KOULUN BIOLOGIA OPETTAJAN AINEISTO Eliömaailma BI 1

Matti Leinonen Teuvo Nyberg Johan Tast Heikki Tyrväinen Simo Veistola KOULUN BIOLOGIA Lukio 1 OPETTAJAN AINEISTO Eliömaailma BI 1 Helsingissä Kustannusosakeyhtiö Otava

Sisällys Piirtoheitinkalvoja... 5 Oppikirjan tehtävien vastaukset... 107 Lisätehtäviä... 118 Kurssin itsenäinen suoritus... 128 YO-tehtäviä... 134 1. painos 2004 Matti Leinonen, Teuvo Nyberg, Johan Tast, Heikki Tyrväinen, Simo Veistola ja Kustannusosakeyhtiö Otava Piirrokset: Jorma Happonen, Anu Karjalainen Graafinen suunnittelu: Jan Myller Taitto: Cosmograf Toimitus: Riikka Andersson Kopiointiehdot Tämä teos on opettajan opas/opettajan kirja. Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Tekstisivujen valokopioiminen on kielletty, ellei valokopiointiin ole hankittu lupaa. Tarkista, onko oppilaitoksellanne voimassaoleva valokopiointilupa. Lisätietoja luvista ja niiden sisällöstä antaa Kopiosto ry, www.kopiosto.fi/. Teoksen kaikkien kalvopohjien ja kokeiden valokopiointi opetuskäyttöön on sallittua, mikäli oppilaitoksellanne on voimassaoleva valokopiointilupa. Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty. Painopaikka: Otavan Kirjapaino Oy Keuruu 2005 ISBN: 951-1- 19445-3

Kalvoluettelo 1.1 Mitä biologia on? 1.2 Biologian asema 1.3 Havainnoiva tutkimus 1.4 Kokeellinen tutkimus 2.1 Kasvi- ja eläinsolu 2.2 Kasvi- ja eläinsolu 2.3 Eliöiden tyypilliset piirteet 2.4 Mikä on laji? 2.5 Lajien lukumäärä 2.6 Lajin määrittelyn ongelmatapauksia 3.-4.1 Lämpötilan vaikutus lajimäärään 3.-4.2 Lämpötilan ja sademäärän vaikutus kasvillisuuteen 3.-4.3 Lämpötilan vaikutus ihmiseen 3.-4.4 Korkeus- ja syvyysennätyksiä 3.-4.5 Säteilytyypit 3.-4.6 Kasvien sopeutuminen kuiviin oloihin 3.-4.7 Lajin levinneisyysalueen laajenemisen ongelmat 3.-4.8 Lämpötilan ja säteilyn määrän vaikutus lajimäärään 5.1 Kasvukauden pituus vuorokausina 5.2 Talvehtiminen 5.3 Lumipeite 5.4 Koivun vuosi 5.5 Kasvien valojaksoisuus 6.1 Fossiilit evoluution todisteina 6.2 Fossiilit 6.3 Fossiilit eri aikakausilla 6.4 Fossiilisarja 6.5 Yksilönkehityksen samankaltaisuus 6.6 Johtofossiili 6.7 Perimän vertailu 7.1 Eliökunnan sukupuu 7.2 Kasvikunnan evoluutio 7.3 Millerin koe 7.4 Evoluution päätapahtumat 7.5 Eliökunnan kehitys 8.1 Eliökunnan sukupuu 8.2 Keuhkojen evoluutio 8.3 Burgessin esiintymä 8.4 Liskolintu 9.-10.1 Kädellisten sukupuu 9.-10.2 Ihmisen evoluutio 9.-10.3 Ihmisen ja gorillan eroavuudet 11.1 Suvuton lisääntyminen 11.2 Kasvien kloonaus 11.3 Lajien risteytymisen estäviä mekanismeja 11.4 Sukupolvenvuorottelu 11.5 Tuomikirvan lisääntyminen 12.1 Evoluution tasot 12.2 Pussieläinten sopeutumislevittäytyminen Australiassa 12.3 Havaijinpeippojen sopeutumislevittäytyminen 12.4 Sukupuuttoaallot 12.5 Maantieteellinen isolaatio 13.1 Ihminen eläinkunnan järjestelmässä 13.2 Petoeläinten lahko 13.3 Terva- ja harmaaleppä 14.1 Bakteerin luokitus ja rakenne 14.2 Arkkibakteerit eli arkit 14.3 Levät 14.4 Siimaeliöt 15.1 Kasvien luokittelu 15.2 Kasvilajien määrä 16.1 Eläinkunta 16.2 Selkäjänteiset 16.3 Nisäkkäät 16.4 Hengitys 16.5 Verenkierrot 17.1 Ekosysteemi 17.2 Järven ekosysteemi 17.3 Ravinteiden ja energian kulku 18.1 Ekologisia pyramideja 18.2 Yksilöpyramidi ja biomassapyramidi 18.3 Ekosysteemin energiatalous 18.4 Energian kulku ekosysteemissä 19.1 Populaation kokoon vaikuttavat tekijät 19.2 Lisääntymisstrategiat 19.3 Yksilöpyramidit ja eloonjäämiskuvaajat 19.4 Montako munaa lintuemo munii? 19.5 Montako munaa lintuemon kannattaa munia? 20.1 Populaation koon kasvu ja vaihtelu 20.2 Kannanvaihtelut 20.3 Lajinsisäisen kilpailun vaikutus yksilömäärään 20.4 Lajinsisäisen kilpailun vaikutus kasvunopeuteen 3

21.-22.1 Peto saalis -suhde 21.-22.2 Peto saalis -suhteen kokeellinen tutkiminen 21.-22.3 Petojen vähenemisen seuraukset 21.-22.4 Lajienvälinen kilpailu 21.-22.5 Lajienvälisen kilpailun seuraukset 21.-22.6 Kasvien puolustautuminen kasvinsyöjiä vastaan 21.-22.7 Lajienväliset hyötysuhteet 23.1. Saaren koon ja sijainnin vaikutus lajikirjoon 24.1 Lintujen muutto 24.2 Metsän sukkessio 24.3 Vaistotoimintoja 25.1 Oppiminen 25.2 Ongelmanratkaisukyky 25.3 Linnun laulu INTERNET-SIVUILLA OLEVAT KIRJAN KUVAT 36A Liskolintu 37A Hevosten evoluution fossiilisarja 37B Raajojen rakenteen samankaltaisuus 39B Evoluution vaiheita 40A Kemiallinen evoluutio meressä 41A Aitotumaisen solun synty 42A Kasvikunnan pääryhmien evoluutio 45A Elämän vanhan ajan meri 47A Eläinten sukupuu 48A Dinosauruksia 49A Selkärankaisten kehitys 70B Kirjoahventen sopeutumislevittäytyminen 85A Sammalen lisääntyminen 86B Siemenkasvin rakenne 87B Koppisiemenisen kasvin pölytys ja hedelmöitys 88A Yksi- ja kaksisirkkainen kasvi 91C Kastemato 91B Kotilo 92 Niveljalkainen 93B Piikkinahkainen 95A Kissa 99B Metsän ravintoverkko 100A Ravinteiden kierto ekosysteemissä 102A Kasvien nettotuotanto 104C Lehmän ekologinen tehokkuus 119B Lumikot ja myyrät 120A Lumikenkäjänikset ja ilvekset s. 40-41 Evoluution päätapahtumat 4

ELÄMÄN EDELLYTYKSET

1.1 MITÄ BIOLOGIA ON? Luonnontiede, joka tutkii eläviä järjestelmiä eliöitä niiden rakennetta yhteisöjä Luokittelu eliöryhmän mukaan eläintiede kasvitiede sienitiede mikrobiologia Luokittelu organisaatiotasojen mukaan molekyylibiologia solubiologia histologia anatomia morfologia ekologia Luokittelu tutkittavan ilmiön mukaan perinnöllisyystiede evolutiikka fysiologia paleontologia embryologia ekologia taksonomia ja systematiikka 6

1.2 BIOLOGIAN ASEMA Luonnontieteitä fysiikka biofysiikka kemia biokemia luonnonmaantiede Yhteiskuntatieteitä sosiologia psykologia kulttuurimaantiede BIOLOGIA Soveltavia aloja: maanviljely lääketiede liikuntatiede karjanhoito metsänhoito riista- ja kalatalous elintarviketeollisuus bioteknologia 7

1.3 HAVAINNOIVA TUTKIMUS Havainto: Tehdas päästää ympäristöön monia raskasmetalleja. Hypoteesi: Tehtaan raskasmetallipäästöt vaikuttavat haitallisesti lintujen pesimistulokseen. Järjestelmällinen havainnointi: Selvitetään pesimistulosta lähellä tehdasta ja kaukana tehtaasta. Aineistoa kerätään usean vuoden ajan sadoista pesistä. Tutkimuslajiksi sopii lintulaji, joka on runsas ja jonka pesä on helppo löytää, esimerkiksi talitiainen. Uusi tieto: Tehtaan lähellä lintujen pesimistulos on huono. Syynä lienevät raskasmetallit. Uusi tutkimus: Miksi pesimistulos tehtaan lähellä on huono? Vaikuttavatko raskasmetallit munien laatuun vai ravinnon laatuun tai määrään? 8

