ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΔΙΑΒΡΩΣΗ. Σημειώσεις για τους Φοιτητές του ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Θεοδώρα Αγαλιώτη PhD

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΔΙΑΒΡΩΣΗ Σημειώσεις για τους Φοιτητές του ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Θεοδώρα Αγαλιώτη PhD

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

3 Θρησκεία και Επιστήμη. Το αρχέγονο ερώτημα «Πως θα προστατευθούμε από τις ασθένειες και πως θα νικήσουμε το θάνατο;» ο άνθρωπος έχει προσπαθήσει να το απαντήσει πολλές φορές χρησιμοποιώντας με τη σειρά, τη μαγεία, τη θρησκεία, τη φιλοσοφία και τελευταία την επιστήμη. Ο επιστημονικός τρόπος σκέψης συνοψίζεται στον αλγόριθμο που δίνεται στην εικόνα 1 και κατά γενική ομολογία, δεν αποτυγχάνει ποτέ στο να βρει λύση σε δεδομένο πρόβλημα: όταν αποτυγχάνεις με την πρώτη ξαναπροσπαθείς διατυπώνοντας μία νέα (βελτιωμένη από την πρωτύτερη εμπειρία) Υπόθεση. ΕΙΚΟΝΑ 1 Οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται είναι ότι ι)η υπόθεση θα πρέπει να είναι «διαψεύσιμη» και ιι)το πείραμα πρέπει να είναι άρτια σχεδιασμένο υπό την έννοια ότι θα πρέπει να περιλαμβάνει θετικούς και αρνητικούς μάρτυρες σύγκρισης ώστε τα αποτελέσματα που θα ληφθούν να μπορούν να ερμηνευθούν σωστά. Η Βιολογία είναι η Επιστήμη της Ζωής και η Ζωή οργανώνεται σε επίπεδα» Το ανθρώπινο μυαλό είναι φτιαγμένο για να λειτουργεί κατηγοριοποιώντας τα αντικείμενα και ψάχνοντας για πρότυπα. Η «τάξη» και η ταξινόμηση διέπονται από πρότυπα, αλλά και η ίδια η διαδικασία της μάθησης πραγματοποιείται πολύ ευκολότερα με το να «τακτοποιούμε» τα πράγματα που παρατηρούμε. Η ίδια η Ζωή δεν αποτελεί εξαίρεση, όπου με τον όρο Ζωή εννοείται το σύνολο των έμβιων όντων και των δομών που την αποτελούν. Φαίνεται πως η Ζωή ταξινομείται σε επίπεδα, όπου το επόμενο προέρχεται από το προηγούμενο και ούτω καθε εξής. Έτσι από τα απλά (ανόργανα) μόρια δημιουργούνται τα σύνθετα (οργανικά) μακρομόρια, τα οποία συνθέτουν με τη σειρά τους τα υποκυτταρικά οργανίδια, που απαρτίζουν τα κύτταρα, που δημιουργούν τους ιστούς, που φτιάχνουν τα όργανα των διαφόρων συστημάτων, που αποτελούν μέρη των

4 οργανισμών. Εντέλει, οι οργανισμοί απαρτίζουν τις βιολογικές κοινωνίες ή απλούστερα κοινωνίες. Η Ζωή από φυλογενετική άποψη οργανώνεται σε έξι «βασίλεια». Τα βασίλεια της Ζωής είναι i) των Ευβακτηρίων που περιλαμβάνει μονοκύτταρους οργανισμούς χωρίς πυρήνα (απύρηνους ή προκαρυώτες) ii) των Αρχαιοβακτηρίων (Archaea) που περιλαμβάνει μονοκύτταρους προκαρυωτικούς οργανισμούς που αρχικά θεωρήθηκαν ότι είναι