Dragana Cvetkovi} Dmitar Laku{i} Gordana Mati} Aleksandra Kora} Slobodan Jovanovi}
ик е
BIOLOGIJA
За
во
д
за
уџ
бе н
IV RAZRED GIMNAZIJE OP[TEG SMERA
Zavod za uxbenike, Beograd
IV Recenzenti Prof. dr doc. dr
, Biolo{ki fakultet, Beograd , prof. biologije, Biolo{ki fakultet, Beograd , prof. biologije, ^etrnaesta beogradska gimnazija, Beograd
Urednik
Odgovorni urednik
ик е
Glavni urednik
Za izdava~a
бе н
, direktor
CIP - Katalogizacija u publikaciji Narodna biblioteka Srbije, Beograd
уџ
37.016:57(075.3)
за
: [za] IV razred gimnazije op{teg smera / Dragana Cvetkovi} ... [i dr.]. - 5. izd. - Beograd : Zavod za uxbenike, 2019 (Beograd : Slu`beni glasnik). - 212 str. : ilustr.; 27 cm
во
д
Hrpt. stv. nasl.: Biologija 4. - Re~nik stru~nih termina: str. 209-211. - Bibliografija: str. 212.
За
ISBN 978-86-17-20027-3 1. Hrbt. stv. nasl. 2. Cvetkovi}, Dragana, 1961 - [autor] COBISS.SR-ID 276184844
Ministar prosvete i sporta Republike Srbije svojim re{ewem broj 650-02-0054/2005-06 od 30. maja 2005. godine odobrio je ovaj uxbenik za izdavawe i upotrebu u IV razredu gimnazije op{teg smera.
ISBN 978-86-17-20027-3 ® ZAVOD ZA UXBENIKE, Beograd, 2005–2019 Ovo delo se ne sme umno`avati, fotokopirati i na bilo koji na~in reprodukovati, u celini niti u delovima, bez pismenog odobrewa izdava~a.
2
SADR@AJ BIOLOGIJA RAZVI]A @IVOTIWA .........................................9
ик е
(A. Kora}) Uvod ..........................................................................................................................................10 Na~ini razmno`avawa `ivotiwa ....................................................................................11 STVARAWE POLNIH ]ELIJA – GAMETOGENEZA .......................................13 Oogeneza – op{ta {ema nastanka jajne }elije ..................................................................13 Spermatogeneza – op{ta {ema nastanka spermatozoida .............................................16 OPLO\EWE ...........................................................................................................................18 Stupwevi oplo|ewa ..............................................................................................................18
RANI STUPWEVI EMBRIOGENEZE I ORGANOGENEZA ........................21
уџ
бе н
Brazdawe – stvarawe vi{e}elijskog embriona ...........................................................21 Gastrulacija – stvarawe slojevitog embriona..............................................................22 Nastanak osovinskih organa – crevne cevi, notohorde, nervne cevi .................23 Diferencijacija }elija ....................................................................................................24 Sudbinske mape......................................................................................................................25 Potentnost jajnih }elija i determinacija razvi}a ..................................................26
EKSTRAEMBRIONALNE STRUKTURE ..................................................................27
за
Placenta ..................................................................................................................................28 Vrste placenti ......................................................................................................................29
POSLEEMBRIONALNO RAZVI]E.........................................................................30
во
д
Rast i preobra`aj (metamorfoza) ....................................................................................30 Regeneracija ..........................................................................................................................31
За
STAREWE .................................................................................................................................32 INDIVIDUALNO RAZVI]E ^OVEKA .................................................................34
NASLE\IVAWE BIOLO[KIH OSOBINA......................39 (D. Cvetkovi})
[TA JE GENETIKA ............................................................................................................40 Kako se prou~ava genetika .................................................................................................40 Zna~aj geneti~kih istra`ivawa .......................................................................................41
PRAVILA NASLE\IVAWA .........................................................................................42 Kako su otkrivena pravila nasle|ivawa .........................................................................42 Mendelovi eksperimenti...........................................................................................................42 Mendelova hipoteza i pravila nasle|ivawa ...............................................................43 I ne{to slo`enije... ...........................................................................................................46 Nepotpuna dominansa............................................................................................................46 Ve}i broj alela......................................................................................................................46
3
Biologija IV Nasle|ivawe kvantitativnih osobina ..................................................................................47 HROMOZOMSKA OSNOVA NASLE\IVAWA ...................................................48 Nasle|ivawe vezano za pol................................................................................................49 REKOMBINACIJE.............................................................................................................51 MUTACIJE ...............................................................................................................................53 Genske mutacije .....................................................................................................................54 Hromozomske promene..........................................................................................................55 Koliko su mutacije ~este ...................................................................................................56 Mutageni .................................................................................................................................57 Hemijski mutageni .................................................................................................................57 Mutacije uzrokovane zra~ewem .............................................................................................57 Geni i kancer .........................................................................................................................59 POPULACIONA GENETIKA ......................................................................................59
