ELŐKESZITŐ 1. ÓRA 2024 Biológia Érettségi Felkészítő PDF

A biológia és a rendszerezés alapjai, vírusok - egysejtűek  Fontos információ Bármiféle gond esetén: [email protected] Facebook csoport: Biológia Érettségi Felkészítő ÁTE 2024 https://www.facebook.com/groups/atebiol2024 Vizsgakövetelmények https://www.oktatas.hu/kozneveles/erettsegi/kozis...

A biológia és a rendszerezés alapjai, vírusok - egysejtűek  Fontos információ Bármiféle gond esetén: [email protected] Facebook csoport: Biológia Érettségi Felkészítő ÁTE 2024 https://www.facebook.com/groups/atebiol2024 Vizsgakövetelmények https://www.oktatas.hu/kozneveles/erettsegi/kozismereti_vizsgatargyak_2024tol Közismereti érettségi vizsgatárgyak 2024. május - júniusi vizsgaidőszaktól érvényes vizsgakövetelményei (2020-as Nat-ra épülő vizsgakövetelmények) https://www.oktatas.hu/pub_bin/dload/kozoktatas/erettsegi/vizsgakovetelmenyek 2024/bio_2024_e.pdf Vizsgakövetelmények A vizsgázó legyen képes induktív (egyedi tényekből az általános törvényszerűségekre) és deduktív (az általános törvényszerűségekből az egyedi esetre) következtetésre. Mutasson jártasságot az analógiás gondolkodásban (ismerjen fel hasonlóságot egy már ismert helyzet vagy jelenség és az adott új, ismeretlen helyzet között), a valószínűségi és korrelatív gondolkodásban (a múltbeli események alapján következtessen a jövőbeli események valószínűségére, végezzen kockázatbecslést, ismerjen rizikófaktorokat) és az etikai gondolkodásban (döntések lehetséges következményeinek mérlegelésében). MINTA „Az interneten rengeteg tanács kering. Néha a legnagyobb jóindulattal összeállított listába is bekerülhet egy-egy tévhit. Az egyik ilyen: “Érdemes akár félévente Lyme-tesztet végeztetni, akkor is, ha nem vettünk észre kullancscsípést.” […] A Lyme-kór a kullancsok által terjesztett bakteriális betegség, mely sokszor észrevétlen, de kezelés nélkül néha súlyos következményekkel járhat. A kezelés hosszú antibiotikum-kúrát jelent. Becslések szerint 1000 emberből átlagosan egy a fertőzött. Hiba azonban összekeverni a Lyme-betegséget a pozitív teszteredményt adó laboratóriumi lelettel. A fertőzöttséget kimutató általánosan használt, ún. szerológiai (immunválaszon alapuló) tesztek soha nem tökéletesek. Egy teszt szenzitivitásának azt szokás nevezni, hogy a beteg embert mekkora valószínűséggel minősíti tényleg betegnek a teszt. A teszt specificitásának pedig azt nevezzük, hogy a valóban egészségest mekkora valószínűséggel minősíti egészségesnek. Egy 80%-os szenzitivitású teszt például 100 betegből 80 esetben ad pozitív eredményt (jelzi a fertőzöttséget), a 80%-os specifitású teszt pedig 100 egészséges személy vizsgálata során 20 esetben pozitív eredményt ad (tehát tévesen azt jelzi, hogy a személy fertőzött). […] A Lyme kimutatására szolgáló tesztekkel nagyjából 90%-os szenzitivitás és 99%-os specificitás érhető el. […]” MINTA A leírás alapján egészítse ki a hiányos szöveget! Tegyük fel, hogy a tesztet véletlenszerűen kiválasztott százezer emberrel végzik el (akár vannak tüneteik, akár nincsenek). Közülük az előzetes becslés adatát elfogadva ………………… (1.) fő az, aki valóban fertőzött. A fertőzöttek közül a teszt 90%-os szenzitivitása miatt csak …………………. (2.) személyt fog betegnek minősíteni, a többi fertőzött immunrendszere nem termelt elegendő ………………………… (3.) ahhoz, hogy azt a teszt kimutassa. A szűrésbe bevontak közül a valóban egészséges személyek száma eszerint ………………….. (4.) fő, a teszt 99%-os specificitása miatt azonban közülük tévesen ………………………. (5.) személyt minősít fertőzöttnek a teszt. (Ezekben a személyekben valószínűleg egy tünetmentesen lezajlott és gyógyult fertőzés emléke ad pozitív eredményt.) Összességében a teszt által betegnek minősített személyek száma ………………………… (6.) lesz, tehát a teszt által betegnek minősített embereknek mindössze ………………… (7.) %-a az, aki ténylegesen beteg. (Egy tizedesjegyre kerekítsen!) MINTA A leírás alapján egészítse ki a hiányos szöveget! Tegyük fel, hogy a tesztet véletlenszerűen kiválasztott százezer emberrel végzik el (akár vannak tüneteik, akár nincsenek). Közülük az előzetes becslés adatát elfogadva ……… 100 …… (1.) fő az, aki valóban fertőzött. A fertőzöttek közül a teszt 90%-os szenzitivitása miatt csak …… 90 …………. (2.) személyt fog betegnek minősíteni, a többi fertőzött immunrendszere nem termelt elegendő antitestet / ellenanyagot (3.) ahhoz, hogy azt a teszt kimutassa. A szűrésbe bevontak közül a valóban egészséges személyek száma eszerint …….. 99900 … (4.) fő, a teszt 99%-os specificitása miatt azonban közülük tévesen 999 (= 99900 ∙ 0,01) (5.) személyt minősít fertőzöttnek a teszt. (Ezekben a személyekben valószínűleg egy tünetmentesen lezajlott és gyógyult fertőzés emléke ad pozitív eredményt.) Összességében a teszt által betegnek minősített személyek száma 1089 (= 999 + 90) (6.) lesz, tehát a teszt által betegnek minősített embereknek mindössze 90/(90+999) = 0,0826 →8,3 (7.) %-a az, aki ténylegesen beteg. (Egy tizedesjegyre kerekítsen!) Vizsgakövetelmények A vizsgázó legyen képes osztályozásra (jellemzők alapján hierarchikus csoportokba sorolásra) és a sorképzésre (relációk kezelésére). Rendelkezzen kombinatív képességekkel: legyen képes megadott elemekből, adott feltételek mellett kombinációk létrehozására és vizsgálatára. Legyen jártas az arányossági gondolkodásban (vizsgálja két mennyiség együttes változását: egyenes és fordított arányosság, telítési görbék), alakítson át különböző adatmegjelenítési formákat egymásba (adatokat táblázattá, táblázatokat grafikonokká). Legyen képes változók vizsgálatára (függő és független változók felismerése, elkülönítése, a változók közötti kapcsolatok szisztematikus vizsgálata, kontrollja). Legyen jártas adatok, ábrák kiegészítésében, adatsorok, ábrák (köztük diagramok, grafikonok) elemzésében és felhasználásában. Legyen képes modellekben való gondolkodásra, modellek értelmezésére, az analógiák azonosítására. Ismerjen fel problémákat, keressen megoldást rájuk: találja meg a célhoz vezető nem ismert megoldási utat valós, életszerű helyzetekben. Vizsgakövetelmények Használja az integrált gondolkodást: alkalmazza az egyik szaktudomány tartalmi elemeit egy másik szaktudomány területén. Használja a szaknyelvet, legyen képes fogalmakat definiálni (a követelményrendszer szerint). Legyen jártas a lényegkiemelésben (ismerje fel, figyelje meg és rögzítse a vizsgálat szempontjából fontos jellemzőket), kapcsolja össze a struktúrákat és funkciókat (következtessen mintázatból annak szerepére). Alkalmazza alapvető matematikai ismereteit, különösen első- és másodfokú egyenletek felírása és megoldása szöveges feladat alapján, grafikonok meredekség-számítása terén. Legyen képes megfigyelések, leírások (dokumentáció) összehasonlítására, egyszerű kísérletek, mérések tervezésére, végrehajtására és eredményeik értelmezésére (a kísérlet jellemzőinek ismerete, kontrollok szerepe). Vizsgakövetelmények Legyen képes hipotézisek, elméletek, modellek, törvények megfogalmazására, vizsgálatára, továbbá téves információk azonosítására. Ismerje és alkalmazza a természettudományos érvelés alapelveit (feltevés megfogalmazása, információk forrásainak felkutatása, jelölése, megbízhatóságuk értékelése, érvek és ellenérvek felsorakoztatása, bizonyítékok elemzése, következtetés levonása). Alkalmazza a mérlegelő gondolkodást (értékelés, döntések megalapozása, magyarázatok megalkotása bizonyítékok, érvek, ellenérvek alapján), elemezzen és használjon fel adatokat bizonyítéknak, cáfolatnak, érvnek. Alkalmazza a természettudományi megismeréssel kapcsolatos ismereteket összetett élethelyzetekben. Vizsgakövetelmények – tartalmi rész, mi mit jelent? Dőlt betűs rész: lehetséges szóbeli B tétel, elvégzendő vizsgálat (de ez nem zárja ki az írásbeli vizsgán való számonkérést) Kulcsfogalmak: a kulcsfogalmak a tudományt és a tudást konstruáló alapvető definíciók. A kulcsfogalmak segítséget adnak a tények, jelenségek gondolati és logikai egységbe rendezéséhez. Olyan általános tudást hordoznak, amely új helyzetekben is hatékonyan alkalmazható. Az érettségi követelményekben megjelenített kulcsfogalmak alapként szolgálnak, vagyis szükségesek, de nem minden esetben elégségesek az adott gondolkodási művelet által meghatározott követelmények teljesítéséhez (minimális fogalmi követelmény). Vizsgakövetelmények – tartalmi rész, mi mit jelent? Gondolkodási műveletek: egymásba ágyazott szintek rendszere az ismeretek különböző minőségű feldolgozásai. A gondolkodási szintek közül a magasabb rendű gondolkodás magában foglalja az alacsonyabb rendűt, tehát a követelményekben is így kell értelmezni. A gondolkodási műveletek szintjei: Emlékezés: A releváns információk előhívása a hosszú távú emlékezetből. Például: idézze fel, mutassa be, sorolja fel. Értelmezés: A jelentések kifejtése az instrukciók alapján. Például: értelmezze leírások alapján, értelmezze ábra alapján. Alkalmazás: A tanuló új módon használja fel az információkat, problémát felismer és megold. Például: mutassa be és hozzon példákat alkalmazási területeire. Vizsgakövetelmények – tartalmi rész, mi mit jelent? Elemzés: Annak meghatározása, hogy a részek milyen összefüggésben vannak egymással és a szerkezet céltudatos általánosítása. Egy probléma összetevőinek feltárása, összehasonlítása. A többféle forrásból származó ismeret mozgósítása egy probléma megoldása érdekében. A valóság rekonstruálása a meglévő ismeretek és a képzelőerő segítségével. Például: értelmezze a kísérletet és mutassa be jelentőségét, értékelje a kockázatát, magyarázza a felhasználását, lássa a modell és a tapasztalható valós folyamatok összefüggéseit. Értékelés: Ítéletalkotás (természettudományos) érvek alapján arról, hogy egy emberi tevékenység összhangban áll-e valamely értékkel, normával. Például: lássa a lehetőségeit és alkosson véleményt a szerepéről, ismertessen érveket és ellenérveket. Alkotó gondolkodás: Különböző elemekből alkotni egy koherens egészet, újat létrehozni, vagy az elemek struktúráját átszervezni. Például: tervezzen kísérletet. Vizsgakövetelmények 1.1.1. Vizsgálati szempontok és jellemzők Kulcsfogalmak prion, szarvasmarhák szivacsos agyvelőgyulladása, kóros konformációváltozás Gondolkodási művelet Ismertesse a biológiai kutatások alapvető céljait, főbb területeit, érveljen az élet megértésében, az élővilág megismerésében és megóvásában játszott szerepe mellett. Különböztesse meg a hétköznapi és tudományos megismerés jellemzőit. Soroljon be megadott biológiai struktúrákat vagy jellemzőket szerveződési szintekhez: sejt alatti, sejtszintű, egyed alatti és egyed feletti, szövet, szerv, szervrendszer, egyed, populáció, társulás, (makro)biom, bioszféra. Hasonlítsa össze az életkritériumokat és az evolúció kritériumait. Vizsgakövetelmények 1.1.1. Vizsgálati szempontok és jellemzők Gondolkodási művelet Fogalmazza meg az élő rendszerek jellemzőit (elhatárolódás, belső egység, anyagcsere, homeosztázis, ingerlékenység, kódolt információhordozás és átadás, szabályozás, vezérlés, növekedés, fejlődés, szaporodás, öröklődés és öröklődő változékonyság, evolúció, halandóság). Alkalmazza a rendszerszemléletű gondolkodást a biológiai folyamatok megértésében. Indokolja, hogy a magasabb szerveződési szintek működései magukba foglalják az alacsonyabb szintűekét, de azokból nem vezethetők le (emergencia). Találja meg egy kísérleti leírásban a kontroll- és kísérleti csoportot, a kísérleti beavatkozást, a függő és független, valamint a rögzített változókat.  