistoimintoja säätelee kolme hormonia (kivesten testosteroni, aivolisäkkeen LH ja FSH). Siittiöiden tuotanto tapahtuu kivesten siementiehyissä Siittiöt syntyvät meioosin tuloksena siittiösolujen kantasoluista. Siittiöitä syntyy jatkuvasti murrosiästä vanhuuteen saakka. Siittiöiden kypsyminen kestää noin 10 viikkoa. Meioosin tuloksena syntyy yhdestä kantasolusta neljä siittiösolua. Sukusolujen synty naisella: Tyttövauvalla on jo syntyessään munasarjoissaan noin miljoona epäkypsää munasolua, meioosin vähennysjakautuminen on tapahtunut. Murrosiässä alkaa hormonien säätelemä kuukautiskierto. Aivolisäkkeen FSH käynnistää. Meioosin tuloksena emosolusta syntyy yksi iso munasolu ja kolme pientä poistosolua. Munasoluja kypsyy yksi/kuukautiskierto. Ovulaatio Munasolujen tuotanto loppuu vähitellen vaihdevuosien alkaessa (noin vuotiaana). Meioosi: Edeltää välivaihe, jossa DNA kahdentuu. Jakautuu kahteen vaiheeseen, vähennysjakautuminen ja tasausjakautuminen. Vähennysjakautumisessa kromosomiluku puolittuu (esivaihe, keskivaihe, jälkivaihe, loppuvaihe). Vähennysjakautumisen tuloksena on kaksi solua, joissa on haploidinen kromosomiluku. Kromosomit ovat edelleen kahdentuneina. Tasausjakautuminen on mitoosi puolittuneella kromosomimäärällä (keskivaihe, jälkivaihe, loppuvaihe). Munasolun rakenne: Munasolu on suurikokoinen. Sisältää runsaasti solulimaa, joka toimii alussa kehittyvän alkion ravintona. Solukalvon päällä proteiinikerros. Solulimassa paljon mitokondrioita. Siittiösolun rakenne: Aktiivinen liikkuminen. Pienikokoinen. Häntä. ATP:tä tuottava alue, jossa runsaasti mitokondrioita. Siittiöiden suuri määrä. Tehtävä on laaja, joten on tärkeää edetä loogisesti. Meioosin vaiheet tulee selittää tarkemmin. Jakso Ihmisen biologia

152 12. Mutaatioita ihmisen perimässä (yo k-07) a. Lapsivedessä on aina sikiöstä irronneita soluja. Sikiön mahdollista kromosomipoikkeamaa voidaan tutkia lapsivedestä raskausviikolla otetusta näytteestä. Solunäyte voidaan ottaa myös istukan sikiönpuoleisesta osasta jo 10. raskausviikon jälkeen. Saatuja soluja viljellään laboratoriossa kudosviljelmässä. Solujen jakautuminen pysäytetään kemiallisesti vaiheeseen, jossa kromosomit ovat parhaiten näkyvissä (esivaiheen lopussa tai keskivaiheessa). Samalla kromosomit värjätään ja tämän jälkeen niitä voidaan tutkia mikroskoopin avulla. Värjätyt kromosomit valokuvataan mikroskooppiin liitetyllä kameralla. Valokuvat suurennetaan ja kromosomit ryhmitellään ja numeroidaan koon ja sentromeerien aseman perusteella. Valmiista kromosomikartasta (karyogrammista) voidaan helposti laskea kromosomien määrä ja tunnistaa mahdolliset poikkeavuudet vertailemalla sitä normaaliin kromosomistoon. b. Kromosomit on kuvattu solun jakautumisen alkuvaiheen lopussa tai keskivaiheessa (profaasi tai metafaasi). Kromatiinirihmat kiertyvät paksuiksi, mikroskoopilla helposti nähtäviksi kromosomeiksi solun jakautumisen alkaessa. c. Karyogrammissa A kromosomipari 5 poikkeaa normaalista. Toisesta vastinkromosomista puuttuu pala eli kyseessä kromosomimutaatio, häviämä eli deleetio. Kromosomipalan puuttumien merkitsee monien geenien puutumista. Puuttuvaan palaan mahtuu kymmeniä, jopa satoja geenejä. Häviämän seurauksena toisessa vastinkromosomissa häviämän kohdalla olevan resessiivisenkin alleelin aiheuttama ominaisuus tulee ilmi yksilön ilmiasussa. Häviämät aiheuttavat yleensä vaikeita kehityshäiriöitä. Häviämät voivat aiheuttaa myös yksilön kuoleman jo sikiövaiheessa. B- karyogrammissa näkyy ylimääräinen 21. kromosomi. Kyseessä on siis kromosomistomutaatio, jota kutsutaan trisomiaksi. Tällainen trisomiatyyppi aiheuttaa Downin syndroomana tunnetun kehitysvammaisuuden. 21 trisomian seurauksia ovat seuraavat fyysisen kehityksen ominaisuudet: lyhytkasvuisuus, normaalista poikkeavat kasvonpiirteet, infektioherkkyys, usein esiintyy myös sydänvikoja. Henkinen kehitys hidastuu ja älykkyys jää keskiarvoa alemmalle tasolle. Luonteeltaan Down ihmiset ovat yleensä toimeliaita ja iloisia. Keskimäärin yhdellä 700 lapsesta on tämä mutaatio kromosomistossaan. Jakso Ihmisen biologia

