Stelica ENE Gabriela BREBENEL Elena Emilia IANCU
XII
manual pentru clasa a A
a
BIOLOGIE M inisterul Educatiei, • t 1 Cercetarii si Tineretului
Editura GIMNASIIM
C l J P R lN S
Capitolul I. GENETICA / 5 1.1 GENETiCff MOLECULfiRfl / 5 1. G e n c tic a m o le c u la r a - si tiin ta * v iito r u lu i / 5
1.1. Genetica-trecut, prezent, perspective / 5 2. Acizii nucleici-struetura si • > functii ^ /8 2.1. Rolul si structura acizilor nucleici / 8 ‘ 2.2. ADN-spirala vietii /1 3 LP. Modelarea structurii dublu catenare a ADN /1 8 2.3. Struetura si tipurile de ARN /1 9 2.4. Functia autocatalitica si heterocatalitica / 22 3. Organizarea inaterialului genetic / 29 3.1. Materialul genetic la virusuri si proeariote/29 3.2* Matcrialul genetic la eucariote / 32 L.P. Evidentierea cromozomilor uriasi la Drosophila m elanogaster/35 L.P. Evidentierea cromozomilor prin metoda rapida de colorare cu solutie carm in-acetica/35 3.3. * Genomica / 36 4. Reglajul g e n e tic /40 4.1. * Reglajul genetic la p rocariote/40 4.2. Reglajul genetic la eucariote / 44 Evaluare / 48
I..2. Genctica umana / 50 1. Genomul uman /' 50 ^ 1 . 1 . Complementul cromozomial uman / 50 L.P. Analiza de cariotip / 54 L.P. * Evidentierea cromatinei sexuale la om / 56 2 . Caractere fenotipice umane / 57 ^ 2 . 1 . Determinismul genetic al caracterelor fenotipice umane / 51 L.P. Stabilirea spectrului genetic individual / 62 3. Diversitatea genetica umana / 63 3.1. Genetica raselor umane / 63 4. Mutagcncza si teratogcneza / 6 6 ^ 4 .1 . Mutagenezasi teratogcneza umana 66 4.2. Anomalii cromozomiale asociate cancerului uman / 73
3
5. Imunogenetica / 76 5.1, Antigens. Alergii. Anticorpi / 76 6 . Consideratii biocticc in genetica umana / 81 6 .1. Domenii de aplicabilitate in genctica umana / 8 1 Evaluare / 85
Capitolul II. ECOLOGIA UMANA / 89 1. P a r t i c u l a r i t a t i l e e c o s is te m e lo r a n t r o p i z a t e / 89
1.1. Particularitati ale biotopului si biogenezei in ecosistemele antropizate / 89 L.P. * Investigarea sistem elorantropizate/94 L.P. Analiza factorilor abiotici / 96 L.P. Determinates structurii trofice in ecosistemele antropizate / 99 1.2. * Particularitati« ale fluxului de materie si in ecosistemele « energie c antropizate / 1 0 1 2. * Structura si dinamica populatiilor umane /105 2.1. Stmctura si dinamica populatiilor umane /105 L.P. * Analize statistice ale structurii si dinamicii populatiilor / 110 3. ImpactuI antropic asupra eeosistemelor naturale /114 3.1. ImpactuI antropic asupra ecosistemelor naturale /114 L.P. Evidentierea impactului antropic asupra ecosistemelor / 119 4. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /120 4.1. Efectele deteriorarii ecosistemelor asupra sanatatii umane /120 5. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126 5.1. Conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii /126 6 . * Dezvoltarea durabila / 131 6.1. Dezvoltarea durabila/131 Evaluare/134 Bibliografie / 136
Sola: Temele evidentiate cu (*) sunt siudiuie la clasele cu 2-3 ore/ saptamdna.
4
1.1. GENETICA MOLECULAR#
i
G E N E T IC A t n n r r A
M O LE C U LA R A a
v i i t o r u l u i
G tn tlie o - trccut, p rtz cn l, perspective G regor Mendel - Teoria facto rilo r e re d ita ri Prim ul oin de stiinta care a inteles ca trasaturile ereditare nu se transm it direct de la m am a si de la tata, la copii, ci indirect prin intermediul factorilor ereditari (denumiti mai tarziu gene), a fost Gregor Mendel (fig. 1). M endel a experim entat in mod deosebit pe mazare (Pisum sa tiv u m ), p la n ta c a re se re p ro d u c e p rin autopolenizare (autogamie). Pentru aceste cercetari, el a ales soiuri care aveau caractere d istin cte (co n trastan te) si constante, efectuand num eroase hibridari, prin polenizare artificiala si a i incrucisata * plantelor,
R e a m in t i t i - v a experientele de m ono hibridare si dihibridare efectuate de Mendel / M eritul lui Mendel a fost introducerea notiunii de factor ere ditar - un c o rp u s c u l de n a tu ra m a te r ia ls lo c a liz a t in nucleul celular. Mendel a analizat statistic rezultatele incrucisarilor. determinand cu precizie frecventa cu
Sfi ne reamintim ! Genetica este stiinta % y ereditatii » si a v a r ia b ili ta tii- la tu ri inseparable ale proceselor vietii. Ereditatea este proprietatea fundamentals a vietuitoarelor care asigura transm iterea cu fidelitate a tr a s a tu r ilo r m o rfo lo g ic e , fiziologice, de com portam ent, adica a caracterelor ereditare, de la p a rin ti la d e s c c n d e n ti. Ereditatea are astfel un caracter stabilizator, care asigura legatura organica dintre generatii. Variabilitatea este forma de manifestare a diversi tatii lumii vii. Este proprietatea urm asilor de a se deosebi de parinti cat si de frati, astfel meat fiecare individ este un unicat. Trasaturile care se transm it constant, cu mare fidelitate, de-a lungul generatii lor dc la parinti ia descendenti se numesc caractere ereditare.
care apar diferitele tipuri de caracteristici, nu numai in prim a generatie filiala ci si in a doua si a treia generatie. Organismele in care factorii ereditari pereche sunt de acelasi fel se numesc homozigote (bob neted AA, bob zbarcit aa), iar cei in care factorii ereditari pereche sunt diferiti, se numesc heterozigote (Aa). La indivizii heterozigoti se manifesta doar unul din caractere si anume cel dominant (A) iar cel recesiv (a) ramanc in stare ascunsa. Conditia ca un caracter recesiv sa se m anifeste este aceea ca faetorul ereditar ce detennina acest caractcr sa fie in dublu exemplar (aa). Mendel a deseoperit deosebirea dintre structura genetica a organismelor, num ita ulterior genotip si infatisarea organ ismelor, numita ulterior fenotip (rezultatul interactiunii dintre genotip si mediul de viata). Studiul modului cum se com porta in descendenta hibrizii rezultati in urma monohibridarii si dihibridarii 1-a condus pe Mendel la formularea teorieifactorilor ereditari descoperind legile ereditatii. 1. Legea puritatii gametilor :gametii sunt totdeauna puri din punct de vedere genetic indiferent ca provin din indivizi heterozigoti sau hom ozigoti deoarece contin numai unul din factorii ereditari pereche. 2. Legea segregarii independente aperechilor de caractere. Prin combinarea probabilistic^ a gam etilor indivizilor din prim a generatie F,, apare in generatia a doua F^ fenomenul segregarii caractere lor. Conform acestei legi fiecare pereche de factori ereditari segrega independent de alte perechi de factori ereditari. Rapoilul de segregare in F 2 este de 3D : Ir pentru fiecare pereche de factori ereditari iar, in cazul a doua pcrechi de caractere raportul dc segregare este de 9:3:3:1 (dihibridare). Mendel devine astfel fondatorul geneticii ca stiinta, iar anul 1865 - anul publicarii rezultatelor experientelor sale reprezinta anul aparitiei uneia dintre cele mai tinere si fascinante stiinte. Contemporanii nu 1-au inteles pe Mendel. Cand acesta a murit. a fost onorat pentru functiile sale sociale, dar ignorat pentru opera sa. In anul 1900 trei mari cercetatori - botanisti europeni: Hugo de Vries, Carl Correns si Erich Tschermak, in urma unor experience efectuate independent unul de altul, uimiti de regularitatea matematica a aparitiei unor caractere la urmasi, s-au grabit sa-si publice rezultatele. Impecabilele lor lucrari nu mai constituiau piioritati, ci doar confinnai’ea cercetarilor efectuate cu aproape 35 dc ani in urma de Gregor Mendel.
Th. Morgan - Teoria croxnozonaiala a ereditatii Mendel nu dispunea nici de cunostintc citologiee. nici de mijloaee tehnice care sa-i pernrita detectarea factorilor ereditari. Odata cu dezvoltarea unor noi ramuri ale biologiei (citologia - stiinta care se ocupa cu studiul celulei) se descopera cromozomii si ulterior rolul lor in transmiterea caracterelor ereditare. La inceputul secolului al XX-lea, Thomas Hunt Morgan (fig.2) a demonstrat ca factorii ereditari, num iti gene . sunt localizati in cronuKomi. Th. H. M organ - laureat al premiului Nobel, si echipa de cercetatori de la Univcrsitatea Colum bia au elaborat teoria cromozontiala a ereditatii. Ca urmare apare o noua stiinta, citowenetica. care studiaza ereditatea la nivel celular. Tezele acestci teorii sunt uiTnatoarele: I. Pentru fiecare caracter exists cel putin o gemu iar fiecare gcna ocupa un anumit loe (locus loci) in cromozom. G enelesuntdispusein cadrul caimozomului intr-oanumitasuccesiunc: dispunerea
lineara a gene tor in cromozomi;
6
2. Genele localizate in acelasi * crom ozom au tendinta • de a se transmite impreunS la dcscendenti (linkage): trammiterea inlantuita
a genelor dispuse in acelasi cromozom; 3. Intre cromozomii perechi se pot realiza schimburi reciproce de fragmente de ADN (crossing-over): schitnbul reciproc de gene
intre cromozomii omologi. Rezultatele obtinute prin experience realizate pe Drosophila melanogaster, i-au dat o mare satisfactie lui Morgan deoarece, pe de o parte confirma teoria sa dupa care genele se transmit inlantuit si, in acelasi timp, ofereau o exceptie fenomenul de crossing-over, ce facea ca teoria lor ereditara sa poata explica si aparitia diversitatii in natura. Catre anul 1933 Morgan si colaboratorii sai au alcatuit deja primele ”harticromozomiale*.
A cizii nucfeici in c e n tra l atentiei In anul 1928, m edicul englez F Griffith a deseoperit un fenomen de o foarte m are importanta - transformarea genetica - caruia nu a reusit sa-i dea o explicatie foarte clara la momentul respectiv, dar care va deveni una din m etodele ingineriei genetice, de transfer de gene de la o specie la alta. In 1944 se publica rezultatele unei experiente cruciale in biologie. O. T. Avery, C. McLeod si M. McCarty, continuand experientele doctorului Griffithsdescopera ca ADN-ul extras din pneumococi III S transform apneum ococii II R in pneumococi III S, deci ADNeste misteriosulfactor transformator al doctorului Griffith. Ideea ca ADN este purtatoru! informatiei ereditare a fost confirmata de multe alte experiente de transform are genetica efectuatc pe bacterii, plante si animate. ./. Watson si F. Crick anunta in 1953 ca au reusit, cu ajutorul razelor Roentgen, sa descopcre structura m acrom olecuiei ADN. M odetul lor este confirm at de M. Wilkins si % toti trei vor fi distinsi cu premiul Nobel pentru m edicina si biologie (1962), Modelul structurii bicatenare a ADN-ului este cea mai mare descoperire din secolul al XX-lea in domeniul biologiei. Daca in epoca aparitiei geneticii ca stiinta, la inceputul secolului al XX-lea, factorii ereditari m endclieni erau inca nistc unitati ipotetice deduse pe baza unor calcule statistico matem atice, in epoca noastra, cu ajutorul m etodelor m oderne de investigate s-a patruns tot mai adanc in intimitatea mecanismului ereditar. S-au tacut progrese in studiul bazelor biochimice ale ereditatii, ale codului si reglajului genetic, in cunoasterea procesului mutagen dar si in domeniul geneticii populatiilor. A luat astfel nastertgenetica moleculara,care studiaza ereditatea la ni vel biochim ic/iind cea mai tanara si mai moderna ram ura a geneticii. Caracteristic pentru epoca actuala de dezvoltare a geneticii moleculare este imbinarea armonioasa a cercetarii fundam entale cu cea aplicativa, fenomen care a facut posibila dezvoltarea medicinii, agriculturii, zootehnici, industriei fermentative, etc. ce due la rezolvarea unor probiemc fundamentale aleum anitatii. Inzestrata cu o forta extraordinara de a putea sa schimbe ’’natura biologica“, genetica viitorului poate ti asemanata cu energia atomica. D cpindc de intelepciunea omului dc a sti sa foloseasca aceasta forta in interesul sau in dctrimcntul sau.
7
1 ftetineti » r ! • Anul 1865 - Johan M endel, num it dupa calugarie G regor M endel, publica luerarea ’'Experiente asupra hibrizilor la plante“ , in care sunt redate experientele de hibridare la mazare si form ulate primele legi ale ereditatii. G regor Mendel pune bazele celei mai fertile dintre stiintele biologice ale secolului XX - genetica clasica. Anul 1900 - a insem nat actul de nastere al geneticii ca stiinta, cand cei trei cercetatori europeni au readus la lumina legile lui Mendel. Anul 1909 - Johansen propune term enul de gena notiunii de factor ereditar. Anul 1910 - Th. H. M organ elaboreaza teoria crom ozom iala a ereditatii si pune bazele citogeneticii. Anul 1944 - O. T. Avery si colaboratorii au dovedit ca ADN este substratul ereditatii. Anul 1953 - J. D. Watson si F. H. Crick au propus modelul de structure bicatenara a ADN*
1. Precizati trei mom ente decisive din istoria geneticii motivand alegerea voastra. 2. Imaginati m odele de transm itere a genelor folosind doua seturi identice de carti de joc. Puteti avea in vedere 1, 2 , . . . X caractere. 3. Defmiti urmatoarele notiuni pe baza cunostintelor din clasa a IX-a: ereditate, variabilitate, genotip, fenotip, hom ozigot, heterozigot, cromozomi, eariotip, recom binare genetica.
2 f
f
l
HCIZII NUCLEICI - STRUCTURE SI FUNCTII Rolul si structure ocizilor nucleic!
M isterloaul fa cto r tra n ifo rm a to r al doctorului G riffith In 1928, bacteriologul englezJ. Griffith com unica la Cam bridge o experienta extrem de ciudata. Lucra de la un Sfi ne reaminfim ! timp cu pneum ococi, tipul 11 si 111 , care se deosebesc intre Acizii nucleici au un rol deosebit ele prin caracteristici biochim ice usor detectabile. De de im portant in depozitarea informatiei asem enea, avea unele eprubete cu culturi virulente, care g e n e tic e , ei fiin d p u rtS to rii provoaca m oartea soarecilor folositi in experiente si alte caracterelor ereditare. eprubete cu culturi de pneumococi blanzi'\ are nu omorau soarecii. Pe medii decultura, pncumococii virulenti formau colonii mici, netede, de forma ”S“ (”SUde la smooth = neted). Cei nevirulenti formau colonii zbarcite la suprafata, de forma ”R i4 (rough = aspru). Griffith a facut doua suspensii de microbi: a) prima continea pneumococi II R nevirulenti; b) a doua continea pneum ococi III S, virulenti. 8
s s
El nu dorea sa ucida anim alele, ci sa prepare un vaccin. Pentru aceasta a omorat prin caldura microbii din suspensia b., apoi a inoculat am bele suspensii unui Pneumococi Pneumococi nevi lot de soared albi de laborator si a asteptat. Pneumococi Pneumococi virulenti rulenti si virulentinevirulenti virulent! omorati prin prin c; Spre su rp rin d e re a lui G riffith , ira marea majoritate a soareeilor au murit, desi prima suspensie le adusese microbi vii dar nepericulosi, iar a doua numai resturile microbilor virulenti. (fig. 3) Contrariat la cuim e, cercetatorul a repetat experienta dc mai m ulte ori cu soarecele soerecete soarecelo aoarocele moare acelasi traieste moar* * rezultat. Pentru a vedea ce m icrob traleste a omorat soared i, el a insamantat pe medii de cultura sange din cordul soareeilor Fig. 3 • E x p e rim e n te le lui G riffith morti. A constatat ca pe medii crescusera si se inm ultisera pneum ococi de tip 111 S virulenti, pe care Griffith ii stia morti si verificase ca sunt morti, Singura ex p licate a fenomenului era ca de la cadavrele pneum ococilor 111 S a trecut "ceva" in celulele pneum ococilor II R pe care i-a transform at in pneumococi III S virulenti. Acel ”ceva “ continea informatia ereditara care, odata ajunsa in noul organism, a functionat si a fost transmisa urmasilor.
9!
S tru ctu re chim ica a a c itilo r nucleici Acizii nucleici sunt substante chimice macromoleculare, care reprezinta cei mai lungi polimeri din lumea vie. Pentru ca unitati le structurale ale acizilor nucleici - monomerii - se numesc nucleotide, atunci putem spune ca m acrom oleculele acizilor nucleici sunt polinucleotide. O nucleotida este alcatuita din trei com ponente (fig.4) a) o baza azotatd; b) un zahar (o pentoza); c) un acidfosforic. (P). Exista doua categorii de acizi nucleici a caror denum ire deriva de la tipul de zahar pentozie pe eare il contin nucleotidele lor si care poate fi dezoxiriboza - D si riboza -R (fig.5). Se deosebesc astfel: - ADN - acidul dezoxiribonucleic, a carei m acrom olecula prezinta doua catene (lanturi) polinucleotidice; - ARN - acidul ribonucleic, a carei molecula prezinta de obicei o singura catena polinucleotidica. Din cele trei com ponente ale nucleotidelor, doar bazele azotate confera specificitate in cadrul fenomenului ereditar deoarece, pentozele si radicalul fosforic sunt comune tuturor m acromoleculelor HO-SCH
Fic. 5 • R iboza si d ezoxiriboza
9
I a d e n in A
L
Pig. 6 • Nuclei*I p u rin ic
GUANINA
l ibt. 7 • Baye p u rin icc : a) A d en in a; l») G u a n in a
NH-
T IM IN A
Fig.8 * N ucleul p irim id iu ic
Fig. 9 ♦ Baze pi rim idi nice
5‘fosfat
L.e|»5luj‘i
Ibsfodicstctice
-O -C H
o0
.Vhidroxil
H H' OH H
Fig. 10 • L e g a tu ri fosfodiesterice 10
t
U R A C IL
in
de ADN din lum ea vie. B azele azo tate din m acrom olecula acizilor nucleici sunt de doua tipuri: purinicc si pirimidinice. Bazele azotate purinice au ca elem ent esential doua cicluri condensate insum and 5 atomi de carbon (C) si 4 atomi de azot (N)(fig. 6 ). Hie sunt adenina - A si guanina - G(fig.7). Bazele pirim idinice au un singur ciclu cu 4 atomi de carbon (C) si doi atomi de (N) (fig. 8 ). Ele sunt: timina -T, citozina - C si uracilul - U ( f i g .9). In tre n u c le o tid e le m acrom oleculelor de acizi nucleici sc stabilesc legaturi intracatenare si intercatenare. a.L egaturile dintre nucleotide in cadrul m o n o caten ei sau lan tu lu i p o lin u c le o tid ic intracatenare - su n t le g a tu ri c o v a le n te , fosfodiesterice pe care le realizeaza radicalul fosfat (P) cu pentozele intre al treilea carbon (C,) al pentozei unui nucleotid si al cincilea carbon (Cs) al pentozei nucleotidului urm ator (fig. 10). Atat in ADN cat si in ARN in cadrul structurii prim ate (m onocatenare) nucleotidele alcatuiesc, prin radicalii lor glucidofosforici, un adevarat schelet sau coloana de care sunt legate bazele azotate (fig . 11)
b. Legaturile dintre nucleotide apartinand celordoua catene polinucleotidice intercatenare - se realizeaza intre bazele azotate purinice si cele pirim idinice. Acestea sunt legaturi de hidrogen, de slaba cncrgie. Ceea ce este cu adevarat uim itor in ”m odelul“ prezentat de Watson si Crick in 1953 privind structure ADN. este faptul ca bazele purinice si cele pirim idinice sunt plasate in molecula de ADN intr-un mod foarte precis. Totdeauna adenina este legata de tim ina prin legaturi duble, iar citozina este legata de guanina prin legaturi triple (fig. 1 2 ): A= T T=A C=G G=C A fost stabilita astfel legea com plem entaritatii bazelor azotate care evidentiaza ca intr-o m olecula de ADN bicatenar (form ata din doua catene) bazele azotate se im perecheaza specific. Acelasi lucru se intam pla si in cazul in care ARN-ul este bicatenar cu o singura exceptie: tim ina este inlocuita cu uracilul: Fig. 11 A= U U=A C=G G=C Observam ca exista 4 tipuri de nucleotide corespunzatoare celor 4 baze azotate caracteristice fiecarui tip de acid nueleic(fig. 13): In ADN: In ARN: P -D -A ; P -R -A ; P -D -G ; P -R -G ; P -D -C ; P -R -C ; P -D -T . P -R -U . Aceste 4 tipuri dc nucleotide sunt echivalente cu 4 litere ale unui alfabet. Alfabctul folosit de "mana evolutiei“, pentru a scrie o atat de vasta inform atie ereditara pe ADN, pare extrem de sarac la o prima vedere -A, T, G, C, dar in realitate posibilitatile de codificare biochimica si deci de realizare de seturi diferite de
• I,a n t p o lim ie lc o tid ic
Fig. 12 • P unti dc h id ro g en
■
f f
ARN Adenina ^
Uracil
Guanina ^
WH O M
B aza az o ta ta
G ru p are
^
Baza azotata
G ru p are fo sfa t OH OH Riboza
H OH H Dezoxiriboza
Fig. 13 • N u cleo tid e cu h a /e p u rin ic e si p irim id in ice 11
inform atie ereditara sunt teoretic infinite. Stiind ca in m od norm al secventa de nucleotide a macromoleculelor de acizi nucleici biologic active au ca limita inferioara circa 3000 nucleotide, ajungand la limite superioare de ordinul de sute de mii de m ilioane de nucleotide, ne putem expliea enormul potential de codificare pe care il poseda acizii nucleici. La aceasta se adauga si faptul ca uniunile de tipul A - T si C - G: a.pot sa altem eze; b.pot sa se repete de 2, 3 ori; c.pot sa altem eze inversat A - T, urm at de T A. Cu cat sistemul are mai multe com ponente si acestea sunt mai diferentiate, informatia este mai bogata si mai complexa. Rolul acizilor nucleici 1. Acizii nucleici reprezinta substratul ereditatii. Ei auinscrisa, sub forma de codificare biochimica informatia ereditara in catena polinucleatidica. 2. Acizii nucleici asigura totodata transm iterea informatiei genetice de la o generatie la alta. Transmiterea informatiei ereditare, de la celula mama la celulele fiice, se realizeaza in cursul procesului de diviziune celulara.
I ftelineti r f ! « A cizii nucleici reprezinta cei mai lungi polim eri din lum ea vie. In organizarea si functionarea m aterialului ereditar, com plem entaritatea bazelor azotate este proprietatea esentiala. * Secventionalizarea bazelor azotate de-a lungul catenelor m acrom oleculelor acizilor nucleici duce la cresterea posibilitatilor de inscriere a inform atiilor ereditare.
I
A PU C bTU
1. Asociati elementele din cele dou3 coloane: /. Nucleotide 1. A-D-P 2. A-R-P 3. T-D-P 4. T-R-P 5. U-D-P 6 . U-R-P
I. Legaturi intre nucleotide A. Legaturi duble de hidrogen B. Legaturi triple de hidrogen C. Legaturi esterice
II. Acizi nucleici A. ADN B. ARN
II. Substante implicate intre aceste legaturi 1. Adenina '•si 5 timina 2. Citozina si guanina 3. Adenina si uracil 4. Radical fosfat si pentoza
2. Urmatoarele afirmatii despre adenina sunt adevarate cu exceptia: A. Este o baza azotata purinica. B. Are doua cicluri condensate insum and 5 atomi de carbon si 4 de azot. C. Este prezenta in ADN si in ARN. D. Este com plem entary cu uracilul si timina. E. Are un singur ciclu cu 4 atomi de carbon si 2 de azot. 12
3. Macromoleculele de ADN si ARN au urmatoarele asemanari cu o exceptie: A. Se num esc polinucleotide deoarece contin mai multe unitati numite nucleotide; B. In nucleotidele celor doi acizi nucleici se afla 3 tipuri de baze azotate: adenina, citozina, guanina; C. N ucleotidele de ADN si ARN contin pentoze (un zahar cu 5 atomi de carbon); D. N ucleotidele sunt legate prin legaturi electrostatice de hidrogen; E. N ucleotidele sunt legate prin legaturi esterice. 4. Explicate care sunt factorii care due la cresterea posibilitatilor deinscriere a informatiilor ereditare si macromolecula acizilor nucleici.
ADN - s^lreSo vlcti! ——i i n—
mart
iim h t m m —
mi
ok —
t i »
a
---------------------------------------------------------------------------------------------------- _--------------- -
Sfi ne reamintim ! Sintetizand datele acumulate in literature de specialitate cu cele obtinute in urma experientclor proprii, in anul 1953 Watson si Crick au propus m odelul de structura bicatenara a ADN.
S tru c tu ra prlm ara si secundara a AD N A D N se p re z in ta ca o s u b s ta n ta macromoleculara bicatenara alcatuita din doua catene polinucleotidice, rasucite helicoidal, in ju r u l u n u i ax c o m u n . D is tin g e m in m acrom olecula de ADN 2 structuri (fig. 14):
a. Structura primara monocatenara este data de secventa de nucleotide dintr-o catena care exprima m odalitatea de incifrare, de inscriere sub forma codificata biochimic, a informatiei ereditare. b. Structura secundara este data de structura bicatenara dubla helicata. Diametrul dublului helix este de 2 nm ( 2 0 A) avand un pas (spira) de 3,4 nm (34 A). Fiecare spira a dublului helix ADN cuprinde 10 nucleotide (fig. 15). Cele doua lanturi polinucleotidice sunt antiparalele, adica la unul dintre ele, legaturile fo sfo d ie ste ric e se re a liz e a z a in tre C 3 al d e z o x irib o z e i unei n u c le o tid e si ■ » C .} al nucleotidci urm atoare, pe cand la nivelul c e lu ila lt lant p o lin u c le o tid ic , le g a tu rile fosfodiesterice se realizeaza invers: C$+ Ci
F r a g m e n t d in m o le c u la ADN F ra g m e n t de cro m o zo m cele 2 ca te n e com plem entare b a c te r ia n fo rm a t s u n t ra su cite elicoidal d in 2 c a te n e r a s u c ite e lic o id a l perechi de baze pom-
detaliu
seheletul zah^r - fosfat
detaikJ
M olecula ADN: 2 catene antiparalele si com plem entare A denina este m ereu legata de tim ing si guanina de citozina 1 la n t = o c a t e n a
1 la n t = o c a t e n i
p o l in u c le o t id ic a
p o lin u c le o t id ic e
Fig. 14 • S tru c tu ra m olcculci de ADN
13
Im p e re c h e re a in tre b a z e le a z o ta te are la b aza p rin c .r . com plem entaritatii, cel mai de seama in organizarea si fu n ctio n a ry m atcrialului genetic ereditar. Astfel adenina (A) este com plem entara tim in ei (T ), iar g u an in a (G ) este c o m p lem en tara cito z in e i (C ). lm perecherile de baze se realizeaza prin interm ediul unor punti de hidrogen: doua intre adenina si tim ina (A = T) si trei intre guanina si citozina ( C=G )• Legaturile de hidrogen se formeaza si se dezorganizeaza cu usurinta fara sa necesite surse energetice speciale. Acest fapt explica modul in care se desfasoara replicarea ADN, transcrierea informatiei din ADN sau repararea ADN etc, Structura bicatenara a ADN prezinta de regula o mare stabilitate fizica. Ea este asigurataastfel: a. pe verticala, de puntile fosfodiesterice intracatenare; b. pe orizontala, de puntile de hidrogen intercatenare. Caracteristicile structurale finale ale ADN dublu catenar sunt dictate insa de moleculele de dezoxiriboza (D) care se aseaza, cu oxigenul inelului orientat in sus, in cadrul unei catene si orientat in jos, in cadrul catenei complementare(fig. 16) Din cauza acestui aranjament opus al moleculelor de dezoxiriboza Fig. 15 • S tru c tu ra in cele doua catene, si deoarece dezoxiriboza se leaga la o pozitie secu n d arS a ADN excentrica a bazei azotate, intreaga m olecula de ADN este obligata sa se rasuceasca, sa se spiralizeze, rezultand Punte de hidrogen Baza azotata nu o structura dreapta bicatenara ci una spiralata - dublu Dezoxiriboza helix, in care fiecare pereche succesiva de baze azotate se intoarce cu 36° in directia acelor de ceasomic (rasucire dextrogira), iar dublul helix face un tur complet de 360° la fiecare 1 0 percchi de baze. Datorita structurii bicatenare,m acromolccula de ADN poate suferi fenomene de denaturare-renaturare si replicare(autocopiere). Denaturarea -renaturarea ADN
h 2c
\ 0 ^ \
HjC \
o
^ N
e
°
N
ADN (bicatenar)
Fig. 16 * S tr u c tu ra chim ica a ADN
14
*
Prin incalzirca unei solutii in care se afla ADN , cele doua catene com plem entare se despart si ADN-ul devine monocatenar. Daca solutia este racita brusc j, i ADN-ul ram ane m onocatenar ADN denaturat iar, daca se raceste trcptat, cele doua catene se atrag datorita complementaritatii bazelor azotate si ADN-ul isi reface structura dublu-catenara -A D N renaturat (fig. 17). A m estecand m onocatcne ADN de la specii diferite se form eaza prin renaturare partiala hibrizi moleculari. Procedeul este folosit de oamenii de stiinta in studiul relatiilor filogenetice dintre specii.S peciile inrudite au temperaturi apropiate de denaturare a ADN si realizeaza o renaturare rapida si de mari proportii cand
2 —
—
incalzire
------------------------------- * —
f 11
ADN
ADN
bicatenar
monocatenar
Fig. 17> D e n a tu ra rc a - rc n a tu ra re a ADN
1
li se am esteca monocatenele deoarece, secventele polinucleotidice sunt identice pe mari portiuni. De exem plu, procentul de renaturare intre m onocatenele ADN de la om si de la maimute este de 75%, pe cand intre m onocatene ADN de om si soarece este de num ai 25%. Replicarea (autocopierea) ADN Este stiut faptul ca de m iliarde de ani ADN-ul se imparte si se tot imparte numarului imens a miliarde de generatii de celule. Cum se face ca A DN-ul nu se epuizeaza in procesul diviziunii celulare? Raspunsul este replicatia (autocopierea) ADN. D eoarece ADN contine inform atia genetica a celulei, sinteza sa este bifurcatie de unul din cele mai importante evenim ente din viata replicare: separarea lanturilor prin ruperea a c esteia . S in te za A D N , care se re a liz e a z a prin legaturilor de hidrogen interventia unui com plex aparat enzim atic, este o reactie de tip replicativ si este unicul caz din lumea biomoleculelor in care o substanta isi dirijeaza propria sinteza. M o d elu l de s tru c tu ra b ic a te n a ra a A D N sugereaza modul in care poate avea loc sinteza de ADN inaintea procesului de diviziune celulara: • In principiu, m odelul admite realizarea unei denaturari fiziologice progresive a m acrom oleculei bicatenare de ADN, prin desfacerea legaturilor de hidrogen. In acest proces intervin mai m ulte enzime, Ele a c tio n e a z a p recu m c u rso ru l u n u i ferm oar, despartind cele doua catene. Separarea este treptata, poniita din punctul de initiere si se continua progresiv spre un punct term inus, A stfel, in plin proces de replicare, macromolecula de ADN capata forma literei MY“ . Punctul de ramificare a m acrom oleculei de ADN Fig. 18 » S chcina repiicatiei ADN se numeste bifurcatie de replicare (fig. 18). Desfacerea leg atu rilo r p ro g reseaza p an a la ce la la lt capat al biomoleculei helicoidale. Ar urma sa apara doua catene polinucleotidice izolate, ceea ce nu se intampla deoarece, pe m asura ce spirala se desface si procesul avanseaza, incepe refacerea ei.