1.4 KOKEELLINEN TUTKIMUS 1. Hypoteesi: Xylitol vähentää hampaiden reikiintymistä. 2. Aineiston valinta: Valitaan tietyin ehdoin 400 lukion ykkösluokkalaista. 3. Satunnaistaminen: 200 opiskelijaa: viisi xylitol-purukumia päivässä 200 opiskelijaa: viisi tavallista purukumia päivässä 4. Tulosten mittaaminen: Tutkitaan koeryhmien jäsenten hampaiden reikiintyminen vuoden päästä. 5. Tilastollinen analysointi 6. Johtopäätösten teko ja uusien hypoteesien muodostaminen 9

2.1 KASVI- JA ELÄINSOLU ribosomeja tumakotelo tumajyvänen soluseinä solukalvo solunesterakkula mitokondrio viherhiukkanen solulimakalvosto KASVISOLU solulimakalvosto solukalvo tumajyvänen tumakotelo mitokondrio ribosomeja ELÄINSOLU 10

2.2 KASVI- JA ELÄINSOLU 11

2.3 ELIÖIDEN TYYPILLISET PIIRTEET 1. Yksilöllisyys 2. Aineenvaihdunta aineiden otto, aineiden poisto, uusia aineita muodostavat reaktiot, aineiden hajoamisreaktiot auringon valo CO 2 H 2 O yhteyttäminen hengitys sokeri O 2 O 2 CO 2 ruoka elimistön käyttöön hajotus ulosteet hengitys O 2 CO 2 3. Ärtyvyys 4. Syntyminen, kasvu ja kuolema 5. Lisääntyminen 6. Perinnöllisyys 7. Itsesäätelykyky 8. Sopeutuminen ja evoluutio Yksilö sopeutuu muuttuviin oloihin hetkellisesti. Myös lajin perimän ohjaamat ominaisuudet ovat evoluution aikana syntyneitä sopeutumia ympäristöoloihin. 12

2.4 MIKÄ ON LAJI? Linnaea borealis, vanamo Bufo bufo, rupikonna Linné oletti lajien olevan muuttumattomia. Lajit erotettiin toisistaan ulkonäön ja rakenteen perusteella. Laji on sellaisten yksilöiden joukko, jotka pystyvät lisääntymään (ainakin potentiaalisesti) keskenään. Biologinen lajikäsite. 13

2.5 TUNNETTUJEN LAJIEN LUKUMÄÄRÄ Kaikki eliöt: Lajien lukumäärä 1 413 000 Hyönteiset 751 000 Muut eläimet 281 000 Alkueläimet 30800 Korkeammat kasvit 248 400 Levät 26 900 Sienet 69 000 Virukset 1000 Alkueliöt (bakteerit ja vastaavat) 4800 Korkeammat kasvit: Lajien lukumäärä 248 400 Kaksisirkkaiset 170 000 Yksisirkkaiset 50 000 Paljassiemeniset 530 Sanikkaiset 10 000 Pieniä ryhmiä 1300 Sammalet 16 600 14

2.6 LAJIN MÄÄRITTELYN ONGELMATAPAUKSIA Nokivaris Corvus corone corone Varis Corvus corone cornix Risteymät harvinaisia ja niiden lisääntymiskyky heikko. Eri lajeja? Valkoinen muoto Lumihanhi Anser caerulescens Sininen muoto 1900-luvun alku. Erilliset levinneisyysalueet, erilainen ulkonäkö. Kaksi lajia? 2000-luvun alku. Levinneisyysalueiden laajeneminen. Eri muodot risteytyvät ja jälkeläisetkin ovat lisääntymiskykyisiä. Yksi laji? 15

3.-4.1 LÄMPÖTILAN MÄÄRÄN VAIKUTUS LAJIMÄÄRÄÄN a) Ritariperhosen suvun lajimäärä. b) Nisäkäslajien määrä Amerikassa. Nisäkäslajien määrä 160 120 80 40 0 Kanada USA Meksiko Keski- Amerikka 60 N 50 N 40 N 30 N 20 N 10 N 16

3.-4.2 LÄMPÖTILAN JA SADEMÄÄRÄN VAIKUTUS KASVILLISUUTEEN tundra taiga lehtimetsä savanni sademetsä aavikko -15-10 tundra -5 vuoden keskilämpötila C 0 5 10 15 20 taiga lehtimetsä sademetsä aro aavikko 25 30 50 100 150 200 250 300 350 400 450 savanni vuoden sademäärä cm 17

3.-4.3A LÄMPÖTILAN VAIKUTUS IHMISEEN C palautumattomat aivomuutokset lämmönsäätely ei palaudu itsestään kouristuksia normaali ruuminlämpö unisuus, aloitekyvyttömyys tajunta häviää vähitellen lämmönsäätely ei palaudu itsestään sydämen rytmihäiröitä refleksit katoavat hengitys pysähtyy sydän pysähtyy aivoturvotus Ruumiin lämpötilan vaikutus ihmisen elimistön toimintoihin. 18

3.-4.3B LÄMPÖTILAN VAIKUTUS IHMISEEN vesi +2 C 37 C kiihtynyt aineenvaihdunta lämmöntuottoa lisätään voimakkaat vilunpuistatukset 34 C 30 C 24 C voimattomuus turtumus aika lämmönsäätely pettää lihasvoima heikkenee muistinmenetys tajunnan häiriöt sydämen rytmihäiriöt lihasjäykkyys tajuttomuus huono reagointi ulkoisille ärsykkeille neurologiset oireet kammiovärinä lihasvelttous kuolema 19

3.-4.4 KORKEUS- JA SYVYYSENNÄTYKSIÄ paine km 300 maanpinnan paine 1% 40 20 alppivaris 11 10 9 8 vuoristokiipeilijä 50 % 7 6 5 vikunjia urheilijoiden valmennusleiri 4 3 2 1 m 0 paineilmasukelluspuku 300 m sukelluspuku 50 m 100 % 0 1 2 atomisukellusvene 3 4 5 6 7 500 1000 sukelluskello 8 9 2000 10 11 3000 4000 20

3.-4.5 SÄTEILYTYYPIT SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY violetti sininen vihreä keltainen oranssi punainen 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm NÄKYVÄ VALO Aallonpituus 0,001 nm 0,01 nm 0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m a gammasäteily röntgensäteily ultra violetti infrapuna- mikroaallot radioaallot säteily Auringon säteilyjakauma b 100% 50% Ilmakehän läpäisykyky hapen ja typen otsonin absorptio absorptio vesihöyryn absorptio c optinen ikkuna infrapunaikkuna radioikkuna 21

3.-4.6 KASVIEN SOPEUTUMINEN KUIVIIN OLOIHIN 1. Pienet lehdet, lehtien pintakerros ei läpäise vettä. Eräillä kasveilla ei ole lehtiä lainkaan. 4. Juuret ulottuvat syvälle maahan ja hienot juurikarvat tunkeutuvat pieniinkin rakoihin. 1 4 2 3 2. Pystyasento, jolloin auringon säteet kohdistuvat mahdollisimman pieneen osan kasvia. 3. Rungossa vesivarasto. 5. Sopeutuminen lyhyisiin, harvoin sattuviin sadejaksoihin. Jerikon ruusu Anastatica hierochuntica lepokausi kukkiminen siementen tuottaminen lepokausi 22

3.-4.7 LAJIN LEVINNEISYYSALUEEN LAAJENEMISEN ONGELMAT Kirjosieppo levisi pohjoisimpaan Lappiin 1960-luvulla. Kirjosieppo saalistaa ilmasta ja maasta liikkuvia hyönteisiä. Suotuisana kesänä sieppo pystyy pesimään Lapissa menestyksekkäästi. Jos huono sääjakso yllättää, pesueet tuhoutuvat ravinnonpuutteen takia. 25 C mm 25 50 K U O L L E E T 20 15 10 5 20 15 10 5 40 30 20 10 Kuolleet pesäpoikaset Keskilämpötila Sademäärä 0 1.7. 5.7. 9.7. 13.7. PÄIVÄMÄÄRÄ 0 0 Kirjosieppo ei löydä ruokaa, koska hyönteiset piiloutuvat kylmän sääjakson aikana kasvillisuuden joukkoon. 50 ruokintakertoja/tunti 25 0 ilman lämpötila C 0 10 20 30 Alle 4 C:n lämpötilassa ruokinta loppui kokonaan. 23

3.-4.8 LÄMPÖTILAN JA SÄTEILYN MÄÄRÄN VAIKUTUS LAJIMÄÄRÄÄN 180 160 140 Puiden lajimäärä 120 100 80 60 40 20 0 100 300 500 700 900 1100 Haihdunta maasta ja kasveista (mm/vuosi) 200 Selkärankaisten lajimäärä 100 50 10t 500 1,000t 1,500 2,000 Haihdunta maasta ja kasveista (mm/vuosi) 24

5.1 KASVUKAUDEN PITUUS VUOROKAUSINA 110 150 160 150 170 160 170 300 200 260 vrk 220 200 260 220 220 220 300 300 260 260 300 Kasvukausi on se ajanjakso, jolloin vuorokausien keskilämpötila on pysyvästi yli +5 C. 25