153 21 Geenitekniikan menetelmiä käytetään bioteknologiassa 1. Geenitekniikan käsitteitä a. Katkaisu- eli restriktioentsyymit pilkkovat DNA-juostetta kukin tietyn emäsjärjestyksen kohdalta. Restriktioentsyymeitä käytetään geenitekniikassa. Kun käytetään samaa entsyymiä eristämään sekä siirrettävä geeni että tekemään vektoriin (esim. plasmidiin) sopiva aukko, saadaan molempiin yksisäikeiset päät. Ne muodostavat tarttuessaan yhteen kaksisäikeisen DNA-juosteen ja on saatu aikaan yhdistelmä-dna. Liitos sinetöidään liittäjä- eli ligaasientsyymillä, joka muodostaa sidokset emäsosien välille. b. Plasmidi on pieni rengasmainen DNA-molekyyli, joita on bakteeri- ja hiivasoluissa. Plasmidit jakautuvat itsenäisesti varsinaisesta kromosomista tai kromosomeista erillään. Bakteerit pystyvät ottamaan toisten bakteeriten plasmideja sisälleen, ja plasmideja voidaankin käyttää vektoreina geenisiirrossa. Myös hiivasoluun voidaan siirtää vierasta geenimateriaalia plasmidien avulla. c. Sekvensoinnilla selvitetään tutkittavan DNA:n emäsjärjestys (sekvenssi). Sekvensointi tehdään automaattisilla sekvensointilaitteilla. Sekvenssiä tarvitaan esim., kun halutaan selvittää missä tietty geeni sijaitsee, miten se ilmenee ja kun halutaan verrata lähisukuisten lajien perimää keskenään. d. DNA-siru on pieni levy, johon on kiinnitetty DNA-pätkiä. Sirua voidaan käyttää perinnöllisten sairauksien (joiden sekvenssi tunnetaan) etsimiseen. Suomalaisilla yleisistä sairauksista on valmistettu Suomi-siru. e. Liittäjäentsyymi pystyy liittämään DNA:n nukleotidit toisiinsa. Tuloksena liittämisestä on DNA-pätkien muodostama uusi yhdistelmä-dna-molekyyli. f. Vektori on geenien siirtämisessä käytettävä kuljettaja. Vektoreina käytetään usein plasmideja tai viruksia. Siirrettävä geeni liitetään vektoriin, joka vie geenin haluttuun isäntäsoluun. Solun sisällä vektori liittää siirrettävän geenin osaksi isäntäsolun perimää. 2. Hiivasolut a. Laite, jossa biologisissa prosesseissa valmistetaan esimerkiksi entsyymejä tai antibiootteja. Fermentorissa pystytään säätelemään kasvatusolosuhteita tietynlaisiksi, eikä sinne pääse ulkopuolelta mikrobeja. b. Lähtötilanteessa hiivasoluja oli 2000 kappaletta/cm 3. Hiivasolujen määrä lähti nopeaan kasvuun noin 6 tuntia kokeen alusta. Niille oli tarpeeksi elintilaa ja ravintoa, ja kasvu oli eksponentiaalista. Fermentorissa oli maksimimäärä hiivasoluja, noin kpl/cm 3 17 tuntia kokeen alusta, jonka jälkeen hiivasolujen määrä lähti lievästi laskemaan. Hiivasoluille ei enää riittänyt ravintoa eikä elintilaa, ja niitä alkoi kuolla. Jakso Bioteknologia

154 c. Glukoosin määrä oli kokeen alussa 43 g/dm 3 ja lopussa 3 g/dm 3. Etanolin määrä alkaa kasvaa 3 tuntia kokeen alusta, ja sen määrä asettuu tasolle 22 g/dm 3. Fermentoriin ei pääse happea, joten hiivasolujen energiaaineenvaihdunta perustuu alkoholikäymiseen: Glukoosista syntyy etanolia (= alkoholia) ja hiilidioksidia sekä vapautuu energiaa. Energiaa hiivasolut tarvitsevat elintoimintoihinsa, esimerkiksi jakautumiseen. d. Kokeen alussa ph oli 7 ja kokeen lopussa 5,2. ph laskee, koska hiivasolujen alkoholikäymisessä syntyy sivutuotteena hiilidioksidia, joka liuetessaan veteen muuttuu hiilihapoksi ja aiheuttaa happamuuden lisääntymisen fermentorissa. 3. Kantasolut Kantasoluilla tarkoitetaan sellaisia soluja, jotka eivät ole erilaistuneet tiettyihin tehtäviin. Kantasolutyyppejä on erilaisia. Kaikkikykyiset kantasolut kykenevät erilaistumaan kaikiksi solutyypeiksi. Niitä on hedelmöityneestä munasolusta aina 16-soluiseksi alkioksi asti. Lähes kaikkikykyiset kantasolut kykenevät erilaistumaan kaikiksi muiksi paitsi istukan soluiksi. Näitä soluja on alkiorakkulan alkionystyssä. Monikykyiset kantasolut voivat erilaistua moniksi, mutta eivät enää kaikiksi, solutyypeiksi. Niitä on esimerkiksi aikuisen yksilön luuytimessä, jonka kantasoluista syntyvät eri verisolutyypit. Solukorvaushoidossa korvataan potilaan tuhoutuneet tai toimimattomat solut terveillä soluilla. Monikykyisiä kantasoluja on käytetty solukorvaushoitona leukemian hoidossa. Potilaan luuytimestä on ensin tuhottu syöpäsolut solumyrkyillä ja säteilytyksellä, ja häneen on siirretty terveeltä henkilöltä verisolujen kantasoluja sisältävää luuydintä. Nykytekniikalla kantasoluja voidaan tehdä lähes mistä tahansa ihmisen solutyypistä. Esimerkiksi ihon soluihin voidaan siirtää vektorin avulla geenejä, jotka ilmenevät normaalisti vain kehittyvässä alkiossa. Nämä lähes kaikkikykyiset kantasolut saadaan kasvutekijöiden ja muiden kemiallisten aineiden avulla erilaistumaan halutuiksi solutyypeiksi. Koska solut ovat potilaan omia, ei hylkimisreaktioita ilmene. Solukorvaushoidoista voi olla apua monien vaikeiden sairauksien, kuten Parkinsonin tautia sairastavien hoidossa. Kantasolujen käyttöön liittyy useita ongelmia. Solujen erilaistumisprosessia ei tunneta vielä tarkasti, ja vaarana on lisääntynyt syöpäriski. Tekniikka on kallista ja vaatii osaavaa henkilökuntaa, joten se ei olisi hoitomahdollisuutena kaikkien ulottuvilla. Aiemmin kantasoluja saatiin alkioista, mutta uusi menetelmä, jonka avulla tuotetaan potilaan omista soluista ips-soluja (induced Pluripotent Stemcells), poistaa tämän ongelman. Jakso Bioteknologia