15
din
Au rezultat doua macromolecule
hidrogen, macromolecula de
citoplasm£ se ataseaza pe
de ADN bicatenar, fiecare avand o
ADN se separa in cele doua
baza de complementaritate
catena veche (care a avut rolul de
catene complementare
de catenele vechi.
model) si o qatenS nou sintetteatg.
Prin
ruperea
p u n tilo r de
N u c le o tid e le
lib e re
Fig. 19 • R cp licarea ADN du p £ m odelul sem ico n serv ativ
• Prin desfacerea puntilor de hidrogen se separa cele doua catene com plem entare ale dublului helix si ca urm are nucleotidele lor ram an expuse cu gruparile chim ice libere. • D ezoxiribonucleotidele libere din citoplasm a celulara se pot asocia succesiv, pe baza de complementaritate, cu cele incadrate deja in monocatenele ADN, ce joaca, in acest fel, rol de matrita. In acelasi tim p intre doua nucleotide aliniate suecesiv se realizeaza legatura ehim ica covalenta, fosfodiesterica ce uneste grupul 3' OH al primei nucleotide cu 5' fosfatul celei dc-a 2-a nucleotide. rezultand cate o catena polinucleotidica noua. Catenele replica raman atasate prin punti de hidrogen de catenele matrita. • Rezulta 2 m olecule fiice de ADN, identice cu cea initiala, care vor fi repartizate in cele doua celule fiice in timpul diviziunii. Fiecare m olecula de ADN confine o catena veche - m atrita si una nou sintetizata. Se poate spune astfel ca replicarea m acrom oleculei de ADN are loc dupa m odelul ’’sem iconservativ44, adica fiecare m olecula fiica de ADN mosteneste doar una din cele 2 catene ale moleculei parentale initiate, de ADN (fig. 19). Tipuri de ADN M odelul clasic de ADN, propus de Watson si Crick este caracteristic zonelor cu eucrom atina si reprezinta tipul B de ADN (fig. 2 0 ). In form a B , dublul helix ADN are rasucire dextrala si 10 perechi de baze per tur: un tur com plet al helixului are 34 A, iar inclinatia fata de orizontala planului perechilor de baze este zero. In alte conditii, m acrom olecula dublu-catenara de ADN se poate afla si sub alte forme structurale: tipul A si tipul Z. 16
Forma A a duplexului ADN arc ,de asem enea, rasucire dextrala si 11 perechi de baze/tur dc helix : pasul helixului are 28 A iar perechea de baze azotate are o inclinatie de 2 0 ° fata de orizontala. Forma Z prezinta seheletnl glucido-fosforic sub forma de z ig -zag ; are rasucire spre stanga,cu 1 2 perechi de nucleotide/turde helix.
Tipuri de AD N
Rotatia moleculei
A B Z
Perechi baze/pas elice
Dreapta Dreapta Stanga
Diametrul molecutei(A)
11
23
10
20
12
18
! ■| Retineti » Replicarca ADN este unica reactie in Univers, in care o m olecula preexistenta serveste drept model pentru sinteza a doua molecule fiice identice. Ea este posibila datorita structurii bicatenare a m acrom oleculei de ADN.
| /(P LIC h JII 1. Cele doua catene ale moleculei de ADN sunt complementare deoarece: A. Sunt opuse B. O baza purinica dintr-o catena se leaga cu o baz5 pirim idinica din cealalta catena C. Cele doua catene sunt antiparalele D. Exista legaturi esterice putem ice intre cele doua catene E. Legaturile electrostatice se desfac usor 2. Rcplicatia - autocopierea: A. Are loc cand celula se pregateste de diviziune B. In acest proces intervine ADN polim eraza C. Cantitatea de ADN se dubleaza D. Vor rezulta doua m olecule bicatenare de ADN E. Are loc in tim pul diviziunii celulare 3. Asociati,------------------------------------------------------notiunile din cele doua coloane: ---------------/. Caracteristici ale macro-
II. Argumente care sustin aceste caracteristici
moleculei de AD N 1. Dublu helix
A. Se stabilesc legaturi intercatenare intre o baza purinica si una pirim idinica 2. Catene antiparalele B. ADN-ul sintetizat are numai o catena noua 3. Catene complem entare C. Are doua catene infasurate in ju ru l unui ax 4. Denaturare D. Cele doua catene sunt legate prin legaturi duble si triple de hidrogen 5. Replica este sem iconservativa E. La incalzire spre 100°C puntile de H se rup 6 . Renaturare F. Prin racire treptata cele doua catene se atrag datorita complem entaritatii intre bazele azotate 7. ADN denaturat G. Prin racire brusca ADN ram ane m onocatenar H. Legaturile intre doua nucleotide succesive sunt de tip 5' - 3' intr-o catena si de tip 3'- 5' in cealalta catena.
17
4. Adevarat sau fals? a) in plin proces de replicare macromolecula de ADN capata forma literei ”Y“ deoarece separarea celor doua catene este treptata pornita din punctul de initiere pana la punctul terminus. b) Replicatia ADN se realizeaza cu inalta fidelitate deoarece datorita com plem entaritatii, nucleotidele libere se vor organiza form and o catena noua pe langa fiecare din cele doua catene vechi (care functioneaza ca o m atrita).
M edtlarto slruclurii dublu cattnors q ADN-ului M aterialenecesare : carton sau placaj, trusa traforaj, echer, com pas, culori diferite, sarma de cupru sau alum iniu de grosimi diferite, ace cu gamalie.
M od de lucru , 1. Desenati pe carton sau pe placaj modelele bazelor azotate purinice ( 1 0 cm) si pirimidinice (5 cm). 2. Decupati modelele si colorati-le: Aportocaliu; G- galben; T- rosu; C- rosu deschis; Realizati circa 30 40 de copii pentru fiecare baza azotata. 3. Desenati modelul dezoxiribozei ca cel din figura si stabiliti pozitiile carbonului 3 ’ si 5' . Realizati 3 0 - 4 0 copii de culoare verde. 4. Desenati un patrat cu latura de 3 cm, reprezentand radicalul fosfat; relizati 30 - 40 copii de culoare albastra. 5. Stabiliti o succesiune de baze azotate pentru una din catenele dublei elice. 6 . Pe principiul complementaritatii, stabiliti cu ajutorul decupajelor bazelor azotate, succesiunca de pe catena complementara. 7. Legati bazele azotate de la cele doua catene prin punti de hidrogen (doua intre A - T sau T A si trei intre G - C sau C - G), folosind sarme cu diam ctru mai mare. 8 . L e g a ti b a z e le a z o ta te de dezoxiriboze prin sarme mai subtiri. 9. S ta b iliti le g a tu r ile in tre dezoxiriboza si radicalul fosforic, urmarind regula ca la o catena aceasta legatura sa fie de la C s ’ -> C3’, iar la com plem entara de la C 3’ *> C 5.. A 10. Incercati sa imperecheati purine cu purine si pirim idine cu pirim idine si observati grosimea machetei rezultate. 18
Structure si tlpurile de ARN Sfi ne reaminlim ! D aca ADN reprezinta substanta m acrom oleculara cu functia primara ereditara. ARN este implicat indeosebi in realizarea decodificarii informatiei ereditare.
S tru c tu ra AR N Acidul ribonucleic-ARN este o substanta macromoleculara avand o structura primara monocatenara, cu m olecula constituita,de regula, dintrun singur lant polinucleotidic, in care in locul timinei se afla uraciluh iar in locul dezoxiribozei se afla riboza (fig. 2 1 ). Reamintiti-va componentclc unci nucleotide! Legaturile dintre nucleotidele succesive sunt.ca si in A D N Slegaturi diesterice realizate intre radicalul fosfat si pentoza (riboza). La unii acizi ribonucleici cu catena polinucleotidica mai lunga, ARN se pliaza iar partile pliate pot fi legate prin punti de hidrogen tot pe baza de complementaritate. M oleculele de ARN, nu pot avea dim ensiuni foarte mari, deoarece cu cat creste numarul nucleotidelor (peste cateva mii) cu atat stabilitatea moleculei scade. S in te z a A R N ( tr a n s c r ip tia ) se re a liz e a z a to t pe b aza complementaritatii bazelor azotate ca si in cazul replicatiei ADN. Cele doua catene ale macromoleculei de ADN se despart, pe intervalul care urmeaza a fi transcris, numai ca de data accasta va actiona ARN polimeraza. Acum va transcrie numai una din catenele moleculei de ADN. Catena de ADN care functioneaza ca matrita pentru sinteza ARN, se numeste catena sens. ADN
Uracil
O ij^ O
NH2
9
NH2 Guanina
Fig. 2\ • S ch em a ■ m acrom olcculei d e ARN
ADN
D g:
Pm p#
ADN ♦p
p# p# p*
P^ p«
SG SG
«p #p
o p# B
•
p
G ■ Dt D
ADN ARN p. * v P# P SM V p# »
mam * #P V
g;
p
v:/
p# d h
0
0
#p
TRANSCRIERE
REPLICARE
ADN
DB
*P «p O'
0
© *
d #p
<0^
Fig. 22 * C o m p a ra tie re p lic a re - tra n s c rie re
#p
ADN n
0
•p •p 11 ° ♦• p G » •p G O•p 0 sa °
n
#p
0
IH 19
Nucleotidele libere care se vor alinia pe baza complementaritatii vor contine riboza. In dreptul adeninei de pe catena m atrita se va atasa uracilul in catena nou sintetizata. Polim erizarea de ribonucleotide in transcriptie se desfasoara in acelasi sens ca reactia de polim erizare a dezoxiribonucleotidelor din cadrul replicatiei ADN si anum e de la 5' la 3' (flg.22).
Tipurile de A R N si Sunctiile lor Sunt doua clase de ARN si anume: una care controleaza ereditatea la unii virus \-ARN viral si alta care este implicata in sinteza proteinelor spec\f\ce-ARN celular.
1, A R N viral este materialul genetic al ribovirusurilor: unii bacteriofagi, unele virusuri vegetale (virusul mozaicul tutunului) si unele virusuri animate (virusul turbarii, poliom ielitei, gripal (fig.23), stomatitei veziculare etc). El se poate afla tie sub forma monocatenara, fie sub forma bicatenara (mai rar). Replicarea ARN viral este asigurata de celula ga/da sub actiunea unei enzime (ARN polimeraza) numita ARN replicaza sau ARN sintetaza. ARN viral este purtator unic al informatiei ereditare si la viroizi (au doar o m olecula m ica de ARN, fara invelis proteic) dar si la retrovirusuri. In cazul retrovirusurilor, replicarea ARN sc realizeaza cu ajutorul enzimei rcverstranscriptaza. Aeeasta este o ADN polim eraza care utilizcaza o m atrita de ARN pentru sinteza unei catene de ADN. In prima etapa rezulta un hibrid m olecular ARN - ADN. dupa care este hidrolizat ARN si ADN complementar este trecut sub forma bicatenara. Descoperirea reverstranscriptiei a contribuit la intelegerea mecanismelor de transformare maligna (carcinogeheza) si totodata a dem onstrat ca inform atia genetica nu circula intr-o directie unica ADN —► ARN —► proteine, ci si de la ARN —► ADN. 2. ARNcelular este implicat in decodificarea informatiei ereditare si traducerea ei in secvente de aminoacizi in procesul de biosinteza a proteinelor. Trecerea informatiei ereditare de la ADN spre proteine nu se poate realiza direct, datorita deoscbirilor in structura celor doua tipuri de macromolecule. Este necesara, asadar, interpunerea unor molecule adaptoare. Acestea sunt reprezentate de diferitele tipuri de ARN:
a. ARN m - acidul ribonucleic mesager; b. A R N t - acidul ribonucleic solubil sau de transport; c. A R Nr —acidul ribonucleic ribozomal. a. A R N mesager (ARNm) - poarta mesajul genetic inscris in secventa sa de ribonucleotide. ARNm este m onocatenar si are o Iungime variabila. in functie de lungim ea genei (ADN) pe care a transcris-o. de marimea mesajului genetic purtat (fig.24 a). El se asociaza cu ribozomii din citoplasma celulara, la nivelul carora dicteaza secventa de aminoacizi din catena polipeptidica. Dupa ce molecula de ARNm isi indeplineste rolul sau de mesager, el este supus hidrolizei enzimatice si depolimerizat. N eu ram in idaza b. A R N de transfer (ARNt) este specializat H em aglutin ina pentru aducerea aminoaeizilor la locul sintezei proteice. B istrat lipidic Proteina matrixului M olecula este formata din 70 - 90 nucleotide. Are portiuni bicatenare, care ii dau aspectul unei frunze de A RN polim eraza N ucleop ro teina trifoi(fig.24b). Are doi poli functional!: unul la care se ARN ataseaza un aminoacid, altul care contine o secventa de 3 baze azotate numita anticodon, cu ajutorul careia ARNt rccunoaste la nivelul ribozomului, codonul din ARNm corespunzator am inoacidului pe care il poarta. Recunoasterea codon anticodon are loc la nivelul Fig. 23 • V iru su l g rip a l ribozomului in procesul sintezei catenei poiipeptidice. 20
>ARNr
RIBOZOMUL C)
Locul sin tezei pro teice
ARNr ARN ribozom ai intra in stru c tu ra ribozom ului Fig. 24 • T ip u ri dc ARN
c.
A R N ribozomal (ARNr)
intra in structura ribozomilor. alaturi de proteinele ribozomale, atat la procariote cat si la eucariote. El este sintetizat tot prin transcriere din ADN, dupa care catena de ARNr, se pliaza form and portiuni bicatenare datorita com plem entaritatii bazelor azotate (fig.24,c). Un ribozom este format din 2 subunitati care vor recunoaste (tot pe baza com plem entaritatii) si vor atasa intre ele nucleotidele de recunoastere de la inceputul moleculei de ARNm.
ftetineti ! Transcriptia (transcrierea) genica este procesul complex de copicre a informatiei genetice purtata in secventa de dezoxiribonucleotide a genei (ADN) intr-o secventa com plem entara dc ribonucleotide cu sinteza diferitelor tipuri de ARN celular. ARNm - purtator de mesaj genetic ARNt - tra n sp o rte d ! de am inoacizi la ribozomi A RNr com ponent al ribozom ilor • sediul sintezei proteice.
|
/4PLICNTII
1. Asociati notiunile din cele doua coloane: /. Tipuri de A R N II. Functii d eA R N 1. ARNm A. Este material genetic pentru viroizi 2. ARNt B. Transfera am inoacizii la ribozomi 3. ARNr C. Copiaza inform atia genetica a unci catene din m acrom olecula de ADN 4. ARN viral D. Se autocopiaza E. Intra in alcatuirea ribozom ilor asociat cu proteinele
21
2. ARN mesager: A. Constituie m aterialul genetic al eucariotelor B. Are succesiunea nucleotidelor com plem entara cu a ADN-ului copiat C. Are portiuni bicatenare D. Este intotdeauna m onocatenar E. Are o greutate m oleculara variabila 3. ARN de transfer ARNt: A. La un pol se ataseaza un anum it am inoacid B. M olecula este monocatenarS si are lungimi diferite C. Are m olecula form ata din 70 - 90 de nucleotide D. Transporta am inoacizii la nivelul ribozom ilor E. La un pol contine o secventa de trei nucleotide care recunoaste o anum ita secventa a ARN ribozomal unde se aseaza pe baza com plem entaritatii 4. ARN ribozomal: A. Este sintetizat prin transcriere din ADN B. Intra in alcatuirea ribozom ilor asociat cir proteine C. Prin pliere formeaza portiuni bicatenare datorita complementaritatii bazelor azotate D. Este purtator al informatiei genetice la virusuri E. Transporta aminoacizii la ribozomi - locul sintezei proteice 5. Adevarat sau fals? A. ARN m esager (ARNm ) are rolul de a copia inform atia genetica dintr-un fragm ent de ADN deoarece m olecula de ARNm are portiuni bicatenare care li dau forma unei frunze de trifoi. B. ARN de transfer (ARNt) este specializat pentru aducerea am inoacizilor la locul sintezei proteice deoarece m acrom olecula de ARNt are doi poli fu n c tio n a l. C. ARN este purtatorul unic al informatiei genetice deoarece ribovirusurile si viroizii nu contin AD N .
funetio eutocotolitic& si h*t*rocotalitic 6 9
9
Sfi ne reamintim ! Informatia ereditara este inscrisa in ADN sub forma de codificare biochimica, adica sub forma unei secvehte date de baze azotate. Ea se poate autoreproduce si poate fl transferata prin transcriere genetica, pe baza principiului complementaritatii. diferitelor molecule de ARN. Dintre acestea. ARN m esager este singurul purtator de mesaj genetic si supus traducerii la nivelul ribozom ilor- sediul sintezei proteice.
Materialul genetic indeplineste doua funtii importante: - autocatalitica - reprezentata de rcplicatia ADN-ului; - heterocatalitica - reprezentata de biosinteza proteica. Conform dogmei centrale a geneticii (fig.25) informatia genetica se reproduce prin
22
replicatie si este decodificata(transform ata intr-o proteina spccifica) prin transcriptie si translatie. 1. Functia autocatalitica consta in capacitatea m oleculelor de ADN de a se autoreproduce cu inare fidelitate dupa modelul semiconservativ. Reamintiti-va modul cum se realizeaza replicatia A D N !
ADN t r a n s c r ip t ie !
I
Studiul ciclului celular (fig. 26) a relevat existenta unei anum ite ARN -m constante a dinamicii cantitatii de ADN in celule. Astfel,in interfaza - prima TRANSLATIE faza a ciclului celular - exista mai m ulte perioade: Proteine -perioada 6 7 - primul gol sintetic, cand cantitatea de ADN din celula ramane constanta; crom ozom ii sunt m onocrom atidici, fiecare este format Fig. 25 • D ogm a dintr-o m acrom olecula de ADN formata din doua crom onem e (2 C); cc n tra la a geneticii -perioada S de sinteza, in care arc loc replicarea ADN care se incheie cu dublarea cantitatii de ADN; crom ozom ii devin bicromatidici, format! din doua m acrom olecule de ADN ce contin patru crom onem e (4 C); - perioada G2 - al doilea gol sintetic, in care se prezerva cantitatea dubla de ADN (4C). In timpul diviziunii cclulare - a doua etapa a ciclului celular cantitatea de ADN este variabila in diferitelc faze ale procesului. Astfel in profaza si metafaza mitozei cromozomii sunt bicromatidici. iar cantitatea de ADN din celula este aceeasi cu cantitatea de ADN a celulei ce a intrat in diviziune. In anafaza, crom ozom ii redevin m onocrom atidici prin clivarea longitudinala a celor bicromatidici migreaza spre polii celulei si in final (la sfarsitul telofazei) rezulta doua celule fiice cu acelasi numar de crom ozom i si ? aceeasi » cantitate dc ADN ca si T celula mama. Diviziunea meiotica, care se desfasoara in organele reproducatoare ale organism elor pomind de la celule diploide (2 n), determina form area celulelor haploide (n) si reduce la jum atate numarul de cromozomi si respectiv, cantitatea de A D N f Astfel, in tim p ce celulele somatice au o cantitate dubla de ADN celulele gametice vor avea doar jum atate. Cantitatea de ADN sedubleazain urma singamiei gametilor si formarii zigotului diploid. Filam ent 2. F u n ctia h etero ca ta litica nuclear consta in faptul ca materialul genetic are duplicat Inceputul Individualizarea ca p a c ita te a de a d e term in a sin teze d u p lic a rij^ j^ ... Filamentul crom ozom ilor spccifice de proteine, cu o anum ita nuclear bicrom atidici secventa de aminoacizi. despiralizat C a lita tile f iin te lo r v ii se intem eiaza in ultim a analiza pe doua entitati: pe aceea pe care biochim istii o C3 numesc proteina si pe aceea pe care s IN T E R F A Z A geneticienii o num esc genii (ADN). O w Q. Prima este unitatea de executie chimica, M IT O Z A care confera structura corpurilor vii. Cea ft- Decoridensarea Q * crom ozom ului de-a doua este unitatea ereditara care r ^ y dirijeaza, in egala masura, reproducerea % ^ Separarea # celor 2 unei functii si variatia ei. Una comanda, & crom atide cealalta realizeaza (Fr. Jacob, 1972). Proteinele sunt m acrom olecule X Crom ozom i A n a fa z a formate din aminoacizi; sunt polimcri de foarte aminoacizi. Polimerizarea aminoacizilor, condensati r e a liz a ta la n iv e lu l rib o z o m ilo r, presupune tbrmarea de legauiri sau punti Fig. 26 t E voiutia unui crom ozom in c u rsu i ciclului celula
\
*
23
peptidice mire gruparea carboxil (-COOH) a unui aminoacid si gruparea amino (NR,) a altui aminoacid, cu eliminarea unei m olecule de H ,0 . Form area de punti peptidice succesive determina polimerizarea aminoacizilor liberi. adica includerea lor intr-o catena polip 6 ptidica. Aeeasta reprezinta structura primara a proteinei. Uncle proteine sunt alcatuite dintr-o singura catena polipeptidica, altele din mai multe catene polipeptidice identice, iar altele din mai multe catene polipeptidice diferite. Dupa sinteza catenei polipeptidice, prin interactiunea aminoacizilor sai (in anumite conditii de temperatura, de pH) prin interm ediul unor punti de hidrogen sau a unor punti bisulfidice ( - S - S) m acrom olecula proteica poate capata o structura secundara cu configuratii bi sau tridimensionale. Cu toate ca la alcatuirea proteinelor participa numai 20 de aminoacizi numarul si varietatea acestora sunt imense. Specificitatea proteinelor este data de: - numarul dc aminoacizi si succesiunea acestora in cadrul catenei polipeptidice; - numarul de catene polipeptidice si structura acesteia; - rolul fiziologic indeplinit etc. Unele proteine au rol structural in viata celulei. iar altele au rol functional. Cele mai multe proteine functioneaza ca enzime. Fiecare enzim a catalizeaza o anum ita reactie biochimica. Aceste reactii lanturi metabolice. Prin transformari succesive celula * se succcd intr-o ordine stricta si formeaza ? • poate produce substante asa numitul produs final - care satisfac nevoile celulei sau organismului si care confers organism elor anum ite caractere fenotipice.
Codul genetic Informatia necesara sintezei proteinelor, care detin un limbaj de 20 de semne (aminoacizi) este depozitata in m oleculele de ADN care detin un limbaj de 4 sem ne (baze azotate). Pentru traducerea limbajului de 4 sem ne al nucleotidelor in limbajul de 20 dc semne al am inoacizilor este nevoie de un "di.eti.onar “ pc care natura l-a inventat la inceputurile vietii si care se num este "codulgeneticu (fig. ______ _ _______ 27, fig. 28). El reprezinta un sistem biochimic prin care se stabileste relatia nuelodNd.i 2 nuclonuctootid.n ottd.i dintre acizii nucleici si proteine si consta 1 y C A G in c o r c s p o n d e n ta d in tre fie c a re ForsilaUnina S
Serina
Stop
Stop
A
LeueinA
Serin A
Stop
Triptofan
G
Louclnfl
ProllnA
Hl9tldlnA
’ ArpTnln?
U
LoucinA
ProlinA
H is tid in i -
c
C
Loucina
P ro lm i
Loucln&
P ro lin i
Glot'amtnli'
lioloucirtA
TrcomnA
AsparvTg'imnS
S d rlni
V
Izoleucma
TrconmA
Asparcglnlnft
Sorin*
C
IzoloucinA
TroonlnA
LfeinA
A rglninft
TreonlnA
LizinA
Argfnrnft
G
Valin*
AlanlnA
AcJd *ap»*tic
GlrCinft
U
V illn l
AlanlnA
Acid
G litin a
C
W
, W
n c-
A fplR lfrt
U
'
■—
•'
A ------ --
rV..
A
Valina AlanlnS
A cid glutam ic
Glicin;)
A
Valina
AlanlnA
A cid glutam ic
GlicinA
G
ie. 27 % C odul nenctic
24
G
C AA
G U C A G U C A G
A
Volina
y T3
f c -
/"» L»
G
I ” G
u
n
G
A
A
C
A
,
u ■
nu cleotid a 2
$ *-
—
Fig. 28 • C o rc sp o n d e n ta co d o n -am in o acizi
U u A G
I
M atematic, prin aranjam ente d e 4 nucleotide luate cate 3, rezu lta4* = 64 combinatii. Din cei 64 codoni ai codului genetic : - 61 codoni codifica diferitii am inoacizi (codoni s e n s ); - 3 sunt codoni nonsens, care nu specifica vreun am inoacid, dar joaca un rol im portant in citirea mesajului genetic purtat de ARNm , intrucat ci marcheaza sfarsitul acestui mesaj genetic. De aceea se mai numesc codoni „STOP “: UAA; UGA; UAG. Din cei 61 codoni sens, 2 c o d o n i: AUG si GUG care codifica m etionina respectiv valina sunt si codoni cu sem nificatia de ”inceput de sinteza". Codul genetic are urmatoarele caracteristici esentiale: - este nesuprapus - doi codoni succesivi (vecini) nu-si im prum uta nucleotide, adica nu au nucleotide comune; - Qsic fard virgule - intre doi codoni succesivi nu exista ’’semne de punctuatie biochim ica“ reprezentate de nucleotide fara sens, citirea informatiei genetice realizandu-se continuu; - este degenerat (redundant) - fiind mai multi codoni decat aminoacizi, acelasi am inoacid poate fi codificat de mai multi codoni; exemplu: serina poate fi codificata de 6 codoni (numiti sinonimi): - este universal - in toata lumea vie aceiasi codoni codifica acelasi aminoacid; exem plu: codonul UUU codifica fenilalanina atat la procariote cat si la eucariote. Geneticienii au deseoperit unele mici exceptii de la universalitatea codului genetic, datorate :robabil unor mutatii. Astfel, codonul UGA are rolul de in genomul nuclear, dar in mitocondrii codifica aminoacidul triptofan. Codonul AU A care codifica aminoacidul izoleucina in genomul nuclear, •a mitocondrii codifica aminoacidul metionina.
Etapele sintezei proteice Pe baza codului genetic are loc sinteza proteinelor in 2 faze: transcriptia - copierea mesajului genetic din moleculele de ADN in moleculele dc ARNm; - translatia - utilizarea mesajului genetic pentru sinteza proteinelor pe baza codului genetic.
Transcriptia (transcrierea) O celula poate produce mii de proteine diferite. Sinteza fieeareia dintre ele incepe, la momentul ^portun, prin activarea genei corespunzatoare. In aeeasta prima faza, sub actiunea enzimei ARN
E n z i™ * * 1** r i m
de h
lo n iit iir ile
CITOPLASV5A CELULEI %
ARNm se deplaseaz^ In citoplasma c^tre ribozomi
ARNm copiaz^ informatia genetica unei srngure’ catene din tnacromolecula de ADN TRANSCRIERE
Fig. 29 • T ra n s c rie re a in fo rm atiei genetice
t 25
polim eraza se transcric mesajul genetic din fragmentul ADN respectiv sub forma unei m olecule de ARN m e sa g e r-A R N m (fig. 29). Procesul de transcriere cuprinde trei faze: a. faza de initiere: enzim a A RN -polim eraza, activata de un factor specific, se asociaza cu o secventa din ADN num ita promotor; b. faza de alungire : se realizeaza cresterea catenei de ARM m prin form area puntilor fosfodiesterice succesive in directia 5' -> 3', proces realizat prin aditia unui ribonucleotid 5' fosfat la capatul 3 OH al ribonucleotidului precedent; c. faza de incheiere: se poate realiza direct prin intalnirea unui codon "stop " in cadrul secventei transcrise din ADN sau indirect prin interventia unui factor proteic de terminare. La procariote se copiaza informatia genetica a mai multor gene succesive, iar ARNm codifica mai multe proteine de care cclula are nevoie in momentul respectiv. La eucariote se copiaza dc regula inform atia geneticS a unei singure gene rezultand ARNm precursor. Apoi anum ite enzim e sectioneaza m olecula ARNm precursor, separand secventele informationale (exoni) de secventele noninform ationale (ititroni). Alte enzime leaga exonii intre ci si rezulta ARNm m atur care va ajunge la ribozom i prin difuziune (fig.30).
Translatia (traducerea) Are loc la nivelul ribozomilor. Este meritul lui George Emit Palade de a fi deseoperit ribozomii ca organite celulare, la nivelul carora se face asam blarea aminoacizilor. Pentru aeeasta el a primit prem iul Nobel in 1974. Daca ADN-ul celulei poate fi com parat cu un institut de arhitectura care poseda planurile alcatuirii corpului victuitoarelor, ribozomii INCEPUTUL SFARSITUL sunt adevaratii zidari. I GENEI GENEI J Pentru ca translatia sa aiba loc trebuic ^ fR C ^ T e X O N 'IN T R O f ADN 2L . mai intai ca toti factorii implicati sa ajunga la locul sintezei proteice. TRANSCRIERE
ARNm PRECURSOR
gflNTRMi EXON -INTRON
2 :1—:—3--- 2■ 3 !------------E L F M IN A R E A IN T R O N IL O R
ARNm MATUR
i
!
EXON
3
*
TRANSLATIE
♦
CATENA POLIPEPTIDICA
Fig. 30 * T ra n s c rip tie la e u c ario te
26
NUCLEUL CITOPLASMA
1) ARNm recunoaste locul sintezei datorita prim elor nucleotide ale sale care form eaza o secventa de initiere. Ea atrage cele doua subunitati ale ribozom ului care acum se cupleaza prinzand intre ele capatul m oleculei ARNm. La eucariote, ARNm incepe cu codonul AUG care corespunde m etio n in ei. Deei p rim u l am in o acid al m oleculei proteice va fi m etionina care ulterior poate fi inlaturata. ) In tre tim p , in c ito p la s m a aminoacizii sunt pregatiti pentru sinteza in 2 faze: a) In prim a faza am inoacizii sunt activati prin rcactia cu ATP care le va dona energie 2
AA+ATP
am ' n° - - L » smtetaze
AA ~ A |4 P + P - P
AA = un am inoacid oareeare; ATP - acid adcROzintrifosforic; AM P - acid adenozinm onofosforic: P ~ P pirofosfat; ~ - legatura ehim ica purtatoare de energie
b) Apoi am inoacidul activat se ataseaza unei m olecule de ARN de transfer (ARNt): aminoaci 1 , A A ~A M P+A RN t —7 —7 — 7— —— ► AA - ARNt + AMP. S liilc lc iZ t
AM P va fi „ reincdrcat“ cu energie prin fosforilare (AM P + P ~ p ------►ATP ) la nivelul mitocondriilor, deci este „reciclahil'\ Un anum it am inoacid se ataseaza numai la acea molecula de ARNt care la polul opus are anticodonul corespunzator, adica un grup de 3 nucleotide complementare codonului; exemplu: ARNt care ataseaza lizina contine anticodonul UUC. 3) Acum poate incepe etapa translatiei (traducerii), adica sinteza propriu-zisa a proteinei. Ea presupune trecerea ARNm printre subunitatile ribozomului ca o banda m agnetica prin dispozitivul de citire al unui casetofon. In spatiul dintre cele dQua subunitati este loc pentru numai doi codoni ai ARNm.