A biológia… A természettudományok (univerzumot vizsgáló) egyik ága, amely az élet tudományos kutatását, ezen belül élőlények felépítését, működését, eredetét és leszármazását, az ezen alapuló osztályozását, egymással és a környezettel való kölcsönös viszonyaikat és az ezekből adódó térbeli eloszlásukat vizsgálja. Az élőlények életjelenségeket mutatnak. Életjelenségeken olyan folyamatokat értünk, amelyek csak az élő szervezetekre jellemzők. Ezek teszik lehetővé a változó környezetben az élőlények életben maradását és a környezethez való alkalmazkodását.  A biológia… Az élet fogalma. Melyek az élet kritériumai? Az élet eredete. Hogyan történt az átmenet az élettelen és az élő állapot között? Biológiai energia. Hogyan biztosítják az élőlények az életműködéseikhez szükséges energiát? Biológiai információ. Hogyan működik az élőlények belső információs rendszere és a környezetükkel folytatott információforgalom? Élet az egyedek szintjén. Hogyan épül fel az élőlények szervezete, melyek az életműködéseik főbb jellemzői, hasonlóságai és különbözőségei? Életközösségek. Melyek az élőlények környezeti igényei, hogyan működik az életközösségek anyag- és energiaforgalma? Biológiai sokféleség. Mi az alapja, mértéke és a jelentősége az élő rendszerek különféle szintjein (gének, sejtek, egyedek, populációk, életközösségek) megnyilvánuló sokféleségnek? Öröklődés. Hogyan adódik tovább és hogyan fejeződik ki a biológiai információ? Evolúció. Melyek az evolúció mozgatói, mechanizmusai, hogyan alakította az élet történetét és várható jövőjét?  A biológia… Nincs teljesen lezárt kérdés a tudományban. Több adat → specializálizáció → sokféleség vizsgálati terület ágazat vizsgált problémák, jelenségek vizsgálati módszer a víz biológiai jelentősége; a szén mint az kémiai elemzés; röntgendiffrakció; Az élet kémiai alapjai biokémia élet alapja; biogén elemek, szerves elválasztástechnológia (kromatográfia, vegyületek; makromolekulák gélelektroforézis, tömegspektroszkópia) sejtszerkezet; biológiai membránok; sejtorganellumok; energiaforgalom, sejttenyésztés; fény- A sejtek felépítése sejtbiológia fotoszintézis, sejtlégzés; sejtszintű és elektronmikroszkópos vizsgálatok; és működése anyagátalakító folyamatok; sejtosztódás, ultracentrifugálás sejtciklus az örökítőanyag szerkezete; a biológiai genetikai modellszervezetek információs rendszer működése (DNS- (lambda-fág, E. coli, C. elegans, A biológiai információ replikáció, génexpresszió); az öröklődés genetika Drosophila, Arabidopsis stb.) működése, öröklődés jellemzői; genom-, proteom-, genetikai térképezése, bioinformatika, metabolomvizsgálatok; az egyedfejlődés és „big data” PCR, CRISPR az evolúció genetikai alapjai populációgenetika, evolúciós folyamatok, Az élővilág fosszíliák, lenyomatok; paleontológia, mikro- és makroevolúció; konvergens és törzsfejlődése, evolúcióbiológia palinológia, antropológia, molekuláris divergens evolúció; fajkeletkezés, adaptív evolúció törzsfák, kísérletes evolúcióbiológia radiáció; az élet eredete és története begyűjtés és határozás; baktériumok és archeák; protisták, mohák, Az élővilág fejlődéstörténeti vizsgálatok; rendszertan harasztok, magvas növények; gombák; rendszerezése összehasonlító morfológiai gerinctelen és gerinces állatok és molekuláris vizsgálatok vizsgálati terület ágazat vizsgált problémák, jelenségek vizsgálati módszer Vírusok, baktériumok, vírusok (rendszerezés, felépítés, replikációs mintavétel, izolálás; tenyésztés és gombák, egysejtűek stratégiák); ősbaktériumok, extremofilek; tesztelés; mikrobiális életközösségek in felépítése, egyed- mikrobiológia valódi baktériumok, egészségügyi és situ vizsgálata, monitoringvizsgálatok; és közösségi szintű környezeti jelentőségük; biogeokémiai PCR és szekvenálás működése ciklusok sejt- és szövettani vizsgálatok; fény- és a növények szervei, anyagcsere és szállítás, A növények felépítése elektronmikroszkóp; összehasonlító növénytan egyedfejlődés, ivartalan és ivaros és működése alaktani és élettani vizsgálatok; szaporodás, szabályozás, hormonok fitotronos kísérletek testfelépítés, kültakaró, só- és vízháztartás, sejt- és szövettani vizsgálatok; fény- és Az állatok felépítése táplálkozás, légzés, keringés és immunitás, elektronmikroszkóp; összehasonlító állattan és működése mozgás, idegi és hormonális szabályozás, alaktani és élettani vizsgálatok; szaporodás, egyedfejlődés, viselkedés etológiai vizsgálatok abiotikus környezet, életközösségek, táplálkozási hálózatok; anyag- és energiaforgalom; populációk közötti kapcsolatok; bioszféraszintű rendszerek és környezeti elemzések, mintavételezés, Élőlények ökológia folyamatok, visszacsatolások; az monitoringvizsgálatok, ökológiai és környezetük éghajlatváltozás és az élővilág kísérletek összefüggése; konzervációs ökológia; élőhelyek védelme, fajmegőrzés; biodiverzitás-csökkenés tudomány vizsgált probléma, kutatási terület Neuroanatómia Az idegrendszer felépítése, szövetei és szervei Asztrobiológia Az élet eredete, korai állapota, a Földön kívüli élet lehetősége Biogeográfia A fajok és életközösségek tér- és időbeli elterjedése Biolingvisztika A nyelvek kialakulásának és fejlődésének biológiai összefüggései Biomechanika Az élőlények felépítésének, mozgásképességének mechanikai alapjai Bioinformatika Nagy mennyiségű biológiai adat gyűjtése, elemzése (pl. genomika) Elméleti biológia A biológiai jelenségek (matematikai) modellezése Embriológia Az embrionális fejlődés Entomológia Rovarok, rovarvilág Az emberi pszichikum felépítése és működése a modern evolúcióelmélet, az alkalmazkodás és Evolúciós pszichológia a természetes kiválasztódás elvei alapján Herpetológia Kétéltűek és hüllők Humánökológia A természet és a társadalom Szintetikus biológia A természetben nem előforduló, mesterséges biológiai rendszerek Kognitív idegtudomány A magasabb rendű agyi folyamatok és a biológiai struktúrák kapcsolata Ornitológia Madarak, madárvilág Paleontológia Az élet története fosszíliák és más bizonyítékok alapján Rendszerbiológia Biológiai rendszerek (pl. sejtek) számítógépes modellezése Tengerbiológia Az óceáni életközösségek és élőlényeik  A biológia… Fejleszteni a természet iránti érzékenységet, segíteni abban, hogy otthon érezzük magunkat benne. Megértetni, hogy a Földön élő összes élőlény közös eredetű. Őseik nemzedékein keresztül, evolúciós változásokkal alakultak ki, ezért a Föld élővilága egységként értelmezhető. A tudományos szemlélet fejlesztése, tudományos alapelvekkel magyarázni az élővilágot. Tiszteletet ébreszteni a természet iránt, felkelteni az emberekben a természetvédelem igényét. A nem tudományos, dogmatikus és tudományellenes nézetekkel szembeni érvelés, felvilágosítás. A kíváncsiság, a környezet iránti érdeklődés felkeltése. Mi ÉL? Mit nevezünk élőnek?  Az élet… Hogyan jelennek meg a frissen hullott eső utáni pocsolyákban az ebihalak?, vagy: Hogyan kerülnek a nem megfelelően tárolt élelmiszerekbe az egerek, a bogarak vagy molyok és atkák? A XIX. század elejéig → a kémiai anyagok között is határvonal húzódik az élő és az élettelen eredetű anyagok között. Szerves vegyületeket kísérleti úton nem lehet előállítani, mert azok csak egy élő szervezetben, életerő (vis vitalis) segítségével alakulhatnak ki. Wöhler 1928-ban oxálsavat (C2H2O4) állított elő kálium-cianát + ammónium-kloridból Tehát vis vitalis (életerő) elmélet is megdőlt. Fennmaradt ugyan a szervetlen és szerves vegyületek külön csoportba sorolása (Berzelius nyomán), és mai napig él a szervetlen és a szerves kémia megkülönböztetése, de már senki sem gondolja, hogy például a szintetizált gyógyszerekhez mellesleg „életerőt” is adnak a gyárakban.  Az élet… Hogyan jelennek meg a frissen hullott eső utáni pocsolyákban az ebihalak?, vagy: Hogyan kerülnek a nem megfelelően tárolt élelmiszerekbe az egerek, a bogarak vagy molyok és atkák? Ősnemzés. Alapja Arisztotelész azon nézete volt, mely szerint élet keletkezhet a bomló, élettelen anyagból. Spallanzani, a XVIII.-i → Redi kísérlet (cáfol) + Needham kísérlet (megerősít) XVII. Redi kísérlet XVII. Needham kísérlet XVIII. Spallazani kísérlet  Az élet… Hogyan jelennek meg a frissen hullott eső utáni pocsolyákban az ebihalak?, vagy: Hogyan kerülnek a nem megfelelően tárolt élelmiszerekbe az egerek, a bogarak vagy molyok és atkák? Ősnemzés. Alapja Arisztotelész azon nézete volt, mely szerint élet keletkezhet a bomló, élettelen anyagból. Spallanzani, a XVIII.-i → Redi kísérlet (cáfol) + Needham kísérlet (megerősít) Spallanzani hipotézise nem történt ősnemzés, már létező életforma Kísérletet TERVEZ: szervesanyag-tartalmú leveseket készített, majd ezeket különböző ideig forralta. Néhány üveget légmentesen leforrasztott, másokat csak parafa dugóval zárt le. A légmentesen leforrasztott és hosszú ideig (kb. egy órán át) forralt edényben lévő leves teljesen baktériummentes volt. A légmentes, de csak rövid ideig forralt edényből vett mintában apró lényeket látott. Még több volt a csak parafa dugóval lezárt üvegben. A következtetése : az apró élőlények vagy már benne voltak korábban is a levesben.  Az élet… Hogyan jelennek meg a frissen hullott eső utáni pocsolyákban az ebihalak?, vagy: Hogyan kerülnek a nem megfelelően tárolt élelmiszerekbe az egerek, a bogarak vagy molyok és atkák? Ősnemzés. Spallanzani → nem fogadták el! (Semmelweis hatás) Pasteur a XIX. Megismételte, 1864-ben közzétette, a mikrobiológia megszületik: 1. Voltak-e a tudósoknak előzetes feltevései vagy meggyőződései? Hogyan befolyásolták ezek az eredmények értelmezését? 2. Miért térhettek át a kísérletekben a baktériumok vizsgálatára? 3. Milyen hibákat követhetett el Needham a kísérletében? 4. Miért volt alkalmas a Pasteur kísérletében alkalmazott „hattyúnyakú” edény a mikrobák kizárására?  