biologie -Biology

Biologie je věda o životě. Pokrývá několik úrovní od biomolekul a buněk po organismy a populace.

Biologie je vědecké studium života . Jedná se o přírodní vědu s širokým záběrem, ale má několik sjednocujících témat, která ji spojují jako jeden koherentní obor. Například všechny organismy jsou tvořeny buňkami , které zpracovávají dědičnou informaci zakódovanou v genech , kterou lze přenést na další generace. Dalším hlavním tématem je evoluce , která vysvětluje jednotu a rozmanitost života. Zpracování energie je pro život také důležité, protože umožňuje organismům pohybovat se , růst a rozmnožovat se . Konečně, všechny organismy jsou schopny regulovat své vlastní vnitřní prostředí .

Biologové jsou schopni studovat život na různých úrovních organizace , od molekulární biologie buňky po anatomii a fyziologii rostlin a zvířat a vývoj populací . V rámci biologie tedy existuje několik dílčích disciplín , z nichž každá je definována povahou svých výzkumných otázek a nástroji , které používají. Stejně jako ostatní vědci , biologové používají vědeckou metodu k pozorování , kladení otázek, vytváření hypotéz , provádění experimentů a vytváření závěrů o světě kolem nich.

Život na Zemi , který se objevil před více než 3,7 miliardami let, je nesmírně rozmanitý. Biologové se snažili studovat a klasifikovat různé formy života, od prokaryotických organismů, jako jsou archaea a bakterie , po eukaryotické organismy, jako jsou protistové , houby , rostliny a zvířata . Tyto různé organismy přispívají k biologické rozmanitosti ekosystému , kde hrají specializované role v koloběhu živin a energie prostřednictvím svého biofyzikálního prostředí .

Dějiny

Kresba mouchy z lícové strany nahoru s detailem křídla
Schéma mouchy z inovativní Micrographia Roberta Hooka , 1665.

Nejstarší kořeny vědy , která zahrnovala medicínu , lze vysledovat do starověkého Egypta a Mezopotámie v období kolem 3000 až 1200 př.nl. Jejich příspěvky formovaly starověkou řeckou přírodní filozofii . Starověcí řečtí filozofové jako Aristoteles (384–322 př. n. l.) značně přispěli k rozvoji biologických znalostí. Zkoumal biologické příčiny a rozmanitost života. Jeho nástupce Theophrastus zahájil vědecké studium rostlin. Mezi učenci středověkého islámského světa , kteří psali o biologii, patřili al-Jahiz (781–869), Al-Dīnawarī (828–896), který psal o botanice, a Rhazes (865–925), který psal o anatomii a fyziologii . Medicínu zvláště dobře studovali islámští učenci pracující v tradicích řeckých filozofů, zatímco přírodní historie silně čerpala z aristotelského myšlení.

Biologie se začala rychle rozvíjet s dramatickým vylepšením mikroskopu Antonem van Leeuwenhoekem . Tehdy učenci objevili spermie , bakterie , nálevníky a rozmanitost mikroskopického života. Vyšetřování Jana Swammerdama vedla k novému zájmu o entomologii a pomohla vyvinout techniky mikroskopické pitvy a barvení . Pokroky v mikroskopii měly hluboký dopad na biologické myšlení. Na počátku 19. století biologové poukázali na ústřední význam buňky . V roce 1838 začali Schleiden a Schwann prosazovat dnes již univerzální myšlenky, že (1) základní jednotkou organismů je buňka a (2) že jednotlivé buňky mají všechny vlastnosti života , ačkoliv byli proti myšlence, že (3) všechny buňky pocházejí. z dělení jiných buněk, pokračující v podpoře spontánní tvorby . Nicméně Robert Remak a Rudolf Virchow byli schopni zhmotnit třetí princip a v 60. letech 19. století většina biologů přijala všechny tři principy, které se konsolidovaly do buněčné teorie .

Mezitím se taxonomie a klasifikace staly středem zájmu přírodních historiků. Carl Linnaeus publikoval základní taxonomii pro přírodní svět v roce 1735 a v 50. letech 18. století zavedl vědecká jména pro všechny své druhy. Georges-Louis Leclerc, hrabě de Buffon , zacházel s druhy jako s umělými kategoriemi a s živými formami jako s tvárnými – dokonce naznačoval možnost společného původu .

V roce 1842 napsal Charles Darwin svůj první náčrt O původu druhů .

Seriózní evoluční myšlení má svůj původ v dílech Jeana-Baptista Lamarcka , který předložil koherentní evoluční teorii. Britský přírodovědec Charles Darwin , který kombinuje biogeografický přístup Humboldta , uniformitarianskou geologii Lyella , Malthusovy spisy o populačním růstu a jeho vlastní morfologické znalosti a rozsáhlá přírodní pozorování, vytvořil úspěšnější evoluční teorii založenou na přirozeném výběru ; podobné úvahy a důkazy vedly Alfreda Russela Wallace k nezávislému dosažení stejných závěrů.

Základ pro moderní genetiku začal prací Gregora Mendela v roce 1865. Ta nastínila principy biologické dědičnosti. Význam jeho práce si však uvědomil až na počátku 20. století, kdy se evoluce stala jednotnou teorií, protože moderní syntéza smířila darwinovskou evoluci s klasickou genetikou . Ve čtyřicátých letech a na počátku padesátých let řada experimentů Alfreda Hersheye a Marthy Chaseové poukázala na DNA jako na složku chromozomů , které obsahovaly jednotky nesoucí vlastnosti, které se staly známými jako geny . Zaměření na nové druhy modelových organismů, jako jsou viry a bakterie, spolu s objevem dvoušroubovicové struktury DNA Jamesem Watsonem a Francisem Crickem v roce 1953, znamenalo přechod do éry molekulární genetiky . Od 50. let 20. století se biologie značně rozšířila v molekulární doméně. Genetický kód rozluštili Har Gobind Khorana , Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg poté, co bylo zjištěno, že DNA obsahuje kodony . Projekt Human Genome Project byl zahájen v roce 1990 s cílem zmapovat lidský genom .

Chemický základ

Atomy a molekuly

Všechny organismy jsou tvořeny chemickými prvky ; kyslík , uhlík , vodík a dusík tvoří většinu (96 %) hmoty všech organismů, přičemž vápník , fosfor , síra , sodík , chlór a hořčík tvoří v podstatě celý zbytek. Různé prvky se mohou spojovat a vytvářet sloučeniny , jako je voda, která je základem života. Biochemie je studium chemických procesů v živých organismech a souvisejících s nimi . Molekulární biologie je obor biologie, který se snaží porozumět molekulárnímu základu biologické aktivity v buňkách a mezi nimi, včetně molekulární syntézy, modifikace, mechanismů a interakcí.