***Pentru intelegerea modului in care se ordoneazd aminoacizii in succesiuneaprogramatd genetic, urmariti schema din fig. 31. Ea prezinta un moment din etapa translatiei, cand deja prin ribozomi au treeut primii 5 codoni. Amintiti-va ca informatia din ARNm este codificata in sensul 5’ — ►3', deci ordinea nucleotidelor din ? >chem$se citeste de la dreapta la stanga: pe schema, molecula ARNm se deplaseaza spre dreapta, iar nbozomul spre stanga. Primii trei codoni nu mai apar in desen. Asa cum stiti primul codon al lantului y
ARGININA AA 7
ARN de transport
AM INO ACID ATASAT
cliberat
ARNt
Translatia continua formand lantul polipeptidic
> ARN DE TRANSPORT
Incepe
Translatia ANTICODON Serina
ARNt,
Serina AAK
ARNm
Citirea informatiei se face in sens 5*-3'
Rilxwom In procesul de translatie este necesarS participarea urmStoarelor proteine: 1. Factori de initiere
- pentru inceperea translatiei
2. Factori de elongatie
- pentru continuarea traducerii
3. Factori de terminalizare - pentru incetarea traducerii si eliberarea lantului peptidic
Fig. 3 1 • T ra n sla tia
27
ARNm a fost AUG, iar primul am inoacid al lantului in curs de formare (A A ) este metionina. Acum in cele doua spatii disponibile din ribozom se afla codonii UCG si AGG, In dreptul lor au fost atrase moleculele de ARNt care poseda anticodonii complementari AGC si UCC, iar la polul opus prezinta am inoacizii serina (AA6) si arginina (A A ?). Cei doi aminoacizi sunt acum foarte aproape unul de altul. In acest moment sub actiunea enzim ei peptid polimeraza, intre ei se form eaza o legatura peptidica. Ca urmare, lantul polipeptidic s-a m arit de la sase la sapte aminoacizi. In momentul urmator, ribozomul se va deplasa cu un codon spre capatul 3' al ARNm (spre stanga). Codonul AGG se va deplasa in ribozom in spatiul din dreapta imprcuna cu ARNt care poarta aminoacidul arginina (AA7) legati de toti ceilalti sase aminoacizi ai catenei in curs de formare, Acum, in spatiul din stanga va ajunge un codon AGG care va atrage ARNt cu anticodonul UCC. A cesta are atasat am inoacidul AA 8, care asa cum rezulta din tabclul cu codul genetic, este tot arginina. La fel ca in momentul anterior, peptid polim eraza va determ ina formarea legaturii peptidice intre cele doua molecule de arginina, aminoacizii din pozitiile 7 si 8 . in acelasi timp, ARNt care adusese aminoacidul serina la locul sinteza a iesit din ribozom fara aminoacidul respectiv. M olecula de ARNt va putea acum sa ataseze alta m olecula de serina, deci ARNt este reciclabil. Ce aminoacizi sunt in pozitiile 4, 5 si 9? Pe masura ce ARNm este deplasat codon dupa codon, informatia este tradusa din limbajul polinucleotidic in limbajul polipeptidic si lantul de aminoacizi se lungeste. Deplasarea moleculei ARNm continua pana la codonul cu sem nificatia ”stop“ care indica sfarsitul sintezei. Aceeasi molecula de ARNm trece succesiv prin mai multi ribozomi (se formeaza poliribozomi) si pe baza ei se form eaza mai m ulte exem plare din m olecula proteica respective Producerea unui num ar exagerat de exem plare este prevenita prin distrugerea ARNm utilizat. Dupa ce molecula de ARNm a iesit dintr-un ribozom, cele doua unitati ale ribozomului se despart si se vor reuni in jurul secventei de initiere al altei m olecule de ARNm.
I
Retineti I
O rganism ele nu transm it urm asilor caracterc ci inform atia necesara pentru constituirea lo r C elula ou contine
"planuldefabricatie" al viitorului organism constand in program e care determ ina diviziunile eelulare (m itoze, lim ite, d ifercn tieri de celule, tesuturi si organe), bio sin teza m iilo r de su b stan te speeiftce, bioritm uri, com portam ente, etc. Din zigoti dcstul de asem anatori ca infatisarc pot rezulta: un greier. un salcani, o vaca sau un om , in flinctie de program ul genetic pe care ll contin. El este codificat sub form a unor lungi siruri de nucleotide din m oleculele de ADN. U nul din procesele prin care program ul genetic este m aterializat in structuri biologice este sinteza proteinelor.
dPLICfcTII t 1. Asociati notiunile din cele doua coloane: /. Codul genetic. Caracteristici 1. D egenerat 2. Nesuprapus 3. Fara virgule 4. Universal
28
//. Arguntetite A. In toata lumea vie aceeasi codoni codifica acelasi aminoacid. B. Nu exista nucleotide in plus intre codoni C. Doi codoni vecini nu pot avea nucleotide comune D. Acelasi am inoacid poate fi codificat de mai multi codoni ”sinonimi"
/. Transcriptia II. Tipuri de organisme 1. Se copiaza inform atia genetica a unei singure gene A. Procariote 2. Se copiaza inform atia genetica a m ai multor gene succesive B. Eucariote 3. A RNm codifica mai m ulte proteine de care celula are nevoie in momentul respectiv 4. ARNm precursor contine secvente inform ationale (exoni) si secvente noninformationale (introni) 2. In fazele sintezei proteice actioneaza enzimele: 1. Peptidpolimeraze 2. ARN - polim eraze 3. Aminoacilsintetaze 4. Ligazele 3. Care este secventa de ARNm complementara urmatoarei succesiuni de baze azotate AGGCTATTC dintr-o catena de ADN: 1. TCGGUTAAG 2. UGCCUTAAG 3. TCCGATAAG 4. UCCGAUAAG 4. Codonul UGA: 1. Este codon stop in genomul nuclear 2. Codifica triptofanul in m itocondrii 3. Are sem nificatia ’’inceput de sinteza 11 4. Codifica m etionina
r
3
O R G A N IZA R EA MATERIALULUS GENETIC
M otcriolul g c iiflic ia virusuri si p recarfo ic M a te ria lu l genetic v ira l
Si ne reaminiim !
V iru su rile sunt entitati infectioase de nivel subcelular ale caror dim ensiuni variaza intre 80 - 2500 M a te ria lu l g e n e tic p re z in ta o A. Ele sunt alcatuite dintr-un invelis proteic numit an u m ita o rg a n iz a re Tn fu n ctie dc capsida virald si un m ie z - genomul viral, reprezentat gradul de com plexitate al sistem eior de un acid nucleic. Un astfel de virus m atur (complet) b io lo g ic e . S is te m e le a e tu a ie se num este virion . In afara acestei stari de existenta, nucleoproteinice se grupeaza in doua » >* virusurile se mai pot afla si sub alte form e: categorii distincte: sisteme acelulare si - virus vegetativ - acidul nucleic aflat liber in celulare. Din catcgoria sistem elor citoplasma celulei g a zd a ; acelulare fac p a rte : virusurile. virotii, - provirus - acidul nucleic integrat Tn cromozomul plasm idele si p r io n ii . S iste m e le unei celule gazda. celulare cuprind la randul lor doua Virusurile se deosebesc esential de toate celelalte tipuri de organizare: procarioia si sisteme biologice, prin aceea ca miezul lor de acid nucleic eucariota. este alcatuit fie din ADN, tie din ARN. Niciodata, in acelasi virus, nu se intalnesc am bele tipuri de acizi nucleici asa cum se intalnesc in oricc sistcm biologic cu organizare cclulara oricat de simplu ar fi el. Continand in virionul lor fie ADN, fic ARN, •. irusurile se clasifica in dezoxirihovirusuri si ribovirusuri. 29
Este important de retinut faptul ca, la ambele tipuri de virusi, informatia genetica se afla codificata in miezul dc acid nucleic viral care se mai num este crom ozom viral sau genom viral. M olecula de acid nucleic viral poate fi circular! sau lineara, m onocatenara sau bicatenara: -A DN viral m onocatenar (bacteriofagu! phi X 174); -ADN viral bicatenar (virusul herpetic, majoritatea bacteriofagilor-fig.32a) -A RN viral m onocatenar (virusul gripal-fig.32b, H IV -fig.32c , virusul mozaicul tutunului VM T) -A RN viral bicatenar (reovirusuri). Pe unicul crom ozom viral pot exista 4 gene (fagul M S J sau 135 gene (bacteriofagul T4). M olecula de acid nucleic viral are o lungim e variabila de la 3000 - 10000 nucleotide. Multiplicarea virusurilor. Desi virusurile detin in acizii lor nucleici codifiCate planurile arhitecturale ale formarii de noi particule virale, adica ale multipliearii lor, virusurile nu se multiplica, nu se tnmultesc. Virusurile sunt multiplicate (sunt inmultite) de celula gazda, deoarece toate virusurile sunt paraziti absoluti de nivel genetic, dependenti total de o celula gazda fie bacteriana, fie vegetala, fie animala. Niciodata o particula virala nu provine prin diviziunea unei particule virale preexistente. Virusurile sunt reproduse in celula gazda, oferind doar ”instructiuni“ (informatia ereditara) pentru a fi reproduse, iar celula gazda asigura substantele, echipamentul enzim atic si energia necesare. Genomul viral patruns in celula gazda, determina devierea proceselor de biosinteza caracteristice acesteia, astfel incat celula gazda va efectua sinteze noi dupa modelul furnizat de virionul decapsidat (numit virus vegetativ). Se sintetizeaza acid nucleic viral, proteine virale si apoi are loc asam blarea noilor componentc intr-un num arm are de virioni, dupa care, prin lizarea celulei gazda are loc eliberarea noilor virioni. Replicarea materialuluigenetic viral se realizeaza tot pe baza de complementaritate a bazelor azotate.,dar cu unele particularitati. La dezoxiribovirusuri catena ADN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia. La ribovirusuri catena dc ARN poate servi ca matrita pentru sinteza alteia com plem entare, care la randul ei, devine matrita pentru sinteza ARN initial. In cazul retrovirusurilor (virusul HIV 1, agentul etiologic al SIDA), replicarea ARN se realizeaza cu ajutorul enzimei reverstranscriptaza. Aeeasta enzim a utilizeaza ca matrita ARN viral pentru sinteza unei catene de ADN. Rezulta, in prim a etapa un hibrid m olecular ARN - ADN dupa care ARN este hidrolizat, iar ADN com plem entar este trecut sub form a bicatenara si, sub aeeasta forma, se integreaza intr-unul din crom ozom ii celulelor im plicate in rcalizarea raspunsului imun la om, paralizandu-i activitatea: in acest fel organism ul infectat cu HIV 1 nu mai poate da raspunsuri imune la actiunea celor mai comuni agcnti patogeni. glicoproteine
anvelopS
bistra lipidic
miez de ADN capsida proteica
a)
■
miez viral
b) ARN
filament ---------miez de ADN
|
30
capsidS
Fig. 32 • a) B actc rio fa^ul T4; b) V iru su l g rip a l; c) N'iriisul F ll\'
revers transcriptaza p9. p7
B"
Chiar daca sunt sistem e supram oleculare, virusurile prezinta variabilitate genetica. In cazul dezoxiribovirusurilor se poate realiza recom binarea genetica prin crossing - over, iar in cazul ribovirusurilor variabilitatea se realizeaza, in special prin mutatie. Ca urmare apare o variabilitate genetica in cadrul populatiilor virale si respectiv o adaptare a lorm arita la conditiile variabileale mediului. De exemplu virusul gripal cu genom ARN m anifesta o atat de mare variabilitate incat fiecare epidem ic se datoreaza unei alte tulpini virale.
M aterialul genetic la P ro cariote Organizarea Procariota caracterizeaza bacteriile si algele albastre verzi (numite si cianobacterii), Toate aceste forme prezinta structura cclulara cu dim ensiuni cuprinse intre 1 $i 1Onm. O celula bacteriana este alcatuita din citoplasma, delimitate de membrana plasmatica, protejata la exterior de un perete celular. In celula se distinge o regiune centrala care reprezinta nucleoidul. Nucleoidul nu este separat fata de citoplasm a printr-o structura m embranara. astfel ca el nu poate fi socotit un nucleu adevarat. Corespondentul nucleoidului este cromozom ul bacterian de forma circulara. El reprezinta suportul fizic al unicului grup de inlantuire a genelor (aproxim ativ 2000 - 3000 gene). Ca urmare toate genele de la bacteria mam a se transm it in bloc la bacteriile fiice. Cromozomul are o lungime de 1000 de ori mai mare decat diam etrul celulei. contine o m acrom olecula de ADN circulara cu aproximativ 40-50 buclc si superrasuciri (circa 400 pcrechi nucleotide / bucla) care sunt mcntinutc prin interm ediul unor m olecule de A RN (fig. 33), Crom ozomul bacterian este atasat de m embrana plasmatica a celulei bacteriene prin interm ediul unei structuri derivate din aeeasta, carc este numit mezozom. In afara crom ozom ului circular bactcrian (suportul grupului principal de gene), se pot afla in citoplasm a celulei bacteriene, una sau mai multe structuri ereditare aditionale. Aceste structuri extracrom ozom iale, separate fizic de crom ozom ul principal, au fost denum ite plasmMe. Plasmida este o molecula circulara de ADN bicatenar care reprezinta 1% din cromozomul bacterian principal. Ea reprezinta un m inicromozom ce poarta 6 - 8 gene P 6 « » te Nfembrana calulAr si care se rep lica in d ep en d en t de cro m ozom ul pfcramaOca principal. Ca exem ple de plasm ide pot fi considerate 'dc tonil de sex (factoml F) sau factond de rezistenta la antibiotice (factond R). Plasmidele pot fi transferate 2.5 M de la o celula la alta, pot suferi mutatii, pot fi pierdute >au pot fi redobandite de catre celula bacteriana, ADN D atorita acestor procese, o populatie bacteriana dtxaoml ^ cromozomul prezinta o mare heterogenitate, ceea ce reprezinta un bacterian 1----- 1M avantaj selectiv pentru adaptarea la mediu a bactcriilor. S e o b s e rv a c ro m o z o m u l circular atasat da Studiul plasmidelor a trezit interes deosebit din partea membrana plasmatica cercetatori lor mai ales cand s-a constatat ca ele detin 30,^ Intr-o Invaginaro = mezozom genele de rezistenta la antibiotice - m arkeri genetici foarte im portanti si foarte usor de d e celat prin antibiograme, In ultimul timp studiul plasm idelor bacteriene 1. Cromozomul circular suscitat un interes mai mare, cand s-a constatat ca bacterian ■> 2. Bude ele pot fi folosite in experiente de inginerie genetica 3. Superrfisudrl vehiculi cu ajutorul carora pot fi introdusi in celula b a c te ria n a , g en e dc la e u c a rio te . P la sm id e le reprezinta un elem ent esential in tehnoJogia ADN Fig. 33 • C ro m o zo m u l b a c te ria n recombinat. 31
1 ftetinefci r t ! La virusuri, genomul este reprezentat de un singur crom ozom de form a circulara sau lineara pe care sunt dispuse genele intr-o anum ita ordine. Cromozomul viral este reprezentat de o m acrom olecula dc ADN sau o m acrom olecula dc ARN. * La bacterii crom ozom ul are forma circulara si este reprezentat de o m acromolecula de ADN bicatenar care-si pastreaza structura cu ajutorul unor m olecule de ARN.
1. Asociati notiuniie: J— J /.
-
Sisteme de organizare
A. Ribovirusuri B. Dezoxiribovirusuri C. Bacterii
II. Material genetic
----
II. Materialulgenetic 1. Crom ozom circular ce contine ADN si > > ARN 2. Crom ozom ce contine ADN 3. Crom ozom ce contine ARN -------------------------------------------------X- - -----—
II Caracteristici
A. Crom ozom viral B. Crom ozom bacterian C. Plasmid
1. M ezozom 2. Factorul F 3. 1% 4. 2000 - 3000 gene 5 .3 - 200 gene 6 . Bucle si superrasucuri
2. Explicati replicarea materialului genetic la retrovirusuri. 3. Explicati procesul de variabilitate la virusuri si bacterii. 4. Motivati de ce virusurile nu au un metabolism propriu.
M aterialul genetic la eucariote Sfi ne reamintim ! Eucariotele sunt organisme a caror celule poseda nueleu tipic Tnvelit in membrana nucleara.
Materialul genetic la eucariote se afla in nuclcul celular dar si in citoplasma mai precis in mitocondrii, cloroplaste,etc.
1. La nivelul nucleului materialul ereditar este organizat intr-o substanta numita cromatina . Cromatina este forma interfazica a cromozom ilor.
adica a structurilor caracteristice ce apar evident la eucariote doar in timpul diviziunii nucleare. La eucariote crom ozom ii au o arhitectura foarte com plexa, fiind alcatuiti din 13- 15% ADN. 12-13% ARN crom ozom ial; 68-72% proteine histonice si nonhistonice, mici cantitati de lipide. ioni de M g2" §i Ca2". Com ponenta cea mai im portanta a crom ozom ului eucariotic este ADN. El poate fi impartit in doua categorii: secvente unice de nucleotide in care sunt incluse genele si secvente repetitive, reprezentate de una sau mai multe fractii de ADN, in care anumite secvente de nucleotide se repeta de un num ar variabil de ori (de la 10 2 - 10 6 ori). Acest ADN repetitiv este de obicei noninform ational, adica nu contine gene stru c tu ra l, ci indeplineste alte roluri, mai ales in reglajul genetic, diferentierea cclulara si evolutia materialului genetic. In cromozomii eucariotelor, secventele de nucleotide repetitive sunt intercalate cu secvente unice, nonrepetitive. Cromatina prezinta doua stari functional© altern ativ e si reversibile: eucromar;>;j si
heterocromatina. 32
E ucrom atina
p re z in ta proprietati de colorare norm ale cu c o lo ra n ti b a z ic i si un c ic lu de condensare standard (condensare in Cromatide Cromozom metafazic d iv iz iu n e si d e c o n d e n s a re in interfaza). La nivelul eucromatinei se a fla s e c v e n te u n ic e de A D N . * Cromatina Eucrom atina reprezinta partea activa genetic in tran scrierea crom atinei interfazice, la nivelul ei aflandu-se cea m ai m are p a rte din p r o te in e le Nucleosomu! n o n h isto n ic e c are c o n d itio n e a z a Format dintr-un octamer histonic functionarea materialului ereditar in Tnconjurat la exterior replicare sau in transcriere. de un segment din ADN alcatuit din 140 Heterocromatina are un ciclu perechi de nucleotide atipic de condensare. Ea reprezinta dispuse sub forma a dou3 inele la varful si la baza crom atina care este condensata si in octamerului LegStura dintre doi nucleosomi Proteine histonice interfaza cand apare sub form a de se realizeaza printr-o cesventa HjA. H jB. crom ocentri. La nivelul ei replicarea de ADN de cateva zeci de nucleotide ADN este intarziata si este inactiva in unite prin interme ■■ 5 diul unei proteine tra n s c r ie r e . D aca e u c ro m a tin a histonice Ht c u p rin d e g e n e le m a jo re , ADN heterocrom atina prezinta mai ales functii reglatoare. Crom atina eucariotelor este un lant flexibil alcatuit din unitati care se Fig. 34 4 M a te ria lu l gcnetic la e u c ario te repeta si care se numesc nucleosomi (fig.34). Fiecare nucleosom are forma unui cilindru turtit format dintr-un octamer de proteine histonice (H 2A, H 2B, I \v H 4 luate cate doua) inconjurat la exterior de un segment de ADN alcatuit din 140 perechi de nucleotide* Acestea form eaza o pereche de inele la varful si la baza cilindrului. Legatura dintre doi nucleosomi se realizeaza cu ajutorul unei secvente de cateva zeci de nucleotide care se gasesc unite cu un alt tip de histone H.r Din com plexarea ADN cu histonele rezulta complexul nucleohistonic, care alcatuieste fibra de cromatina. Nucleii si cromozomii eucariotelor contin asem enea fibre de cromatina al caror diametru este de 100 300 A. Fiecarui crom ozom eucariot ii corespunde o singura fibra de crom atina nucleohistonica si deci, asem anator crom ozom ului procariot, o singura m olecula dublu catenara de ADN. Crom atina nuclcului in terface ca si crom atina crom ozom ului in diviziune contine si variate proteine nonhistonice. Nonhistonele sunt foarte heterogene. Ele prezinta specificitate de specie si dc tesut. N onhistonele apar ca activatori specifici ai genelor eucariote. Prin fosforilarea nonhistonelor crestc rata de transcriere. Descoperirea ca atat cromatina interfazica cat si cromozomii in timpul diviziunii, prezinta aceeasi structura nucleosomala fundamentala, demonstreaza continuitatea organizatorica a materialului genetic de-a lungul intregului ciclu celular. De fapt cromozomii nu dispar in interfaza. Individualizarea lor in profaza diviziunii este un aspect de fenotip crom ozom al realizat in vederea desfasurarii cu mare exactitate a evenimentelor distributive ale ciclului celular, adica repartizarea aceleiasi informatii ereditare in celulele fiice prin distributia unui num ar egal de cromozomi in aceste celule. Pregatirea celulei pentru diviziune presupune atat dublarea cantitatii de ADN cat si a substantelor asociate, adica a Tntregii cantitati de cromatina.Fiecare cromozom este deja dublu la inceputul mitozei 33
sau meiozei, asa ca acum o celula diploida din punctul b - cromozom submetacentric de vedere al numarului de crom ozom i, este tetraploida c - cromozom subtelocentric din punct de vedere al cantitatii de crom atina.Acum d - cromozom acrocentric 3 fiecare crom ozom este format din doua crom atide. Ele 4 sunt identice din punct de vedere al informatiei subtiri, paralele si unite prin tr-o zona num ita centroraer, Cromatidele reprezinta de fapt cromozomii-fii care inca nu s-au despartit. La inceputul profazei cromozomii devin vizibili la m ie ro s c o p u l o p tic d e o a re c e se s p ira liz e a z a , mgrosandu-se si scurtandu-se. Ei ajung in metafaza la o condensare m axim a. Acum ei au num arul, form a si Fig.35 • T ip u ri de crom ozom i marimea caracteristiee fiecarei specii si aeeasta proprietate constituie un important caracter taxonom ic. Prin distrugerca fusului de diviziune, cromozomii se vor dispersa din planul ecuatorial al celulei putand fi fotografiati la microscop. Decupand im aginile si ordonandu-le in perechi num erotate in ordinea descrescatoare a marimii se obtine cariotipul speciei respective. Pozitia centrom erului este un caracter m orfologic constant, un criteriu de elasificare a crom ozom ilor (fig.35). 2. In citoplasma celulelor eucariote s-a evidential existenta unui material genetic propriu reprezentat de ADN din organitele celulare (ADN mitocondrial, ADN cloroplastic) numit ADN a - q ro m p z o m
m e ta c e n tr ic
extranuclear. Acest ADN poseda unele insusiri particulare, ADN extranuclear se replica dupa modelul semiconservativ, dar nu in perioada S (de sinteza) a ciclului celular, ci independent de ADN nuclear. El se deosebeste de ADN nuclear al speciei respective prin greutatea moleculara si raportul A -r T / G 4 *C ceea ce face ca si viteza cu care se realizeaza denaturarea-renaturarea sa fie diferita, Datorita acestor deosebiri nu sc pot obtine hibrizi molecular! intre ADN nuclear si cel extranuclear. C om parativ cu ereditatea controlata de genele nucleare (ereditatc m endeliana) care se caracterizeaza prin aceea ca genele de la cei doi parinti, tata si mama, contribuie in mod egal la formarea constitutiei genetice a urm asilor (eredilate biparentala), ereditatea citoplasm atica sau nemendeliana se caracterizeaza mai ales prin transmiterea la descendenti a trasaturilor genetice mateme (ereditatc uniparentala - materna). Acest lucru se datoreaza faptului ca in marca majoritate a cazurilor numai gametul femel poseda atat nucleu cat si citoplasm a, in timp ce gametul mascul poseda in general numai nucleu.
I Retineli « r ! • Totalitatea genelor nucleare, num ite cromogene, fonneaza genomul. * Totalitatea genelor citoplasm atice, num ite plasmagene fonneaza plasmonul. Crom ogenele im preuna cu plasm agenele alcatuiesc genotipul. O rganism ele eucariote prezinta diviziune m itotica si meiotica, care asigura reproducerea echilibrata a materialului genetic, precum si posibilitati imense de diversificare aprogram elor genetice si deci de asigurare a variabilitatii genotipice.
n
^PLICNTII
1. Evidentiati principalele caracteristici de superioritate ale cromozomului eucariot prin comparatie cu cel procariot. 2. Care sunt principalele componente ale cromozomului metafazic ? 34
3. Aft'gctTraspunsurile corectc: a. nucleosomul este unitatea structurala a nucleoidului; b. nucleosomul este unitatea structurala a moleculei de ADN; c. nucleosomul este unitatea structurala a cromatinei; d. nucleosomul este unitatea structurala a plasm idului. 4. Asociati notiunile din cele doua coloane : 1 .cromozomi putem ic condensati; a. uneste cele doua cromatide; a b, format din proteine histonice; 2 .centromer; c. metafaza; 3.nucleosom; 4 cromozomi monocromatidici. d. o singura m acrom olecula de ADN *
Cvidentiereo cromozomilor uriosi w w lo Drosophila melanogaster Materiale necesare : lame si lam ele m icroscopiee, ac spatulat, solutie carm in-acetica, lampa de spirt, hartie filtru, larve de drosofila in stadiul III (inainte de impupare). M od de lucru. Se folosesc larve de stadiul III, de Drosophila, femele, care sunt mai mari decat cele mascule. *^ Glandele salivare sunt plasate in partea anterioara a corpului larvei legate de armatura bucala, care apare ca un punct negru. S C A IC Printr-o m iscare de sm ulgere se detaseaza aeeasta parte *®r Crom ozom i uria$i * «< anterioara a corpului care se pune intr-o picatura de carm inacetic in care sta circa 3 min. Se aplica lamela. Se aplica hartia de filtru. Se preseaza putem ic cu degetul mare pentru etalare. Se inlatura excesul de carmin, Se exam ineaza la microscop. •V
Descried si desenati ce observati!
Cvidenliereo cromozomilor prin metotfo ropidi de colorore cu solutie cormin-ocetlcA Materiale necesare: sticla cu dop rodat si cilindrii gradati de diferite capacitati ( ’ 00 pana la 1000 ml), vase Erlenmeyer, baloane de sticla, palnii de sticla, lampi de spirt, sticle de ceas sau cristalizatoare mici (25 m l), fiole de sticla, lame si lamele m icroscopice, hartie de filtru, pensa, ace spatulate, microscop. Dintre substante sunt necesare: acid acetic glacial, carmin, acid clorhidric nor mal (HC1 82,5 ml la 1000 ml apa distilata). Ca material biologic se pot folosi bulbi de ceapa, seminte de eeapa, cariopse de secara, orz etc. Mod de lucru. 1. Prepararea fvcatorului: apa acetica (45 ml acid acetic glacial + 55 ml apa distilata). 2. Prepararea colorantului: carm in- acetic 2% (apa acetica 100 ml + 2 g carmin pulbere). Se am esteca intr-un balon de sticla, se lasa sa fiarba circa 30 min. apoi se raceste, se filtreaza si se pastreaza in sticle brune cu dop rodat. 3. Pregatirea materialului biologic: se pun bulbii de ceapa cu discul (tulpina adevarata) in pahare cu apa la incoltit sau seminte de ceapa, cariopse de orz, secara etc. la germinat in cutii Petri, pe hartie de filtru um ectata cu apa. Cand radicelele au 1 cm lungim e se tree intr-o sticla de ceas sau o capsula de sticla cu solutie de carmin acetic 2 % la care se adauga cateva picaturi de acid clorhidric normal (9 parti solutie carm in acetic + 1 parte acid clorhidric normal). Se incalzeste la flacara unei 35
lampi dc spirt (5 minute radicelele de ceapa si 10-14 minute cele de cereale), evitand fierberea. Prin acest tratament se realizeaza concomitent fixarea (omorarea celulelor si pastrarea nealterata a morfologiei constituentilor citoplasm atici), hidroliza (inm uierea tesuturilor prin distrugerca partiala a lamelelor celulozopectice dintre celule) si colorarea cromozomilor. 4. Efectuareadepreparatemicroscopice p ro asp ete, prinm etoda squash(a strivi, a zdrobi): pe o lama microscopica se aseaza o radiccla de la care se detaseaza numai zona meristematica din varf (circa 3 mm) cu un ac spatulat. Se pune o picatura de carmin- acetic 2% (fara HC1) si se aplica deasupra o lamela. Apoi cu un bat de chibrit se bate usor pentru a etala celulele intre lama si lamela, astfel incat sa fie un strat uniform celular. Se face in acelasi timp o buna etalare a cromozomilor. 5. Observarea preparatelor: - Desenati celule aflate in diferite faze: - Precizati in ce faza se afla cele mai multe celule; - A legeti celulele in care metafaza se vede ce! mai bine si desenati cromozomii care pot fi vdzuti mai dar. Scrieti sub desene cefel de cromozomi sunt, avand in vederepozilia centromerului.
G tn o m ica* ~. AC reamintim ! In mod traditional, term enulde genom se refera la setul haploid de crom ozom i din nucleul celular al organism elorpluricelulare.
Genomica - obiect de studiu Astazi notiunea de genom s-a extins de la m aterialul nuclear eucariot la aparatul genetic al o rg a n ite lo r celu lare (genom ul m ito co n d rial, genomul cloroplastic) precum si la cromozomii procariotelor si virusurilor. Cu studiul genomurilor se ocupa genomica .
Genomica este stiinta care se ocupa cu dezvoltarea si aplicarea noilor tehnici si proceduri de carfare, secventiere si analizd computerizatd in studierea genomurilor integrate ale organismelor. Genomica are trei ramuri distincte. a .Genomica structuralcr. $e ocupa cu cartarea genetica, cartarea fizica si secventierea de genomuri integrale; b . Genomica functionala: studiaza functiile genelor si a secventelor necodificatoare la nivelul intregului genom; c ^Genomica comparata : se ocupa cu studii com parative privind organizarea genom urilor diferitelor specii pentru cunoasterea functiilor fiecarui genom si a proceselor evolutive pe care le-au suferit genomurile.
Metode f l tehnici de studiu Tehnicile de prelucrare si analizare a acizilor nucleici si a altor biom olecule au numeroase aplicatii si sunt de m arc viitor. Ele sunt foarte com plexe si de aceea ne limitam la o prezentare a principiilor pe care se bazeaza cateva dintre ele. Tehnologia A D N - ului recombinat Aeeasta tehnologie grupeaza tehnicile care permit sinteza chimica a genelor sau izolarea genelor unor orgamsme, urmata de insertia (transferul) acestora in genomul unor celule apartinand altei specii.
Sinteza genelor: Daca $e cunoaste succesiunea de aminoacizi dintr-o proteina, se poate realiza, pe baza codului genetic, sinteza de ARNm corespunzatoi\ iar apoi sinteza genei respective (ADN). Pe aeeasta cale se poate produce gcna pentru orice proteina.
36
Izolarea genelor unor organisme: Pentru aeeasta se utilizcaza enzim e endonucleaze de restrictie extrase de la diferite specii de bacterii unde au fost identificate peste 150 de asemenea enzime. Fiecare dintre ele recunoaste o anum ita secventa de nucleotide din m olecula de ADN, La acest nivel, enzima num ita si restrictaza actioneaza hidrolizand legatura fosfodicstcrica si taie ADN in asa fel incat lasa niste prelungiri m onocatenare ale fragm entelor de A D N . Aceste prelungiri, care contin secvente com plem entare, se numesc ’’capete lipicioase4*din cauza ca ele se asociaza instantaneu. Fragmentele de ADN rezultate sub actiunea endonucleazelor de restrictie se mai numesc restricte. Ele sunt supuse electroforezei si ca urmare, vor m igra in campul clectroforetic, dupa Incarcatura lor electrica. Imaginea obtinuta este o electroforegrama, care sta la baza hartilor de restrictie.
Transferul genelor de la o specie la alta. Sinteza unei gene sau izolarea unei gene reprezinta indiscutabil o victorie pe plan stiintific, dar ea ram anc fara ecou practic, daca gena nu este introdusa intr-o celula unde sa functioneze. Gena straina functioneaza numai daca este integrata in materialul genetic al ’’celulci gazda“ . In general celulele au mijloace prin care sa recunoasca si sa distruga ADN strain cu ajutorul unor enzim e de restrictie (endonucleaze). Deci pentru a transfera o gena, trebuie gasita o calc pentru a 'Insela" vigilenta celulei tinta. Acest aspect se poate obtine asociind gena cu un vector. Vectorul este o structura genetica pe care celula o recunoaste si o accepta, un fel de ”cal troianu. Plasm idele si virusurile indeplinesc aeeasta conditie si de aceea sunt folosite ca vectori.