5.2A TALVEHTIMINEN KASVIEN JA SIENTEN TALVEHTIMISMUOTOJA jäkälä sammal Mitkä osat talvehtivat? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SUURPERHOSTEN ERI TALVEHTIMISTAPOJA % 100 50 46 36 0 14 4 26

5.2B TALVEHTIMINEN TALVENVIETTOTAPOJA aktiivinen talvehtiminen talviuni talvihorros kylmänhorros talvehtivat eläimet useimmat nisäkkäät, talvehtivat linnut mäyrä, karhu, supikoira siili, lepakot, koivu- ja tammihiiri matelijat, selkärangattomat ruumiinlämpö normaali normaali alhaisimmillaan +2 C alhaisimmillaan 2 C elintoiminnot normaalit normaalit hidastuneet, tajuttomuus erittäin vähäiset, syvä tajuttomuus 27

5.3 LUMIPEITE C -18 cm 150 700 57 175 Lumipeitteen paksuuntuessa jänis ulottuu korkeammalla oleviin oksiin. jäniksen suojatunneli 42 pikkunisäkkäiden tunneleita 10 14-20 0 +2-15 20 riekon kieppi -10 40-0 60 80 Lumesta on hyötyä ja haittaa eläimille. Lumessa liikkuvien eläinten uppoavuutta osoittavat kuvassa numerot (esim. 20 g/cm 2 ). Mitä pienempi luku on, sitä paremmin eläin on sopeutunut liikkumaan lumessa. 28

5.4 KOIVUN VUOSI Talveentumista ohjaavat geenit aktivoituvat. Silmut muodostuvat. Lehtivihreän aineita varastoituu runkoon. TALVEENTUMINEN 0-5 C LOPULLINEN KARAISTUMINEN < 0 C Soluista siirtyy vettä ulkopuolelle. Solujen sokeripitoisuus kasvaa. TALVILEPO päivien lyheneminen paksuuskasvu yhteyttäminen viii ix x xi xii i juurten AKTIIVINEN pituuskasvu vii ii kasvu vi v iv iii VAIHE TALVILEVOSTA HERÄÄMINEN päivien piteneminen Solujen vesipitoisuus kasvaa, nestevirtaus alkaa ja silmut turpoavat. lämpötilan kohoaminen 29

5.5 KASVIEN VALOJAKSOISUUS lyhyen päivän kasvi päivän pituus tunteina 6 8 10 12 14 16 18 pitkän päivän kasvi Erilaisten valojaksoisuuksien vaikutus lyhyen ja pitkän päivän kasvien kukkimiseen. epänormaalin pituinen vuorokausi lyhyen päivän kasvi pitkän päivän kasvi 8 16 24 32t normaalin pituinen vuorokausi kukkii pimeä jakso valoisa jakso Mikä näyttää ratkaisevan, kukkiiko kasvi vai ei? 30

EVOLUUTIO

KIVETTYMÄ 6.1 FOSSIILIT EVOLUUTION TODISTEINA Liskolintu Matelijan rakenteita: hampaat häntä kynnelliset varpaat siivissä Linnun rakenteita: höyhenet siivet jalat varpaiden asento Radioaktiivisen 14 C:n käyttö iän määrityksessä 1. Kosminen säteily synnyttää typestä radioaktiivista hiiltä. 2. Hiili ja happi yhtyvät. 3. Kasvit yhteyttävät. 4. Kasvinsyöjät syövät kasveja. 5. Radioaktiivisen 14 C:n ja tavallisen 12 C:n suhteen määrittäminen. 32

6.2 FOSSIILIT miljoonaa vuotta sitten 100 200 300 400 500 varsieväkala tuatara vesinokkaeläin molukkirapu alkunilviäinen helmivene lonkerojalkainen käpypalmu neidonhiuspuu araukaria 33

6.3 FOSSIILIT ERI AIKAKAUSILLA Kunkin ikäisessä kerrostumassa on sille tyypillisiä fossiileja. MAA 0 Kenotsooinen kausi Paleotsooinen kausi Mesotsooinen kausi Kvartääri Tertiääri Liitu Jura Trias Permi Hiili Devoni Siluuri Ordoviikki Kambri 65 250 570 merimakkaroita koralleja trilobiitteja pääjalkaisia MERI kotiloita helmiveneitä lonkerojalkaisia 34

6.4 FOSSIILISARJA Fossiilisarja osoittaa valaiden kehittyneen maalla eläneistä selkärankaisista. 65 35 miljoonaa vuotta sitten Mesonychids Pakicetus Ambulocetus Dalanistes Rodhocetus Takracetus Gaviocetus Basilosaurus Dorudon Mysticetes Hetulavalaat Hammasvalaat Odontocetes 35

6.5 YKSILÖNKEHITYKSEN SAMANKALTAISUUS IHMISEN ALKIO kidusraot KALA kidusverenkierto napanuora häntä A B C D E F G H 36

6.6 JOHTOFOSSIILI 250 milj. vuotta sitten Hiilikausi Devonikausi Siluurikausi Ordoviikkikausi 570 milj. vuotta sitten Eräät trilobiittiryhmät elivät vain lyhyen aikaa, vaikka niiden levinneisyys oli laaja. Tällaisia fossiileja käytetään maakerrostumien iän määrittämiseen, ja niitä kutsutaan johtofossiileiksi. 37

6.7 PERIMÄN VERTAILU a) Kromosomien värjääminen b) DNA-erojen vertailu Kanarian saarilla pesii kanarianpeippo (Fringilla teydea) ja suomalaisillekin tuttu peippo (Fringilla coelebs). Ne eivät risteydy keskenään. Molekyylikellon perusteella kanarianpeipon oletetaan eriytyneen tavallisesta peiposta noin miljoona vuotta sitten. Mutaatioiden nopeudesta saadaan tietoa vertaamalla fossiilien DNA:ta nykyisin elävien lajitoverien DNA:han sekä vertailemalla sellaisten lajien DNA:ta, joiden ajankohta eristyksiin joutumisesta tiedetään. 38

7.1 ELIÖKUNNAN SUKUPUU sienet kasvit eläimet AITO- TUMAI- SET alkueliöt arkit bakteerit ESI- TUMAI- SET 39

7.2 KASVIKUNNAN EVOLUUTIO MAAIL- MAN- KAUDET KAUDET MILJ. VUOTTA SITTEN VALTIASRYHMÄT ELÄMÄN UUSI AIKA kenotsooinen kausi kvartäärikausi tertiäärikausi 25 65 liitukausi ELÄMÄN KESKIAIKA mesotsooinen kausi jurakausi triaskausi 250 permikausi hiilikausi ELÄMÄN VANHA AIKA paleotsooinen kausi devonikausi siluurikausi ordoviikkikausi kambrikausi 570 ELÄMÄN ALKUAIKA prekambrinen kausi 3800 40

7.3 MILLERIN KOE + elektrodit H 2 CO 2 NH 3 CH 4 H 2 O jäähdytysvesi ammoniakkia metaania vetyä vettä Syntyi orgaanisia yhdisteitä, kuten aminohappoja, valkuaisaineita ja nukleiinihappojen osia. 41

7.4 EVOLUUTION PÄÄTAPAHTUMAT ESITUMAISET aito bakteerit arkit alkueliöt AITOTUMAISET kasvit sienet eläimet 42

7.5 ELIÖKUNNAN KEHITYS 65 ELÄMÄN UUSI AIKA ELÄMÄN KESKIAIKA nisäkkäät saniaispuu linnut liskolintu neidonhiuspuu alkuhevonen mammutti 250 paljassiemeniset saniaispuu hirmulisko TRIAS JURA LIITU TERTIÄÄRI KVARTÄÄRI matelijat sanikkaiset ELÄMÄN VANHA AIKA levä PERMI HIILI DEVONI levät SILUURI 3700 milj. vuotta sitten ORDOVIIKKI leuaton kala KAMBRI trilobiitti arkkibakteereja koppisiemeniset sammakkoeläimet maakasvit alkumatelija kalat varsieväkala panssarisammakko bakteereja yksisoluiset eliöt syanobakteereja monisoluiset eliöt 570 ELÄMÄN ALKUAIKA 43

8.1 ELIÖKUNNAN SUKUPUU eläimet kasvit sienet niveljalkaiset matelijat nisäkkäät meritähdet kalat sammakkoeläimet istukattomat nisäkkäät simpanssit ihmiset sorkkaeläimet valaat linnut krokotiilit iguaanit liskot käärmeet nilviäiset äyriäiset hämähäkit hyönteiset polttiaiseläimet sienieläimet sienet hiivat koppisiemeniset paljassiemeniset sanikkaiset sammlet viherlevät bakteerit höyhenet istukka siemenet karvoitus, tasalämpöisyys ulkoinen tukiranka johtosolukko sikiövesi sormet leuat selkäranka hermosto ja verenkierto viherhiukkaset Oletettu yhteinen piirre mitokondrio, tuma yhteinen esi-isä 44

8.2 KEUHKOJEN EVOLUUTIO uimarakko sierainkuoppa nykyinen LUUKALA ruuansulatuskanava keuhkona toimiva uimarakko sukupuuttoon kuollut suolattoman veden VARSIEVÄKALA sierainaukko ruuansulatuskanava ruuansulatuskanava sierainaukko SAMMAKKOELÄIN keuhkot 45

