Pomorski Wojewódzki Konkurs z Biologii - genetyka i ekologia

1.DNA - budowa

DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest zbudowany z nukleotydów. Każdy nukleotyd to cukier deoksyryboza, reszta kwasu fosforowego(V) i jedna z czterech zasad azotowych: adenina (A), tymina (T), guanina (G) lub cytozyna (C). Cząsteczka ma postać podwójnej helisy: dwie nici skręcone wokół siebie jak spiralna drabina, której szczeblami są pary zasad połączone wiązaniami wodorowymi. U eukariontów DNA znajduje się głównie w jądrze, a także w mitochondriach i chloroplastach.

2.Reguła komplementarności zasad

W DNA adenina zawsze łączy się z tyminą (dwoma wiązaniami wodorowymi), a guanina z cytozyną (trzema wiązaniami). Dlatego kolejność zasad w jednej nici wyznacza kolejność w drugiej: naprzeciw odcinka ATGC leży odcinek TACG. W dwuniciowym DNA adeniny jest więc tyle samo co tyminy, a guaniny tyle samo co cytozyny. Przykład: jeśli A stanowi 20% zasad, to T też 20%, a na G i C przypada po 30%. W RNA zamiast tyminy jest uracyl, który łączy się z adeniną.

3.RNA - budowa i rodzaje

RNA (kwas rybonukleinowy) jest zwykle jednoniciowy, zawiera cukier rybozę i zasady A, U, G, C - uracyl zastępuje tyminę. mRNA (informacyjny) przenosi przepis na białko z DNA do rybosomów. tRNA (transportujący) przynosi do rybosomu aminokwasy i ma antykodon - trójkę zasad rozpoznającą kodon w mRNA. rRNA (rybosomowy) razem z białkami buduje rybosomy. RNA powstaje na matrycy DNA, głównie w jądrze komórkowym.

4.Replikacja DNA

Kopiowanie DNA przed podziałem komórki (w interfazie). Podwójna helisa rozplata się, a wiązania wodorowe między zasadami pękają. Każda nić staje się matrycą, do której enzym polimeraza DNA dobudowuje komplementarne nukleotydy (naprzeciw A - T, naprzeciw G - C). Powstają dwie identyczne cząsteczki DNA, a każda zawiera jedną nić starą i jedną nową - to replikacja semikonserwatywna (półzachowawcza). Dzięki niej komórki potomne dostają taką samą informację genetyczną.

5.Chromosom, kariotyp, komórki haploidalne i diploidalne

Chromosom to cząsteczka DNA nawinięta na białka, silnie skondensowana w czasie podziału komórki. Po replikacji składa się z dwóch identycznych chromatyd siostrzanych połączonych centromerem. Komórki ciała człowieka są diploidalne ($2n = 46$): mają 23 pary chromosomów homologicznych - po jednym z pary od matki i od ojca; 22 pary to autosomy, a jedna para to chromosomy płci (XX lub XY). Gamety są haploidalne ($n = 23$). Zestaw chromosomów komórki to kariotyp.

6.Kod genetyczny - cechy

Kod genetyczny to sposób zapisu kolejności aminokwasów w białku za pomocą kolejności nukleotydów. Jest trójkowy: kodon, czyli trzy kolejne nukleotydy mRNA, oznacza jeden aminokwas. Jest jednoznaczny (kodon oznacza tylko jeden aminokwas), zdegenerowany (jeden aminokwas może mieć kilka kodonów), uniwersalny (prawie taki sam u wszystkich organizmów), bezprzecinkowy i niezachodzący. Z 64 kodonów AUG rozpoczyna translację (metionina), a UAA, UAG i UGA ją kończą (kodony stop).

7.Transkrypcja

Przepisanie informacji z genu (DNA) na cząsteczkę mRNA. Zachodzi w jądrze komórkowym. Fragment podwójnej helisy rozplata się, a enzym polimeraza RNA buduje mRNA komplementarnie do jednej nici DNA (matrycowej): naprzeciw A wstawia U, naprzeciw T - A, naprzeciw G - C, a naprzeciw C - G. U eukariontów z powstałego RNA wycinane są niekodujące fragmenty (introny), a pozostałe (eksony) są łączone. Gotowe mRNA przechodzi przez pory otoczki jądrowej do cytoplazmy.