A tudás… a megismeréssel kezdődik Hétköznapi megismerés ahogy a legtöbb ember szemléli és magyarázza a világot. Tapasztalati és élményvilágunk alakul ki, a természeti jelenségek, az élővilág esetében. Rátermettség, ha a táplálékforrást meg tudtuk különböztetni a veszélyt jelentő élőlényektől. A neolitikumban az összegyűlt tapasztalati tudás → a mezőgazdaság, (növterm, az állteny). Specializált szakértelem hosszú idő alatt alakult ki, szükség volt hozzá a már meglévő ismeretek átadására, rendszerezésére hiedelmekkel →a tudástípus Tudás= a gyakorlat által igazolhatók, megismételhetők A gondolatvilágunk mellett létezik érzelmi életünk is. Ennek a kifejezésnek jellemzője a szubjektív, azaz a személyes kifejezésmód, amelyben mindenki más-más módon írhatja le ugyanazt a jelenséget.  Szubjektív - objektív A természet hétköznapi megismerése a jelenségekről alkotott tapasztalati tudás bővülésével felvetette az objektivitás igényét. Ez olyan tárgyszerű megfogalmazást és szóhasználatot jelent, amelyet az egymással kapcsolatban lévő emberek, vagy akár a távolabbi közösségek is ugyanúgy értelmezhetnek. A megfigyelés mint tudományos módszer a mai napig fontos tudományos megismerési mód. Jellemzője a tervezettség, a lényeg kiemelése és az objektivitás igénye. Ennek ellenére a megfigyelő személy (előzetes tudása, beállítódása, érzékszervei) módosíthatják a megfigyelés eredményét, korlátozza az objektivitás mértékét. Biológiai értelemben ez az érzékelés és a percepció közötti különbségre vezethető vissza. A mai korszerű megfigyelési eszközök, például a fejlett képalkotó és -rögzítő eszközök, valamint a számítógépes adatfeldolgozás nagymértékben pontosabbá tették a tudományos megfigyeléseket.  Szubjektív - objektív A XVI. századi Európában a tudományos megismerésben is új utak: Galilei és Newton kísérletek segítségével ellenőrizte az ókori gondolkodók tanait. Az a gondolat, hogy egy elképzelést vessünk alá a kipróbálás és a tapasztalat próbájának, nem idegen a hétköznapi megismerési módtól sem. → konyhai kisokos A tudományos kísérletek azonban mindig valamilyen előfeltevés, azaz hipotézis vizsgálatára hivatottak. A tudományosan vizsgálható problémák esetében lehetséges a bizonyítás vagy cáfolat, ennek eszköze a kísérlet. A megfigyelések, kísérletek és más bizonyítékok alapján megerősített hipotézisek adnak alapot az elméletalkotás számára. Az elméletek cserélődnek az új ismeretek hatására. A biológiában ilyen például az evolúció, amely a darwini elmélet óta jelentősen továbbfejlődött, kiegészült. A kritikai gondolkodás a hétköznapi megismerésben is többé- kevésbé jelen van, de a nem szakértők számára nehéz ellenőrizni a tudományos – vagy annak látszó – hírek tényszerűségét. A szkeptikus szemléletnek helye lehet például a vitatható, tudományosan nem bizonyított nézetekkel szemben.  Rendszerszintű gondolkodás a biológiában A rendszerszemléletű gondolkodás értelmezéséhez mindenekelőtt definiálni kell magát a rendszer fogalmát. Általánosságban az egymással kölcsönhatásban, kölcsönös meghatározottságban lévő részekből álló komplex egységet tekintjük rendszernek. A rendszer tulajdonságai nem vezethetők le önmagukban az egyes komponensekből, mivel mindegyik állapota hatással van a többi rész állapotára is. Utóbbit nevezzük az emergencia elvének, jelenségének. A környezetünkben számos ilyen rendszer van, így pl. az ökoszisztémák, a vízkörforgás rendszere, a Naprendszer vagy egy élő sejt. Ezek bonyolultsága az individuális anyagi rendszerektől (pl. egy sejt) az összetett anyagi rendszereken (pl. éghajlati rendszer) át a folyamatok rendszerszerűségéig (pl. kémiai reakciórendszerek) terjedhet. A biológiai rendszerek komplexek, nyílt kölcsönhatásban vannak a környezetükkel, nem lineáris tulajdonságokat mutatnak, önszabályozók és hálózatokba szerveződnek. Lényegi emergens tulajdonságuk maga az élő állapot.  Rendszerszintű gondolkodás (RG) a biológiában Az RG olyan gondolkodási műveletek rendszere, amely alkalmas a rendszerek azonosítására és megértésére, viselkedésük előrejelzésére, a kívánt hatásoknak megfelelő módosítások kidolgozására. A vizsgálatokban egyaránt alkalmazza az elemző (analitikus) és egészleges (holisztikus – univerzális, egészében való megismerés) szemléletet. A biológia esetében különösen fontos, hogy míg az elemző, részletező kutatások a különféle szerveződési szinteken jelentősen előrehaladtak (pl. sejttan, szövettan, szervezettan, társulástan), addig ezek szintetizálása, a magasabb szinteken megjelenő emergens tulajdonságok megértése kevésbé történt meg. A rendszerbiológia a komplex rendszerek esetében a számítógépes szimulációk módszerét is alkalmazza, amelyben a mesterséges intelligencia és a modern adattudomány (big data) is a segítségére van. Rendszerelméleti kutatások nemcsak a természettudományokban, hanem a gazdaságtan, a társadalomtudományok és az informatika területén is folynak.  Rendszerek jellemzői A részek és kapcsolatok azonosítása a rendszerszemlélet alapvető művelete, amely a biológia esetében különösen fontos. Olyan területekre terjed ki, mint az élő anyag kémiai összetevői, a sejtek felépítése, a szervrendszerek vagy az életközösségek elemzése. A részek közötti kapcsolatok lehetnek anyagi jellegűek (pl. hasonló összetevők, összenövések), térbeliek (ugyanabban a térrészben, pl. azonos élőhelyen vannak), energialapúak (pl. táplálékhálózatok energiaáramlása) vagy információs természetűek (pl. a DNS–RNS–fehérje-láncolat). Visszacsatolások azonosítása és megértése Bizonyos kölcsönhatások ok-okozati visszacsatolásokat alakíthatnak ki, amelyek alapvetően befolyásolják az adott rendszer viselkedését. Ilyeneket figyelhetünk meg például az enzimműködésben, a génexpresszióban, az idegi és a hormonális szabályozásban, vagy akár a bioszféra önszabályozó működésében is. Meg kell különböztetni a negatív (kiegyensúlyozó, pl. a vérnyomás esetében) és a pozitív (erősítő, pl. a szaporodási fitneszt növelő jellegek) típusú visszacsatolásokat.  Rendszerek jellemzői Állandók és változók, folyamatok azonosítása Állandó lehet pl. valamely erőforrás készlete (pl. táplálék, élőhely), vagy akár a populációs kapcsolatokban jelentkező előny is. A változók (pl. időjárás, emberi tevékenység) módosíthatják a készletek értékeit, ezáltal folyamatokat hívhatnak életre. Az olyan komplex rendszerekben, mint a sejt, a szervezet vagy az ökoszisztémák, különösen fontos a nem lineáris folyamatok azonosítása. Ezekben a számos elágazó útvonal, a hálózatos jelleg miatt többféle, nehezen előrejelezhető következménye is lehet valamely változásnak. Példaként említhető egy-egy kulcsfaj (pl. a farkasok) eltűnése vagy visszatelepedése egy életközösségbe. (Yellowstone+ farkasok) A dinamikus viselkedés megértése a kölcsönhatások és visszacsatolások befolyásolják a készletek (stock) mértékét és folyamatok (flow) sebességét, ezzel a rendszer dinamikus viselkedését alakítják ki (stock & flow). A dinamikus rendszermodellek fontosak lehetnek például a gyógyszerkutatásban (sejt- vagy szervezetszintű, in silico, azaz számítógépes szimulációk) és a globális éghajlatváltozás bioszférával való összefüggésének vizsgálatában.  Rendszerek jellemzői Egymásba épülő rendszerszintek megértése A rendszerek egymásba épülésével kialakuló hierarchia a rendszer-alrendszer összefüggés megértését jelenti, az anyagi világ szerveződési szintjeinek átlátását foglalja magában. A biológiai szerveződés egyed alatti és feletti szintjei közötti átjárás történhet „felülről lefelé”, ez a redukció módszere. Fordított irányban, „alulról felfelé” ritkább és nehezebb is a gondolkodás, de így érthetők meg a magasabb szinteken jelentkező emergens tulajdonságok. Az atomok közötti kötések molekulákat eredményeznek, amelyek további összekapcsolódásával nagyobb méretű molekulák, makromolekulák stb. jöhetnek létre. A részek közötti kapcsolatok, kölcsönhatások (minősége, mennyisége) eredményeképpen minden egyes magasabb szerveződési szinten bővül az információ is, létrejönnek olyan új (emergens) tulajdonságok, amelyekkel az alkotórészek külön-külön nem jellemezhetők. Az egész tehát több, mint a részek egyszerű összege. Az élővilág szerveződési szintjei: atomok → molekulák → makromolekulák → sejtalkotók → sejt (legkisebb élő egység) → szövet → szerv → szervrendszer → egyed → populáció → társulás → biom → bioszféra.  Rendszerek jellemzői A rendszermodell komplexitásának csökkentése A gazdaságban és a technológiában gyakrabban, de a biológiában is növekvő mértékben jelennek meg számítógépes rendszermodellek. A modell a valóságból alkotott, a számunkra adott szituációban elemek a valósághoz hasonlóan működő egysége. A túl leegyszerűsítő modell pontatlan, a túl bonyolult kezelhetetlen lehet. A természettudományos kulcsfogalmak időről időre új értelmezést kapnak, különösen igaz ez az információ fogalmára, amelyet az egyes tudományterületek saját szempontjukból értelmeznek. A rendszerek szempontjából az információ a rendezetlenség (entrópia) ellentéte, a rendezettség felé vivő hatás. Meg kell különböztetni a jel és a szerkezeti információ fogalmát, utóbbi a beépült, rendszerekben testet öltő információként értelmezhető. Az anyagi rendszerek információtartalma az elemi részecskéktől az atomfajtákon és a molekulák sokféleségén át szintről szintre bővül, végső soron az élő rendszerek biológiai sokféleségében teljesedik ki. Az élet  Az élő rendszerek jellemzői – életkritériumok A biológia alapvető kutatási célja az élet mibenlétének megértése. A gyermeki elképzelésektől a tudomány mai álláspontjáig megfigyelhető a fogalom fejlődése. A kisgyermekek még nem tartják élőnek a növényeket, még kevésbé a gombákat. Ennek oka, hogy ezeket megfigyelve nem érzékelnek olyan életjelenségeket, mint az aktív mozgás, a táplálkozás és a légzés vagy az ingerlékenység. Kérdés, hogy az életjelenségek alapján megfejthető-e az élet titka? Ha sorra vesszük a táplálkozás, légzés, mozgás, érzékelés, önszaporítás folyamatait, akkor ezek teljes köre valóban csak az élőkre jellemző. Ha viszont eltekintünk az önszaporítás képességétől, akkor már találunk olyan gépeket, amelyek programvezéreltek, és a környezetükkel anyag- és energiaforgalmat bonyolítanak le. A gépekkel szemben az élőlények lágy rendszerek. Ez alatt azt értjük, hogy működéseiket oldatban végbemenő kémiai reakciók bonyolult hálózata hozza létre. Ezért elválaszthatatlan a kapcsolat a víz és az élet között, mivel a víz játssza az oldószer szerepét. Dipólusmolekulája egyaránt képes oldatban tartani töltéssel rendelkező ionokat, szervetlen és szerves vegyületeket.  