155 4. Mammutin fossiilit a. Otetaan talteen mammutin soluja, esimerkiksi ihon soluja tai luusoluja. Ensin solut ja solun lipideistä koostuvat kalvorakenteet hajotetaan kemiallisesti. Sitten DNA:han sitoutuneena olevat proteiinit hajotetaan entsymaattisesti. Hajotetut lipidit ja proteiinit pestään pois, ja DNA on valmis jatkotoimenpiteitä varten. b. Mammutin rakennusohjeet ovat sen geeneissä, ja kaikki geenit ovat tarpeellisia eliön toiminnalle. c. Afrikannorsunaaraalta otetaan munasolu, josta imetään tuma pois. Mammutin solu siirretään tyhjäksi tehtyyn munasoluun, ja solut yhdistetään toisiinsa sähköpulssin avulla. Yhdistelmäsolun annetaan jakautua ja kasvaa muutaman päivän ajan, ja sitten se siirretään afrikannorsunaaraan kohtuun kasvamaan. Mikäli kloonaus on onnistunut ja alkio lähtee kohdussa kehittymään, synnyttää norsunaaras mammutinpoikasen. 5. DNA-tunnisteet a. PCR-menetelmän avulla monistetaan haluttu alue DNA:sta. Siinä tarvitaan alukkeita, DNA-polymeraasientsyymiä ja DNA-nukleotideja. Monistettava alue rajataan alukkeilla. Lämpötilaa nostamalla DNA-juosteet saadaan irtoamaan toisistaan, ja kun lämpötilaa lasketaan, alukkeet kiinnittyvät DNAjuosteisiin. DNA-polymeraasientsyymi alkaa rakentaa lisätyistä nukleotideista uutta DNA-juostetta alukkeista lähtien. Kun lämpötilan nosto ja lasku toteutetaan monta kertaa, saadaan paljon tarvittavaa DNA:ta tutkimusta varten. PCR-menetelmän avulla voidaan monistaa haluttuja DNA:n toistojaksoja. DNA:n toistojakso tarkoittaa varsinaisten geenien ulkopuolella olevaa aluetta DNA:ssa, jonka pituus on yksilöllinen. Toistojaksossa tietty emäsjärjestys esiintyy vaihtelevanpituisina pätkinä. Toistojaksoja hyödynnetään yksilöntunnistuksessa. Elektroforeesin avulla erotellaan eripituiset DNA-palat toisistaan. DNA on sähkövaraukseltaan negatiivinen, ja DNA-palat lähtevät kulkemaan elektroforeesilaitteen sähkökentässä kohti positiivista napaa. Mitä pienempi DNA-pala on, sitä pidemmälle se ehtii geelissä kulkea. b. Lapsi saa puolet DNA:sta isältään ja puolet äidiltään. Siksi elektroforeesissa lapsen DNA-pätkistä toisen pitää olla samalla kohdalla kuin äidin DNApätkistä jompikumpi ja toisen lapsen DNA-pätkistä samalla kohdalla kuin isän DNA-pätkistä jompikumpi. Lapsi 2 ei ole isän biologinen lapsi, koska lapsi 2:n ja äidin DNA-pätkien sijainti vastaa toisiaan, mutta lapsi 2:n toinen DNA-pätkä sijaitsee eri kohdassa kuin kumpikaan isän DNA-pätkistä. c. Mikäli tutkittavaan näytteeseen joutuu vierasta biologista materiaalia eli DNA:ta, voi tutkimuksesta saatava tulos olla väärä. Joku DNA-tunnisteista onkin muualta eikä tutkittavista henkilöistä. Jakso Bioteknologia

156 6. Bioteknologian sovellukset lääketieteessä a. Geeniteknisesti valmistettu rokote perustuu bakteerin tai viruksen antigeeneina toimivien pintaproteiinien hyödyntämiseen. Pintaproteiinia koodaava geeni eristetään pilkkojaentsyymin avulla bakteerista tai viruksesta, liitetään vektoriin (esimerkiksi hiivasolun plasmidi) ja yhdistelmäplasmidi siirretään hiivasoluun. Hiivasolu alkaa jakautua ja tuloksena on hiivasoluviljelmä, jossa vieraan geenin ilmenemisen tuloksena syntyy taudinaiheuttajan pintaproteiinia. Pintaproteiini eristetään hiivasoluviljelmästä, puhdistetaan ja käytetään rokotteena. Esimerkiksi hepatiitti-b-rokote valmistetaan nykyisin geeniteknisesti hiivasoluissa. b. Tautimallilla tarkoitetaan muuntogeenista eläintä, jolle on geeniteknisesti aiheutettu jokin ihmisen sairaus, kuten Alzheimerin tauti ja jokin syöpä. Tautimalli voi olla siirtogeeninen tai poistogeeninen. Tautimallien avulla mallinnetaan ihmisen sairauksia ja kehittää niihin uusia hoitokeinoja ja lääkkeitä. c. Lääkeproteiineja käytetään sellaisten sairauksien hoidossa, jossa tietyn geenin virheellinen toiminta on johtanut jonkin proteiinin puutteelliseen tai kokonaan puuttuvaan tuotantoon. Lääkinnällisiä proteiineja tuotetaan siirtogeenisissä eliöissä, kuten bakteereissa, vuohissa ja kaneissa. Esimerkiksi sokeritaudissa käytettävää insuliinia tuotetaan bakteereissa, joihin on plasmidin avulla siirretty ihmisen insuliinigeeni. d. Täsmälääkkeellä tarkoitetaan sellaista lääkemolekyyliä, joka sopii tarkasti solukalvon reseptoriin kuten avain lukkoon. Täsmälääkkeet aiheuttavat vähemmän sivuvaikutuksia, koska ne ovat niin tarkasti räätälöityjä sopimaan juuri tiettyyn kohtaan. e. Geenihoidossa siirretään hoitava geeni potilaan somaattisiin soluihin. Geenisiirto voidaan tehdä kasvattamalla potilaan soluja soluviljelmässä, jonka jälkeen solut palautetaan potilaaseen tai hoitava geeni voidaan kuljettaa suoraan potilaan hoidettavaan kudokseen. Geeninkuljettajana eli vektorina voidaan käyttää virusta tai liposomirakkulaa. Geenihoitoa saadaan käyttää vain sellaisiin vakaviin sairauksiin, joihin ei ole olemassa muuta hoitokeinoa. Geenivirhe täytyy tuntea, jotta osataan valmistaa siirrettävä geeni. Geenihoidon avulla on hoidettu mm. synnynnäistä immuunipuutostautia ja vaikeasti hoidettavia aivokasvaimia. Geeninsiirtoa ei saa tehdä sukusoluihin. f. Alkiodiagnostiikalla tarkoitetaan sikiön terveydentilan tutkimista. Istukka- ja lapsivesinäytteestä saadaan sikiön soluja, ja niistä voidaan mikroskooppisesti nähdä kromosomien rakenne- ja lukumäärämuutokset. Sikiön soluista voidaan eristää DNA:ta ja tehdä geenitesti, jos on syytä epäillä, että lapsi on perinyt jonkin yhden geenin aiheuttaman vakavan perinnöllisen taudin. Suomessa näitä geenitestejä on jo useisiin satoihin sairauksiin. Mikäli lapsi on saanut alkunsa keinohedelmöityksellä, voidaan alkiot testata samalla tavoin mutaatioiden ja geenivirheiden varalta, ja vanhemmat voivat valita kohtuun siirrettäväksi terveen alkion. Jakso Bioteknologia