ик е
[ta je geneti~ka varijabilnost i kako mo`e da se izmeri ......................................59 Geneti~ka struktura populacije .......................................................................................60 Hardi–Vajnbergov princip ..................................................................................................60
бе н
VE[TA^KA SELEKCIJA I OPLEMEWIVAWE BIQAKA I @IVOTIWA ..............................................................................................63 KONZERVACIONA GENETIKA .................................................................................65 GENETI^KA KONTROLA RAZVI]A ......................................................................66
уџ
Klonirawe ..............................................................................................................................67
GENETIKA ^OVEKA .........................................................................................................68
за
Istra`ivawe genoma ~oveka ..............................................................................................68 Analiza rodoslovnih stabala ...........................................................................................69
во
д
Primeri obrazaca nasle|ivawa............................................................................................69 Analiza hromozoma ..............................................................................................................71 Geneti~ko testirawe i savetovawe ..................................................................................72 GENI I PONA[AWE ......................................................................................................73
(G. Mati})
За
MOLEKULARNA BIOLOGIJA .............................................................75 MOLEKULARNA ORGANIZACIJA ]ELIJE......................................................76 MOLEKULARNA BIOLOGIJA...................................................................................76 NUKLEINSKE KISELINE – STRUKTURA I BIOLO[KA ULOGA .........................................................................................................77 Primarna struktura nukleinskih kiselina ................................................................77 Sekundarna struktura nukleinskih kiselina .............................................................78 Hromatin ................................................................................................................................80 Biolo{ka uloga nukleinskih kiselina ........................................................................81
PROTEINI – STRUKTURA I BIOLO[KA ULOGA .....................................83 Primarna struktura proteina .........................................................................................83 Prostorna struktura proteina ........................................................................................84
4
SADR@AJ
Biolo{ka uloga proteina..................................................................................................86
GENOM I GEN......................................................................................................................88 [ta je genom? ........................................................................................................................88 [ta je gen? .............................................................................................................................90
REPLIKACIJA DNK .......................................................................................................93 Replikacija DNK je semikonzervativan proces.........................................................93 Proces replikacije DNK ..................................................................................................93
TRANSKRIPCIJA.............................................................................................................95 GENETI^KI KOD ..............................................................................................................98 TRANSLACIJA ....................................................................................................................99 Transportne RNK .................................................................................................................99 Tok translacije ....................................................................................................................99
ик е
REGULACIJA AKTIVNOSTI GENA .....................................................................102 MOLEKULARNA BIOTEHNOLOGIJA.................................................................105
бе н
Klonirawe DNK .................................................................................................................105 Odre|ivawe primarne strukture DNK ........................................................................106 Primena geneti~kog in`ewerstva ................................................................................106 Eti~ki i ekolo{ki problemi .........................................................................................108
уџ
EVOLUCIONA BIOLOGIJA ................................................................109 (D. Cvetkovi})
[TA JE EVOLUCIJA .......................................................................................................110
за