Voda

Model vodíkových vazeb (1) mezi molekulami vody

Život vznikl z prvního oceánu na Zemi , který se vytvořil před 3,8 miliardami let. Od té doby je voda stále nejhojnější molekulou v každém organismu. Voda je pro život důležitá, protože je účinným rozpouštědlem , schopným rozpouštět rozpuštěné látky, jako jsou sodíkové a chloridové ionty nebo jiné malé molekuly za vzniku vodného roztoku . Jakmile se tyto rozpuštěné látky rozpustí ve vodě, je pravděpodobnější, že se dostanou do vzájemného kontaktu, a proto se účastní chemických reakcí , které udržují život. Voda je z hlediska své molekulární struktury malá polární molekula ohnutého tvaru tvořená polárními kovalentními vazbami dvou atomů vodíku (H) na jeden atom kyslíku (O) (H 2 O). Protože vazby O–H jsou polární, atom kyslíku má mírně záporný náboj a dva atomy vodíku mírně kladný náboj. Tato polární vlastnost vody jí umožňuje přitahovat další molekuly vody prostřednictvím vodíkových vazeb, díky čemuž je voda soudržná . Povrchové napětí vyplývá z kohezní síly v důsledku přitažlivosti mezi molekulami na povrchu kapaliny. Voda je také přilnavá , protože je schopna přilnout k povrchu jakýchkoli polárních nebo nabitých nevodných molekul. Voda je hustší jako kapalina než jako pevná látka (nebo led ). Tato jedinečná vlastnost vody umožňuje ledu vznášet se nad kapalnou vodou, jako jsou rybníky, jezera a oceány, čímž izoluje kapalinu pod vodou od studeného vzduchu nahoře. Voda má schopnost absorbovat energii, což jí dává vyšší specifickou tepelnou kapacitu než jiná rozpouštědla, jako je etanol . K rozbití vodíkových vazeb mezi molekulami vody k přeměně kapalné vody na vodní páru je tedy zapotřebí velké množství energie . Voda jako molekula není zcela stabilní, protože každá molekula vody se nepřetržitě disociuje na vodík a hydroxylové ionty, než se znovu přemění na molekulu vody. V čisté vodě se počet vodíkových iontů vyrovná (nebo se rovná) počtu hydroxylových iontů, což má za následek neutrální pH .

Organické sloučeniny

Organické sloučeniny, jako je glukóza, jsou pro organismy životně důležité.

Organické sloučeniny jsou molekuly, které obsahují uhlík navázaný na jiný prvek, jako je vodík. S výjimkou vody obsahují téměř všechny molekuly, které tvoří každý organismus, uhlík. Uhlík může tvořit kovalentní vazby až se čtyřmi dalšími atomy, což mu umožňuje vytvářet různorodé, velké a složité molekuly. Například jeden atom uhlíku může tvořit čtyři jednoduché kovalentní vazby, jako v metanu , dvě dvojné kovalentní vazby, jako v oxidu uhličitém (C02 ) , nebo trojnou kovalentní vazbu , jako v oxidu uhelnatém (CO). Kromě toho může uhlík tvořit velmi dlouhé řetězce propojených vazeb uhlík-uhlík, jako jsou oktanové nebo kruhové struktury, jako je glukóza .

Nejjednodušší formou organické molekuly je uhlovodík , což je velká rodina organických sloučenin, které se skládají z atomů vodíku vázaných na řetězec atomů uhlíku. Uhlovodíková kostra může být nahrazena jinými prvky, jako je kyslík (O), vodík (H), fosfor (P) a síra (S), které mohou změnit chemické chování této sloučeniny. Skupiny atomů, které obsahují tyto prvky (O-, H-, P- a S-) a jsou vázány na centrální atom uhlíku nebo kostru, se nazývají funkční skupiny . Existuje šest prominentních funkčních skupin, které lze nalézt v organismech: aminoskupina , karboxylová skupina , karbonylová skupina , hydroxylová skupina , fosfátová skupina a sulfhydrylová skupina .

V roce 1953, Miller-Urey experiment ukázal, že organické sloučeniny mohly být syntetizovány abiotically uvnitř uzavřeného systému napodobovat podmínky časné Země , tak navrhnout, že komplexní organické molekuly mohly vyvstávali spontánně v časné Zemi (viz abiogenesis ).

Makromolekuly

(a) primární, (b) sekundární, (c) terciární a (d) kvartérní struktury hemoglobinového proteinu

Makromolekuly jsou velké molekuly tvořené menšími podjednotkami nebo monomery . Monomery zahrnují cukry, aminokyseliny a nukleotidy. Sacharidy zahrnují monomery a polymery cukrů. Lipidy jsou jedinou třídou makromolekul, které nejsou tvořeny polymery. Zahrnují steroidy , fosfolipidy a tuky , převážně nepolární a hydrofobní (vodu odpuzující) látky. Proteiny jsou z makromolekul nejrozmanitější. Zahrnují enzymy , transportní proteiny , velké signální molekuly, protilátky a strukturální proteiny . Základní jednotkou (neboli monomerem) proteinu je aminokyselina . V proteinech se používá dvacet aminokyselin. Nukleové kyseliny jsou polymery nukleotidů . Jejich funkcí je ukládat, přenášet a vyjadřovat dědičné informace.

Buňky

Buněčná teorie říká, že buňky jsou základními jednotkami života, že všechny živé věci se skládají z jedné nebo více buněk a že všechny buňky pocházejí z již existujících buněk buněčným dělením . Většina buněk je velmi malá, s průměry v rozmezí od 1 do 100  mikrometrů , a jsou proto viditelné pouze pod světelným nebo elektronovým mikroskopem . Obecně existují dva typy buněk: eukaryotické buňky, které obsahují jádro , a prokaryotické buňky, které je neobsahují. Prokaryota jsou jednobuněčné organismy , jako jsou bakterie , zatímco eukaryota mohou být jednobuněčné nebo mnohobuněčné . U mnohobuněčných organismů je každá buňka v těle organismu nakonec odvozena z jediné buňky v oplodněném vajíčku .

Buněčná struktura

Struktura živočišné buňky zobrazující různé organely

Každá buňka je uzavřena v buněčné membráně , která odděluje její cytoplazmu od extracelulárního prostoru . Buněčná membrána se skládá z lipidové dvojvrstvy , včetně cholesterolů , které sedí mezi fosfolipidy, aby udržely jejich tekutost při různých teplotách. Buněčné membrány jsou semipermeabilní , umožňují průchod malým molekulám, jako je kyslík, oxid uhličitý a voda, a zároveň omezují pohyb větších molekul a nabitých částic, jako jsou ionty . Buněčné membrány také obsahují membránové proteiny , včetně integrálních membránových proteinů , které jdou přes membránu a slouží jako membránové transportéry , a periferní proteiny , které se volně připojují k vnější straně buněčné membrány a působí jako enzymy formující buňku. Buněčné membrány se podílejí na různých buněčných procesech, jako je buněčná adheze , ukládání elektrické energie a buněčná signalizace a slouží jako připojovací povrch pro několik extracelulárních struktur, jako je buněčná stěna , glykokalyx a cytoskelet .