Az élő rendszerek jellemzői – életkritériumok A víz a szervezeten belüli anyagszállításban is szerepet kap, pl. ereinkben áramló vér. A sejtekben tárolt biológiai információ olyan program, amelynek megértéséhez túl kell lépnünk az egyed szintjén. A fajra jellemző tulajdonságkészlet egy populáció nemzedékeiben átöröklődve jön létre, de eközben mutáció, rekombináció révén folyamatosan módosul is. A természetes szelekció az a „fejlesztőműhely”, amiben az újabb „típusok”, azaz a változatok és fajok kialakulnak. Mai tudásunk szerint ennek kezdőpontja az Utolsó Közös Ős (Last Universal Common Ancestor), azaz LUCA volt. Az élettelen környezetben az élet kialakulása 3,8 milliárd éve történt, azóta újabb ilyen eseményről nem tudunk. Mindezek alapján megállapítható, hogy az élet egyik nélkülözhetetlen jellemzője – kritériuma – az öröklődő változékonyság és az evolúciós képesség. A modern biológia ezeket a folyamatokat molekuláris szinten is kutatja: vizsgálja a DNS és a fehérjék szerkezetét. A sejt vagy a szervezet szintjén a genomika és a proteomika hozott új szemléletet.  Az élő rendszerek jellemzői – életkritériumok Az alapmolekulák (nukleinsavak, aminosavak, fehérjék) és –mechanizmusok (DNS- replikáció, fehérjeszintézis) minden sejtben azonosak vagy hasonlóak (a prokarióta és eukarióta sejtek folyamatai között vannak különbségek). Más szempontból szintén életkritériumnak tekinthető a sejtek szintjén megfigyelhető elhatárolódás képessége is. Az élő rendszerek ugyanis ellen kell hogy álljanak az élettelen világra jellemző rendezetlenségnövekedés törvényének. A termodinamika (hőtan) törvénye szerint az önként végbemenő folyamatokban a rendszerek belső energiája csökken, miközben a rendezetlensége növekszik. A legvalószínűbb állapot – amely felé az anyagi világ tart – a maximális rendezetlenség, a káosz. A szabályt erősítő kivétel az élő sejt. Az örökítőanyag (DNS) információja őrzi a sejt belső felépítéséről és működéséről rendelkező kódot, amely alapján képes a benne keletkező rendezetlenséget a környezetbe pumpálni. Az elhatárolódás nem lehet teljes, mivel a sejt nyílt rendszer, azaz a környezetével anyag-, energia- és információcserét folytat.  Az élő rendszerek jellemzői – életkritériumok Információnak tekinthetők a kémiai anyagok szerkezetének jellemzői is, amelyek az anyagcsere vagy a jelforgalom során alakítják a sejteket. Ennek a feltételnek tökéletesen eleget tesz a sejthártya felépítése. A kettős foszfolipidréteg nem engedi át a zsírban nem oldódó anyagokat, amelyeket a beágyazott fehérjék szelektíven tudnak átengedni vagy éppen kijuttatni a környezetbe az igényeknek térben és időben megfelelő módon. Központi kérdése az energiaellátás. Az élet autonómiáját az biztosítja, hogy a sejtek és az egyedek maguk képesek felvenni a működéseikhez szükséges energiát a környezetből. Ez több-kevesebb átalakítással, közben pedig elkerülhetetlen veszteséggel jár. A fotoautotróf növények a napfény energiáját alakítják kémiai formába. A kemoautotrófok szervetlen vegyületekből merítenek energiát, míg a heterotrófok ugyanezt szerves forrásból képesek biztosítani. Bármi is a forrás, a végső közös osztó az ATP. Ez a sejtek energetikai „valutája”, amit az enzimek, az izomfonalak vagy az aktív transzportban közreműködő molekulák képesek hasznosítani.  Az élet vajon mi? Az élő szervezetet lebontva annak élő mivoltja egy „adott” szinten megszűnik → állapot A határon: tetszhalál, cianobiózis, nyugvó mag friss tetem: még rendezett, de nem képes fenntartani! „a halál az életképesség megszűnése” Az élet önfenntartó szervezett állapot Az élet komplex jelenség, amelynek a lényegi sajátossága a többszintű szerveződés. Ezért az élet fogalmát egyértelműen leíró jellemzőket is ezekkel a szintekkel összefüggésben lehet meghatározni. Ezek az életkrité riumok, illetve evolúciós kritériumok együttesen fejezik ki az élő állapot lényegét. Gondolkozzunk tovább! Aktív állandóság: a élő szervezet formája „állandó”, de az azt felépítő anyag időben változik: anyagcserét folytat és azt szabályozza (homeosztázis) Az élő szervezet nyílt rendszer : stacionárius állapot (dinamikus egyensúlyok) az entrópia csökkenhet is ekvifinalitás (azonos célt szolgál) Az élő állapot tehát olyan komplex rendezettség, amely megfelelő körülmények között, átáramló energiát felhasználva, szabályozó folyamatok révén fenntartja önmagát.  Sejtszintű életkritériumok Az élet a sejt szintjén jelenik meg, minimálrendszerének a prokarióta sejttípus tekinthető. A rá jellemző kritériumok egymással összekapcsolt alrendszerekben jelennek meg. Elhatárolódás: A sejten belüli szabályozott viszonyok fenntartásához szükséges, a sejthártya biztosítja. A sejt nyílt rendszer, tehát a sejt határfelületén keresztül a környezet és a sejtek között anyag-, energia- és információforgalom zajlik. Ebben az alrendszerben a foszfolipid kettős réteg és a membránba épült vagy kapcsolódó fehérjék (és szénhidrátok is) találhatók. Energiaátalakítás: Az élő sejt a környezetéhez viszonyítva magasabb rendezettséget mutat. Ennek fenntartása energiabefektetéssel lehetséges. A fény vagy a kémiai forrás energiáját biológiailag használható formába (ATP) alakító energetikai alrendszerekben komplex enzimrendszerek működnek. Az átalakítás történhet közvetlenül valamely szubsztrátból (fermentáció) vagy elektronszállító rendszerhez kapcsolt ATP-szintézis révén. Anyagátalakítás: A belső rendezettség fenntartásához a felépítő és lebontó anyagátalakító folyamatok szabályozottságára van szükség. Ez egyrészt a folyamatok sebességének, másrészt tér- és időbeli végbemenetelének szabályozottságát jelenti. Alrendszere is többszintű, az enzimek lehetnek a sejtben szabad vagy membránhoz kötött állapotban.  Sejtszintű életkritériumok Programozottság, információs működés: A sejt belső rendjének – az élő állapotnak – a fenntartása és továbbadása megkívánja, hogy a szerkezet és működés valamilyen jel típusú formában is rendelkezésre álljon. Ez a DNS bázissorrendjében tárolódik, onnan szabályozottan íródik át RNS-, majd fehérjeformába. A sejt információs alrendszeréhez sorolhatók ezen kívül a génkifejeződésben, hibajavításban és a jelforgalomban közreműködő molekuláris rendszerek is. A prokarióta típushoz képest az eukarióta sejt anynyiban jelent magasabb szerveződést, hogy a kompartmentalizáció következtében az alrendszerek funkcióiban elkülönült és specializált struktúrák, sejtszervecskék működnek közre. A többsejtű testfelépítéssel rendelkező élőlényekben az életkritériumok teljesülése a szervezet mint rendszer szintjén értelmezhető. Az alrendszereket a szervrendszerek alkotják, így pl. az emberi szervezet információs alrendszeréhez sorolható az ideg- és hormonrendszer és az immunrendszer is. Az anyag- és energiaátalakítás a táplálkozás, légzés, kiválasztás szervrendszereiben valósul meg.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok Az életkritériumoknak csak egy része teljesül a sejt vagy az egyedek szintjén. Az önfenntartó folyamatok sokáig képesek gátolni a rendezetlenség növekedését, de a megőrzött belső információ alapján új sejt vagy egyed is létrehozható. Ez az „élet vagy halál” kérdés → melyik stratégia lehet előnyösebb hosszú távon A válasz többféle lehet, például a baktériumok vagy a gombák ivartalan szaporodása (a mutációktól eltekintve) lényegében ugyanannak az egyednek a továbbélése több példányban. Ez előnyös lehet az erőforrások bősége, változatlansága esetén.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok Az utódok → két különböző egyed információkészletének keveredéséből már a baktériumoknál is (!) Új génkombinációk bővebb választékot kínálnak a természetes kiválasztódáshoz A populáció nagyobb valószínűséggel növekedhet a rátermettség (utódszám). Az ivarosan szaporodó fajok esetében különválik a testi sejtek és a szaporítósejtek vonala.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok Utóbbiak, az ún. csíravonal sejtjei adják tovább információikat a következő nemzedéknek, tehát a bennük bekövetkező változások genetikai vagy epigenetikai módon öröklődnek. Az evolúció szempontjából a gének kombinálódása mellett ez a továbbadási folyamat a meghatározó, mivel a testi sejtekben bekövetkezett mutációk az egyed halálával törlődnek.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok A genotípus mellett a fenotípus plaszticitása is fontos az evolúciós változásokhoz. A környezeti hatások megváltoztatják a transzkripciót (génkifejeződést), módosíthatják pl. az állatok viselkedését.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok A fenotípusban (női/hím) különbség, az ivari dimorfizmus. Ez vezethet a fajon belüli intraszexuális szelekcióhoz, amire példa a hímek közötti versengésben használatos szarvak, agancsok vagy karmok.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok A nemek közötti interszexuális szelekció az egyik nemet a választó, a másikat a választott szerepébe helyezi. Általában a női egyedek választanak, és a hímek vetélkednek a kegyeikért. Ezt az magyarázza, hogy a szaporodási időszakok miatt a női egyedek nem mindig megtermékenyíthetők, így szűkösebb erőforrásnak tekinthetők.  Egyed feletti szerveződés, evolúciós kritériumok a szaporodás, az öröklődés a változékonyság képessége. Vizsgálati módszerek Vizsgakövetelmények 1.1.2. Vizsgáló módszerek Kulcsfogalmak megfigyelés, vizsgálat, kutatási kérdés, hipotézis, előrejelzés, kísérlet, kísérleti változó, tesztelés (bizonyítás, cáfolat), kontroll-kísérlet, gyakoriság, valószínűség, mérés, rendszerezés, dichotómikus kulcs, szűrés, diagnosztikai vizsgálat, fénymikroszkóp, méretskála, fajlagos felület, felülethez kötődés (adszorpció) Gondolkodási művelet Ismertesse a tudományos vizsgálatok menetét, műveleteit alkalmazza vizsgálat- és kísérletelemzésekben. Hozzon döntést a mérések pontosságáról, azok főbb mutatói (tárgyszerűség, érvényesség, megbízhatóság) alapján. Foglalja össze (főbb pontokban) Semmelweis Ignác (higiénia), Selye János (stresszelmélet), Kitaibel Pál (magyar flóra), Szent-Györgyi Albert (C-vitamin, sejtanyagcsere), Charles Darwin (evolúcióelmélet), Karl Linné (rendszerezés, kettős nevezéktan) kutatási eredményeit. Vizsgakövetelmények A vizsgázó legyen képes osztályozásra (jellemzők alapján hierarchikus csoportokba sorolásra) és a sorképzésre (relációk kezelésére). Rendelkezzen kombinatív képességekkel: legyen képes megadott elemekből, adott feltételek mellett kombinációk létrehozására és vizsgálatára. Legyen jártas az arányossági gondolkodásban (vizsgálja két mennyiség együttes változását: egyenes és fordított arányosság, telítési görbék), alakítson át különböző adatmegjelenítési formákat egymásba (adatokat táblázattá, táblázatokat grafikonokká). Legyen képes változók vizsgálatára (függő és független változók felismerése, elkülönítése, a változók közötti kapcsolatok szisztematikus vizsgálata, kontrollja). Legyen jártas adatok, ábrák kiegészítésében, adatsorok, ábrák (köztük diagramok, grafikonok) elemzésében és felhasználásában. Legyen képes modellekben való gondolkodásra, modellek értelmezésére, az analógiák azonosítására. Ismerjen fel problémákat, keressen megoldást rájuk: találja meg a célhoz vezető nem ismert megoldási utat valós, életszerű helyzetekben.  