Podaci o evoluciji ............................................................................................................111 Zna~aj evolucionih istra`ivawa ..................................................................................113
За
во
д
Evolucija i medicina..........................................................................................................113 Evolucija i poqoprivreda ..................................................................................................113 Evolucija i za{tita `ivotne sredine.................................................................................114 TEORIJE EVOLUCIJE ....................................................................................................115 Lamarkova teorija ..............................................................................................................115 Darvinova teorija ..............................................................................................................116 Prirodna selekcija i nasledna varijabilnost ...................................................................117 Uticaj Darvinove teorije ....................................................................................................118
SAVREMENA TEORIJA EVOLUCIJE....................................................................119 Evolucioni mehanizmi .....................................................................................................119 Mutacije ..............................................................................................................................119 Geneti~ki drift (geneti~ka slu~ajnost)..............................................................................120 Protok gena..........................................................................................................................120 Prirodna selekcija.............................................................................................................121 POSTANAK VRSTA ..........................................................................................................123 [ta su biolo{ke vrste ......................................................................................................123 Kako nastaju vrste...............................................................................................................124 Mehanizmi reproduktivne izolacije..................................................................................124
5
Biologija IV Na~ini postanka vrsta ........................................................................................................125
POSTANAK @IVOTA ....................................................................................................127 Savremena teorija postanka `ivota..............................................................................127 Prvobitna Zemqa .................................................................................................................127 "RNK svet" i prve }elije .....................................................................................................128 Pojava DNK ..........................................................................................................................129 "Veliko drvo `ivota" i postanak eukariota .......................................................................129
FOSILI .................................................................................................................................131 Kako se odre|uje starost stena i fosila .......................................................................132 Izumirawe vrsta .................................................................................................................134
EVOLUCIJA ^OVEKA.....................................................................................................136 Australopitecine ...............................................................................................................137 Na{ rod - Homo ..................................................................................................................138
бе н
ик е
Spretni ~ovek......................................................................................................................138 Uspravni ~ovek ....................................................................................................................138 Arhai~ni ~ovek ...................................................................................................................138 Neandertalski ~ovek ...........................................................................................................138 Savremeni ~ovek..................................................................................................................139
Biologija i kultura u evoluciji ~oveka.......................................................................140
уџ
OSNOVNI POJMOVI I PRINCIPI EKOLOGIJE
за
(D. Laku{i})
...............................................................141
PREDMET ISTRA@IVAWA I ZNA^AJ EKOLOGIJE ..............................142 EKOSISTEM I @IVOTNA SREDINA .............................................................145
д
Strukturne karakteristike ekosistema ......................................................................146
За
во
