Obecná biologie, mikrobiologie, genetika

Obecná biologie se věnuje životu v širokém pojetí, jeho vzniku a vlastnostem. V tomto tématu je také možné procvičovat pojmy spjaté s biologií nebo názvy biologických oborů.

Téma bádání a výzkum biologii přibližuje obecné dovednosti, které jsou spojené se zkoumáním přírody (určování organizmů, laboratorní práce aj.).

Buňka je základní stavební a funkční jednotkou živých organizmů. Děje v jednotlivých buňkách mají vliv na to, jak funguje organizmus jako celek.

Mikrobiologie se věnuje drobným organizmům, které lze obvykle pozorovat jen mikroskopem. Patří mezi ně viry, bakterie či prvoci (protisté).

Genetika zkoumá dědičnost a proměnlivost živých organizmů.

• Podtéma úvod do biologie, znaky živých soustav představuje znaky života, základy třídění živých organizmů a biologického zkoumání.
• Lze procvičovat pojmy spojené s biologií a názvy biologických oborů.
• Astrobiologie se zabývá možnou existencí života mimo Zemi a jeho souvislostmi s pozemským životem.

Biologie je věda zabývající se (živými) organizmy. Mezi obory, které spadají pod biologii či s ní souvisejí, patří např. zoologie (zabývá se živočichy), botanika (zabývá se rostlinami), mykologie (zabývá se houbami), mikrobiologie (studuje mikroorganizmy) či ekologie (zabývá se vztahy v přírodě).

Znaky života

Život je v současnosti znám pouze ze Země, první živé organizmy vznikly asi před 3,7 miliardami let. Mezi znaky živých soustav patří zejména:

• dědičnost – Předávání znaků potomkům, „návod“ na znaky je zapsán v nukleových kyselinách (DNA, RNA).
• rozmnožování
• dráždivost – Reakce na podněty, udržování stálého vnitřního prostředí (homeostáza).
• látková přeměna (metabolizmus) – Souvisí s přijímáním živin (potravy), vylučováním či (buněčným) dýcháním (živiny se reakcí s kyslíkem mění na oxid uhličitý a vodu, uvolňuje se využitelná energie). Některé organizmy provádějí fotosyntézu: z oxidu uhličitého a vody za účasti energie světla vznikají živiny a kyslík.
• vývoj
  • v rámci jedince (ontogeneze) – Souvisí s růstem.
  • v rámci druhu (fylogeneze) – Souvisí s evolucí. Průkopníkem myšlenky evoluce hnané přírodním výběrem byl Charles Darwin (1809–1882).

Třídění živých organizmů

Nejnižší základní jednotkou třídění organizmů je druh (např. vrabec polní). Jména druhů jsou obvykle dvouslovná, zahrnují rodové jméno (obecnější, vrabec) a druhové jméno (konkrétnější, polní). Do jednoho rodu může patřit více druhů (např. do rodu vrabec patří vrabec polní či vrabec domácí).

Jména organizmů se v češtině píší s malými počátečními písmeny (např. vlk obecný, borovice lesní), výjimkou jsou vlastní jména (např. prstnatec Fuchsův) či umístění jména do nadpisu/na začátek věty.

Vědecká jména organizmů vycházejí zejména z latiny a řečtiny, jsou v základu dvouslovná. Píší se s velkým počátečním písmenem, od úrovně rodu níže kurzívou (např. Passer domesticus – vrabec domácí). Na zavedení názvosloví organizmů se do velké míry podílel švédský přírodovědec Carl Linné (1707–1778).

Mezi taxony (skupiny) organizmů (vyšší než druh a rod) patří zejména:

• čeleď
• řád
• třída
• oddělení (u rostlin a hub)/kmen (u živočichů)
• říše

Vzhledem k pokrokům v určování příbuznosti organizmů pomocí molekulární biologie toto tradiční pojetí postupně ztrácí význam. Běžně lze hovořit zkrátka o skupinách organizmů. Klad v odborné biologii označuje skupinu organizmů, která zahrnuje předka a všechny z něho vzešlé potomky, jedná se o tzv. monofyletické (respektive holofyletické) taxony.

Přírodu lze zkoumat pomocí experimentů, při nichž dochází k jejímu cílenému ovlivňování, či pomocí prostého pozorování. Aktivní zkoumání přírody (v rámci výuky) pak lze označit za badatelství, v rámci něj dochází k identifikování problémů a pokládání otázek, jejich řešení a formulaci zjištěného. Na obdobných principech jako badatelství je založen i reálný vědecký výzkum.

Výzkumné otázky, hypotézy

Při zkoumání přírody a živých organizmů si lze položit konkrétní výzkumnou otázku (např. Jak světlo ovlivňuje klíčivost semen hrachu?), či formulovat hypotézu (např. Semena hrachu vystavená světlu budou klíčit rychleji než semena hrachu ve tmě.). Hypotéza je předpoklad či tvrzení, jehož pravdivost či nepravdivost lze dokázat. Má podobu oznamovací věty. Hypotéza by měla být co nejvíce konkrétní. Pokud zkoumání vede k vyvrácení hypotézy, neznamená to, že se „nepovedlo“. I vyvrácení hypotézy vede k získání informací. Hypotéza nemůže „platit napůl“, pokud k tomuto směřuje, je obvykle chybně či nedostatečně konkrétně formulovaná.

Fáze zkoumání, pomůcky

Zkoumání lze obvykle rozdělit do těchto základních fází:

• Rozmyšlení zkoumaného problému, navrhování postupu, který by vedl k jeho objasnění (včetně výběru vhodných pomůcek). Formulace otázek či hypotéz.
• Samotné provedení experimentu či pozorování, záznam dat.
• Formulace výsledků.
• Identifikace návazných problémů a témat ke zkoumání. Reflexe provedeného postupu (co by se dalo udělat jinak/lépe).

Ke zkoumání přírody v základu není nutné nákladné vybavení, to je zpravidla potřeba zejména pro odborný výzkum na mikroskopické/molekulární úrovni.