Struktura rostlinné buňky

V cytoplazmě buňky existuje mnoho biomolekul, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny . Kromě biomolekul mají eukaryotické buňky specializované struktury zvané organely , které mají vlastní lipidové dvojvrstvy nebo jsou prostorově jednotkami. Tyto organely zahrnují buněčné jádro, které obsahuje většinu buněčné DNA, nebo mitochondrie , které generují adenosintrifosfát (ATP) k napájení buněčných procesů. Další organely, jako je endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát , hrají roli v syntéze a balení proteinů. Biomolekuly, jako jsou proteiny, mohou být pohlceny lysozomy , další specializovanou organelou. Rostlinné buňky mají další organely, které je odlišují od živočišných buněk , jako je buněčná stěna, která poskytuje podporu rostlinné buňce, chloroplasty , které sbírají sluneční energii k výrobě cukru, a vakuoly , které poskytují skladovací a strukturální podporu a také se podílejí na reprodukci a rozkladu. rostlinných semen. Eukaryotické buňky mají také cytoskelet, který se skládá z mikrotubulů , přechodných vláken a mikrofilamentů , z nichž všechny poskytují buňce oporu a podílejí se na pohybu buňky a jejích organel. Z hlediska jejich strukturního složení jsou mikrotubuly tvořeny tubulinem (např. α-tubulin a β-tubulin , zatímco intermediární filamenta jsou tvořena vláknitými proteiny. Mikrofilamenta jsou tvořena molekulami aktinu , které interagují s jinými řetězci proteinů.

Metabolismus

Příklad enzymaticky katalyzované exotermické reakce

Všechny buňky potřebují energii k udržení buněčných procesů. Metabolismus je soubor chemických reakcí v organismu. Tři hlavní účely metabolismu jsou: přeměna potravy na energii pro běh buněčných procesů; přeměna potravin/paliva na monomerní stavební bloky; a odstranění metabolických odpadů . Tyto enzymaticky katalyzované reakce umožňují organismům růst a rozmnožovat se, udržovat své struktury a reagovat na prostředí. Metabolické reakce lze kategorizovat jako katabolické — rozklad sloučenin (například rozklad glukózy na pyruvát buněčným dýcháním ); nebo anabolické — tvorba ( syntéza ) sloučenin (jako jsou proteiny, sacharidy, lipidy a nukleové kyseliny). Katabolismus obvykle uvolňuje energii a anabolismus energii spotřebovává. Chemické reakce metabolismu jsou organizovány do metabolických drah , ve kterých je jedna chemická látka transformována řadou kroků na jinou chemickou látku, přičemž každý krok je usnadněn specifickým enzymem. Enzymy jsou klíčové pro metabolismus, protože umožňují organismům řídit žádoucí reakce, které vyžadují energii, která samy o sobě nenastanou, tím, že je spojí se spontánními reakcemi , které uvolňují energii. Enzymy fungují jako katalyzátory — umožňují rychlejší průběh reakce, aniž by ji spotřebovávaly — tím, že snižují množství aktivační energie potřebné k přeměně reaktantů na produkty . Enzymy také umožňují regulaci rychlosti metabolické reakce, například v reakci na změny v prostředí buňky nebo na signály z jiných buněk.

Buněčné dýchání

Dýchání v eukaryotické buňce

Buněčné dýchání je soubor metabolických reakcí a procesů, které probíhají v buňkách za účelem přeměny chemické energie z živin na adenosintrifosfát (ATP) a následného uvolňování odpadních produktů. Reakce zapojené do dýchání jsou katabolické reakce , které rozbíjejí velké molekuly na menší a uvolňují energii. Dýchání je jedním z klíčových způsobů, jak buňka uvolňuje chemickou energii k podpoře buněčné aktivity. Celková reakce probíhá v řadě biochemických kroků, z nichž některé jsou redoxní reakce. Ačkoli je buněčné dýchání technicky spalovací reakcí , zjevně se nepodobá té, když k ní dochází v buňce, kvůli pomalému, řízenému uvolňování energie ze série reakcí.

Cukr ve formě glukózy je hlavní živinou používanou živočišnými a rostlinnými buňkami při dýchání. Buněčné dýchání zahrnující kyslík se nazývá aerobní dýchání, které má čtyři fáze: glykolýzu , cyklus kyseliny citrónové (nebo Krebsův cyklus), řetězec přenosu elektronů a oxidativní fosforylaci . Glykolýza je metabolický proces, ke kterému dochází v cytoplazmě, při kterém se glukóza přeměňuje na dva pyruváty , přičemž současně vznikají dvě čisté molekuly ATP. Každý pyruvát je pak oxidován na acetyl-CoA komplexem pyruvátdehydrogenázy , který také vytváří NADH a oxid uhličitý. Acetyl-Coa vstupuje do cyklu kyseliny citrónové, který se odehrává uvnitř mitochondriální matrix. Na konci cyklu je celkový výtěžek z 1 glukózy (nebo 2 pyruvátů) 6 NADH, 2 FADH 2 a 2 molekuly ATP. Konečně dalším stupněm je oxidativní fosforylace, která u eukaryot probíhá v mitochondriálních kristách . Oxidativní fosforylace zahrnuje elektronový transportní řetězec, což je řada čtyř proteinových komplexů , které přenášejí elektrony z jednoho komplexu do druhého, čímž uvolňují energii z NADH a FADH 2 , která je spojena s čerpáním protonů (vodíkových iontů) přes vnitřní mitochondriální membránu. ( chemiosmosis ), který generuje protonovou hybnou sílu . Energie z protonové hybné síly pohání enzym ATP syntázu , aby syntetizoval více ATP fosforylací ADP . Přenos elektronů končí molekulárním kyslíkem, který je konečným akceptorem elektronů .

Pokud by kyslík nebyl přítomen, pyruvát by nebyl metabolizován buněčným dýcháním, ale podstoupil by proces fermentace . Pyruvát není transportován do mitochondrií, ale zůstává v cytoplazmě, kde je přeměněn na odpadní produkty , které mohou být z buňky odstraněny. To slouží k oxidaci elektronových nosičů, aby mohly znovu provést glykolýzu a odstranění přebytečného pyruvátu. Fermentací se NADH oxiduje na NAD + , takže může být znovu použit v glykolýze. V nepřítomnosti kyslíku fermentace zabraňuje hromadění NADH v cytoplazmě a poskytuje NAD + pro glykolýzu. Tento odpadní produkt se liší v závislosti na organismu. V kosterním svalstvu je odpadním produktem kyselina mléčná . Tento typ fermentace se nazývá mléčná fermentace . Při namáhavém cvičení, kdy energetické nároky převyšují nabídku energie, nemůže dýchací řetězec zpracovat všechny atomy vodíku spojené s NADH. Během anaerobní glykolýzy se NAD + regeneruje, když se páry vodíku spojí s pyruvátem za vzniku laktátu. Tvorba laktátu je katalyzována laktátdehydrogenázou v reverzibilní reakci. Laktát lze také použít jako nepřímý prekurzor jaterního glykogenu. Během regenerace, když je k dispozici kyslík, se NAD + váže na vodík z laktátu za vzniku ATP. V kvasnicích jsou odpadními produkty etanol a oxid uhličitý. Tento typ fermentace je známý jako alkoholová nebo etanolová fermentace . ATP generovaný v tomto procesu se vyrábí fosforylací na úrovni substrátu , která nevyžaduje kyslík.