8.3 BURGESSIN ESIINTYMÄ Erääseen kanadalaiseen kallioon (ns. Burgessin esiintymä) on tallentunut fossiileina kambrikauden matalan meren eliöstöä. Eliöstö on ollut hyvin monimuotoista, mm. niveljalkaisten rakenne vaihteli suuresti. Lajisto oli kehittynyt 20-50 miljoonassa vuodessa. Lajit myös kuolivat sukupuuttoon nopeasti. Nopean evoluution vaihe (n. 570 560 miljoonaa vuotta sitten) monia sukupuuttoon kuolleita eliöryhmiä nykyisten eläin- ja kasviryhmien edeltäjiä 46

8.4 LISKOLINTU kahdella jalalla kulkeva dinosaurus liskolintu Matelijan rakenteita: häntä hampaat kynnelliset varpaat siivissä lintu Linnun rakenteita: kallo siivet höyhenet varpaiden asento 47

9.-10.1 KÄDELLISTEN SUKUPUU vanhan maailman häntäapinat gibbonit orangit gorillat simpanssit ihminen 5 milj. vuotta sitten 6 milj. vuotta sitten 15 milj. vuotta sitten 18 milj. vuotta sitten 27 milj. vuotta sitten Alkukädelliset eli kädellisten esi-isät 75 65 milj. vuotta sitten 48

H. sapiens 0,04 0,2 H. heidelbergensis 0,5 9.-10.2 IHMISEN EVOLUUTIO H. neanderthalensis HOMO 1 2 H. erectus H. ergaster H. habilis H. rudolfensis A. robustus A. boisei miljoonaa vuotta sitten 3 4 5 AUSTRALOPITHECUS A. afarensis H. = Homo A. = Australopithecus A. africanus A. anamensis A. aethiopicus Kallon rakenteen kehittyminen Kallon rakenteen kehittyminen etelänapina (Australopithecus) pystyihminen (Homo erectus) neandertalinihminen (Homo neanderthalensis) nykyihminen (Homo sapiens) 400 cm3 1000 cm3 1500 cm3 1350 cm3 49

9.-10.3 IHMISEN JA GORILLAN EROAVUUDET suuret aivot kaartuva selkäranka lyhyt lantio lyhyet kädet suora selkäranka pienet aivot pitkät jalat pitkä lantio lyhyet jalat pitkät kädet 50

11.1 SUVUTON LISÄÄNTYMINEN Lisääntyminen ilman sukusoluja JAKAANTUMINEN ITIÖIDEN AVULLA KASVULLISESTI A) verson kappaleet B) rönsy C) mukula D) sipuli 51

11.2 KASVIEN KLOONAUS Mikrolisäys Kasvupisteen soluja siirretään viljelyyn. Kloonattu metsä Solukkoviljelmä Klooni Marjapensaiden kloonaus Pistokasmonistus Taivukasmonistus 52

11.3 LAJIEN RISTEYTYMISEN ESTÄVIÄ MEKANISMEJA Pariutumisen estävät 1. Lajit elävät eri ympäristössä. 2. Lajit lisääntyvät eri vuodenaikoina. 3. Lajien käyttäytymiserot estävät pariutumisen. Hedelmöityksen estävät 1. Lajien sukupuolielimet eivät sovi yhteen. 2. Vieraan lajin siittiö ei pysty tunkeutumaan munasoluun. Hedelmöitynyt munasolu ei kehity 1. Hedelmöitynyt munasolu ei pysty jakaantumaan tai elämään. Risteymä ei menesty 1. Risteymä ei pysty tuottamaan sukusoluja eli on steriili. 2. Risteymän elinkyky on heikko. 3. Risteymän tuottamien jälkeläisten elinkyky on heikko. 53

11.4 SUKUPOLVENVUOROTTELU itiöpesäke saniainen itiö suvuton lisääntyminen munapesäke suvullinen lisääntyminen pieniä meduusoja kuroutuu hedelmöityminen siittiöpesäke sukupuolielimet siittiöt suulonkerot polttiaiselimiä polyyppi toukka tsygootti 54

11.5 TUOMIKIRVAN LISÄÄNTYMINEN Tuomikirvalla on suvuttomia ja suvullisia sukupolvia. 14 C 10.6.-15.6. 3. heinät 2. 3.5.-4.5. 3.-4.6. kevät kesä 11 C 5 C talvi syksy 1. tuomi 5. 4. 1. Keväällä lepomunista kuoriutuu siivettömiä naaraita, jotka lisääntyvät partenogeneettisesti. 2. Toukista kehittyy, ympäristöoloista riippuen, siivettömiä tai siivellisiä naaraita. 3 C 3. Siivelliset naaraat lentävät viljoille tai heinille. Näillä väli-isäntäkasveilla syntyy partenogeneettisesti monia uusia naarassukupolvia. 4. Syksyllä syntyy partenogeneettisesti siivellisiä koiraita ja naaraita, jotka parittelevat. 5. Naaraat lentävät tuomelle munimaan. Munat talvehtivat. 55

12.1 EVOLUUTION TASOT A. KOSMINEN EVOLUUTIO Maailmankaikkeuden syntyminen, maapallon synty 4600 miljoonaa vuotta sitten. B. KEMIALLINEN EVOLUUTIO Monimutkaisten yhdisteiden syntyminen alkuaineista ja yksinkertaisista yhdisteistä. Edellytys elämän syntymiselle. C. BIOLOGINEN EVOLUUTIO Eliölajien vähittäinen muuttuminen siten, että jälkeläiset eroavat kantamuodoistaan. Perustuu - perinnöllisiin muutoksiin - luonnonvalintaan. 1. Mikroevoluuvio Populaatiossa tapahtuvat geenimuotojen muutokset. 2. Makroevoluutio Uusien lajien synty. Edellytyksenä populaation geneettinen erilaistuminen, jonka isolaatio mahdollistaa. 3. Megaevoluutio Suurten taksonomisten ryhmien synty. D. KULTTUURIEVOLUUTIO Yksilöiden käyttäytymisen muuttuminen yksilöstä toiselle siirtyvän oppimisen avulla. Koskee erityisesti ihmistä. 56

12.2 PUSSIELÄINTEN SOPEUTUMISLEVITTÄYTYMINEN AUSTRALIASSA varhainen pussieläin pussihukka susi kenguru jänis pussihiiri hiiri pussiliito-orava liito-orava Ausraliassa Ekologisten lokeroiden vastinlajit Muualla 57

12.3 HAVAIJINPEIPPOJEN SOPEUTUMISLEVITTÄYTYMINEN Lajiutuminen yhdestä peippolajista. Lajiutuminen on tapahtunut noin viidessä miljoonassa vuodessa. kona kauainakialoa palila akiapolaau ou amakihi papukaijapeippo iivi akepa mustamamo mauinkiipijä töyhtöpeippo 58

12.4 SUKUPUUTTOAALLOT miljoonaa vuotta sitten 545 440 360 250 205 65 Kambri Ordoviki Siluuri Devoni Kivihiili Permi Trias Jura Liitu Tertiääri heimojen lukumäärä mm. trilobiittejä sukupuuttoon sukupuuttoon sukupuuttoon hyönteisiä, sammakkoeläimiä sukupuuttoon sukupuuttoon mm. viimeiset dinosaurukset mm. kaloja mm. matelijoita 1. Ordoviikki/siluuri: Gondwanan mannerjäätikkö kasvoi, merenpinta laski, mm. koralliriuttoja tuhoutui. 2. Devoni/hiili: Ilmaston viileneminen, matalan merten eliöyhteisöjä (mm. koralliriuttoja) tuhoutui, mm. panssarikalalajeja kuoli sukupuuttoon. 3. Permi/trias: Ilmaston viileneminen ja monien meriekosysteemien tuhoutuminen. 90% merten lajeista kuoli sukupuuttoon. Mm. korallieläinten ja mustekalojen lajimäärät romahtivat. 4. Trias/jura: Mahdollisesti meteoriitin aiheuttama suuri ilmastonmuutos, merenpinnan lasku. Mm. monet matelijaryhmät kuolivat. 5. Liitu/tertiääri: Meteoriitti ja/tai tulivuoritoiminta aiheutti ilmaston ja merenpinnan korkeuden muutoksia. Monet merimatelijalajit, nilviäisryhmät ja hirmuliskot kuolivat sukupuuttoon. Viimeisen jääkauden jälkeen monet suuret maanisäkkäät (mammutti, luolakarhu, villasarvikuono, jättiläismajava jne.) kuolivat sukupuuttoon ainakin osittain ihmisen harjoittaman metsästyksen takia. Viimeisen sadan vuoden aikana ihmisen aiheuttama uusi sukupuuttoaalto. 59

12.5 MAANTIETEELLINEN ISOLAATIO Yksi kasvilaji elää laajalla alueella. Merenpinnan nousun seurauksena kaksi populaatiota eristyvät toisistaan. Lajiutumisen seurauksena on syntynyt kaksi lajia, jotka eivät risteydy uudella yhteisellä asuinalueella. 60

13.1 IHMINEN ELÄINKUNNAN JÄRJESTELMÄSSÄ ELÄINKUNTA PÄÄJAKSO Chordata Selkäjänteiset LUOKKA Mammalia Nisäkkäät LAHKO Primates Kädelliset HEIMO Hominidae SUKU Homo LAJI Homo sapiens 61