Průběh experimentů

Během experimentů jsou přírodniny obvykle vystavovány různým podmínkám. Tyto různé podmínky lze považovat za proměnné, vliv působení podmínek na přírodniny (organizmy) lze porovnávat. Experiment je nejčastěji vhodné naplánovat tak, aby se současně zkoumal jen vliv jedné proměnné (např. při zkoumání vlivu množství světla na klíčivost semen budeme oba květináče stejně zalévat, aby výsledky neovlivnila rozdílná přítomnost vody). Přírodniny, u nichž podmínky neměníme, se označují jako kontrolní vzorek (např. rostliny, které při zkoumání vlivu umělého světla necháme na okenním parapetu v přirozeném osvětlení).

Záznam zkoumání

Pokud zaznamenáváme informace o experimentu či pozorování, je vhodné použité pomůcky a postup popsat tak, aby šlo zkoumání nezávisle zopakovat. Záznam by měl být jasný, srozumitelný. Jako diskuze se označuje pojednání o skutečnostech pozorovaných v rámci zkoumání, komentování jeho průběhu. Závěr stručně a úderně shrnuje provedené zkoumání a zjištěné výsledky.

V rámci laboratorní práce v biologii je užitečné znát základní pomůcky. Běžnou součástí biologické práce v laboratoři je mikroskopování. Při práci v laboratoři je nutné dodržovat bezpečnostní zásady (např. opatrně pracovat s ostrými nástroji, dát pozor na poruchy při připojování mikroskopu do elektřiny aj.).

Základní pomůcky

• pinzeta (a) – K uchopování či přenášení (částí) přírodnin. Existují různé typy, např. entomologická pro jemnou manipulaci s bezobratlými, anatomická využitelná při pitvě.
• skalpel (b) – Slouží k řezání, mnohdy mívá vyměnitelné čepele. K oddělování materiálu též může sloužit žiletka (c) či nůžky.
• kapátko/plastová pipeta (d) – K dávkování malého množství tekutin.
• preparační jehla (e) – K přenášení malého množství tkáně (např. dužniny plodu, lístku mechu aj.).

a – pinzeta

b – skalpel

c – žiletka

d – plastová pipeta

e – preparační jehla

Výše zmíněné pomůcky bývají běžně pohromadě v preparační sadě. Při biologické práci se využívá i mnohé skleněné nádobí, např. Petriho misky (g), kádinky (h) či zkumavky (i). Při mikroskopování mají uplatnění i skla (podložní, krycí), vizte dále.

g – Petriho miska

h – kádinka

i – zkumavka

Optický mikroskop

Optický (světelný) mikroskop využívá průchodu viditelného světla preparátem. Zvětšení umožňuje kombinace objektivu (v blízkosti vzorku) a okuláru (do něhož se pozorující dívá).

Mikroskopy často mívají více objektivů, které poskytují různou míru zvětšení. Celkové zvětšení se spočítá jako násobek zvětšení objektivu a okuláru (např. zvolíme objektiv se zvětšením 20×, okulár zvětšuje 10×, celkové zvětšení je 200×). Při pozorování se začíná objektivem s nejmenším zvětšením, což poskytne základní orientaci v preparátu.

K zaostřování obrazu slouží zaostřovací šroub (u pokročilejších mikroskopů kombinace makro- a mikrošroubu pro jemné doostření). Preparáty se umisťují na stolek mikroskopu, bývají podsvícené zespoda.

Zhotovení preparátu

Mikroskopické preparáty lze v základu rozdělit na trvalé (lze je dlouhou dobu skladovat) a dočasné (pro jedno bezprostřední prohlédnutí). Vzorek se umisťuje na podložní sklo (1) a překrývá krycím sklem (2; menší a tenčí, čtvercové či kulaté).

1 – podložní sklo

2 – krycí sklo

Při výuce se setkáme hlavně s tvorbou dočasných preparátů. Vezmeme podložní sklo, na něj umístíme vzorek/kapku vody a překryjeme krycím sklem. Je vhodné preparát zhotovit tak, aby v něm bylo co nejméně vzduchových bublin, které komplikují pozorování. Některé přírodniny je výhodné pozorovat bez přidání vody (zvlášť suché: např. křídlo hmyzu, kus ptačího pera).

Obvykle stačí použít velmi malé množství přírodniny. Např. při pozorování buněk v dužnině šípku nedáváme na podložní sklo celý šípek (či ukrojenou větší část šípku), postačí trocha dužniny na špičce preparační jehly (kterou pak můžeme rozmělnit např. zatlačením na krycí sklo).

U větších objektů je mnohdy žádoucí oddělit jejich menší části či zhotovovat řezy. Řez může být podélný (rovnoběžný s delší stranou objektu) či příčný (rovnoběžný s kratší stranou).

Záznam pozorování by měl obsahovat identifikaci přírodniny a použité zvětšení (součin zvětšení okuláru a objektivu). Nákres se provádí ostrou grafitovou tužkou (obyčejnou tužkou, mikrotužkou…), což zajistí adekvátní přesnost kresby. Kresba může pohromadě zobrazovat různé roviny ostrosti.

Grafický záznam by měl být dostatečně velký (např. na víceméně celou šířku papíru), případně může obsahovat i popisky pozorovaných struktur (jasně propojené s danými strukturami). Pokud by byl záznam koncipován jako protokol, měl by obsahovat i závěr (např. stručné informace o přírodnině, souvislost s tím, co bylo pozorováno).

Určování organizmů může sloužit k získání přehledu o přírodě v našem okolí. Mnohdy potřebujeme vědět, zda je daný organizmus využitelný či jedlý (např. borůvka – jedlá × rulík – jedovatý) nebo původní na daném území (např. borovice lesní – původní × vejmutovka – nepůvodní). Někdy se může hodit i informace o tom, že je organizmus zvláště chráněný. Určování organizmů také může být podkladem pro vědecký výzkum.