157 7. Entsyymit (yo s-12) Entsyymien biotekninen hyödyntäminen Entsyymit ovat biokemiallisia reaktioita katalysoivia proteiineja. Entsyymit eivät itse muutu reaktiossa. Kullakin entsyymillä on optimi mm. lämpötilan ja ph:n suhteen. Biotekniikassa käytetään usein entsyymejä, jotka ovat peräisin bakteereista ja sienistä (esim. hiivoista). Biotekniikassa käytettävät entsyymit voivat olla myös geenimuunneltuja (esim. viinien valmistuksessa käytetyt entsyymit). Bioteknologiassa hyödynnetään eliöitä, niiden osia tai niiden tuottamia aineita. Perinteinen bioteknologia: esim. hiivan käyttö ruuanvalmistuksessa, maitohappobakteerit, oluen ja viinien valmistus. Moderni bioteknologia: bakteerien, sienten ja hiivojen geenitekninen muokkaaminen. Mikrobit tuottavat joko uusia entsyymejä tai hyvin tehokkaasti entisiä entsyymejä. Pesuaineiden sisältämät entsyymit, valkaisuun käytetyt entsyymit. Geenitekniikassa käytetään runsaasti eliöistä saatuja entsyymejä, kuten DNA- ja RNA-polymeraasia ja erilaisia katkaisu- ja liittäjäentsyymejä. +8. Hiivat, maitohappobakteerit ja homeet (yo s-13) Hiivat Yksisoluisia sieniä. Käyttävät energialähteenään hiilihydraatteja. Leivän ja pullan valmistus: hiivasolujen soluhengityksessä ja alkoholikäymisessä syntyy hiilidioksidia, joka saa taikinan kohoamaan. Alkoholikäyminen tapahtuu anaerobisesti taikinan sisällä siinä syntyvä alkoholi haihtuu paistettaessa. Soluhengitys tapahtuu aerobisesti taikinan pinnassa. Hiivoja (alkoholikäyminen) käytetään alkoholin (oluet ja viinit) valmistuksessa. Hiivojen avulla valmistetaan bioetanolia. Proteiinien tuottajina bioteknologiassa (plasmidiin voidaan siirtää esim. ihmisen geeni, jolloin hiivasolu saadaan tuottamaan ihmisen proteiinia). Maitohappobakteerit Käytetään elintarviketeollisuudessa. Jogurttien, viilien, piimien ja juustojen valmistus, maitosokerin käyminen maitohapoksi happamoittaa maidon, mikä vaikuttaa makuun, rakenteeseen, kypsymiseen ja säilyvyyteen. Suolakurkkujen ja hapankaalin valmistus hapattamalla. Käytetään terveysvaikutteisissa elintarvikkeissa esimerkiksi edistämään ruuansulatuselimistön hyvinvointia ja lisäämään immuunivastetta. Homeet Monisoluisia, rihmamaisia sieniä, tuottavat itiöitä. Antibioottien (esim. penisilliini) valmistus. Antibiooteilla hoidetaan bakteerien aiheuttamia sairauksia. Homejuustojen valmistus. Kompostoinnissa toimivat hajottajina. Jakso Bioteknologia

158 9. Polymeraasiketjureaktio a. Alukkeiden avulla rajataan monistettava alue DNA-juosteesta. b. Alukkeen A emäsjärjestys on TATCCGAC (perustuu emäsparisääntöön.) c. DNA-polymeraasientsyymi rakentaa uusia DNA-juosteita. Nukleotideja tarvitaan uusien DNA-juosteiden rakennusaineiksi. d. Kun lämpötilaa nostetaan +95 C:een, erkanevat DNA-molekyylin juosteet toisistaan. Lämpötilaa laskemalla saadaan alukkeet kiinnittymään DNAjuosteisiin. Lämpötilaa hieman nostamalla DNA-polymeraasientsyymi ryhtyy rakentamaan uusia DNA-juosteita rajattujen alueiden väliin. e. 64 DNA-molekyyliä. f. Nisäkkäiden kaikkien entsyymien optimilämpötila on +37 C (sama kuin ruumiinlämpö), ja ne tuhoutuisivat niissä lämpötiloissa, joita PCRmenetelmässä käytetään. Kuumien lähteiden bakteerien entsyymit säilyvät toimintakykyisinä korkeissakin lämpötiloissa. 10. Geenikirjasto (yo s-10) Eliön koko genomi, genomin osa tai yksittäinen geeni voidaan tallentaa geenikirjastoon. Geenikirjasto on bakteeriviljelmässä, viruksissa tai hiivoissa. Geenikirjastoon siirrettävä DNA puhdistetaan ja pilkotaan katkaisuentsyymillä. Bakteerin plasmidin DNA pilkotaan samalla katkaisuentsyymillä. DNA:t liitetään toisiinsa. Vektorin (plasmidi tai virus) avulla yhdistelmä- DNA siirretään bakteeriviljelmään. Tarvittaessa DNA etsitään koettimen avulla. Koetin sisältää DNA:n tai sen osan emäsjärjestyksen ja se on merkitty jollain merkkiaineella. Koetinta varten ainakin osa tutkittavan DNA:n emäsjärjestyksestä on tunnettava. Koetin pariutuu DNA:n kanssa emäspariperiaatteen mukaisesti. Merkkiaine tarvitaan, jotta voidaan tunnistaa bakteeripesäke, jossa etsitty DNA-pätkä (geeni) sijaitsee. DNA pilkotaan. Tehdään elektroforeesi. Tunnistusaineen avulla löydetään haettu geeni. Geeniä monistetaan tutkimusta varten PCR:llä. Jakso Bioteknologia