Vizsgálómódszerek A tudományos vizsgálat egy kérdésre, illetve egy probléma megoldására való válasz keresése tudományos módszerrel. A tudományos módszer egy szisztematikus folyamat, amely (mérhető) megfigyelések felhasználását foglalja magában egy hipotézis megfogalmazására, tesztelésére (kísérleteken alapuló ellenőrzéssel) vagy módosítására. Végül is a hipotézis valamilyen megfigyelt jelenségre a tapasztalatokon vagy kutatásokon alapuló javasolt magyarázat. A tudományos vizsgálatok eredményeit az emberek jobb modellek és magyarázatok kidolgozására hasznáják fel, így az őket körülvevő világ egyre jobban értelmezhető.  Vizsgálómódszerek A természettudományos megismerés folyamata 1. Megfigyelés, adatok gyűjtése 2. Kérdések feltevése 3. Hipotézis felállítása, előrejelzés 4. Kísérletes ellenőrzés 5. Modell alkotása 6. A modell érvényességi határának meg- állapítása, a modell továbbfejlesztése.  Megfigyelés A megfigyelés észlelésen alapuló megismerési módszer, érzékszerveinkkel történő közvetlen információszerzés. Az élőlények és közösségeik természetben való megfigyelésével az egyedek populáción belüli viselkedése vagy a populációk közötti kapcsolatok deríthetők fel. Gyűjtés vagy mintavétel alapján is végezhetők megfigyelések. A biológia jellegzetes megfigyelési eszközei a fény- vagy elektronmikroszkópok, amelyeknek speciális célokra számos további változata is van (pl. fáziskontrasztos vagy polarizációs fénymikroszkópok, transzmissziós és szkenning elektronmikroszkópok). A vadvilág megfigyelésére távcsövek, automata kamerák, éjjellátó készülékek, teleobjektíves optikák használhatók. A megfigyelés során jó, ha a megfigyelő a lehető legkevésbé avatkozik be az adott rendszer működésébe. A tárgyszerűséget és a megismételhetőséget növelheti a fotók vagy videófelvételek készítése.  Kérdésfeltevés (kutatási kérdés) Nem ismert magyarázat Meglévő elmélet korrekciója, cseréje is. A probléma pontos megfogalmazása → eldönthető, van-e lehetőség vizsgálatra a vizsgálat/kérdés lényegi megfogalmazása; a természettudományosan vizsgálható kérdések felismerése, megfogalmazása; a nem vizsgálható kérdések átfogalmazása konkrét vizsgálatra irányuló kutató kérdésre; egymásba épülő, egymásból következő kérdések megfogalmazása.  Hipotézis A hipotézis (más néven előfeltevés) megfogalmazása a tudományos vizsgálat kiindulópontja igazolására vagy cáfolat → a kísérleti munka Ok okozat vizsgálatára használható A hipotézis alapulhat analógiákon (hasonlóságokon) is, például a földi extrém környezetek mikrobáinak alapján feltehető az a hipotézis, hogy az élet első formái is hasonló szervezetek lehetnek.  Hipotézis A hipotézis megfogalmazásának célja, néhány jellemzője: tényekre alapozottság, lényeges tulajdonságok, körülmények figyelembevétele; korábbi tapasztalatokból levont következtetés, ismert fogalmak beépítése; nehezen ellenőrizhető jelenségek végbemenetelére vonatkozó hipotézisállítás; jelenségek vizsgálati módszereire vonatkozó elképzelés; adott tényre, jelenségre vonatkozó többféle lehetséges elképzelés figyelembevétele; az előfeltevések, elképzelések bizonyításának igénye.  Előrejelzés megfigyelt tényekre, mért adatokra, tudományos modellekre alapozott A biológiai rendszerek komplexitása okozza, hogy az előrejelzések valószínűségi jellegűek, azaz bizonyos (időben egyre táguló) határok között adják meg a várható állapotokat. Az előrejelzések pontosabbá tehetők számítógépes modelleken alapuló szimulációkkal. Az előrejelzés célja, néhány jellemzője: előzetes elképzelések, elméletek megfelelő beépítése; a valószínűség megfelelő értelmezése és kezelése; az előrejelzés kapcsolatba hozása megfigyelési adatokkal, kísérleti eredményekkel; információk és megfigyelési adatok alapján igazolható interpoláció, extrapoláció; előrejelzések igazolása tények, elméletek alapján.  Kísérlet Hipotézis igazolására vagy cáfolatára alkalmas rendszer és tevékenység, amelyet megadott szempontok alapján végeznek. A vizsgált problémával, rendszerműködéssel összefüggésbe hozható hatásokat változóknak nevezzük. A kísérlet során egy kiválasztott hatás, a független változó különféle beállításainak, értékeinek következményét vizsgáljuk. A várt eredmény a függő változó alakulásában jelenik meg. Egy kísérlet során mindig csak egy független változót állíthatunk be, a többi lehetséges körülményt állandónak kell beállítanunk, ezek lesznek a rögzített változók. A kísérlet megtervezése és kivitelezése kreatív, kombinatorikus és rendszerszintű gondolkodást, fegyelmezett és pontos munkavégzést kíván. A biológia sokféle területén nélkülözhetetlenek a kísérletek, így például a biokémia, genetika, élettan, de az etológia és az ökológia is alkalmazza ezt a módszert a laborokban vagy a terepen.  Kísérlet A nem kívánt hatások kizárására kontrollkísérlet is szükséges lehet. Ennek során nem alkalmazzuk a független változót sem. Kontroll pl. egy kezeletlen csoport, amihez a kezelteket hasonlítjuk, vagy a standard kezelést kapott csoport, amihez az új, kiértékelendő kezelést kapottakat hasonlítjuk.  Kísérlet A kísérlet célja, néhány jellemzője: alapvető elméletekből való kiindulás; adott kérdéssor alapján megfelelő kísérleti lépéssorozat tervezése; vizsgálati terv készítése, a független és a rögzítendő változók azonosítása, beállítása; a mérendő adat, a függő változó azonosítása, a megfelelő mérési eszköz és módszer kiválasztása; tervezett és a végbement vizsgálat összevetése, hibakutatás, pontosság ellenőrzése.  Mérés Mennyiségi megállapítást teszünk (szabály alapján számokat rendelünk), vagyis információgyűjtés a változó „viselkedésére”. A tudományos igényű méréshez az alábbi feltételek szükségesek: érvényesség: a mérőeszköz valóban azt méri, arra irányul, ami a mérés tárgya; megbízhatóság: a megismétlés ugyanazt az eredményt adja; objektivitás: az eredmény független a vizsgáló várakozásától.  Értelmezés, elméletalkotás A kísérleti eredmények alapján következtetések vonhatók le, amelyek közelebb visznek a kutatási kérdés megválaszolásához. Az egyedi jelenség alapján, induktív gondolkodás alapján általános érvényű elméletek is felállíthatók. A magyarázatok a meglévő tudásra alapozva (deduktív gondolkodással) fogalmazhatók meg. Néhány jellemző: a megfigyelések és mérések jellemzőinek, adatainak bemutatása; az eredmények összevetése a kiinduló kérdéssel, előrejelzésekkel; a kísérleti változók, a kísérletben kapott tények, adatok közötti összefüggések bemutatása, magyarázata. A tudományos elméletek és hipotézisek fontos tulajdonsága a „cáfolhatóság”. Ez azt jelenti, hogy kell lennie olyan kísérletnek, amely be tudná bizonyítani, ha az elmélet hamis.  Modell A valóság leegyszerűsített megjelenítése. A modellezés során a valóság egy meghatározott szeletéből a számunkra adott szituációban fontos elemeket, és azokat hipotézisünknek megfelelően kapcsolatba hozzuk egymással. Az így elkészített modellt tesztelnünk kell. A tudományos modell utánozza, szimulálja a vizsgált rendszer viselkedését. A modell és a modellezett rendszer működésbeli azonossága egyszerűsítéseken, hasonlóságokon alapszik, és a modellezett bonyolult rendszer magyarázatára, valamint működésének kiszámítására, megjóslására használjuk. A tudományos elméletek lényegüket illetően mindig ilyen modellek. A rendszerezés – fajok és kategóriák Az egymással szaporodni képes, termékeny utódot létrehozó élőlényeket egy fajba soroljuk. A fajok pontos számát NEM ismerjük. Eddig (1758 óta): 500 000 növényfajt (botanika), 1,5 millió állatfajt (zoológia), 300 000 gombafajt (mikológia) ismert, 30 000 mikroszkopikus élőlényt (mikrobiológia) fedezett fel eddig a tudomány  A rendszerezés – módszerek Alapvetően kétféle elv szerinti rendszer létezik. Mesterséges: kiragadott, önkényesen választott bélyegek alapján rendszerez. Természetes: a fajok leszármazása alapján állapítja meg a rokonsági kapcsolatokat, alapja az élővilág törzsfejlődése, az evolúció. Mesterséges rendszerek: Arisztotelész (ie.384-322) az állatokat két csoportba sorolta, vörös, nem vörös vérű állatok. Linné (1707 – 1778) Systema Naturae Prokarióta / Eukarióta Linné érdemei: Rendszerének alapegysége a faj. Megalkotta a rendszertani kategóriákat. Bevezette a kettős nevezéktant. Linné a növényeket önkényesen pl. a porzók száma, portokok helyzete, párta alakja, stb. alapján csoportosította. A rendszerezés alapegysége a faj. Mindazon egyedek egy fajba tartoznak, melyek: külső és belső tulajdonságaikban nagymértékben hasonlóak, önmagukhoz hasonló, termékeny utódot hoznak létre, egymással szaporodni képesek, (származásuk közös). Faj vagy fajta? Fajta: Mesterségesen – nemesítéssel, tenyésztéssel - létrehozott formaváltozat. Pl. kutyafajták. Alfaj: Önálló földrajzi elterjedésű csoport, melynek egyedei jobban hasonlítanak egymáshoz, mint a faj többi egyedéhez (emberi nagyrasszok). A rendszerezés – módszerek Alapvetően kétféle elv szerinti rendszer létezik. Mesterséges: kiragadott, önkényesen választott bélyegek alapján rendszerez. Természetes: a fajok leszármazása alapján állapítja meg a rokonsági kapcsolatokat, alapja az élővilág törzsfejlődése, az evolúció. Természetes rendszerek: A fajok rokonsági viszonyait tükrözi. Alapja az élővilág törzsfejlődése, az evolúció. A biológiában evolúció alatt folyamatos változások olyan sorozatát értjük, melynek során a fajok öröklődő jellegei nemzedékről nemzedékre változnak. Bizonyos molekulák – nukleinsavak (DNS), fehérjék - szerkezetének az összehasonlításával következtetnek a tudósok az élőlények leszármazási kapcsolataira. Minél nagyobb a hasonlóság két faj adott molekulái – pl. gerincesek esetén pl. a hemoglobin – között, annál közelebbi rokoni kapcsolatban állnak. Vizsgakövetelmények 6.3.2. Fajképződés és az evolúció bizonyítékai Kulcsfogalmak evolúciós fa, homológia, analógia, konvergens és divergens fejlődés, evolúció közvetlen bizonyítékai, élő kövület, fajképződés, beltenyésztés, nem véletlenszerű párválasztás Gondolkodási művelet Értelmezzen egyszerű evolúciós (filogenetikai) fát. Értelmezze a homológia és az analógia fogalmát, a konvergens és divergens fejlődést, tudjon példaként ilyen fejlődésű szerveket, élőlényeket bemutatni. Ismertesse az evolúció közvetett bizonyítékait (DNS homológia, molekuláris törzsfák, genetikai kód, sejtes felépítés, homológ szervek, az embriók hasonlósága, funkciójukat vesztett szervek léte). Elemezzen vagy készítsen megadott adatok alapján filogenetikai fát. Mikro- és makroevolúció Amikor különböző élőlényeket hasonlítunk össze, akkor a hasonlóságokat és a különbségeket egyaránt figyelembe vesszünk. A hasonlóság utal a közös ősre, a különbségek pedig az őstől