Fotosyntéza

Fotosyntéza mění sluneční světlo na chemickou energii, štěpí vodu za uvolnění O 2 a fixuje CO 2 na cukr.

Fotosyntéza je proces používaný rostlinami a jinými organismy k přeměně světelné energie na chemickou energii , která může být později uvolněna jako palivo pro metabolické aktivity organismu prostřednictvím buněčného dýchání. Tato chemická energie je uložena v molekulách sacharidů, jako jsou cukry , které jsou syntetizovány z oxidu uhličitého a vody. Ve většině případů se kyslík uvolňuje jako odpadní produkt. Většina rostlin , řas a sinic provádí fotosyntézu, která je z velké části zodpovědná za produkci a udržování obsahu kyslíku v zemské atmosféře a dodává většinu energie nezbytné pro život na Zemi.

Fotosyntéza má čtyři fáze: absorpci světla , transport elektronů, syntézu ATP a fixaci uhlíku . Absorpce světla je počátečním krokem fotosyntézy, kdy je světelná energie absorbována chlorofylovými pigmenty připojenými k proteinům v thylakoidních membránách . Absorbovaná světelná energie se používá k odstranění elektronů z donoru (vody) na primární akceptor elektronů, chinon označený jako Q. Ve druhém stupni se elektrony pohybují z chinonového primárního akceptoru elektronů přes řadu nosičů elektronů, dokud nedosáhnou konečný akceptor elektronů, což je obvykle oxidovaná forma NADP + , která se redukuje na NADPH, což je proces, který probíhá v proteinovém komplexu zvaném fotosystém I (PSI). Transport elektronů je spojen s pohybem protonů (nebo vodíku) ze stromatu do thylakoidní membrány, která vytváří gradient pH přes membránu, protože vodík se koncentruje v lumen více než ve stromatu. To je analogické s protonově-motorickou silou generovanou přes vnitřní mitochondriální membránu při aerobním dýchání.

Během třetí fáze fotosyntézy je pohyb protonů po jejich koncentračních gradientech z lumen thylakoidu do stromatu prostřednictvím ATP syntázy spojen se syntézou ATP stejnou ATP syntázou. NADPH a ATP generované reakcemi závislými na světle ve druhém a třetím stupni poskytují energii a elektrony k řízení syntézy glukózy fixací atmosférického oxidu uhličitého do existujících organických sloučenin uhlíku, jako je ribulóza bisfosfát (RuBP). sled reakcí nezávislých na světle (nebo temnoty) nazývaných Calvinův cyklus .

Buněčná signalizace

Buněčná signalizace (neboli komunikace) je schopnost buněk přijímat, zpracovávat a vysílat signály se svým okolím a se sebou samými. Signály mohou být nechemické, jako je světlo, elektrické impulsy a teplo, nebo chemické signály (nebo ligandy ), které interagují s receptory , které lze nalézt zapuštěné v buněčné membráně jiné buňky nebo umístěné hluboko uvnitř buňky. Obecně existují čtyři typy chemických signálů: autokrinní , parakrinní , juxtakrinní a hormony . Při autokrinní signalizaci působí ligand na stejnou buňku, která jej uvolňuje. Nádorové buňky se například mohou nekontrolovatelně množit, protože uvolňují signály, které iniciují jejich vlastní samorozdělení. Při parakrinní signalizaci ligand difunduje do blízkých buněk a ovlivňuje je. Například mozkové buňky zvané neurony uvolňují ligandy zvané neurotransmitery , které difundují přes synaptickou štěrbinu, aby se navázaly na receptor na sousední buňce, jako je jiný neuron nebo svalová buňka . Při juxtakrinní signalizaci dochází k přímému kontaktu mezi signalizačními a odpovídajícími buňkami. A konečně, hormony jsou ligandy, které cestují oběhovými systémy zvířat nebo cévními systémy rostlin, aby dosáhly svých cílových buněk. Jakmile se ligand naváže na receptor, může ovlivnit chování jiné buňky v závislosti na typu receptoru. Například neurotransmitery, které se vážou na inotropní receptor, mohou změnit excitabilitu cílové buňky. Jiné typy receptorů zahrnují proteinkinázové receptory (např. receptor pro hormon inzulín ) a receptory spojené s G proteinem . Aktivace receptorů spřažených s G proteinem může iniciovat kaskády druhého posla . Proces, kterým je chemický nebo fyzikální signál přenášen buňkou jako série molekulárních událostí, se nazývá signální transdukce

Buněčný cyklus

V meióze se chromozomy duplikují a homologní chromozomy si vyměňují genetickou informaci během meiózy I. Dceřiné buňky se znovu dělí v meióze II za vzniku haploidních gamet .

Buněčný cyklus je série dějů, které se odehrávají v buňce , které způsobují její rozdělení na dvě dceřiné buňky. Tyto události zahrnují zdvojení jeho DNA a některých jeho organel a následné rozdělení jeho cytoplazmy do dvou dceřiných buněk v procesu zvaném buněčné dělení . V eukaryotech (tj. zvířecích , rostlinných , houbových a protistových buňkách) existují dva odlišné typy buněčného dělení: mitóza a meióza . Mitóza je součástí buněčného cyklu, ve kterém jsou replikované chromozomy rozděleny do dvou nových jader. Dělením buněk vznikají geneticky identické buňky, ve kterých je zachován celkový počet chromozomů. Obecně mitóze (dělení jádra) předchází S stádium interfáze (během které se replikuje DNA) a často po ní následuje telofáze a cytokineze ; který rozděluje cytoplazmu , organely a buněčnou membránu jedné buňky na dvě nové buňky obsahující zhruba stejný podíl těchto buněčných složek. Různá stádia mitózy společně definují mitotickou fázi cyklu živočišných buněk – rozdělení mateřské buňky na dvě geneticky identické dceřiné buňky. Buněčný cyklus je životně důležitý proces, při kterém se z jednobuněčného oplodněného vajíčka vyvine zralý organismus, stejně jako proces, kterým se obnovují vlasy , kůže , krvinky a některé vnitřní orgány . Po buněčném dělení začíná každá z dceřiných buněk mezifázi nového cyklu. Na rozdíl od mitózy vede meióza ke čtyřem haploidním dceřiným buňkám tím, že podstoupí jedno kolo replikace DNA následované dvěma děleními. Homologní chromozomy jsou odděleny v prvním dělení ( meiosis I ) a sesterské chromatidy jsou separovány ve druhém dělení ( meiosis II ). Oba tyto cykly buněčného dělení se používají v procesu sexuální reprodukce v určité fázi jejich životního cyklu. Předpokládá se, že oba jsou přítomny v posledním společném eukaryotickém předkovi.