Stani{te – biotop ..............................................................................................................146 @ivotna zajednica – biocenoza .........................................................................................146 Funkcionalne karakteristike ekosistema ......................................................................147 USLOVI @IVOTA – EKOLOŠKI FAKTORI ............................................149 Klimatski faktori ...........................................................................................................149 Sun~evo zra~ewe i svetlost ................................................................................................150 Temperatura ........................................................................................................................151 Voda i vla`nost ..................................................................................................................153 Vetar ...................................................................................................................................154 Edafski faktori ...............................................................................................................155 Orografski faktori ........................................................................................................155 Bioti~ki faktori ..............................................................................................................156 ODNOS ORGANIZAMA I @IVOTNE SREDINE ........................................157 POPULACIJA I WENE OSNOVNE ODLIKE ...............................................161 @IVOTNA ZAJEDNICA I WENA ORGANIZACIJA ................................164 Ekolo{ka ni{a ...................................................................................................................164
6
SADR@AJ
Prostorna i vremenska organizacija biocenoze ................................................................165 Me|usobni odnosi organizama u biocenozi (bioti~ki faktori) ......................................167 ODNOSI ISHRANE .......................................................................................................171 PROTICAWE ENERGIJE I KRU@EWE MATERIJE ..................................175 RAZVOJ I EVOLUCIJA EKOSISTEMA .............................................................180 BIOSFERA I OSNOVNI BIOMI NA ZEMQI ..........................................184
ZA[TITA I UNAPRE\IVAWE @IVOTNE SREDINE ..................................................................................189 (S. Jovanovi})
ZA[TITA I UNAPRE\IVAWE @IVOTNE SREDINE
...........................190
Ekolo{ke promene u prirodi nastale delovawem ~oveka .....................................191 Promene fizi~kih i hemijskih karakteristika `ivotne sredine .....................193
ZA[TITA PRIRODE
за
уџ
бе н
ик е
Zaga|ivawe i izvori zaga|ivawa vazduha ..........................................................................193 Zaga|ivawe i izvori zaga|ivawa vodâ ...............................................................................195 Zaga|ivawe i izvori zaga|ivawa zemqi{ta .......................................................................196 Promene sastava `ivog sveta ..............................................................................................198 Proces domestifikacije zemqi{ta, biqaka i `ivotiwa ...................................................199 Procesi urbanizacije i industrijalizacije ......................................................................199 Geneti~ki i zdravstveni efekti naru{ene i zaga|ene `ivotne sredine ..........................200 Sistemi pra}ewa stawa `ivotne sredine ...........................................................................201 Ekolo{ke osnove prostornog planirawa i ure|ewa prostora ...........................................202 Revitalizacija i rekultivacija ekosistema i predela ......................................................203 ....................................................................................................204 ugro`enosti i za{tite `ive i ne`ive prirode ..............................204
во
д
Problemi Savremeni pristupi i mogu}nosti za{tite ugro`ene flore, faune i `ivotnih zajednica .....................................................................................205
За
RE^NIK POJMOVA ..................................................................................................................209 LITERATURA .............................................................................................................................212 SAJTOVI NA INTERNETU .....................................................................................................212
7
За во д за уџ бе н
ик е
За
во
д
за
уџ
бе н
ик е
BIOLOGIJA RAZVI]A @IVOTIWA
Biologija IV
Uvod
За
во
д
за
уџ
бе н
ик е
Ni{ta u prirodi nije tako fascinantno kao nastanak novog `ivog bi}a. Jedna od osnovnih odlika `ivih bi}a upravo je sposobnost da razmno`avawem dobijaju potomstvo kojim reprodukuju sebe same, odnosno vrstu kojoj pripadaju. Time se obezbe|uje kontinuitet `ivota. Ukoliko bi organizmi u okviru jedne vrste bili reproduktivno neuspe{ni, ta vrsta bi se vremenom smawivala po broju jer bi weni ~lanovi nestajali umirawem od starosti, bolesti, nesre}nim slu~ajem ili od predatora – dok ne bi izumrla, nestala iz ekosistema. Po osnovnom zakonu biologije, `ivo bi}e ne mo`e nastati ni iz ~ega drugog, osim od postoje}eg `ivog bi}a. Biologija razvi}a prou~ava na~ine razmno`avawa, embrionalno i posleembrionalno razvi}e, rast i starewe. Kori{}ewem metoda embriologije, citologije, biohemije i molekularne biologije ona opisuje stupweve razvi}a, strukture koje nastajawem i promenama vode formirawu odraslog organizma i molekulska de{avawa tokom tih promena. Znawa ste~ena u biologiji razvi}a koriste se u razja{wavawu postanka razli~itih vrsta, a u medicini imaju prakti~nu primenu (ve{ta~ko oplo|ewe, regeneracija, klonirawe).
10
BIOLOGIJA RAZVI]A @IVOTIWA
Na~ini razmno`avawa `ivotiwa
b)
бе н
ик е
Iako je raznovrsnost `ivotiwskih vrsta velika, postoje dva osnovna na~ina wihovog razmno`avawa – bespolno i polno. Bespolno razmno`avawe karakteristi~no je za mawi broj vrsta i ne ukqu~uje razmenu geneti~kog materijala. Organizmi koji nastaju na taj na~in ne razlikuju se od svojih roditeqa ni po nasle|u (genotipski), ni po izgledu (fenotipski) i mogu se smatrati klonovima. Neki od na~ina bespolnog razmno`avawa su: deobom (postoje}a jedinka se deli i nastanu dve nove), pupqewem (na jednom delu tela jedinke deobom a) postoje}ih }elija formira se izdanak ili ameba pupoqak koji izraste u nov organizam – i kada se on odvoji postane nova jedinka i regeneracijom (ukoliko se otkinu delovi jedinke, svaki od tih delova – fragmenata – sposoban je da nadoknadi, regeneri{e deo koji nedostaje i stvori novu jedinku).