Znalost organizmů může napomoci tomu, že si uvědomíme nejrůznější souvislosti a vztahy mezi nimi. Při určování organizmů trénujeme schopnost vyhledávat a vyhodnocovat informace, ale také pozorovat organizmy samotné a přemýšlet o jejich znacích.

Určování do skupin

Organizmy se zařazují do určitých skupin, nejnižší základní jednotkou třídění je druh, např. páskovka (rod) keřová (druh). Do čím obecnější (větší) skupiny organizmu zařadíme, tím si zpravidla můžeme být více jisti určením. Při určování je obvykle výhodné postupovat od obecnějšího ke konkrétnějšímu:

• vyšší skupiny – Živočich má spirálně stočenou ulitu. Jasně tedy půjde o plže, který patří do skupiny (kmene) měkkýši.
• rod – Živočich má páskovanou ulitu. Pokud ho potkáme na zahradě či v lese, dost možná půjde o páskovku (a, b). Podobně ale vypadá např. i papáskovka (c) nebo suchomilka (d), ty žijí např. na stepích.
• druh – Páskovka hajní (a) má hnědé obústí ulity (okraj u otvoru), páskovka keřová (b) ne. Pro určení do druhu tedy musíme pozorovat obústí. Navíc můžeme narazit na křížence, kde znaky nejsou jasné. Pokud označíme páskovku keřovou za páskovku hajní, vlastně se dopustíme chyby.

a – páskovka hajní

b – páskovka keřová

c – papáskovka žíhaná

d – suchomilka obecná

V běžných situacích (i v rámci výuky na ZŠ/SŠ) mnohdy stačí určit organizmus do rodu či širší skupiny.

Čeho si při pozorování všímat

• určovací znaky – Organizmy se mezi sebou liší podobou těla. Mnohdy ale můžeme využít další pozorovatelné skutečnosti: zvukové projevy (např. cvrkání hmyzu), způsob pohybu (např. let ptáka) či pobytové stopy (např. otisky nohou, trus, rozrytá půda aj.).
• prostředí – Organizmy obývají určité prostředí: např. páskovku keřovou potkáme na zahradě, suchomilku obecnou na suché stráni.
• čas – Organizmy se v průběhu roku různě projevují. Např. dospělci hmyzu se vyskytují jen v určité části roku, krytosemenné rostliny v různém čase kvetou.

Organizmy lze také určovat pomocí zkoumání genetické informace (DNA), to se ovšem provádí zpravidla jen na vědecké úrovni a v laboratoři.

Záznamy týkající se organizmů (např. fotografie) nikdy nemohou poskytnout tolik informací, jako organizmy samotné. Proto se např. v muzeích či vědeckých institucích uchovávají vlastní organizmy (např. preparáty hmyzu, herbářové položky rostlin a hub, vycpaniny obratlovců).

Zdroje informací o organizmech

Zdrojem informací o organizmech mohou být různé internetové stránky. I v dnešní době mohou kvalitní informace poskytnout tištěné atlasy, které zpravidla kombinují vyobrazení organizmů a jejich popis. K určování organizmů krok po kroku slouží klíče, pro běžné použití se hodí zejména různé zjednodušené verze.

Určovací aplikace

Rychlý přehled o určení organizmu mohou poskytnout mobilní aplikace, které využívají např. vyhodnocování obrazu (vyfocená rostlina, houba, bezobratlý živočich) či zvuku (ptačí zpěv). Určovací aplikace jsou v mnohých případech docela přesné, ale vždy je dobré ověřit určení i pomocí jiných zdrojů.

Mnohé aplikace umožňují záznamy o organizmech i ukládat. Toho může být využito např. v rámci tzv. občanské vědy (citizen science), kdy vědci vycházejí z dat získaných veřejností.

Z buněk se skládají živé organizmy. Jednobuněčné organizmy tvoří jediná buňka, mnohobuněčné organizmy (např. hlemýžď, krokodýl, člověk) sestávají z velkého množství buněk, které musejí navzájem spolupracovat. Buňky lze obvykle sledovat pod mikroskopem a jejich stavbu si nelze vždy snadno představit. Znalost struktury a funkce buněk nám však pomůže pochopit podstatu toho, jak se organizmy projevují navenek. Například:

• Proč vypadám jinak než můj kamarád? – V jádře buněk každého jedince je „návod“ na to, jak organizmus bude vypadat a fungovat (DNA).
• Proč jíme a dýcháme? – Aby součásti buněk zvané mitochondrie za účasti kyslíku mohly uvolňovat energii ze živin. Tuto energii pak využíváme k životu.
• Proč jsou rostliny zelené? – Obsahují chloroplasty, které provádějí fotosyntézu. Pomocí ní si rostlina vytváří živiny a uvolňuje kyslík, který živé organizmy využívají k dýchání.

Představu o stavbě a funkci buněk lze získat v tématu buňka obecně. Též je možné procvičovat pojmy tematicky spojené s buňkou.

Další téma nabízí poznávání jednotlivých částí buňky na jejím schématu.

Pokročilejší informace o fázích existence buňky a typech buněčného dělení jsou k dispozici v tématu buněčný cyklus, dělení buněk.

Buňka je základní stavební a funkční jednotkou živých organizmů. Organizmy mohou být v základu jednobuněčné či mnohobuněčné. U mnohobuněčných organizmů soubory buněk tvoří tkáně (u rostlin též označované jako pletiva), z tkání se skládají orgány (např. srdce, mozek, list, květ…).

Buňka bakterií

Bakterie jsou jednobuněčné (či jejich buňky tvoří kolonie). Jejich buňka má DNA volně uloženou v cytosolu (nemá pravé jádro), je ohraničena cytoplazmatickou membránou, dále většinou buněčnou stěnou a případně pouzdrem (kapsulou).

Buňka rostlin, živočichů, hub aj.

Rostliny, živočichové, houby či prvoci/protisté patří mezi tzv. eukaryotní organizmy, které v buňkách mají pravé jádro ohraničené membránou. Buňky eukaryotních organizmů jsou stavebně složitější a zpravidla větší než buňky bakterií.

