Číslo súťažiaceho: Dátum: BIOLOGICKÁ OLYMPIÁDA 42. ročník Kategória A Celoštátne kolo Praktická časť laboratórna úloha 02 Milí súťažiaci, v tejto časti súťaže budete riešiť dve úlohy Druhá úloha je z chronobiológie. Na vyriešenie máte 60 minút. Najskôr si pozorne prečítajte, čo máte robiť, aby ste si vedeli správne zadeliť čas a rozhodnúť sa, ako budete pri riešení postupovať. Všetky pomôcky máte pripravené na stole. V prípade nejasností sa opýtajte asistenta. Prajeme Vám veľa úspechov! Slovenská komisia Biologickej olympiády
FYZIOLÓGIA ŽIVOČÍCHOV Téma: Chronobiológia Chronobiológia (gr chrónos = čas) je štúdium časovej organizácie živých organizmov a procesov, ktoré v nich prebiehajú. Každý živý organizmus je vystavený neustále sa meniacim podmienkam okolitého prostredia. Niektoré z týchto zmien sa pravidelne opakujú a organizmy sa im počas evolúcie prispôsobili tým, že si vytvorili vlastné rytmy, vďaka ktorým dokážu očakávať tieto zmeny a dopredu sa im prispôsobiť. Biologické rytmy sú v organizmoch zapísané už na úrovni génov dnes sú známe konkrétne gény, ktorých vyradenie spôsobuje arytmicitu organizmov a sú evolučne veľmi silno konzervované - nájdeme ich už u jednobunkových rastlinných aj živočíšnych organizmov. Biologické rytmy nájdeme na rôznych úrovniach organizácie živej hmoty na úrovni bunky, orgánu, jedinca, populácií. Najlepšie preskúmanými biologickými rytmami sú tzv. cirkadiánne rytmy. Ich názov je odvodený z latinčiny, cirka = približne, dien = deň. Teda keď ich názov preložíme do slovenčiny, znamená to, že hovoríme o približne 24-hodinových rytmoch. Tieto rytmy sú určované najsilnejšie pôsobiacim cyklickým stimulom - striedaním dňa a noci, ktoré je spôsobené rotáciou Zeme okolo vlastnej osi. Prečo je tam to slovíčko približne? Už v 18. storočí francúzsky astronóm de Mairen si všimol, že rastlina Heliotropaeum (skrutec) cyklicky skladá listy nielen pri striedaní dňa a noci, ale aj v podmienkach stále tmavej pivnice. Táto vlastnosť pretrvania rôznych rytmov v konštantných podmienkach sa potvrdila aj u ďalších druhov rytmov, teda zistilo sa, že rytmy sú endogénne, tvorené priamo v organizme a nie sú len následkom zmien vonkajšieho prostredia. Zároveň sa zistilo, že perióda rytmov v podmienkach stálej tmy nie je presne 24 hodín. Perióda týchto rytmov sa pohybuje v rozsahu 22-26 hodín (je cirkadiánna), pričom konkrétna hodnota je druhovo špecifická. V izolovaných bunkroch sa zistilo, že hodiny človeka majú vnútornú periódu (v chronobiológii označovanú ako τ (tau)) viac ako 24 hodín. Na periódu 24 hodín sme aj my, ľudia, nastavovaní vonkajším stimulom striedaním dňa a noci. Dnes už máme aj umelo vytvorené mutanty živočíchov s iným τ, ako je prirodzené pre ich druh. Avšak evolučný tlak na tieto mutanty je tak vysoký, že v prírode sa v podstate nevyskytujú. Existujú aj rytmy s inou periódou, ako 24 hodín. Tie, ktoré majú periódu kratšiu ako 22 hodín, označujeme ako ultradiánne a tie, ktoré majú periódu dlhšiu ako 26 hodín označujeme ako infradiánne. Zhrnutie: Rytmy sú tvorené priamo v organizme nezávisle od zmien vonkajšieho prostredia. Perióda cirkadiánnych rytmov sa v konštantných podmienkach pohybuje v rozmedzí 22-26 hodín. Na periódu 24 h sú rytmy nastavované vonkajšími stimulmi, predovšetkým striedaním svetla a tmy teda d a a noci. 2
