Korešpondenčný seminár
z biológie
2012/2013
3. Kolo
Korešpondenčný seminár z biológie organizuje
Prírodovedecká fakulta
Univerzity Komenského v Bratislave
Ústav anorganickej chémie
Slovenskej akadémie vied
Korešpondenčný seminár z biológie podporuje
Milí priatelia biológovia!
Ďakujeme Vám za zapojenie sa do korešpondenčného seminára z biológie. Výsledkové listiny
prvého kola budú uverejnené na webovej stránke http://bio.korsem.sk. Skontrolujte si pridelený
počet bodov a prípade námietok nás kontaktujte.
Chceme Vás poprosiť, aby ste neodpisovali. Podľa Vašich riešení je vidieť, kto opisoval. V
týchto prípadoch sa záverečného sústredenia bude môcť zúčastniť len jede student zo školy, na
ktorej sa opisovalo.
Pripomíname, že kategória juniori je určená pre študentov 1. a 2. ročníka stredných škôl,
resp. zodpovedajúcim ročníkom študentov viacročných gymnázií. V prípade, že úlohy tejto kategórie
budú riešiť starší študenti, ich riešenia nebudú akceptované.
Riešenie úloh píšte výhradne na odpoveďové hárky, ktorých predtlač nájdete na
http://bio.korsem.sk.
Podrobnejšie pravidlá boli uvedené v brožúre 1. kola, ktorú nájdete na http://bio.korsem.sk.
V prípade nejasností ohľadom organizácie korešpodenčného seminára alebo otázok k
riešeniam úloh, neváhajte nás kontakovač na tel. čísle 02/59 410 487 alebo mailom na
[email protected] Podprobnejšie informácie tiež môžte nájsť na stránke
http://bio.korsem.sk.
Vyriešené úlohy posielajte do 15.4.2012 na adresu:
Korešp. seminár z biológie
Prírodovedecká fakulta UK
Mlynská dolina
842 15 Bratislava 4
Veľa úspechov Vám prajú autori a organizátori
J1 – Mikrobiológia
Nikdy nehovor niky, alebo o tvrdohlavosti a robení pokusného
králika sebe samému
"Na moje 42. narodeniny som si všimol akési baktérie rastúce na povrchu vzorky
žalúdočnej sliznice. Odvtedy som svoj voľný čas venoval prevažne štúdiu týchto
baktérií. Počas nasledujúcich dvoch rokov som zozbieral mnoho dôkazov, že sú
nejako spojené s chronickou gastritídou." Píše vo svojom životopise pre stránku
Nobelovej ceny austrálsky patológ Robin Warren. Jeho kolegovia však na to mali
celkom iný názor – každý predsa vie, vraveli, že žalúdočná šťava je príliš kyslá na to,
aby v nej niečo mohlo prežiť. Warren sa ale nevzdával a o čosi neskôr sa k nemu
pridal podobne tvrdohlavý praktikant Barry Marshall. Spoločne začali zhromažďovať
ďalšie dôkazy – zistili, že tieto baktérie boli prítomné vo všetkých vzorkách pacientov
so zápalom žalúdka, či žalúdočným vredom. Tiež sa im podarilo izolovať tento
organizmus v kultúre. A potom, slovami Marshalla obdareného dostatočnou dávkou
vedeckej šialenosti: "I did my famous self experimentation". Jeho slávny experiment
bol veľmi jednoduchý – vypil kultúru tejto neznámej baktérie. Čudujsasvete, vyvinula
sa uňho gastritída a biopsiou sliznice sa zistilo, že vzorka obsahuje baktérie, ktoré
pred časom vypil. Tiež pokračovali so zhromažďovaním dát od pacientov v iných
nemocniaciach. Postupne, začali byť ich výsledky viac uznávané a v roku 2005 boli
ocenené Nobelovou cenou za fyziológiu a medicínu. Baktéria bola nazvaná
Helicobacter pylori.
Warren, Marshall a Helicobacter na sliznici žalúdka
1. Aby sme mohli vyhlásiť nejaký mikroorganizmus za pôvodcu ochorenia, musia byť
najskôr splnené štyri, tzv. Kochove, postuláty. Napíšte, čo hovoria jednotlivé
postuláty a ku každému z nich pridajte vetu u úvodného textu tejto úlohy, ktorá
svedčí o tom, že Warren a Marshall splnili stanovené kritériá.
2. Helicobacter pylori produkuje veľmi účinnú ureázu (enzým štiepiaci močovinu),
ktorá mu pomáha prežiť v nehostinnom prostredí žalúdočnej šťavy. Táto totiž
obsahuje aj malé množstvo močoviny, ktorej rozkladom (ureázou) vzniká amoniak.
Ako to môže pomôcť baktérii prežiť v extrémne kyslom prostredí?
3. Produkcia ureázy helicobacterom sa využíva aj pri diagnostikovaní infekcie u
pacientov. Stručne popíšte, ako funguje jeden neinvazívny (nevyžaduje odber
vzorky) test.
Baktérie sa v laboratóriách kultivujú na médiách, ktoré im zabezpečujú vhodné
podmienky na rast. Médium zvyčajne obsahuje zdroj uhlíka, dusíka, soli, vodu,
koenzýmy... Ak nepoznáme presné chemické zloženie média, označuje sa ako
komplexné. Napríklad jedno z najčastejšie používaných médií pre baktérie, tzv. LB
médium obsahuje tieto zložky:
peptón (enzymaticky poštiepené mäso/mlieko) – zdroj C a N
kvasničný extrakt – zdroj N, koeznýmov, minerálov a iných stopových látok
NaCl
Rozpustením týchto zložiek vo vode vznikne tekuté médium, ktoré je po sterilizácii
varom pripravené na naočkovanie baktérií. Ak potrebujeme pevné médium, pridá sa
ešte agar, ktorý sa pri sterilizácii rozvarí a po naliatí do misiek stuhne a médium získa
želatínovú konzistenciu.