8.Translacja

Tłumaczenie kolejności kodonów mRNA na kolejność aminokwasów w białku. Zachodzi na rybosomach w cytoplazmie. Translacja rozpoczyna się od kodonu start AUG. Do kodonów oznaczających aminokwasy dopasowują się tRNA z komplementarnymi antykodonami, niosące właściwe aminokwasy. Rybosom łączy aminokwasy wiązaniami peptydowymi. Kodon stop nie koduje aminokwasu i kończy translację. Powstały łańcuch polipeptydowy zostaje uwolniony i przyjmuje określony kształt.

9.Od genu do cechy (ekspresja genu)

Informacja płynie w kierunku: DNA, mRNA, białko, cecha. Gen zawiera przepis na białko, a białka decydują o cechach - jako enzymy, budulec czy hormony. Przykład: gen enzymu potrzebnego do wytwarzania barwnika melaniny wpływa na kolor skóry i włosów; gdy enzym jest niesprawny wskutek mutacji, barwnik nie powstaje i pojawia się albinizm. Prawie wszystkie komórki ciała mają te same geny, ale w każdej działa tylko część z nich - dlatego komórka mięśnia różni się od neuronu.

10.Mitoza i cykl komórkowy

Cykl komórkowy to interfaza (wzrost komórki i replikacja DNA) oraz podział. Mitoza ma 4 fazy: profaza - chromosomy kondensują się, zanika otoczka jądrowa, tworzy się wrzeciono podziałowe; metafaza - chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej; anafaza - chromatydy siostrzane rozchodzą się do biegunów; telofaza - odtwarzają się jądra, potem dzieli się cytoplazma. Powstają 2 komórki identyczne genetycznie, z tą samą liczbą chromosomów. Mitoza służy wzrostowi, regeneracji i rozmnażaniu bezpłciowemu.

11.Mejoza

Dwa następujące po sobie podziały, w których z jednej komórki diploidalnej ($2n$) powstają 4 komórki haploidalne ($n$), różniące się genetycznie. W pierwszym podziale chromosomy homologiczne łączą się w pary i wymieniają odcinki (crossing-over), a potem rozchodzą się do różnych komórek - liczba chromosomów zmniejsza się o połowę. W drugim podziale rozchodzą się chromatydy. U zwierząt mejoza prowadzi do powstania gamet, a u roślin - zarodników. Zapłodnienie przywraca diploidalną liczbę chromosomów.

12.Podstawowe pojęcia genetyki

Gen - odcinek DNA z informacją o budowie jednego białka (lub RNA). Allele - różne wersje tego samego genu, np. A i a. Genotyp - zestaw alleli osobnika (AA, Aa, aa), a fenotyp - jego ujawnione cechy, zależne od genotypu i środowiska. Homozygota ma dwa jednakowe allele (AA lub aa), heterozygota - dwa różne (Aa). Allel dominujący (wielka litera) ujawnia się już w heterozygocie, a recesywny (mała litera) - tylko u homozygoty recesywnej.

13.Krzyżówka jednogenowa i prawo czystości gamet

Prawo czystości gamet (I prawo Mendla): każda gameta dostaje tylko jeden allel danego genu. Krzyżówkę zapisuje się w szachownicy Punnetta: gamety jednego rodzica w wierszach, drugiego w kolumnach. Krzyżując dwie heterozygoty Aa, otrzymujemy genotypy AA, Aa i aa w stosunku 1:2:1, a przy dominacji zupełnej fenotypy w stosunku 3:1. Krzyżówka testowa: osobnika o cesze dominującej krzyżuje się z homozygotą recesywną; jeśli choć część potomstwa ma cechę recesywną, badany był heterozygotą.

14.Dominacja niezupełna, kodominacja i allele wielokrotne

Przy dominacji niezupełnej heterozygota ma cechę pośrednią: z krzyżówki wyżlinu (lwiej paszczy) o kwiatach czerwonych z białokwiatowym powstają rośliny o kwiatach różowych, a w ich potomstwie fenotypy występują w stosunku 1:2:1. Przy kodominacji w heterozygocie ujawniają się oba allele - tak jest w grupie krwi AB. Allele wielokrotne to więcej niż dwie wersje genu w populacji: gen grup krwi ABO ma allele $I^A$, $I^B$ i $i$, choć każdy człowiek ma tylko dwa z nich.