1. úloha: Uveďte aspoň 2 príklady pre a. cirkadiánne rytmy b. ultradiánne rytmy c. infradiánne rytmy 2. úloha Ako je vyššie uvedené, biologické rytmy pretrvávajú aj v konštantných podmienkach. Na obrázku máte znázornený reálny záznam správania zvieraťa (aktogram), ktoré bolo umiestnené najprv v podmienkach, kde sa striedalo svetlo s tmou v pomere 12 hodín:12 hodín, čo naznačuje biely (svetlo) a čierny (tma) obdĺžnik nad aktogramom. Čierne čiarky (plôšky) na samotnom aktograme znamenajú, že zviera bolo v danom čase pohybovo aktívne. Po určitom čase bolo zviera umiestnené do podmienok stálej tmy, kde už jeho rytmus prestal byť nastavovaný striedaním dňa a noci, ale začal, odborne povedané, voľne bežať. Ešte raz si dobre prečítajte úvod a pokúste sa určiť, ktorý obrázok patrí zvieraťu s τ < 24 h a ktorý patrí zvieraťu s τ > 24 h. Svoju odpoveď zdôvodnite. Z obrázkov zároveň zistite, či sa jedná o živočícha s nočnou alebo dennou aktivitou. Svoju odpoveď zdôvodnite. Poznámky k úlohe: Na boku obrázku A je v avo vyzna ený po et dní, ktoré ale na obrázku B chýbajú, to ale pre zodpovedanie otázky nie je podstatné. Popisky vpravo - LD znamená striedanie svetlo : tma - z angl. Light-Dark, DD znamená konštantná tma z angl Dark-Dark A. 3
B. Odpoveď: Na obrázku A je aktogram živočícha, ktorého τ... 24 h, tento živočích má... aktivitu. Zdôvodnenie odpovede: Na obrázku B je aktogram živočícha, ktorého τ...24 h, tento živočích má... aktivitu. Zdôvodnenie odpovede: B. Zaraďte nasledujúce druhy živočíchov podľa času ich najvyššej aktivity medzi denné alebo nočné: potkan laboratórny prepelica poľná chrčok zlatý vrabec domový diviak lesný líška hrdzavá plch záhradný svišť tatranský 4
3. úloha Svetlo má dominantný vplyv na synchronizáciu biologických rytmov. Dnes si už ani neuvedomujeme, že svetlo nás obklopuje aj v čase, keď je vonku prirodzene tma. Silné umelé osvetlenie nám umožňuje robiť veľa vecí aj v čase, keď náš organizmus je už naladený na spánok. Na jednej strane má to svoje výhody: napr. vyššia produktivita práce pri práci na smeny, možnosť stretávať sa s priateľmi a posedieť si u nich, väčšia bezpečnosť na uliciach apod., zároveň toto osvetlenie môže mať aj negatívny vplyv na živý organizmus: nedostatok spánku u ľudí, jeho zhoršená kvalita pri osvetlení prenikajúcom zvonka. Zvieratá môže umelé svetlo dezorientovať. Dnes sa už začínajú ozývať odborníci, ktorí varujú pred svetelným smogom. Svetelné pulzy trvajúce napr. trvajúce 1 hodinu aplikované v rôznych častiach dňa majú vplyv na posun biologických hodín môžu vnútorné hodiny prestaviť na iné hodnoty než je vonkajší čas. Hovoríme, že rytmy sú fázovo posunuté. Keďže svetelné pulzy sa v prírode bežne nevyskytujú, tento model sa používa len ako výskumná metóda v laboratóriu. Napriek tomu sa v bežnom živote ľudia stretávajú s fázovým posunom, keď sa nastavenie ich vnútorných hodín nezhoduje s nastavením vonkajšieho času. Uveďte 2 príklady na fázový posun biologických rytmov, s ktorými sa ľudia stretávajú vo svojom živote. Uveďte či, ste aj vy pri týchto zmenách pociťovali ťažkosti a ak áno, tak aké. 1. príklad: Pociťované ťažkosti: 2. príklad: Pociťované ťažkosti: 4. úloha Dnes už vieme, že centrum tvorby cirkadiánnych rytmov sa nachádza v suprachiazmatických jadrách hypotalamu. Je to veľmi malá časť mozgu (obr.1), ktorá v podstate nie je potrebná pre prežitie. Každé suprachiazmatické jadro potkana tvorí asi 10 000 buniek, ktoré sa veľkosťou radia medzi najmenšie bunky nájdené v mozgu. Dlho však trvalo, kým vedci prišli na to, že práve tieto dve skupiny buniek sú generátorom tvorcom cirkadiánnych rytmov. Skúste navrhnúť spôsob (pokus), ktorým by sa dalo zistiť, že práve táto štruktúra je zodpovedná za tvorbu rytmov. 5
Obr.1. Koronárny (priečny rez) mozgom potkana a znázornenie polohy suprachiazmatického jadra (SCN), 3. mozgovej komory (3V) a optickej chiazmy (opt) Navrhnutý pokus: 5. úloha Isto viete, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zrýchľujú aj procesy prebiehajúce v organizme. Zrýchlenie procesov sa meria faktorom Q10, ktorý určuje koľkokrát sa zrýchli daný proces pri teplote zvýšenej o 10 C. Väčšina procesov v živom organizme má Q10 medzi 1.5-2.3. Q10 pre biologické rytmy sa pohybuje okolo 1.2. Aký má tento fakt význam pre organizmy? Poznámky: 6