4. Na LB médiu vyrastie väčšina bežných baktérií (nedarí sa tu druhom so
špeciálnymi požiadavkami). Často však potrebujeme izolovať len určitú skupinu
baktérií a rast iných potlačiť. Na to slúžia tzv. selektívne médiá. Tie pripravíme tak, že
do média pridáme látky, ktoré zabraňujú v raste iným baktériám, ale cieľovej skupine
neprekážajú. Predstavte si, že chcete vykultivovať len baktérie žijúce v črevách, tzv.
enterobaktérie. Ktorú z nasledujúcich látok by ste pridali do média aby sa
zvýšila jeho selektivita, pre rast enterobaktérií? Vysvetlite.
a) glukóza
b) octan amónny
c) žlčové soli
d) škrob
e) krv
5. Niektoré z baktérií, žijúcich v črevách sú schopné využívať laktózu. Ak je pridaná
do média, metabolizujú ju a vytvárajú organické kyseliny, ktoré znižujú pH v okolí.
Ktoré z nasledujúcich látok by ste pridali do média, na odlíšenie baktérií
využívajúcich laktózu od tých, ktoré to nedokážu? Vysvetlite.
a) glukóza
b) laktóza
c) indikátor pH
d.) HCl
e) drevené uhlie
J2 - Huby
Celý les som prešiel,
hríba som nenašiel,
iba jednu plávku,
aj to muchotrávku.
Či patríš medzi milovníkov húb alebo nie, určite si už počul o notoricky známej
čiernej kráľovnej húb, ktorá je najjedovatejšou hubou u nás. Jej jed je taký silný, že
stačí skonzumovať 7 mg amanitínov (asi 50 g čerstvej huby = 1 kus), aby sa dospelý
človek smrteľne otrávil. Tento jed je dokonca silnejší ako jed vretenice (smrteľná
dávka jedu je 15 mg), štrkáča brazílskeho (18 mg) či kobry indickej (10-17 mg).
1. Ako sa volá táto huba? (uveď slovenský + latinský názov)
2. Myslíš, že otrava touto hubou sa dá prežiť bez následkov? V prípade, že
nie, ktorý orgán "si to odnesie"?
Najstaršou,
v
literatúre
(Tranquillus)
opísanou
otravou
hubami
bolo
zavraždenie cisára Claudia v r. 54. Jeho manželka Iulia Agrippina chcela svojmu
synovi z prvého manželstva Nerónovi zabezpečiť trón. Claudius chodil na hostiny s
vojenskou strážou, nechával prehľadávať vankúše, bál sa, že v písadle pisárov sa
ukrýva dýka... Smrtiacou zbraňou bol pokrm z húb, ku ktorým boli primiešané
smrteľne jedovaté huby alebo iný jed.
3. Vyber si ľubovoľnú jedovatú hubu, ktorá u nás rastie a predstav si, že by ju
skonzumoval tvoj kamarát. Aké by boli príznaky otravy?
4. Ako by si kamarátovi pomohol?
Z nejedovatých húb spôsobuje
na
Slovensku
najväčší počet
otráv
muchotrávka tigrovaná.
5. Vieš, za ktorú jedlú hubu (jej rodovú príbuznú) si ju hubári zamieňajú?
(uveď slovenský + latinský názov).
Zaujímavé je, že niektoré huby sa tvária ako jedlé, a nie sú. Iné zasa sú jedlé podľa tvojich známych, no zrazu ich zješ ty a ocitneš sa na pohotovosti. Prefíkanou
hubou je aj hnojník, v rámci ktorého sú mnohé druhy jedlé a naozaj chutné, ale za
určitých okolností môžu spôsobiť silné otravy a to vtedy, keď sa skonzumuje s
určitým nápojom.
6. Ktorým?
Hnojník je výnimočný aj javom, ktorý sa nazýva autolýza.
7. Vysvetli, čo tento pojem znamená.
Ak si hubár, tak si už určite zaregistroval, že dužina niektorých hríbovitých húb
na čerstvom vzduchu zmodrie. Môže za to zlatožltý pigment, ktorý reaguje s
molekulami určitého prvku vo vzduchu.
8. Ako sa volá tento pigment? (Napovie ti latinský názov spomínanej skupiny
húb.)
9. Aká chemická reakcia prebieha?
Keď sa ocitneš v lese v noci, je možné, že niektoré pne budú svetielkovať a
nebude to mať nič spoločné so strašením, ale pôjde o bioluminiscenciu.
10. Uveď príklad jedného ľubovoľného druhu huby, ktorá v noci svetielkuje
(uveď slovenský + latinský názov).
11. Ktorý enzým je za svetielkovanie zodpovedný?
Ľudský organizmus účinne využíva bielkoviny v hubách (na 70 až 90 %),
podobne ako v mlieku a v mäse.
12. Bielkoviny niektorých húb, ktoré konzumujeme, sú plnohodnotné. Čo to
znamená?
V Kórei, Číne a Japonsku je hubou číslo jedna horká huba, označovaná ako
"huba pre dlhý život" a "symbol šťastia", existuje dokonca chrám, zasvätený tejto
hube. Podľa nedávnych výskumov má výrazné protirakovinové účinky.