15.Dziedziczenie grup krwi

Allele $I^A$ i $I^B$ są dominujące wobec $i$, a względem siebie kodominujące. Grupę A mają osoby $I^A I^A$ lub $I^Ai$, grupę B - $I^B I^B$ lub $I^Bi$, grupę AB - $I^A I^B$, a grupę 0 - tylko $ii$. Dlatego rodzice z grupami A ($I^Ai$) i B ($I^Bi$) mogą mieć dziecko z każdą grupą krwi. Czynnik Rh warunkuje allel dominujący D: osoby DD i Dd są Rh+, a dd - Rh-; dwoje rodziców Rh+ o genotypie Dd może więc mieć dziecko Rh-.

16.Dziedziczenie płci i cechy sprzężone z płcią

Kobieta ma chromosomy płci XX, a mężczyzna XY. Wszystkie komórki jajowe zawierają X, a plemniki - X albo Y, więc płeć dziecka zależy od plemnika, a szansa na chłopca i dziewczynkę jest taka sama. Geny leżące na chromosomie X dziedziczą się w sprzężeniu z płcią. Hemofilia i daltonizm są warunkowane allelami recesywnymi na X, dlatego częściej chorują mężczyźni - mają tylko jeden X. Kobieta heterozygota jest zwykle zdrową nosicielką, a syn dziedziczy chromosom X zawsze od matki.

17.Mutacje, mutageny i nowotwory

Mutacja to nagła, trwała zmiana w DNA. Mutacje genowe zmieniają sekwencję nukleotydów (zamiana, wypadnięcie lub wstawienie nukleotydu), chromosomowe strukturalne - budowę chromosomu (np. utrata lub podwojenie fragmentu), a liczbowe - liczbę chromosomów. Mutagenami są promieniowanie UV i rentgenowskie, niektóre substancje chemiczne (np. składniki dymu tytoniowego) i niektóre wirusy. Mutacje w gametach są dziedziczone, a w komórkach ciała nie. Mutacje genów kontrolujących podziały mogą prowadzić do nowotworu - niekontrolowanych podziałów komórek.

18.Choroby genetyczne

Mukowiscydoza - autosomalna recesywna; gęsty śluz zatyka oskrzela i przewody trzustki. Fenyloketonuria - autosomalna recesywna; brak enzymu przekształcającego fenyloalaninę w tyrozynę uszkadza mózg, ale badanie noworodka i dieta pozwalają uniknąć skutków. Anemia sierpowata - zmieniona hemoglobina i sierpowate krwinki. Hemofilia - sprzężona z X; zaburzenia krzepnięcia krwi. Zespół Downa - trisomia 21. chromosomu, zwykle wskutek błędu w mejozie. Zespół Turnera (X0) dotyczy kobiet, a zespół Klinefeltera (XXY) - mężczyzn.

19.Zmienność organizmów

Zmienność genetyczna jest dziedziczna. Jej źródłem są mutacje oraz rekombinacja: crossing-over, losowe rozchodzenie się chromosomów w mejozie i losowe łączenie się gamet przy zapłodnieniu - dlatego rodzeństwo (poza bliźniętami jednojajowymi) różni się genetycznie. Zmienność środowiskowa (niedziedziczna) wynika z wpływu warunków życia, np. opalenizna, masa mięśni u sportowca czy wygląd rośliny rosnącej w cieniu. Zmienność genetyczna jest materiałem, na który działa dobór naturalny.

20.Ekosystem i poziomy organizacji przyrody

Ekosystem to biocenoza (wszystkie populacje organizmów żyjących na danym terenie) razem z biotopem (nieożywionym środowiskiem: glebą, wodą, powietrzem, klimatem) i zależnościami między nimi. Czynniki abiotyczne to elementy przyrody nieożywionej, np. temperatura, światło, wilgotność, a biotyczne - wpływ innych organizmów. Poziomy: osobnik, populacja (osobniki jednego gatunku na danym terenie), biocenoza, ekosystem, biom (np. tajga, step), biosfera.