13.2 PETOELÄINTEN LAHKO Laji Panthera pardus (leopardi) Mephitis mephitis (haisunäätä) Lutra lutra (saukko) Canis familiaris (koira) Canis lupus (susi) Suku Panthera Mephitis Lutra Canis Heimo Felidae Mustelidae Canidae Lahko Carnivora 62

13.3 TERVA- JA HARMAALEPPÄ Kasvikunta Kaari Siemenkasvit, Spermatophyta Alakaari Koppisiemeniset, Dicotyledonae Luokka Kaksisirkkaiset, Magnoliatae Lahko Heimo Suku Fagales Koivukasvit, Betulaceae Alnus Alnus incana, harmaaleppä Alnus glutinosa, tervaleppä 63

14.1 BAKTEERIEN LUOKITUS JA RAKENNE BAKTEERIT AITOBAKTEERIT ARKIT ELI ARKKIBAKTEERIT VARSINAISET BAKTEERIT SYANOBAKTEERIT Pieniä, koko yleensä alle 1 µm. Ei tumakoteloa. Ei erillisiä soluelimiä. Lisääntyminen jakautumalla populaation nopea kasvu. siima mesosomipoimuja ribosomeja plasmidi solulima kromosomi kapseli soluseinä solukalvo Bakteeri 64

14.2 ARKKIBAKTEERIT ELI ARKIT Eroavat perimältään, solurakenteeltaan ja valkuaisaineiden valmistuksen osalta aitobakteereista. Useimmat ovat omavaraisia. Yleisiä mm. pohjoisten alueiden metsien maaperässä viileiden merien planktonissa. Monet elävät äärimmäisissä oloissa kuumissa lähteissä happamissa oloissa suolaisissa vesissä. 65

14.3 LEVÄT Alkueliöihin kuuluvia aitotumallisia. Monet mikroskooppisen pieniä. Osa monimetrisiä jättiläisiä. VIHERLEVÄT yksi- tai monisoluisia yleisiä vesissä, mutta myös maaperässä läheistä sukua sammalille RUSKOLEVÄT monisoluisia, yleensä suurikokoisia merissä ja murtovesissä rakkolevä PUNALEVÄT suurin osa merissä monisoluisia 66

14.4 SIIMAELIÖT Monimuotoinen eliöryhmä. Siimallisia yksisoluisia alkueliötä. Aitotumaisia. Osa lajeista elää yhdyskuntina, joissa solujen välillä on työnjakoa. Osa yhteyttäviä. Osa toisenvaraisia vapaasti eläviä tai loisivia. Mm. unitaudin aiheuttaja Trypanosoma. 67

15.1 KASVIEN LUOKITTELU SAMMALET SANIKKAISET kortteet liekot saniaiset Sammalet Sanikkaiset Paljassiemeniset Koppisiemeniset Monisirkkaiset PALJASSIEMENISET KOPPISIEMENISET 1-sirkkaiset Siemenet Lehdet Varret Juuret Kukat 2-sirkkaiset 68

15.2 KASVILAJIEN MÄÄRÄ (Pääryhmän mukaan) Korkeammat kasvit: Lajien lukumäärä 248 000 Kaksisirkkaiset 170 000 Yksisirkkaiset 50 000 Paljassiemeniset 530 Pieniä ryhmiä 1300 Sammalet 16 600 Sanikkaiset 10 000 69

16.1 ELÄINKUNTA sienieläimet polttiaiseläimet kampamaneetit laakamadot limamadot sukkulamadot rataseläimet nilviäiset nivelmadot niveljalkaiset piikkinahkaiset selkäjänteiset säteittäissymmetrisyys kaksikylkisyys monisoluisuus 70

16.2 SELKÄJÄNTEISET suikulaiset vaippaeläimet leuattomat rustokalat luukalat sammakkoeläimet matelijat linnut nisäkkäät höyhenet maitorauhaset karvat sikiövesi raajat ja keuhkot leuat selkäranka esiselkärankaiset Selkärankaisten fylogeneettinen puu. Jokaisella luokitellulla jäsenellä on kehittynyt ominaisuuksia, jotka ovat yhteisiä muiden kanssa haarautumiskohdasta lähtien. 71

16.3 NISÄKKÄÄT Luokka Mammalia, nisäkkäät Alaluokka Protheria, munivat nisäkkäät Lahko Monotremata, nokkaeläimet Alaluokka Theria, synnyttävät nisäkkäät Osaluokka Metatheria, istukattomat nisäkkäät Lahko Marsupialia, pussieläimet Osaluokka Eutheria, istukkanisäkkäät hyönteissyöjät lepakot kädelliset vajaahampaiset valaat petoeläimet jäniseläimet jyrsijät putkihampaiset norsut kavioeläimet sorkkaeläimet 72

16.4 HENGITYS ILMAPUTKET CO 2 O 2 ilmaputkisto KIDUKSET kiduslehti KEUHKOT keuhkoputken haara O 2 CO 2 keuhkorakkula 73

16.5 VERENKIERROT yksinkertainen verenkierto kaksinkertainen vaillinainen verenkierto kaksinkertainen täydellinen verenkierto kidukset keuhkot keuhkot pieni verenkierto vähähappista kammio eteinen hapekasta eteiset kammio eteiset kammiot suuri verenkierto kudokset kudokset kudokset 74

MITEN LUONTO TOIMII? 75

17.1 EKOSYSTEEMI yksilö populaatio eliöyhteisö ekosysteemi 76

17.2 A JÄRVEN EKOSYSTEEMI ravintoketju populaatio 77

17.2 B alueen eliöyhteisö eloton luonto } ekosysteemi ravintoverkko 78

17.3 RAVINTEIDEN JA ENERGIAN KULKU tuottajat kuluttajat ravinteita hajottajat kasvien käyttöön Ravinteiden kierto auringon energia 50 % nettotuotanto energiasta poistuu 90 % energiasta poistuu poistuu 90 % energiasta 10 % Energian virta 79

18.1 EKOLOGISIA PYRAMIDEJA trofiatasot BIOMASSAPYRAMIDI kuiva-aine g/m 2 YKSILÖPYRAMIDI yksilöä /m 2 III kuluttajat II kuluttajat I kuluttajat tuottajat 0,1 0,66 1,25 17,7 lammikko 15 100 1,5 x 10 4 7,2 x 10 10 lammikko ENERGIAPYRAMIDI III kuluttajat II kuluttajat I kuluttajat eläinplankton tuottajat kasviplankton ohivirtaus n. 90 n. 10 nettotuotanto 50% bruttotuotanto 80

18.2 YKSILÖPYRAMIDI JA BIOMASSAPYRAMIDI Yksilöiden lukumäärän pyramidi 1 100 100 000 2 milj. 10 milj. 1. 2. 3. 4. 5. Biomassan pyramidi e d c b a 81

18.3 EKOSYSTEEMIN ENERGIATALOUS TUOTTAJAT bruttotuotanto hengitys nettotuotanto 0 5 10 15 20 25 30 35 40 C Lämpötilan vaikutus kasvin yhteyttämiseen, hengitykseen ja kasvuun LÄMPÖENERGIAA syöty ravinto KULUTTAJAT imeytynyt elimistöön eläinkudosta seuraavan ravintoportaan käytössä jäänyt sulamatta kulutettu hengityksessä energian vapauttamiseksi 82

18.4 ENERGIAN KULKU EKOSYSTEEMISSÄ 50 % ei imeydy viherhiukkasiin 100 % 31 % lämpöenergiaa 40 % 5 % heijastuu sokeria 9 % bruttotuotanto 5 % nettotuotanto 4 % lämpöenergiaa soluhengityksessä 5 % läpäisee 83

19.1 POPULAATION KOKOON VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Populaation koko ilmoitetaan yleensä arvioituna tiheytenä, esim. yksilöä/km 2. syntyvyys kuolevuus tulomuutto lähtömuutto 150 120 100 80 60 40 Tiltaltin kannanmuutosindeksi 1979 1999 1980 1985 1990 1995 Käyrä havainnollistaa tiltaltin vähenemistä Suomessa. Nykyinen kanta on luultavasti noin puolet siitä, mitä maassa pesi 1940-50 luvuilla. runsaus (vuoden 1988 kanta = 100) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1986 1987 Kyhmyjoutsen Suomen merialueilla 1986 2003 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 84

19.2 LISÄÄNTYMISSTRATEGIAT Ympäristö nopeasti vaihtuva vakaa Lisääntymisikä alhainen korkea Elinikä lyhyt pitkä Jälkeläisten määrä suuri pieni Jälkeläisten koko pieni suuri Jälkeläisistä huolehtiminen huono hyvä Yksilönkehitys nopea hidas Ruumiinkoko pieni suuri Eloonjäämiskuvaaja tyyppi C tyyppi B tai A Populaation koko vaihtelee suuresti suhteellisen vakaa Esimerkkilajeja voikukka, rotta kuusi, karhu 85