Urma ridfig, 36 si identificatiprincipalele etape ale trunsferului de gene! Se actioneaza cu aceeasi enzim a de restrictie si y 3 ' y asupra vectomlui, care din circular va deveni linear. El va a v e a la c a p e te s e c v e n te m o n o c a te n a re , complementare cu ale genei ce urmeaza a fi transferata .Gena si vectorul vor fi amestecate in prezenta enzimei ADN ligaza, sub actiu n ea careia se restabilease legaturile fosfodiesterice taiate de endonucleaza de restrictie. Vectorul si gena form eaza acum o structura genetica noua, un ADN - recombinat, pe care il introducem intr-o cultura de bacterii. Pentru ca nu toate bacteriile "au acceptat cadoul‘fc incorporand ADN recombinat, se aplica in continuare tehnici de eliminare a c e lu le i# necontaminate. Organismele care au primit gene de la alte specii se numesc organisme transgenice. Procesul de in tro d u c e s in celula bacteriana a unui plasm id recom binat si dc replicare a acestuia in descendenta, cu m entinerea si functionarea genei straine in celula bacteriana, de-a lungul generatiilor celulare, se numeste clonare molecularct. Din randul vehiculelor (carausilor) genei de interes face parte si "cromozomul artificial dedrojdie M C '- c e l mai util construct molecular pentru transferul de gene um ane in celulele de drojdie. A ceste celule sunt utilizate preferential ca gazda pentru ca este un eucariot si are toata ”m asinaria“ de transcriptie si translatie de tip eucariot. YAC contine o regiune corespunzatoare centromerului si cele doua capcte ale c ro m o zo m u lu i te lo m e re le .G e n a de in tere s se
.
_
- l i i
fragmferit*de: ADN* u’m anlSiat' dfe't fragment de plasmid cu gena inserata apropierea capetelor sudarea prin ligazd
‘ bacterie
bacteria cu hibrid supravietuie^te
bacteria f5ra hibrid moare
Ft i«. 3 6 f T ehnica tra r.s te ru lu i dc
37
Om Fragment de AND uman
i r ?
0 * 0
r
Izolarea genei care determine sinteza hormonului de crestere
Bactene (Escherichia coli)
insereaza intre centroiner si j telomer. Colectia totala de fragm ente de ADN uman introduse in celulele bacteriene sau de drojdie, constituie o ”hibliotecd
Izolarea vectorului:
genomica Umanau.
Deschiderea vectorului
ln$ertia genei la vectors^?
I
Introducerea vectorului sau a
J
nhibridului" in celulS
V
A*
Multipiicarea bacteriilor
I
Cultura industrial de bacterii- productia ( de hormon de crest’eri
u Tratarea copiiior cu deficit
Extragerea si purificarea produsului
de hormon i de crestere
Fig. 37 • O b tin e re a S T H din b a c te rii m o dificafe genetic 3’ + a m o rs e ( ©
ADN polimeraza Taq
□>
□
In e ^ lz ira d e n a tu ra re -
h lb r id a re a m o rs 6
^
5
n i
□
3
Taq adau9*
3 d & z o x in u c ld d tid e
[JJ
, «
In c ilz ir o D o n a tu ra ro
Q
1
1 1 IB « □
jj j
PCR - Reactia de polim erizare in lan t (Polym erase Chain R eactio n )
I
O
Repetare c iclu
J 1
. ?
Rezultatele practice ale transferului de gene nu s-au lasat m ult asteptate. Unul dintre cele mai spectaculoase este obtinerea insulinei prin inginerie g e n e tic a . A c e st h o rm o n se o b tin e a , in m od traditional, din pancreasul de bovine si porcine. In prezent exista deja bacterii din specia Escherichia coli rcprogramate genetic prin transferul genei pentru insulina umana. Celula bacteriana are ritmuri foarte rapide de diviziune. Odata introdusa gena pentru insulina in mod stabil in celula bacteriana, aeeasta se va replica cu fiecare diviziune a celulei bacteriene. A stfel, intr-o cultura bacteriana aflata intr-un bioreactor (vas de cultura in care se realizeaza cresterea in d u strials a bacteriilor) num arul de exem plare ale acestei gene poate ajunge la cateva m iliarde. T ran scrise in m o lecu lele de A RN m purtator de mesaj genetic pentru insulina um an!, aceste m iliarde de exem plare ale genei vor asigura sinteza unor cantitati* industriale de insulina umana in celulele bacteriene. Insulina umana produsa pe aeeasta cale s-a num it hum ulina. Utilizarea ei are avantajul ca sunt eliminate accidentele imunologice. U lterior s-a reusit tran sferu l in bacteria Escherichia coli a genelor pentru horm onul de crestere (fig .3 7 ), pentru angiotenosina 11 (reglator al tensiunii arteriale) sau pentru interferon (proteina ce mobilizeaza mecanismele de aparare antivirala la om si animale). T reb u ie su b lin ia t si faptul ca in g in eria genetica a permis sa se obtina date foarte importante despre structura si functia genelor.
0111001.01, C E O
AtnpUficarea ADN
PCR p e rm ite o ra p id a a m p lific a r e a secventelor s de ADN,* chiar atunci cand materialul de initiere este un ADN putem ic degradat dar care Fig. 38 • T eh n ica a m p lificarii ADN trebuia utilizat in studii de antropologie moleculara si paleogenetica (ADN recuperat din oasele fosile, din mumii, din tesuturi formolizate). Prin reactia polim erizarii in lant putem obtine orice cantitate de ADN pornind chiar de la o singura molecula. 38
Pentru reactia polim erizarii Tn lant sunt necesare: Victim a -A D N polimeraza rezistenta la te m p e ra tu ri in a lte (T aq) e x tra sa f Proba (dc la locul crim ei) dintr-o bacterie care traieste in ape term ale (Therm us aquaticus)\ - M atrita ADN ce urm eaza a fi amplifieata; - Primerii sau am orsele doua oligonucleotide sintetizate ”in vitro “ - alcatuite din lanturi m onocatenare foarte scurte. Ele trebuie sa form eze h ib riz i m o le c u la ri la c a p e te le moleculei de ADN care urmeaza a fi amplificat. Aici se initiaza activitatca Fig. 3 9 * Id e n tific are a ADN ADN polimerazei. Se introduc in reactor: proba de ADN, cele 4 nucleotide ADN trifosforilatc, cele doua amorse si ADN polimeraza. Se incalzeste amestecul pana cand ADN se denatureaza (la temperaturi de peste 100°C se rup legaturile slabe de H, rezultand ADN m onocatenar). Se raceste amestecul si ADN ramane denaturat. Primerii se vor atasa, formand hibrizii m oleculari la capetele celor doua catene acum separate. Sub actiunea ADN- polimerazei fiecare catena serveste ca matrita pentru sinteza catenei complementare. Ca urmare cantitatea de ADN s-a dublat. Se repeta operatiile. La fiecare ciclu, incalzire - racire, cantitatea de ADN se dubleaza (fig.38). Exista aparate care fac aceste operatii autom at Identificarea ADN incepe prin aplicarea unor enzime dc restrictie. Ele vor taia m olecula de ADN in fragmente de diferite dim ensiuni. Se stie ca ADN uman coniine portiuni noninformationalc extrem de variabile, diferite de la o persoana la alta. Din aeeasta cauza, ADN de origini diferite va produce fragmente de restrictie de lungimi diferite (FR). Amestecul de fragmente obtinut este plasat pe o pelicula de gel. Pelicula este asezata intr-un camp electric. Datorita gruparilor fosfat incarcate negativ, fragmcntele m igreaza prin gel spre anod (electroforeza): cele mai mici, mai repede si mai departe, cele mai mari, mai incet si mai aproapc. Pe pelicula dc gel se formeaza o succesiune de benzi (ca In codul de bare de pe marfuri). In gel, benzile sunt invizibile. Pentru a fi puse in evidenta, se im pregneaza pelicula cu coloranli specifici pentru ADN. De exem plu bromura de etidiu face ca ADN sa devina fluorescent in lumina ultravioleta. Configuratia benzilor ditera de la o persoana la alta, ca o "am prenta“ ADN. Ea este idenlica la gemeni si foarte asem anatoare la rudeie apropiate, Aeeasta metoda poate ser\'i la identificarea persoanelor in medicina judiciara (fig.39). Determinarea succesiunii nucleotidelor din ADN poate fl realizata cu ajutorul sondelorgenetice. Acestea sunt fragm ente m onocatenare de ADN sau ARN cu succesiunea nucleotidelor cunoscuta. Ele contin nucleotide m arcate radioaetiv sau chim ie. M arcarea fadioaetiva se realizeaza prin incorporarea unor izotopi radioactivi n P sau tritiu ( 3H) in anumite nucleotide. Sonda genetica se aplica peste un filtru care a absorbit ADN denaturat din benzile separate prin electroforeza. Peste filtru se aplica la intuneric, un film fotografic. Daca ADN cercetat contine secventa com plem entara sondei, se form eaza un hibrid m olecular la nivelul uneia din benzi: pe radiogratie va aparea in dreptul benzii respective o linie; astfel se poate afla daca ADN cercetat contine sau nu o anumita secventa (fig. 40).
39
Cu ajutorul sondelor genetice pot fi diagnosticate mutatii, infectii virale incipiente, cancer in stadiu incipient etc. De asem enea devine posibila stabilirea loeusului diferitelor gene in cromozomi.
ADN de explorat
S e ctio n a re AD N cu o n ilm e de restrictie
xxxxxx Fragment?
restrictie(F R ) S e p a ra re prin electro fo re zd g e l d e a g a ro z &
| R ctin e ti! Anul 1990 a deschis era Genomicii cu proiecte sim ple de descifrare a secventei de nucleotide a unor sistem e prim itive precum virusurile, apoi la b a c te rii, p e n tru ca u lte rio r, sa se tre a c a la descifrarea si fm alizarea in 1 1 februarie 2 0 0 1 a celui mai am bitios p ro iect stiin tific al lum ii contcm porane - Proiectul genomului uman.
itific a rc a pozitiei proboi nibridizato p e film f o t o g r a f i c
8
/4P L IC M II
Fig. 40 * U tapeie tchnicii de m a rc a re ra d io a e tiv a ______
i
1. Descrieti succesiunea operatiilorprin care, pomind de la un fir dc par gasit la locul unei fapte penale, poate fi identi ficata persoana care a comis-o. 2. O celula contine mai multe tipuri de ARNm, in funetie de sintezele proteice aflate in curs. Cum poate fi identificat si extras un anum it ARNm din acest amestec cu ajutorul unei sonde genetice?
4 A tglojul genetic le precoriete* Teorja operonului Celula vie desi are dimensiuni infime, are o activitate Sfi ne ream in iim ! de m are e fic ie n ta ,sin te tiz a n d o anum ita su b stan ta in C e lu la e s te u n ita te a cantitatea, la locul si in momentul potrivit necesitatilor sale s tr u c tu r a la , f u n c tio n a la si » > metabolice. genetica a organism elor vii. De exem plu in celula bacteriei Escherichia coli, se gasesc intre 3000 si 6000 de substante chimice diferite. Toate aceste substante sunt produse de celula bacteriana exact in cantitatile de care are nevoie la momentul respectiv si cu consum minim de energie. Aeeasta inseamna ca nu toate cele 3000 de gene ale bacteriei functioneaza concomitent, ci ele intra in activitate sau isi intremp functionarea in corelatie cu necesitatile celulei. Aeeasta inseamna ca activitatea celulelor este autoreglata genetic. G eneticienii francezi Jacob si Jaques Monod de la Institutul Pasteur din Paris au elaborat in 1960 teoria reglajului genetic al activitatii celulare pe baza cercetarilor efectuate la organismele procariote. Pentru aeeasta realizare ei au fost distinsi cu premiul Nobel.
40
Teoria reglajului genetic al sintezei proteinice la bacterii este cunoscuta si sub denum irea de teoria operonului. Aeeasta teorie pom este de la premisa ea in cromozomul bacterian exista un operonunitate de transcriptie alcatuita din gene structurale , operator si promoter,dispusc in nemijlocita continuitate, pe un acelasi segment crom ozom al. Genele structurale contin inform atia genetica pentru sinteza unor proteine sau a altor biomolecule necesare realizarii structuri lor si functionarii celulei. 5 Operatorul ocupa un sector din cromozomul bacterian situat inaintea genelor structurale. Jacob si Monod au dat num ele de operator unui asemenea sector din crom ozom ul bacterian deoarece de el depinde functionarea sau nefunctionarea genelor structurale. Promotorul este situat inaintea genei operatoare si are rolul de a initia transcrierea genelor structurale prin asociere cu ARN polim eraza. Jacob si M onod au evidentiat ca functionarea normala a operonului este c o n d itio n a l si de un alt elem ent genetic gena reglatoare. A eeasta este situata in crom ozom ul bacterian la o anumita distanta fata de regiunea crom ozom iala a operonului. In secventa sa de nucleotide gena reglatoare contine inform atia genetica care dirijeaza sinteza unei proteine num ita represor. Represorul are 2 conformatii reversibile care ii dau posibilitatea sa fie activ sau inactiv, blocand sau permitand operonului sa functioneze prin asocierea sa cu operatorul. De aceea reglajul genetic este de doua tipuri: inductibil si represibii j
Sistemul inductibil In sistemul inductibil represorul este sintetizat in forma activa. Reglajul inductibil intervine in sinteza enzim elor catabolice, Putem evidentia ca exemplu operonul lactozei. Lactoza reprezinta substanta carc trebuie catabolizata. Pentru catabolizarea ei sunt necesare 3 enzime care sa tatalizeze etapele intermediare, succesive ale acestui lant metabolic.Daca in mediul de cultura nu exista lactoza, bacteria nu are nevoie de enzimele care sa transforme acest substrat.Represorul
ij
•» .» aft
;
i i i i i i i i t i i ■> /
j
i
j
.
. . .
Rp In absenta substratului (substanta A ..materia prim2“) represorul (RB) este activ si operonul nu functioneaza
p
R ............................ I ............................... .... i * '
• « i i
n
o
¥ i •
SA
sB
sc
.....................; " v " " • i
. i
i . . i . .
.
ARNmA
ARNmB
ARNmC
*
SiRP<-
(Ea
eb
@
„ * + + A -------► B -------► C -------► D
Cand In mediu apare substratul (substanta A) represorul este inactivat (Rp.i.) operonul functioneaza §i substratul este prelucrat (inductie).
Fig. 41 • S istem ul inductibil 41
operonului lactozei fiind sintetizat in forma activa, este capabil sa se cupleze cu operatorul si sa -1 blocheze(fig.41 a). Daca in mediu apare substanta care trebuie catabolizata (lactoza), interaetioneaza cu represorul activ si il inactiveaza. A sadar substratul nutritiv devine inductor(fig.41 b). Represorul nu mai actioneaza asupra operonului, genele structurale incep sa functioneze si se realizeaza sinteza enzim elor catabolice care vor cataboliza lactoza. Functionarea genelor decurge atata timp pana cand scadeconcentratia substratului, moment in care represorul, ramas singur, devine din nou activ, actionand asupra genei operatoare, blocheaza acti vitatea intregului operon. Procesul se reia la o noua concentrate a substratului.
Sistemul represibil In sistemul represibil, represorul este sintetizat in forma inactiva. Reglajul represibil intervine in sinteza enzim elor anabolice ffig.42). Evidenticm spre exemplificare operonul izoleucinei (fig.43). A m inoacidul izolcucina se poate sintetiza pornind de la am inoacidul treonina. Pentru transformarea treoninei (produs initial) in izolcucina (produs final) sunt necesare 4 etape intermediare
ARNmA ARNmR ARNm
C oR p®
Produs final Retroinhibitie enzimatica Represie
Fig.42 • S istem ul repr
succesive si 5 enzime (proteine fu n c tio n a l) care actioneaza succesiv. Aceste 5 enzime (E p E^, Er E4, Es) sunt sintetizate de 5 gene structurale (S p S2, Sv S4, S.). Trebuie subiiniat ca represonil operonului izoleucinei este sintetizat in fonna sa nativa ca represor A inactiv, Ca urmare operatoml ramanc liber. In aceste conditii este permis accesul ARN polimerazei la cele 5 gene structurale care vor fi transcrise intr-un ARNm. care poarta mesajul genetic pentru cele 5 enzim e, fiecare enzim a catalizand cate una din cele 5 etape din calea m etabolica, care transform a treonina in izolcucina. in cazul in care s-a sintetizat o cantitate suficienta de izolcucina (produs final) se impune stoparea sintezei sale. Celula bacteriana are doua posibilitati prin carc se poate realiza blocarea sintezei izoleucinei: represia enzimatica si retroinhihitia enzimatica. Represia enzimatica, Deoarece represorul operonului izoleucinei este sintetizat ca represor inactiv, pentru a fi blocata functionarea operonului, represorul trebuie convertit din forma sa inactiva in forma sa activa. Pentru aeeasta, insusi produsul final izolcucina sc asociaza cu represonil inactiv si-1 transforma in represor activ. Sub aeeasta fonna el se eupleaza cu operatoml blocandu-1 si astfel nu 42
R etroin h ib itie en zim a tic a
R ep resie enzim atica
Fig. 43 • O p e ro n u l izoleucinei
mai perm ite accesul enzimei ARN polim eraza la genele structurale. Ca urmare ele nu vor mai fi transcrise. Deci operonul trece de la starea sa fu n ctio n a l! in starea represala. Retroinhihitia enzimatica inhibitie prin produs final. Produsul final (izolcucina) se eupleaza cu m oleculele enzimei treonindczam inaza (prim a din cele 5 enzim e care transform a treonina in izolcucina), o inactiveaza si ca urmare se blocheaza intreaga cale metabolica. Cand izolcucina va fi epuizata din celula, este reactivate treonindezaminaza care reia calea metabolica de sinteza de izolcucina sau este reluata functionarea operonului prin reconversia represorului din starea activa in starea sa inactiva.
f t e *t i f i ett i ! Principalul nivel la care are loc reglarea activitatii genice la procariote este cel al transcriptiei genice. Elem ental decisiv al naturii inductibile sau represibile a unui operon este forma initiala activa sau pasiva a represorului.
dPLICfcTII 1. Mentionati principalele componente ale operonului si rolul lor in sinteza proteica. 2. O cultura de bacterii Escherichia coli este tinuta pe o perioada de o zi intr-un mediu lipsit de lactoza si de treonina. Care este starea de functionare a celor doi operoni - operonul lactozei si o p ero n u l izoleucinei. 3. Imaginati o m olecula de ARN sintetic folosita ca m edicam ent pentru a bloca sinteza unei proteine nedorite.G anditi-va la un hibrid m olecular ARN-ARN. Cum ar putea compromite medieamentul actiunea A R N mrespectiv? 4. S electati ra sp u n su l corect: a) represorul actioneaza la nivelul operatorului; b) operatorul este reprezentat de genele structurate; c) in sistemul inductibil represorul nativ este inactiv; d) prin represie enzimatica este inactiva ultim a enzima a lantului metabolic. 43
fteglejul genetic la eucariote La eucariote, organizarea diferita a materialului genetic impune m eeanism e de reglaj diferite si m ult mai com plexe $d ne reominiim ! decat cele de la procariote. La o rg an ism ele eu cario te, La nivelul celulelor eucariote exista 2 meeanisme de crom ozom ii an o structura mult reglaj al activitatii genice: mai com plexa, in alcatuirea lor - reglaj genetic pe term en scu rt determina variatii in trand A D N , A RN , p ro tein e in c o n c e n tr a tia si ) y a c tiv ita te a in tr a c e lu la r a a histonice si nonhistonice, ioni de enzimelor,proteineloi\ADN,ARN,hormonilor,etc. magneziu si calciu etc. - reglaj genetic pe termen lung - implica fenomene de diferentiere din cadrul dezvoltarii ontogenetice de la celula ou pana la organism ul complet dezvoltat.
Reglajul genetic pe term en scu rt Reglajul genetic pc termen scurt se realizeaza, in esenta ,ca si la procariote ,1a nivel transcriptional. Genele eucariote nu sunt organizate in operoni. Fiecare gena are promotorul sau. Astfel,fiecare gena este transcrisa individual de catre ARNm, care poarta mesajul genetic pentru o singura catena polipeptidica. Reglarea genetica a procesului de sinteza proteiea se realizeaza la cinci nivduri diferite de-a lungul intregii cai (fig.44): ADN t r a n s c r i p t ie
Nivelul transcrierii (transcriptiei) genice : este nivelul cel mai im portant si
W!
^
p re c u rso r
reprezinta selectarea precisa a unor gene care vorfi transcrise (ADN-ARNm); are loc sinteza de ARNm precursor, care include in structura sa atat secvente inform ationale (exoni) eat si secvente noninformationale (introni): controlul acestui nivel este pozitiv , rcalizandu-se cu ajutorul unor proteine activatoare , codificate de un num ar redus de gene si produse in numar relativ mic.
Nivelul prelucrarilor posttranscriptionale : sub actiunea unor enzime se sectioneaza »
s
m olecula de ARNm precursor si se separa s e c v e n te le in fo rm a tio n a le de cele noninform ationaie; sub actiunea altor enzime J t sunt legati exonii intre ei; rezultatul este sinteza ARNm matur. Nivelul tnembranar: presupune selectia moleculelor de ARNm matur care vor trece prin porii membranei nucleare in citoplasma. Nivelul translatiei: are loc selectarea ARNm ce va fi utilizat ca m esager de catre ribozom i; rezultatul translatiei este sinteza catenelor polipeptidice la nivel ribozomal. Fig. 44 • Ro<»larea sintezei p ro teic e la e u c a rio te
44
Nivelul prelucrarilor posttranslationale: sunt selectate m olecule de A RN m m atur
migrate in citoplasm a ce vor fi degradate; dupa sinteza catenelor polipeptidice au loc prelucrari ale acestora supuse si ele unui control celular spre a asigura implinirea functiilor lor specifice de proteine structurale sau fu n c tio n a l (enzime, hormoni). M ecanism ele m oleculare intime ale reglajului genetic la nivelul trascriptional prezinta inca multe necunoscute .Ele sunt influentate de: - proteinele histonice si nonhistonice; - heterocromatinizarea cromozomiala; - m etilarea si acetilarea bazelor azotate sau a proteinelor histonice; - actiunea unor hormoni; - prezenta elementelor genetice transpozabile etc. %
'
!
30 nm eucromatina (cromatina slab condensate)
700 nm heterocromatina
j (cromatina condensata)
700 nm cromozom metafazic
Fig. 45 • C ro m a tin a e u c a rio te lo r
Un rol important in regiarea activitatii genetice a eucariotelor il au proteinele histonice si nonhistonice In nucleul celulei eucariote, A D N este perm anent com plexat cu histonele formand fibra nucleohistonica sau fibra de cromatina. Deci, histonele joaca un rol structural de stabilizare a structurii fibrei de cromatina. Histonele indeplinesc si un rol reglator. Ele functioneaza ca niste represori generali ai tuturor genelor eucariotelor. Prin aeeasta. cucariotele se deosebesc de procariote, la care fiecare operon are un represor specific (gena reglatoare). Intrarea in functie a genelor eucariote este asigurata de proteinele nonhistonice. Astfel, 0 proteina nonhistonica este capabila sa recunoasca 0 anum ita secventa de nucleotide din m olecula de ADN, care de obicei este represata de histone. Dupa recunoasterea secventei genei, proteina nonhistonica legata de aeeasta sufera procesul de fosforilare. Proteina nonhistonica devine astfel m ult mai incarcata negativ decat sectorul de ADN respectiv, Ca urmare proteina histonica devine mult mai atrasa de proteina nonhistonica decat dc ADN. Se formeaza un com plex histona nonhistona, care se desprinde de ADN. In acest fel ADN eliberat dc histone poate fi transcris. Dupa transcrierea ADN, nonhistonele se defosforileaza si se desprind din complexul cu histone. Histonele se asociaza din non eu ADN si gena se represeaza din nou,
Un mecanism de reglare a activitatii genetice la eucariote este heterocromatinizarea cromozomiala Cromatina eucariotelor se poate prezenta in doua sta ri fiz ic e a lte rn a tiv e si r e v e rs ib ile ( f ig .45 ): eucromatina - cromatina decondcnsata a nuclcului interfazic si heterocromatina - cromatina condensata. proprie migrarii crom ozom ilor din celula mama in celulele fiice. In starea condensata crom atina este nefunctionala, stare in carc nu au loc nici replicarea mascul normal nici transcriptia genelor. Un mecanism de reglare a xy activitatii genetice la eucariote este heterocromatinizarea unuia din cei doi crom ozom i X de la femele care Fig 46 9 C ro m a tin a ?c\ua!£ d e te rm in a a p a r itia c ro m a tin e i s e x u a le sau a corpusculului Barr in nucleii interfazici ai celulelor (fig.46). in acest fel, atat la barbat cat si la femcie, functioneaza numai genele de pe un singur cromozom. %
Metilarea si acetilarea intervin in reglarea activitatii genelor la eucariote Prin metilarea citozinei intr-o secventa genica, acea secventa genica nu mai poate fi transcrisa cat este metilata. M etilarea citozinei este asociata cu inactivarca genelor. Acetilarea unei histone 45
realizeaza inearearea negativa a acestei proteine astfel ca se elibereaza legatura ei cu ADN. Ca urmare poate avea loc transcrierea ADN. Putem spune ca acetilarea este un mecanism de activare a genelor.
Reglajul genetic prin hormoni la nivelul transcriptiei Hormonii, ca semnale din afara celulei actioneaza asupra unor receptori moleculari de la nivelul membranei celulare; este generat un m esaj chimic cu efecte, fie asupra unor sistem e enzim atice, fie asupra unor gene, Exista celule tinta specifice in care patrund hormonii si la nivelul ADN din nucleul acestora conditioneaza functionarea anum itorgene, declansand adevarate cascade de reactii metabolice, prin activarea in serie a transcriptiei diferitelor gene, atat la plante (horm onii infloririi, hormonii de crestere) cat si la animale. De exem plu, prolactina aetiveaza la nivelul glandelor mamare, genele care codifica sinteze proteinelor specifice din lapte.
Reglarea activitatii genelor la eucariote se poate realiza si prin transpozoni Transpozonii au o proprietate unica aceea de a exista pentru o anum ita perioada intr-un anum it situs, m obilizandu-se si ocupand un alt situs in acelasi cromozom sau in alti cromozomi. Transpozonii pot fi transcrisi in ARN. Acesta serveste ca matrita pentru sinteza de ADN. Produsii ADN de reverstranscriptie se numesc retrotranspozoni. Cand acestia sunt integrati in cadrul unei secvente genice ei pot suprim a activitatea genei sau pot produce mutatii genice.
Regla]ul genetic pe term en lung Citodiferentierea este un m ecanism com plex de reglare pe termen lung a activitatii genice la eucariote, dar si de specializare structurala si functionals, a celulelor eucariote in cazul organism elor pluricelulare. Orice organism pluricelular isi incepe dezvoltarea ontogenetica (individuals) de la stadiul de celula - ou sau zigot, Zigotul intra in diviziuni m itotice succesive (asa numitele diviziuni de clivaj) prin activitatea unor gene numite protooncogene. Celulele rezultate dau nastere la embrion. in stadiul em brionar de 2 ,4 , 8 , 16 celule, cm brionul (blastula) prezinta o integralitite redusa. Celulele numite blastom ere pot fi separate si pot evolua de sine statator, totipotenta, generand fiecare un embrion. Incepand cu stadiul de 32 sau 64 celule embrionul manifesta o mai mare integralitate a celulelor sale. Blastom erele izolate din astfel de em brioni nu mai pot evolua ca embrioni independents in cursul dezvoltarii em brionare, celulele rezultate prin diviziuni de clivaj, sufera un proces de determ inare primara, adica o specializare grosiera a celulelor in ectoderm, endoderm si mezoderm, dupa care are loc o diferentiere fina - citodiferentierea propriu zisa prin: -abolirea totala a diviziunii celulare (in cazul neuronilor); -ritm normal de diviziune cclulara (la tesutul hematopoietic); -instalarea unui ritm rcdus de dezvoltare (muschi, ficat); -m oartea celulara program ata genetic (apoptoza), (fig. 47) etc. Reglajul genetic a! diferentierii celulare se realizeaza la diferite niveluri si im plica pe de o parte variatia cantitatii de ADN in ontogenie si filogenie si pe de alta parte reglarea transcriptiei si translatiei. Reglarea transcriptiei si translatiei se realizeaza, in citodiferentiere, prin activarea sau represia genelor, intr-o anum ita ordine cronologica,conform programului genetic din nucleu si sunt efecte ale interactiunilor nucleu-citoplasm a sau ale interactiunilorcu mediul. Aceste diferentieri sunt conditionate de modul in care diferitele componente moleculare (ARN, proteine) din citoplasma zigotului sunt distribuite in blastomere. S-a demonstrat, de asemenea, existenta in nucleul celulelor eucariote a unor gene homeoticc. Produsii acestor gene, in mod normal, asigura ca fiecare celula sa-si interpreteze c o re d pozitia ocupata in embrion si sa se diferentieze normal.Daca genele homeotice sufera mutatii .celulele se diferentiaza normal, dar in locuri neobisnuite. nenaturale 46
dand nastere la mutante cu organc norm al conform ate ,dar incorcct localizate (picioare in locul antenelor la Drosophila m. etc).Cu toate ca prin diviziunea zigotului fiecare celula primeste o garni tura completa de crom ozom i, deci aceleasi gene, datorita specializarii lor, difcritele celule produc diferite tipuri de mesageri si de proteine. Fiecare celula nu traduce decat fragm ente, cu toate ca ea cuprinde intregul program. Celula nu executa decat anum ite instructiuni, in procesul dezvoltarii ontogenetice intre celulele vecine circula mesaje chim ice.U n asem enea mesaj face ca o anum ita celula aflata intr-o anumita pozitie fata de celelalte sa-si aetiveze programul genetic potrivit si sa se specializeze ?n directia potrivita.in fiecare linie de celule, anum ite segm ente ale m esajului sunt activate sau inhibate tocmai prinjocul circuitelor de reglaj.
ri
fte tin eti!
* La eucariote, se distinge o reglare pe termen scurt si o reglare pe term en lung. * Reglarea pe termen scurt este reprezentata: a) de m odificari in activ itatea sau in concentratia intraeelulara de enzim e, de hormoni; b) de fluctuatii in intensitatea sintezei ADN, ARN si proteinelor. * Reglarea pe termen lung im plica fenom ene legate de diferentierea cclulara in cadrul dezvoltarii ontogenetice aorganism ului.
/IPLIC kTII 1. Descrieti principalele etape ale reglajului genetic la nivelul transcriptiei si translatiei informatiei genetice la organismele eucariote. 2. Prezentati particularitati structurale si functionale ale cromatinei inactive. 3. Descrieti? mecanismele si * factorii care favorizeaza transcriptia genica. 4. Asociati notiunile din cele doua coloane: 1. Contine histone putem ic acetilate 2, Este activa 3. Se realizeaza transcriptia 4. Este putem ic condensata 5. Se coloreaza mai palid
Fig. 47 * A p optoza E tape; a) limfocit norm al; b) scaderca raportului nucleo-citoplasm atic §i inceputul com iensarii crom atiniene; c) aparitia de convolulii pe suprafata celulei si formarea de m ase crom atiniene granulare mari: d) eolapsul cm m atinian pe fata interna a mem branci nucleate; e) transfonnarea nuclcului Tntr-o ..gaurd neagra f) fragm entsrea nucleilor; g) forniarea eorpilor apoptoliei.
A. Eucromatina B. Heterocrom atina
47
€V]/ 4
UdR€
1. Ce s-ar intampla cu diametrui moleculei de ADN daca, in cadrul structurii secundare, ar avea loc imperecheri de tipul purina - purina si pirimidina-pirimidina? 2. Care perechi de baze azotate confera mai putina stabilitate macromoleculei de ADN? Explicati de ce? 3. Realizati grafic (intr-o reprezentare liniara) structura bicatenara a unui dublu helix ADN pornind de la urmatoarea secventa de nucleotide de pe una din catenele sale: 3*ACGTTTAGGCTCAAGGTA - 5 \ 4. Redati prin desene succesive urmatoarele situatii: a. desfacerea puntilor de hidrogen dintre prim ele 7 perechi de nucleotide ale moleculei de ADN rezultate, pornind de la capatul 3 ’ spre capatul 5 ’; b. succesiunea de nucleotide din catenele celor doua m olecule de ADN rezultate in urma procesului de replicare a ADN-ului initial; c. succesiunea de nucleotide din A RN mce rezulta prin transcriptie pornind de la catena initiala a ADN-ului; d. succesiunea de aminoacizi din catena polipeptidica sintetizata pe baza informatiei din ARN . 5. Ce diferenta exista intre A R N mprecursor si A R N mmatur? 6. Precizati in ce stare se afla represorul in sistemul de reglaj inductibil? Dar in sistemul de reglaj represibil? Explicati modalitatile de activare sau inactivare a acestora. 7. O mutatie determina modificarea secventei de nucleotide a unui codon. Consecinta acestui fenomen poate fl: a. inversarea ordinii de transcriere; b. imposibilitatea copierii codonului respectiv; c. schim barea compozitiei macromoleculei proteice; d. m odificarea codului genetic. 8. Alcatuiti fragmentul de AD N ce determina sinteza unei catene polipeptidice cu urmatoarea succesiune de aminoacizi: Metionina —prolina - leucina - triptofan - serina - treonina . 9. Explicati de ce AD N ni nu poate fi purtator de informatie genetica ci doar purtator de mesa j genetic? 10. In macromolecula de ADN: a. bazele azotate se leaga de riboza; b. nucleotidele succesive sunt legate prin punti de H 2; c. intre citozina si guanina sunt trei punti diesterice; d. o baza purinica se eupleaza cu una pirim idinica. 11. O molecula de ADN are 1500 nucleotide. Daca 500 nucleotide contin timina, cate nucleotide contin guanina in molecula respeetiva? a. 1 0 0 0 nucleotide; b* 500 nucleotide; 48
250 nucleotide; d. 1500 nucleotide. c.