προσαρμοσμένοι σε ακραία περιβάλλοντα (ακραία χαρακτηρίζονται τα περιβάλλοντα που εμφανίζουν ακραίες τιμές πίεσης, θερμοκρασίας ή ph), αλλά στη συνέχεια βρέθηκε ότι παρόλο που δεν έχουν πυρήνα οι βιοχημικές τους αντιδράσεις σχετίζονται περισσότερο με αυτές των ευκαρυωτικών παρά με αυτές των βακτηρίων iii) των Πρωτίστων που περιλαμβάνει μονοκύτταρους οργανισμούς με πυρήνα (εμπύρηνους ή ευκαρυώτες) iv) των Μυκήτων που περιλλαμβάνει τις μούχλες και τα μανιτάρια v) των Φυτών και vi) των Ζώων. Η Εξελικτική Βιολογία ή η αναζήτηση μίας πρωτεϊκής θεωρίας που να εξηγεί την ουσία της δύναμης που ωθεί τη ζωή και την ύπαρξη Στα μέσα του 19 ου αιώνα ο Κάρολος Δαρβίνος διατύπωσε την επιστημονική Θεωρία της Εξέλιξης λόγω Φυσικής Επιλογής και δημοσίευσε το βιβλίο του «Περί Καταγωγής των ειδών» (1859). Σημερα οι επιστημονικοί κύκλοι παραδέχονται μία Θεωρία της Eξέλιξης η οποία διαφέρει αρκετά από την αρχική Δαρβινική Θεωρία και λέγεται «Μοντέρνα σύνθεση» ή Νεοδαρβινισμός. Ο Νεοδαρβινισμός παραδέχεται την παλιά ιδέα του Δαρβίνου για «Εξέλιξη μέσω φυσικής Επιλογής» και την εμπλουτίζει με στοιχεία που προκύπτουν από την επιστήμη της Γενετικής πληθυσμών. Έτσι, η Εξέλιξη μέσω φυσικής Επιλογής είναι μία διαδικασία που συνάγεται από την παρατήρηση ότι σε ένα είδος (όπως παραδείγματος χάριν το ανθρώπινο είδος ή το είδος της μύγας), παράγονται περισσότεροι απόγονοι από εκείνους που πραγματικά μπορούν να επιβιώσουν, μαζί με τρεις παραδοχές σχετικά με τους πληθυσμούς των ειδών: 1) Τα χαρακτηριστικά ποικίλουν αναμεσα στα άτομα του είδους σε σχέση με τη μορφολογία τους, τη φυσιολογία τους και τη συμπεριφορά τους (φαινοτυπική ποικιλομορφία) 2) Διαφορετικά χαρακτηριστικά προσδίδουν διαφορετικούς ρυθμούς επιβίωσης και αναπαραγωγής (διαφορική προσαρμοστικότητα)

5 3) Τα χαρακτηριστικά κληροδοτούνται από γενια σε γενιά (την κληρονομικότητα των χαρακτήρων διέπουν οι Νόμοι του Mendel). Έτσι σε διαδοχικές γενιές τα μέλη ενός πληθυσμού αντικαθίστανται από απογόνους καλύτερα προσαρμοσμένους (σε σύγκριση με τους γονείς τους) στο να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν στο συγκεκριμένο βιοφυσικό περιβάλλον στο οποίο λαμβάνει χώρα η φυσική επιλογή*. Οι Νόμοι του Μέντελ Ο Νόμος της ομοιομορφίας «Τα άτομα της γενιάς F1που προκύπτουν από τη διασταύρωση δύο ατόμων αμιγών φυλών που διαφέρουν κατά ένα χαρακτηριστικό, είναι όμοια μεταξύ τους». Ο Νόμος του διαχωρισμού «Όταν τα άτομα της F1 διασταυρωθούν μεταξύ τους, τότε διαχωρίζουν στους απογόνους τους τα χαρακτηριστικά των γονέων τους, σύμφωνα με ορισμένες αριθμητικές αναλογίες». Η Φυσική επιλογή (naturalselection) είναι η μόνη γνωστή αιτία προσαρμογής αλλά όχι και η μοναδική αιτία της εξέλιξης. Άλλες μηπροσαρμοστικές αιτίες εξέλιξης περιλαμβάνουν: 1) τις μεταλλάξεις του γενετικού υλικού (Mutation) 2) τον ανασυνδυασμό του γενετικού υλικού (Recombination) 3) τη γενετική παρέκλισση (geneticdrift) Τα τρία τελευταία στοιχεία αποτελούν το «γενετικό περιβάλλον του οργανισμού» σε αντιδιαστολή με τη φυσική επιλογή που αποτελεί χαρακτηριστικό του «βιοφυσικού περιβάλλοντος». Η Παλαιοβιολογία είναι η επιστήμη που μελετά πως ξεκίνησε η Ζωή. Από τη μελέτη της φωτεινής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον Ήλιο και τους άλλους αστέρες γνωρίζουμε ότι το υδρογόνο (Η), το ήλιο (Ηe), ο άνθρακας (C), το άζωτο (N) και το οξυγόνο (O) είναι τα πλέον άφθονα χημικά στοιχεία στο διάστημα. Έτσι, τα: C, H, N και O, τα στοιχεία δηλαδή που συνθέτουν τα βασικότερα συστατικά των έμβιων όντων, ήταν προφανώς άφθονα στην προβιοτική εποχή της ιστορίας του πλανήτη μας. Τρία αέρια: μεθάνιο (CH 4 ), αμμωνία (ΝΗ 3 ) και υδρατμοί (Η 2 Ο) είναι πιθανό να σχηματίστηκαν από τα παραπάνω χημικά στοιχεία και να αποτέλεσαν το βασικότερο μέρος της ατμόσφαιρας της Γης. Άλλα αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και το υδρόθειο (H 2 S) είναι πιθανό ότι προϋπήρχαν. Οποιαδήποτε όμως και αν ήταν η σύνθεση της αρχέγονης ατμόσφαιρας, οι χημικοί συμφωνούν ότι δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου αέριο οξυγόνο, καθώς λόγω της μεγάλης δραστικότητας του θα είχε συνδυαστεί με άλλα στοιχεία. Ο μόνος λόγος που η σημερινή ατμόσφαιρα έχει τόσο πολύ οξυγόνο

6 υποθέτουμε ότι είναι επειδή τα φυτά και ορισμένα βακτήρια το παράγουν σε τεράστιες ποσότητες μέσω της φωτοσύνθεσης. Στην αρχέγονη ατμόσφαιρα, λόγω απουσίας αέριου οξυγόνου, δεν υπήρχε στρώμα όζοντος και έτσι ο πλανήτης ήταν εκτεθειμένος σε έντονη υπεριώδη ακτινοβολία, κοσμικές ακτίνες και άλλες μορφές ηλιακής ακτινοβολίας. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις οι αστραπές, η ραδιενέργεια, η θερμότητα από τα ηφαίστεια και ακόμη οι μεγάλες συγκρούσεις με μετεωρίτες είναι πιθανό να αποτέλεσαν σημαντικές πηγές ενέργειας. Σύμφωνα με το βιοχημικό Αλέξανδρο Οπάριν (1923), η διαθέσιμη αυτή ενέργεια ίσως οδήγησε στη σύνθεση βιολογικών μορίων από τα απλά χημικά στοιχεία που υπήρχαν στην αρχέγονη ατμόσφαιρα της Γης. Το 1953 ο Στάνλεϊ Μίλλερ ήταν ο πρώτος που πειραματίστηκε πάνω στις ιδέες του Οπάριν για την αβιοτική προέλευση των βιομορίων. Ο Μίλλερ χρησιμοποίησε τα χημικά μόρια της πρωτο-ατμόσφαιρας (μεθάνιο, νερό, αμμωνία και υδρογόνο) και συνθήκες σαν αυτές που πιθανόν