19.3 YKSILÖPYRAMIDIT JA ELOONJÄÄMISKUVAAJAT 1 2 3 eloonjääneiden määrä B (ihminen) A (lintu) C (kala) ikä 86

19.4 MONTAKO MUNAA LINTUEMO MUNII? Kuningaspingviini Yksi muna, jota haudotaan lähes 2 kuukautta. Kotka 2 3 munaa, ravintotilanteen heikentyessä ehkä vain 1 poikanen selviytyy. Töyhtöhyyppä Neljä suurta munaa. Sinitiainen 11 pientä munaa. 87

19.5 MONTAKO MUNAA LINTUEMON KANNATTAA MUNIA? Pesueen koko on osittain perimän määräämä. Yleisin pesuekoko on myös tuottoisin. 3 1959 lentopoikasia 2 1 1958 0 vähennetty 1-2 munaa pesästä 1 2 3 4 normaalipesue munia pesässä lisätty 1-2 munaa pesään Suuri pesue myös kuluttaa emojen energiavaroja, joten suuren poikueen kasvattaminen heikentää säilymistä elossa seuraavaan lisääntymiskertaan. 88

20.1 POPULAATION KOON KASVU JA VAIHTELU J- ja S-käyrät yksilöitä yksilöitä J-käyrä aika S-käyrä aika populaation koko aika populaation koko ympäristön kantokyky aika 89

20.2 KANNANVAIHTELUT PYY SUOMESSA MERIKOTKA SUOMESSA pyy merikotka paria 120 runsaus 100 80 60 40 20 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1960 1970 1980 1990 1995 90

20.3 LAJINSISÄISEN KILPAILUN VAIKUTUS YKSILÖMÄÄRÄÄN Hinkalokuoriaisen munia asetettiin koealoille 10 eri tiheyteen. 35 30 1 2 25 jälkeläisiä 20 15 10 Tribolium confusum 5 0 20 60 100 140 munia alueella 1) Tiheämpi populaatio tuotti enemmän jälkeläisiä. 2) Hyvin tiheissä populaatioissa jälkeläisten määrä laski, kun tiheyden kasvaessa ravinto loppui. 91

20.4 LAJINSISÄISEN KILPAILUN VAIKUTUS KASVUNOPEUTEEN Sammakon (Rana tigrina) ruumiinpainon vaihtelu suhteessa yksilömäärään. (5 160 yksilöä/akvaario) 1,0 5 10 20 Rana tigrina 0,8 40 ruumiinpaino 0,6 0,4 80 160 0,2 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 aika (viikkoja) 92

21.-22.1 PETO SAALIS -SUHDE eläinten lukumäärä tuhansina 140 120 100 80 60 40 20 kanadanilves lumikenkäjänis turkistilastojen mukaan 1845 1855 1865 1875 1885 1895 1905 1915 1925 10 10 1+ sopuleita 1 0,1 kärppiä 0,1 0,001 0,01 1988 1992 1996 2000 0,00001 kaulussopuli kärppä 93

21.-22.2 PETO SAALIS -SUHTEEN KOKEELLINEN TUTKIMUS Vaikuttaako jänisten määrään ruuan määrä tai laatu vai petojen määrä? Kokeeseen valittiin yhdeksän neliökilometrin kokoista havumetsäaluetta. Annettiin lisäruokaa. Ilvesten pääsy estettiin sähköaidalla, ei lisäruokaa. Jänisten määrä Kontrolli Kannan kehitys 11 vuoden aikana Jänisten määrä Kontrolli Kannan kehitys 11 vuoden aikana Annettiin lisäruokaa ja ilvesten pääsy estettiin. Ruoan laatua parannettiin typpilannoituksella. Ei lisäruokaa eikä ilves-aitaa. Jänisten määrä Jänisten määrä Kontrolli Kannan kehitys 11 vuoden aikana Kontrolli Kannan kehitys 11 vuoden aikana 94

21. 22.3 PETOJEN VÄHENEMISEN SEURAUKSET Susien lukumäärä 60 50 40 2000 hirvi 1800 1600 1400 1200 30 20 10 susi 1000 800 60 40 20 0 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Vuosi Hirvien lukumäärä peurojen lukumäärä 100 000 Ensimmäiset vasat kuolivat. 60 % kannasta kuoli nälkään kahden talven aikana. 50 000 alueen kantokyky = 30 000 yksilöä Luontaiset pedot pitivät kannan kantokyvyn alapuolella. kantokyky ylilaidunnuksen jälkeen 1900 1910 1920 1930 1940 3 000 kojoottia,600 puumaa ja 11 sutta tapettiin 1907 1923 95

21.-22.4 LAJIENVÄLINEN KILPAILU a) Resurssikilpailu Kilpaillaan samasta resurssista, esimerkiksi ravinnosta, olematta kosketuksissa toisen kanssa. b) Häirintäkilpailu Kilpailijat ovat kosketuksissa toistensa kanssa tai erittävät myrkyllistä ainetta. 96

21.-22.5 LAJIENVÄLISEN KILPAILUN SEURAUKSET populaation tiheys Paramecium aurelia yksin Paramecium caudatum yksin a) Syrjäyttävä kilpailu lajit yhdessä päiviä nousuvesi Chthamalus b) Vaikutus levinneisyyteen kilpailu Balanus töyhtötiainen mantereella hömötiainen laskuvesi kuusitiainen c) Erilaiset ekologiset lokerot ovat seurausta kilpailusta. Gotlannissa kuusitiainen 97

21.-22.6 KASVIEN PUOLUSTAUTUMINEN KASVINSYÖJIÄ VASTAAN A. MEKAANINEN PUOLUSTUS B. KEMIALLINEN PUOLUSTUS Osa varsinaisia myrkkyjä, osa sekoittaa kasvinsyöjän hormonitoiminnan. C. MUTUALISMI Trooppisessa Amerikassa kasvava akaasialaji on sisältä ontto, joten muurahaiset voivat pesiä puun sisällä. Lisäksi muurahaiset saavat energiapitoista nestettä kasvin lehdiltä. Muurahaiset suojaavat puita kasvinsyöjiltä. 98

21.-22.7 LAJIENVÄLISET HYÖTYSUHTEET A. MUTUALISMI - molemminpuolinen hyötysuhde B. KOMMENSALISMI - toisenpuoleinen hyötysuhde 99

23.1 SAAREN KOON JA SIJAINNIN VAIKUTUS LAJIKIRJOON 400 200 100 kasvilajeja 50 25 10 5 92 W Culpepper 1 N Wenman Galapagossaaret Abingdon North Albemarle Tower Bindloe 0 päiväntasaaja Jervis Duncan Norborough Indefatigable Chatham 1 S Barrington South Albemarle Charles Hood 92 W 91 W 90 W 0,1 1 10 100 1000 maili 2 Ecuador 1000 km itään saaren koko - Mitä pienempi ja kauempana mantereelta saari on, sitä vähemmän siellä on lajeja: - vähäinen tulomuutto - vähän erilaisia biotooppeja. 100

24.1 LINTUJEN MUUTTO Lintujen muutto perustuu sekä vaistoihin että oppimiseen. Suomi Irlanti Lisääntymisalue Talvehtimisalue Alankomaat Iso- Britannia Valkovenäjä Liettua Sveitsi Espanja Kottaraisia kuljetettiin talvehtimisalueelta Sveitsiin: 1. Nuoret linnut muuttivat vaiston ohjaamina lounaaseen, eli siirtämisen seurauksena virheellisesti Espanjaan. 2. Aikuiset linnut osasivat tulkita kuljetuksen aiheuttaman muutoksen sijainnissa ja ne osasivat muuttaa oikeille talvehtimisalueille. 101

24.2 METSÄN SUKKESSIO paju leppä koivu mänty kuusi bruttotuotanto biomassa nettotuotanto hengitys 102

24.3 VAISTOTOIMINTOJA KERJÄYSREAKTIO SIJAISTOIMINTA atrappi HAUTOMISREAKTIO höyhenten puhdistus Kaikki kelpaavat harmaalokille haudottavaksi. 103

25.1 OPPIMINEN A. Sinitiainen oli keksinyt rasvalähteen maitopurkin kannen alta. Tapa levisi tiaisten pariin jäljittelemällä. B. Naakka sai ruokaa mallista, jossa oli kaksi pistettä. Se tajuaa kaksi pistettä sisältävän purkin ruokaa sisältäväksi ja avaa sen. C. Apinat pystyvät oivaltamalla käyttämään erilaisia apuvälineitä. 104

25.2 ONGELMANRATKAISUKYKY Naakka oppii avaamaan laatikon, jonka kannessa oli sama määrä täpliä kuin linnun alla olevassa käyttöohjeessa. % 100 Kuvasarja osoittaa saman tehtävän monimutkaisempaa muunnosta, josta korppi selviytyi. Kussakin kuvassa nuolet osoittavat ainoaan oikeaan laatikkoon. Laatikon kannessa oli sama määrä täpliä kuin käyttöohjeessa, mutta täplien muoto, koko ja keskinäinen sijainti olivat toiset. Eräiden nisäkkäiden ongelmanratkaisun paraneminen oikein toisella yrittämällä 90 80 70 60 50 Rhesus-apina Orava-apina Kynsiapina Kissa Rotta Orava 0 200 600 1000 1400 Esitetyn ongelman toistojen lukumäärä 105