Cytosol je polotekutý vodný roztok, v němž jsou uloženy buněčné součásti (organely). Veškerý obsah buňky mimo jádro (včetně organel) se označuje jako cytoplazma.

Mitochondrie a chloroplasty pravděpodobně vznikly v průběhu evoluce pohlcením bakterie (u chloroplastu konkrétně sinice). Samostatně se dělí a ponechávají si část své původní DNA. Jedná se o semiautonomní organely.

Materiály k tisku

K tématu buňky je k dispozici pracovní list a jeho řešení.

Buněčný cyklus je sled pochodů, kterým prochází buňka od svého vzniku po další dělení. Má tyto části:

• interfáze (a)
  • \mathrm{G_1} fáze – Tato fáze následuje po buněčném dělení, dochází k růstu buňky, proteosyntéze, tvorbě organel. U diferencovaných buněk, které se již nedělí (např. u neuronů), na \mathrm{G_1} fázi navazuje klidová \mathrm{G_0} fáze.
  • \mathrm{S} fáze – Dochází k replikaci jaderné DNA (vzniká zde tedy materiál, který bude tvořit dvě chromatidy každého chromozomu).
  • \mathrm{G_2} fáze – Buňka dokončuje růst a připravuje se na dělení.
• buněčné dělení – Může probíhat jako mitóza či meióza. Následující text tyto děje popisuje na příkladu buněk člověka.

Mitóza

Mitózou vznikají tělní (somatické) buňky. Dochází k rovnoměrnému dělení genetické informace, kdy dceřiné buňky mají stejný počet chromozomů jako původní buňka (u člověka jsou diploidní). Mitóza má následující fáze:

• profáze (b) – Dochází ke kondenzaci chromozomů z chromatinu, tvoří se mitotické vřeténko.
• prometafáze (c) – Dezintegrace jaderného obalu a napojování chromozomů na kinetochory.
• metafáze (d) – Chromozomy se řadí do ekvatoriální roviny.
• anafáze (e) – Chromozomy jsou dělicím vřeténkem taženy na opačné póly buňky.
• telofáze (f) – Dekondenzace chromozomů, vzniká jaderný obal, zaniká dělicí vřeténko. Současně s telofází probíhá cytokineze, rozdělení buňky na dvě dceřiné. Následuje \mathrm{G_1} fáze.

a – interfáze

b – profáze

c – prometafáze

d – metafáze

e – anafáze

f – telofáze

Meióza

Meiózou vznikají pohlavní buňky (gamety), které mají oproti tělním buňkám polovinu genetické informace (jsou haploidní). Probíhá jako dvě po sobě jdoucí modifikované mitózy:

• Heterotypické (redukční) dělení v rámci své profáze I zahrnuje tvorbu bivalentů (homologické chromozomy se spojí), mezi nimiž probíhá rekombinace DNA (crossing-over). Toto vede k rozrůznění genetické informace, každá chromatida může obsahovat DNA pocházející od matky i otce. V rámci anafáze I se k pólům buňky přesouvají celé chromozomy o 2 chromatidách (g).
• Homeotypické (ekvační) dělení je shodné s mitózou, pouze nastupuje bez S fáze a začíná s haploidní sadou dvouchromatidových chromozomů.

g – anafáze I meiózy

Viry jsou nebuněčné částice, které potřebují ke svému rozmnožování hostitelskou buňku (jsou to nitrobuněční parazité). Samy neprovádějí životní funkce, nemají metabolizmus. Bývají velké v řádu desítek nanometrů, k jejich zobrazování je obvykle třeba elektronový mikroskop.

Stavba virů

Částice virů se v základu skládají z nukleové kyseliny (DNA, nebo RNA) (a), ta nese genetickou informaci. Je zabalena v bílkovinné schránce (kapsidě, b). Vně kapsidy může být virový obal (c, ten v sobě mívá zanořené bílkoviny – d) či bičík(y).

Virová onemocnění

Viry napadají bakterie (virům napadajícím bakterie se říká bakteriofágy), rostliny, živočichy i další organizmy. U člověka vyvolávají onemocnění, mezi která patří například:

• infekční hepatitida (žloutenka)^{† (typ B)}
• klíšťová (meningo)encefalitida^✶
• HIV/AIDS
• chřipka^✶
• opar
• zarděnky^†
• dětská obrna^†
• spalničky^†
• příušnice^†
• plané neštovice^✶
• nádory děložního čípku^✶
• covid-19^✶

Symbol † výše označuje závažná (zvláště dětská) onemocnění, proti nimž se v Česku povinně očkuje. Proti nemocem označeným ^✶ je očkování dobrovolné.

Viry v rámci onemocnění ovlivňují organizmus člověka tak, že se množí v jeho buňkách, které tím vyčerpávají, mění či zcela ničí.

Léčba a prevence virových onemocnění

Virová onemocnění lze tlumit antivirotiky (virostatiky). Ta mnohdy mívají množství nežádoucích účinků, proto se běžná virová onemocnění zpravidla léčí tlumením příznaků. Vážnějším virovým onemocněním je vhodné předcházet. Vývojem antivirotik se zabýval český vědec Antonín Holý (1936–2012), jím vyvíjená látka je např. součástí léků proti HIV/AIDS.

Prevencí před virovými onemocněními je např. dodržování hygieny či používání ochranných pomůcek. Proti některým virovým nemocem lze očkovat, tedy „naučit“ imunitní systém rozpoznat určitou část viru bez prodělání daného onemocnění. Díky očkování byly celosvětově vymýceny pravé neštovice, které byly smrtelnou dětskou nemocí.