159 11. Bioteknologia teollisuudessa f a b c d e Paperin valmistuksessa hyödynnetään erilaisia entsyymejä. Sellumassa valkaistaan entsyymien avulla, ja myös veden poistamisessa paperimassasta käytetään entsyymejä apuna. Myös painomusteen poistamisessa kierrätyspaperista voidaan hyödyntää entsyymejä. Konetiskiaine sisältää mikrobien valmistamia entsyymejä, jotka tehostavat lian irtoamista astioista. Entsyymien avulla pesulämpötilaa voidaan laskea ja pesutulos pysyy kuitenkin yhtä hyvänä. Entsyymejä tuotetaan fermentoreissa, ja ne kerätään talteen joko hajottamalla fermentorissa olevat mikrobit tai eristämällä entsyymit mikrobien kasvatusliuoksesta. Ennen entsyymien lisäämistä konetiskiaineeseen ne vielä puhdistetaan. Piimän valmistuksessa käytetään maitohappobakteereita. Ne saavat aikaan käymisreaktion, jossa maidon sisältämä maitosokeri eli laktoosi muuttuu maitohapoksi ja maito happamoituu. Erilaisia maitohappobakteerikantoja käyttämällä tuotetaan erityyppisiä piimälaatuja. Etanoli kuuluu biopolttoaineisiin. Sitä valmistetaan mikrobien avulla hapettomissa oloissa biomassasta, esimerkiksi öljykasveista. Hapettomissa oloissa mikrobit hajottavat biomassan sisältämän sokerin hiilidioksidiksi ja etanoliksi, jota voidaan käyttää esimerkiksi autojen polttoaineena. Leipomoteollisuudessa hyödynnetään erilaisia leivinhiivoja. Taikinan nouseminen perustuu leivinhiivan energia-aineenvaihduntaan. Leivinhiivan sisältämät hiivasolut käyttävät hapellisissa oloissa energialähteenään taikinassa olevaa sokeria, ja lopputuotteina syntyy hiilidioksidia ja vettä. Syntynyt hiilidioksidi saa aikaan taikinan kohoamisen. Penisilliiniä, kuten muitakin antibiootteja, valmistetaan fermentoreissa mikrobeja (bakteereja tai homeita) apuna käyttäen. Mikrobit erittävät valmistamansa antibiootin ympäröivään kasvatusliuokseen, josta se on helppo eristää ja puhdistaa. Nykyisin antibioottien tuotannossa käytetään geenimuunneltuja mikrobeja, jotka ovat huomattavasti tehokkaampia antibioottien tuottajia kuin vastaavat villikannat. Jakso Bioteknologia

160 12. Perinnöllisen sairauden kartoittaminen (yo s-11) A. Selvitetään mutaation alueellinen levinneisyys. Onko se paikallinen, rajatulla alueella esiintyvä melko uusi mutaatio? B. Periytymistavan selvittäminen sukupuututkimuksen avulla. Selvitetään onko mutaatio autosomissa vai sukupuolikromosomeissa ja onko se dominoiva vai resessiivinen. C. Kromosomien värjääminen. Raitavärjäyksellä todetaan, missä paikassa (lokuksessa) mutaatio sijaitsee kromosomissa. D. DNA:n tutkiminen. Dna eristetään, puhdistetaan ja pilkotaan osiin (katkaisuentsyymit). Elektroforeesilla saadaan DNA:n jaksot erotettua toisistaan. Eripituiset jaksot kulkevat elektroforeesissa eripituisen matkan. E. DNA:n emäsjärjestyksen selvittäminen eli sekvensointi. F. Tutkitun näytteen emäsjärjestystä verrataan terveen ihmisen DNAsekvenssiin. Näin löydetään mutaatioiden sijainti. Jakso Bioteknologia

161 22 Jalostuksessa käytetään sekä perinteisiä että uusia menetelmiä 1. Käsitteiden määrittelyä a. Valintajalostus. Luonnonvalinta vaikuttaa populaatiossa perintötekijöiden lukusuhteisiin suosimalla kelpoisuudeltaan parhaita yksilöitä ja johtaa niiden perintötekijöiden yleistymiseen. Valintajalostus on ihmisen aikaansaamaa valintaa. Ihmisen mielestä tärkeitä ominaisuuksia ilmentävät yksilöt valitaan jatkamaan sukua. Valintajalostus johtaa samankaltaiseen lopputulokseen kuin luonnonpopulaatiossa suuntaava valinta. b. Laji ja rotu. Laji on eliöiden luokittelun perusyksikkö. Samaan lajiin kuuluvat yksilöt voivat lisääntyä keskenään ja niiden jälkeläiset ovat lisääntymiskykyisiä. Rotu on eläinlajin sisäinen yksilöjoukko, jonka yksilöt poikkeavat tiettyjen ominaisuuksien suhteen lajin muista yksilöistä. Saman lajin eri rodut kykenevät lisääntymään keskenään ja jälkeläiset ovat lisääntymiskykyisiä. c. Polyploidia. Diploidisen peruskromosomiston esiintyminen moninkertaisena. Kun kromosomit ovat peräisin eri lajeilta, on kyseessä allopolyploidia, ja kun kromosomit ovat peräisin samalta lajilta, on kyseessä autopolyploidia. d. Genomivalinta. Jalostettavien eliöiden tutkiminen ja valinta DNA-sirujen avulla. e. Risteytysjalostus. Risteytysjalostuksella lisätään perinnöllistä muuntelua. Siinä risteytetään keskenään kaksi perimältään erilaista yksilöä, jolloin syntyy uusia ominaisuusyhdistelmiä. f. Mutaatiojalostus. Kasviin aiheutetaan geenimutaatioita säteilyttämällä tai käsittelemällä niitä mutaatioita aiheuttavilla kemikaaleilla. Kasveilla tuotetaan myös kromosomistomutaatioita, jolloin syntyy polyploidisia kasveja. 2. Puhdas linja a. Kuinka pitkälle valinnalla voidaan vaikuttaa pavun siemenen kokoon. b. Erikokoisista pavun siemenistä valittiin sekä pienin että suurin. Niistä kasvatettiin kasvit. Pienisiemenisestä valittiin taas pienin papu ja isosiemenisestä isoin papu. Valintaa jatkettiin näin usean sukupolven ajan. Pienisiemenisen pavun jälkeläisten siemenkoko pieneni ja isosiemenisen jälkeläisten siemenkoko suureni. Lopulta kokovaihtelu vakiintui tietylle tasolle. c. Puhtaalla linjalla tarkoitetaan perinnöllisesti samanlaisten homotsygoottisten yksilöiden muodostamaa peräkkäisten sukupolvien sarjaa. Valinta ei vaikuta enää siementen kokoon, koska puhtaassa linjassa kaikki muuntelu perustuu ympäristön vaikutukseen. Jakso Bioteknologia