való eltérésre. A morfológiai hasonlóságok egyes esetekben félrevezetők. Az úszók belső felépítése azonban eltérő: a cápáknál (porcos hal) porcból felépülő úszósugarak (porcpálcikák) merevítik az úszókat, a delfinek (emlős) esetében a páros úszók felépítése hasonló az emberi végtagok felépítéséhez (ötujjú végtagtípus). A cápák farokúszója függőleges, míg a delfineké vízszintes kialakulású. Mikro- és makroevolúció Az evolúciós konvergencia az a jelenség, amikor az eltérő ősöktől származó élőlények hasonló ökológiai viszonyok között élve, fenotípusos hasonlóságot (pl. hasonló testfelépítés) mutatnak. A hasonlóság külső, és a hasonló funkció ellátására alakul ki Analóg szerveknek nevezzük az azonos funkciójú, de eltérő felépítésű szerveket. Mikro- és makroevolúció A divergens evolúció olyan folyamat, ahol közös őstől származó fajok eltérő élőhelyekre való adaptív szétterjedésük következtében egyre nagyobb mértékben térnek el egymástól. A homológ szervek belső felépítése megegyezik, de a funkciójuk eltérő. Példa lehet erre a közös emlősőstől származó delfinfaj és denevérfaj esete. Közelebbi rokonok, mint a delfinek és a cápák, ráadásul a végtagjaik felépítése is megegyezik (ötujjú végtagtípus). Mikroevolúció kis lépésekben zajló evolúciós folyamatok összessége Fajon belüli változások, amelyek elvezethetnek a fajképződéshez. Az evolúció során a populációkban egyes öröklődő jellegek (illetve az ezeket meghatározó allélok) megritkulnak, mások gyakoribbá válnak, vagy új tulajdonságok jelennek meg. A faj populációi az idők során kisebb-nagyobb mértékben különbözőkké válnak. A változások halmozódásával a populáció egyedei oly mértékben eltérővé válhatnak elődeiktől, hogy már nem is tekinthetők ugyanazon fajba tartozóknak, új fajok keletkeznek. A fajon belüli változatok (variációk) kialakulásában fontos szerepe van a mutációnak és rekombinációnak (de más folyamatoknak is). Mikroevolúciós folyamat a genetikai sodródás és a természetes szelekció is. Makroevolúció faj feletti evolúciós folyamatok Az új fajok evolúciója végső soron elvezethet másféle szerveződésű, a kiindulási fajjal már csak távoli rokonságban álló csoportok (faj feletti rendszertani kategóriák) kialakulásához: új nemzetségek, családok, osztályok, törzsek stb. megjelenéséhez. Ezeknek a folyamatoknak az öszszefoglaló neve: makroevolúció.  A leszármazási kapcsolatok / evolúciós fák A filogenetika az evolúciós leszármazási kapcsolatok vizsgálatával foglalkozik (célja az evolúciós történet feltárása) A leszármazási sorok kapcsolata alatt a közös őstől történt szétválásukat értjük. A filogenetika a biológia szemléletmódjának alapvető eleme, hiszen a biológiai sokszínűséget (a biodiverzitást), ősök az élőlények változatosságának magyarázata t csak a leszármazás ismeretében érthetjük meg. Ősök és utódaik együttesen egy leszármazási sort közös ős alkotnak. A leszármazási kapcsolatok leírásának legfontosabb eszköze a filogenetikai fa vagy törzsfa. A leszármazási kapcsolatok / evolúciós fák A filogenetikai fa a fajok leszármazási kapcsolatait szemléltető diagram. Elemei az ágak / levelek (itt A, B, C és O) ezek valamelyik rendszertani kategóriát képviselnek A közös ősöket a csomópontok (és az azokat összekötő ágak) szemléltetik, a legalsó csomópont az összes ábrázolt faj közös őse Kitüntetett szerepe miatt külön névvel illetjük, ez a filogenetikai fa gyökere. Rögzítését követően beszélhetünk a változás irányáról vagy leszármazási sorrendről  A leszármazási kapcsolatok / evolúciós fák A fajkeletkezést filogenetikai szempontból anagenezis során nem jön létre új elágazás kladogenezis során viszont új elágazás jön létre Az egyik rendszerint megtartja az ős vonásait, a másik a megváltozott életkörülményekhez való alkalmazkodás során új (levezetett) jellegeket fejleszt ki.  A leszármazási kapcsolatok / evolúciós fák Hogyan állapíthatjuk meg két fajról, hogy milyen közeli rokonok? Az a legegyszerűbb, ha a tulajdonságaikat vizsgáljuk meg, hiszen a rokon fajok általában hasonlítanak egymásra. Ahhoz, hogy egy tulajdonságot fel tudjunk használni, nemcsak hasonlónak, de azonos eredetűnek, vagyis homológnak is kell lennie. Viszont a homológok között is meg kell különböztetni ősi és új (levezetett, származtatott) tulajdonságokat.  Rendszerezés leszármazás alapján Taxon: az élőlények egyazon kategóriába sorolt és közös gyűjtőnévvel ellátott csoportja Kladisztika: az élőlények közös ősökön alapuló rendszerezése → a Linné-rendszer hierarchiára Egy taxon akkor természetes ha monofiletikus, vagyis a csoport közös ősét és az összes leszármazottat magába foglalja Parafiletikus: nincs benne az összes leszármazott Polifiletikus: ha nem tartalmazza a csoport utolsó közös ősét. Példafeladat Öt gerinces csoport leszármazási kapcsolatára következtetünk öt közös tulajdonság alapján. A 6. csoport (lándzsahal) egy külcsoport, ami egy közeli rokon, de nem gerinces (a belcsoport) leszármazási sor képviselője. Ez képezi az összehasonlítás kiindulópontját. Először egy ún. karaktertáblázatban rögzítjük az adatokat, az egyes csoportok tulajdonságait. Esetünkben a következő táblázat egy jellemző meglétét (1) vagy hiányát (0) tartalmazza. Példafeladat Az evolúció közvetlen bizonyítékai Látható, tapasztalható jellegek, melyek régen élt élőlények maradványai Kövület: A szilárd vázzal rendelkező, korábban élt élőlényeknek a Föld szilárd kérgében beágyazva megtalálható, megkövesedett maradványai. Lenyomat: Ősi (lágy testű vagy szilárd vázú) élőlények testformájának nyoma a szilárd kéreg kőzeteiben. Zárvány: Ma már nem létező élőlény valamilyen anyagba bezárva, például borostyánba zárt szúnyog, jégbe fagyott ember. Oxigéntől elzárva nem oxidálódik, megmarad. Lerakódások: – üledékes kőzet, például mészkő → valaha élt élőlények meszes váza. Az élőlények főbb csoportjai – hat ország elmélet Az élőlényeket a sejtek felépítése alapján – később - 2 nagy birodalomba (domén) soroljuk: Prokarióták és az Eukarióták A prokariótákhoz első megközelítésben az ősbaktériumok (Archaea) és az baktériumok (Eubacteria). Az eukariótákat az anyagcseréjük, táplálkozásuk, szerveződésük alapján további 4 nagy egységbe – országba – osztjuk. Az élőlények főbb csoportjai Az eukariótákat az anyagcseréjük, táplálkozásuk, szerveződésük alapján további 4 nagy egységbe – országba – osztjuk. egysejtű eukarióták, többsejtű gombák, többsejtű állatok, többsejtű növények.  protiszták Az eukarióta élőlények állatok növények gombák makroalgák Vírusok és szubvirális elemek Vizsgakövetelmények Értse a vírusok biológiai, egészségügyi jelentőségét. Ismerje a vírusok felépítését és a vírusokkal történő megfertőződés módjait. Hozzon példát vírus által okozott emberi megbetegedésekre. Értse és esettanulmány alapján alkalmazza a fertőzés, megbetegedés, járvány fogalmát. Ismerje megelőzésük lehetőségeit. Ismertesse a vírusok kialakulására vonatkozó elméleteket. Magyarázza a fágfertőzés folyamatát. Hasonlítsa össze a priont a vírussal.  A vírusok A vírusok fertőzőképes, kórokozó sejtparaziták, makromolekuláris rendszerek, melyek nem érik el a sejtes szerveződés szintjét, nem tekinthetők élőlényeknek, az élő és az élettelen világ határán állnak. A betegségokozó képességet a patogenitással fejezzük ki. Megkülönböztetünk patogén és apatogén szervezeteket.  A vírusok Dmitrij Ivanovszkij kísérlete nem érik el a sejtes szerveződés szintjét Nanométeres nagyságrendűek: 20 – 700 nm csak elektronmikroszkóppal vizsgálhatók  A vírusok Nanométeres nagyságrendűek, 20 - néhány száz nm, (1nm = 10-9 m) csak elektronmikroszkóppal láthatók néhány 10 000 x-es nagyítás mellett. Centrálisan valamilyen nukleinsavból, amely lehet DNS vagy RNS. A nukleinsav az örökítőanyag, melynek feladata a vírus felépítésére vonatkozó információ tárolása. Perifériásan egy fehérjeburok található, melyet toknak nevezünk. Feladata az örökítőanyag védelme, ill. lehetővé teszi a megtapadást a gazdasejten. A vírusok csoportosítása Helikális (spirális), ahol az örökítőanyaghoz csavarvonal mentén kapcsolódnak a fehérje alegységek, pl. a himlő vírusa, dohánymozaik vírus. Kubikális (köbös), ahol a fehérjeburok szabályos kristályszerkezetű ikozaéder (20 egyenlő oldalú háromszög által határolt idom), pl. a bárányhimlő, a gyermekbénulás vírusa. Kombinált (binális), amelynek van helikális és kubikális része, pl. a bakteriofágok és egyes rákkeltő RNS vírusok. Burkos vírusok, ahol a vírust a gazdasejt sejthártyájából származó lipid kettősmembrán burkolja, pl. a HIV, influenza vírus. A vírusok csoportosítása A vírus által megtámadott sejtet gazdasejtnek nevezzük. A vírusok szokszor gazdaspecifikusak, vagyis egyféle szervezetet támadnak A gazdasejt típusától függően : emberi: influenza, HIV, kanyaró, herpesz, HPV, fertőző májgyulladás, agyvelőgyulladás, rubeola, állati: sertés és baromfi pestis, száj és körömfájás, veszettség, növényi: dohánymozaik vírus, bakteriofágok (T4).  A rendszer alapja az mRNS szintézisének módja és közvetetten a vírusgenom típusa. I: kettős szálú DNS-vírusok (pl. adenovírusok, herpeszvírusok, poxvírusok) II: egyszálú DNS-vírusok ((+)szenzitással, pl. parvovírusok) III: kettős szálú RNS-vírusok (pl. reovírusok) IV: (+) egyszálú RNS-vírusok (pl. picornavírusok, togavírusok) V: (−) egyszálú RNS-vírusok (pl. orthomyxovírusok, rhabdovírusok) VI: egyszálú RNS-reverz transzkripciós vírusok (pl. retrovírusok) VII: kettős szálú DNS-reverz transzkripciós vírusok (pl. hepadnavírusok) A vírusok „élet”módja A vírusok nem tekinthetőek sem élőnek, sem élettelennek, az élő és az élettelen rendszerek határán állnak. A vírusnak két megjelenési formája ismert: virion a sejten kívüli fázis, amely élettelen, kristályos szerkezetű. A sejten belüli vegetatív fázis, amely a működő, szaporodó vírus. A vírusok önmagukban semmilyen életjelenséget nem mutatnak, nincs pl. anyagcseréjük. A vírusok úgy képesek szaporodni, hogy megtámadnak valamilyen sejtet, behatolnak, átszervezik a sejt működését, arra kényszerítik, hogy a saját anyagait felhasználva, a bejutott vírushoz hasonló vírusokat hozzon létre. Ez a jelenség a parazitizmus vagy élősködés. A fertőzés folyamata A virion a közeg áramlásával jut el a gazdasejthez, mivel önálló mozgásra képtelen (cseppfertőzés, vér, stb.). A virion megtapad a gazdasejt felületén. A megtapadás specifikus víruskötő helyeken (receptorokon) történik. A receptorok mindig az adott sejttípusra jellemzőek, így ezért gazdaspecifikusak a vírusok. Bakteriofágok esetén a megtapadás fehérjefonalakkal történik, majd a talpon található lizozim enzim kilyukasztja a sejtfalat. A lyukon keresztül a DNS a sejtbe injektálódik, a burok kívül marad. A fertőzés folyamata A sejten belül a vírusok többféleképpen viselkedhetnek: A vírus DNS (készülhet RNSből