Bakterie jsou obvykle jednobuněčné organizmy. Jejich buňky jsou drobné (velké v řádu mikrometrů), mají jednodušší stavbu než buňky živočichů, rostlin či hub. DNA (a) v buňkách bakterií je uložena volně v cytosolu. Buňku ohraničuje cytoplazmatická membrána (b), buněčná stěna (c) a případně slizové pouzdro (d). Bakterie se mohou pohybovat např. za pomoci bičíků (e) a přichycovat na povrchy pomocí brv (f). Bakterie mohou být různého tvaru, např. kulaté (koky) či tyčinkovité.

Nezelené bakterie žijí ve všech prostředích. Sinice (ty jsou skupinou fotosyntetizujících bakterií) žijí zejména ve vodě.

Bakterie podle způsobu života

• Mohou způsobovat onemocnění, u člověka např. angínu, zápal plic, salmonelózu či lymskou boreliózu. Léky zvané antibiotika bakterie ničí či omezují jejich množení. U bakterií se však vyvíjí odolnost vůči těmto lékům (rezistence). Proti některým bakteriálním onemocněním (např. černému kašli, záškrtu) existuje očkování.
• Podílejí se na koloběhu látek v přírodě, působí jako rozkladači.
• Mohou žít v mutualizmu (vzájemně prospěšné symbióze) s dalšími organizmy. Ve tlustém střevě člověka např. rozkládají nestrávené látky a vytvářejí vitamíny, zároveň zabírají místo, a tím zabraňují množení škodlivých mikroorganizmů. Bakterie pomáhají s trávením přežvýkavcům. Rostlinám výměnou za látky vzniklé při fotosyntéze poskytují dusík získaný ze vzduchu.
• Sinice byly prvními fotosyntetizujícími organizmy a díky tvorbě kyslíku pravděpodobně umožnily rozvoj života až do dnešní podoby. Jsou obvykle modrozeleně zbarvené. Jsou jednobuněčné či tvoří kolonie buněk. Voda s přemnoženými sinicemi je nevhodná ke koupání, neboť do ní uvolňují jedovaté látky.

Využití bakterií člověkem

Člověk využívá nezelené bakterie k výrobě potravin (např. sýrů, kefíru, jogurtů, sójové omáčky, kysaného zelí, octa…). Bakterie (zvláště geneticky modifikované) mohou též vytvářet užitečné látky, jako třeba inzulin či enzymy. Bakterie se využívají v čistírnách odpadních vod.

Rozhodovačka v této kapitole je mixem kapitol bakterie a viry. Navíc jsou zde cvičení zaměřená na onemocnění způsobená bateriemi a/nebo viry.

Jako prvoci se označují jednobuněčné eukaryotní organizmy. Nepatří mezi živočichy, vyšší rostliny ani houby. Jedná se o umělou skupinu organizmů, mezi sebou nemusejí být blízce příbuzné.

Způsoby života

Prvoci mají rozmanité způsoby života: mohou žít volně, ale i jako paraziti jiných organizmů (a způsobovat onemocnění). Také mohou žít s jinými organizmy v mutualistickém vztahu (vzájemně prospěšné symbióze): např. bachořci v trávicí soustavě dobytka či brvitky v trávicí soustavě termitů rozkládají těžko stravitelné látky. Prvoci zpravidla získávají energii z organických látek (jsou heterotrofní), někteří (navíc) dokáží provádět fotosyntézu.

Stavba buněk, příklady druhů

Buňky prvoků vypadají podobně jako buňky dalších eukaryotních organizmů: mají pravé jádro (a) ohraničené membránou. Na povrchu buňky je cytoplazmatická membrána (b), někdy si prvoci mohou vytvářet schránky (např. dírkonošci mají schránky z uhličitanu vápenatého a tím se podílejí na vzniku hornin). Fotosyntetizující druhy mají chloroplasty (c, např. krásnoočko štíhlé či zelené). Většina druhů má mitochondrie (d) pro získávání energie ze živin (u některých druhů tyto organely však zcela vymizely, jindy jsou redukované či přeměněné).

Prvoci se mohou pohybovat pomocí brv (řasinek, e) (např. trepka – II), obdobně stavěných avšak delších bičíků (f, např. krásnoočko – I, trypanozoma ve spojení s undulující membránou) či pomocí panožek (např. měňavka). Přijímanou potravu pohlcují. Odpadní látky vypuzují z buňky, množství vody v buňce mohou mnohé druhy regulovat pomocí stažitelné (či pulzující) vakuoly (g).

Příklady parazitických druhů

Mezi parazitické druhy způsobující nemoci patří trypanozoma spavičná (je původcem spavé nemoci, přenáší ji bodalka – moucha tse tse), zimnička (způsobuje malárii, přenášejí ji komáři) či toxoplazma (nejčastějším přenašečem jsou kočky).

Genetika se zabývá dědičností a proměnlivostí organizmů. Dědičnost je jedním ze základních projevů života, proto se principy genetiky uplatňují u všeho živého. Porozumění genetice je zásadní pro pochopení toho, jak život funguje, ale také toho, jak s ním lze manipulovat.

Genetická informace uložená v nukleových kyselinách (např. DNA) umožňuje vznik proteinů (bílkovin). Proteiny pak zajišťují nepřeberné množství funkcí v organizmech a zodpovídají za vznik jejich znaků.

K dispozici jsou tato témata:

• Dědičnost a rozmnožování
• Nukleové kyseliny, proteosyntéza
• Projevy a dědičnost znaků, křížení
• Typy znaků, dědičné choroby
• Praktické využití genetiky
• Genetika: mix

Genetika je věda, která se zabývá dědičností. Dědičnost je schopnost předávat „návod“ na určité znaky potomkům. Znaky se mohou týkat vnější i vnitřní podoby těla, ale i jeho funkce.

„Návodem“ na vytvoření znaků je genetická informace v DNA (deoxyribonukleové kyselině). U bakterií je DNA volně v cytosolu, u eukaryotních organizmů (např. hub, rostlin, živočichů včetně člověka) se nachází především v jádře buněk. Je rozčleněná na menší části – chromozomy, které se předávají potomkům při rozmnožování.

