2011 Uno Wennergren Professor Teoretisk Biologi Liv och vetenskap 2011 Uno Wennergren Professor Teoretisk Biologi Välkomna! OBS!!!! Ni måste in på its learning för den här kursen nästa vecka!!!!! Inför laborationerna!!!

Föreläsningen: Vad är vetenskap? Vad är vetenskapsområdet biologi? Kunna skilja på vetenskap och pseudovetenskap Vetenskapliga metoder Vad är vetenskapsområdet biologi? Vad karakteriserar liv? Exempel: funktionell genomik till ekologi Grundstenar Genetik Evolution

Vad är vetenskap? Vetenskap – ett sätt, en process, att lösa problem eller att få kunskap Processen, arbetssättet kallas Vetenskaplig metod

Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Skall nu gå igenom metoden. Ett eget exempel. Lite förenklat. Smittsamma djursjukdomar. Djurtransporter sker mellan gårdar. Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Ett testbart påstående formuleras Hypotes Smitt sprdning mellan gårdar. Det går fler transporter mellan gårdar som ligger nära varandra. Jmf transporter gårar på olikaq avbstånd. Jmf vilka gårdar som har smitta Höns hackar mer på de som har udda färg/form/detalj. Spec morfologi – t ex svart vs vit höna Våtmarker (kärr/mossar) kan fånga upp fosfor och kväve. Spec utformning Sälsynta skalbaggar finns i ekhålträd. Kan dö ut om för få träd. Få träd – få skalbaggar , många träd många skalbaggar

Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Ett testbart påstående formuleras Hypotes Experiment/Observationer Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Alla djurtransporter rapporteras in till en stor databas på jordbruksverket. Matematik, datorprogram, nya statistiska metoder. Observara och anteckna hur ofta

Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Ett testbart påstående formuleras Hypotes Experiment/Observationer Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Resultaten analyseras och hypotesen förkastas eller stöds Slutsats Ja men inte helt enkel avståndsberoende. En del typer av gårdar, suggpoler,…

Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Ett testbart påstående formuleras Hypotes Experiment/Observationer Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Resultaten analyseras och hypotesen förkastas eller stöds Slutsats Andra exempel Karin: Vetenskaplig teori Många experiment och observationer stödjer en teori. Ny teori kan bildas enl ovan

Exempel Jordi: obs: embryo i miljö med låg syrehalt -större hjärta, hyp1: låg syre stim cellförökning i hjärta, hyp2:låg syre stim cellen tillväxtstorlek.. Ägg inkub normal resp låg syrehalt. Dissekt då max skillnad uppstår. Markera cellkärnor där sker mitos (celldelning). Markera alla cellkärnor (spec teknik). Svar: ej klart. Karin: anlagt tusentals heltar våtmarker för att minksa käveläckage till österjön. Fungerar bäst då syrefritt, då nedbrytning bildar kvävgas. Hyp våtmarker med lätt nedbrytbar växter skpar mer syrefritt sediment. Övervattensväxter är lättare nedbrytabra än undervattensveg. Test sedminet prover, förnaprover olika ställen i våtmark, in med sedimentprov på lab och testa kvävgar prod på lab, spec utan syre och med viss mängd kväve i vatten. Svar delvis klart. Dvs ja men testar mer exakt. Pelle: Obs: vita höns blir mer hackade än pigmenterade. Hypotes. Gener för pigmentering påverkar även beteende. Alltså Pigm höns har annat beteende än vita. Skapade genvarianter med och utan pigmentering. Test socilat beteende, aggrivisitet, artificiellt. Res. Pigm hanar mer aggressiv än vita. Ingen skillnad honor.