13. Vieš, o aký druh ide? (uveď slovenský + latinský názov).
14. Rastie aj u nás?
15. Je jedlá?
Huby sú súčasťou nášho životného prostredia.
16. Čo myslíš, ak rastú huby na pôdach, kontaminovaných ťažkými kovmi, sú
vhodné na konzum? Odpoveď zdôvodni.
17. Ak na takýchto pôdach rastú liečivé rastliny, sú vhodné na prípravu
bylinkových čajov? Vysvetli.
Na Slovensku máme zoznam húb, ktoré sú zákonom chránené.
18. Uveď jeden ľubovoľný druh huby, chránený v SR a morfologicky ho opíš.
19. Prečo je podľa teba potrebné niektoré huby chrániť?
20. BONUSOVÁ ÚLOHA (je za 1 bod, nemusíte ju riešiť, aj bez nej môžete získať plný
počet bodov 10/10. S bonusovou otázkou môžete získať 11bodov/10) :
Nazbierajte 2 druhy húb,
odfotografujte ich na bielom alebo čiernom papieri spolu s pravítkom, pošlite
fotografie na emailovú adresu: [email protected] a vyplňte: dátum zberu, najbližšie
mesto, lokalita, opis lokality, názov huby (slovenský a latinský, stačí rodový), stručný
morfologický opis húb.
1.
J3 - Poznávačka
2.
4.
3.
5.
7.
8.
6.
9.
10.
Identifikujte 10 druhov organizmov z obrázkov. Napíšte rodový a druhový slovenský aj
latinský názov a zodpovedzte na jednoduchú otázku ku každému obrázku. So všetkými
vyobrazenými druhmi sa môžete stretnúť na Slovensku.
1. Vyobrazený hmyz patrí do radu:
a) Orthoptera
b) Hemiptera
c) Coleoptera
d) Raphidioptera
2. Aká je funkcia veľkého otvoru v prednej časti tela tohto mäkkýša?
a) tráviaca
b) dýchacia
c) rozmnožovacia
d) zmyslová
c) prekociálne
d) postkociálne
c) nervová
d) rozmnožovacia
b) nudifúgne
c) nudikolné
d) nidikolné
b) spevavce
c) krivozobcovité
d) strnádkovité
b) v lese
c) solitérne
d) v kolóniách
b) samica
c) hermafrodit
d) mláďa
b) samica
c) hermafrodit
d) mláďa
c) Coleoptera
d) Raphidioptera
3. Mláďatá tohto druhu sú:
a) altriciálne
b) análtriciálne
4. Ktorá sústava je zelenožlto zvýraznená?
a) oporná
b) tráviaca
5. Mláďatá tohto druhu sú:
a) nidifúgne
6. Patrí medzi:
a) dravce
7. Žije:
a) v horách
8. Na obrázku je:
a) samec
9. Na obrázku je:
a) samec
10. Vyobrazený hmyz patrí do radu:
a) Orthoptera
b) Hemiptera
J4 - Rastlinná fyziológia
Jedného krásneho dňa šiel majiteľ tabakovej plantáže Juan skontrolovať jeho plantáž. Bolo
krásne teplé počasie, ideálne na pestovanie tejto rastlinky a všetko vyzeralo byť v poriadku. Juan sa
prechádzal plantážou a vychutnával si toto ideálne počasie, zatiaľ čo v duchu prerátaval zisky, ktoré
mu plantáž prinesie.... Až kým.... Si nevšimol skrútené listy jednej z rastlín a ich škvrnitý výzor....
Zobral list do ruky... A v okamihu sa zhrozil, kedže listy vyzerali takto:
1. Mozaikový vzhľad listu Juana úplne vystrašilo. Čím je táto choroba
spôsobená?
Ak je pravda, čo si Juan myslel, musel by v okamihu zatvoriť celú plantáž! To by mu hneď
zmenilo výpočty jeho profitu na tento rok a nemohol by si dovoliť dovolenku na Bahamách!
2. Ako sa patogén medzi rastlinami rozširuje?
3. Čo spôsobuje žlté škvrny na listoch?
Juan hneď vedel, čo sa stane, ak je jeho hypotéza pravdivá... Patogén sa šíri veľmi rýchlo a má
devastujúce účinky...
4. Keď sa patogén v rastline rozširuje, ktoré listy preferenčne napáda – mladé
alebo staré? Prečo?
Juanovi to nedalo a hneď začal rozmýšľať, ako by problém vyriešil.... Sadol si na kraj
plantáže a možno to slnko, ktoré v ten deň naozaj pražilo, spôsobilo, že ho napadla geniálna
myšlienka! Čo keby jeho rastliny otestoval na prítomnosť génu N, ktorý spôsobuje rezistenciu
voči tomuto patogénu! V prípade prítomnosti tohto génu, rastliny by sa stali odolnými voči
patogénu a to znamená pre Juana obojsmernú letenku na Bahamy!
Rastliny s genotypom N/N by boli odolné, zatiaľ čo tie s n/n (ktoré nemajú alelu
zodpovednú za rezistenciu voči patogénu) budú stálne náchylné na infekciu.
Juan teda začal hľadať ako sa prítomnosť tohto génu testuje. A našiel celkom
jednoduchú metódu, ktorá pozostáva z detekcie prítomnosti PR proteínov. Produkcia PR
proteínov je indukovaná N génom a je súčasťou defenzívnej reakcie rastliny voči patogénu.
5. K dispozícii máme 2 rastliny: N/N a n/n. V ktorej z nich by sme PR proteíny
detekovali?