12. Selectati varianta corecta privind codul genetic: a. pentru fiecare am inoacid exista trei codoni sinonimi; b. exista trei am inoacizi corespunzatori pentru fiecare codon; c. exista trei tipuri de ARN pentru fiecare aminoacid; d. exista trei baze azotate in fiecare codon. 13. Alegeti raspunsul corect la urmatoarele afirmatii: a. operatorul face parte din genele structurale; represorul actioneaza la nivelul operatorului; c. operatorul contine informatia necesara sintezei represorului; d. la nivelul operatorului actioneaza enzima ARN-polimeraza.
b.
14. Referitor la replicatia ADN sunt adevarate urmatoarele: a. se realizeaza pe tot parcursul ciclului celular; b. rezulta doua m olecule bicatenare de ADN; c. fiecare dintre m oleculele rezultate contine o catena veche si > » una noua; d. se realizeaza sub actiunea enzim ei ARN - polimeraza. 1 5 .0 molecula de ADN bicatenar contine 2000 nucleotide. 30% din acestea contin timina in catena 3 ’—►5 ’ iar 10% in catena complementara. Stiind ca 20% din nucleotidele catenei 5 ’ —* 3 ’ contin guanina, stabiliti: A. numarul total de nucleotide ce contin citozina; B. distributia bazelor azotate in nucleotidele catenei 5 ’ —►3 ’ C. num arul de nucleotide ce contin guanina din catena 3 1 —►5 ’ 16. Sinteza unei proteine este determinate de un segment de ADN bicatenar alcatuit din 1200 nucleotide. Stabiliti: j A. numarul codonilor din A R N -ul m esager ce a copiat informatia; B. numarul am inoacizilor din m acrom olecula proteica; C. num arul nucleotidelor cu guanina, stiind ca 30% din totalul lor contin timina. 17. Consideram, ipotetic, ca o gena la eucariote este formata din 6 exoni, fiecare avand cate 15 perechi de nucleotide. Intronii genei prezinta fiecare cate 30 perechi de nucleotide. Determinate •> A. numarul total de perechi de nucleotide al genei; B. numarul de codoni al A RN mprecursor si matur; C. numarul am inoacizilor din m olecula proteica sintetizata pe baza informatiei din gena. 1 8 . 0 fibra de cromatina dintr-o celula eucariota este formata din 800 molecule de proteine histonice si o molecula de ADN ce contine 37 900 nucleotide. Determ inate A. numarul total de nucleosomi din fibra de crom atina; B. numarul total de nucleotide din inelele de ADN nucleosomic; C. numarul total de perechi dc nucleotide din ADN internucleosomic.
49
. . GENETICA QHflNfl
1 2
1
G E N O M U L
i
U M A N
f
M
m
C o m p l« m « iitu l
Sfi ne ream in tim ! M etafaza este stadiul cel mai propicc al studiului cro m o zo milor. deoarece acum acestia ating gradul maxim de condensate si de spiral izare, prezentand m orfologia cea mai constanta. Astfel, un cromozom metafazic tipic prezinta doua crom atide libere pe toata lungim ea lor. acestea fiind unite numai ia nivelul centromerului. Cele doua crom atide m etafazice ale crom ozom ului stmt idenlice intre ele atat m orfologic cat si genetic, m olecular si functional. C e n tro m e ru l d e lim ite a z a pe fiecare cro m atid a doua brate cromozomiale.
c ro m e z o s n io l
u m an
Originea si evolutia genomului uman Complementul cromozomal uman este un produs al unui proces transm utational care a avut loc la diferite stadii ale dezvoltarii mamiferelor. S p ecia um ana a e v o lu a t p aralel cu m aim u tele antropoide, prin meeanisme genetice de duplicate, inversie. translocate etc. Interesanta este teoria privind originea si evolutia speciei umane, avand la baza remanieri cromozomale de tipul translocatiei robertsoniene (fuziune centrica). Avand in vedere ca m aim utele actuale ( fam ilia Pongide) au 48 de crom ozom i iar specia umana are 46 cromozomi deductia logica care se impune este urmatoarea: din stramosul comun al maimutelor antropomorfe al omului a derivat specia umana in urma unei translocatii reprezentata de fuziunea a doi crom ozom i, aparuta acum circa 10-15 m ilioane de ani. Aeeasta rem aniere crom ozom ala a w senerat un ritm extrem de rapid al evolutiei care a facut ca in circa 1 - 2 milioane de generatii sa se contureze specia umana cu atributele sale actuale.
Crom ozom ii umani Crom ozom ii reprezinta com poncntclc nucleare in care sunt localizate moleculele de ADN, purtatoare de gene. Fiecare crom ozom este purtatorul unci m olecule de ADN. In anul 1956 doi cercetatori J.H. Tjio si A Levan au deseoperit ca in celulele somatice umane exista 46 cromozomi (2n - 46) din care 44 sunt cromozomi autozomi si doi sunt cromozomi heterozomi (sexuali) notati cu XX la femeie si XY la barbat. ***Ce tip de determinism cromozomal al sexului se intdlneste la specia umanei? Cei 46 cromozomi prezenti in toate celulele somatice diploide, constituie complementul croniozomial al genom ului uman. A cesta este alcatuit din doua seturi haploide, de cate 23 de crom ozom i, unul de origins m aterna si adus dc gametul femel la nivelul zigptului, iar celalalt de origine paterna si adus de catre gametul mascul. Asadar in cadrul fiecarei perechi de cromozomi. unul dintre acesti omologi este de origine m aterna si unul de origine paterna. Deoarece crom ozom ii umani sunt foarte variabili in ceea ce priveste dim ensiunile si forma, s-a simtit nevoia unui sistem de clasificare. Un astfel sistem de clasificare este sistemul Denver dupa num ele localitatii din statul Colorado SUA in care a lucrat grupul de geneticieni care 1-au propus. La baza acestui sistem de clasificare a crom ozom ilor umani au stat urmatoarele criterii: 50
a. dimensi-unile crom ozom ilor (foarte mari* mijlo-cii, mici, foarte mici) b. forma crom ozom ilor (metacentrici, submetacentrici); c. prezenta satelitilor. Dispunerea crom ozom ilor unei celule diploide, ordonati pe perechi si grupe in functie de dimensiuni, forma, plasarca centromerul ui, etc reprezinta cariotipul speciei respective (fig.48). Cariotipul uman normal grupeaza cele 23 perechi de cromozomi in 7 grupe notate cu litere m ari:A ,B 5C,D,E,F,GGrupa A - cuprinde crom ozom ii din perechile 1-3; sunt crom ozom ii cei mai mari si au centromerul aproape median (sunt metacentrici); Grupa B - cuprinde crom ozom ii din perechile 4-5; sunt cromozomi mari cu centrom erul submedian (submetacentrici); Grupa C - cuprinde cromozomii din perechile 6 -12; sunt crom ozomi m ijlocii ca lungime cu centromerul submedian (submetacentrici); Grupa D - cuprinde crom ozom ii din perechile 13 - 15; au dimensiuni medii cu centrom erul dispus excentric (acrocentrici) si prezinta sateliti; Grupa E - cuprinde crom ozom ii din perechile 16-18; sunt relativ scurti si au centrom erul fie median (16) fie submedian (17 si 18); Grupa F - cuprinde crom ozom ii din perechile 19-20; sunt scurti si aproape metacentrici; Grupa G - cuprinde crom ozom ii din perechile 21 -22; sunt foarte scurti si acrocentrici. Cromozomii sexului X si Y sunt foarte diferiti ca marime. Cromozomul X face parte din grupul celor mijlocii ca dimensiuni si este subm etacentric. Mai precis are dim ensiunea si m orfologia autozom ilor din grupa C. Crom ozom ul Y este foarte scurt, este acrocentric si seamana cu cromozomul 22 prezentand dimensiunile si m orfologia autozom ilor din grupa G. Pentru identificarea cromozomilor umani s-au folosit metode clasice de colorare, mctode de marcare radioactiva diferentiata, sau tehnicile de bandare. Tchnica de bandare a fost aplicata in 1970 de T. Casperton si colaboratorii cu cele mai bune rezultate. Aeeasta consta in tratarea crom ozom ilor 51
deletie r e g i u n e a 2p
B
banda 4
X 11
E A
16
-
17
n 18
G
cromozomul 2 normal Fis*. 50 • R e s tru c tu re re cro m o z o m ia la
W H
if
m etafazici cu un florocrom (quin q crin a) si observarea in lumina fluorescenta. In acest fel la nivelul fiecarui cromozom poate fi identificata o J ig 49 • C ro m o z o m ii u m an i evidontiati p rin succesiune specifica de benzi intense si mai putin te h n ica b a n d a rii intense (fig.49). Acestea au fost num ite benzile Q. Ulterior prin folosirea altor tehnici de bandare - colorare cu solutie Giem sa, s-au identificat benzile G cu aceeasi localizare cu a benzilor Q, apoi benzile R (de reversie) cu dispozitie inversa fata de benzile Q si G, benzile C (centromerice) localizate in regiunile din jurul centromerului sau benzile T (telomerice). Bandarea cromozomilor se bazcaza pe afmitatea diferitelor regiuni cromozomiale pentru un anumit colorant. Pe cromozomi altemeaza benzile intunecate cu cele luminoase. Numarul de benzi este identic in cei doi cromozomi omologi. Benzile au dispozitie specifica fiecarei perechi dc cromozomi si in cariotipul uman nu se schimba, fiind la fel in orice fel de celula sau tesut. Benzile au mare importanta deoarece pe de o parte,permit identificarea cromozomilor omologi, iar pe de alia parte recunoasterea restructurarilor cromozom iale (fig.50) si a m aladiilor ereditare. 21
22
H artile genetice* Harta cromozomiala consta in reprezentarea grafica (in forma liniara) a unui grup linkage sau cromozom in care pozitia genelor sau a markerilor genetici este indicata in functie de distantele relative dintre ele. In cazul in care distanta dintre doi loci oarecare este data prin frecventa crossing-overului intergenetic, se obtine o harta genetica . In cazul in care genele sunt localizate pe baza observatiilor m icroscopice si a analizei recom binarilor genetice se obtine o harta citologica Hartile com plete, se numesc hard citogenetice. Alcatuirea hartilor cromozomiale pe baza fenomenelor de linkage, de crossing-over, de aranjare lineara a genelor in cromozomi a fost propusa de C.B. Bridges (unul din colaboratorii lui M organ) in anul 1920. In harta se inscriu alelele m utante (recesive, dominante). Fiecare locus este indicat de simbolul abreviat al alelci mutante, precum si de o cifra, care este obtinuta prin Insumarea valorilor crossing-over-lor pentru toate intervalele cunoscute situate in stanga fata de pozitia data (fig.51 ).In general hartile genetice se alcatuiesc m ai usor la organism ele cu un num ar mic de grupe de linkage. Hartile au im portanta esentiala in cunoa^terea organizarii m aterialului genetic si in intelegerea m ecanismelor genetice. 52
G e n o m n u c le a r
C a ra c te ris tic i D im ensiunca Num Sr de m oleculc diferite dc ADN
G enom n iito c o n d ria l
3000 Mb
16,6 kb
cateva mii
NumSr' total de m olecule de ADN per celula
23 in celulele haploide46 in celu lele diploide
Proteine asociate
cateva clase de histone si num eroase clase de nonhistone
N um ar de gene
o m olecule circulara de ADN
23, la fem eie (X X )24, in celulele b&rbatufui (X Y ), toate liniare
30 000
in cea mai m are parte neasociat cu proteine
40 000
37
D ensitate genica
1 /3 0 - 1 /6 0 k b
ADN repetitiv
o m are fractie de ADN repetitiv
1/0,45 kb foarte putin AD N repetitiv
cea mai m are parte a genelor sunt transcrise individual
transcriptie continua a mai m ultor gene
Introni
prezenti in m ajoritatea genelor
absenti•
Procent de ADN codificator K eeom bm area
2- 3%
aproxim ativ 93 %
T ranscriptia
Pattern de ereditate
cel putin o data la fiecare set de crom ozom i om ologi in cursul m eiozei M endelian - pentru genele X lincate si din autozom i, patern pentru genele din crom ozom ul Y
nu exista
exelusiv m atem
P a rfic u la rita tile genom ului uman - A proxim ativ 99% din A D N -ul celular uman nu este transcris in proteine; - Subunitatile proteinelor heterom eriee sunt conditionate de gene situate In crom ozom i diferiti; - Genele im plicate in etapele succesive ale unui proces metabolic sunt situate in crom ozom i diferiti; - in genomul uman exista pseudogene gene cu structura similara cu cea a genelor structurale dai; care in urma unor mutatii au devenit inactive; -O gena poate fi am plificata, uneori de sute de ori, ca singurul mijloc de aparare al organismului in fata unei agresiuni exterioare; -U n ele gene se ex p rim a d o ar in cursul diferentierii embrionare, altele se exprima de-a lungul intregii ontogcncze si se numesc gene de intretinere.
Normal
1=x
Ochi albi
Ochl ro$ii
Aripi normale
Ochi normali Ochi ro§ii
Mutant
20 ■ct
28
■
Aripi tSiate
Ochi rugo§i Ochi vjermilion
Aripi normaie A ripi sCurt6
Ochi normali
Ochi barafi
P roiectul genom ului uman Proiectul ”Human Genome “ a dem arat in 1990 din necesitatea de a coordona activitatea unor echipe num eroase si eom plexe de genetieieni in vederea realizarii unui ansamblu de prelucrari extrem de fine si de sistem atizare a tuturor inform atiilor • privind ADN-ul uman. j
Peri^ori normali
Peri§ori at^rnafi
Hg. 5 1 • H a rta genetica a p e re c h ii n r.i (X) de crom ozom i dt; la m clan o g a stc r
53
Scopul prim ar al PGU a fost acela de a secventia genomul uman in intregim e, pana in anul 2005, fiind bine stabilite directiile de actiune si durata lor: planul initial de 5 ani, finalizat in 1995 a avut ca scop construirea unei harti de linkaj si a unei harti fizice bazata pe analiza bibliotecilor YAC.Planul pentru urmatorii 5 ani este identificarea genelor pentru alcatuirea unei harti de transcriptie. PGU inglobeaza de fapt doua proiecte: - primul este centrat asupra structurii genomului uman si vizeaza cartografierea genelor in cromozomi; - al doilea explica functiile tuturor genelor com ponente in com paratie cu unele organism e model: Escherichia coli, Drosophila etc.
£2 ftctift& H i t S Utilizarea tehnicilor de colorare a crom ozom ilor umani a perm is aprofundarea studiului ereditatii um ane si a deschis o noua direetie In studiul ereditatii si anum e in genetica moleculara.
t
ir
Utilizati copii alefigurii alaturate si realizati cariotipul uman urmarind etapele: decupati im aginea fiecaruia din cei 46 cromozomi; ordonati-i apoi dupa lungime (de la cei mai mari mici) construiti perechi de cate doi crom ozom i omologi asezati perechile de crom ozom i in grupe A (l-3 ) B(4-5) C (6-12) F( 19,20) G (21,22) reprezentand autozom ii si alaturati apoi cei 2 heterozom i la grupele corespunzatoare dim ensiunilorsi formei lor.
Anolisti d t coriolip Prin cariotip se inlelege o aranjare sistematica a cromozomilor unei celule mitotice sau meiotice implicdnd numarul, forma, mdrimea sau orice alta caracteristica care poate f i reprezentativa pentru complementul cromozomial al unei varietdti celulare, individ sau specie. ,
54
9
^
A
4P
^
Stadiul de diviziune cel mai adecvat analizei cariotipului este metafaza mitotica, cand cromozomii prezinta maximumul de condensare si colorabilitate. P rocedeul cel m ai larg folosit in studiul crom ozom ilor metafizici este acela al masuratorilor. Se m a s c a ra de o b ic e i lu n g im e a in te g ra ls a crom ozom ului, lungim ea bratelor crom ozom iale, pozitia constrictiilor secundare in raport cu acea a centromerului etc. Pentru elaborarea unui cariotip prima conditie este identificarea morfologica a cromozomilor. Dupa forma lor cromozomii se clasifica in:
- cromozomi metacentrici. cu centromerul situat in punctul median (M) sau in regiunea mediana (m) si cu un raport al bratelor de 1,0 - 1,7; - cromozomi telocentrici, cu centrom er terminal (T); - cromozomi acrocentrici, cu centrom erul in regiunea terminala (t); - cromozomi submetacentrici si subtelocentrici cu centromerul situat in regiunea submediana si respectiv subterm inala (raportu! bratelor 1,7 - 3,0 si respectiv 3,0 - 7,0). A lcatuirea unui cariotip, indiferent de materialul din care sunt efectuate preparatele, necesita mai multe etape: Prim a dintre acestea este etapaprelucrarii microscopice , constand in alegerea sistem atica a m etafazelor ce urmeaza a fi analizate. Doua criterii sunt esentiale in alegerea metafazelor utilizabile: sa nu existe suprapuneri de cromozomi sau, daca sunt, numarul lor sa fie cat mai mic si sa nu intereseze mai mult de 2 cromozomi; cromozomii sa nu fie imprastiati pe o suprafata mare, caz in care ei ar putea proveni de la doua sau mai m ulte celule. M etafazele care corespund analizei citogenetice trebuie localizate pe lame. Aeeasta localizare este utila prin aceea ca la prepararea cariotipului confruntarea dintre copia fotografica si imaginea directa a preparatului este indispensabila. Localizarea m etafazelor se poate face prin diferite procedee, dintre carc cele mai uzuale sum: montarea exacta a celor doua verniere de pe platina microscopului: punctarea cu tus (punctul nu trebuie sa acopere alte m etafaze si in nici un caz nu pe cea pe care o indica). A doua etapa in alcatuirea cario tip u lu i consta in studiul cromozomilor. E xam inarea crom ozom ilor se face cu marimea m axim a pe care o poate oferi microscopul cu care se lucreaza. Ea implicS: ( 1 ) numaratoarea de cromozomi,
(2) identificarea morfologica a cromozomilor, (3) identificarea aberatiilor cromozomiale. Numaratoarea de cromozomi este de o mare importanta dcoarece este prima caracteristica citogeneticii a populatiei celulare exam inate. N um aratoarea crom ozom ilor se poate face direct in placa metafazica, delimitand eventual anum ite regiuni, dar mai corecta si de o mai mare preeizie este num ararea dupa desen. Desenarea m itozelor se poate face fie prin procedeul clasic care foloseste cam era clara, fie prin sim pla schitare a crom ozom ilor pe o coala de hartie. Urmeaza identificarea cromozomilor apartinand la diferite grupe, de exemplu cromozomii din g ru p e le D sau G ai u V cariotipului uman. E tapa p relu crarii n n microscopice este urmata A 1 de etapa p re lu c ra rii fotografice a m etafazelor c o r e s p u n z a to a r e . De c a lita te a c o p iilo r I * * * fo to g r a f ic e d e p in d e c I _ ----------— — ........ — — — 12 in tre a g a m u n ca de p re lu c ra re u lte rio a ra a t n m
A ll
metafaze extrem de clare. Dupa aceea, cromozomii sunt decupati si aranjati in
* & r»*
K5
KK
KA
% *
« A
0, J*
F 19-
— 20
£
*> A
21< - 2 2
X
%
carotip. Se recomanda ca alcatuirea cariotipului sa se desfasoare pe baza a cel putin doua copii fotografice ale metafazei, desenului si imaginei m icroscopice insasi a m etafazei, luata cu un obicctiv cu imersie. Aranjarea crom ozom ilor in cariotip, trebuie sa porneasca de la cunoasterea cariotipului normal al speciei. Primul criteriu de aranjarc a crom ozomilor in cariotip este cel al lungimii, cromozomii fiind dispusi in ordine descrescatoare. Al doilea criteriu, este acela al dispunerii pe grupe m orfologice. Al treilea criteriu folosit Tn aranjarea crom ozom ilor in cariotip este acela al imperecherii crom ozom ilor omologi.
Cariotipul uman normal Cariotipul uman este reprezentat prin 7 grupe distincte de cromozomi autozomali, aranjati in ordine descrescatoare si num erotati de la 1 la 22 si o pereche de cromozomi sexuali, X si Y. Caracteristici cantitative ale crom ozom ilor mitotici umani (Denver, 1960)
B (4-5) C (6-12)
D (13-15) E (16-18) F (19-20) G (21-22)
A 1 2
3 4 5 X
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Y
82-90 77-84 63-72 60-64 57-60 51-59 54-56 47-52 44-48 44-47 43-45 43-44 42-43 32-36 32-37 29-35 27-33 29-30 24-27 22-26 19-25 13-20 12-18 11-22
Lim ite de variatie R 1,1 1,5- 1,6 1,2 2 ,6 - 2 ,9 2.4 - 3,2 1.6 -2,8 1 ,6 - 1,8 1 ,3 -1 ,9 1 .5 -2 ,4 1 ,8 -2 ,4 1 ,9 -2 ,6 1 ,5 -2 ,8 1.7 - 3.1 4,8 - 9.7 4,3 - 9.5 3 ,8 -1 1 .9 00
A d -3 )
Cromozomul
1
Grupcle dc cromozomi
1 ,8 -3 ,1 2,4 - 4,2 1 , 2 - 1,9 1 ,2 - 1,3 2,3 - 6,8 2,0 - 6,0 2 ,9 -0
C 48-49 38-40 45-46 25-28 24-30 32-38 36-38 35-43 29-40 32-36 27-35 26-40 24-37 10-17 9-19 8-22 36-42 23-36 21-29 34-35 40-46 13-31 14-33 0-26
€vid enrti*ree crem atinei sexuolc* Matefmle necesare. lame si lam ele microscopice, ace spatulate, pense, solutie carmin-acetic Mod de lucru * La om se recolteaza celulele epiteliale din mucoasa bucala cu ajutorul unui ac spatulat sterilizat sau prin raclarca puternica a peretelui lateral al mucoasei cu o lama m icroscopica slefuita. »f Celulele epiteliale, recoltate cu un ac spatulat din mucoasa bucala. se pun pe o lama la microscop. Se pune deasupra o picatura de carm in-acetic 2% si se acopera cu o lamela. Preparatul se incalzeste (evitand fierberea) timp de 5 min la flacara unci lampi de spirt. Se apasa apoi lamela cu dcgetul marc pentru a obtine un strat unicelular intre lama si lamela; cu o hartie se indeparteaza excesul de colorant. 56
La m icroscop se observa un corpuscul intens colorat, situat in interiorul nuclcului, lipit de membrana nucleara, rotund, oval sau triunghiular. Acest corpuscul este cromatina sexuala. In cazurile nonnale, ea este prezenta numai in nucleele celulare la sexul femel.
Dctftrmiftismiil g*A«li< al caractarelor Fcnotipic* umane Toate trasaturile morfologice, fiziologice, biochimice si eom portam entale caracteristice unei fiinte umane, sunt Sa ne reamintim ! determinate genetic. F e n o tip u l r e p re z in ta In determ inarea trasaturilor um ane exista mai multe a n s a m b lu l in s u s ir ilo r situatii: m o rfo lo g ic e , f iz io lo g ic e , a. Exista cazul in care doua gene alele A si a (una biochim ice, eom portam entale, dominanta, cealalta recesiva) aflate in raport de dom inanta etc. ce rezulta din interactiunea com pleta sau sem idom inanta situate intr-un anum it locus, genotipului cu mediul. determ ina variatii ale aeeluiasi caracter. Exemplu: lobii urechii - liberi sau atasati, tipul m orfologic al firului de par cret, drept, ondulat, Rh-ul, culoarea ochilor, etc. b. in alte eazuri exista mai m ult decat doua gene alele intr-un anumit locus, care determ ina variatii ale aeeluiasi caracter. Fenomenul se numeste polialelie. Exemplu: ereditatea grupelor sanguine. c Exista si situatii in carc exprim area unui caracter fenotipic este rezultatul unei interactiuni a mai m ultor gene nealele. Acestea sunt caractere ereditare cantitative. Exemplu: talia (inaltimea), greutatea corporala, culoarea pielii, rezistenta la boli, temperarrientul, inteligenta, etc. Distributiile in populatia um ana a caracterelor cantitative se face dupa modelul normal, rcdat grafic sub forma clopotului lui Gauss.
Determ inism ul genetic al unor caractere norm ale umane Determinismul genetic a! grupelor sanguine. Grupcle sanguine sunt conditionate de o serie polialela ce cuprinde trei alele L \ si I. Alele LAsi Ln sunt dominance fata de 1. Gena L A determ ina aparitia grupei sanguine A II (LALAsi LA1) cu antigene A pc hematii si anticorpi P in plasma. Gena LB detennina aparitia grupei sanguine B III (LBLBsi LB1) cu antigene B pe hem atii si anticorpi a in plasma. Gena I recesiva este responsabila de aparitia grupei sanguine 0 1 (II) fara antigene pe hematii si cu anticorpi a si p in plasma. Cand genele dominante LAsi LBcoexista in structura genetica a aeeluiasi individ (LALH) ele conditioneaza o grupa sanguina distincta AB IV. Cele doua gene sunt codominante. Din interactiunea lor rezulta un fenotip distinct cu antigene A si B pe hem atii si fara anticorpi in plasma. 57
Fenotip 0
(
1 0
Genotip
Antigene
11
-
)
A (II) B ( III ) AB ( I V )
La L a ; L a 1 Ll! L b : Lff 1
A B
La L b
A ;B
Anticorpi
Doneaza la:
Primeste de la:
a ; (3
0 ; A ; B ; AB
0
P a -
A ; AB B ; AB AB
0; A 0; B 0 ; A ; B ; AB
Cunoasterea modului in care se m ostenesc grupele sanguine are importanta pentru determinarea patemitatii. Astfel cunoscand grupul sanguin al qopilului si al mamei, se pot cunoaste grupele sanguine posibile ale tatalui prezumtiv. Cunoasterea grupelor sanguine este im portanta si in realizarea transfuziilor (fig. 5 2 ).
f t
it*
Determinismul genetic alfactorului Rh
Un alt caracter hematologic intalnit la specia umana este sistemul Rh constituit din cinci factori principali: C; AIIJV p vn fe r c; D; E; e. Factorul D se numeste factorul Rh si este prezent a* la 85 % din populatia um ana fiind determinat de o pereche de gene alele: rh si rh (una dom inanta, cealalta recesiva). Gena rh+ este responsabila de aparitia indivizilor Rh' (rh 4 Fig. 52 • C o m p a tib ilita te tra n sfu zio n ala rh' sau rlTrh) cu antigenul Rh pe hematii.Restul de 15 % din populatia umana nu prezinta factorul Rh, indi vizii fiind Rh cu genotipul rhrh.Cunoasterea modului de transmiteye a factorului Rh prezinta o importanta deosebita pentru realizarea transfuziilor (fig. 53) si pentru depistarea sarcinilor in com patible, care apar atunci cand cei doi parinti au Rh diferit Daca o mama Rh negativ are o sarcina Rh pozitiv (de la un tata Rh pozitiv) atunci ea poate fabrica anticorpi anti Rh care vor ataca hem atiile pozitive ale fatului, incepand cu a doua sarcina. Prima sarcina poate e v o lu a n o rm a l d e o a re c e in c o n d itii Jonator Rh* Jonator R rf „ Hematii Rh+ fiziologice, hem atiile Rh pozitiv ale fatului ww ^hematH Rh* • *> anticorpi ant! Rh4 nu pot traversa placenta si deci nu ajung in \ circulatia materna. La nastere, prin ruperile de vase sanguine care au loc in momentul •PrlmBor Rh / > dezlipirii placentei de uter, o parte din sangele fetal trece la mama si stimuleaza producerea de anticorpi anti-Rh. La o noua sarcina acesti — — ^Tl WTOTH prima transfuzie Formarea antlcorpllor a doua tran slate a n tic o rp i c are p o t tra v e rs a c a p ila re le anti Rh placentare patrund in circulatia fetala si distrug hematiile fatului, putand duce la avort Fig. 53 * I m p o r t a n t a cu n o a stc rii R h-ului in tra n s fu z ii spontan (fig. 54). A
—
*
!
Determinismul genetic al sexului Sexul indivizilor umani este un caracter ereditar determinat de prezenta unor cromozomi speciali denumiti cromozomi ai sexului sau heterozom i. Acestia sunt de un singur tip- XX, la femei, motiv pentru care sunt numite si hom ogam etice deoarece nu produc decat un singur tip de gameti (ovule), in timp ce, la barbati, sunt de doua tipuri- X Y, motiv pentru care acest sex este considerat heterogametic deoarece produce doua tipuri de sperm atozoizi.
58
H eterozom ii X si Y nu sunt om ologi, nu realizeaza crossing-over iar genele din structura lorchiar daca sunt recesive, se m anifesta in fenotip intrun singur exem plar- fenomenul de hemizigotie. Crom ozom ul X contine gene de im portanta majora pentru individ (nu poate lipsi din genotip), iar crom ozom ul Y jo aca un rol esential in determ inarea masculinitatii.
Hematii sangele pnmuim fSt
Placenta
s
Hematii ou antigeni Rh din sangele pnmului fftt Tn sangele matem
Determinismul culoriipielii la om Culoarea pielii la indivizii apartinand diferitelor rase um ane v ariaza intre alba si neag ra, fara a reprezenta un caracter de superioritate sau inferioritate deoarece, in genom ul um an nu sunt d iferentieri cantitative sau calitative de materal genetic. Determinismul culorii pielii este conditionat de prezenta unor perechi de gene nealele,Exista mai multe ipoteze privind num arul perechilor de gene care intervin in pigm entarea pielii - intre 2 si 2 0 gene,dar este cert ca acestea segrega independent si au un efect cum ulativ. Conform ipotezei lui C.B.Davenport, cantitatea de p igm ent din p iele (m elanina) este determ inate de efectul cum ulativ al genelor P] si P. astfel; - la negri: se afla in stare hom ozigota - P, P t P 2 P? - toate alelele dominante; - la m ulatri inchisi: - ? ]p ]?2P2sau P ,P ]P:,p2 -3 gene pentru pigmentare; - la mulatri propriu-zisi: - P jP jP ^ sau P,P,p 2p 2 sau PjPjP 2 P, - 2 gene pentru pigm entare;
Anbcorpi wife Rh *riat*nm
Hemitii cu antigem Rh dtn ta n g e l* calui a! cJouea f i t
Anbcorp* inti Rh matemi in w n g eie fltuM
Melanina %
Fenotipul
- ll 1 2 -2 5 2 6 -4 0 4 1 -5 5 5 6 -7 8
Alb M ulatru deschis M ulatru M ulatru inchis Negru
0
Fig. 54 • Im p o r t a n t a c u nu asterii R h-ului in sarcinile incom patibilc
- la m ulatri d esch isi : - P ,p ,p 2p 2 sau pjpjPjpj - o singura grupa pentru pigmentare; - la albi: - p 1p ,p 2p 2 -to a te alelele sunt recesive cu cea mai m ica cantitate de melanina;
Determinismul genetic al culoriiparului Este un determ inism com plex datorat unei serii polialele. Com binarea alelelor si insum area efectelor lor determ ina fenotipuri variate concretizate intr-o mare diversitate de nuante de par - de la blond foarte deschis pana la negru inchis.
59
Cantitatea de pigment din par este determinate! de doua perechi de gene, una pentru pigm ental brun (melanina) si alta pentru pigm ental rosu. Fiecare dintre aceste perechi de gene apartin unei serii polialele reprezentate de: - MM; Mbw; Mbk- pentru genele care controleaza sinteza de melanina; - R ; R - pentru genele care controleaza productia de pigm ent rosu.