Fig. 1.3 Watson och Crick, 1953 Watson och Crick 1953. Skapades tillsammans med röntgenkristallografi – man fick bilder som gjorde att dubbelhelixen blev en ide/hypotes Teorin i sin tur har gett upphov till mängder av nya hypoteser som testats och endera förkastats eller stötts (hållit än så länge)

Dubbelhelix av Watson och Crick 1953 Skapades tillsammans med röntgenkristallografi – man fick bilder som gjorde att dubbelhelixen blev en ide/hypotes Teorin i sin tur har gett upphov till mängder av nya hypoteser som testats och endera förkastats eller fått stöd (hållit än så länge)

Hur skapas ny vetenskaplig teori Många delresultat (hypoteser som testats och ej förkastats) Tillsammans skapar underlag för en gemensam övergripande hypotes Att väga dessa tillsammans kallas induktion – induktionsbevis Givet att a och b är sant så måste även c vara sant, den logiska slutsatsen av a och b Exempelvis om de hundratals arter fåglar man studerat alla lägger ägg så är slutsatsen att fåglar lägger ägg utan att studera dem alla.

Experiment Skapa en händelse för att testa en hypotes Flera variabler kan påverka händelsen Gör det kontrollerbart genom att renodla till helst enbart en variabel Kontrol grupp vs försöks grupp Oberoende variabel – den man varierar Beroende variabel - den man mäter

Pseudovetenskap Vad är vetenskap och vad är pseudovetenskap???? Är påstående prövade med vetenskapliga metoder? Har man verkligen testat hypotesen? Var försöket tillräckligt renodlat så det verkligen testade hypotesen? risk att man blir lurad/lurar sig själv och tror det är renodlat, eftersom man vill lösa problemet

Paradigmskifte Vetenskapen måste vara beredd att ändra sina teorier.

Ekologi Organisms Organ systems Organs Tissues Cells Molecules Atoms tree human Organ systems Organs leaf stem brain heart Tissues leaf tissues cardiac tissue Cells nerve cell Molecules DNA molecules Atoms

Biologi processer Metabolism Energi / upptag nyttjande Generativa /alstrande Tillväxt av individ eller av individer /skapandet av biologiskt material Responsiva / reagerande Irritabilitet (fysiologi) Individ anpassning Evolution Kontrollerande/styrande Koordination Reglering Evolution ??? Kanske inte Strukturer I celler /organ / individer / naturen

vetenskap och tillämpningar Biologi vetenskap och tillämpningar

Tillämpning av biologisk vetenskap: Nya metoder inom lantbruk och avel medför högre mjölkproduktion Fig. 1.11

Tillämpning av biologisk vetenskap Vaccinationer 1796 Jenner studerade smittkoppor och kokoppor De som fått kokoppor blev inte speciellt sjuka i smittkoppor 200 år senare så anses smittkoppor utrotat (dock ej helt pga terrorister) Kunskaper om immunsystem ger vaccinationsprogram

HSW, p.19

Att inte förstå och tillämpa biologisk kunskap kan få negativa konsekvenser. Ljusblått är hyggen rött är skog. Erosion, artutdöende Fig. 1.12 Olympic peninsula.

Första föreläsningen: del 1 Vad är vetenskap? Kunna skilja på vetenskap och pseudovetenskap Vetenskapliga metoder Vad är vetenskapsområdet biologi? Vad karakteriserar liv? Exempel: funktionell genomik till ekologi

Liv! Liv är en egenskap som alla organismer har. Livet förökar sig, vilket kallas fortplantning. Vid reproduktionen förs arvsanlag vidare. Livet har förmåga att vidareutvecklas. Något som är levande kan reagera på yttre stimuli. Det som är levande söker föda och har en egen ämnesomsättning. Virus räknas i allmänhet inte som en livsform, då virus saknar egen ämnesomsättning.