V prípade rastliny N/N, táto je odolná voči patogénu. No aj tak môžme na
infikovaných listoch, kadiaľ sa
patogén dostal do rastliny, detekovať
žlté škvrny alebo lézie, ktoré sú
prakticky mŕtve bunky.
6. Čím je to spôsobené?
7. Ako sa volá tento
spôsov odpovede
rastliny, ktorá vedie
k smrti infikovaných
buniek za účelom
zamedzenia
rozšírovania vírusu
v rastline?
Source:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470015902.a
0001322.pub2/full
Juan bol na seba veľmi pyšný, že sa mu podarilo nájsť spôsob, ako odlíšiť tieto typy rastlín.
V prípade N/N rastlín by síce niektoré boli infikované, avšak rozšíreniu vírusu by sa zamedzilo. Juan
začal rátať počet použiteľných listov na výrobu tabaku, keďže to sa uňho rovná zisku.
8. Bolo by možné použiť mladé listy na vrchole rastlín z N/N rastlín alebo n/n
rastlín? (Predpokladáme, že tieto neboli priamo infikované, ale patogén sa
sem dostal transportným mechanizmom vo vnútri rastliny a tiež
predpokladáme, že infikované listy sú nepoužiteľné). Prečo?
Začalo sa zvečerievať a Juan sa pomaly pobral domov... V kútiku duše dúfal, že jeho rastliny
boli voči patogénu rezistentné, ale akosi vedel, že to asi nebude pravda a jeho tohotoročná práca
vyjde nazmar... Ale predsavzal si, že ak je možné pestovať kultivar tabaku odolného voči tomuto
zákernému patogénu, tak si ho zaobstará a budúci rok o tomto čase si bude užívať slnečné počasie na
Bahamách 
S1 - Hemoglobín
Funkciou krvi je okrem iného transport dýchacích plynov. Za toto je zodpovedné
krvné farbivo: Hemoglobín. Táto úloha bude práve o ňom.
1. Aká je kvartérna štruktúra hemoglobínu?
Jednotlivé podjednotky sa skladajú vždy
z bielkovinovej a nebielkovinovej zložky. Zatiaľ čo
nebielkovinovou zložkou je vždy hem, bielkovinových
zložiek poznáme viacej druhov.
2. Aké typy hemoglobínov sa prirodzene vyskytujú
v krvi človeka počas života? Napíš aspoň 3.
Z akých podjednotiek sú zložené? Ku každému
typu napíš, v ktorej fáze života sa vyskytuje.
V ľudskom tele sa nachádza viacero látok ktoré sú
schopné viazať kyslík. Jedným z nich je aj myoglobín.
3. Kde sa v ľudskom tele nachádza myoglobín?
4. Na obrázku sú tri saturačné krivky. Priraď, ktorá patrí myoglobínu, fetálnemu
hemoglobínu a hemoglobínu A.
5. Prečo by myoglobín nemohol slúžiť na prenos kyslíku z pľúc do tkanív?
Keď nie je vhodný na prenos kyslíku, aký má význam?
6. Na základe saturačných kriviek vysvetli, ako funguje prenos kyslíka od matky
k plodu.
Po pôrode sa postupne fetálny hemoglobín nahrádza hemoglobínom A.
7. Prečo by dojčatá nemali piť vodu ktorá obsahuje veľa dusitanov
a dusičnanov? Aké riziko to pre ne predstavuje?
V niektorých situáciách je oxidácia Fe2+ na Fe3+ však veľmi dôležitá. Využíva sa to pri
niektorých otravách.
8. Pri otrave akou látkou sa používa NaNO2 na oxidáciu hemoglobínu?
S2 - Rastliny a svetlo III.
Už v predchádzajúcom kole sme sa presvedčili o tom,
že svetlo je pre rastliny veľmi dôležité. (Spomeňte si
napríklad na fotoperiodizmus). Rastliny využívajú
svetlo aj v procese fotosyntézy, premieňajú energiu
fotónov na chemickú energiu, ktorú si my,
heterotrofné organizmy, nedokážeme vytvárať. Preto
majú rastliny nenahraditeľné postavenie v celej
biosfére.
1. Napíšte rovnicu fotosyntézy. Vysvetlite, prečo sa jedna látka nachádza na obidvoch
stranách rovnice.
2. Rozkladom ktorej zlúčeniny vzniká kyslík? Po ktorom známom biológovi má pomenovanie
táto reakcia? Napíšte aj príslušnú reakciu.
Takýto typ fotosyntézy, pri ktorom vzniká kyslík sa nazýva oxygénna fotosyntéza. Okrem
toho poznáme aj anoxygénny typ, pri ktorom kyslík nevzniká.
3. Pre aké organizmy je typický anoxygénny typ fotosyntézy? Vymenujte aspoň 2 skupiny
organizmov a ku každému napíšte konkrétneho zástupcu. Čo u nich môže slúžiť ako
reduktant?
Ale späť k oxygénnej fotosyntéze, ktorá je bežnejšia a pre nás dôležitejšia. Priebeh
fotosyntézy sa rozdeľuje na primárne a sekundárne procesy, podľa toho či priamo vyžadujú
svetlo alebo nie.
4. Ako ináč sa nazývajú tieto dva procesy? Vyberte, čo sa týka prvej a čo druhej fázy.
(fotochemická premena energie, fixácia CO2, syntéza ATP, Rieskeho centrum, Calvinov
cyklus, absorpcia fotónov, procesy prebiehajúce na tylakoidoch, substrátová fosforylácia,
procesy v stróme chloroplastu, Q-cyklus, ATP-syntáza, oxidácia redukčného činidla, redukcia
redukčného činidla, P680, Rubisco, cytochrómový komplex, reakčné centrum)
5. V predchádzajúcej otázke ste mali na výber "redukčné činidlo". Ako sa volá toto činidlo?
Aký proteín prenáša elektrón na toto činidlo (a tým ho redukuje) a akým enzýmom je táto
reakcia sprostredkovaná? Napíšte reakciu redukcie tohto činidla.