Prokaryota (tj. archaea a bakterie ) mohou také podstoupit buněčné dělení (nebo binární štěpení ). Na rozdíl od procesů mitózy a meiózy u eukaryot probíhá binární štěpení u prokaryot bez vytvoření vřetenového aparátu na buňce. Před binárním štěpením je DNA v bakterii pevně svinutá. Poté, co se rozvine a zduplikuje, je přitažena k samostatným pólům bakterie, jak se zvětšuje, aby se připravila na štěpení. Růst nové buněčné stěny začíná oddělovat bakterii (spuštěno FtsZ polymerací a tvorbou "Z-kroužku"). Plně se rozvine nová buněčná stěna ( septum ), což vede k úplnému rozdělení bakterie. Nové dceřiné buňky mají pevně stočené tyčinky DNA, ribozomy a plazmidy .

Genetika

Dědictví

Punnettův čtverec zobrazující křížení dvou rostlin hrachu heterozygotních pro fialové (B) a bílé (b) květy

Genetika je vědecké studium dědičnosti. Mendelovská dědičnost je konkrétně proces, kterým se geny a vlastnosti předávají z rodičů na potomky. Má několik zásad. První je, že genetické vlastnosti, alely , jsou diskrétní a mají alternativní formy (např. fialová vs. bílá nebo vysoká vs. trpaslík), z nichž každá je zděděna od jednoho ze dvou rodičů. Na základě zákona dominance a uniformity , který říká, že některé alely jsou dominantní , zatímco jiné jsou recesivní ; organismus s alespoň jednou dominantní alelou bude vykazovat fenotyp této dominantní alely. Během tvorby gamet se alely pro každý gen segregují, takže každá gameta nese pouze jednu alelu pro každý gen. Heterozygotní jedinci produkují gamety se stejnou frekvencí dvou alel. Konečně zákon nezávislého sortimentu uvádí, že geny různých znaků se mohou během tvorby gamet nezávisle segregovat, tj. geny nejsou spojeny. Výjimka z tohoto pravidla by zahrnovala rysy, které jsou vázané na pohlaví . Testovací křížení lze provést k experimentálnímu stanovení základního genotypu organismu s dominantním fenotypem. Punnettův čtverec lze použít k předpovědi výsledků testovacího křížení. Chromozomová teorie dědičnosti , která uvádí, že geny se nacházejí na chromozomech, byla podpořena experimenty Thomase Morganse s ovocnými muškami , které prokázaly pohlavní spojení mezi barvou očí a pohlavím u tohoto hmyzu.

Geny a DNA

Báze leží mezi dvěma spirálovitými řetězci DNA.

Gen je jednotka dědičnosti , která odpovídá oblasti deoxyribonukleové kyseliny (DNA), která nese genetickou informaci, která řídí formu nebo funkci organismu. DNA se skládá ze dvou polynukleotidových řetězců, které se stočí kolem sebe a tvoří dvojitou šroubovici . Vyskytuje se jako lineární chromozomy u eukaryot a kruhové chromozomy u prokaryot . Sada chromozomů v buňce je souhrnně známá jako její genom . U eukaryot je DNA hlavně v buněčném jádře . U prokaryot je DNA držena v nukleoidu . Genetická informace je uložena v genech a kompletní seskupení v organismu se nazývá jeho genotyp . Replikace DNA je semikonzervativní proces, při kterém každý řetězec slouží jako templát pro nový řetězec DNA. Mutace jsou dědičné změny v DNA. Mohou vznikat spontánně v důsledku chyb replikace, které nebyly opraveny korekturou, nebo mohou být vyvolány mutagenem z prostředí, jako je chemická látka (např. kyselina dusitá , benzopyren ) nebo záření (např. rentgenové záření , gama záření , ultrafialové záření) . částice emitované nestabilními izotopy). Mutace mohou vést k fenotypovým účinkům, jako je ztráta funkce, zesílení funkce a podmíněné mutace. Některé mutace jsou prospěšné, protože jsou zdrojem genetických variací pro evoluci. Jiné jsou škodlivé, pokud by měly za následek ztrátu funkce genů potřebných k přežití. Mutageny, jako jsou karcinogeny , se obvykle vyhýbají v rámci cílů politiky veřejného zdraví .

Genové vyjádření

Rozšířené centrální dogma molekulární biologie zahrnuje všechny procesy, které se účastní toku genetické informace.

Genová exprese je molekulární proces, kterým genotyp kódovaný v DNA dává vzniknout pozorovatelnému fenotypu v proteinech těla organismu. Tento proces je shrnut v ústředním dogmatu molekulární biologie , které zformuloval Francis Crick v roce 1958. Podle Centrálního dogmatu proudí genetická informace z DNA přes RNA do proteinu. Existují dva procesy genové exprese: transkripce (z DNA na RNA) a translace (z RNA na protein).

Genová regulace

Regulace genové exprese faktory prostředí a během různých fází vývoje může nastat v každém kroku procesu, jako je transkripce , sestřih RNA , translace a posttranslační modifikace proteinu. Genová exprese může být ovlivněna pozitivní nebo negativní regulací v závislosti na tom, který ze dvou typů regulačních proteinů nazývaných transkripční faktory se váže na sekvenci DNA blízko nebo na promotor. Shluk genů, které sdílejí stejný promotor, se nazývá operon , který se vyskytuje hlavně u prokaryot a některých nižších eukaryot (např. Caenorhabditis elegans ). Při pozitivní regulaci genové exprese je aktivátorem transkripční faktor, který stimuluje transkripci, když se váže na sekvenci blízko nebo na promotor. K negativní regulaci dochází, když se jiný transkripční faktor zvaný represor váže na sekvenci DNA zvanou operátor , která je součástí operonu, aby zabránil transkripci. Represory mohou být inhibovány sloučeninami nazývanými induktory (např. allolaktóza ), čímž je umožněna transkripce. Specifické geny, které mohou být aktivovány induktory, se nazývají indukovatelné geny , na rozdíl od konstitutivních genů , které jsou téměř neustále aktivní. Na rozdíl od obou strukturní geny kódují proteiny, které se nepodílejí na genové regulaci. Kromě regulačních událostí zahrnujících promotor může být genová exprese také regulována epigenetickými změnami chromatinu , což je komplex DNA a proteinu nacházející se v eukaryotických buňkách.

