1.2 Þemu og hugtök í líffræði

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta getur þú gert eftirfarandi:

• Greint og lýst einkennum lífs
• Lýst skipulagsstigum lífvera
• Þekkt og túlkað þróunartré
• Talið upp dæmi um mismunandi undirgreinar líffræðinnar

Líffræði er sú vísindagrein sem rannsakar líf, en hvað er líf nákvæmlega? Þetta kann að hljóma eins og kjánaleg spurning með augljósu svari, en það er ekki alltaf auðvelt að skilgreina líf. Til dæmis rannsakar veirufræði, grein innan líffræði, veirur sem sýna sum einkenni lifandi vera en skortir önnur. Þótt veirur geti ráðist á lifandi lífverur, valdið sjúkdómum og jafnvel fjölgað sér uppfylla þær ekki þau skilyrði sem líffræðingar nota til að skilgreina líf. Þess vegna eru veirufræðingar, strangt til tekið, ekki líffræðingar. Á sama hátt rannsaka sumir líffræðingar fyrstu sameindaþróunina sem leiddi til lífs. Þar sem atburðirnir sem komu á undan lífi eru ekki líffræðilegir atburðir falla þessir vísindamenn einnig utan líffræði í þrengsta skilningi hugtaksins.

Frá upphafi hefur líffræðin glímt við þrjár spurningar: Hvaða sameiginlegu eiginleikar gera það að verkum að eitthvað telst „lifandi“? Þegar við vitum að eitthvað er lifandi, hvernig finnum við merkingarbær skipulagsstig í uppbyggingu þess? Að lokum, þegar við stöndum frammi fyrir hinum ótrúlega fjölbreytileika lífsins, hvernig skipuleggjum við ólíkar gerðir lífvera svo við getum skilið þær betur? Eftir því sem vísindamenn uppgötva nýjar lífverur á hverjum degi halda líffræðingar áfram að leita svara við þessum og öðrum spurningum.

Einkenni lífs

Allar lifandi lífverur eiga sameiginleg nokkur lykileinkenni eða lykilstarfsemi: skipulag, næmi eða svörun við umhverfinu, æxlun, aðlögun, vöxt og þroska, stjórnun eða samvægi, orkuvinnslu og þróun. Þegar þessi átta einkenni eru skoðuð saman hjálpa þau til við að skilgreina líf.

Skipulag

Lífverur eru mjög skipulagðar og samhæfðar byggingar sem samanstanda af einni eða fleiri frumum. Jafnvel mjög einfaldar einfruma lífverur eru ótrúlega flóknar: inni í hverri frumu mynda atóm sameindir. Þær mynda síðan frumulíffæri og aðrar frumuinnlyksur. Í fjölfruma lífverum (mynd 1.10) mynda svipaðar frumur vefi. Vefir vinna síðan saman að því að mynda líffæri, það er líkamsbyggingar með sérstakt hlutverk. Líffæri vinna saman og mynda líffærakerfi.

Næmi eða svörun við áreiti

Lífverur bregðast við margvíslegu áreiti. Til dæmis geta plöntur beygt sig í átt að ljósgjafa, klifrað upp girðingar og veggi eða brugðist við snertingu (mynd 1.11). Jafnvel örsmáar bakteríur geta hreyft sig í átt að efnum eða frá þeim, ferli sem kallast efnsækni, eða í átt að ljósi eða frá því, sem kallast ljóssækni. Hreyfing í átt að áreiti er jákvæð svörun, en hreyfing frá áreiti er neikvæð svörun.

Tengill í námsefni

Horfðu á þetta myndband til að sjá hvernig plöntur bregðast við áreiti, allt frá því að opnast fyrir ljósi til þess að vefja klifurþræði um grein eða fanga bráð.