hidra
v)
во
д
за
уџ
pupoqak
morska zvezda
За
Bespolno razmno`avawe: a) deobom – ameba; b) pupqewem – hidra; v) regeneracijom – morska zvezda
Polno razmno`avawe odlikuje ve}inu `ivotiwskih vrsta. U polnim organima stvaraju se polne }elije (gameti) specijalizovanom deobom – mejozom. Ona dovodi do redukcije broja hromozoma karakterijajna sti~nih za vrstu na po}elija zigot lovinu i pove}ava raspermatozoid znovrsnost polnih }elija, a time i mogu}nost wihovog kombinovawa u razli~ite jedinke procesom razmene geneti(2n) ~kog materijala. Postoje (n) (n) dva tipa gameta – mu{ki i `enski. Nov organiPolno razmno`avawe: `enska i mu{ka polna }elija se spajaju u zigot zam nastaje wihovim n – broj hromozoma
+
11
Biologija IV hidra
spajawem u zigot, koji ponovo dobija diploidan broj hromozoma i kreira se jedinstvena kombinacija gena, odnosno osobina za svaku jedinku ponaosob. Zigot se zatim mitoti~ki deli – brazda – na ve}i broj }elija (blastomera) i stvara blastulu. U woj }elije gastrulacijom po~iwu da se kre}u i grupi{u u tri osnovna tkiva – gastrule. Ta tkiva organogenezom formiraju organe embriona, a embrion raste do momenta ro|ewa, odnosno izlegawa. U `ivotiwskom svetu postoje vrste koje uporedo koriste oba na~ina razmno`avawa, na primer ki{na glista ili hidra.
oplo|ewe
mlada hidra
за
уџ
бе н
ик е
razvi}e
spermatozoidi
jajna }elija
Polno razmno`avawe kod hidre
За
во
д
Me|u `ivotiwama razdvajawe jedinki na polove u okviru vrste (polni dimorfizam) ima svoju biolo{ku cenu. Energija se ula`e u pravilno formirawe spoqa{weg izgleda polova (sekundarne polne osobine), polnih organa i polnih }elija. Zatim, polovi se moraju pona{ati prema odre|enim pravilima (reproduktivno pona{awe) po kojima se potencijalni partner pronalazi i privla~i da bi do{lo do parewa i oplo|ewa. Osim toga, potrebno je i voditi brigu o mladuncima (roditeqsko pona{awe). Zato je neophodna uskla|enost mu`jaka i `enki – tzv. reprodukcioni tajming. On omogu}uje istovremeno sazrevawe spermatozoida i jajne }elije. Da bi potomstvo uspe{no pre`ivelo, reprodukcija se „pode{ava“ odre|enom dobu godine, svetlosnom i temperaturnom re`imu, odnosno mawe-vi{e konstantnim uslovima sredine. U tom pogledu se koriste razli~ite strategije. Neke vrste se vra}aju na mesto nastanka (lososi, pastrmke), neke su reproduktivno aktivne samo tokom odre|enog doba godine, a neke same kreiraju sredinu za razvoj embriona (embrionalni omota~i ptica i sisara). Pronala`ewe i prepoznavawe potencijalnih partnera iste vrste tako|e je izazov. Vrste koriste razli~ite strategije, sinteti{u specifi~ne produkte koji privla~e – feromone, stvaraju vidqive ukrasne detaqe koji tako|e, privla~e (kreste, perje i sl.), pevaju specifi~ne melodije. Mu`jaci ~esto tro{e ogromnu energiju da bi privukli `enku i pridobili je za parewe. Interesantno je da su u `ivotiwskom carstvu `enke uglavnom neupadqive, dok mu`jaci imaju upadqive ukrasne detaqe i pona{awe. Da li je i u na{oj vrsti tako? Diskutujte na ~asu o seksualnom pona{awu na{e vrste!
12