Geny, vývoj a evoluce

Vývoj je proces, při kterém mnohobuněčný organismus ( rostlina nebo zvíře ) prochází řadou změn, počínaje jedinou buňkou a nabývá různých forem, které jsou charakteristické pro jeho životní cyklus. Základem vývoje jsou čtyři klíčové procesy: determinace , diferenciace , morfogeneze a růst. Odhodlání určuje vývojový osud buňky, která se během vývoje stává více omezující. Diferenciace je proces, kterým se specializují buňky od méně specializovaných buněk, jako jsou kmenové buňky . Kmenové buňky jsou nediferencované nebo částečně diferencované buňky , které se mohou diferencovat na různé typy buněk a neomezeně se množit , aby produkovaly více stejných kmenových buněk. Buněčná diferenciace dramaticky mění velikost buňky, tvar, membránový potenciál , metabolickou aktivitu a schopnost reagovat na signály, což je z velké části způsobeno vysoce kontrolovanými modifikacemi v genové expresi a epigenetice . Až na několik výjimek buněčná diferenciace téměř nikdy nezahrnuje změnu v samotné sekvenci DNA . Různé buňky tedy mohou mít velmi odlišné fyzikální vlastnosti, přestože mají stejný genom . Morfogeneze neboli vývoj tělesné formy je výsledkem prostorových rozdílů v genové expresi. Malá část genů v genomu organismu nazývaná vývojově-genetická sada nástrojů řídí vývoj tohoto organismu. Tyto geny sady nástrojů jsou mezi kmeny vysoce konzervované , což znamená, že jsou staré a velmi podobné u široce oddělených skupin zvířat. Rozdíly v nasazení genů sady nástrojů ovlivňují tělesný plán a počet, identitu a vzor částí těla. Mezi nejdůležitější geny sady nástrojů patří geny Hox . Hox geny určují , kde ve vyvíjejícím se embryu nebo larvě porostou opakující se části, jako je mnoho obratlů hadů .

Vývoj

Evoluční procesy

Přirozený výběr pro tmavší rysy

Evoluce je ústředním organizačním konceptem v biologii. Je to změna dědičných vlastností populací v průběhu následujících generací . Při umělém výběru byla zvířata selektivně chována pro specifické vlastnosti. Vzhledem k tomu, že vlastnosti se dědí, populace obsahují pestrou směs vlastností a reprodukce je schopna zvýšit jakoukoli populaci, Darwin tvrdil, že v přirozeném světě to byla příroda, která hrála roli lidí při výběru konkrétních vlastností. Darwin odvodil, že jedinci, kteří měli dědičné rysy lépe přizpůsobené svému prostředí, s větší pravděpodobností přežijí a produkují více potomků než ostatní jedinci. Dále odvodil, že by to vedlo k akumulaci příznivých vlastností v průběhu následujících generací, čímž by se zvýšila shoda mezi organismy a jejich prostředím.

Speciace

Druh je skupina organismů, které se navzájem páří, a speciace je proces, při kterém se jedna linie rozdělí na dvě linie v důsledku toho, že se vyvinuly nezávisle na sobě. Aby došlo ke speciaci, musí existovat reprodukční izolace . Reprodukční izolace může být důsledkem nekompatibility mezi geny, jak popisuje Bateson–Dobzhansky–Muller model . Reprodukční izolace také inklinuje ke zvýšení s genetickou divergenci . Speciace může nastat, když existují fyzické bariéry, které rozdělují rodový druh, proces známý jako allopatrická speciace .

Fylogeneze

Bacteria Archaea Eukaryota Aquifex Thermotoga Bacteroides–Cytophaga Planctomyces "Cyanobacteria" Proteobacteria Spirochetes Gram-positives Chloroflexi Thermoproteus–Pyrodictium Thermococcus celer Methanococcus Methanobacterium Methanosarcina Haloarchaea Entamoebae Slime molds Animals Fungi Plants Ciliates Flagellates Trichomonads Microsporidia Diplomonads
Fylogenetický strom zobrazující domény bakterií , archeí a eukaryot


Fylogeneze je evoluční historie specifické skupiny organismů nebo jejich genů. Může být reprezentován pomocí fylogenetického stromu , diagramu ukazujícího linie původu mezi organismy nebo jejich geny. Každá čára nakreslená na časové ose stromu představuje linii potomků určitého druhu nebo populace. Když se linie rozdělí na dvě, je reprezentována jako rozvětvení nebo rozdělení na fylogenetickém stromě. Fylogenetické stromy jsou základem pro porovnávání a seskupování různých druhů. Různé druhy, které sdílejí rys zděděný od společného předka, jsou popsány jako mající homologní rysy (nebo synapomorfii ). Fylogeneze poskytuje základ biologické klasifikace. Tento klasifikační systém je založen na hodnosti, přičemž nejvyšší hodností je doména následovaná královstvím , kmenem , třídou , řádem , čeledí , rodem a druhem . Všechny organismy lze klasifikovat jako patřící do jedné ze tří domén : Archaea (původně Archaebacteria); bakterie (původně eubakterie) nebo eukarya (zahrnuje protist , houby , rostlinu a živočišnou říši).

Dějiny života

Historie života na Zemi sleduje, jak se organismy vyvíjely od nejranějšího vzniku života až po současnost. Země vznikla asi před 4,5 miliardami let a veškerý život na Zemi , živý i zaniklý, pocházel z posledního univerzálního společného předka , který žil asi před 3,5 miliardami let . Geologové vyvinuli geologickou časovou stupnici , která rozděluje historii Země do hlavních divizí, počínaje čtyřmi eony ( hadejským , archejským , proterozoickým a fanerozoickým ), z nichž první tři jsou souhrnně známé jako prekambrium , které trvalo přibližně 4 miliardy let. Každý eon lze rozdělit na éry , přičemž fanerozoický eon, který začal před 539 miliony let, se dělí na paleozoické , mezozoické a kenozoické éry. Tyto tři éry dohromady zahrnují jedenáct období ( kambrium , ordovik , silur , devon , karbon , perm , trias , jura , křída , terciér a čtvrtohory ).

Podobnosti mezi všemi známými dnešními druhy naznačují, že se v průběhu evoluce odchýlily od svého společného předka. Biologové považují všudypřítomnost genetického kódu za důkaz univerzálního společného původu pro všechny bakterie , archaea a eukaryota . Mikrobální rohože koexistujících bakterií a archaea byly dominantní formou života v rané archejské epoše a mnoho z hlavních kroků v rané evoluci se pravděpodobně odehrálo v tomto prostředí. Nejstarší důkazy o eukaryotech pocházejí z doby před 1,85 miliardami let, a přestože mohly být přítomny již dříve, jejich diverzifikace se zrychlila, když ve svém metabolismu začali používat kyslík . Později, asi před 1,7 miliardami let, se začaly objevovat mnohobuněčné organismy s diferencovanými buňkami vykonávajícími specializované funkce.

Mnohobuněčné suchozemské rostliny podobné řasám pocházejí dokonce z doby před asi 1 miliardou let, i když důkazy naznačují, že mikroorganismy vytvořily nejranější suchozemské ekosystémy , nejméně před 2,7 miliardami let. Předpokládá se, že mikroorganismy vydláždily cestu pro vznik suchozemských rostlin v období ordoviku . Pozemní rostliny byly tak úspěšné, že se předpokládá, že přispěly k události vymírání pozdního devonu .

Biota Ediacara se objevuje během ediakarského období, zatímco obratlovci spolu s většinou ostatních moderních kmenů vznikly asi před 525 miliony let během kambrické exploze . Během permského období vládli na zemi synapsidy , včetně předchůdců savců , ale většina této skupiny vyhynula při vyhynutí z permu a triasu před 252 miliony let. Během zotavování z této katastrofy se archosauři stali nejhojnějšími suchozemskými obratlovci; jedna skupina archosaurů, dinosauři , dominovala v období jury a křídy. Po vyhynutí křídy a paleogénu před 66 miliony let vyhynuly neptačí dinosauři, velikost a rozmanitost savců se rychle zvětšila . Taková masová vymírání mohla urychlit evoluci tím, že poskytla příležitosti k diverzifikaci novým skupinám organismů.