162 d. Risteytysjalostuksessa risteytetään kaksi mahdollisimman isosiemenistä papulajiketta keskenään. Protoplastifuusion avulla voidaan risteyttää jopa kaksi eri papulajia keskenään. Voidaan tuottaa polyploidisia muotoja. Autopolyploidiset kasvit ovat usein normaaleja kasveja suurempia ja satoisampia. Geeninsiirtotekniikalla voidaan siirtää papuun jonkun muun lajin geeni, joka säätelee siemenen koon kasvua. Geenitekniikka on menetelmänä nopeampaa kuin perinteinen jalostus, mutta vaatii kalliimpaa tekniikkaa ja parempaa valvontaa. Ominaisuuden säätely pitää myös tuntea tarkasti molekyylitasolla. 3. Banaanin ongelmia a. Kaupallisesti viljellyt banaanilajikkeet on jalostettu vain kahdesta luonnonlajista. Viljelybanaaneja on jo kauan lisätty vain suvuttomasti maavarren palasista, joten viljelmien banaanit ovat samaa kloonia. Kloonatuilla banaaneilla ei esiinny geneettistä muuntelua. Geneettinen muuntelu auttaisi banaaneja kestämään paremmin tuholaisia. Lisäksi taudit siirtyvät maavarren palojen mukanaan uusille viljelmille. b. Suvuttomasti lisääntyvät banaanit eivät tuota siemeniä, joten niiden jalostaminen risteyttämällä ei onnistu. c. Tuholaisten torjunta-aineet ovat ympäristömyrkkyjä, jotka eivät hajoa lainkaan tai hajoavat hyvin hitaasti. Ne ovat hajottajaeliöille vieraita aineita, joten ne eivät pysty pilkkomaan niitä normaalilla tavalla. Torjunta-aineet kertyvät eliöihin. Ne rikastuvat ravintoketjuissa. Haitallista ainetta esiintyy yhä suurempia pitoisuuksia siirryttäessä ravintoketjussa ylöspäin. Ravintoketjun huipulla ne aiheuttavat häiriöitä eläinten elintoiminnoissa, esimerkiksi lisääntymisessä. Myös banaaniviljelmillä työskentelevät ihmiset voivat sairastua tuholaismyrkyistä. d. Tauteja ja tuholaisia kestäviä banaanin taimia eli ns. tervetaimia, on mahdollista kasvattaa solukkoviljelyn avulla. Solukkoviljelyssä saadaan nopeasti suuri määrä toivotun ominaisuuden omaavia banaanintaimia. Solukkoviljelyn avulla kasvatetut banaanit ovat emokasvin klooneja. Tauteja ja tuholaisia kestävä banaani voitaisiin jalostaa geenitekniikan avulla. Nykyisin viljeltävään kaupalliseen banaanilajikkeeseen siirretään esimerkiksi jostakin villibanaanilajikkeesta taudinkestävyysgeeni. Näin saataisiin täsmäjalostettua muuntogeeninen banaanilajike, jolla säilyisivät entiset ominaisuudet, mutta lisäksi se olisi taudinkestävä. Suurin osa banaaneista viljellään kehitysmaissa. Pientuottajilla ei ole varaa ostaa tervetaimia tai muuntogeenisiä taimia. Lisäksi useat kuluttajat suhtautuvat ennakkoluuloisesti muuntogeenisiin banaaneihin, eivätkä viljelijät saa satoaan myydyksi. 4. Muuntogeeninen ravinto a. Ruokaa, jonka raaka-aineena on käytetty muuntogeenisiä eliöitä, esimerkiksi muuntogeenisestä maissista valmistetut aamiaismurot. Jakso Bioteknologia

163 b. Siirrettäessä geenejä kasvisoluihin tavallisimmat menetelmät ovat agrobakteerin avulla tapahtuva geenisiirto tai partikkelipommitus geenipyssyllä. Kun siirron onnistuminen on todettu, muuntogeenisestä kasvista kasvatetaan klooneja. Ensimmäisiä kaupalliseen viljelyyn hyväksyttyjä kasveja oli tuhohyönteisille vastustuskykyinen maissi. Maissiin on siirretty maaperäbakteerin geeni, joka tuottaa Bt-toksiinia. Bt-toksiini on myrkyllinen esimerkiksi maissikoisalle, ja muuntogeenisen maissin lehtiä syöneet toukat kuolevat. c. Vastustajat pelkäävät, että muuntogeeniset kasvit voivat olla vaaraksi ihmisen terveydelle sekä ympäristölle. Allergiset reaktiot voivat olla mahdollisia, koska osa muuntogeenisen kasvin proteiineista on erilaisia kuin alkuperäisen kasvin. Muuntogeenisten kasvien ympäristöriskejä voivat olla muuntogeenisen kasvin leviäminen luontoon siten, että se syrjäyttää alkuperäisiä lajeja tai risteytyy luonnon lajien kanssa. Rikkakasvimyrkkyjen käyttö voi lisääntyä, ja että hyönteisistä kehittyy hyönteismyrkyille vastustuskykyisiä kantoja. Muuntogeenistä ravintoa pidetään myös epäluonnollisena eikä ihmisen toimintaa eliöiden muokkaajana hyväksytä. d. Ne voivat olla yksi ratkaisu maailman nälkäongelman ratkaisussa, koska sadon määrä lisääntyy. Tuotteiden makua, kestävyyttä ja terveysominaisuuksia voidaan kehittää perinteistä jalostusta tarkemmin. Voidaan kehittää kasveja, jotka kestävät paremmin epäedullisia olosuhteita, kuten kuivuutta ja suolaista maaperää. 5. Proteiinin tuottaminen bakteerissa (yo k-13) Solubiologiset seikat: Bakteerit ovat yksisoluisia eliöitä. Bakteereja ympäröi solukalvo, soluseinä ja joillakin on limakapseli. Bakteereilla on vain yksi rengasmainen kromosomi geenejä on lisäksi plasmideissa. Plasmidit voivat siirtyä bakteerista toiseen. Bakteerit lisääntyvät nopeasti. Niitä on helppo kasvattaa suuria määriä. Geeniteknologiset seikat: Bakteerien soluseinä on saatava läpäiseväksi geeninsiirtoa varten. Bakteereilla ei ole introneita, siirrettävä geeni on muutettava käänteiskopioijaentsyymin avulla komplementaariseksi DNA:ksi. Siirrettävä geeni ja plasmidi katkaistaan samalla katkaisija- eli restriktioentsyymillä. Geenin eteen liitetään säätelyalue ja merkkigeeni, esim. antibioottiresistenttiyden geeni, jonka avulla karsitaan bakteerit, joihin geeni ei ole siirtynyt. Plasmidin genomi muuttuu nopeasti, joten tuotettava proteiinikin voi muuttua. Bakteerien omat katkaisuentsyymit voivat pilkkoa DNA:ta kontrolloimattomasti. Bakteereissa tapahtuva rekombinaatio (transformaatio, transduktio ja konjugaatio) voi muuttaa geeniä tai poistaa geenin bakteerista. Jakso Bioteknologia