21.Nisza ekologiczna i siedlisko

Siedlisko to miejsce, w którym żyje organizm - jego „adres”. Nisza ekologiczna to wszystkie wymagania gatunku i jego rola w ekosystemie - jego „zawód”: czym się żywi, kiedy jest aktywny, jakie warunki toleruje. Zasada konkurencyjnego wykluczania: dwa gatunki o takich samych niszach nie mogą długo żyć razem - jeden wypiera drugi. Gatunki żyjące obok siebie różnią się niszami, np. puszczyk poluje w lesie nocą, a jastrząb - w dzień.

22.Zakres tolerancji ekologicznej

To przedział natężenia czynnika środowiska (np. temperatury, wilgotności, zasolenia), w którym organizm może żyć. Wyznaczają go minimum i maksimum, a pośrodku leży optimum - warunki najkorzystniejsze. Prawo minimum: rozwój organizmu ogranicza ten czynnik, którego jest najmniej względem potrzeb. Prawo tolerancji: szkodliwy jest zarówno niedobór, jak i nadmiar czynnika. Eurybionty mają szeroki zakres tolerancji (np. szczur wędrowny), a stenobionty - wąski (np. pstrąg potokowy potrzebuje zimnej, czystej, natlenionej wody).

23.Bioindykacja

Bioindykatory to organizmy, których obecność, brak lub wygląd informują o stanie środowiska; są nimi głównie stenobionty. Porosty wskazują czystość powietrza - zanieczyszczenie tlenkiem siarki(IV) eliminuje najpierw porosty krzaczkowate, potem listkowate, a najdłużej przetrwają skorupiaste (skala porostowa). Larwy jętek, widelnic i chruścików żyją tylko w czystej, natlenionej wodzie, a rureczniki znoszą silne zanieczyszczenie. Pokrzywa zwyczajna wskazuje glebę bogatą w związki azotu.

24.Cechy populacji

Liczebność to liczba osobników populacji, a zagęszczenie - liczba osobników na jednostkę powierzchni lub objętości. Liczebność zwiększają rozrodczość i imigracja, a zmniejszają śmiertelność i emigracja. Strukturę wiekową przedstawia piramida wieku: szeroka podstawa (dużo młodych) oznacza populację rozwijającą się, a wąska - zmniejszającą się. Ważna jest też struktura płci. Rozmieszczenie osobników bywa skupiskowe (najczęstsze, np. stada), równomierne (np. terytoria ptaków) lub losowe.

25.Wzrost liczebności populacji

Przy nieograniczonych zasobach populacja rośnie wykładniczo - coraz szybciej (krzywa w kształcie litery J), np. bakterie na świeżej pożywce albo gatunek zawleczony na nowy teren bez wrogów. W naturze wzrost jest zwykle logistyczny (krzywa S): gdy osobników przybywa, brakuje pokarmu i miejsca, rośnie konkurencja i śmiertelność, aż liczebność ustala się na poziomie pojemności środowiska - największej liczby osobników, jaką dane środowisko może trwale utrzymać.

26.Konkurencja

Oddziaływanie, w którym organizmy korzystają z tych samych, ograniczonych zasobów: pokarmu, wody, światła, miejsca, partnerów. Traci na nim każda ze stron. Konkurencja wewnątrzgatunkowa jest najsilniejsza, bo osobniki jednego gatunku mają identyczne potrzeby; ogranicza ją np. terytorializm. Konkurencja międzygatunkowa może prowadzić do wyparcia słabszego gatunku albo do zróżnicowania nisz. Przykład: rośliny w gęstym lesie konkurują o światło.

27.Drapieżnictwo i roślinożerność

Drapieżnik zabija i zjada ofiarę, a roślinożerca zjada rośliny, zwykle ich nie zabijając. Liczebność drapieżników i ofiar zmienia się cyklicznie: gdy ofiar przybywa, z opóźnieniem rośnie liczba drapieżników, które przetrzebiają ofiary, a potem same zaczynają głodować (np. ryś kanadyjski i zając amerykański). Drapieżniki eliminują osobniki chore i słabe, poprawiając kondycję populacji ofiar. Rośliny bronią się przed roślinożercami cierniami, kolcami, włoskami parzącymi i trującymi substancjami.