25.3 LINNUN LAULU Sirkku osaa laulaa heikosti, kun se ei ole koskaan kuullut toisen sirkun laulua linnun perimässä on koodi laululle. Sirkku laulaa hyvin, kun se on kuullut lajin laulua 10 15 vuorokauden ikäisenä. 106

Oppikirjan tehtävien vastaukset LUKU 1 1. a) Valo, lämpötila, vesi, hiilidioksidi, ravinteet, maaperän happamuus. b) Kuivasta maaperästä kasvi ei saa vettä eikä sen mukana ravinteita. Liian kostea maa tukehduttaa kasvin juuret. c) d) 2. a) Tutkijoita on enemmän, menetelmät ja laitteet ovat parantuneet, yhä hankalammat ja kaukaisemmat alueet ovat tutkijoiden saavutettavissa. b) Ihmisen evoluutiosta saadaan yhä enemmän ja entistä yksityiskohtaisempia tietoja. c) Se on tällä hetkellä paras mahdollinen teoria, joka kuitenkin jatkuvasti tarkentuu ja muuttuu. 3. Ihmiset tarvitsivat biologisia perustietoja evoluutionsa varhaisimmissa vaiheissa hankkiessaan ravintonsa keräilemällä ja metsästämällä. Tietoa oli oltava esimerkiksi käyttökelpoisista kasveista ja saaliseläinten elintavoista. 4. a) Maataloustieteet, riista- ja kalabiologia, bioteknologia. b) Metsätieteet, bioteknologia. c) Lääketiede, bioteknologia. d) Kasvinjalostus, bioteknologia. LUKU 2 1. a) Auto liikkuu, ääntelee, reagoi tiettyihin ärsykkeisiin, tarvitsee ravintoa ja hengittää. Voidaan myös sanoa, että auto syntyy, vanhenee ja kuolee. b) Auto ei lisäänny eikä kasva, siinä ei ole itsesäätelykykyä eikä se pysty korjaamaan vammoja. 2. Hevoset lisääntyvät keskenään tuottaen lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä. Samoin on aasien suhteen, joten aasi ja hevonen ovat itsenäisiä lajeja. Muuli sen sijaan on lisääntymiskyvytön. Siksi sitä ei voida pitää omana lajina. 3. a) Aineenvaihdunta on yhteisnimitys eliöiden elintoiminnoille, joita ovat hengitys, eritys, ruuansulatus ja aineiden valmistus. b) Yksilö on eliölajin itsenäisesti toimiva yksikkö. Aina yksilöiden rajaaminen ei ole selkeää. c) Itsesäätelykyky tarkoittaa, että eliö kykenee säätelemään elintoimintojaan muuttuvissa oloissa. Se pystyy myös korjaamaan siihen kohdistuneita vaurioita. d) Ärtyvyys on eliön kyky reagoida sitä kohtaaviin ärsykkeisiin, esimerkiksi lämpötilan ja valaistuksen muutoksiin. 4. a) Viruksissa ei ole solurakennetta eikä niissä ole aineenvaihduntailmiöitä; ne siis eivät esimerkiksi syö, hengitä, eritä eivätkä lisäänny muuten kuin käyttämällä isäntäsolua virustehtaana. b) Viruksissa on nukleiinihappoja (DNA:ta tai RNA:ta), jotka ohjaavat niiden rakentumista isäntäsolun virustehtaassa. Niissä on siis perinnöllinen järjestelmä, jossa tapahtuu myös evoluutiota. 5. A. Hyönteiset B. kasvit C. muut niveljalkaiset kuin hyönteiset D. alkueliöt. LUKU 3 1. Sekä kohtaan a että b merkittävin tekijä on ilmastonmuutos, siis lämpötilojen kohoaminen, joka aiheuttaa levinneisyysrajojen siirtymistä pohjoiseen. Tällöin Suomeen tulee uusia eteläisiä lajeja, ja pohjoisen tyypin lajit vähenevät. 2. Useimpien eliöiden solut tuhoutuvat, koska yli 45 asteen lämpötiloissa proteiinien tertiaarirakenne särkyy. 3. Jos solun lämpötila laskee nollan alapuolelle, soluun muodostuu jääkiteitä, jotka tuhoavat solun hienorakenteen. 4. Sellaiset eliöt, joiden proteiineissa on erityisrakenne ( = arkkibakteerit). Myös monien eliöiden lepoasteet, muun muassa bakteerien lepoasteet ja kasvien siemenet. 5. Neulasista poistuu vettä ja sitä sitoutuu myös muun muassa soluliman proteiineihin. Tällöin solussa on vähemmän jäätymiselle altista vettä. Samalla solun sisältö väkevöityy, jolloin jäätymispiste alenee. Neulasissa on myös muita suojarakenteita. 107

6. Tasalämpöisillä eläimillä, siis nisäkkäillä ja linnuilla, täydellinen kaksinkertainen verenkierto ja nelilokeroinen sydän sekä tehokas hengitys tuottavat tehokkaasti lämpöä. 7. Säilytys perustuu lämmönsäätelyyn. Kylmässä tuotantoa lisätään ja lämmön poistumista vähennetään, lämpimässä tuotantoa vähennetään ja poistumista lisätään muun muassa hikoilemalla ja lisäämällä ihon kautta tapahtuvaa verenkiertoa. Lämmön säilyttämistä ja poistamista säädellen muun muassa karva- ja höyhenpeitteen asentoa muuttamalla juovattomien, tahdosta riippumattomien lihaksien avulla. 8. Ruumiin lämmönsäätely ei pysty pitämään ruumiinlämpöä normaalina kuin muutaman minuutin. 9. a) Noin 3 4 astetta. b) Esimerkiksi Tampereella noin 6 7 astetta. c ) Noin 6 astetta. LUKU 4 1. Vesi on tärkeä kemiallisten rakenteiden osa, yhteyttämisen toinen raaka-aine, aineiden kuljettaja ja liuotin ja kemiallisten reaktioiden tapahtumapaikka ( = reaktiot tapahtuvat nestemäisissä oloissa). Monien eliöiden elinympäristönä on vesi, muun muassa maaselkärankaistenkin alkioiden ja sikiöiden kehitys tapahtuu sikiöveden suojassa. Vesi on nestejännityksen aikaansaaja, ja se on merkittävä tekijä lämmönsäätelyssä. Tasalämpöisten hikoilu ja kasvien haihdutus on helteellä merkittävä lämpötalouden kannalta. 2. Korkealla vuoristossa ilma on ohutta. Veren hemoglobiinipitoisuus nousee ja punasolujen määrä kasvaa, kun oleskellaan siellä. 3. Molemmat johtuvat siitä, että ihminen on joutunut nopeasti oloihin, missä paine poikkeaa siitä, mihin hänen elimistönsä on tottunut. Sukeltajantaudissa ongelma on se, että paine pinnalle noustaessa laskee liian nopeasti, jolloin vereen saattaa muodostua typpikaasukuplia, jotka voivat aiheuttaa verisuonten tukkeumia. Vuoristotaudissa ihmisen elimistö reagoi pieneen ilmanpaineeseen, kun elimistö ei saa tarpeeksi happea. Hengitys nopeutuu, veren hiilidioksidipitoisuus alenee ja johtaa ph:n muutokseen elimistössä. Tämä aiheuttaa väsymystä ja pahoinvointia. Muutamassa päivässä elimistö mukautuu uuteen ympäristöön muun muassa lisäämällä punaisten verisolujen määrää ja nostamalla veren hemoglobiiniarvoja. Tällöin vuoristotaudin oireet häviävät. Sukeltajantauti siis voi tappaa ihmisen, mutta vuoristotaudista ihminen paranee. 4. a) Oleskelu painottomassa tilassa häiritsee tasapainoaistia aiheuttaen huimausta ja päänsärkyä sekä horjuvaa kävelyä. Luustosta alkaa poistua kalsiumia vereen. Lisäksi ilmenee varmasti lukematon määrä muita tekijöitä: yksinäisyys, pelko, ruuan riittävyys, huoli paluun onnistumisesta jne. b) Avaruusmiehistölle järjestetään kunto-ohjelmaa estämään kalkkikatoa. 5. Ilmakehän yläosan otsonikerros estää UV-säteilyä pääsemästä maapallon pinnalle. Ilmakehän yläosan typpi- ja happikerroksiin imeytyy suuri osa Auringon gamma- ja röntgensäteilystä. Ilmakehä toimii kasvihuoneen tavoin estäen lämmön säteilyä maapallolta pois. LUKU 5 1. Monet linnut muuttavat talveksi etelään. Osa tänne jäävistä linnuista kerää talveksi ravintovarastoja, osa hakeutuu asutuille alueille, missä ruokaa on enemmän tarjolla. Eräät lajit käyttävät talvista lumipeitettä hyväkseen. Talvinen höyhenpeite on myös paremmin lämpöä säilyttävä kuin kesäinen. Ihon alle muodostuu rasvakudosta, joka toimii ravintovarastona ja lämpöeristeenä. 2. Nämä toimivat ilmanvaihtokanavina, jolloin maan pintaan muodostuva ja hengitystä haittaava hiilidioksidi pääsee poistumaan. 3. a) Pohjoisessa elävillä yksilöillä ulkonevat osat, kuten raajat, häntä ja korvat ovat lyhyemmät kuin eteläisten alueiden yksilöillä. b) Nämä sopeumat vähentävät lämmönhukkaa. 4. a) Ruskan laukaisee muutos valaistusoloissa, siis yön pimeän jakson piteneminen. Myös lämpötilan aleneminen vaikuttaa ruskan muodostumiseen. b ) Kasvi siirtää lehtivihreää varastoitavaksi muualle, esimerkiksi runkoon. Tällöin lehdissä olevat muut väriaineet pääsevät näkyviin. 5. Koivu vaatii syksyn jälkeen tietyn pituisen kyl- 108