164 6. Ilmastonmuutos ja jalostus Geenisiirtojen avulla voidaan jalostaa kasveja, jotka menestyvät vaikeissa ja muuttuvissa olosuhteissa. Ilmastonmuutos on niin nopea, etteivät kasvit ehdi sopeutua siihen muuntelun ja valinnan kautta. Tästä syystä ilmastonmuutos asettaa vaatimuksia jalostukselle. Ilmastonmuutos merkitsee maapallon eri alueilla erilaisia muutoksia ilmastoon. Toiset alueet todennäköisesti kuivuvat, toisilla alueilla sateet lisääntyvät. Maapallon kasvillisuusvyöhykkeiden rajat muuttuvat. Tämä merkitsee muutoksia myös kasvien viljelyalueisiin. Muuntogeenisten kasvien viljelypinta-ala on lisääntynyt nopeasti. Kaupallisessa viljelyssä on esimerkiksi seuraavia kasveja: tuhohyönteisille vastustuskykyinen maissi, rikkakasvimyrkkyjä kestävä soija, kultainen riisi. Geenitekniikan menetelmin geenejä pystytään siirtämään lajirajoista välittämättä. Tavoitteena on siirtää geeni eliön soluun niin, että se kiinnittyy osaksi sen perimää. Jalostuksen ongelmia vastattaessa ilmastonmuutokseen on erityisesti muutoksen moninaisuus. Yksittäisen geenin siirtäminen ei välttämättä ratkaise kasvin selviytymistä muuttuvassa ilmastossa. Viljalajikkeita voidaan jalostaa kestämään paremmin kuivuutta ja esimerkiksi suolaantuvaa maaperää. Ilmastonmuutos saattaa pienentää maapallon viljelypinta-alaa. Entistä satoisampien lajikkeiden jalostaminen on tärkeää, jotta nälkäongelmaa voidaan torjua. Muuntogeenisten kasvien vaikutuksista luontoon ei vielä tiedetä. Vastustajat korostavat, ettei voida olla varmoja niiden turvallisuudesta. On lähes mahdotonta sanoa, voidaanko kasveja jalostaa kestämään ilmastonmuutoksen seurauksia. Tästä syystä tärkeintä onkin estää ilmastonmuutos eli vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä, pienentää kuluttamista ja rajoittaa väestönkasvua. 7. Siemenettömät viinirypäleet a. Mutaatioiden hyödyntämistä kasvinjalostuksessa. Kasviin voidaan aiheuttaa geenimutaatioita säteilyttämällä niitä gamma-, röntgen- tai UV-säteilyllä tai käsittelemällä niitä mutaatioita aiheuttavilla kemikaaleilla. Mutaatiojalostuksen seurauksena on suuri määrä satunnaisia geneettisiä muutoksia, ja se lisää kasvien perinnöllistä muuntelua. b. Kuvassa A tapahtuu normaali mitoosi. Kuvassa B tumasukkulaa ei muodostu kolkisiinikäsittelyn vaikutuksesta ja lopputuloksena kromosomiluku kahdentuu. c. Kromosomimäärä on kaksinkertainen alkuperäiseen verrattuna. Kuvassa 4n = 8. d. Yleensä polyploidisten kasvien lisääntyminen on heikkoa tai ne ovat täysin steriilejä, koska niillä on useita samoja kromosomeja. Tästä syystä kromosomien on vaikeaa löytää meioosissa vastinkromosomiparejaan. Kolkisiinikäsittelyn ansiosta allopolyploidisten lajiristeymien lisääntyminen on mahdollista, koska kromosomiluvun kahdentumisen seurauksena kullakin kromosomilla on vastinparinsa. e. Koska tällaiset lajit ovat suurempia ja satoisampia. Esimerkiksi koristekasveilla kukan koko voi olla suurempi. Jakso Bioteknologia