is!) beépül a gazdasejt DNS-ébe. Ilyenek pl. az RNS tumor vírusok, herpesz vírusok, a HPV, HIV. A beépülés után a vírus sokáig észrevétlen maradhat, majd még nem tisztázott okok miatt – pl. immunrendszer legyengülése - aktívvá válhat. A bejutás után azonnal megkezdődik az új vírusok képzése. A sejt elpusztul, szétszakad. A vírusok eredete Regresszív (degenerációs) elmélet a vírusok valamikor kis, sejtes paraziták voltak, amelyek nagyobb sejteket fertőztek meg. Idővel a fölösleges, szabadban való életmódhoz szükséges génjeik elvesztek. A sejtes eredet elmélete a vírusok elszabadult sejtalkotórészek, nagyobb szervezetek önállóvá vált DNS-e vagy RNS-e. Eredetileg talán plazmidok (a citoplazmában található különálló, cirkuláris DNS-szakaszok, amelyek képesek egyik sejtből a másikba átmenni) voltak Koevolúciós elmélet a vírusok az élet hajnalán egy időben alakultak ki a sejtes életformákkal és több milliárd éve együtt élnek. Az ilyen szubvirális organizmusokra példák a növénypatogén viroidok. A betegségekkel kapcsolatos fogalmak Virulencia: egy kórokozó megbetegítő képessége (hogy hányan betegedtek meg, milyen súlyosságúak voltak a megbetegedések, illetve a fertőzöttek hány százaléka hal meg a fertőzés következtében). Fertőzés (infekció): ha a kórokozó behatol a szervezetbe és ott megtelepedve elszaporodik. Járvány (epidémia) ugyanazon betegség sokszoros, egyidejű fellépését tapasztaljuk, bizonyos terület lakói között. A betegség lehet akut vagy heveny, ha 6 héten belül véget ér, ill. idült vagy krónikus, ha 6 hétnél tovább tart. A vírusbetegség jellegzetes tünete a magas láz. A vírusok legjobban 35-36 fokon szaporodnak, így a láz nem kedvez a szaporodásnak. A virális betegségek kezelése A tudomány jelenleg olyan vírusellenes gyógyszert nem ismer, amely megfertőződés esetén a vírusokat maradéktalanul megsemmisíti. Egyrészt a virion nem élő szervezet, ezért elpusztítani nem lehet, másfelől a vírus vegetatív formája a gazdasejten belül van, így csak a sejttel együtt lehetne megsemmisíteni, azonban a gyógyszerek nem tudják a fertőzött sejteket megkülönböztetni az egészségesektől. A virális betegségek kezelése A vírusbetegségekkel szembeni védekezés leghatékonyabb módja a megelőzés. Ez immunizálással lehetséges. Az immunizálás lehet mesterséges, különféle védőoltásokkal aktív: a kórokozó egy ártalmatlan, de ugyanakkor jellemző darabját (antigén) juttatjuk be a szervezetbe Passzív: ha más állatból kivont ellenanyagot juttatunk a szervezetbe (az immunrendszer nem játszik szerepet a védettség kialakításában) természetes aktív: mikor természetes úton megfertőződünk, majd az immunrendszerünk leküzdi a betegséget passzív: pl. az anyatejjel csecsemőkorban, ill. méhlepényen keresztül a magzati korban. A vakcinák Az első mesterséges aktív immunizálás Edward Jenner (1749-1823) angol sebész nevéhez fűződik, ő a himlőoltás feltalálója. Ismert volt, hogy a tehénhimlővel megfertőződött és a betegségen átesett tehenészlányok nem betegedtek meg a fekete himlővel. Egy 5 éves kisfiúnak adott be egy tehénhimlős lány kezén lévő hólyagból származó váladékot, azaz tehénhimlő legyengített kórokozójával fertőzte meg a fiút, aki viszont sikeresen átesett a betegségen. És később fekete himlővel megfertőzve, nem lett beteg. Jenner annyira hit a sikerében, hogy 11 hónapos fián is kipróbálta. A tehén latin neve vacca, innen ered a vakcinázás elnevezés. A kifejezést Louis Pasteur használta először Jenner munkássága iránti tiszteletből. AIDS: Acquired Immuno Deficiency Syndrome Szerzett Immunhiányos Tünetegyüttes A betegség vírusa a HIV, amely az immunrendszer sejtjeit támadja meg és pusztítja el, aminek következtében néhány év alatt a szervezet teljesen kiszolgáltatottá válik a különféle fertőző megbetegedéseknek. Retrovírus, azaz RNS az örökítőanyag, amely a sejtekben először reverz transzkriptáz enzimmel DNS-é másolódik. Tok (kapszid). Peplon: kettős foszfolipid membrán, gp41 és gp120 glikoproteidek, melyek segítségével a CCR5 CD4 jelű receptorokat hordozó fehérvérsejtekhez képes kötődni.  A HIV terjedése Védekezés nélküli szexuális úton. Fertőzött vérrel vagy vérkészítménnyel. Anyáról gyermekre (méhen belüli fertőzés, szülés és szoptatás során). Injekciós intravénás kábítószer által. Nem megfelelően sterilizált orvosi eszközök révén.  A HIV nem terjed Kézfogással, Puszival, Rovarcsípéssel, Közös WC használattal, Együtt fürdéssel, stb Influenza Kanyaró Mumpsz Rubeola (rózsahimlő) Bárányhimlő Herpesz HPV ssRNS + dohánymozaikvírus (DMV) az emberek 98-99 %-a hordozza az idegsejtekben lappang az emberek 98-99 %-a hordozza az idegsejtekben lappang száj- és körömfájás vírusa hólyagok a patások száján és patáin ember is fertőződhet Tick-borne encephalitis (TBE) Veszettség mumpsz vírusos fültőmirigygyulladás Influenza magas láz, orrfolyás, köhögés, fejfájás, rossz közérzet, az orr és a légutak nyálkahártyájának duzzanata, végtagfájdalom jellemezi. köhögéskor, tüsszögéskor és beszéd közben cseppfertőzéssel terjednek szövődményei: tüdőgyulladás, szívizomgyulladás, agyvelőgyulladás. A burkos vírusok közé tartozik, ismert A, B és C típusa is. A burokban különféle H és N jelű molekulák találhatók, amelyek alapján a vírusok tovább csoportosíthatók, pl. H1N1. A vírus állatok közvetítésével nagyobb genetikai változáson is átesik időnként, ami az ember immunrendszerét felkészületlenül érheti, ezért világméretű igen súlyos járványok alakulhatnak ki, mint pl. 1918-ban a spanyolnátha (madár influenza). Influenza Human coronavirus HCoV-229E HCoV-NL63 HCoV-OC43- HCoV-HKU1 a humán megfázásos megbetegedések egyharmadáért tehető felelőssé. Koronavírus járványok 2002–2003-ban SARS COV1 Kína Guangdong tartományában járvány alatt 8098 ember betegedett meg és 774 halt meg, ami 9,5%-os mortalitási aránynak felel meg. 2012-ben a Közel-Keleten, Szaúd-Arábiában (Middle East respiratory syndrome- related coronavirus, MERS-CoV) valószínűleg denevérekből – teve köztes gazdán keresztül – kerülhetett emberbe. A járvány során globálisan 2519 megbetegedés és 866 haláleset történt, ami összességében, 34,3%-os halálozási arányt 2019 decemberében, Kína Hubei tartományból 616 533 560 ember betegedett meg, és 6 541 661 hunyt el (MO: 2 094 142 beteg közül 47 503 halt meg) A vírusok összefoglalás A vírusok többsége gazdaspecifikus, azaz kizárólag a rá jellemző gazdaszervezetben képes szaporodni. Kivételek is ismeretek, ilyen pl. a veszettség vírusa. A vírus tehát Nem élő, mert a gazdasejt nélkül nem képes szaporodni, nincs önálló anyagcseréje. Nem élettelen, mivel a gazdasejtbe jutva, annak anyagait felhasználva szaporodni képes, megváltoztatja a gazdasejt működését. Szubvirális rendszerek A Ismertek a vírusoknál is egyszerűbb ún. szubvirális rendszerek, amik csak fehérjéből állnak: prionok csak RNS-ből állnak: viroidok Prionok A prionok felfedezéséért Stanley B. Prusiner Nobel-díjat kapott 1997-ben. A prionok jellegzetessége: nukleinsavat nem, csupán fehérjét tartalmaznak, normálisan is meglevő sejtes fehérje – celluláris prion – módosulása, amely általában idegsejtek felszínén a membránban található és érzékeny lebontó enzimekkel szemben, vízoldékony, feltehetően a memóriafolyamatokban vesz részt. A sejtes fehérje módosult kórokozó változatát nevezik prionnak, amely A prion a normális sejtbe jutva elősegíti – katalizálja - a normális fehérjék prionná átalakulását.  Prionok Kergemarhakór Creutzfeld Jakob Szindróma Kuru Prionok A prion betegségre jellemző: nincs ellenanyag termelés, nincs gyulladásos reakció, a lappangási idő évekig tarthat, jelentős idegsejtpusztulás jellemző. Prion okozta betegségek. Emberekben: Creutzfeldt Jakob betegség (fertőző szivacsos agyvelősorvadás CJD), öröklődő álmatlanság (Fatal familial insomnia FFI). Szarvasmarhákban a kergemarhakór. Kuru, az ajkak remegésével járó idegrendszeri betegség, (kannibalizmussal terjed). Viroidok Kisebbek a vírusoknál ( innen a nevük: szubvirális) Kicsi egy-szálú RNS-ből állnak, nincs fehérjeburkuk. Számos növényi betegséget okoznak, pl. alma héjrepedezettség, komlótörpülés, burgonya bütykösség Baktériumok … és egyéb prokarióták Vizsgakövetelmények Életfolyamataik leírása alapján legyen képes azonosítani a heterotróf, fotoautotróf és kemoautotróf baktériumokat, valamint a baktériumok ökológiai típusait (termelők, lebontók, kórokozók, szimbionták). Hozzon példát baktérium által okozott emberi megbetegedésekre. Ismertesse ezek megelőzését és a védekezés lehetőségét. Magyarázza, hogy a felelőtlen antibiotikum-szedés miért vezet a kórokozók ellenálló formáinak elterjedéséhez. Magyarázza a vírus és baktérium által okozott betegségek eltérő kezelésének az okát. Hozzon példát a Magyarországon kötelező védőoltásokra és értse indokoltságukat. Ismerje Pasteur és Semmelweis tudománytörténeti jelentőségét. Ismertessen fertőtlenítési, sterilizálási eljárásokat. Ismertesse a különböző fertőtlenítési eljárások biológiai alapját. Ismertesse a baktériumok környezeti, evolúciós, ipari, mezőgazdasági és egészségügyi jelentőségét; lássa ezek kapcsolatát változatos anyagcseréjükkel. A Prokarióták Régen alapvető két csoport: Prokarióta – Eukarióta Kettős membránnal határolt sejtmag nincs Ma 3 doménba sorolják, valódi baktériumok, ősbaktériumok, eukarióták A Prokarióták Földünk legrégibb ismert élőlényei. Legkorábbi maradványaik a sztromatolitok, kb. 3,4 milliárd évesek ősi kékbaktériumok sejtjei körüli mészkiválás eredményeképpen jöttek létre. A földi légkör nem tartalmazott oxigént tehát az ekkor élt baktériumok anaerobok voltak. Kb. 2.5 milliárd évvel ezelőtt terjed- tek el a fotoszintetizáló aerob baktériumok, amik oxigénnel töltötték meg a légkört. A prokarióták a legegyszerűbb felépítésű már sejtes szerveződést mutató élőlények Az ősbaktériumok Archaea Az ősbaktériumok az élővilág korai formáit képviselő szervezetek. A talajban, természetes vizekben, szélsőséges körülmények között élnek. Viszonylag magas hőmérsékletű, gyakran 100 °C-nál melegebb helyeken, gejzírekben, óceán fenekén található hőforrásokban is képesek túlélni és szaporodni. Mások rendkívül hideg vagy nagyon sós, savas vagy lúgos vizekben találhatóak meg. Előfordulnak a kérődzők bendőjében, illetve a termeszek emésztőcsa- tornájában, anaerob környezetben végzik feladatukat. Az ősbaktériumok Archaea Az általuk kedvelt élőhely alapján három csoportba szokás osztani őket: termofilek meleg élőhelyeken, például hőforrásokban fordulnak elő. a halofil fajok extrém sós környezetben élnek, a metanogén fajok anaerob környezetben – kérődzők gyomrában, mélytengerekben - fejlődnek és ecetsavból vagy H2-ből, CO2-al metánt termelnek (a CO2 a végső e- felvevő). A szennyvizek tisztításában, a biogáz előállításában (metántermelők) jelentős szerepet játszanak. Az ősi elnevezés arra utal, hogy egyes feltételezés szerint ezek a szervezetek az eubaktériumoknál előbb léteztek. A fehérjeszintézisben való hasonlóság alapján az eukarióták ősi ágának is tekinthetők. Az archeák genetikai anyaguk átírási módja eukarióta sajátságokat mutat. Sejtmembránjuk és sejtfaluk felépítése egyedülálló az élővilágban. A valódi baktériumok Eubacteria Ők a hagyományos értelemben vett baktériumok. A Föld minden élőhelyén megtalálhatóak: vízben, szárazföldön vagy a levegőben, még mélytengeri hőforrásokban, nukleáris hulladékban és a ISS felületén is. Egy gramm talaj kb. 40 millió, egy ml felszíni víz egymillió baktériumsejtet tartalmaz. A Földön pedig összesen mintegy 5 kvintillió (5 × 1030) baktérium élhet. Tízszer (4-6x) annyi baktérium van az emberi testben, mint emberi sejt. A legtöbb baktérium a bőr felszínén és az emésztőrendszerben található. 