να επικρατούσαν τότε (θερμοκρασία 80 ο C και ενέργεια από ηλεκτρικούς σπινθήρες). Τα οργανικά μόρια που σχηματίστηκαν από την αντίδραση των πιο πάνω χημικών ενώσεων ήταν αμινοξέα (γλυκίνη, αλανίνη, γλουταμινικό οξύ) και διάφορα άλλα οργανικά οξέα (μυρμηγκικό, γαλακτικό) που αποτελούν τους δομικούς λίθους της ζωής. Η Ζωή δημιουργήθηκε μία φορά ή πολλές; Μία σειρά ενδείξεων συνηγορεί στο ότι η Ζωή δημιουργήθηκε μία μόνο φορά στη γη. Ωστόσο, επειδή δεν γνωρίζουμε τι ακριβώς έγινε (με την τρέχουσα τεχνολογία δεν μπορούμε να μάθουμε με βεβαιότητα) δεν μπορούμε να αποκλείσουμε πως και άλλες «πειραματικές» μορφές αρχέγονης ζωής μπορεί να δημιουργήθηκαν μαζί με τον κοινό μας πρόγονο, το αρχέγονο «πρωτοκύτταρο». Εντούτοις, στον ανταγωνισμό με το πρωτοκύτταρό μας, αυτές οι μορφές «ηττήθηκαν», υπό την έννοια ότι δεν συνέχισαν την ύπαρξή τους. Μία αδιάσπαστη σειρά κυτταρικών διαρέσεων συνδέουν κάθε οργανισμό πάνω στη γη με το αρχέγονο πρωτοκύτταρο. Το θέμα είναι πως σήμερα επικρατεί η άποψη ότι το ίδιο το πρωτοκύτταρο προήλθε από ένα προηγούμενο μη-κύτταρο. Δηλαδή, σήμερα ευνοείται η υπόθεση της αβιοτικής προέλευσης της Ζωής χωρίς αυτό να έχει ή να μπορεί να αποδειχτεί με τα μέσα που έχουμε σήμερα στη διάθεσή μας. Το πως μπορεί να έλαβε χώρα αυτό, περιγράφεται παρακάτω.

7 Τα οργανικά συστατικά της πρωτόγονης ατμόσφαιρας συσσωρεύτηκαν με τις βροχές στα ρηχά νερά της Γης και συμμετείχαν σε ποικίλες χημικές αντιδράσεις. Διαφορετικοί χημικοί συνδυασμοί μακρομορίων (βιοπολυμερών) πιθανότατα να οδήγησαν στη δημιουργία των πρωτοκυττάρων, δομών που χωρίστηκαν από το περιβάλλον τους με το σχηματισμό απλών, υποτυπωδών μεμβρανών φτιαγμένων από μονοστιβάδες λιπιδίων. Οι μεμβράνες αυτές «χώρισαν» το περιβάλλον σε «εντός» και «εκτός», σε «μέσα» και «έξω» από τη μεμβράνη. Άλλωστε, η λέξη «κύτταρο» στην ουσία σημαίνει κελί, δηλαδή ένα μικρό περιορισμένο χώρο. Στους χώρους εντός μεμβράνης κλείστηκαν και άλλα μακρομόρια ενώ αναπτύχθηκαν -πάντα εντός των μεμβρανών-ικανότητες εκμετάλλευσης υλικών του περιβάλλοντος, για να παραχθεί ενέργεια, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για προσθήκη περισσότερων δομικών στοιχείων στις μεβράνες, δηλαδή σε αύξηση των μεμβρανών. Όταν οι μεμβράνες φτάνουν σε ένα κρίσιμο μέγεθος χωρίζονται σε δύο περισσότερο η λιγότερο ίσα μέρη προκειμένου να διατηρήσουν ένα ιδανικό μέγεθος. Ένα ακόμα γεγονός υπέρ αυτής της θεωρίας, μπορεί να είναι το ότι η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης στα προκαρυωτικά είναι στενότατα συνδεδεμένη με την αναπαραγωγή τους επειδή το DNA τους είναι φυσικά