Při nepohlavním rozmnožování (např. dělení bakterií, vegetativním množení rostlin) dojde ke zkopírování DNA: potomci jsou klonem rodičů, jsou s nimi geneticky shodní. V rámci pohlavního rozmnožování (např. člověka) potomek získá nové kombinace DNA od obou rodičů a geneticky se od nich liší. Při rozmnožování obratlovců potomek získá ½ genetické informace od každého z rodičů.

Člověk má ve většině tělních buněk 46 chromozomů: 23 od otce, 23 od matky. Jeden pár z nich jsou chromozomy pohlavní: ženy mají pohlavní chromozomy XX, muži XY. Žena vajíčkem předává chromozom X, muž spermií X, nebo Y. Počet chromozomů organizmu nevypovídá o jeho složitosti (např. kiwi má 174 chromozomů, což neznamená, že je „pokročilejší“ než člověk).

DNA je složitá látka, která nese genetickou informaci. Skládá se obvykle ze dvou spojených vláken, každé vlákno bývá složeno ze 4 typů nukleotidů. Na základě informace „zapsané“ v pořadí nukleotidů si všechny živé organizmy tvoří proteiny (bílkoviny). Proteiny mohou být stavebními látkami, podílet se na řízení těla (hormony), urychlování chemických reakcí (enzymy), imunitě (imunoglobuliny), transportu látek aj. Proteiny jsou zodpovědné za vytváření znaků organizmů.

Tvorba proteinů na základě informace z DNA

Tvorba proteinů (proteosyntéza) uvnitř buněk probíhá tak, že informace v DNA se v rámci buněčného jádra přepíše do mRNA (toto se označuje jako transkripce). Molekula mRNA putuje do ribozomu, kde se na základě obsažené informace sestaví nový protein z aminokyselin (translace). Člověk aminokyseliny získává štěpením proteinů přijatých potravou, některé si dokáže vytvořit z jiných látek. Proteiny se v živých organizmech tvoří prakticky neustále.

Platí tedy vztah: DNA → protein → znak.

Například: z potravy (1) získáme aminokyseliny (2). „Návod“ na tvorbu proteinů obsažený v DNA (3) se přepíše do mRNA (4). Na základě této informace se z aminokyselin vytvoří vlastní proteiny (5) důležité pro funkci svalů (6). Díky tomu se můžeme hýbat (7) – to je výsledný znak.

Stavba DNA

Nukleotidy v DNA obsahují část pocházející z molekuly sacharidu (deoxy-D-ribosa), zbytek kyseliny fosforečné a dusíkatou bázi. Podle přítomné dusíkaté báze se nukleotidy označují A (obsahuje adenin), T (obsahuje thymin), G (obsahuje guanin), C (obsahuje cytosin). Dvojice A-G a C-T jsou k sobě komplementární, nacházejí se v rámci vláken naproti sobě a jsou spojené vodíkovými můstky.

RNA

RNA je zpravidla jednovláknová. Nukleotidy v ní obsahují sacharid D-ribosu. Součástí RNA jsou nukleotidy A, G, C, místo thyminu (T) obsahuje uracil (U). Messenger RNA (mRNA) je daleko méně stabilní než DNA, její životnost se pohybuje v řádu minut až hodin. Mezi další typy RNA patří tRNA (nese aminokyseliny na místo proteosyntézy) a rRNA (tvoří ribozomy).

Genetický kód

V rámci proteosyntézy se uplatňuje genetický kód: určitá trojice nukleotidů v mRNA (triplet, kodon) kóduje zařazení určité aminokyseliny do řetězce proteinu. Kodon AUG zahajuje translaci (iniciační/start kodon), kodony UAG, UAA, UGA (terminační/stop kodony) translaci zastavují.

Gen je úsek DNA, který obvykle kóduje určitý protein (nebo proteiny). Jako genotyp se označuje soubor genů organizmu. Geny se mohou projevovat různým způsobem např. v závislosti na prostředí. Soubor pozorovatelných znaků organizmu je fenotyp.

Alely

Alela je konkrétní forma genu. U člověka se zpravidla dvě různé alely nacházejí v určitých místech homologických chromozomů (od otce a od matky). Alela může být:

• dominantní – Obvykle se značí velkým písmenem (např. B). Může překrývat projevy recesivní alely.
• recesivní – Obvykle se značí malým písmenem (např. b). Může být potlačena dominantní alelou.

Homozygot pro daný gen obsahuje dvě stejné alely (dominantní – BB, nebo recesivní – bb). Heterozygot má dvě různé alely (Bb).

Základní vztahy alel

Mezi základní vztahy alel patří:

• dominance
  • Při úplné dominanci se u heterozygota projeví jen dominantní alela. Tedy např. pokud B zodpovídá za červenou barvu květu a b za žlutou, dominantní homozygoti (BB) a heterozygoti (Bb) pokvetou červeně, recesivní homozygoti (bb) pokvetou žlutě.
  • Při neúplné dominanci se částečně projeví i recesivní alela. Pokud bychom neúplnou dominanci vztáhli na příklad výše, heterozygoti (Bb) by kvetli oranžově.
• recesivita – Doplňuje dominanci (je jejím „opakem“).
• kodominance – Obě alely jsou dominantní a projevují se nezávisle na sobě, tento vztah je typický pro vznik krevních skupin člověka. Např. alely \mathrm{I^A I^B} dají vzniknout krevní skupině AB.

Křížení (hybridizaci) a vznikající kombinace alel je možné znázorňovat pomocí kombinačních (Punnettových) čtverců (vizte dále). V záhlaví jsou alely jednoho rodiče, v 1. sloupci alely druhého rodiče.

Mendelovy zákony

Za zakladatele genetiky je považován Johann Gregor Mendel, který zkoumal dědičnost zejména na rostlinách hrachu setého. Znaky, které pozoroval, byly ovlivněny jedním genem (monogenní dědičnost). Na základě jeho práce byly formulovány Mendelovy zákony:

• Křížením dominantního (AA) a recesivního (aa) homozygota vznikne fenotypově (a genotypově) jednotné potomstvo. Všichni potomci z příkladu níže by měli stejné alely Aa, v rámci dominance by se projevila alela A (všichni potomci by měli růžové květy).