Rozmanitost

Bakterie a Archaea

BakterieGemmatimonas aurantiaca (-=1 mikrometr)

Bakterie jsou typem buněk , které tvoří velkou doménu prokaryotických mikroorganismů . Bakterie o délce několika mikrometrů mají řadu tvarů , od koulí po tyčinky a spirály . Bakterie byly mezi prvními formami života, které se objevily na Zemi , a jsou přítomny ve většině jejích stanovišť . Bakterie obývají půdu, vodu, kyselé horké prameny , radioaktivní odpad a hlubokou biosféru zemské kůry . Bakterie také žijí v symbiotických a parazitických vztazích s rostlinami a zvířaty. Většina bakterií nebyla charakterizována a pouze asi 27 procent bakteriálních kmenů má druhy, které lze pěstovat v laboratoři.

Archaea tvoří další doménu prokaryotických buněk a byly původně klasifikovány jako bakterie , dostaly jméno archaebakterie (v království Archaebacteria ), termín, který se přestal používat. Archaální buňky mají jedinečné vlastnosti, které je oddělují od ostatních dvou domén , bakterií a eukaryot . Archaea jsou dále rozděleny do více uznaných phyla . Archaea a bakterie jsou obecně podobné velikosti a tvaru, ačkoli několik archaea má velmi odlišné tvary, jako jsou ploché a čtvercové buňky Haloquadratum walsbyi . Navzdory této morfologické podobnosti s bakteriemi má archaea geny a několik metabolických drah , které jsou blíže příbuzným cestám eukaryot, zejména pro enzymy zapojené do transkripce a translace . Jiné aspekty archaální biochemie jsou jedinečné, jako je jejich závislost na etherových lipidech v jejich buněčných membránách , včetně archaeolů . Archaea využívá více zdrojů energie než eukaryota: ty se pohybují od organických sloučenin , jako jsou cukry, po čpavek , kovové ionty nebo dokonce plynný vodík . Archaea tolerantní k soli ( Haloarchaea ) používá sluneční světlo jako zdroj energie a jiné druhy archaea fixují uhlík , ale na rozdíl od rostlin a sinic žádný známý druh archaea nedělá obojí. Archaea se množí asexuálně binárním štěpením , fragmentací nebo pučením ; na rozdíl od bakterií žádný známý druh Archaea netvoří endospory .

První pozorované archaea byly extrémofily žijící v extrémních prostředích, jako jsou horké prameny a slaná jezera bez dalších organismů. Vylepšené nástroje molekulární detekce vedly k objevu archaea v téměř každém stanovišti , včetně půdy, oceánů a bažin . Archaea je zvláště početná v oceánech a archaea v planktonu může být jednou z nejhojnějších skupin organismů na planetě.

Archaea jsou hlavní součástí života na Zemi . Jsou součástí mikrobioty všech organismů. V lidském mikrobiomu jsou důležité ve střevech , ústech a na kůži. Jejich morfologická, metabolická a geografická rozmanitost jim umožňuje hrát různé ekologické role: fixaci uhlíku; cyklování dusíku; obrat organických sloučenin; a například udržování mikrobiálních symbiotických a syntrofických komunit.

Eukaryota

Euglena , jednobuněčné eukaryoty, které se mohou pohybovat i fotosyntetizovat

Předpokládá se, že eukaryota se odštěpila od archaea, po čemž následovaly jejich endosymbiózy s bakteriemi (nebo symbiogeneze ), které daly vzniknout mitochondriím a chloroplastům, z nichž oba jsou nyní součástí moderních eukaryotických buněk. Hlavní linie eukaryot se diverzifikovaly v prekambriu asi před 1,5 miliardami let a lze je rozdělit do osmi hlavních kladů : alveoláty , výkopy , stramenopily , rostliny , rhizarians , amoebozoans , houby a zvířata . Pět z těchto kladů je souhrnně známo jako protistové , což jsou většinou mikroskopické eukaryotické organismy , které nejsou rostlinami, houbami nebo zvířaty. I když je pravděpodobné, že protistové sdílejí společného předka ( poslední společný předek eukaryotických ), protistové sami o sobě nepředstavují samostatný klad, protože někteří protistové mohou být více příbuzní rostlinám, houbám nebo zvířatům než jiným protistům. Stejně jako seskupení, jako jsou řasy , bezobratlí nebo prvoci , není seskupení protist formální taxonomickou skupinou, ale používá se pro pohodlí. Většina protistů je jednobuněčná; tito se nazývají mikrobiální eukaryota.

Rostliny jsou převážně mnohobuněčné organismy, převážně fotosyntetická eukaryota z říše Plantae, což by vylučovalo houby a některé řasy . Rostlinné buňky byly odvozeny endosymbiózou sinice do raného eukaryota asi před miliardou let, což dalo vznik chloroplastům. Prvních několik kladů, které se objevily po primární endosymbióze, bylo vodních a většina vodních fotosyntetických eukaryotických organismů je souhrnně popsána jako řasy, což je výhodný termín, protože ne všechny řasy jsou úzce příbuzné. Řasy zahrnují několik odlišných kladů, jako jsou glaukofyty , což jsou mikroskopické sladkovodní řasy, které se svou formou mohly podobat časným jednobuněčným předkům Plantae. Na rozdíl od glaukofytů jsou ostatní kladé řasy, jako jsou červené a zelené řasy, mnohobuněčné. Zelené řasy se skládají ze tří hlavních kladů: chlorofyty , coleochaetophytes a stoneworts .

Houby jsou eukaryota, která tráví potravu mimo svá těla, vylučují trávicí enzymy, které rozkládají velké molekuly potravy, než je absorbují přes své buněčné membrány. Mnohé houby jsou také saproby , živí se mrtvou organickou hmotou, což z nich dělá důležité rozkladače v ekologických systémech.

Zvířata jsou mnohobuněčná eukaryota. Až na několik výjimek zvířata během embryonálního vývoje konzumují organický materiál , dýchají kyslík , jsou schopna se pohybovat , mohou se pohlavně rozmnožovat a vyrůstat z duté koule buněk , blastuly . Bylo popsáno více než 1,5 milionu žijících živočišných druhů — z nichž asi 1 milion tvoří hmyz — ale odhaduje se, že celkem existuje přes 7 milionů živočišných druhů. Mají složité interakce mezi sebou navzájem a se svým prostředím a vytvářejí složité potravní sítě .

Viry

Bakteriofágy připojené k bakteriální buněčné stěně

Viry jsou submikroskopická infekční agens , která se replikují uvnitř buněk organismů . Viry infikují všechny typy forem života , od zvířat a rostlin po mikroorganismy , včetně bakterií a archeí . Podrobně bylo popsáno více než 6000 druhů virů . Viry se nacházejí téměř v každém ekosystému na Zemi a jsou nejpočetnějším typem biologické entity.