προσαρτημένο στη βακτηριακή κυτταρική μεμβράνη και η αντιγραφή του DNA μπορεί να ξεκινήσει από τις αλλαγές σε αυτή τη μεμβράνη. Οι αλλαγές στη μεμβράνη με τη σειρά τους συνδέονται με την αύξησητου βακτηρίου δηλαδή με τη συσσώρευση επιπλεον χημικών συστατικών και με την πρωτεϊνοσύνθεση. Επιπλέον, το μεσόσωμα -το οποίο αποτελείται από πτυχώσεις της κυτταροπλασματικής μεμβράνης οι οποίες παίρνουν τη θέση οργανιδίων τα οποία δεν διαθέτουν τα προκαρυωτικά- φαίνεται να καθοδηγεί το διπλασιασμένο DNA στα δύο θυγατρικά κύτταρα κατά τη διαίρεση του κυττάρου. Με την πάροδο του χρόνου, πιθανότατα πριν από 3,6 έως 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια, τα παραπάνω πρωτοκύτταρα εξελίχθηκαν σε προκαρυωτικά (κύτταρα χωρίς συγκροτημένο πυρήνα) βακτήρια τα οποία συντονίζουν το διπλασιασμό της γενετικής τους πληροφορίας με τη διαίρεσή τους. Τα αναερόβια αυτά κύτταρα αναπτύσσονταν, προφανώς, είτε μέσα στη λιθόσφαιρα είτε κάποια μέτρα κάτω από την επιφάνεια των ωκεανών (προστατευόμενα εκεί από την έντονη υπεριώδη ακτινοβολία που

8 έφθανε στη Γη) και αποτέλεσαν τον πρόδρομο των μεταγενέστερων και πολυπλοκότερων μορφών ζωής. ΕΙΚΟΝΑ 2 Από τα πρωταρχικά βακτήρια και μέσω συσσώρευσης γενετικών μεταβολών (μεταλλάξεων), αναπτύχθηκαν, πριν από 2,6 δισ εκατομμύρια χρόνια, τα πρώτα ευκαρυωτικά κύτταρα (κύτταρα με συγκροτημένο πυρήνα που περικλείεται από πυρηνική μεμβράνη). Από τα ευκαρυωτικά αυτά κύτταρα προέκυψε, μέσω γενετικών και πάλι αλλαγών, μια τεράστια ποικιλία πρωτίστων και μυκήτων καθώς και οι πρόγονοι των σημερινών φυτών και ζώων (πριν από 500 περίπου εκατομμύρια χρόνια). Σημαντικό σταθμό στην παραπάνω εξελικτική πορεία θεωρείται ότι αποτέλεσε η εμφάνιση των φωτοσυνθετικών βακτηρίων (προκαρυωτικοί οργανισμοί που ονομάζονται κυανοβακτήρια) πριν από 2,3-2,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα κύτταρα αυτά μπορούσαν να δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, ηλιακή ενέργεια και νερό και να συνθέτουν τους απαραίτητους για την επιβίωση τους υδατάνθρακες, απελευθερώνοντας παράλληλα οξυγόνο στον ωκεανό και στην ατμόσφαιρα. Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων (αερόβια είναι τα βακρήρια εκείνα που αναπνέουν και η αναπνοή, βιοχημικά, ορίζεται και ως «οξειδωτική φωσφορυλίωση») αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα. Παράλληλα και λόγω της φωτοσύνθεσης, το μεγαλύτερο μέρος του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας αντικαταστάθηκε από οξυγόνο, γεγονός που συντέλεσε στη δημιουργία της σημερινής ατμόσφαιρας, η οποία αποτελείται κυρίως από άζωτο και οξυγόνο.