6. Syntéza ATP, podobne ako v
mitochondriách, je sprostredkovaná
enzýmom ATP- syntázou. Tento enzým
využíva gradient iónov H+(protónový
gradient) medzi strómou a lumenom
tylakoidov na pohon fosforylácie ADP. V
ktorom oddiely je väčšia koncentrácia
protónov? Ako sa volá tento model, ktorý
hovorí o syntéze ATP (a za ktorý bola jeho
autorovi udelená Nobelová cena)? Ako sa
volá autor tohto modelu?
7. Všeobecne sa živočíchy považujú za heterotrofné organizmy, ktoré nie sú schopné
fotosyntézy. Avšak existujú výnimky. Niektoré obsahujú symbiotické riasy či plastidy. Poznáte
mnohobunkového živočícha, ktorý má vo svojom tele chloroplasty? Napíšte jeho názov.
(Všimnite si obrázok na začiatku úlohy )
S3 - Z terénneho denníku 3: Späť do laboratória
Deň 99: Už je tomu vyše mesiaca, čo som sa vrátil späť na zatiaľ neexistujúci Entomologický
ústav SAV. V teréne sme spolu s Prof. Ježkom zmerali zloženie termitov, ktoré sú unášané
mravcami a porovnali ho so zložením „pomravčených“ termitov, teda termitov, ktorý bojovali
na strane mravcov. 78% jedincov unášaných mravcami boli nymfy 1. a 2. instaru, čiže príliš
malé nymfy, ktoré ešte nepracujú. Naopak medzi „pomravčenými“ termitmi to boli skoro
samí vojaci – 92%. To nie je normálne! Ako sa mohli skoro zo všetkých nýmf vyvinúť
vojaci? V kolónii termitov druhu Termitermes jezko sme totiž napočítali v priemere len 15%
vojakov. Je potrebné v laboratóriu otestovať hypotézu, že mravce pôsobia na vývin termitov
pomocou vlastného juvenilného hormónu (JH). Je to úžasný objav! Otrokárske mravce, ktoré
si zotročujú termity. Jak vyšité na publikáciu do časopisu „Na túre“.
1. S otrokárskymi mravcami sa nestretnete len
v trópoch, ale i v slovenských dolinách. Jeden
druh je dokonca obligátnym otrokárom, čiže
bez otrokov nedokáže prežiť. Robotníci tohto
otrokárskeho druhu sú vysoko špecializovaní
na podnikanie výprav do hniezd iných druhov
mravcov, z ktorých si odnášajú budúcich
otrokov. Ich hryzadlá (mandibuly) sú výborne
zbrane pre výpravy, ale neschopné
manipulácie s potravou a starostlivosti o larvy.
Všetku túto prácu zastávajú potom zotročené
mravce. Ako sa odborne volá tento druh Obr. 1: Mravce Amazonky si odnášajú kukly.
mravca, známy aj pod názvom Amazonka?
2. Bezmenný hymenopterológ sa spolu s Prof. Ježkom napočítali nespočetného množstva
termitov a mravcov, a pritom si ich nesmeli pomýliť. Nie vždy je úplne jednoduché rozpoznať
termita od mravca. Napríklad, čo také okrídlené kráľovné? Na obrázku 2 určte, kto je termitia
kráľovná a kto je mravčia kráľovná. Napíšte aspoň dva z troch spoľahlivých morfologických
rozdielov, podľa ktorých ste to určili.
B
A
Obr. 2 Najdite tri rozdiely
Odo dňa 100: Neznámy hymenopterológ sledoval hladinu JH produkovaného dospelými
mravcami a jeho úlohu vo vývine zotročených termitov. Prof. Ježko mu prezradil, ako je to
u termitov. Prezradil mu, že hladina JH počas troch kritických fáz určuje kastovné zaradenie
termitov. Pokiaľ sú termitie nymfy počas všetkých troch kritických období vystavené nízkej
hladine JH, vyvinú sa z nich okrídlené dospelé jedince (alátni adulti). Ak sa hladina JH
v druhom a treťom kritickom období zvyšuje, termity sa vyvinú v neotenikov – nedospelých
termitov schopných rozmnožovania. Ak sú naopak behom celého obdobia nymfy vystavené
vysokej hladine JH, stávajú sa z nich vojaci. No a ak sa počiatočne vysoká hladina JH znižuje
v nasledujúcich kritických obdobiach, stanú sa z nich termití robotníci (tzv. pseudergáti).
Neotenici, vojaci aj pseudergáti sú všetko nedospelé (nymfálne) štádia.
3. Podľa predchádzajúceho popisu ľahko priradíte štyri krivky (Obr. 3) znázorňujúce hladinu
JH počas kritických období vývinu ku jednotlivým termitím osudom.
A
Hladina JH
B
C
D
1
2
3
Senzitívne periódy
Obr. 3: Hladina JH počas senzitívnych období 4 termitích kastovných osudov.
A tak neznámy hymenopterológ sledoval vývin termitích nýmf v štyroch prevedeniach:
A: termitie nymfy sa vyvíjali v prítomnosti mravcov.
B: termitie nymfy sa vyvíjali v prítomnosti starších termitích robotníkov a vojakov.