Livets ursprung hur uppstår liv Ett antal olika hypoteser (kallas ibland teorier men ….) Två olika grundtankar Livet skapas på jorden ur ickelevande materia Spontan generation Livet skapas ur redan existerande liv Biogenes Dessa två hypoteser kan man spåra tillbaka ända till antiken (Aristoteles 384-322 f K) Antiken och fram till modern tid så var det frågan både hur liv kan uppstå och delvis livets ursprung

Många försök att förkasta spontan generation Redi 1668 visade att flugor uppstod ur flugägg och inte ’spontant’. Alltså… Experimentlustan fortsätter under 1700 till långt in på 1900 talet med olika försök att förkasta spontan generation (olika typer av steril miljö)

Fig. 22.2

Kokad buljong testet 1767 Syret????!!! Krävs syre för spontan generation?

Syre kan ta sig in men inte mikroorgaismer Pasteur 1861: Spontan generation är motbevisad

Idag fortfarande samma fråga.. Är livets ursprung på jorden sprungna ur ickelevande materia eller från annat liv?? Idag diskuteras om livet har kommit till jorden från någon annan planet el dyl. Panspermia Idag har vi mer kunskap om de olika byggstenarna i celler/organismer Vi kan alltså utifrån dessa teorier formulera hypoteser kring livets uppkomst (’spontan generation’ ialla fall vid starten) mer korrekt.

Vi vet mer om kemi, DNA, celler och jordens ursprung idag Jordens temperatur Vatten DNA teknik: uppfattning om när arter kan ha bildats Organiska molekyler kan skapas i syrefri miljö Jorden var från början varmare och var mer vulkanisk, hade mer ultraviolett strålning Våra äldsta organismer lever i extrema miljöer samma miljöer som det var på jorden i tidigt skede

Primitiv jord-förutsättningar för bildande av organiska molekyler (syrefritt-reducerande miljö) Oparin och Haldane 1920

Miller 1953 visade att organiska molekyler kunde bildas t ex aminosyror Fig. 22.7

Stromatoliter i Australien (cyanobakterier): ur fossiler på liknade strukturer finner man världens äldsta celler. SEM 1950-60 talet (SEM: SvepElektronMikroskop) Fig. 22.8

Organiska molekyler men långt kvar till liv och celler Koncentrering av molekylerna, hypoteser: Isolering och uttorkning av ’pölar’ Koncentrering genom att vatten fryser Hur skapades celler, cellväggar-membran? Hypoteser Prebionts – ickelevande ’cell’struktur användes av första levande cellerna – t ex tunna vattenfilmer (coacervate) eller småbubblor med vatten i, protoceller, utifrån proteinlika strukturer

Vattenfilm över organiska molekyler: coacervates Fig. 22.9

Från molekyl till cell och selektion hypotes idag: Spontant bilda aminosyror – 1953 Långa Fosfo-lipider – typ av fetter- kan spontant bilda lager som grund för cellmembran Aminosyror som slumpmässigt kopplas samman kan har gett självreproducerande RNA enzym Dags för selektion och evolution

Givet att primitiva celler bildades – hur överlevde de? Föda/energi? Två alternativ Heterotrofer Tar energi ur andra organiska molekyler som socker, aminosyror o dyl Autotrofer Utnyttjar annan energikälla, solen, eller från oorganiska reaktioner

Heterotrof eller autotrof? Hur började det? Länge har åsikten varit att Heterotrof start är mest sannolik men födan (organiska molekyler) måste ta slut alltså måste en evolutionsteori läggas till Nu lutar det åt Autotrof Hittat extremofiler i t ex heta källor o dylikt Energi ur CO2, CO, H2, H2S, N2 och S: bildade troligen svavelsyra, metan och vatten Och kvar finns den tredje hypotesen: från annan ‘planet’.

Vad blev det för liv? Tre olika domäner av liv Prokaryoter – (bakterier) saknar cellkärna Är två olika domäner Eubacteria och Archea (nya gentekniker visar skillnader) Archaea troligen äldst och många är extremofiler Eukaryoter har cellkärnor Fyra riken: Protista, Fungi, Plantae, Animalia.