Determinismul genetic al culorii ochilor Culoarea ochilor prezinta un determ inism genetic mai complex decat culoarea parului. In determ inism ul sau sunt implicate 3 gene alele care la randul lor se prezinta sub forma unor serii polialele. In ordinea dom inantei cele trei gene sunt: Ebr- pentru ochi negri, E8r- pentru ochi verzi, Eblpentru ochi albastri. Ca urm are a acestei dominance, ochii de culoare albastra sunt determ inati de genotipul hom ozigot de tipul EblEbl. Din interactiunea celor 3 gene, la indivizii heterozigoti apar variate nuante intermediare.
D eterm inism ul genetic in m em orie, inteligenta, c o m p o r t a m e n t * Memoria se refera la capacitatea de a stoca si ulterior de a regasi si refolosi informatia invatata. La baza memoriei sta proprietatea de engram are a neuronului, adica pastrarea in structura acestuia a "urm elor 44 unei informatii venite din mediu. Angajarea neuronului in engram are este conditional! de ”renuntarea“acestuia la diviziune, proces care ar altera engramele. Aeeasta sugereaza ca mecanismele engram arii au, in principal, localizare nucleara. H.Hyden a sugerat in 1960 ca inform atia ce sta la baza engramarii este continuta in acizii nucleici si proteinele neuronale. Astfel, ADN pastreaza memoria extraindividuala, de specie, a fiintelor vii, pe cand ARN este implicat in m emoria individuals, reprezentand ”tablita“ pe care ”degetele“ experientei inscriu insemnele lor. ° Dupa celc mai multe ipoteze actuale, la baza memoriei sta relatia ARM,n proteine. M emoria de scurta durata are la baza activitatea electrica a neuronilor implicati in engramare, pe cand in memoria de lunga durata, activitatea electrica a neuronilor induce, de o maniera inca putin cunoscuta, formarea de ARN m care dirijeaja apoi sinteza de proteine implicate in stocarea mem oriei de lunga durata. Anumite tipuri de invatare par a im plica sinteza anum itor tipuri de ARN de vreme ce intr-un tip de invatare se schim ba raportul A / U ? pe cand intr-un alt tip de invatare se schim ba raportul U / C.
Inteligenta (lat. inter = intre s | lego-legere - legatura) ar putea fi definita drept capacitatea de a desprinde cu rapiditate legaturile cauzale esentiale dintre fenomene, de a adapta comportamentul la circumstantele date.Se cunosc cel putin sase capacitati distincte: capacitatea verbdlii,facilitated verbala,
capacitatea spatiata, capacitatea de rat ion ament si memoria pe termen scurt si pe termen lung. Deosebirile care apar intre indivizi um ani din aceste puncte de vedere pot reprezenta m anifesterea unor factori genetici sau ai mediului am biant ori a interdependentei lor. Una dintre cele mai acceptate teorii privind determ inarea genetica a inteligentei considera ca factorii implicati sunt atit de natura ereditara cat si factori ambientali.Fiecare individ se naste cu un anumit potential intelectual detenninat de zestrea sa genetica care se va exprim a insa in functie de conditiile in care creste si este educat. Coeficientul de inteligenta (C.I. sau IQ )- reprezentand raportul dintre varsta mintala si varsta cronologica inm ultitcu 100 are o natura poligeniea. Dupa Fulker exista circa 22 loci genici implicati in determ inism ul ereditar al inteligentei. Exista teste prin care se poate estim acoeficientul de inteligenta (IQ) pe baza unui chestionar cu punctaj (testul Binet). In functie de structura genetica a fiecarei pcrsoane, pentru genele implicate in determ inarea unui asem enea caracter com plex de personalitate psihica umana, oamenii realizeaza performance inteleetuale diferite: • Mici - IQ sub 80; 60
• M edii - IQ cuprins intre 9 0 - 100; • Mari - IQ cuprins intre 120- 130; • Deosebita - IQ peste 150 (genii) Fiind o trasatura ereditara cantitativa, ca si talia, greutatea, m em oria, com portam entul,etc.inteligenta ,exprim ata prin IQ prezinta in populatia um ana o d istrib u te norm ala de tip gaussian (fig. 5 5 ).
C o m p o rta m en tu l re p re z in ta
a n s a m b lu l m anifestarilor obiective ale oam enilor, prin care se exterioriz.eaza viata psihica. P o triv it dichotom iei g altoniene, daca intelectul rep rezin ta o ju m atate, caracterul comportamental contureaza cealalta jumatate a personalitatii umane. In toate domeniile personalitatii, componenta genetica constituie partea precumpanitoare. Com portam entul este un fenotip ce prezinta o mare variabilitate. Diferitele caractere eom portam entale la animale si om sunt determ inate unigenic si poligenic. Com portam entul instinctiv, avand la baza reflexul neconditionat are un determ inism strict genetic, pe cand invatarea are la baza reflexul conditional fiind in esenta un produs al mediului. realizat pe un anum it fond genetic. Astfel, comportamentul organismului ca si restul fenotipului sau reprezinta rezultatul interactiunii genotip-mediu. Diferentele individuate in comportament au la baza variatia factorilor genetici, variatia factorilor de mediu precum si interactiunea lor. M ajoritatea trasaturilor psihologice fac parte din categoria caracterelor m etrice cu variabilitate continua, in general nesegregante dupa critcriile mcndeliene.
Retineti • %! Ereditatea fixeaza doar limitele intre care se poate dezvolta un caracter genetic. Toate trasaturile m orfologice, fiziologice, biochimice si eomportamentale caracteristice unei fiinte umane, sunt determ inate de interrelatia genotip - mediu.
4 P U C M II * Precizati care sunt genotipurile celor patru grupe sanguine rezultate la copiii unui cuplu in care mama are grupa sanguina B heterozigot (LB1) si tatal are grupa sanguina A heterozigot (LAI). > Notam cu br si b, genele alele care determ ina culoarea ochilor (b+- culoarea neagra, b culoarea albastra). Precizati ce culori vor avea ochii copiilor unui cuplu in care mama si tata au structura genetica b+b. • Tipul m orfologic al firului de par este dat de doua gene alele (H ! si H) in raport de dominanta incomplcta. Ce tipuri m orfologice de par vor avea copiii rezultati din casatoria unui cuplu cu parulcret(F T H ).
61
Stab illrea spectrulifi g e n tiic individual Conditie: experimentatorul, pentru aeeasta experienta trebuie sa-si cunoasca bunicii si eventual strabunicii (poate culege eventual date de la parinti, bunici etc). Materiale necesare : o coala de hartie, compas, echer, rigla. Se iau in consideratie j urmatoarele caractere individuale: 1. Culoarea ochilor: culoarea albastra este recesiva fata de alte culori. 2. Culoarea parului: par blond recesiv fata de cel inchis; par rosu recesiv fata de culorile mai inchise. 3. Directia de orientare a parului; vartej in directia m ersului acelor de ceasom ic dom inant fata de vartej in sens in vers. 4. Par cret>dom inant fata » de cel n e te d 5. Prezenta parului pe segm entul m ijlopiu al degetelor (altele decat aratatorul) dom inanta fata de absenta parului. • 6 . Daltonismul (confuzia culorilor) recesiv fata de vederea normala. . 7. Chelia prem atura sau regulata este m ostenita cu un caracter dom inant care se m anifesta in jurul varstei de 34 ani. Caracterul nu se m anifesta decat extrem de r^r la femei (este un caracter limitat la sex). Elevii pot sa aprecieze situatia lorjudecand pe cea aparintilor, data fiind dominanta caracterului. . Lobul aderent al ureehii este recesiv fata de cel liber sau pendul. 8
9. Posibilitatea de a da degetul m are pe spate dominanta fata de conditia opusa cu ligamentele strans^. 10. Capacitatea de a degusta unele substante precum tioureea sau feniltio-carbomida este dominanta fata de incapacitatea de a degusta aceste substante. 11. Prezenta gropitei in obraz dominanta fata de absenta acesteia. 12. ’’Varful vaduvei“ - parul de pe frunte extins in centrul ei ca un triunghi dom inanta fata de linia dreapta a parului pe frunte. Sp?i*trui g en e tic al unui b<«iat - cu grupa sanguine I ) c u par (C ) - carc nu poate iridoi limba lateral ‘di - yu oehii de culoare irichistS ; K) cu iobsi uicchii liber* (1) vupuvn.tiya nvjyaw 'Uitt..; 1-. • n !•
62
r i
i>oh d c c u io in c th ch is* v h ' iilbv- n
t *
lobii urcchi: lir»cn lohi .v.dHftt)
13. Capacitatea de a indoi limba, astfel incat m arginiie laterale sa form eze un ”U“ este dominanta fata de incapacitatea de a indoi astfel limba.
i
M od de lucru. Se alcatuieste o harta privind caracteristici le individuale ereditare ale fiecarui individ dupa modelul din figura alaturata.
G tn tlic o rosclor URiont9 Qenetiea raselor umane Sa ne reominfim ! Ca si i la alte fiinte : vii,7 la om insusirile j m o rfo lo g ic e , f iz io lo g ic e , b io c h im ic e , Spre deosebirc dc alte entitati biologice. em u! este o fiinta biosoeialS. Form area lui s-a produs in ui*ma titiui eomportamentale sunt determinate de structuri m d elu n g at p ro c cs de e v o lu tic b io lo g ic # d a r si de genetice, iar transmiterea lor de la o generatie dezvoltare sociala. Parasind lum ea anim ala. om ul a la alta are loc conform legilor ereditatii. ram as p arte a naturii. M aterialul genetic la om este localizat in cei 46 cromozomi (23 de origine paterna si 23 de origine materna). Cromozom ii fiecarei celule um ane contin aproximativ 35 000 de gene. De aceea la om posibilitatile variabilitatii combinative a caracterelor sunt cu mult mai mari decat la alte specii. Fiecare om este din punct de vedere genetic un exem plar unic al speciei umane. Chiar in cazul unei familii cu multi copii nu exista doi identici. Fiecare individ biologic nu este insa o imitate izolata, ci el apartine unei populatii din cadrul speciei Homo sapiens sapiens. Variabil itatea interindividuala nu este atat de mare incat sa nu se permita caracterizari sau clasificari bazate pe ascmanari de conformatie.
Rasele umane Antropologia clasica admite ca rasa este o grupare biologica caracterizata prin origine comuna, printr-o anumita distribute geografica si printr-un ansamblu de particularitati fizice: prin fonna capului (exista rase brahicefale, dolicocefale si mezocefale); prin fonna parului (neted sau cret); prin pilozitatea faciala si corporala; prin pigm entatie; prin fonna fetei, nasului si buzelor; prin inSltime, etc. Incercari de a realiza o clasificare a populatiilor umane in rase umane au existat inca din antichitate. - Herodot (sec. V i.H.) este considerat nu numai parintele istoriei dar si al antropologiei; -Plinius cel Batrdn a oferit o explicatie naiva, bazata pe diferentele de clima, pentru diferentele dintre africani si europeni; - George Buffon a enuntat ideea ca toti oamenii apartin aceleiasi specii si dupa ce s-au raspandit pe tot globul ca urm are a influentei clim atului diferit, s-au diferentiat in rase. - Abia dupa cc s-a reusit sa se analizeze structura genetica a populatiilor umane, pc baza markerilor genetici s-a putut da o explicatie corecta diferentierii in rase a populatiilor speciilor umane. Markerii genetici sunt elemente strict mostenite si care nu fac obiectul schimbarilor rapide induse de mediu. Ei sufera schimbare evolutiva pe tennen lung sub actiunea unor forte ale dinamicii genomice reprezentate de: selectia naturala (incluzand si selectia sexuala), mutatii, migratii, driftul genetic. - Pentru prim a data in istoria cercetarii structurii genetice a populatiilor umane sotii Hirsyfeld (1919) au evidential diferentele in frecventa antigenilor de pe suprafata eritrocitelor expresie moleculara a diferitelor constitutii genetice a grupelor sangvine A, B, 0, la diferite grupe etnice aflate in armatele beligcrante din Primul Razboi Mondial. De atunci asem enea diferente au fost evidentiate in toate cazurile de determ inism genetic al altor grupe sanguine, incluzand sistemul sanguin Rh. -Exista parametri care defmesc: - inrudirea dintre rase - data de identitatea genetica ( IG); - diferenta genetica dintre rase data de distanta genetica (DG), toate rasele umane apartinand uneia si aceleiasi specii Homo sapiens sapiens._______________________________________________ 63
Mdsurarea diferenteigeniceglobale dintre doua populatii se realizeaza dupa formula: f F " - V p / p ( l ^ p J l in care; Vp = varianta dintre frecventele genice ale unui set de n populatii; P = frecventa medie a populatiilor. Stabilirea distantei genetice este d atad e formula: j d = x - y ] in care: x = frecventa genei intr-una din populatiile analizate; y = frecventa genei in cea de-a doua populatie analizata. Din punct de vedere genetic rasele pot fi definite ca populatii izolate cu o frecventa caracteristica a genelor care le deosebeste de alte populatii apartinand aceleiasi specii. Ele se pot deosebi prin frecventa inegala a unor gene ja r nu prin monopolul exclusi v al unor gene. Imensa majoritate a genelor umane are o d istrib u te uniforma. Mai putin de 15% dintre gene au o co n cen trate particulara;o serie de gene sunt mai frecvente intr-o rasa decat in alta. Originea raselor umane a suscitat si suscita inca numeroase discutii.Sunt conturate mai pregnant doua te o rii: -teoria monocentrista - toate rasele s-au diferentiat intr-o singura regiune,situata undeva in Asia. Din aeeasta rasa prim ordiala s-au conturat doua rase importante:rasa mongolida - in nord estul Asiei si rasa sud-vestica, constituita din doua ramuri ram ura europida si ram ura euroasiatica sau negroido-australoida; -teoriapolicentristd - considera ca diferentierea raselor a inceput de m ult si a avut un caracter local: din populatiile de pitecantropi europeni s-a consolidat rasa europida, din grupele de sinantropi au derivat mongolizi, iar din populatiile de pitecantropi africani s-au conturat negrizii. M ajoritatea criteriilor de taxonom ie raseologica sunt variabile de la autor la autor dar, pornindu-se de la caractere morfologice aparente (culoarea pielii si parului, conformatia craniului si a fetei, ctc) se pot distinge trei mari rase (fig. 56): -alba - leucoderm a numita si * ”caucaziana“ ; -galbena - xantoderm a, din care fac parte si am erindienii; -neagra - m elanoderma. Daca im partirea omenirii in 3-4 rase mari s-a facut pe criterii morfologice, in subimpartiri s-au folosit si alte criterii: etnic, geografic, lingvistic, etnografic, cultural. Eforturile antropobiologiei s-au indreptat spre folosirea consecventa nu numai a criteriilor biologice (m orfologice, fiziologice, biochim ice, gcnetice, im unologice). Ea a cautat sa lamureasca totodata si unele relatii dintre rasa, subrasa, etnie, limba, cultura, asezare geografica. Unii autori admit ca in cadrul fieearei rase mari exista mai multe subrase. in ca/ul rasei albe leucoderm a- de exemplu sunt subrasele( fig. 57a,b,c,d,e): -nordica - cu indivizi inalth longilini (cu trasaturi lungi). dolicoccfali (craniu a lu n g it- indice 75 - 81) cu nasul lung si drept, cu parul blond neted moale, cu ochi albastri, piele alba rozata dinarica - cu indivizi inalti, longilini, brahicefali (craniul cu diametrele longitudinal si transversal aproape egale - indice 81,0 85,4) cu nasul lung coroiat, parul negru castaniu. cu ochi negri, piele inchisa
64
-alpina - cu indivizi scunzi si robusti, brevilini (cu trasaturi scurte - trup si membre scurte si groase), brahicefali, cu nasul bont, cu parul aspru - inchis, cu pigm entatie m oderate -mediteranoida - cu indivizi scunzi. avand trasaturi fine, longilini, dolicefali, cu fata ingusta, cu nas drept, cu parul negru moale - ondulat, cu ochi negri stralucitori, piele oachesa si calda -esteuropoida - cu indivizi scunzi, brevilini, cu fata lata, umerii obrajilor proeminenti si fanta palpebrala ”mongoloida“ , cu nasul cam, cu parul blond canepiu, cu ochii albastrii cenusii, pielea alba galbuie. Aceste subrase nu se intalnesc azi ca populatii alcatuite numai dintr-o varianta sau alta, ci ca mixturi de caractere in indivizi concreti. uneori greu dc clasificat. In specia umana Homo sapiens sapiens, careia ii apartin toate rasele umane nu exista rase pure, deoarece o astfel de rasa ar trebui sa fie form ata din indivizi hom ozigoti pentru toate genele alele. Dupa cum se stie specia umana este extrem de heterozigoti. La om consangvinizarea (cu cfectele ci negative) a fost im piedicata prin legislate, prin religie. Populatiile umane prezinta o mare diversitatc genetica, astfel ea cel mai adesea deosebirile genetice dintre indivizii unei rase depasesc deosebirile genetice dintre rase. Toate cercetarile m odem e de genetica umana n-au reusit sa pun3 in cvidenta existenta unor diferente rasiale in ceea ce priveste frecventa genelor care determ ina capacitatea intelectuala. Genele pentru inteligenta, fiind relativ num eroase, se distribuie probabilistic in cadrul populatiilor si raselor um ane care sunt heterozigote. In once populatie sau rasa nu exista, din punct dc vedere genetic posibilitatea homozigotarii tuturor aeestor gene si deci este exclusa probabilitalca aparitiei unei rase cu frecventa m arita de tolerante sau genii. Indivizii dotati exceptional, adica talentele si geniile, se distribuie probabilistic in cadrul tuturor raselor umane, cu frecventa Fig. 57 § S u b ra se u m an e similara. ConcluzionSnd,se poate spune ca nu exista nici un criteriu de a diferentia rasele umane de a diviza populatiile um ane in rase. Daca se utilizcaza un num ar suficient de mare de caractere, atunci fiecare individ este o rasa. Un ultim argument in acest sens a fost adus d e A C . W'fao/? pornind de la cereetarea nucleotidelor ADN-ului mitocondrial: doi indivizi apartinind indiferent carei rase elasice,au in eomun 0,64 % dintre secvente in timp ce la celelalte mamifere variatiile individuale sunt m ult mai mari. A
1 ftclineti ! a w ■ Pentru ca diferentierea rasiala este relativ recen ta in om enire (realizandu-se in ultim ele cateva zeci de mii de ani) im ensa m ajoritate a genelor specifice este aceeasi in Tntreaga om enire. o N eom ogenitalea, varietatea om enirii nu presupune superioritati sau inferioritati "absolute1*, ci eventual aptitudini felurite, com plem entare in cadm l civilizatiei planetarc.
r r /4PLICM II * Analizati colegii de clasa si m cercati sa stabiliti la ei caracteristici apartinand diferitelor subrase. 65
M utagtotzo si Urci(og«ii#xQ vmoni Clasificarea m utatiilor Sfi ne reaminlim ! Diferiti factori naturali produc, in mod constant, m odificari la n iv elu l m a te ria lu lu i genetic* Multe din aceste modificari pot fi indepartate prin actiunea unui proces reparator care actioneaza la nivelul ADN. Altele insa se instaleaza la nivelul materialului genetic, determ inand aparitia dc mutatii,
M u tafia poate fi definita ca fenomenul prin care se produc modificari in structura si functiile materialului genetic, sub actiunea factorilor mutageni. Procesul prin care sc produc mutatiile, poarta numele de mutagenezH Aceste sehimbari se mostenesc de la o generatie la alta. Ele nu se datoreaza efectelor recombinarii genetice sau segregarii factorilor ereditari. Mutatiile se clasifica dupa mai multe criterii:
Dupa cantitatea de m aterial genetic afectat: genomice, cromozomale, genice; Dupa modul de manifestare\ dominante, recesive, codominante, letale - in stare homozigota determina aparitia de indivizi incapabili de supravietuire, semiletale determina
in stare hom ozigota aparitia unor indivizi care supravietuiesc partial; Dupa localizare mutatiile sunt: autozomale plasate pe autozomi, heterozomale plasate pe heterozom i; Din punct de vedere a I efectului: daunatoare, neutre9folositoare\ Dupa modul de aparitie : naturale spontane, artificiale provocate de om; Dupa tipul de celule in care apar. gametice - care sunt ereditare si pot fi observate la descendenti in diferite generatii. somatice - ce pot fi izolate si reproduse ca linii sau clone mutante la organismele care se inm ultesc vegetativ. Diferitele tipuri de mutatii pot determ ina in cursul dezvoltarii intrauterine aparitia unor m alformatii cu diferite grade de severitate, fenomen cunoscut sub numele de teratogcneza.
T ip u ri de m utatii umane Mutatiile materialului genetic uman pot fi: genomice, cromozomale, genice producand maladii mai mult sau mai putin severe. r—---- rr k
-
!;ig. 58 %Nou n asc u t lripk>id viu cu m ultiple m a lfo rm a tii
66
Maladii determinate de mutatii genomice Mutatiile genomice afecteaza genomul sau com plem entul crom ozom ial prin m odificarea numarului de cromozomi si pot ft reprezentate de; poliploidii si aneuploidii. In poliploidie are loc o m ultiplicare a numarului de seturi dc cromozomi. In cazul speciei umane, poliploidia este letala. Au fost descrise cazuri de feti um ani trip lo izi (2n = 3x =69 cromozomi) nascuti vii si care nu au supravietuit mult timp (fig. 58).
Aneuploidia este d eterm in ata de m od ificarea numarului de crom ozom i (cu unul sau doi) in plus sau in m inus. Poate afecta fie au to zo m ii - p erech ile 1-22 (aneuploidii autozomale), fie heterozom ii -XX sau XY
(
V
i
<
9
4
* • a e
V « '4
7
a
•
t
%
it 1 1^.61 • C'opi! a lec tat dc sim iro m ui Down
*
tm » m
»
i_ * ;:
l-f* 11
•
Kl
*
i
iS
1-
*
• « • 14 ft
«
•
6 3
f •
It
*
M
*T
1
• * »
*
I i »
f+
• «
♦ *
0»
*
*
*• i «
«- *
I imi • i
\r
«B
/
••
\
v>
f) *
♦
«
«
*
¥
* X
u 30
v - •* *
u
* «
31
t
JJ
ft
ii\ ^>0 • Trisom ia 21- cario tip
67
Aneuploidiile heterozomale sunt mult mai frecvente decat cele autozomale. Ele se datoreaza non-disjunctiei crom ozom ilor sexuali fie in ovogeneza femeii, fie in spermatogeneza barbatului unui cuplu, sau la ambii. Determina urm atoarele maladii : Sindromul Turner (2n - 45 = 44 XO) Este caracteristic femeilor. A cestea sunt de statura mica cu gatul patrat, cu par intins pe ceafa. O rganele genitale sunt slab dezvoltate. Prezinta anomalii cardiace, renale si sterilitate. Lipseste cromatina sexuala.
Trisomia "X" (2n =47=44XXX) Apare la femei. Se asociaza o oarecare tcndinta de virilitate - pilozitate pe fata si corp. Prezinta sterilitate si debilitate mintala.
Sindromul Klinefelter (2n - 4 7 - 4 4 XXY) Este intalnit la barbati. Sindromul se caracterizeaza prin talie inalta, musculatura slab dczvoltata, bazin larg, dezvoltare anormala a mameloanelor, atrofiere testiculara, oarecare grad de retardare mintala. Este prezenta crom atina sexuala. Nu au fost sem n alate eazuri cu cariotip de genul -2rv^45-44YO - deoarece absenta crom ozom ului X este letala - crom ozom ul X fiind cscntial pentru supravietuire.
Maladii determinate de mutatii cromozomale M utatiile crom ozom ale = crom ozom iale sunt restructured ale crom ozom ilor determ inate de ruperea unor fragmente de cromozomi sub actiunea factorilor de mediu. Fragmentui desprins accidental contine un anum it num ar de gene (fig. 62) s i : < g
M O N O P L O ID IE
P O L IP L O ID IE
ANEUPLOIDIE
LU
5 w D Z
LU
CD
1
£
V) z <
3 I— O D a:
cIN V E R S IE d
2 CRO M O ZO M I ACf?OCENTf?ICl
in LU
%
-J t il
TRANSLOCAT1E RECIPROCA DE DOUASEGMENTE NEOMOLOAGE
DELETlEc
d
!S (D z:
=
LA NIVELUL UNUI CROMOZOM
UL MAI MULTOR CROMOZOMI
Fig. 62 # T ip u ri d e n iu tu tii
«
-se poate reatasa cromozomului respectiv in pozitie inversa- inversie; -se poate atasa cromozomului omolog care astfel va dobandi gene in dublu exemplar - duplicatie\ -se poate atasa unui crom ozom neom olog -translocatie sau se poate pierde - deletie.
68
Sindromul "Cri du chat “ - '’tipatul pisicii“ a carei denum ire deriva de la tipatul caracteristic pe care il prezinta nou nascutii cu plans anorm al, se datoreaza deletiei partiale a bratului scurt al crom ozom ului din perechea a V-a. Copiii bolnavi prezinta microcefalie cu grava intarziere mintala (fig. 63)
Maladii determinate de mutatii genice M utatiile genice pot afecta genele in totalitate sau numai anum ite perechi de nucleotide. G enele pot suferi m odificari ale succesiunii nucleotidelor determ inand efecte diferite precum: - aparitia unor anomalii morfologice: - afecteaza sinteza unor proteine tulburdnd functiile unde
acestea sunt implicate; -provoaca koli metabolice ereditare, etc, M utatiile genice pot fi autozomale si heterozomale. 1. Maladiile genice autozomale se manifest^ cu frecventa egala la cele doua sexe si o . sunt determ inate de mutatii » dominante sau recesive ale unor gene situate in crom ozom ii autozomi. Cele dom inante sunt reprezentate de: - Sindactilia - unirea degetelor de la maini si/sau de la picioare; - Polidactilia - degete suplimentare la maini si / sau la picioare (fig. 64) - Prognatismul - marirea anorm ala a buzei inferioare insotita de aplatizarea transversala a craniului. (fig. 65) Cele recesive sunt reprezentate de: - Albinism ul- absenta pigm entului melanic din piele par si iris; - Anemia falciformd - eritrocitele au form a de secera(fig. 6 6 Este determinata de inlocuirea acidului glutamic cu valina in pozitia a s a s e a a c a te n e i d in m o le c u la d e h e m o g lo b in a .A s tfe l m odificata,hem ogIobina are o capacitate redusa de fixare a 0 , s i de aceea heterozigoti i nu rezista bine la efort. 2. Maladiile genice heterozomale se transm it eu frecventa diferita la cele doua sexe si sunt determ inate de mutatii ale unor gene din heterozomi. Hemofilia este
f *"
!;
a? ’
m a' adie sex-linkata, recesiva determinata de p re z e n ta u n ei gene mutante pe cromozom ul X. Cei afectati au hemoragii v / 4 puternice, la cele mai mici traumatisme. J Gena fiind recesiva, o fem cic - XhX-in stare f ■:v hetcrozigotii este normals fenotipic insa un barbat - XhYeste hemofilic. Aeeasta situatie se numeste hemizigotie. ■Deoarece barbatul are un singur locus pentru gena ”h‘\ ® j acesta se poate exprima fenotipic intr-un singur exemplar. 0
*
/
v ....w * Anemia fakitoraia
69
Sanatoasa
B o ln a v h e m o filic ^
X X
xh
cr Y
Boala se manifesta la barbati dar se transmite pe linie materna. Un barbat hem ofilic va avea cu o femeie normala numai copii normali deoarece cromozomul cu gena X h este m ostenit numai de fete in timp ce baietii de la mama cromozomul normal. i mostenesc % Fiicele sunt sanatoase dar purtatoare ale genei Xh (fig. 67).
D altonism ul este o m aladie sex lin k ata, Fi
X IX Q s a n fto a s e
O s a n ito s i
Q S in lto a s e
C/sar»ato?i
rta to + P u rtA tn a re
+ P u r t it o a r e
San£toasa Purtatoare
Sart^toS
cf
Fl 25% y SSnatoase
PyrtStoare
[13 25%
cf B o ln a v i
X )
25%
S a n & to a s e
Y
25%
O S in A to s i
h e m p fllic i
recesiva in care sunt afectati barbatii hemizigoti - XdY si femeile homozigote - XuXd. Se transmite in acelasi mod ca si hem ofilia deoarece este determ inat de o gena plasata pe crom ozomul X. Se m anifesta prin cecitate cromatica sau orbirea culorilor (incapacitatea de a sesiza si de a discrim ina in special culorile rosu si verde). Miopatia Duchcnne, cunoscuta si sub numele de distrofie m usculara este Cauzata de o mutatie a unei gene situate in cromozom ul X si se m anifesta prin anomalii ale mersului la copiii mici pentru c a ja 2 0 ani, tinerii sa nu mai poata merge deloc ca urmare a atrofierii ireversibile a musculaturii.
3, Maladii metabolice ereditare
Maladiile metabolice ereditare sunt consecinte ale mutatiilor genelor si determina tulburari grave ale M e m o fiiia m etabolism ului celular. Atunci cand genele afectate I Fig. 6 de mutatii se gasesc in autozomi, maladiile provocate de acestea se numesc autozom ale si prezinta o frecventa egala la am bele sexe. Cele mai frecvente maladii m etabolice ereditare s u n t: -hemoglobinopatiile determinate de mutatii ale genelor raspunzatoare de sinteza hemoglobinei. Exemple; anemia falciform a si talasem ia major; -maladii ce afecteaza metabolismid bazelor azotate purinice si pirimidinice - sunt determinate de mutatii ale enzimelor ce intervin in primele faze ale sintezei purinelor ducand la aparitia gutei ce se manifesta prin cresterea cantitatii dc acid uric din sange si acumularea in articulatii a cristalelor de urat de sodiu; - maladii ce afecteaza metabolismidglucidelor determ inate de mutatii ce produc blocaje ale proceselor de sinteza a glicogenului si ale proceselor de degradare a glucidelor pentru elibcrare de energie. Exemple: diabetul zaharat, fructozuria esentiala. etc; - enzimopatiile - sunt determ inate de mutatii ale genelor implicate in sinteza unor enzime. In fig. 6 8 este prezentat un lant metabolic in care pornind de la am inoacidul fenilalanina ingerat odata cu alimentele sau provenind din proteinele tisulare intervin mai multe enzime care asigura transformarea sa. Aceste reactii pot fi afectate de cinci mutatii diferite care provoaca cinci maladii metabolice ereditare diferite. Pe fiecare sageata este indicat numele bolii. a) Fenilcetonurie acum ularea de acid fenilpiruvic toxic pentru sistemul nervos. b) Albinism (fig.69) nu sintetizeaza melanina, Albinoticii nu beneficiaza de protectia antiradiatii pe care o ofera melanina. Ochii albinoticilor sunt rosii, datorita faptului ca la ei in absenta pigmentului din iris, vasele de sange ale retinei se pot vedea prin transparenta. Albinoticii au dificultati de vedere si in general rezistenta mica la boli sau diversi factori din mediu.
t
70
Proteine alimentare i
Maladii metabolice ereditare umane apar prin blocarea metabolismuiui fenilalaninei Tn diverse etape Fig. 68 • K ant m etabolic
c) in cretinismul sporadic (fig.70) este afectata form area hormonilor tiroidicni urmarea fiind aparitia tulburarilorde crestere, dezvoltare somatica si psihica. d) In (irozinoza bolnavul prezinta slabiciune musculara.
Factorii mutageni Sunt factorii care indue m odificari in structura si functiile materialului genetic. /. Factorii mutagenifizici sunt reprezentati de radiatiile: - neionizante ultraviolete; - ionizante Rontgen, gam m a, alfa, beta, neutroni. Produc rupturi ale catenelor m acrom oleculelor de ADN sau ale cromozomilor. Apar astfel legaturi intre timina - timina sau citozina citozina (”dim eri“). D eterm ina ruperea legaturilor de hidrogen, m oleculele dc ADN se contorsioneaza si se impiedica replicatia si transcriptia. 2. Factoriimutagenichimici sunt foarte diversi: acid azotos, agenti alchilanti, unele antibiotice, m ajoritatea pesticidclor. - Acidul azotos (H N O ?) actioneaza asupra bazelor azotate si le transform a in substante analoage acestora: hipoxantina. adenina -------- HN O , ------------ ------► Hipoxantina nu mai fonneaza legaturi de hidrogen cu timina, ci cu citozina si ca urm are apar greseli de replicare. - Agentii alkilanti prin m etilare sau etilare produc analogi ai bazelor azotate care blocheaza transcriptia. 3. Factorii mutageni biologici Dintre agentii mutageni biologici se rem arca virusurile si elementele genetice mobile numite gene ” saritoare“ sau transpozoni.
