Liv och vetenskap 2011 Uno Wennergren Professor Teoretisk Biologi Föreläsningen: Vad är vetenskap? 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? Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Vetenskap ett sätt, en process, att lösa problem eller att få kunskap Processen, arbetssättet kallas Vetenskaplig metod Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 1
Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Hypotes Ett testbart påstående formuleras Hypotes Ett testbart påstående formuleras Experiment/Observationer Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Vetenskaplig metod: de olika byggstenarna i processen Observation Nya observationer görs och tidigare resultat studeras Hypotes Ett testbart påstående formuleras Hypotes Ett testbart påstående formuleras Experiment/Observationer Slutsats Experiment/Observationer Slutsats Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Resultaten analyseras och hypotesen förkastas eller stöds Hypotesen prövas genom experiment eller ytterligare observationer Resultaten analyseras och hypotesen förkastas eller stöds Vetenskaplig teori Många experiment och observationer stödjer en teori. Ny teori kan bildas enl ovan 2
Fig. 1.3 Watson och Crick, 1953 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 3
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 Ekologi Paradigmskifte tree Organisms Organ systems human stem Organs heart leaf leaf tissues Tissues cardiac tissue brain nerve cell Cells Vetenskapen måste vara beredd att ändra sina teorier. Molecules Atoms DNA molecules 4
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 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 5
HSW, p.19 Fig. 1.12 Att inte förstå och tillämpa biologisk kunskap kan få negativa konsekvenser. Ljusblått är hyggen rött är skog. Erosion, artutdöende Första föreläsningen: del 1 Vad är vetenskap? Kunna skilja på vetenskap och pseudovetenskap p 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. 6
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 25 Många försök att förkasta spontan generation Redi 1668 visade att flugor uppstod ur flugägg och inte spontant. t Alltså Experimentlustan fortsätter under 1700 till långt in på 1900 talet med olika försök att förkasta spontan generation (olika typer av steril miljö) 26 Fig. 22.2 Kokad buljong testet 1767 Syret????!!! Krävs syre för spontan generation? 27 28 7
Syre kan ta sig in men inte mikroorgaismer Pasteur 1861: Spontan generation är motbevisad 29 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. 30 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 31 Primitiv jord-förutsättningar för bildande av organiska molekyler (syrefritt-reducerande miljö) Oparin och Haldane 1920 32 8
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. Fig. SEM 22.8 1950-60 talet (SEM: SvepElektronMikroskop) 33 34 Organiska molekyler men långt kvar till liv och celler Vattenfilm över organiska molekyler: coacervates Fig. 22.9 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 35 36 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 38 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 CO 2, CO, H 2, H 2 S, N 2 och S: bildade troligen svavelsyra, metan och vatten Och kvar finns den tredje hypotesen: från annan planet. 39 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. 40 10
Bildandet av eukaryot cell Fig. 22.10 Stöd för hypotesen att eukaryot bildades ur sammanslagning av prokaryoter. Endosymbiotisk teori: Prokaryotcell som inneslöt fotosyntetisk bakterie och aerobisk bakterie 41 42 Geolo ogisk tid Evolutionär tidsaxel billion year=miljard år 43 44 11
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? 45 46 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 47 48 12
Fig. 11.2 Olika populationer Kan ha både: Olika frekvens av de olika generna Många båögongener eller få blåögongener) Olika genetisk diversitet 49 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 50 Fig. 11.3 Genetiskt olika populationergenförekomst 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 51 52 13
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 53 54 Polymorfism hurdå? Selektion mot homozygoter dvs heterozygoten har högst fitness Sickle cell anemi - heterozygoten är resistent mot malaria Lite överkurs jmf med boken 55 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 56 verkar på, t ex halslängd hos giraffer 14
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 57 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 58 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) 59 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 60 15
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) 61 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 62 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) 63 64 16
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 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 65 66 ID vs evolution (något kort om detta) Pseudovetenskap? Vetenskap? Intelligent design Vad När Hur Varför Vad är problemet? Seminarier grupper och diskussioner Seminarie: 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. 67 17
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. 18