män kauden, ennen kuin se alkaa kasvattaa lehtiä ja kehittää kukkia. Tämä vernalisaatio ei ole ehtinyt vielä jouluun mennessä tapahtua. 6. a) Joulutähti saadaan kukkimaan jouluksi valaisemalla kasveja kasvihuoneissa niiden valojaksoisuuden mukaisesti, jotta vuorokautinen pimeä aika ei ole liian pitkä. b) Narsissit laitetaan aluksi kylmäkäsittelyyn ja sitten niitä kasvatetaan kasvihuoneissa keinovalossa. 7. Ongelmat riippuvat eliölajeista. Monet kasvit, jäkälät, sienet ja pikkueläimet selviytyvät talven kylmyydestä lumipeitteen suojassa. Eräät eläimet viettävät talvisin yöt hangen alla, vaikka olisivatkin valoisana aikana ruokailemassa esimerkiksi puissa. Useat eläimet vaihtavat väriä saaden lumiseen maastoon sopivan suojavärin (esimerkiksi metsäjänis, kärppä, lumikko ja riekko). Luonnonvalinta tulee ohjaamaan näiden lajien evoluutiota sellaiseen suuntaan, ettei vuodenaikaista värinmuutosta enää tapahdu. 8. Jos pidetään voikukkia jatkuvassa valossa tai yhtäjaksoisessa pimeässä, rytmi säilyy, mikäli se on pelkästään sisäsyntyinen tapahtuma. Jos ilmiö on pelkästään ulkoisten tekijöiden aiheuttama, mykeröt ovat koko ajan sulkeutuneina pimeässä ja avautuneina valoisassa. LUKU 6 1. Kivettymä. Eliön kudokset ovat korvautuneet ympäristön kivennäisaineilla. Painanne. Eliöstä tai esimerkiksi sen jalasta pehmeään maahan jäänyt jälki. Se on säilynyt, koska sen päälle on kerrostunut nopeasti hienoa ainesta, esimerkiksi tuhkaa. Subfossiili. Eliön jäänne, joka on löytynyt nuoresta, yleensä kvartäärikautisesta kerrostumasta. Mikrofossiili. Mikroskooppisen pienen eliön fossiili. Kemiallinen fossiili. Kemiallinen yhdiste, joka on syntynyt eliön hajotessa hitaasti, esimerkiksi kivihiili. Johtofossiili. Fossiileja, jotka ovat maantieteellisesti laaja-alaisia, mutta jotka ovat peräisin lyhyeltä ajanjaksolta. Tästä syystä johtofossiilien avulla voi verrata jopa eri puolilla maailmaa olevien kerrostumien ikää toisiinsa. Fossiilisarja. Sarja tietyn eliöryhmän kehitysvaiheista eri ikäisissä kerrostumissa. Välimuotofossiili. Fossiili, jossa on kahden eri eliömuodon piirteitä, esimerkiksi liskolintu. 2. Fossiilien avulla voi tutkia: Mitä ja minkälaisia sukupuuttoon kuolleita eliöitä on elänyt eri aikakausilla. Miten ekosysteemit ovat muuttuneet menneinä aikoina (esimerkiksi jääkausiajat ja hyvin lämpimät jaksot ovat muuttaneet ekosysteemiä rajusti). Lajien kehittymistä eli evoluutiota. Suurten ilmasto- ja kasvillisuusvyöhykkeiden vaihtelua ja niiden sijaintia. 3. Välimuotofossiilit kertovat eri kehityslinjojen syntymisestä ja niiden eroamisen ajankohdasta. Esimerkiksi liskolinnun (Archaeopteryxin) fossiilit osoittavat lintujen kehittyneen matelijamaisesta kantamuodosta. 4. Elävät fossiilit osoittavat, että eliöiden rakenteen verrattain nopea kehittyminen ei ole välttämättä vaatimus selviytymiselle muuttuvissa oloissa, vaan osa lajeista on säilynyt jopa miljoonia vuosia melko samankaltaisina. 5. Eräiden alkio- ja sikiövaiheiden rakenteiden on havaittu kuvastavan eläinten aikaisempia kehitysvaiheita (ns. biogeneettinen sääntö). Ihmissikiön karvapeitettä pidetään osoituksena siitä, että ihmisen esi-isillä on ollut karvapeite. 6. Kromosomien lukumäärä voi antaa viitteitä lajien sukulaisuudesta. Erityisesti monet kasvilajit ovat kehittyneet kantamuodosta kromosomiston moninkertaistumisen seurauksena. Kromosomien värjäyksellä löydetään eri lajien samankaltaisia DNA-jaksoja, jotka ovat viitteitä lajien sukulaisuudesta. Kromosomien DNA:ta vertailemalla saadaan tarkkaa tietoa lajien sukulaisuussuhteista. 7. Fossiilien perusteella: kerrostuman ikä, jossa tavataan ensimmäisiä molempien linjojen edustajia. Välimuotofossiilien perusteella. Molekyylikellon avulla, jossa verrataan lajien DNA:n samankaltaisuutta, ja samankaltaisuuden suuruus kertoo tarkoin lajien evolutiivisen eroamisajankohdan. 8. Valailla on takaraajojen luun aiheita surkastumina. 109

LUKU 8 LUKU 7 1. Alkumeriin kertyi monenlaisia kaasukehässä syntyneitä molekyylejä, ja satojen miljoonien vuosien aikana kemiallisen evoluution seurauksena näistä molekyyleistä syntyi suuria ja monimutkaisempia molekyylejä. 2. Aitotumaisten eliöiden oletetaan kehittyneen esitumaisesta solusta, johon oli liittynyt bakteereja. Bakteereista kehittyivät mitokondriot ja syanobakteereista viherhiukkaset. 3. a) Fotosynteesissä eliöt sitovat tehokkaasti auringon valosäteilyn energiaa. Tämän ansiosta maapallolle saattoi syntyä paljon biomassaa, joka oli välttämätöntä kuluttajien kehittymiselle. b) töntä aerobisille eliöille. c) Hapesta muodostui otsonia, joka estää haitallisen UV-säteilyn pääsyä maapallon pinnalle. 4. Prekambrisen maailmankauden aikana tulivuoritoiminta oli voimakasta ja maapallolle iskeytyi suuria määriä meteoriitteja. Maata alkoi tulla näkyviin meren alta. Prekambrisen maailmankauden loppupuolella kehittyi ensimmäisiä mikroskooppisen pieniä, esitumaisia eliöitä, kuten arkkeja, bakteereja ja syanobakteereja. Ilmakehään vapautui happea yhteyttämisen seurauksena. Merissä eli jo 600 miljoonaa vuotta sitten monia monisoluisia eliöitä. Fotosynteesissä syntyi happea, joka on välttämä- 5. paleotsooinen maailmankausi mesotsooinen kenotsooinen b c d e 600 500 400 300 200 100 0 1. a) Polttiaiseläimillä oli monenlaisia soluja ja ne pystyivät liikkumaan. b) Trilobiiteillä oli nivelikkäät raajat ja kyky liikkua nopeasti, hyvät aistit ja kova kuori (sekä jaokkeinen ruumis). 2. a) Paleotsooisella maailmankaudella kasvillisuus kehittyi vedessä elävistä levistä sammaliin ja ensimmäisiin putkilokasveihin, sanikkaisiin. Maailmankauden lopulla kehittyivät ensimmäiset siemenkasvit, paljassiemeniset kasvit. Mesotsooisella maailmankaudella koppisiemeniset kasvit valloittivat maa-alaa. b) Paleotsooisella maailmankaudella suurin osa eläimistä eli vedessä. Merissä kehittyi alkeellisista selkärankaisista kaloja ja myöhemmin sammakkoeläimiä ja alkeellisia matelijoita. Mesotsooisella maailmankaudella matelijat olivat yleisiä, tosin myös ensimmäiset linnut ja nisäkkäät kehittyivät tällä maailmankaudella. 3. Alkeellinen selkärangaton Kala Keuhkokalan kaltainen kala, joka pystyi elämään osittain maalla Kala, joka pystyi käyttämään raajojaan maalla liikkumiseen Sammakkoeläin Matelija Lintu. 4. kala matelija iho ohut paksu tukiranka kevyt tukeva, painava raajat soveltuvat uimiseen soveltuvat maalla liikkumiseen aistit melko kehittymättömät hyvä näkö- ja kuuloaisti kylkiviiva-aistin vain kaloilla hengitys kiduksilla keuhkoilla sydän kaksilokeroinen kolmilokeroinen munuaisten toiminta poistaa vettä paljon säästää vettä siitos ulkoinen sisäinen jälkeläinen vapaasti kelluva kuorellinen muna hedelmöitynyt munasolu 110