1 mikrométer átmérőjű kokkuszokat véve, 1 mm3-ben 109 sejt található, amelyek összfelülete 3.1 négyzetméter. Egy felnőtt ember testfelülete 1.9 négyzetméter.  A baktériumok felépítése A sejtek magányosak vagy osztódás után együtt maradva laza kolóniákat, sejttársulást hozhatnak létre.  A baktériumok alakja 3 nagyobb csoportba oszthatók: gömb (Coccus) pálcika (Bacillus) görbült pálca csavar (Spirillum) félhold (Vibrio)  A baktériumok sejtfala Minden baktériumot kívülről sejtfal borít, amely biztosítja a sejt állandó alakját és egyben véd is. A sejtfal mureinből (peptidoglikán) áll. A murein szénhidrátokból és aminosavakból épül fel, felépítése, összetétele egyedülálló az élővilágban (D-aminosavak).  A baktériumok sejtfala Gram+ pl. a tej savanyodását okozó Lactococcus, vagy a tüdőgyulladást okozó Streptococcus. Gram- pl. az Escherichia coli, Rhizobium fajok, amelyek a pillangósvirágúak gyökérgümőiben élnek és a légköri N-t képesek megkötni. Kedvezőtlen körülmények között spórát (endospórát) képeznek: a plazma vizet veszít, összezsugorodik, újabb falat választ az örökítőanyag és egy kis plazma köré. Nem ivartalan szaporítósejt, hanem egy hőnek, sugárzásnak és a roncsoló hatású kémiai anyagoknak ellenálló képződmény. Pl. a lépfene baktérium így a 130 fokot is elviseli.  A nyálkaburok, tok A baktériumok egy részén a sejtfalon kívül még egy nyálkás, kocsonyás tok található. A tok feladata a védelem az immunrendszerrel szemben, védi a sejtet a bekebelezéstől, szerepet játszik a tápanyag megkötésében, segítségével összetapadhatnak a sejtek (sejttársulás), méreganyagokat tartalmazhat, pl. tetanusz baciknál.  Sejt-, plazmamembrán Egy foszfolipid kettősréteg, mely a sejtfal alatt található, lebonyolítja az anyagforgalmat a sejt és környezete között. A sejt igyekszik felületét növelni Mivel a sejtfal miatt ez kifelé nem valósulhat meg, ezért a sejt belseje felé terjeszkedik, különféle betűrődések jönnek létre. A betüremkedések alapvetően 2 feladatot látnak el: a fotoszintetizáló baktériumok esetén itt találhatóak a színanyagok pl. a bakterioklorofill. Lehetnek mezoszómák, amelyekhez DNS kapcsolódik, részt vesz a DNS megkettőződésében, egyenletes szétosztásában  Sejtplazma A sejt alapállománya, a sejtanyagcsere színtere. Itt található a DNS állomány (genom), amely egy vagy több gyűrűs DNS-ből áll. Ezenkívül a sejtplazmában vannak még kisebb DNS gyűrűk, a plazmidok, melyeken többnyire antibiotikum rezisztencia gének találhatók, továbbá riboszómák, a fehérjeszintézis színhelyei.  Ostor A baktériumok egy része ostor segítségével képes mozogni. Az ostor vékony, rendszerint a sejt hosszát akár többszörösen is meghaladó hosszúságú, fehérjékből felépülő sejtfelszíni képződmény. A csillók száma baktériumfajtól függően egy és néhány száz között változhat. A csillók kémiailag és szerkezetileg is eltérnek az eukarióták hasonló funkciójú képződményeitől!  Ostor A színhelyei.  Szaporodás A prokarióták nagyon gyorsan tudnak szaporodni. A sejtek ~20 percenként kettéosztódnak, tehát számuk 20 percenként a kettő hatványainak sorozatában nő. Ha egyetlen baktériumból indulunk ki, és feltételezzük, hogy a belőle keletkező utódok minden 20-dik percben kettéosztódnak, akkor 48 óra alatt a földnek megfelelő tömeg jönne létre (2 144 db sejt). A prokarióták a legegyszerűbb módon főleg hasadással szaporodnak, amikor is a sejt egyszerűen kettéfűződik. A folyamatot ivartalan szaporodás. A baktériumoknál nincs meiózis, mitózis és nincs az ivarsejtek teljes összeolvadásához hasonlító megtermékenyítés.  Szaporodás Ivarosnak tekinthető folyamatok, melynek során a baktériumok bizonyos körülmények között képesek más egyedekből vagy fajokból származó DNS szakaszok felvételére, új tulajdonságokra tehetnek szert. A transzformáció során a baktérium a környezetéből vesz fel DNSt. A transzdukció során a DNS vírus közvetítésével jut az egyik baktériumból a másikba. A konjugació során a DNS két baktérium közötti plazmahídon keresztül jut át. Mindhárom esetben a génátadás egyirányú.  Életmód Az élőlényeket a szénforrás (szerves- vagy szervetlen), illetve az energiaforrás (fény vagy kémiai energia) szerint - azaz az anyagcsere szempontjából lehet csoportosítani.  Autotrófok Autotróf: a testük felépítéséhez szükséges anyagokat az élettelen környezetből veszik fel. A felvett anyagok mindig szervetlen anyagok: CO2, H2O, NH3. energiaforrás típusát tekintve lehet fototróf: ahol az energiaforrás a nap fényenergiája. A folyamat a fotoszintézis, mellékterméke oxigén pl. a kékbaktériumok. Fikocián tartalmuk miatt kékek. H-forrás: a víz. Aerobok. Oxigént termelnek.  OIL: OEA RIG: RESZ Autotrófok Energiaforrás típusát tekintve lehet kemoautotróf: (kemoszintetizálók, kemolitotróf) a szükséges energia valamilyen szervetlen anyag oxidációjából származik. A fényhiány ellenére is életképesek. Nitrifikálók, pl. NH3 NO2-, NO3- pl. Nitrosomonas, pl. H2S →S kénbaktériumok Chlorobium pl. Fe2+ →Fe3+. vasbaktériumok. (Thiobacillus ferrooxidans)  Heterotrófok Heterotróf: testük felépítéséhez szükséges anyagokat az élő környezetből veszik fel szerves anyagok formájában, s ennek egy részének lebontásával nyerik az energiát, más részét átalakítják saját testük anyagaivá. Ide tartoznak heterotróf baktériumok, továbbá az eukarióta gombák és az állatok. Fotoheterotróf: a fényt használják energiaforrásnak, de szükségük van szerves szénforrásra is. (Heliobacter, egyes darázs és borsólevéltetű) Kemoheterotróf: (kemoorganotrófok): Heterotrófok, ha az energia szerves anyagok lebomlásából származik, mint pl. a gombáknál, ill. az állatoknál.  Kemoheterotrófok Szaprofiták: az elpusztult élőlények szerves anyagait bontják le (talajbaktériumok, tejsavbaktériumok). Szimbionták: amikor egy baktérium egy másik élőlénnyel olyan együttélésben él, amely mindkét fél számára előnyös. Pillangósvirágú növények gyökérgümő- iben élő nitrogénkötők, a növényevő állatok beleiben élő cellulózbontók, ember belében élő E. coli baktériumok. Paraziták: Egy másik élőlénnyel olyan együttélésben élnek, ahol a baktérium a gazdát károsítja valamilyen módon.  Bakteriális fertőzések A legerősebb ismert természetes toxin a Clostridium botulinum által termelt botulin neurotoxin (botox, botulizmus). Szalmonella: ételmérgezés, rendszerint fertőzött étel fogyasztása után kialakuló gyomor-bélrendszeri betegség, ami magas lázzal, görcsös hasfájással, hányással, hasmenéssel jár. A baktérium a szájon át kerül be a szervezetbe szennyezett élelmiszerrel. Vérhas: tünetei az előzőhöz hasonlóak, de a betegség lefolyása annál súlyosabb, véres nyálkás széklettel. Kolera: A betegséget rizslészerű, híg vizes székletürítés jellemzi, hányással vagy anélkül. A kolerabaktérium leginkább vizes környezetben él. Az ember akkor fertőződik, amikor a kórokozóval szennyezett vizet fogyaszt.  Bakteriális fertőzések Pestis: a nyirokcsomók gennyesedésével járó igen súlyos betegség. A pestis kórokozója a fertőzött patkány bolhájának csípésével jut a szervezetbe. Lepra: jellemzője a végtagok idegeinek a pusztulása, melyet az izomszövetek elhalása kísér, erőteljes testi és szellemi leépülés, súlyosan torzító bőrgyulladás. TBC (tuberkulózis): elsődlegesen a tüdő szövetének pusztulásával járó betegség. A betegség jellemzően a tüdőben gyulladással kezdődik, de később az egész szervezetre kiterjedhet. A skarlát lázzal, hidegrázással, torokfájással, gyakran hányással, hasi fájdalommal járó kiütéses betegség. A diftéria vagy torokgyík egy fertőző, néha halálos kimenetelű betegség, amelyet a Corynebacterium diphteriae baktérium okoz.  Bakteriális fertőzések A tetanusz egy a talajban élő anaerob baktérium toxinja által okozott merevgörccsel járó bénulás, mely kezeletlen esetben halálos. A Lyme-kór kullancs által terjesztett bakteriális fertőzés, amely először bőrtünetekkel, később, kezeletlen esetekben pedig ízületi és izomfájdalmakkal jár, majd gyakran idegrendszeri elváltozásokat okoz. A gonorrhoea nemi érintkezéssel terjedő bakteriális fertőzés, mely a nemi szervek és a húgyutak gyulladását okozza. Tünetei férfiaknál sokkal feltűnőbbek: fehéres- gennyes váladék, amely a húgycsőnyílásból ürül. A szifilisz szexuális úton terjedő, idült lefolyású, fertőző nemi betegség. Kórokozója a Treponema pallidum nevű, spirochaeta baktérium. Az anya is megfertőzheti gyermekét a terhesség ideje alatt vagy a szülés során, ez esetben veleszületett, vagyis kongenitális szifiliszről van szó. Bakteriális fertőzések elleni védelem  Bakteriális fertőzések elleni védelem A fertőző betegségek kialakulását, terjedését különféle fertőtlenítési, sterilizálási eljárásokkal megelőzhetjük. A baktériumos betegségekkel szemben védőoltásokkal és antibiotikummal védekezhetünk. Az antibiotikumok olyan hatóanyagok, melyek a baktériumokat elpusztítják vagy szaporodásukat gátolják. Hagyományosan korábban antibiotikumoknak csak a különféle gombák által termelt hatóanyagokat nevezték. Ha egy baktérium ellenáll az antibiotikumnak, úgy rezisztensnek tekintjük a hatóanyaggal szemben. Ennek hátterében a plazmidokon gének állnak, amelyek olyan fehérjéket kódolnak, amelyek közömbösítik az antibiotikumok hatását. A plazmidokat a baktériumok ivaros folyamataikban könnyen átadják egymásnak, ezért a rezisztenciagének a baktériumok közötti génátadással terjedhetnek. A nem megfelelő mennyiségben szedett, ill. a kezelés idő előtti befejezése a rezisztens baktériumok elszaporodását segíti elő.  Bakteriális fertőzések elleni védelem Magyarországon érvényben lévő oltási rend 0-4 hetes korban: BCG (Tuberkulózis/Tüdőgumókór elleni oltás) 2 hónapos korban: DPTa-IPV-HiB+PCV13 (diftéria, szamárköhögés, tetanusz) + gyermekbénulás + Haemophilus influenzae b ellen + Pneumococcus 3 hónapos korban: DPTa-IPV-HiB 4 hónapos korban: DPTa-IPV-HiB+PCV13 12 hónapos korban: PCV13 15 hónapos korban: MMR mumpsz, kanyaró, rubeola