Bildandet av eukaryot cell Stöd för hypotesen att eukaryot bildades ur sammanslagning av prokaryoter. Endosymbiotisk teori: Prokaryotcell som inneslöt fotosyntetisk bakterie och aerobisk bakterie

Fig. 22.10

Geologisk tid

Evolutionär tidsaxel billion year=miljard år

Mångfald inom en art Population och art. Vad är skillnaden? Vad är en art? Genetisk variation Genetiskt olika populationer Tillämpningar av genetisk variation Etiska problem

En art… En art definieras som Population och art. Vad är skillnaden?

Genotyp Varje enskild individ har en genuppsättning Varje genuppsättning är en specifik genotyp, specifik kombination av gener Obs flera individer kan ha samma genuppsättning, dvs vara av samma genotyp ( t ex enäggs tvillingar)

Genpool En grupp av genotyper har tillsammans en genpool. Man brukar använda hela arten som grupp när man använder begreppet genpool. En mindre population har oftast färre gener än en stor population

Fig. 11.2

Olika populationer Kan ha både: Olika frekvens av de olika generna Många båögongener eller få blåögongener) Olika genetisk diversitet Genetisk diversitet – mängden olika gener Kan också vara mer specifikt För en specifik karaktär är det hög eller låg genetisk diversitet (låg om alla har samma allel – gen) Allel – när man studerar/jämför förekomsten av gener för en specifik karaktär

Fig. 11.3

Genetiskt olika populationer- genförekomst och genfrekvens olika selektionstryck –miljöer- för olika populationerna Founder effect- etableringseffekt- populationen bildas utifrån en liten grupp individer (t ex koloniserat en ö) Genetisk flaskhals-population har reducerats till få individer (kan därefter blivit många igen) Spridningshinder – inget eller litet genetiskt utbyte mellan populationer

Men hur kan det bli genetisk diversitet? Borde inte selektionen, det naturliga urvalet, medföra att det bara blir en genotyp kvar till slut??? Spridning mellan genetiskt olika populationer är liten Sexuell reproduktion (blandar om) mutationer

Sickle cell anemi - gener som medför deformerade röda blodkroppar, dålig syresättning

Polymorfism – hurdå? Selektion mot homozygoter dvs heterozygoten har högst fitness Sickle cell anemi - heterozygoten är resistent mot malaria… Lite överkurs jmf med boken

Fitness och naturligt urval Urvalet medför att en fenotyp lämnar relativt sett fler avkomma i nästa generation än andra fenotyper Fitness för en genotyp beror av hur mycket avkomma och hur väl de överlever Mäts alltid relativt de andra i populationen och i den specifika miljön Ju högre fitness en fenotyp har desto högre selektion för den/de genotyperna som finns representerade av fenotypen Fenotyp beskriver de karaktärerna som selektionen verkar på, t ex halslängd hos giraffer

Fenotyp - genotyp hur väl kopplade hos människan? Översättning till människan är svår – de genetiska kontrollen av vårat beteende står mot miljöns och kulturens kontroll av vårat beteende t ex under uppväxten Vad vi tror påverkar våra attityder kring rasism, jämställdhet, lika värde, homosexualitet osv Kunskaper är bristfälliga

Tvillingstudier, svåra att analysera. En vetenskaplig debatt pågår. Hypotes: Om skillnaden mellan tvillingar är större för tvåäggstvillingar av samma kön jmf med enäggstvillingar så skall denna skillnad i skillnad bero på gener, ty per definition så tvåäggstvillingar är mer genetiskt olika än enäggstvillingar. Är alltså ett sätt att mäta ev effekt av gener t ex på lön, intelligens, sjukdomar etc Ett dolt antagande är att man antar att man (socialt) hanterar tvillingpar på samma sätt oavsett om de är tvåäggs eller enäggs….. Ett annat problem är att man inte vet vilken morfologisk el dyl effekt man mäter, t ex gen för synfel/glasögon som medför uppfattas intelligent som..osv Detta sista resonemang återför till kapitel 1 och korrelation jmf med sökandet efter samband/orsak verkan