28.Ubarwienie ochronne, ostrzegawcze i mimikra

Ubarwienie maskujące pozwala zlać się z tłem (zielona żaba wśród liści, biała zimą pardwa); maskować może też kształt (patyczak przypominający gałązkę). Ubarwienie ostrzegawcze, jaskrawe i kontrastowe, informuje, że zwierzę jest trujące lub niesmaczne (biedronka, salamandra plamista, osa). Mimikra to upodabnianie się bezbronnego gatunku do niebezpiecznego: bzygi (muchówki) mają czarno-żółte paski jak osy i dlatego drapieżniki ich unikają.

29.Pasożytnictwo

Pasożyt żyje kosztem żywiciela, odżywiając się jego tkankami lub pokarmem, ale zwykle nie zabija go szybko - śmierć żywiciela oznaczałaby utratę źródła pokarmu. Pasożyty zewnętrzne żyją na powierzchni ciała (kleszcz, pchła, wesz), a wewnętrzne - w jego wnętrzu (tasiemiec, glista). Pasożytami bywają też rośliny: kanianka prawie nie ma chlorofilu i pobiera od żywiciela także cukry, a jemioła jako półpasożyt prowadzi fotosyntezę i pobiera od drzewa tylko wodę z solami mineralnymi.

30.Oddziaływania nieantagonistyczne

Mutualizm to współżycie korzystne dla obu stron; gdy jest konieczne do życia, nazywa się symbiozą (porosty, mikoryza, bakterie brodawkowe i rośliny bobowate, termity i drobnoustroje w ich jelicie trawiące celulozę). Protokooperacja to współpraca korzystna, ale niekonieczna, np. rak pustelnik i ukwiał - ukwiał chroni raka parzydełkami, a sam przemieszcza się i korzysta z resztek pokarmu. Komensalizm to oddziaływanie, w którym jeden gatunek korzysta, a drugi nie zyskuje ani nie traci, np. podnawka przyczepiona do rekina.

31.Łańcuchy i sieci pokarmowe

Łańcuch pokarmowy pokazuje, kto kogo zjada. Na jego początku są producenci - organizmy samożywne (rośliny, glony, sinice), dalej konsumenci I rzędu (roślinożercy), II rzędu (drapieżniki zjadające roślinożerców) i wyższych rzędów. Destruenci (bakterie, grzyby) rozkładają martwą materię do prostych związków mineralnych, które znów pobierają producenci. Łańcuchy łączą się w sieć pokarmową; im jest bardziej rozbudowana, tym ekosystem stabilniejszy, bo zniknięcie jednego gatunku łatwiej zrównoważyć.

32.Przepływ energii i piramidy ekologiczne

Energia płynie przez ekosystem w jednym kierunku: od Słońca przez producentów do kolejnych konsumentów i ostatecznie uchodzi jako ciepło. Na każdym poziomie troficznym większość energii jest zużywana na procesy życiowe i tracona jako ciepło, a na kolejny poziom przechodzi tylko około 10% - dlatego łańcuchy pokarmowe mają zwykle 4-5 ogniw. Piramida energii zawsze zwęża się ku górze. Piramida liczebności może być odwrócona, np. na jednym drzewie żyje wiele owadów.

33.Obieg materii w przyrodzie

W przeciwieństwie do energii pierwiastki krążą. Obieg węgla: producenci wbudowują $\ce{CO2}$ z powietrza w związki organiczne w fotosyntezie, a $\ce{CO2}$ wraca do atmosfery w oddychaniu organizmów, w rozkładzie martwej materii przez destruentów oraz przy spalaniu drewna i paliw kopalnych. Obieg azotu: bakterie brodawkowe i niektóre sinice wiążą azot z powietrza, rośliny pobierają z gleby związki azotu, a destruenci rozkładają martwe szczątki, uwalniając związki azotu z powrotem do gleby.

34.Zasoby przyrody, zrównoważony rozwój i zmiana klimatu

Zasoby niewyczerpywalne to np. energia słoneczna i wiatru; odnawialne - lasy, gleba, woda, ryby, jeśli korzystamy z nich wolniej, niż się odnawiają; nieodnawialne - węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny, rudy metali. Zrównoważony rozwój oznacza zaspokajanie potrzeb dzisiejszych ludzi bez odbierania tej możliwości przyszłym pokoleniom. Spalanie paliw kopalnych i wylesianie zwiększają ilość $\ce{CO2}$ w atmosferze; ten i inne gazy cieplarniane (np. metan) zatrzymują ciepło, co prowadzi do ocieplenia klimatu.