Fig, 69 •
ic-
Copii ftlbinotic
■*' ■
a
„
-•
. '
X *
| Fig. 70 * C opii cu cretin ism js p o ra d ic
71
- Virusurile pol produce restructurari cromozomiale dar si modificari la nivelul genelor. -A cum cateva decenii s-a deseoperit ca in structura materialului genetic exista fragmente ADN care, contrar celor stabilite de M organ, se pot deplasa de la un locus la altul. Ele au fost numite transpozoni. Uneori, transpozonii nu parasesc pur si sim plu vechea pozitie ci, replicandu-se, lasa acolo o copie a lor. Alteori ei produc o copie ARN care, la randul ei, prin transcriptie inversa produce din nou molecula ADN ce se va atasa in noua pozitie. Acest com portament este foarte asem anator cu al unor virusuri ARN. Transpozomii se pot insera oriunde, efectul lor asupra genelor fiind de mai multe ori mutagen, determ inand restructurari ale secventelor nucleotidice. M obilitatea transpozonilor creste in conditii de stres provocat de mediu. 4. Exista un fo n d natural de radiatii care provin din spatiul cosmic sau din rocile radioactive. Activitatile nucleare au sporit insa riscurile eontaminarii radioaetive_Sunt binecunoscute efectele produse de exploziile de la Hirosima, N agasaki, de exploziile experim entale pentru testarea armelor nucleare si de accidentele nucleare de tipul celui de la Cemobal. M ilioane de oameni au fost afectate de contam inarea radioactiva a mediului. Dupa zeci de ani de la evenimentele m entionate mai persista substante radioactive. Izotopul strontiu 90 e s te r’confundat“ de organism e cu calciul (face parte din aceeasi grupa) si se acum uleaza in oase. El supune unei iradieri permanente m aduva hematogena si de aceea leucemia este una din cele mai frecvente consecinte ale eontam inarii radioactive a mediului. Iodul 131 este acum ulat de glanda tiroida crescand riscul de aparitie a cancerului tiroidian. 5. Este foarte bine cunoscut efectul binefacator al razelor solare prin efectul de bronzare a pielii si prin continutul de radiatii ultraviolete care stim uleaza sinteza vitaminei D (antirahitica) la nivelul pielii. Putini stiu ca razele ultraviolete au potential cancerigen si ca expunerea prelungita la soare poate induce cancerul pielii. Stratul de ozon care absoarbe cea mai mare parte a razelor ultraviolete, in ultim a vreme este foarte afectat mai ales de unele substante acumulate in atmosfera (freonul) incat exista perspectiva unei adevarate catastrofe ecologice pe care ar provoca-o disparitia stratului de ozon. 6 . Industria chimica produce zeci de mii de substante si lista acestora creste zi de zi. Ele au diferite utilizari: ingrasam inte chim ice, pesticide, aditivi alim entari, coloranti, m ase plastice, m edicam ente etc. In procesele de prelucrare se fonneaza multi produsi intennediari si deseuri care ajung in apa, aer, sol, pouandu-le. Multe din aceste substante sunt straine, neavand enzimele necesare, nu le poate neutraliza. Toti acesti factori amintiti au efect m utagen, cancerigen sau teratogen (indue malformatii). Se stie ca programul genetic din celula ou cuprinde instructiuni, potrivit carora, viitorul organism se construieste pas cu pas prin foarte precise diferentieri celulare. O cat de mica perturbatie aparenta la nivelul acestui program com plex, poate duee la greseli in realizarea lui. Este perturbata dezvoltarea em brionara si se nasc copii cu malformatii.
_ netineli ! M aterialul genetic are in structura si functtile sale elem ente stabilizatoare care se opun m utatiilor conservand inform atia ereditara.
/. Procesul reparator. Daca factorii m utageni au produs o m utatie la nivelul unei catene de ADN, intervine un ansam blu de enzim e reparatoare care: - decupeaza portiunea defecta; - determ ina resinteza portiunii norm ale pe baza com plem entaritatii cu catena opusa.
2. Moartea celulara programata genetic - apoptoza. C elulele cu structuri alterate pot fi recunoscute de lim focite si se declanseaza procesul de autodistrugerc al acestora - crom atina se condenseaza anorm al, apar rupturi la nivelul ADN, citoplasm a pierde apa, ioni, incat i se reduce volum ul. m em brana se pliaza, celula se fragm enteaza si resturile sunt fagocitate.
72
ftnosnolii cromozomiol* o iecio tc ceneftrului umoii Carcinogeneza reprezinta procesul prin care este indus cancerul. Cancerul este o tulburare a diviziunii celulare care se declanseaza atunci cand celula norm als creste si se dezvolta necontrolat si invaziv. Celulele canceroase reprezinta mutante ale celulelor normale care au suferit modificari ireversibile. Rezultatul acestor modificari in activitatea celulelor este formarea unei tum ori, care isi m areste dim ensiuni le treptat iar celule canceroase din tum ora pot fi disem inate prin circulatia sanguina in diferite regiuni ale corpului. Aberatia
Neoplasm ut Leucem ii Lim foam e
Tumori so tide
Regiunea cromozomiala afectata
JLcronica granulocitara L. cronieS limfocitara Lim fom ul Burkitt Limfomul folicular
Translocatie Trisom ie Translocatie Translocatie
9q34 si 2 2 q ll 12 8q24 si 14q32 14q32 si 18 q 2 1
• Benigne M eningiom Adenoam e ale glandelor salivare
D e le te sau m onosom ie T ranslocatie
22q 3p25 si 8 ql2
• Malignc Sarcom Ewing Tum ora testiculara Carcinom pulm onar Liposarcom mixoid N euroblastom lletinoblastom
Translocatie Izocrom ozom Deictic Translocatie D e le te Deictic
1 lq24 si 22q 12 12p 3p 13-23 12q 13 si I6pl 1 1p 3 1 pana la 3p36 13tj 14
ig. 71 • C a rio tip um an in leucem ia m ieluida
Procesul de carcinogeneza se desfasoara in mai multe etape unitierea aparitia de mutatii in celulele so m atice; dezvoltarea si progresia proli ferarea celulelor mutante In procesul de carcinogeneza un rol decisiv il prezinta agendi carei.no.geni reprezentali de 73
segment din genomul gazda
a) diferite substante chimice: - pesticidele bogate in arsenic indue cancerul m w m m I c pulm onar; - unele uleiuri m inerale indue cancerul de piele; TTHTi ) - benzenul poate induce leucemia; udJJLU - fumul de tigara induce cancer in organele aparatului respirator, digestiv, excretor b) radiatiile neionizante si ionizante indue genom viral cancer de piele. c) unele virusuri pot constitui patogeni al () ) gag ) pol ) env ) ) cancerului. includerea unei gene incl din celula gazdS in C ele mai m ulte cauze ale p ro cesu lu i de genomul viral a' carcinogeneza sunt reprezentate de leziuni in molecula env ■pof de ADN, dc m utatiile num erice sau structurale ale i> > gag crom ozom ilor dar si de deficiente in repararea leziunilor din m olecula de ADN sau de fragilitatea Fig. 72 • V iru su l sarco m u lu i Rous cromozomilor. S-a evidentiat faptul ca unele tumori contin celule cu numeroase anomalii de structura a crom ozom ilor: translocatii reciproce, deletii, duplicatii,etc. sau sunt asociate cu rearanjamente S-S-a evidentiat faptul ca unele tumori contin celule cu numeroase anomalii de structura a crom ozom ilor: translocatii reciproce, deletii, duplicatii,etc. sau sunt asociate cu rearanjamente cromozomiale, care in unele cazuri se transmit ereditar. Astfel, cancerul sanguin (leucemia cronica mieloida) este asociat la om cu deletia bratului lung al crom ozom ului 22 si translocatia sa reciproca cu un segm ent din cromozomul 9 (fig.71). Cancerul de sail prezinta niuneroase linii celulare determinate de interschimburi intre cromozomul I uman si oricare dintre ceilalti cromozomi ai complementului. In cazul lim fom ului Burkitt, transform area maligna este insotita de o translocatie intre crom ozom ul 8 si crom ozom ul 14. C elulele transform ate m align sunt in acest caz lim focitele producatoare de imunoglobuline. Pentru descrierca modului in care mutatiile determina aparitia cancerului a fost utilizata tehnica tramfe.ctiei care presupune desfasurarea urmatoarelor etape: a. izolarea ADN nuclear din celulele tum orale umane; b. fragm entarea ADN extras cu ajutorul enzim elor; c. testarea capacitatii fiecarui fragment de a induce cancer in celulele umane. S-a demonstrat ca este necesara num ai o gena specifica pentru transform area unei celule care se divide norm al intr-o celula canceroasa. O astfel de gena se num este oncogena. Oncogenele sunt versiuni modificate ale unor gene normale denum ite protooncogene, bcnigne, prezente in celulele normale care codifica proteine necesare structurii si functiilor normale ale celulei. Acestea sunt un grup de gene care joaca un rol principal in controlul proliferarii si diferentierii celulare. Prin activarea protooncogenelor sub actiunea agentilor carcinogeni, celulele normale sufera modificari irevcrsibile si devin mutante. In aeeasta situatie ele se dezvolta rapid, anarhic, dand nastere unei populatii de celule cu caracteristici similare. Tumorile au deci origine clonala. Prin com pararea oncogenelor cu genele om oloage norm ale au fost form ulate urmatoarele concluzii: - la originea aparitiei cancerului stau schimbarile din activitatea celulelor care au loc la nivelul suprafetei interne a mem branei celulare si sunt implicate in declansarea diviziunii celulare;
I
74
- este suflcienta o m utatie a ADN care ARN codifica proteinele implicate in diviziunea celulara capsida anvelopa externa pentru a se genera transformarea maligna a celulei; src ARN viral - mutatia unei gene in oncogena, petrecuta + raverstranscriptazS ADN viral in celule diferite, poate determ ina forme diferite CITOPLASMA de cancer; astfel, este foarte posibil ca un num ar CELULEI GAZDA mic de gene sa fie responsabile de num eroase MEMBRANA forme de cancer. PLASMATIC Frecventa m are a initierii cancerului la varste de peste 40 de ani este probabil cauzata de acum ularea de mutatii atat la nivelul mem branei ADN CELULA ARN viral celulare cat si la nivelul nuclcului. ARN mesager Alte forme de cancer au origine virala fiind Genom Proteina pt, determ inate indeosebi de retrovirusuri: virusul pentru particula viraB ( Pr° ' f ni* sarcomului Rous (VSR), virusul H1V1 si HIV2. particula , , j -------------- cod,ficata de src viralS etc, VSR detem iina sarcomul Rous- cancer al Noi particule tesutului conjunctiv al puilor de gaina. Pentru virale ale virusului replicarea ARN viral acesta este copiat mai intai sarcomului Rous intr-o m olecula de ADN sub actiunea enzim ei rcverstranscriptaza, ARN-ul virusului sarcomului Fit* 73 • T ra n sm ite re a VSR Rous contine numai cateva gene (fig 72) care codifica proteinele capsidei virale (env si gag) si enzim a rcverstranscriptaza (pol) care catalizeaza sinteza unui ADN-copie a ARN viral. La acestea se adauga gena src pentru sarcom care este inglobata din genomul gazdei in timpul unor infectii anterioare. Gena src este inactiva in celulele puilor de gaina, dar devine activa daca este incorporate in genomul VSR cand acesta infecteaza o noua gazda (fig.73). Incorporate in virus, gena nu raspunde la enzim ele de control care o inactiveaza si, in consecinta, se exprima.
f fj
fteiineii !
Potcntialul m utagen al mediului inconjurator a cunoscut o crestere considerabila din cauza acumularii de factori mutageni produsi de industria modema.
■ /i p l i c ^ t ii 1. Precizati cum are loc clivarea (diviziunea) norm ala a centrom erului la trecerea de la m etafaza la anafaza. La un crom ozom m etafazic carc prezinta urm atoarea succesiune de gene: a) Redati prin desen clivarea longitudinala a centromerului in cursul diviziunii, cu form area crom ozom ilor fii (genetic identici). b) Ce se intampla daca agentul mutagen induce diviziunea transversala a centromerului? c) D upa sep ararea celo r doua b rate crom ozom iale, red esen ati-le ca si cand ar fi un crom ozom norm al cu orientarea telom er - centrom er - telomer.
1 A-
-A
BC-
-c
D-
-D
TOLOM ER
-B
CENTRQM ER
T ELO M ER
75
• La intrebarile de mai jos, sunt corecte unul sau mai m ulte raspunsuri. 1. Evidential aneploidiile autozomale: A. Sindromul Down - Trisom ia 21 B. Sindromul Turner C. Sindromul E d w ard s-T riso m ia 18 D. Sindromul Patau - Trisom ia 13 E. Sindromul Klinefelter 2. ”Cri du C hat44. tipatul pisicii“ : A. Este determ inata de deletia partiala a bratului scurt al cromozomului 5 B. Este o aberatie structurala C. Este o maladie m etabolica ereditara. D. Este un sindrom autozom al E.Indivizii afectati prezinta m icrocefalie cu grava intarziere mintala 3. Albinismul A. Este o maladie m etabolica ereditara B. Se transm ite recesiv C. Se transm ite dom inant D. Este provocata de m utatia genei care controleaza sinteza enzimei ce intervine in procesul de transform are a fenilalaninei in tirozina. E. Consta in blocarea producerii de melanina. 4. Intr-o familie in care parintii sunt sanatosi apare un copii cu albinism. Care sunt genotipurilc parintilor? A. cc x cc B. CC X CC C. CC X CC D. CC X CC E. Cc x C c 5. Daca tatal este sanatos si mam a vede bine, dar poarta o gena daltoniana: A. Baietii care se nasc in acest cuplu sunt sanatosi 100% B. Baietii sunt sanatosi f doar 50% C. Fetele vad bine doar 50% D. Toti copii sunt sanatosi E. Toti copii sunt daltonisti
5
IMUNOGENETICA Antigen*. Alargcni. d^Hcerpi
5d ne reaminfim ! Sem nalele pe care le primim din mediu! inconjuraior sub forma de sunete, lumina caldura si mirosuri sunt traduse prin interm ediul receptori lor senzoriali intr-un limbaj comun al sistemuiui nervos - impulsul nervos
Imunitatea este capacitatea unui organism de a asigura apdrarea integritatii genetice si a individualitdtii salefata de anumitifactori nocivi de natura diferita. Fiecare organism este inzestrat cu capacitatea de a face deosebirea intre ceea ce ii apartine 76
se lf- si ceea ce nu ii apartine, ii este strain -n o n self Elem entele selfyot fi reprezentate de constituienti proprii, m odificati prin mutatii genetice sau cu alterari de alta natura, pe cand factorii nonself sunt reprezentati de material strain ce apare in celule prin interm ediul unor agenti infectiosi, substante chimice alogene,etc Receptionarea si traducerea sem nalelor sunt fenom ene de suprafata, dependente de existenta elementelor de recunoastere asociate membranei celulare, numite receptori. Pe celule au fost identificate tipuri m ultiple de receptori, astfel ca pe una si aceeasi celula coexista de obicei receptori variati si distincti pentru inregistrarea sem nalelor chim ice.M ijloaeele de aparare la nivel celular au la baza meeanisme genetice.
Antigen - anticorp Patrunderea in organism a unor proteine straine, dar si prezenta in organism a unor proteine proprii denaturate sau a unor substante chim ice care nu au prin ele insele proprictati antigenice, dar care se combina cu proteinele gazdei dand nasterc unui complex nou, strain pentru organism, va duce la form area de anticorpi. -Antigenul este substanta de natura proteica care are capacitatea de a provoea in organism formarea de anticorpi cu care reactioneaza specific. - Anticorpii sunt substante proteice de tip globulinic, sintetizate in organism ca raspuns la un stimul antigenic si care reactioneaza specific cu antigenul omolog. S istem ul im u n ita r este constituit din doua com ponente principale; imunitatea celulara si imunitatea umorala. Aceste com ponente se dezvolta de-a lungul unor cai de difcrentiere separate, insa in interrelate, in care sunt implicate mai multe tipuri de celule si tesuturi. Limfocitul este celula centrala in imunologie. Studii privitoare la diversi markeri de pe membrana lim focitelor si la activitatile lor functionate au permis identificarea a doua populatii principale de limfocite, denum ite limfocite ”T “ si limfocite ”B " De$i ele reprezinta populatii separate, au fost dem onstrate mai multe zone de cooperare intre ele. Limfocitele T (celulele T) sunt denumite astfel pentru ca sunt derivate din timus sau influentate de tim us in cursul dezvoltarii lor. Celulele ’T V sunt raspunzatoare de diverse functii ale imunitatii celulare, incluzand: reactivitatea cutanata intarziata, apararea im potriva anum itor m icroorganisme, fungi, agenti patogeni bacterieni intracelulari, virusuri, respingerea imunologica la alogrcfe etc. Limfocitele ”T“ prezinta markeri de suprafata care functioneaza ca receptori. Receptorii sunt de natura imunoglobulinica si au proprietatea de a recunoaste antigenul si de a se lega de el. L im focitele’T 4 nu produc anticorpi circulanti si nu dau nastere la celule secretoare de anticorpi. Exista mai multe tipuri de limfocite ”T“ , cele mai importante fiind: a) limfocite ”T “ reglatoare: - de tip helper (ajutatoare); - de tip supresor (inhibitoare); b^ limfocitele ”T Uefectoare - de tip Killer (citotoxice) Limfocitele 'T “ reglatoare pot am plifica (sub forma de celule helper) sau pot suprim a (sub fonna de celule supresoare) raspunsurile altor limfocite T sau B. Mai precis, celulele ajutatoare helper stimuleaza limfocitele la iupta, iar cele supresoare protejeaza organismul de efectele proprii ale apararii exagerate. Limfocitele ”T “ efectoare su n t cap ab ile sa u cida celu lele ce p o arta an tig en ele de histocompatibilitate (in transplante) sau cele tumorale, deci sunt raspunzatoare de respingerea grefclor de tesut strain si tumori. Limfocitele ”B “ (celulele B) sunt denum ite astfel pentru ca se dezvolta in bursa lui Fabricius la pasari si in m aduva osoasa la unele specii, printre care si la om. Celulele B si celulele plasmatice y
j
77
care provin din ele sunt raspunzatoare de functiile de imunitate umorala. Aeeasta inseamna producerea de proteine plasmatice circulante, numite anticorpi. M olecula de anticorp este form ata din 4 lanturi polipeptidice identice intre ele doua cate doua. Doua sunt lanturi lungi numite lanturi ”H“ prescurtarea cuvantului englezesc heavy (greu) si doua scurte, numite dc la cuvantul englezesc light (usor) (fig. 74). Un lant greu interactioneaza specific cu unul usor, formand o jum atate sim etrica a moleculei de imunoglobulina. Molecula este formata dintr-o regiune constants, comuna diferitilor anticorpi (C) si din doua portiuni specifice, variabile (V). Acestea din urm a reprezinta siturile de combinare cu antigenii. Cele doua lanturi ' usoare“ au fost denum ite 9 * kappa si lambda. Nu ele constitute criteriul de clasificare ale im unoglobulinelor ci lanturilc ”greleu cele cinci tipuri: alpha, gamma, miu, delta, epsilon. In functie de lanturile grele, im unoglobulinele (Ig) au fost notate A, G (fig. 75), M, D, E.si reprezinta 2 0 % din proteinele plasm atice. Limfocitele B alcatuiesc un nou tip de celule. Ele poseda ca markeri de suprafata un tip special de microglobulina IgM, complet exteriorizata, ce functioneaza ca situs pentru recunoasterea antigenului. Cand se intalnesc cu antigenele proprii, dupa o recunoastere reciproca, adera sau se leaga la ele. Celulele B puse astfel in m iscare se transform a imediat: IgA LgG
15% 75%
IgM
10%
IgD
0,2%
IgE
0,04%
- aparatorul m ucoaselor - singura clasa de im unoglobuline care poate strabate placenta la om: - sunt raspunzatoare dc protectia non nascutilor in prim ele luni de viata; * constituie avangarda organism ului in toate contactele cu antigen! noi, de aceea a fost num it "anticorp tim puriu“ ; - im prcuna cu IgM reprezinta im unoglobulinele predom inante pe .suprafata lim focitelor B um ane, probabil intervin in diferentierea acestor celule; - rol m ajor in ceca ce priveste hipersensibilitatca specifica; - se leaga cu m are afinitate dc celulele tisulare (m astocite) dar si dc alergeni;
a) O parte devin celule plasm atice, care pot fi considerate fabrici de anticorpi. Ele produc in fie c a re secu n d a cca 2 m ii de m o lecu le. Ahticorpul in forma de ”Y‘\ prin cele doua terminatii lipicioase, se poate lega de doua antigene, stimuland si lipirca antigenelor intre ele si astfel devenind o tinta mai usoara pentru le u c o c ite le fa g o c ita re - n e u tr o f ile le si macrofagele. -s-s\p v \ •6 -S b) a* -H1 lim fo citele T, se tran sfo rm a in celu le cu memorie. Acestea opresc efectivul limfocitelor program ate sa sesizeze antigenii. Cu alia 1 ocazie, daca apare acelasi antigen, organismul i Fig. 75 • S tr u c tu r a m oleculei Uc ® ; este pregatit si se apara impotriva lui mult mai imunogtobulirtidgG) I repede si cu mai m ulta eficienta. 78
Aeeasta este baza imunitatii. Introducand in corp doze mici de m icrobi sau fragm ente de microbi slabiti, sistemul im unitar reactioneaza im ediat, intoem ai ca si cum patrunderea acestora ar fi reala. Astfel devenim imuni sau rezistenti fara sa fi prim it boala respectiva. Substanta injeetata este un vaccin, iar procesul prin care devenim rezistenti fata de diferite boli infectioase este imunitatea. Sinteza proteinelor - anticorpi este un proces cu determ inism genetic identic cu al oricarui proces de sinteza a proteinelor. Intoemai ca si pentru celelalte celule secretorii de proteine, in genomul celulelor producatoare de anticorpi exista o parte de ADN care functioneaza obligatoriu pentru realizarea planului de structura a celulei respective si o parte pentru sinteza anticorpilor. A ntigenele sunt inform ationale, adica cu o configuratie spatiala specifica, constanta, astfel incat indue fiecare in parte, formarea unuia si aeeluiasi tip de anticorpi, cu care vor putea combina intotdeauna specific. Fiecare organism este capabil sa sintetizeze anticorpi numai impotriva acelor molecule ’’potential antigenice“ a caror configuratie structurala difera sem nificativ de cea a propriilor sale componente (num ite self) si pe care le poate recunoaste ca straine (non self), deoarece le poate metaboliza. Denum irea de alergen este un term en alternativ folosit de alergologi pentru orice antigen care stim uleaza producerea de IgE. Anticorpii Ig£ ofera un exemplu elocvent a naturii bifunctionale a moleculelor de anticorpi. IgE se leaga cu foarte mare afinitate de celulele unui tesut, dar si de alergeni, In acel m oment IgE declanseaza eliberarea din histocite a unor mediatori raspunzatori de reactiile cutanate veziculopapuloase caracteristice provocate prin cxpunerca pielii subiectilor alergici la alergeni. Alergia este o reactie anorm ala a organism ului la una sau mai m ulte substante inofensive. in general, pentru marea m ajoritate a oam enilor. Substantele care provoaca reactii alergice poarta denum irea de alergeni. Alergia este in esenta o afectiunc fizica, dar factorii psiho-emotionali (stresul, frica, furia etc.) pot determ ina sau agrava simptomatologia. Cele mai com une surse pentru alergii sunt: polenul copacilor, ierburilor si gramineelor, praful de casa, mucegaiurile, animalele, anum ite alimente si medicamente, precum si intepaturile de insecte. Dupa calea dc patrundere in organism , alergenii pot fi clasificati in: pneumoalergeni (polen, prafd e casa, m ucegaiuri, peri si epiderm e de anim ale), alergeni alimentari (albusul de ou, laptele de vaca, capsuni, fragi, etc), alergeni de insecte (veninuri de insecte), alergeni medicamentosi si alergeni chimici (profcsionali sau nu). Seutul de aparare al organismului im potriva infectiilor si bolilor este format din anticorpi sau imunoglobuline. Unele persoane produc in exces un anum it anticorp num it im unoglobulina E (IgE). Anticorpii IgE In cantitati abundente, suprareactioneaza atunci cand intra in contact cu un alergen, stimuland elim inarea in organism a unor com pusi chim ici care la randul lor accelereaza sim ptom ele alergiei mediate de IgE. Alergenii pot provoca si alte reactii alergice in care anticorpii IgE nu sunt implicati direct. Reactiile alergice determina sim ptom e variate, ale diferitelor organe si sisteme, localizate mai frecvent la nivelul: -nasului rinita alergica sau ’’febra fanului", cu sim ptom e precum m ancarim e si eongestie nazala, stranut si secretii nazale apoase; -pM m anilor-astm bronsic, cu sim ptom e precum senzatii de sufocare si wheezing (’’suierat^); -ochilor conjunctivita, cu mancarimi, roseata si lacrimare; -pielii prin: eczerne (derm atite atipice), eruptic insotita de m ancarim i la nivelul bratelor, picioarelor si gatului; dermatite de contact, leziuni caracteristice insotite dc mancarimi care pot aparea in unna eontactului direct cu substante provenite din produse eosmetjee, bijuterii, imbracaminte, precum si prin contactul cu diversi alergeni profesionali: urticarie, care provoaca mancarime pe piele, buze, in aura sau nas; 79
Alergiile afecteaza aproxim ativ 20% din populatie, iar o parte din ele sunt transm ise ereditar. Primele sim ptom e ale alergiei pot aparea la orice varsta, dar cei care sunt predispusi la alergii, vor dezvolta sim ptom e inca din copilarie.
Im ptlcatii ale im unogeneticii in tran sp lan tu l de organe* Pentru ca o grefa (transplant) sa nu sufere o reaetie de respingere, trebuie sa existe identitate sau similitudine in configuratia antigenelor de histocompatibilitate, situatie intalnita indeosebi la gemenii univitelini. La baza declansarii RRG (rcactia de respingere a grefei) stau urmatoarele cauze: -specializarea fina a limfocitelor T in detectarea oricaror ”alterari“ ale antigenelor de histocompatibilitate; -polimorfismul extrem al antigenelor de histocompatibilitate, de la individ la individ, chiar in cadrul aeeluiasi allotip. Mecanismele deproducere a RRG sunt de doua tipuri: -meeanisme imun-celulare- in care limfocitele T ale primitorului recunosc antigenele donatorului transform andu-se in celule T efectorii care determina procese citotoxice. -meeanisme imun-umorale- lim focitele B recunosc antigenele donatorului se transform a in plasmoeite si secreta anticorpi anti-grefa.
RRG se realizeaza sub doua forme: a. reactia "gazda contra grefa “ care este de trei tipuri: imediata, acuta si cronica; b. reactia ”'grefa contra gazda “ determinata de faptul ca grefa poarta ea insasi celule limfocitare, cu capacitate rcactiva fata de antigenele HLA ale primitorului. Prevenirea RRG se poate realiza prin: -imunosupresie nespecifica- prin utilizarea unor substante medicam entoase (corticosteroizi, ciclofbsfamide,ete.) -imunosupresie specifica- prin care se incearca o deprim are specifica a raspunsului imun al
limfocitelor organului transplanted.
In terfero n u l Un mecanism interesant de aparare la nivel m olecular-celular este si cel al interferentei, reprezentand im unitatea pe care o dobandeste o celula fata de un virus ca urmare a unui contact prealabil cu o particula viral a. A eeasta im unitate are la bazci formarea nu de anticorpi ci de interferonmoleeula proteinic! specifica carc inhiba niultiplicarea virala. Fenomenul a fost: deseoperit in anul 1957 dc catre A.I.Sachs s i./. Lindemann, care au izolat si identificat interferonul. Considerat initial a avea doar efeet antiviral, interferonul s-a dovedit ulterior a avea de asemenea proprietati antitumorale si anticelulare directe. Practic, orice celula a corpului este capabila de a produce interferon, actionand de indala ce s-a produs infectia virala. dupa care actioneaza anticorpii. interferonul avand durata dc viata limitata. M ccanismul de actiune a intcrferonului este se pare, inductia sintezei unui represor care se leaga la ARNm viral, impiedicand functionarea sa si astfel nu se sintetizeaza enzimele care intervin in replicarea genomului viral. Gena pentru interferon aflata in mod normal in celula in stare represata este dcrcpresata la patrundcrca acidului nucleic viral in celula. Interferonul- proteina semnal- inhibitor al replicarii materialului genetic viral- poate fi transportat pe cale sanguina sau um orala in alte [email protected], conferind celulelor imunitate lata de infectia virala. Ei prezinta specificitate de specie si de aceea pentru a fi folosit la om. el trebuie sa fie sintcti/.at in culturi de celule umane. Dar, in cultura. celulele producatoare dc interferon au o durata scurta de viata. Acest impediment a fost surmontat prin realizarea de hibrizi celulari (som atici) dintre celulele producatoare de interferon si celule umane transfbnnate malign care au o mare capacitate de diviziune, aparand a fi "nem uritoare‘\ Asemenea hibrizi ceiulari se numesc Hibridoma.
80
I Retineti ! Fiecare organism sintetizeaza anticorpii numai impotriva acelor molecule "potential antigenice“ care au o structura diferita de cea a propriilor sale com ponente, sunt recunoscute ca straine si sunt apte de a fi degradate de catre sistemele enzimatice ale organismului, care produce anticorpii specifici. Din cele prezentate rezulta in mod clar implicatiile geneticii in imunologie, ceea ce in ultimul tim p a conturat o noua ramura a geneticii numita imunogenetica.
I /JPUOJH 1. Com entati* urm atoarele situatii: 1 A, Praetica m edicala a dovedit adesea ca organism ul unei femei Rh negative, care a ramas insarcinata cu un barbat Rh pozitiv poate sa dobandeasca proprietatea nedorita de a fabrica anticorpi im potriva globulelor rosii ale fetilor care au grupa sangvina Rh pozitiv ca a tatalui. Anticorpii mamei distrug globulele rosii ale propriului copii care poate muri in urm a icterului hemolitic grav. B. Autogrefele sunt portiuni din tesuturi mutate de pe o zona a corpului pe alta. Homogrefele sunt grefe de la un individ la altul: grefe de la mam a la fiu, grefe de la gemeni univitelini sau grefe de la un individ la altul fara sa fie rude. C, In num eroase eazuri lim focitele se aduna la m arginea grefei si distrug tesutul grefat.