• Křížením heterozygotů (Aa) vznikne potomstvo v určitém fenotypovém (a genotypovém) štěpném poměru. Co se týče příkladu níže, u 75 % potomků by byla přítomna dominantní alela (AA, Aa), u 25 % jen recesivní (aa). Tedy 75 % potomků by kvetlo růžově (dominantní znak), 25 % bíle. Genotypový štěpný poměr by byl 1 : 2 : 1 (25 % AA, 50 % Aa, 25 % aa).

• Alely se rozdělují do pohlavních buněk nezávisle na sobě a mohou se nezávisle kombinovat. Kdyby na příkladu níže alely A/a ovlivňovaly tvar semen a B/b jejich barvu, vznikly by různé kombinace tvarů a barev semen.

Gonozomální dědičnost

Gonozomální (pohlavně vázaná) dědičnost se týká pohlavních chromozomů. Člověk má standardně pohlavní chromozomy XX (žena), nebo XY (muž). Geny na chromozomu Y převážně neodpovídají genům přítomným na chromozomu X. Recesivní i dominantní alely na chromozomu Y se tedy projeví prakticky vždy.

Typy a ovlivňování dědičných znaků

Dědičné znaky mohou být ovlivněné jediným genem (to je konkrétní úsek DNA), často ale bývají podmíněné více geny. Na tom, jaké znaky se u jedince projeví, se do značné míry podílí prostředí. Znaky mohou být:

• kvalitativní – Nelze je vyjádřit číslem, např. barva očí, vlasů, krevní skupina.
• kvantitativní – Lze je změřit a vyjádřit číslem, např. výška či hmotnost.

Soubor genů organizmu se označuje jako genotyp. Souhrn pozorovatelných znaků (vlastností), na jejichž projevu se podílelo i prostředí, se označuje jako fenotyp.

Podstata genetických chorob

Genetické choroby souvisejí se změnami chromozomů či mutacemi. Tyto odchylky vedou k tomu, že určité proteiny v těle nefungují správně. Některé genetické změny zapříčiní projev onemocnění téměř jistě, jindy mohou být změny DNA rizikovým faktorem. Genetické choroby se dědí podle určitých pravidel. Jejich pravděpodobnému přenosu je možné zabránit např. umělým oplodněním a implantací zdravého embrya.

Pravděpodobnost nově vzniklých genetických vad stoupá s postupujícím věkem rodičů. Genetické poruchy je možné zjišťovat např. z buněk z odebrané plodové vody.

a – Downův syndrom

b – rozštěp

c – zkouška
barvocitu

d – hemofilie

e – krevní sraženina

f – potraviny
s laktózou

Příklady genetických chorob

• Downův syndrom (ilustruje obrázek a) – Podmíněn trizomií 21. chromozomu (tyto chromozomy jsou 3 místo 2), vede k opožděnému psychickému a fyzickému vývoji.
• rozštěpy (b, např. patra, rtu…)
• poruchy barvocitu (c) – Nejčastěji vedou k poruchám vnímání červené a zelené barvy.
• hemofilie (d) – Vede ke snížené srážlivosti krve.
• leidenská mutace – Vede ke zvýšené srážlivosti krve a neslučuje se s užíváním hormonální antikoncepce. Častá v Evropě.
• fenylketonurie – V těle se hromadí aminokyselina fenylalanin, kterou nelze zpracovat.
• některé typy intolerance laktózy (mléčného cukru, f)

Umělý výběr a křížení

Lidé již před tisíci lety díky umělému výběru a záměrnému křížení získávali organizmy s určitými znaky. Takto vznikly prakticky všechny užitkové rostliny a živočichové.

Mutace

Jako mutace se označují změny DNA či chromozomů. Mutace nemusí vést ke změně znaku, mohou se ale projevit i pozitivně či negativně. Vznik mutací je mj. podstatou genetických i dalších onemocnění. Mutace v přírodě vznikají nahodile (působením fyzikálních a chemických vlivů). Uměle lze mutace navodit např. UV zářením, rentgenovým zářením či působením určitých chemických látek.

Cílené úpravy DNA

DNA lze cíleně upravovat např. prostřednictvím metody CRISPR, do organizmu je možné též zavést geny jiného organizmu (vzniklý organizmus se označuje jako transgenní). Takto vznikají tzv. geneticky modifikované organizmy (GMO). Ty nesou takové genetické změny, které by obvykle samovolně nevznikly v přírodě.

• Bakterie se geneticky modifikují často proto, aby dokázaly vytvářet určité látky (např. inzulin, různé enzymy).
• GMO rostliny mohou mít zvýšenou odolnost, být odolné pesticidům, vytvářet si pesticidy vlastní nebo např. produkovat určité látky (příkladem je β-karoten u tzv. zlaté rýže).
• Živočichové se geneticky modifikují zejména za účely výzkumu (výjimkou je např. losos AquAdvantage, prase GalSafe či svítící akvarijní rybky GloFish).
• Eticky nevyjasněnou záležitostí je genová editace lidských embryí.

Využití genetiky

Genetika má také zásadní uplatnění při zkoumání vývojových vztahů organizmů či jejich identifikaci (např. určování rodičovství, pachatele v kriminalistice, patogenu v odebraném vzorku). Genetika zkoumá, jak geny fungují a jaké proteiny na základě nich vznikají. Čím dál větší roli hraje genetika ve zdravotnictví (prevence a léčba dědičných chorob, mRNA vakcíny, v budoucnu pravděpodobně genová terapie).

Evoluce je proces postupného vývoje živých organizmů. Živé organizmy vypadají a fungují do určité míry různě (je u nich přítomna různorodost neboli variabilita, na úrovni druhů i při porovnání větších skupin). Organizmy a jejich znaky se mohou v čase měnit např. díky pohlavnímu rozmnožování či změnám genetické informace.