C: termitie nymfy sa vyvíjali osamotene, bez prítomnosti starších termitov a bez prítomnosti
mravcov, ale komôrka, v ktorej sa vyvíjali bola priebežne ošetrovaná juvenoidom.
D: mravčia kolónia bez termitov (meraná len hladina JH)
Meral hladinu JH (prípadne juvenoidu) a po mesiaci spočítal koľko percent nýmf sa vyvinulo
v kastu vojakov. Ani tomu veriť nemohol, tak parádne výsledky. Zdá sa, že zvýšený podiel
termitích vojakov má naozaj na svedomí JH extra produkovaný mravcami v prítomnosti
termitov.
Tab 1: Výsledky z pokusu
Prevedenie pokusu
Priemerná hladina JH/juvenoidu
% termitích vojakov po mesiaci
A
B
C
D
Vysoká
Nízka
Vysoká
Nízka
91%
12%
?
----
4. Aby hymenopterológ ušetril grantové financie, namiesto JH použil istý juvenoidný
prípravok. Prečo mohol JH nahradiť juvenoidom? Čo sú juvenoidy? Ktorý konkrétny
juvenoid mohol bezmenný hymenopterológ použiť v pokuse?
5. Ak by hymenopterológ predsa len použil JH, ktorý typ juvenilného hormónu, prítomného
ako u blanokrídlovcov, tak i u termitov by použil? Nakreslite jeho štruktúrny vzorec.
6. Aké percento vojakov mohol napočítať v pokuse D, keď má z výsledkov takú radosť?
a) 22%
b) 88%
c) 16%
d) 56%
V minulom kole sme si povedali, že mravce aj termity sú tzv. eusociálne organizmy –
organizmy žijúce v kolóniách, v ktorých dochádza ku deľbe práce. Obvykle, len jedna samica
(tzv. kráľovná, alebo matka) sa rozmnožuje v kolónii. Väčšina potomstva, ktoré táto kráľovná
vyprodukuje, je sterilná – tzv. robotnice. Namiesto toho zastávajú všetku prácu potrebnú pre
chod a rozvoj kolónie a pre úspešnú reprodukciu kráľovnej. Navyše ste mali v minulom kole
zistiť, že u eusociálnych Hymenoptera funkciu robotníc zastávajú len sterilné samice (áno,
Ferdo mravec bol v skutočnosti ona a nie on!). Prečo je to tak? Prečo u mravcov a ostatných
eusociálnych Hymenoptera zastávajú prácu výlučne samice? A prečo sa tieto samice vzdali
svojho rozmnožovania a radšej sa starajú o úspešné rozmnožovanie svojej matky, najmä o
vysokú produkciu sestier? Však veľa nocí kvôli mravčím a včelím robotniciam pán Darwin
len predumal. Altruizmus, ktorý podstupujú robotnice, podkopával celú teóriu o evolučnom
boji, v ktorom úspešní sú tí, ktorí sa rozmnožujú. Odpoveď však bez znalosti genetiky nájsť
Darwin nemohol. Celú tú záhadu rozlúskol až ďalší Angličan, William D. Hamilton v 60tych
rokoch 20. storočia. Za istých okolností, môže byť výpomoc s rozmnožovaním génov našich
blízkych príbuzných naozaj výnosnejšia, než rozmnožovanie vlastných génov. Napr.
u mnohých vtákov sú známy tzv. pomocníci. Potomkovia, ktorí neopustia rodičov, ale
zostávajú s nimi a pomáhajú im vychovávať svojich mladších súrodencov. Sami by si totiž
ešte v tej mladej dospelosti neboli schopný ubrániť hniezdne teritórium, alebo nájsť dostatok
potravy pre vlastné potomstvo. Však so svojimi mladšími súrodencami (za predpokladu, že
rodičia sú si verní) zdieľajú 50% genetickej informácie, rovnako ako s vlastným potomstvom.
Toto platí pre organizmy, kde obe pohlavia sú diploidné. Ale eusociálne blanokrídlovce sú
haplo-diploidné. Kým samice majú dve kópie genetickej informácie (sú diploidné), samci
majú len jednu kópiu (sú haploidní). No a práve pán Hamilton si všimol, že za týchto
okolností je to s príbuznosťou úplne ináč a záleží aj, z akej strany sa na ňu pozeráme. Tak
napríklad kráľovná predá polovicu svojej genetickej informácie synovi. Kráľovná zdieľa so
svojím synom 50% genetickej informácie. Naopak kráľ geneticky vôbec neprispieva svojmu
synovi, pretože syn je haploidný a ten svoju jednu kópiu obdŕžal od kráľovnej. A tak
príbuznosť medzi kráľom a synom je nulová. Kráľ naopak prispieva jednou kópiou genetickej
informácie svojej dcére. A keďže je kráľ haploidný, tak všetky jeho spermie nesú rovnaký
genetický náklad. Kráľ zdieľa so svojou dcérou 100% génov. Ale z pohľadu dcéry je
príbuznosť ku otcovi úplne iná, pretože dcéra má ešte druhú kópiu genetickej informácie od
kráľovnej. A čo tak sa pozrieť na vzťah medzi súrodencami. Vďaka haplo-diploidnému
systému je brat so svojou sestrou (robotnicou) príbuzný z 50%, rovnako ako u diplodiploidnej dedičnosti. Ale ináč je to z pohľadu sestry (robotnice) ku svojmu bratovi. Tá
s bratom totiž zdieľa len 25% génov. Najzaujímavejšia je ale príbuznosť medzi dvoma
sestrami. .