Æxlun

Einfruma lífverur fjölga sér með því að tvöfalda fyrst DNA sitt og skipta því síðan jafnt þegar fruman býr sig undir að skipta sér og mynda tvær nýjar frumur. Fjölfruma lífverur framleiða oft sérhæfðar æxlunarfrumur, kynfrumur á borð við eggfrumur og sæðisfrumur. Eftir frjóvgun, það er samruna eggfrumu og sæðisfrumu, þroskast nýr einstaklingur. Við æxlun berst DNA sem inniheldur gen til afkvæma lífverunnar. Þessi gen tryggja að afkvæmin tilheyri sömu tegund og hafi svipuð einkenni, svo sem stærð og lögun.

Aðlögun

Allar lifandi lífverur sýna aðlögun að umhverfi sínu. Líffræðingar kalla þetta aðlögun og hún er afleiðing þróunar með náttúruvali, sem á sér stað í öllum ættlínum lífvera sem fjölga sér. Dæmi um aðlögun eru fjölbreytt og einstök, allt frá hitaþolnum fornbakteríum (Archaea) sem lifa í sjóðandi hverum til tungulengdar mölfiðrildis sem nærist á blómasafa og passar við stærð blómsins sem það nærist á. Aðlögun eykur æxlunarmöguleika einstaklinganna sem búa yfir henni, þar á meðal getu þeirra til að lifa af þar til þeir fjölga sér. Aðlögun er ekki föst. Þegar umhverfi breytist veldur náttúruval því að einkenni einstaklinga í stofni fylgja þessum breytingum.

Vöxtur og þroski

Lífverur vaxa og þroskast vegna þess að gen veita sértækar leiðbeiningar sem stýra vexti og þroska frumna. Þetta tryggir að afkvæmi tegundar (mynd 1.12) vaxi úr grasi og sýni mörg sömu einkenni og foreldrar þeirra.

Stjórnun og samvægi

Jafnvel minnstu lífverur eru flóknar og þurfa mörg stjórnunarkerfi til að samhæfa innri starfsemi, bregðast við áreiti og takast á við umhverfisálag. Samvægi, bókstaflega „stöðugt ástand“, vísar til þess tiltölulega stöðuga innra umhverfis sem þarf til að viðhalda lífi. Tvö dæmi um innri starfsemi sem stjórnað er í lífveru eru flutningur næringarefna og blóðflæði. Líffæri, hópar vefja sem vinna saman, gegna sérstökum hlutverkum, svo sem að flytja súrefni um líkamann, fjarlægja úrgang, koma næringarefnum til hverrar frumu og kæla líkamann.

Til að starfa eðlilega þurfa frumur viðeigandi skilyrði, til dæmis rétt hitastig, sýrustig (pH) og viðeigandi styrk ýmissa efna. Þessi skilyrði geta þó breyst frá einu augnabliki til annars. Þrátt fyrir umhverfisbreytingar geta lífverur viðhaldið innri skilyrðum samvægis innan þröngra marka nánast stöðugt með því að virkja stjórnunarkerfi. Til dæmis þarf lífvera að stjórna líkamshita með hitastjórnun. Lífverur sem lifa í köldu loftslagi, svo sem ísbjörninn (mynd 1.13), hafa líkamsbyggingu sem hjálpar þeim að þola lágt hitastig og varðveita líkamshita. Byggingar sem hjálpa til við slíka einangrun eru meðal annars feldur, fjaðrir, spik og fita. Í heitu loftslagi hafa lífverur aðferðir, svo sem svita hjá mönnum eða más hjá hundum, sem hjálpa þeim að losa sig við umfram líkamshita.

Orkuvinnsla

Allar lífverur nota orkugjafa fyrir efnaskiptastarfsemi sína. Sumar lífverur fanga orku frá sólinni og breyta henni í efnaorku í fæðu. Aðrar nota efnaorku í sameindum sem þær taka inn sem fæðu (mynd 1.14).

Þróun

Fjölbreytileiki lífs á jörðinni er afleiðing stökkbreytinga, það er tilviljanakenndra breytinga á erfðaefni með tímanum. Þessar stökkbreytingar gera lífverum kleift að aðlagast breyttu umhverfi. Lífvera sem þróar með sér einkenni sem henta umhverfinu nær meiri æxlunarárangri, undir áhrifum náttúruvals.