165 8. Eliöiden kloonaaminen a. Kloonaamisella tarkoitetaan perimältään samanlaisten eliöyksilöiden tuottamista. (Geenin kloonaaminen taas tarkoittaa geenin eristämistä ja monistamista esimerkiksi tutkimustarkoituksia varten.) Kasvien kloonaamisessa käytetään solukkoviljelyä. Solukkoviljelyn avulla saadaan kasvatettua nopeasti suuri määrä tietyn ominaisuuden omaavia kasviyksilöitä, esimerkiksi virus- ja sienitauteja kestäviä kasveja. Kasvin yksittäisiä soluja tai kasvusolukkoa laitetaan kasvamaan ravintoalustalle tai ravintoliuokseen. Solut jakautuvat, ja niistä kasvaa solukkomassaa. Kasvihormonien avulla solut saadaan erilaistumaan taimiksi. Nämä ovat kaikki emokasvin klooneja. Kloonaamista käytetään, kun on ensin onnistuttu siirtämään jokin tietty geeni kasvisoluun. Näin saadaan kasvatettua muuntogeenisestä kasvista klooneja. Nisäkkäiden kloonaamisessa käytetään tumansiirtotekniikkaa. Eläinten kloonaaminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Kloonatuissa eläimissä on esiintynyt runsaasti kuolleisuutta jo alkiovaiheessa, ja vain pieni osa kloonatuista on kasvanut aikuisiksi. Myös aikuisissa yksilöissä on havaittu runsaasti erilaisia vikoja ja sairauksia. Niiden syytä ei tarkasti tunnetta. Ihmisen kloonaamisen mahdollisuus on herättänyt runsaasti keskustelua. YK on kehottanut kaikkia maita kieltämään kloonauksen. Kloonaamisen hyötyjä on, että saadaan tuotettua perinnöllisesti samanlaisia yksilöitä. Näin voidaan monistaa esimerkiksi haluttuja ominaisuuksia ilmentäviä hyöty- ja koristekasveja sekä metsäpuita. Kasvinjalostuksessa voidaan lisätä myös lajiristeymiä, jotka muuten ovat lisääntymiskyvyttömiä. Eläinjalostuksessa voidaan lisätä huippuyksilöitä kasvattamalla tumansiirtotekniikalla tuotettuja alkioita useiden naaraiden kohdussa. Kloonaamista voidaan käyttää uhanalaisten lajien säilyttämisessä. b. Eläinten kloonaamisessa ensimmäinen kloonattu nisäkäs oli Dolly-lammas, joka syntyi Kloonaamisessa käytettiin aikuisen lampaan utaresolun tumaa, joka siirrettiin munasolun luovuttajan munasolun tuman tilalle. Dolly oli mitokondrioiden sisältämiä geenejä lukuun ottamatta samanlainen kuin yksilö, jonka utaresolusta tuma otettiin. Tumansiirtotekniikalla on tämän jälkeen kloonattu useita eri nisäkkäitä: hevonen, apina, kissa, hiiri ja koira. c. Kasveja voidaan kasvattaa nopeasti solukkoviljelmissä. Kasvien kärjen ja juuren kasvupisteistä otetut solut saadaan erilaistumaan kasvin muiksi solukoiksi. Yhteen viljelmässä kasvavaan soluun voidaan siirtää geeni. Solun annetaan lisääntyä kasvatusliuoksessa. Kun solukkoa on riittävästi, soluista pystytään erilaistamaan kasvihormonien avulla rajattomasti taimia, joilla on sama perimä kuin yksilöllä josta solut on otettu. Kasvien kloonaamiseen ei myöskään liity samanlaisia eettisiä ongelmia kuin eläinten kloonaamiseen. Jakso Bioteknologia

166 9. Lajien risteytyminen (yo s-10) Risteytymisesteet (isolaatio) Eri alueilla eläminen. Soidinmenot erilaiset. Lisääntymisajat erilaiset. Sukupuolielinten yhteensopimattomuus. Siitepöly ei hedelmöitä munasolua. Kromosomistot erilaiset. Kemialliset erot (feromonit). Saman lajin yksilöiden tunnistamisessa käytettävät äänet, rakenteet ja värit erilaisia. Geeninsiirtomenetelmät (perinnöllisen aineksen siirtomenetelmät): Mikroinjektiot. Geenipyssyllä ampuminen. Bakteerien ja hiivojen plasmidit. Bakteriofagit. Keinotekoiset plasmidit. Lajiristeymät (allopolyploidia). Protoplastifuusio. Geeninsiirtojen hyödyt: Tuotantoeläinten ja viljelykasvien ominaisuuksien parantaminen, esim. ravintoarvo, säilyvyys, kylmän kestävyys ja tuottavuus. Maapallon nälän lievittäminen. Maaperästä haitallisia aineita keräävät kasvit. Eläimet tautimalleina. Lääkkeiden ja entsyymien tuottaminen eläimissä ja kasveissa. Geeninsiirtojen haitat: Toisten lajien syrjäyttäminen. Risteytyminen lähilajien kanssa. Monimuotoisuuden pieneneminen. Mahdolliset haittavaikutukset terveyteen (erilaisia näkemyksiä). Biologisten aseiden kehittäminen. Eettiset ongelmat. Jakso Bioteknologia

167 10. Geenipankit a. Siemenpankissa säilytetään kaikkien nykyisten viljelykasvien, niiden vanhojen kantamuotojen sekä uusien luonnosta löytyvien lajikkeiden siemeniä. b. c. d. e. Maaperä on ikiroudassa. Kallioperä on geologisesti vakaa. Paikka on syrjäinen, mutta sinne pystytään lentämään helposti. Siemensäiliö rakennettu vahvasti, sijaitsee korkealla, syvällä kalliossa. Siemensäiliön pitäisi kestää merenpinnan nousu ja mahdollinen ydinohjusisku. Eläimillä siementä vastaa alkio. Alkiot ovat hyvin herkkiä ympäristötekijöiden vaikutuksille, joten niiden pitäminen hengissä vaatii monimutkaista teknologiaa. Alkioita säilytettävä jäädytettynä nestemäisessä typessä (-196 astetta). Jäädyttämisen tapahduttava nopeasti, etteivät solujen rakenteet rikkoudu. Kasvien siemenet pysyvät pakastettuina itämiskykyisinä satoja, jopa tuhansia vuosia. Kasvien siemeniä ei tarvitse pakastaa nestemäiseen typpeen. Siemenet tarvitsevat vähemmän säilytystilaa. Ilmastonmuutoksen vaikutuksesta ympäristöolot muuttuvat: sääolot, kasvukauden pituus, kasvitautien esiintymisalueet. Nykyiset viljelykasvit eivät ennätä välttämättä kehittyä ilmastonmuutoksen vaatimassa ajassa kestämään muuttuneita oloja. Siemenpankissa tallessa olevia geenejä on mahdollista käyttää uusien kestävien kasvien jalostukseen. Elävät geenipankit: kasvitieteelliset puutarhat, eläintarhat ja maatilat. Suojeluohjelmat. Kasvilajien viljely alkuperäisessä ympäristössä. Kasvien solukoiden, eläinten munasolujen ja sperman säilyttäminen pakastettuina. Tietokannat. Kansainväliset sopimukset. Jakso Bioteknologia