35.Różnorodność biologiczna i jej zagrożenia

Różnorodność biologiczna ma trzy poziomy: genetyczny (różnice między osobnikami jednego gatunku), gatunkowy (liczba gatunków) i ekosystemowy (rozmaitość ekosystemów). Zagrażają jej: niszczenie i rozdrabnianie siedlisk, zanieczyszczenia, nadmierne pozyskiwanie (kłusownictwo, przełowienie), zmiana klimatu i gatunki inwazyjne wypierające rodzime - np. barszcz Sosnowskiego, norka amerykańska, rak pręgowaty. Przez działalność człowieka wyginęły m.in. tur (ostatni w 1627 r. w Puszczy Jaktorowskiej) i tarpan.

36.Formy ochrony przyrody w Polsce

Park narodowy chroni w całości duży obszar o wyjątkowych walorach przyrodniczych, np. Białowieski (puszcza, żubry) czy Słowiński (ruchome wydmy). Rezerwat przyrody chroni mniejszy obszar, np. torfowisko czy fragment starego lasu. Park krajobrazowy chroni krajobraz, ale dopuszcza zwykłą działalność gospodarczą. Obszary Natura 2000 tworzą sieć europejską. Pomnik przyrody to pojedynczy obiekt, np. stare drzewo, głaz narzutowy lub jaskinia, a użytek ekologiczny - niewielki fragment przyrody, np. oczko wodne.

37.Ochrona gatunkowa i ratowanie gatunków

Ochrona gatunkowa obejmuje rzadkie i zagrożone rośliny, zwierzęta i grzyby: ścisła zakazuje ich zbierania, niszczenia i płoszenia, a częściowa dopuszcza ograniczone pozyskiwanie. Ochrona bierna polega na pozostawieniu przyrody samej sobie, a czynna - na działaniach człowieka, np. koszeniu łąk czy budowie przepławek dla ryb. Ochrona ex situ odbywa się poza naturalnym miejscem życia: w ogrodach zoologicznych i botanicznych oraz bankach nasion. Żubr, który wyginął na wolności, przetrwał w ogrodach zoologicznych i wrócił do Puszczy Białowieskiej.

38.Ewolucja i jej dowody

Ewolucja to stopniowe zmiany cech organizmów w kolejnych pokoleniach, prowadzące do powstawania nowych gatunków. Dowody: skamieniałości, w tym formy przejściowe (archeopteryks z cechami gadów i ptaków); narządy homologiczne - o tej samej budowie i pochodzeniu, ale różnej funkcji (ręka człowieka, skrzydło nietoperza, płetwa wieloryba); narządy szczątkowe (kość ogonowa człowieka); podobieństwo zarodków kręgowców oraz DNA i białek. Narządy analogiczne mają podobną funkcję, ale różne pochodzenie (skrzydło ptaka i motyla).

39.Dobór naturalny i sztuczny

Dobór naturalny, opisany przez Karola Darwina: osobniki populacji różnią się cechami, rodzi się ich więcej, niż może przeżyć, więc częściej przeżywają i rozmnażają się te lepiej przystosowane - ich cechy stają się w populacji coraz częstsze. Przykłady: ciemna forma ćmy krępaka nabrzozaka upowszechniła się w okolicach okopconych przez przemysł, a bakterie stają się oporne na antybiotyki. W doborze sztucznym to człowiek wybiera osobniki do rozmnażania - tak powstały rasy psów i odmiany roślin, np. kalafior i brokuł z dzikiej kapusty.

40.Człowiek a małpy człekokształtne

Człowiek i małpy człekokształtne (szympans, bonobo, goryl, orangutan) mają wspólnego przodka; najbliżej spokrewnione z człowiekiem są szympans i bonobo, ale człowiek od nich nie pochodzi. Podobieństwa: brak ogona, chwytna dłoń z przeciwstawnym kciukiem, paznokcie, podobna budowa narządów i bardzo podobne DNA. Cechy człowieka: postawa wyprostowana i chód dwunożny, kręgosłup wygięty w kształt litery S, wysklepiona stopa bez chwytnego palucha, duża mózgoczaszka przy małej twarzoczaszce, mowa artykułowana.