Skipulagsstig lífvera

Lífverur eru mjög skipulagðar og uppbyggðar samkvæmt stigveldi sem við getum skoðað á kvarða frá smáu til stórs. Atómið er minnsta og grundvallareining efnis sem heldur eiginleikum frumefnis. Það samanstendur af kjarna sem er umkringdur rafeindum. Atóm mynda sameindir. Sameind er efnafræðileg bygging sem samanstendur af að minnsta kosti tveimur atómum sem haldið er saman af einu eða fleiri efnatengjum. Margar líffræðilega mikilvægar sameindir eru stórsameindir, stórar sameindir sem myndast yfirleitt við fjölliðun. Fjölliða er stór sameind sem verður til þegar smærri einingar, sem kallast einliður og eru einfaldari en stórsameindir, tengjast saman. Dæmi um stórsameind er deoxýríbókjarnsýra (DNA) (mynd 1.15), sem inniheldur leiðbeiningar um byggingu og starfsemi allra lifandi lífvera.

Tengill í námsefni

Horfðu á þetta myndband sem sýnir þrívíddarbyggingu DNA-sameindarinnar á mynd 1.15.

Sumar frumur innihalda samsöfn stórsameinda sem eru umkringd himnum. Við köllum þetta frumulíffæri. Frumulíffæri eru litlar byggingar sem eru inni í frumum. Dæmi um frumulíffæri eru hvatberar og grænukorn, sem gegna ómissandi hlutverkum: hvatberar vinna orku til að knýja frumuna, en grænukorn gera grænum plöntum kleift að nýta orku sólarljóssins til að búa til sykrur. Allar lifandi verur eru gerðar úr frumum. Fruman sjálf er minnsta grundvallareining byggingar og starfsemi í lifandi lífverum. (Þessi krafa er ástæða þess að vísindamenn telja veirur ekki lifandi: þær eru ekki gerðar úr frumum. Til að búa til nýjar veirur verða þær að ráðast inn í og ræna æxlunarkerfi lifandi frumu. Aðeins þá geta þær fengið efnin sem þær þurfa til að fjölga sér.) Sumar lífverur samanstanda af einni frumu og aðrar eru fjölfruma. Vísindamenn flokka frumur sem dreifkjarna eða heilkjarna. Dreifkjörnungar eru einfruma lífverur eða sambýlislífverur sem hafa ekki himnubundinn kjarna. Aftur á móti hafa frumur heilkjörnunga himnubundin frumulíffæri og himnubundinn kjarna.

Í stærri lífverum sameinast frumur og mynda vefi, sem eru hópar svipaðra frumna sem gegna svipuðum eða skyldum hlutverkum. Líffæri eru söfn vefja sem eru flokkuð saman og gegna sameiginlegu hlutverki. Líffæri finnast ekki aðeins í dýrum heldur einnig í plöntum. Líffærakerfi er hærra skipulagsstig sem samanstendur af líffærum sem tengjast starfrænt. Spendýr hafa mörg líffærakerfi. Til dæmis flytur hringrásarkerfið blóð um líkamann og til og frá lungum. Það inniheldur líffæri eins og hjarta og æðar. Lífverur eru sjálfstæðar lifandi heildir. Til dæmis er hvert tré í skógi lífvera. Einfruma dreifkjörnungar og einfruma heilkjörnungar eru einnig lífverur, sem líffræðingar kalla venjulega örverur.

Líffræðingar kalla alla einstaklinga sömu tegundar sem lifa á tilteknu svæði stofn. Til dæmis getur skógur innihaldið mörg furutré sem mynda stofn furutrjáa í þessum skógi. Mismunandi stofnar geta lifað á sama tiltekna svæði. Til dæmis inniheldur skógurinn með furutrjánum stofna blómplantna, skordýra og örvera. Samfélag er summa stofna sem búa á tilteknu svæði. Til dæmis mynda öll tré, blóm, skordýr og aðrir stofnar í skógi samfélag skógarins. Skógurinn sjálfur er vistkerfi. Vistkerfi samanstendur af öllum lifandi verum á tilteknu svæði ásamt ólífrænum, ólifandi hlutum þess umhverfis, svo sem köfnunarefni í jarðvegi eða regnvatni. Á hæsta skipulagsstigi (mynd 1.16) er lífhvolfið safn allra vistkerfa og það táknar lífbelti jarðar. Það nær yfir land, vatn og jafnvel andrúmsloftið að vissu marki.