Původ virů v evoluční historii života je nejasný: některé se mohly vyvinout z plazmidů — kousků DNA, které se mohou pohybovat mezi buňkami —, zatímco jiné se mohly vyvinout z bakterií. V evoluci jsou viry důležitým prostředkem horizontálního přenosu genů , který zvyšuje genetickou rozmanitost způsobem analogickým k sexuální reprodukci . Protože viry mají některé, ale ne všechny vlastnosti života, byly popsány jako „organismy na okraji života“ a jako sebereplikátory .

Ekologie

Ekologie je studium distribuce a množství života , vzájemné ovlivňování mezi organismy a jejich prostředím .

Ekosystémy

Společenství živých ( biotických ) organismů ve spojení s neživými ( abiotickými ) složkami (např . voda, světlo, záření, teplota, vlhkost , atmosféra , kyselost a půda) jejich prostředí se nazývá ekosystém . Tyto biotické a abiotické složky jsou propojeny prostřednictvím cyklů živin a energetických toků. Energie ze slunce vstupuje do systému fotosyntézou a je zabudována do rostlinné tkáně. Živočichové se živí rostlinami a jeden na druhém, pohybují hmotu a energii systémem. Ovlivňují také množství přítomné rostlinné a mikrobiální biomasy . Rozkládáním mrtvé organické hmoty uvolňují rozkladače uhlík zpět do atmosféry a usnadňují koloběh živin přeměnou živin uložených v mrtvé biomase zpět do formy, kterou mohou rostliny a další mikroby snadno využít .

Populace

Dosažení nosné kapacity prostřednictvím křivky logistického růstu

Populace je skupina organismů stejného druhu , která zabírá oblast a rozmnožuje se z generace na generaci. Velikost populace lze odhadnout vynásobením hustoty obyvatelstva plochou nebo objemem. Nosná kapacita prostředí je maximální velikost populace druhu , která může být udržována v tomto konkrétním prostředí, vzhledem k potravě, stanovišti , vodě a dalším dostupným zdrojům . Únosná kapacita populace může být ovlivněna měnícími se podmínkami prostředí, jako jsou změny v dostupnosti zdrojů a náklady na jejich udržování. V lidských populacích pomohly nové technologie , jako je zelená revoluce , časem zvýšit nosnou kapacitu Země pro lidi, což zmařilo pokusy o předpovědi hrozícího úbytku populace, z nichž nejslavnější byl Thomas Malthus v 18. století.

společenství

A (a) trofická pyramida a (b) zjednodušená potravní síť. Trofická pyramida představuje biomasu na každé úrovni.

Společenství je skupina populací druhů, které ve stejnou dobu zabírají stejnou zeměpisnou oblast. Biologická interakce je účinek, který na sebe má dvojice organismů žijících společně ve společenství. Mohou být buď stejného druhu (vnitrodruhové interakce), nebo různých druhů (mezidruhové interakce). Tyto účinky mohou být krátkodobé, jako je opylování a predace , nebo dlouhodobé; oba často silně ovlivňují evoluci zúčastněných druhů. Dlouhodobá interakce se nazývá symbióza . Symbiózy sahají od vzájemnosti , prospěšné pro oba partnery, až po soutěživost , škodlivou pro oba partnery. Každý druh se jako spotřebitel, zdroj nebo obojí účastní interakcí spotřebitel-zdroj , které tvoří jádro potravních řetězců nebo potravních sítí . V rámci jakékoli potravní sítě existují různé trofické úrovně , přičemž nejnižší úrovní jsou primární producenti (nebo autotrofní ), jako jsou rostliny a řasy, které přeměňují energii a anorganický materiál na organické sloučeniny , které pak může využívat zbytek komunity. Na další úrovni jsou heterotrofy , což jsou druhy, které získávají energii štěpením organických sloučenin z jiných organismů. Heterotrofové, kteří konzumují rostliny, jsou primárními spotřebiteli (nebo býložravci ), zatímco heterotrofní, kteří konzumují býložravce, jsou sekundárními spotřebiteli (neboli masožravci ). A ti, kteří jedí sekundární spotřebitelé, jsou terciární spotřebitelé a tak dále. Všežravé heterotrofy jsou schopny konzumovat na více úrovních. Konečně existují rozkladače , které se živí odpadními produkty nebo mrtvými těly organismů. V průměru celkové množství energie začleněné do biomasy trofické úrovně za jednotku času je asi jedna desetina energie trofické úrovně, kterou spotřebuje. Odpad a mrtvý materiál používaný rozkladači, stejně jako teplo ztracené metabolismem tvoří dalších devadesát procent energie, která není spotřebována další trofickou úrovní.

Biosféra

Rychlý uhlíkový cyklus ukazující pohyb uhlíku mezi pevninou, atmosférou a oceány v miliardách tun za rok. Žlutá čísla jsou přirozené toky, červená jsou lidské příspěvky, bílá jsou uložený uhlík. Účinky pomalého uhlíkového cyklu , jako je vulkanická a tektonická aktivita, nejsou zahrnuty.

V globálním ekosystému nebo biosféře hmota existuje jako různé interagující složky, které mohou být biotické nebo abiotické, stejně jako přístupné nebo nepřístupné, v závislosti na jejich formách a umístění. Například hmota z pozemských autotrofů je biotická a přístupná jiným organismům, zatímco hmota v horninách a minerálech je abiotická a nepřístupná. Biogeochemický cyklus je cesta, kterou se specifické prvky hmoty obracejí nebo pohybují biotickými ( biosféra ) a abiotickými ( litosféra , atmosféra a hydrosféra ) kompartmenty Země . Pro dusík , uhlík a vodu existují biogeochemické cykly .

Zachování

Biologie ochrany je studium ochrany biologické rozmanitosti Země s cílem chránit druhy , jejich stanoviště a ekosystémy před nadměrnou rychlostí vymírání a erozí biotických interakcí. Zabývá se faktory, které ovlivňují udržování, ztrátu a obnovu biologické rozmanitosti a vědou o udržení evolučních procesů, které plodí genetickou , populační , druhovou a ekosystémovou rozmanitost. Obavy pramení z odhadů, které naznačují, že až 50 % všech druhů na planetě během příštích 50 let zmizí, což přispělo k chudobě, hladovění a obnoví běh evoluce na této planetě. Biodiverzita ovlivňuje fungování ekosystémů, které poskytují různé služby , na kterých jsou lidé závislí. Biologové zabývající se ochranou přírody zkoumají a vzdělávají se o trendech ztráty biologické rozmanitosti , vymírání druhů a jejich negativních dopadech na naši schopnost udržovat blahobyt lidské společnosti. Organizace a občané reagují na současnou krizi biologické rozmanitosti prostřednictvím ochranářských akčních plánů, které řídí výzkum, monitorování a vzdělávací programy, které se zabývají místními i globálními záležitostmi.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

Odkazy na deník