Obr 4. Príbuzenské vzťahy v prípade haplo-diploidnéhu systému eusociálnych blanokrídlovcov.
7. Spočítajte chýbajúce príbuznosti z Obr. 4.
a) príbuznosť syna ku matke
b) príbuznosť dcéry ku otcovi
c) príbuznosť medzi dvoma bratmi
d) príbuznosť medzi dvoma sestrami
8. Ak ste správne spočítali príbuznosti, už rozumiete, prečo robotnice sú takí altruisti.
V skutočnosti totiž robia to najlepšie pre svoj úspech v evolučnom boji. Vysvetlite teda, prečo
robotnice radšej pomáhajú svojej matke s produkciou sestier, namiesto toho aby sa sami
rozmnožovali.
S4 - Chronobiológia – molekulárny základ biorytmov
V predchádzajúcich častiach chronobiologického seriálu sme sa pozreli na to, ako biorytmy fungujú
a povedali sme si niečo o biorytmoch rastlín a živočíchov. V poslednej časti sa budeme trochu
venovať všeobecným molekulárnym základom fungovania (keďže konkrétne "súčiastky" sa líšia)
hodinového stroja organizmov, čiže cirkadiánneho oscilátora. Už asi takmer 60 rokov dozadu si
vedci začali klásť otázky o fungovaní cirkadiánneho oscilátora. To však bola doba, keď väčšina
molekulárnych techník bola v plienkach, resp. vôbec neexistovala. Jediný použiteľný prístup bol
testovať, ako najrôznejšie látky ovplyvnia chod biorytmov – v tom prípade si však vedci nemohli byť
istí, či látka vplýva priamo na oscilátor, alebo na jeho vstupy a výstupy a nemali ani možnosť ako to
overiť. To sa však zmenilo po boome molekulaárnej biológie. Molekulárni biológovia si čoskoro
obľúbili niektoré modelové organizmy, ako baktéria Escherichia coli, muška Drosophilla
melanogaster, kvasinka Saccharomyces cerevisiae, zelená rastlina Arabidopsis thaliana, či vreckatá
huba Neurospora crassa.
1. Aké vlastnosti (napíšte aspoň 3) by mal mať ideálny modelový organizmus?
A práve pomerne bežná chlebová "pleseň" Neurospora bude hlavnou hviezdou nášho príbehu
(okrem toho bola tiež hviezdou iných príbehov – niektoré z nich boli dokonca ocenené Nobelovou
cenou). Táto huba má pre štúdium biorytmov jednu obrovskú výhodu – má ľahko pozorovateľný a
merateľný biorytmus v produkcii spór, čo sa pri pestovaní na miske prejaví ako rovnako vzdialene
sústredné kružnice (viď obrázok).
obr.1: Petriho miska s Neurosporou a detail na mycélium s konídiami
Identifikácia súčiastok a fungovania cirkadiánneho oscilátora Neurospory už bola pomerne
jednoduchá. Kľúčovým krokom bolo pripraviť a identifikovať mutanty s poškodenými biorytmami.
Ešte predtým pár slov o životnom cykle tejto huby. Rozmnožuje sa pohlavnými aj nepohlavnými
spórami. Nepohlavné, tzv. konídiospóry (ktorých produkcia je regulovaná biorytmom) vznikajú z
haploidného mycélia a po vyklíčení z nich opäť vzniká haploidné mycélium. Ak majú dve mycéliá
opačné párovacie typy ("pohlavie"), môže dôjsť k hýfogamii, pričom po splynutí jadier vznikajú
diploidné bunky, ktoré sa meioticky delia a produkujú pohlavné askospóry. Askospóry vznikajúce vo
vreckách majú pre experimentovanie výhodu v tom, že sa dajú oddeliť a jednotlivo vysiať. Každá z
nich potom dá vzniknúť haploidnému mycéliu.
Ak chceme získať mutantné Neurospory, postup je takýto: indukujeme mutácie ožiarením konídií
UV svetlom. Potom necháme konídie vyklíčiť a krížime s opačným párovacím typom. Keď vzniknú
asky, jednotlivé spóry pooddeľujeme a samostatne vysejeme. Tak sme získali súbor jedincov
(zvyčajne niekoľko tisíc), o ktorých predpokladáme, že niektoré z nich nesú mutácie v génoch
dôležitých pre fungovanie cirkadiánnych rytmov (keďže mutácie vznikajú na náhodných miestach).
obr. 2: postup získania mutantov u Neurospory
Z množstva získaných mutantov teraz potrebujeme vybrať tie, ktoré majú poškodené biorytmy a
môžu nám nejakým spôsobom pomôcť identifikovať súčiastky biologických hodín.
2.Nasledujúca schéma ukazuje 5 misiek s mutantami, ktorých ste získali. Označte, ktoré z nich
budú pre vás zaujímavé (Hnedá predstavujú vytvorené konídie – porov. obr.1).