Myndræn tenging

Hver eftirfarandi fullyrðinga er röng?

• Vefir eru í líffærum sem eru í líffærakerfum.
• Samfélög eru í stofnum sem eru í vistkerfum.
• Frumulíffæri eru í frumum sem eru í vefjum.
• Samfélög eru í vistkerfum sem eru í lífhvolfinu.

Fjölbreytileiki lífs

Sú staðreynd að líffræði, sem vísindagrein, hefur svo víðtækt umfang tengist hinum gífurlega fjölbreytileika lífs á jörðinni. Uppspretta þessa fjölbreytileika er þróun, ferli hægfara breytinga í stofni eða tegund með tímanum. Þróunarlíffræðingar rannsaka þróun lifandi vera allt frá smásæjum heimi til vistkerfa.

Þróunartré (mynd 1.17) getur dregið saman þróun ýmissa lífsforma á jörðinni. Það er skýringarmynd sem sýnir þróunartengsl milli líffræðilegra tegunda á grundvelli líkinda og mismunar í erfðafræðilegum eða líkamlegum einkennum, eða hvoru tveggja. Hnútar og greinar mynda þróunartré. Innri hnútar tákna forfeður og eru punktar í þróuninni þar sem vísindamenn telja, á grundvelli vísindalegra sönnunargagna, að forfaðir hafi greinst í tvær nýjar tegundir. Í sumum þróunartrjám getur lengd hverrar greinar verið í hlutfalli við tímann sem liðinn er frá aðskilnaðinum.

Þróunartenging

Carl Woese og þróunartréð

Áður fyrr flokkuðu líffræðingar lifandi lífverur í sex ríki: dýraríki (Animalia), jurtaríki (Plantae), svepparíki (Fungi), frumveruríki (Protista), fornbakteríur (Archaea) og bakteríur (Bacteria). Þeir byggðu flokkunarkerfið aðallega á líkamlegum einkennum, ólíkt lífeðlisfræði, lífefnafræði eða sameindalíffræði, sem nútíma flokkunarfræði notar allar. Brautryðjendastarf bandaríska örverufræðingsins Carls Woese snemma á áttunda áratugnum sýndi hins vegar að líf á jörðinni hefur þróast eftir þremur ættlínum, sem nú eru kallaðar lén: bakteríur (Bacteria), fornbakteríur (Archaea) og heilkjörnungar (Eukarya). Fyrstu tvö lénin samanstanda af dreifkjarna örverum sem skortir himnubundna kjarna og frumulíffæri. Þriðja lénið inniheldur heilkjörnunga og nær yfir einfruma örverur (frumverur), ásamt hinum þremur ríkjunum (sveppum, plöntum og dýrum). Woese skilgreindi Archaea sem nýtt lén og það leiddi til nýs flokkunartrés (mynd 1.17). Margar lífverur sem tilheyra léninu Archaea lifa við öfgafullar aðstæður og eru kallaðar öfgakærar lífverur. Til að smíða tré sitt notaði Woese erfðafræðileg tengsl frekar en líkindi byggð á formgerð (lögun).

Woese smíðaði tré sitt út frá samanburði á röðum gena sem finnast í öllum lífverum og eru varðveitt, sem þýðir að þessi gen hafa haldist að mestu óbreytt í gegnum þróunina. Nálgun Woese var byltingarkennd vegna þess að samanburður á líkamlegum einkennum nægir ekki til að greina á milli dreifkjörnunga sem virðast nokkuð svipaðir þrátt fyrir gífurlegan lífefnafræðilegan fjölbreytileika og erfðafræðilegan breytileika (mynd 1.18). Samanburður á rRNA-röðum veitti Woese næma aðferð sem leiddi í ljós víðtækan breytileika dreifkjörnunga og réttlætti að dreifkjörnungum væri skipt í tvö lén: bakteríur og fornbakteríur.