V rámci přirozeného výběru dochází k tomu, že přežívají a rozmnožují se jedinci, kteří mají výhodné znaky v souvislosti s prostředím, v němž žijí.

• Přizpůsobení se označuje jako adaptace. Tento pojem se obvykle používá pro znaky typické pro určitou skupinu organizmů, například druh. Příklad: Krtek obecný se adaptoval na hrabání chodeb v půdě širokými předními tlapami a proto se zde efektivně pohybuje a hledá potravu.
• Míra schopnosti organizmu přežít a rozmnožit se (a tím předat své geny) lze popsat jako evoluční fitness (zdatnost). Tento termín se obvykle používá pro porovnání jedinců určitého druhu v populaci. Příklad: Sýkora koňadra, která má lépe fungující termoregulaci než jiní jedinci, se lépe vyrovná se zimou a přežije do jara, kdy se může rozmnožit.

Druhy (skupiny) organizmů se v rámci evoluce mohou navzájem ovlivňovat. To se označuje jako koevoluce.

Evoluce se podílela na podobě všech současných i minulých živých organizmů a probíhá i v současnosti.

Organizmy se rozmnožují dvěma základními způsoby – nepohlavně a pohlavně.

Nepohlavní rozmnožování

Při nepohlavním rozmnožování je nově vzniklý jedinec svými znaky shodný s rodičem, je to jeho klon.

• Nepohlavní rozmnožování je u jednobuněčných organizmů (např. bakterií) spojeno s dělením buňky.
• U mnohobuněčných organizmů dochází obvykle k oddělení části těla původního organizmu, z něhož vznikne nový jedinec. K čistě nepohlavnímu rozmnožování tedy stačí jeden jedinec.

Co se týče mnohobuněčných organizmů, nepohlavního rozmnožování jsou schopní někteří bezobratlí živočichové (např. nezmar, ploštěnka v rámci regenerace). Obvyklé je u rostlin, kde se také označuje jako vegetativní.

V přírodě se vegetativně rostliny rozmnožují např. pomocí šlahounů (jahodník), cibulí (tulipán) či oddenků (přeslička, sasanka hajní, mnohé trávy). Vegetativní rozmnožování u rostlin využívá i člověk, v zemědělství či zahradnictví je díky němu možné získat větší množství rostlin se stejnými znaky. Lze zachovávat určitou odrůdu (kultivar) rostliny. Typickým příkladem je řízkování (oddělení stonku či listu s následným zakořeněním, často u pokojových rostlin) či roubování (přenášení roubu na podnož, často u ovocných stromů či keřů).

Nepohlavní rozmnožování neumožňuje rychlé změny znaků organizmů. U „stejných“ organizmů vzniklých nepohlavním rozmnožováním hrozí, že všechny obdobně podlehnou nějaké změně prostředí, nemoci aj.

Pohlavní rozmnožování

V rámci pohlavního rozmnožování dochází ke splynutí samčích a samičích pohlavních buněk. K pohlavnímu rozmnožování je obvykle potřeba více jedinců. Potomci vzniklí v rámci pohlavního rozmnožování se tedy liší od svých rodičů. Při pohlavním rozmnožování vzniká více různých kombinací znaků u potomků, dochází k rychlejším evolučním změnám. Zvětšuje se pravděpodobnost, že se objeví změny zvětšující schopnost přežít v daném prostředí a rozmnožit se.

Pohlavní rozmnožování se vyskytuje u mnohých hub, rostlin (u nahosemenných a krytosemenných rostlin spočívá v kontaktu pylu a vaječné buňky) i živočichů.

Živé organizmy mohou být v základu jednobuněčné či mnohobuněčné. U mnohobuněčných organizmů je potřeba, aby více buněk spolupracovalo ve vzájemném souladu a vystupovalo jako organizovaný celek.

Organizace těla

Buňky (a mezibuněčná hmota) u mnohobuněčných organizmů tvoří tkáně (soubory buněk s určitou funkcí). Z tkání se skládají orgány (např. list, květ, plíce, srdce). Z orgánů sestávají orgánové soustavy (systémy), ty se obvykle popisují u živočichů včetně člověka (např. srdce a cévy tvoří oběhovou soustavu). Z výše uvedených součástí se skládá celý jedinec.

Řízení činnosti těla

Koordinaci jednotlivých buněk/tkání či orgánů zajišťuje v základu komunikace pomocí hormonů. To jsou chemické látky, zpravidla odvozené z cholesterolu či bílkovinné povahy. U živočichů řízení těla pomocí hormonů zajišťuje hlavně hormonální (přesněji endokrinní) soustava. Hormony se přesouvají po těle (např. krví, hemolymfou) a ovlivňují i struktury vzdálené od místa jejich vzniku. Fungují ale i u rostlin (fytohormony) či hub.

U živočichů tělo řídí i nervová soustava. Ta využívá rychlého šíření vzruchů pomocí specializovaných buněk s výběžky (neuronů). Informace se v rámci neuronů šíří jako změna elektrického napětí na membráně.

Se řízením/udržováním koordinace v rámci těla souvisí i imunitní systém (imunita).

Příklad reakce na nepříznivé podmínky

Organizmy se ve svém těle snaží udržet stabilní prostředí. Směřují k tomu, aby se vyhly poškození svého těla. Jako příklad uveďme reakci na chlad či zvýšenou teplotu:

U živočichů se stálou tělesnou teplotou (ptáci, savci) ovlivňuje udržování teploty těla (termoregulaci) hlavně část mozku zvaná hypothalamus.

Komunikace mezi jedinci

Více jedinců stejného druhu tvoří populaci, více populací pak vytváří společenstva (biocenózy). V přírodě komunikace probíhá i mezi různými jedinci. Děje se tak např. pomocí pohybu, světla, zvuku či chemických látek. Chemické látky sloužící ke komunikaci mezi jedinci se označují jako feromony. Mají uplatnění např. při rozmnožování (vzájemném vyhledávání jedinců).