3. Vysvetlite, prečo by ste si vybrali práve tieto mutanty
Neskôr boli jednotlivé gény zapojené v cirkadiánnom oscilátore naozaj identifikované práve s
pomocou takto pripravených mutanov. Zistilo sa, že väčšina z nich sú gény, ktoré kódujú regulačné
proteíny, ktoré sú schopné regulovať aktivitu iných génov, resp. aktivitu iných proteínov. Hlavné
gény, ktoré vytvárajú oscilátor sa tiež regulujú navzájom, čím vzniká tzv. spätná väzba. Na
nasledujúcom obrázku je všeobecná schéma najjednoduchšieho oscilátora. Reálne oscilátory sú
síce omnoho zložitejšie, ale zdieľajú túto základný schému.
obr. 3: Schéma práce jednoduchého cirkadiánneho oscilátora
Oscilátor prijíma vstupy z prostredia a produkuje výstupy – biorytmy. Vlastný oscilátor je tvorený
proteínmi A a B (produkty génov a a b). Ak sa zvýši množstvo proteínu A, je stimulovaná tvorba
proteínu B. Proteín B naopak tlmí tvorbu proteínu A, čím vzniká spätnoväzobná slučka. Okrem
negatívnej regulácie (negatívnej nie preto, že by bola zlá, ale že reguluje tvorbu proteínu negatívne,
teda ju znižuje) tvorby proteínu A, reguluje proteín B aj aktivitu iných génov. V najjednoduchšom
prípade (ako na obrázku), tlmí aktivitu génov s maximom v noci a zvyšuje aktivitu génov s
maximom vo dne (je možné aj opačné riešenie – v praxi sú výstupy oscilátora tiež omnoho
komplikovanejšie).
4. Predstavte si, že cirkadiánny oscilátor neurospóry by vyzeral presne tak, ako základný model
na obr. 3 a vy ste identifikovali mutanta, ktorý má nefunkčný gén a, a preto vôbec neprodukuje
(za žiadnych okolností) proteín A. Fenotypový prejav takejto mutácie by bol pravdepodobne
rovnaký, ako u jedného z mutantov v úlohe 2. Fenotyp, ktorého mutanta z úlohy 2 a prečo by
podľa vás bol rovnaký ako fenotyp tohto hypotetického mutanta?
Spätná väzba sa v prírode objavuje veľmi často a na všetkých úrovniach – skoro by sa dalo povedať,
že život sú nespočetné variácie na spätnú väzbu ;). A predsa negatívna spätná väzba sama o sebe
nevytvára biorytmy, ale slúži na stabilizáciu systému. Napr. v biochemických dráhach – ak sa
nahromadí produkt, sám môže slúžiť ako ihibítor prvého enzýmu dráhy (negatívna spätná väzba),
čím zamedzí svojej ďalšej zbytočnej produkcii. Ak však má spätná väzba generovať biorytmus, musí
to byť negatívna spätná väzba s oneskorením – len tak môže vzniknúť dostatočná amplitúda a
perióda. Ako je v cirkadiánnych oscilátoroch zabezpečené toto oneskorenie zatiaľ nie je celkom
jasné.
Pre predstavu o tom, ako oneskorenie ovplyvní spätnú väzbu si urobíme myšlienkový experiment.
Najjednoduchším mechanizmom spätnej väzby je termostat – ak sa dosiahne kritická
prednastavená teplota, zariadenie vypne kúrenie a tak udržuje stabilnú teplotu. Ak však zavedieme
do tejto regulácie oneskorenie (teda vypnutie kúrenia nastane až po dlhšom čase), dostaneme
namiesto relatívne stabilnej teploty pomerne výrazné oscilácie.
5. Vašou úlohou bude nakresliť graf (najlepšie v exceli, vytlačiť a pripojiť k odpovediam, môže
však byť aj na milimetrovom papieri) nasledujúcej hypotetickej situácie: Termostat je nastavený
na teplotu 26°C. Ak je zapnuté kúrenie, teplota sa každú minútu o 2°C zvýši, ak je kúrenie
vypnuté, teplota každú minútu o 2°C klesne (fyzici prižmúria oči a tiež zanedbajú, že výhrevné
teleso ešte istý čas po vypnutí kúrenia hreje). Graf bude obsahovať dve krivky:
a) v prípade, že termostat okamžite zaregistruje želanú teplotu, resp. jej pokles
b) v prípade, že termostat zaregistruje vzrast/pokles teploty po 10 minútach (čiže kúrenie sa
vypne až 10 minút po tom, čo bola teplota 26°C a opäť sa zapne až 10 minút po tom, čo teplota
pod túto hodnotu klesla)
počiatočná teplota pre oba prípady bude 20°C
Pri pohľade na tento graf môžete sami zhodnotiť, ako pomerne malé oneskorenie môže mať za
následok výrazný rytmus...
A to je koniec chronobiologického seriálu, ktorý sa snažil priblížiť neznámu, ale o to krajšiu časť
modernej biológie (zvlášť preto, že čokoľvek o biorytmoch sa objaví v médiách, nemá s ňou
zvyčajne nič spoločné...). Snáď boli úlohy zaujímavé, poučné a nie nepochopiteľné, či príliš
"komplikované" a "náročné" (viď. obr. 4)
obr. 4.: "Je to príliš komplikované – Nedotýkať sa!"... on je však vedec, a preto to skúsi!
Ničoho by sme sa nemali báť, dôležité je, snažiť sa to pochopiť.
Je čas začať viac chápať a menej sa báť.
Marie Curie Sklodowska
P. S.: Autor úlohy sa poteší, ak na záver odpovedníka pripojíte svoje názory a pripomienky k
chrobobiologickému seriálu... (akýkoľvek názor dostane +0,5 bonusového bodu ;)
Korešpondenčný seminár z biológie 2012/2013
Úlohy tretieho kola, 8. ročník
Vydal: Prírodovedecká fakulta UK, Mlynská dolina, 842 15 Bratislava 4
Autori: Jaroslav Ferenc, Silvia Hnátová, Zuzana Kochanová, Filip Nemčko, Štefan
Moravčík, Zuzana Varadínová
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na
základe zmluvy č. LPP-0277-09.
http://bio.korsem.sk
Vyšlo 18. februára 2013
Download

3. Kolo - Korešpondenčný seminár z biológie