Greinar líffræðinnar

Umfang líffræðinnar er víðtækt og því nær hún yfir margar greinar og undirgreinar. Líffræðingar geta lagt stund á eina af þessum undirgreinum og unnið á afmarkaðra sviði. Til dæmis rannsaka sameindalíffræði og lífefnafræði líffræðileg ferli á sameinda- og efnafræðilegu stigi, þar á meðal víxlverkanir milli sameinda á borð við DNA, RNA og prótein, sem og hvernig þeim er stjórnað. Örverufræði, fræðigreinin um örverur, rannsakar byggingu og starfsemi einfruma lífvera. Hún er sjálf nokkuð víðtæk grein og eftir rannsóknarefninu eru einnig til lífeðlisfræðingar, vistfræðingar og erfðafræðingar sem sérhæfa sig í örverum.

Starfstenging

Réttarvísindamaður

Réttarvísindi eru beiting vísinda til að svara spurningum sem tengjast lögum. Líffræðingar, sem og efnafræðingar og lífefnafræðingar, geta verið réttarvísindamenn. Réttarvísindamenn leggja fram vísindaleg sönnunargögn til notkunar fyrir dómstólum og starf þeirra felur í sér að rannsaka snefilefni sem tengjast glæpum. Áhugi á réttarvísindum hefur aukist á síðustu árum, hugsanlega vegna vinsælla sjónvarpsþátta sem sýna réttarvísindamenn í starfi. Þróun sameindatækni og stofnun DNA-gagnagrunna hefur einnig aukið þær tegundir verkefna sem réttarvísindamenn geta unnið. Starf þeirra tengist fyrst og fremst glæpum gegn fólki, svo sem morðum, nauðgunum og líkamsárásum. Vinnan felur í sér að greina sýni á borð við hár, blóð og aðra líkamsvökva og einnig að vinna úr DNA (mynd 1.19) sem finnst í mörgum mismunandi umhverfum og efnum. Réttarvísindamenn greina einnig önnur líffræðileg sönnunargögn sem skilin eru eftir á vettvangi glæpa, svo sem skordýralirfur eða frjókorn. Nemendur sem vilja leggja fyrir sig starfsferil í réttarvísindum þurfa líklega að taka námskeið í efnafræði og líffræði ásamt nokkrum krefjandi stærðfræðinámskeiðum.

Annað svið líffræðilegra rannsókna, taugalíffræði, rannsakar líffræði taugakerfisins. Þótt taugalíffræði sé grein innan líffræði er hún einnig þverfaglegt fræðasvið sem kallast taugavísindi. Vegna þverfaglegs eðlis síns rannsakar þessi undirgrein mismunandi starfsemi taugakerfisins með sameindafræðilegum, frumufræðilegum, þroskafræðilegum, læknisfræðilegum og tölvunarfræðilegum nálgunum.

Steingervingafræði, önnur grein líffræði, notar steingervinga til að rannsaka sögu lífsins (mynd 1.20). Dýrafræði og grasafræði eru fræðigreinar um dýr og plöntur, í sömu röð. Líffræðingar geta einnig sérhæft sig sem líftæknifræðingar, vistfræðingar eða lífeðlisfræðingar, svo fáein svið séu nefnd. Þetta er aðeins lítið sýnishorn af þeim mörgu sviðum sem líffræðingar geta lagt fyrir sig.

Líffræði er afrakstur afreka náttúruvísindanna frá upphafi þeirra til dagsins í dag. Hún er jafnframt vagga nýrra vísinda, svo sem rannsókna á líffræði heilastarfsemi, erfðatækni sem sérsníður lífverur og þróunarlíffræði sem notar rannsóknarstofutæki sameindalíffræðinnar til að rekja elstu stig lífs á jörðinni. Yfirferð yfir fréttafyrirsagnir, hvort sem sagt er frá bólusetningum, nýuppgötvaðri tegund, lyfjamisnotkun í íþróttum eða erfðabreyttum matvælum, sýnir hvernig líffræði er virk og mikilvæg í daglegum heimi okkar.