Evolution och naturligt urval Koncept och hur kunskapen/teorin utvecklats Naturligt urval som motor i evolutionen Typiska missförstånd Vad påverkar naturligt urval Vilka är bakomliggande processerna Olika former av selektion Genetisk drift kontra naturligt urval ID vs evolution (något kort om detta)

Koncept och hur kunskapen/teorin utvecklats Evolution allmänt – förändring/utveckling (över tid) Biologi Evolution – förändring/utveckling av genetiskt bestämda egenskaper hos population Microevolution – inom population Macroevolution – under så lång tid och länge att nya arter bildas

Innan kunskap om genetik, populations genetik, DNA, meiosis. Hur betrakta världen? Arterna alltid funnits i nuvarande form. Skapelse Idag har vi kunskaperna men under en livstid är det svårt att se spåren av evolution. Kort tidsintervall (dock exempel för kortlivade organismer, t ex bananflugor på lab)

Naturligt urval Darwin och Wallace 1858 Antaganden Alla organismer har överflöd av avkomma Två organismer/arter kan ej vara lika Individer kämpar för sin överlevnad De individer som har ‘bäst’ egenskaper får fler avkomma som överlever Bra egenskaper blir mer och mer vanliga i populationen, ‘dåliga’ blir mindre förekommande

Naturligt urval i kombination med genetik Idag kombinerar vi evolution och naturligt urval med genetik och DNA och kan beskriva hur de ‘bra’ egenskaperna kan överföras från föräldrar till avkomma. Allel frekvenser

Naturligt urval som motor i evolutionen Genotyp vs fenotyp Tre faktorer bestämmer, i en mix, evolution/förändring Omvärldsfaktorer (yttre förutsättningar) Sexuell reproduktion (på vilket sätt, internt urval) Genetisk diversitet (utgångsmaterial)

Typiska missförstånd Survival of the fittest – Nej, det är avkomma som räknas Struggel for life – inget slagsmål, gradvis skillnad Genotyp vs fenotyp – måste vara genetisk bestämda egenskaper, ej inlärda (finns en gråzon – vilka gener som uttrycks) Sker på individ nivå men resultat ses på populations nivå

Genetisk drift kontra naturligt urval Vad händer med gener där ingen selektion sker? Vad händer i mycket små populationer? Slumpen kan slå ut eller gynna gener Mer än själva selektionen

ID vs evolution (något kort om detta) Pseudovetenskap ? Vetenskap? Intelligent design Vad När Hur Varför Vad är problemet?

Seminarier grupper och diskussioner Fördela ut tre papperslappar var för att säkerställa att alla gör inlägg i diskussionen. Det s k papperstricket. De olika roller som ingår i ett diskussionsseminarier, vilket kan jämföras med ett sammanträde. Ni skall alla lära sig att hantera alla roller. Roller: ordförande - den som ser till att alla punkter gås igenom-betyder också att ordförande samlar ihop den diskussions som varit kring en punkt och sammanfattar den vid lämplig tidpunkt, ser till att alla får möjlighet att yttra sig. Kontrollerar med sekreteraren anteckningar klara innan punkten lämnas sekreterare - den som för anteckningar och kontrollerar liksom ordförande att alla punkter gås igenom redovisare - den som presenterar material/resultatet av diskussionen om så skall ske, kan vara samma som sekreterare föredragande - den som samlat in fakta och redogör för bakgrund för en specifik punkt. Kan alltså vara olika för olika punkter.

Seminarie roller - redovisning Byt roller – seminariet innehåller fakta- och diskussionsfrågor. Skifta åtminstone ordförande mellan fakta och diskussion. Redovisa både era svar/diskussion samt vilka som varit med, vilka roller.

Glöm inte!!!!! OBS!!!! Ni måste in på its learning för den här kursen nästa vecka!!!!! Inför laborationerna!!!