6
CONSIDER ATII BIOETICE iN GENETICA um anA
Domtnii
dm
o p lkab ilitate In g tn tlic o umon6
U n ele m e to d e tra d itio n a le de cercetare sunt greu de aplicat in genetica Sfi ne reominlim ! umana din mai multe motive: Mendel a elaborat legile ereditatii utilizand ca 1. La om d in m o tiv e e tic e , material de cercetare diferite soiuri de mazare. Tezele religioase nu pot fi realizate experiente de teoriei cromozomale au fost formulate de M organ in analiza genetica si urm arirea rezultatelor urma num eroaselor cercetari efctuate pe musculita hibridizarii intre diferite variante, asa cum de otet. Descifrarea ,in cele mai mici am anunte,a sc fac la anim ale si plante. tainelor ereditatii a fost posibila datorita opoitiuiitatilor 2. In ai doilea rand o dificultate oferite de o gama variata de procedee si metode: im portanta a ce rcetarilo r de g en etica incrucisari aleatorii intre indivizi, metode citologice, umana constituie timpui indelungat dintre biochimice, citogenetice. matematice, statistice,etc. o generatie si alta. aproxim ativ 30 dc a n i. 3. 0 alta problema care ingrcuneaza cercetarile de genetica umana, o constituie descendenta relativ redusa a unei familii. Acestea sunt motivele care au dus la elaborarea unor metode specifice de cercetare in genetica umana unele clasice altele m oderne printre care: A
si
)
Descender)^ Tn ' ordinea na§terii (de la stSnga la dreapta)
normals B§rbatnorm9, > Necunoscut
^
Femeie afectati I Bdrtat afectat
Genera^ia
O r-n
6 t6 in
5
\
<
fa Gemeni rrionozigo^i
ilf folositc in ale
Gemeni dizigo^i
- Studiul gemenilor monozigoti; - S tu d iu l p ed ig reu lu i - arborelui
genealogic; - Studiulfamiliilor consanguine; - Studiul complementului cromozomial prin tehnici de bandare; - Studiul cromatinei sexuale. Eredopatologia um ana eo n sem n eaza astazi peste 2 500 maladii ereditare care afecteaza toate caracteristicile m orfologice, fiziologice, biochimice si de comportament ale fiintei umane. De aceea pentru prevenirea acestor boli un rol important il au asa num itele sfaturigenetice si diagnosticul prenatal. Sfaturilegenetice sunt adresate cuplurilor si au rolul de a informa asupra riscului de a avea
urmasi cu anomalii ereditare . Sfaturile genetice sunt indicate in urmatoarele situatii: 1 . unul sau ambii parinti sunt afectati de o maladie ereditara; 2 . persoane sanatoase care au in fam ilie rude cu boli ereditare; 3. parinti care un copii afectat ereditar si vor sa cunoasca riscul de a avea alti copii afectati; 4. cuplul prezinta un caz de consangvinizare; 5. au avut loc avorturi spontane repetate, Diagnosticulprenatal urm areste detectarea unor maladii, din prim ele luni de sarcina. Pornind de la istoricul unei boli intr-o familie data, se poate realiza arborele genealogic (pedigreul) care este reprezentat de o diagrama(fig. 76). Aeeasta urmareste relatiile care se stabilesc intre membrii familiei si modul de transmitere al bolii, Oaca se cunoaste modul prin care se transmite maladia, se pot face prcviziuni in privinta descendentci pentru aprecierea riscului gcnetic. In prezent prin analiza lichidului amniotic (amniocenteza) de la femeile insarcinate, este posibil sa fie detectate o serie de m aladii crom ozom iale si genetice. In functie de gravitatea lor se poate lua decizia de a intrerupe sau de a continua sarcina, Tehnica amniocentezei permite extragerea cu ajutorul unei seringi speciale, a unei mici cantitati din lichidul am niotic, in care se afla celulele desprinse din fatul uman. Lichidul amniotic extras se centrifugheaza, supematantul se arunca, iar sedimentul celular se introduce intr-un mediu de cultura, unde celulele se inm ultesc. Aceste celule sunt folosite in analiza genetica pentru stabilirea sexului uman si pentru a constata daca fatul este afectat de boli crom ozom iale sau genetice (fig.77) Fertilizarea in vitro (FIV) inseam na crearea omului in afara corpului uman. Se foloseste spermatozoidul barbatului si ovulul femeii. Prin contopirea celor doi gameti, intr-un mediu de cultura special in conditii de laborator, se form eaza zigotul. Acesta in urma unor diviziuni separate da nastere em brionului. La 72 de ore de la conceptie, embrionul este transferat la m am a purtatoare (tehnica num ita em briotransfer). Fertilitatea nu intervine in complexul genetic al copilului, astfel ca intre fatul creat in vitro si fatul procreat natural (in vitro) nu apar deosebiri ale dezvoltarii. Ca regula generala se implanteaza 2 -3 embrioni femeilor sub 35 de ani si nu mai mult de 4 celor peste 35. Necesitatea transferului de embrioni multipli pentru ca cel putin unul sa fie implantat cu succes, duce la aparitia sarcinilor multiple in aproximativ 25-30% din cazuri. In majoritatea cazurilor este vorba dc sarcina gemelara. Rata de aparitie a tripletilor este de 5%, iar a cvadrupletilor este sub 1%.
82
viiozitati coriale'
punctie cu 15-20 ml din lichidul amniotic sau din sSngele circulant al cordonului ombilical
lichid amniotic cordon ombilical n r
placenta placenta
amniocenteza (TncepSnd de la a 17-a sSptSmlnS)
sapiamanaj puse tn culturi de celule prelevate
analiza cromzomiala analiza biochimici depistarea anomaliilor cromozomiale depistarea anomaliilor genetice - trisomia 21 (mongolism) - drepanocitoza 11 - trisomiile 13 si 18 - hemofiliile A si B(X) - sindromul Klmefelter(XXY) - mucoviscidoia 7 - sindromul Turner(XQ)___________ - miopatia Puchenne(X)_____________ Fig. 77 • A m niocenteza
t
La 2 saptamani de la em briotransfer se efectueaza testul de sarcina din sange, Em brionii care nu s-au folosit se pastreaza intr-un congelator pe o perioada nclimitata, congelarea facandu-se la o zi dupa obtinerea lor. Se pastreaza numai acei embrioni care sunt normali si care prezinta o diviziune cclulara normala. Embrionii se decongeleaza si se folosesc cand tratamentul a esuat. In urma FI V, nu exista o crestere a riscului malformatiilor. Evolutia unei sarcini aparuta dupa FI V este exact ca a unei sarcini aparuta pe cale n a tu ra l! Rata de sarcina dup FIV ajunge la 50%. Fertilizarea in vitro este utilizata: - la cuplurile care nu pot concepe un copii dupa un an de incercare; - in cazuri de infertilitate mascul ina severa (cantitate mica de sperm atozoizi produsi sau o mobilitate mica a acestora); - in situati i in care cantitatea si cal itatea ovulelor este slaba; - in cazul fem eilor carora li s-au infundat trom pele uterine sau carora li s-au legat trom pele; - in cazul barbatilor care au suferit o operatic de vasectomie. Primul copii nascut prin FIV s-a realizat. in anul 1978. In anul 1996 s-a reusit prima operatie de fertilizare in vitro in Romania.
Clonarea terapeuticH Pentru clonare. la organismele anim ale si la om, se utilizeaza ovulul anucleat. Un astfel de ovul se obtine fie folosind o m icroseringa cu ajutorul careia se scoate nucleul sau se ” sterilizeazS“ genetic ovulul prin folosirea unui fascicul de raze UV sau prin tehnica laser. In ovulul anucleat (lipsit dc nucleu) se introduce nucleul diploid, prelevat prin m icrochirurgie, dintr-o celula a corpului (epiderma, epiteliu intestinal). Manipulat in acest fel, ovulul detinator al unei garnituri duble de crom ozom i, evolueaza spre embrion. A In prezentsunt cunoscute doua mari dircctii dc dczvoltai'e a clonarii: reproductive) si terapeutica. Clonareei reproeiuctiva este acea prin care se urmareste nastcrea unui organism complet dezvoltat. 83
Cloncirea tercipeutica este aceea in care cloneaza embrionii pana la stadiul in care se poate obtine o cultura de celule Deci sunt utilizati embrionii clonati in primele Gona hem ogt otyinml etap e ale d ezvoltarii lor. C elu lele ”stem “ sunt celule nediferentiate, capabile sa formeze orice fel de tip de tesut, constituind un m aterial ideal pentru refacerea celulelor necrozate. Pornind de la celulele pacientului, se va elimina pericolul respingerii materialului transplantat, acesta fiind in C r o f T K U O f r .l J mod natural acceptat de catre organism. Clonarea terapeutica da posibilitatea pe de o parte a vindecarii de boli grave: Alzheimer, Parkinson, sindrom Down sau diabet. Pe de alta Nucleu parte da posibilitatea gasirii de noi surse de organe sau tesuturi folosite pentru transplant. Avand in vedere lipsa acuta de o rg a n e p en tru tra n sp lan t si in c e rc a rile d isp e ra te ale specialistilor de a gasi noi surse, organele si tesuturile obtinute Ccfol* din prin clonare umana ar putea rezolva o parte din aceste m aduva osoasa probleme. Clonarea la om a ridicat si ridica multe si dificile problem e religioase si de bioetica. Nu putem vorbi in cazul om ului de leg alizarea clonarii rep ro d u ctiv e. D iscutii t t ^ d u v a r o a ie contradictorii exista si in privinta clonarii terapeutice, desi tot mai multi sunt adeptii folosirii acestei tehnici genetice. Fig. 78 • T erap ie genetica Terapia genica - este o metoda de tratare a maladii lor ereditare. Aeeasta consta in transferul de gene in celulele umane, in scopul inlocuirii genelor mutante (’Vefe“) cu genele normale (”bune“). Nu se urmareste inlocuirea genelor ”defecte“ in toate celulele ci inzestrarea bolnavului cu cateva celule m odificate genetic astfel incat ele sa contina gena normala. Bolnavul insusi va produce substanta respect iva(fig. 78). S-au obtinut in accst sens rezultate extragand leucocite din m aduva osoasa a bolnavului si infectandu-le intr-un mediu de cultura cu un virus ”imblanzit“ care este vector al genei normale. Celulele transformate genetic se pot introduce in corpul aeeluiasi bolnav. —r
1 Hetineti t i I Sistemul ereditatii umane are o im portanta deosebita. Pe de o parte, el perm ite o mai buna intelegere a fiintei umane. Pe de alta parte el deschide in medicina cai noi de tratament si da posibilitatea inceperii profilaxiei chiar inainte de momentul nasterii.
I M IC ^ T H 1. Realizati pedigreul pentru trei generatii de indivizi din familia voastra, urmarind transmiterea unui caracter. 2. Care este consecinta consangvinizarii? 3. Ce sfaturi se pot da in urmatoarele situatii privind riscurile genetice ale urmatoarelor cupluri care vor sa aiba copii: A parintii sotiei sunt veri de gradul I;
84
£ V J/C U /4 R € 1. Prezentati structura genetica a unui organism la care se manifesta un caracter ereditar determinat de o gena recesiva in urmatoarele situatii: a. gena este autozom ala; b. gena este dispusa pe crom ozom ul X la femeie; c. gena este dispusa pe crom ozom ul Y. 2. Mentionati genotipurile grupelor de sange ale copiilor unui cuplu in care mama are grupa sanguina B ( LB1) iar grupa tatalui este determinata de doua gene dominante diferite. 3. Cunoscand ca gena b + determina culoarea capruie a ochilor iar aleia b determina culoarea albastra, precizati ce culori vor avea ochii copiilor unui cuplu in care atat femeia cat si barbatul au gerotipul b+b . 4• Ce Rh vor avea copiii rezultati dintr-o mama cu un Rh negativ si un tata cu Rh pozitiv? 5, Precizati in ce caz pot lua nastere copii cu Rh negativ din parinti cu Rh pozitiv. 6. Imaginea alaturata prezinta disjunctia normala a heterozomilor umani: A. Redati, prin schem e asem anatoare, consecintelenesepararii heterozomilor: a) la barbat; b) la fem eie; c) la am bii. B. Descrieti anom aliile fiziee si psihice prezente la indivizii cu genotuipurile XXY si XO. C. Cate cromatine X prezinta barbatii afectati de sindromul Klinefelter? Dar fem eile afectate de sindromul Turner? 7. in ce caz este posibila exprimarea in conditie hemizigota a unei gene recesive, cu localizare autozomala? 8. Doi frati au grupele de sange A(II) si B(I II) fiind homozigoti. Mama are grupa AB(IV). Care este grupa probabila de sange a tatalui? 9. Explicati motivul pentru care consangvini/area este cauza aparitiei mai frecvente a unor maladii psihice sau fizice ? 10. Mentionati afirmatia care se refera la sindromul Down:
85
a. este determ inat de o gena x-linkata; b. reprezinta o aberatie num erica cromozomala; c. este determ inat de o mutatie genetica autozomala; d. apare cu o frecventa mai mare la femei. 11. Sindromul Turner: a. este specific sexului fem inin fara corpuscul Barr; b. este determ inat de o mutatie genica heterozomala; c. se caracterizeaza prin absenta crom ozom ului Y; d. are drept cauza nondisjunctia crom ozom ilor din perechea I
|
l
M I
n
O • '
I
•
|
l
|
P I
R I
S '
l
2 1
.
12. Doi cromozomi normali ai unei specii prezinta urmatoarea succesiune de gene: Reprezentati grafic cromozomii rezultati in urmatoarele cazuri: a. o deletie a segmentului D-E-F.
b. o inversie in segmentul O-P-R. c. translocatie reciproca a ultim ilor doua gene; d. translocatie reciproca a prim elor doua gene. 13. In urma unei transfuzii dc la un barbat cu grupa A (LALA) la o femeie tot cu grupa A (LAI), in sangele acesteia apar anticorpi anti Rh. Cauza poate fi reprezentata de: a. incom patibilitatea Tntre grupa A hom ozigota si grupa A heterozigota; b. prezenta de anticorpi antiRh in sangele donatorului; c. lipsa antigenului Rh in sangele femeii; d. prezenta antigenului Rh in plasm a sangelui barbatului; 14. Un barbat negru cu genotipul PlP]P2P2 se casatoreste cu o femeie alba ce prezinta genotipul plp lp 2p 2t Descendentiilor potfi: a. 50% negri si 50% albi; b. baietii vor fi negri iar fetele albe; c. mulatri propriu-zisi cu genotipul PplP2p 2; d. num ai negri deoarece genele
si P2 sunt dominante.
15. A nem ia fu lciform a: a.este detenuinata de o m utatie a unei gene heterozom ala; b. se manifesta predom inant la barbati; ct cei afectati prezinta hemoragii putem ice la cele mai mici letiuni; d. este o hem oglobinopatie cu eritrocite in forma de secara; 16. Sunt determinate de aneupiodii heterozomale umane: a. sindromul Turner* sindactilia, daltonismul; b. sindromul Klinefelter, prognatismul, hcmofilia; c. m iopatia Duchcnne, trisomia X, sindromul Klinefelter; d. trisomia X, sindromul Turner. Sindromul Klinefelter. 86
17. Maladiile umane X-linkate: a. sunt determ inate de aberatii num erice heterozomale; b. se m anifesta tn mod diferit la cele doua sexe; c. sunt reprezentate de hemofilie, anemia falciforma, polidactilie; d. cele determ inate de gene recesive nu se transm it la urmasi. 18. Limfocitele pot fi caracterizate prin: a. sunt reprezentate de doua populatii prineipale:lim focite ”T“ si ”B “; ’ b. limfocitele ’T “ produc anticorpi; c. limfocitele ”B“ se clasifica in reglatoare si efectoare; d. in citoplasm a lim focitelor se gasesc markeri care functioneaza ca receptori; 19. Ce sfaturi pot fi date urmatoarelor cupluri care vor sa aiba copii, privind riscurile genetice in situatiile de mai jos: a. tatal sotului are hemofilie, dar fratele lui este sanatos; b. sotia are o sora daltonista; e. parintii sotiei sunt veri primari; d. unul din unchii tatalui prezinta albinism. 20. Cariotipul uman normal: a. este reprezentat de 23 perechi de cromozomi grupati in 7 grupe; b. cei mai mari crom ozom i se gasesc in ultima grupa; c. crom ozom ul Y se gaseste in grupa B; d. toti cromozomii umani sunt metacentrici. 21. Sindromul Klinefelter: a. este intalnit atat la barbati* cat si . la femei;3 b. indivizii afectati prezinta corpusculi Barr; c. este determ inat de o m utatie genetica heterozomala; d. determina moartea indivizilor afectati. 22. Referitor la mutatiile umane alegeti variants corecta : a. sindromul Edw ards este determ inat de m onosomia 13; b. 2n = 47 = 44+ XXY este specific pentru sindromul Klinefelter; c. m aladia ”C/7 du c h a t este determ inata de o m utatie genica; d. m iopatia D uchenneeste cauzata de o restructurare cromozomala. 23. Precizati afirmatia corecta din urmatoarele en u n tu ri: a. anticorpii reactioneaza specific cu antigenele corespunzatoare; b. m olecula de anticorp este form ata din patru lanturi lungi si doua scurte; c. imunoglobulinele reprezinta peste 80% din proteinele plasmatice; d. limfocitele "B “ sunt influentate de tim us in timpul dezvoltarii lor. 24. Caracterele fenotipice umane : a. sunt determ inate numai de gene dominante; 87
b. unele caractere cantitative sunt determinate de interactiuni intre gene nealele; c. nu se transm it la descendenti; d. sunt determ inate indeosebi de gene extranucleare. 25. Un barbat sanatos se casatoreste cu o femeie purtatoare a genei ce determina hemofilia. A. stabiliti genotipurile celor doi indivizi; B. realizati incrucisarea si indicati procentual pe sexe, genotipul si fenotipul descendentilor; C. explicati modul de transm itere al m aladiei in acest caz. 26. Un cuplu are trei copii dintre care doi sanatosi si unul prezentand albinism. Stabiliti: A. genotipurile parintilor si tipurile de gameti parentali; B. toate genotipurile posibile ale copiilor; C probabilitatea (in procente) nasterii de copii albinotici. 2 7 . 0 femeie cu polidactilie (heterozigota) se casatoreste cu un barbat daltonist. Precizati: A. genotipurile parintilor; B. genotipurile tuturor descendentilor; C. procentul copiilor cu daltonism si al celor cu polidactilie, 28. Intr-un cuplu toti baietii sunt daltonisti iar fetele nu prezinta daltonsm. Stabiliti: A. genotipurile si fenotipurile parintilor; B. genotipurile si fenotipurile dw scendentilor baieti si fete; C. cauza ce determ ina acest mod de transm itere a malariei. 29. Cei patru membri ai unei familii prezinta grupe diferite de sange. Stiind ea unul dintre copii este homozigot, determinate A. grupele de sange si genotipurile parintilor; B. grupele de sange si genotipurile copiilor; C. o alta posibilitate de repartizare a grupelor de sange in cadrul familiei. 30. Un barbat daltonist se casatoreste cu o femeie purtatoare de homofilie. Precizati: A. genotipurile parintilor; B. probabilitatea aparitiei unor urmasi daltonisti; C. procentul de baieti hemofiiici. 31. intr-o familie toti cei patru copii an ochi albastri si aceeasi grupa de sange-A(II). Stiind ca bunicii din partea mamei erau homozlgoti dublu recesivi pentru cele doua caractere,stabiliti: A. genotipurile si fenotipurile bunieilor din partea mamei; B . genotipurile si fenotipurile posibile ale parintilor; C . genotipurile si fenotipurile copiilor. 32. Daca un parinte prezinta polidactilie iar celaialt are degete normale, boala se va transmite; A. tuturor copiilor de acelasi sex cu parintele polidactilic; B. tuturor urm asi lor,indifferent de sex,cu probabilitate de 50 %; C. nu se poate preciza cu exactitate cum se va transm ite maladia.
88
r
E C O L O G IA
IJM A N A
L P a r tic u la r it y a l* biotopulul si t n o i t i In t c e s i i l t m t lt an tro p izat* Sfi ne reominlim ! Ecosistemul este unitatea functional^, elementara, concreta a biosferei; Eeosistemiil este alcatuit din doua com ponente fundamentale: a) c o m p o n e n ts ne vie biotopul sau habitatul - reprezentata prin totalitatea factorilor abiotici (clim atici, apa aer. sol, nutrienti, energie solara etc); b) com ponents vie hioeenozd reprezentata prin totalitatea populatiilor diferitelor specii legate atat teritorial (adaptate de biotipul lor) cat si prin relatii de pendents. Omul face parte integrants (obligatorie sau intamplatoare) din multe eeosisteme. In natura elem entele com ponente ale ecosistemului biotopul si biocenoza- sufera modificari si inlocuiri in decursul tim pului intr-un proces de continua evolutie, ca urmare atat a evenim entelor naturii (aluneeari de teren, ploi torentiale, inundatii, cutremure, vulcani (fig. 79) etc), cat si a interventiei um ane (taieri de arbori, araturL schimbarea destinatiei terenului etc). Inlluentele specifice existentei si activitatii umane in mediul n atu ral au general asa num itele ecosisteme antropizate (amenajate). Atunci cand cerintele fundam entale ale umanitatii hrana si im bracam intea - nu au mai putut fi (imitate la ceea ce ofera natura, omul a incercat noi solutii din punct de vedere eeologic. Ulterior, gam a solicitarilor a crcscut. Ecosistemele antropizate trcbuiau sa fumizczc materii prime pentru diferitele ramuri ale industriei, mai ales ale industriei usoare si \ alimentare, sau sa ofere spatiu de desfasurare a unor activitati umane, fie incluse in activitatea eotidiana, fie datorate perioadelor de recreere si vacanta. Ecosistem ele antropizate, desi depind de om din punct de vedere structural organizatoric, nu manifesta totusi diferente nete fata de ecosistem ele naturale. Ele sunt mai mult sau mai putin sisteme ecologice naturale, optimizate fie pentru obtinerea unor productii vegetale sau anim ate sporiic. fie pentru alte 89
I Fig. 80 * Variatii ale gradtih ii de a n t r o p i / a r e
scopuri umane, Cu toate rezultatele deosebite obtinute in lungul m ileniilor pana astazi, in marea m ajoritate a cazurilor omul nil face insa decat sa imite natura, reproducerea m odelelor ecologice de acelasi tip, dar am eliorate dupa cerintele sale. Structura unui ecosistem antropizat cuprinde urmatoarele elemente principale: - hiocenoza , alcatuita din fitocenoza naturala si plantele de cultura , precum si din zoocenoza naturala, la care se adauga si ahimalele domestice ; - totalitatea oamenilor din sistem; -ansamblulproduselor naturale (natura transformata) create prin activitatile umane (individuale si um ano-soeiale) constand din feluritele constructs, rnasini, obiecte de uz divers, etc. inclusiv solul amenajat pentru cultura prin mijloace artificiale; -depozitele de deseurisi reziduuristagnante, neintroduse in ciclurile biogeochimice ale biosferei. Toate aceste elemente im plantate in mediul abiotic natural, alcatuiesc un mosaic eterogen, cu raspandiri si densitati variabile, ce interactioneaza reciproc. O caracteristica specifica a ecosistem ului antropizat este gradul de antropizare( f\g. 80) care reprezinta intensitatea injluentelor de origine antropogena asupra mediului natural. El este diferit de la o zona la alta. De exemplu: in zonele urbane sau putemic industrializate - sisteme intens antropizate elem entele com ponente au devenit subordonate com plet prezentei oamenilor. in agrosisteme fitocenoza este controlata direct de om. In cadrul acestora numarul speciilor din structura biocenozei fiind foarte mic, stabilitatea este foarte redusa, iar echilibrul sistemului, nu poate fi mentinut decat tot prin interventia permanenta a omului, prin: aport de energie suplimentara (mecanizare, ingrasaminte); lupta contra daunatorilor; adaos de apa si fertilizanti etc. In ecosistemele cu densitatc redusa a populatiei sau chiar nula influentele factorilor antropogeni sunt neglijabile (regiunile cu clim a aspra, cu mare lipsa de resurse, parcurile nationale, etc). in ecosistem ele antropizate are loc o sim plificare a biocenozei, mergand pana la privilegierea unui num ar extrem de mic dc specii, fapt care provoaca o saracire a sistemului, prin dim inuarea num arului de legaturi interne si deci o fragilitatc a echilibrului ecologic, ca urmare a lipsirii sale de autoreglare si de posibilitati de autoregenerare. 90
Productivitate variata Lanturi trofice
Solul
E cosistem e N aturale Variata - Complexe* suprapuse, form and retele cxtrem de com plicate - G azduieste si parlicipa la o intensa activitatea biologica
A ctiunea om ului
- Redusa
Evolutie
- N aturala, spre clim ax. - Pcrm ite viata fiintelor salbatice
A ntropizate Lanturi sim plificate, scurte; Culturi ingrijite de om, ferite de paraziti; A ctivitate biologica slaba. Se aplica tratam cnte agrotehnice specialc, am endam ente etc. Epuizarea sistem ului prin prelevari m asive de biom asa. C om pensarea exportului de substante prin im port de ingrSsam inte. apa etc. A rtificializare progresiva. Inlocuirea naturalului prin artificial; D isparitia fiintelor salbatice
in tabelul de mai jos se prezinta o scurta com paratie a catorva dintre caracterele specifice ale celor doua categorii de ecosisteme. Antropizarea sistemelor ecologice se realizeaza pe numeroase cai. ajungandu-se la ecosistem e de tipuri deosebite. Dintre ele cele mai im portante - datorita intindcrii si insemnatatii lor pentru societatea umana sunt: agrosistemele si sistemele urban industrial.. In agrosisteme ( fig 81) omul inlocuieste formele naturale de plante si de animale prin varietati cultivate si animale dom estice in scopul asigurarii unor producti vitati maxime ale acestora. Numarul speciilor de plante si animale domestice este foarte mic; la plante: cereale, cateva leguminoase, unele radacinoase, cateva specii horticole ; la animale; cateva rumegatoare, porcine si ovine, la care se adauga cateva specii de pasari. Acestea au fost specializate in decursul multor generatii, astfel ca, in timp, au devenit cu totul diferite fata de speciile ancestrale. Daca s-au putut obtine productivity! cu mult mai ridicate decat cele din stadiul lor initial, ele sunt, in schimb, mult mai vulnerabile la influentele mediului natural. Diferitele componente ale biocenozei din agrosisteme pot fi caracterizate ecologic, avandu-se in vedere nivelul trofic urm arit spre a fi exploatat prin amenajare. Producatoriiprintari de interes econom ic (plantele de cultura sau fitocenoza cultivata) sunt supusi presiunii demografice si concurentei din partea unor plante spontane de tipul buruieniior. Mediul de cultura (biotopul) im bogatit cu azotati si fosfati este astfel disputat intre cele doua categorii de plante. Asupra producatorilor prim ari cultivati actioneaza si consumcitorii de ordimd 1 (fito fa g ii): daunatorii. Tot asupra fitocenozei cultivate se exercita si actiunea parazitilor atat de origine vegetal! cat si animala sau mierobiana.
Fijg. 81 « A grosistem e 91
Cum uland toate cele trei categorii de organisme, care exercita o influenta nefavorabila asupra fitpcenozei cultivate, ar rezulta o pierdere insem nata din productia prim ara scontata. Se impune interventia directa a omului atat pentru im bunatatirea si imbogatirea mediului de cultura, cat si cea de fitoterapie. Prin selectia soiurilor in directia obtinerii productiilor prim are sporite s-a eliminat practic cea mai mare parte a m ijloacelor fizice si chim ice naturale de aparare a plantelor cultivate. Un posibil rezultat al selectiei exercitate pe astfel de coordonate a fost pierderea din genotipul plantelor de cultura a unor alele de rezistenta sporita la diferitele tipuri de atacuri. Omul trebuie sa com bata acest efect printr-o actiune de am eliorare in paralel, atat a productiei cat si a rezistentei. Plantele spontane (buruienile) prezinta o gama intreaga de adaptari - prolificitate ridicata, viteza de crestere mare, vigurozitate, m ijloace chimice de concurenta, capacitati sporite de rezistenta la erbicide etc., care le permit sa lupte im potriva mijloacelor pe care le utilizeaza omul in incercarea diminuarii num arului lor. Bste firesc sa existe aceste diferente pentru ca, obiectivul fundamental al selectici naturale a plantelor a fost supravietuirea, in timp ce pentru plantele cultivate s-a impus o selectie artificiala pe coordonate independente sau nelegate direct de supravietuire. Urmarind speciile aflate pe nivelul trofic superior - anim alele din sistem ele zootehnice sau piscicole, la prima vedere, se pare ca numarul actiunilor biotiee nefavorabile este mai redus. Mijloacele de protectie vizeaza in mica masura controlul unor consumatori rapitori. Cele mai multe sunt indreptate asupra agentilor infectiosi si parazitari. In realitate acest avantaj este aparent, deoarece consumatorii de acest gen sunt foarte diversificati. Costul productiei secundare creste prin necesarul unei baze trotice prim are ce se impune a fi asigurata in anumite standarde energetice. In fermele zootehnice industriale, unde spatiul de depozitare al individului animal este foarte redus si lipseste lumina naturala, apar boli metabolice si de stres. Se impun masuri suplimentare din partea oamenilor (lumina artificiala, asistenta medicala veterinara, surplus de vitamine etc). Referitor la biotop,in agrosisteme, prin araturi repetate, omul transfonna solul in pamant afanat in care se schim ba radical conditiile de stabilitate, de aerisire, de umezire, ia r p ro c e s e le b io lo g ic e - c a re contribuie la form area acestuia se dezechilibreaza, Astfel, solul devine un corp artificial in care fenomenele de infiltrare a apei, a evaporarii, de in m a g a z in a re a u m id ita tii, de acum ulare a substantelor m inerale (sporite prin aplicare de itigrasaminte chimice, etc) sunt ingreunate.
Sistem ele urban -in dustriale (fig. 82) se c a ra c te n /e a /a printr-un
-
a n u m i t a Io c a tic T c r m e n u l tie lo c a tie
11 S *2 * S istem e u rb a n in d u stria le
92
^I
trebuie inteles in sens larg si ca pozitie geografica dar si sub aspect interrelational, adica, al relatiiior ce au loc pe de o parte intre oam eni, iar pe de alta parte intre oameni si celelalte com ponente ale sistemului din care fac parte. A glom erarile de populatie sunt generate de anum ite conditii econom ice si social-politice. Analizand aglomerarile umane pe arii restranse, se constata o raspandire extrem de diversa a gruparilor omenesti sub forma de asezari stabile. Dupa marimea lor (populatie, arie), dupa populatiile predominante ale locuitorilor si dupa confortul de viata al acestora, asezari le pot fi urbane (orase) sau rurale (sate). Sub aspect ecologic, o asezare fie ea sat sau oras nu este numai o insum are de constructs, instalatii si servicii. Ea are caractcrul unui organism viu. a carui esenta sta "in relatiile osmotice desfasurate intre obstea civicd si uriasul eifagure, intre oameni si mediul construit4*. Populatia sistem elor urban-industriale este consumatoare a unei uriase cantitati de substanta si energie aduse in cea mai mare parte din afara sistemului. Din punct de vedere ecologic, se poate afirm a ca orice aglom erare urbana este dependents de bioproductivitatea agrosistem elor invecinate. Functional, ecosistem ele antropizate caracterizate in general prin sim plificare organizatoriea, implica instabilitate, cost ridicat de mentincre cat si de control al nivelelor trofice care nu sunt exploatate direct. Solutiile obtinute pana acum, cu toate eficientele lor sunt legate de istoria civilizatiei. dezvoltarea tehnicii si a conceptiei um ane de abordare a naturii. Goncluzionand, se pot evidentia o serie de caracteristici specifice ale unui ecosistem antropizat care se diferentiaza net de cele naturale: • este dom inat de specia um ana; • s-a structural si aevoluat in tim p, pe m asura cresterii efectivului si a necesitatilor umane; • si-a diferentiat structuri ecologice speciale (subsistem e ): ecosistem e de tip urban, de tip rural, agrosisteme, sisteme acvatice destinate acvaculturii; • fluxul de energie este sustinut predom inant de energia auxiliara; • determina simplificarea si linearizarea circuitelor biogeochimice; • diversificarea resurselor naturale utilizate si cresterea ratei dc exploatare a lor; • m ultiplicarea si diversificarea produsilor seeundari sau finali, uzati din punct de vedere tehnic sau moral, ce reprezinta poluanti; • fortele m otrice ale dezvoltarii sale sunt: - cresterea efectivului populatiei umane; - cresterea necesitatilor om ului; - dezvoltarea stiintei si tehnicii; • este un subsistem al ecosferei, cu distributie insulara, dar extinsa neunifonn la nivel planetar: • este un sistem ecologic integrat in ierarhia sistem elor ecologice.
I iR e tta e ti ! A ntropizarea atrage ecosistem ele spre alia dezvoitare, decal aceea care are loc Tn mod natural. Evolutia ecosistem elor naturale in care interventia um ana nu s-a tacut inca sim tita este indreptata spre diversificarea si specializarea cat mai pronuntata a elem entclor com poncnte, fiecare adaptare specifica conducand la definirea unor noi nise ecologice. bine determ inate, in schim b, in ecosistem ele antropizate efortul de opunerc a elem efitului uman fata de dezvoltarea naturala tinde spre sim plificarea biocenozei m ergand pana la privilegierea unui num ar extrem dc mic de specii, m odificand stabilitatea sistem ului si posibilitatile de autoreglare si autoregenerare.
I
Arfk
T lf
• Prezeniati pe scurt transform area peisajului natural, pe trepte diferite de antropizare. pana la m arile aglomerari urbane, unde se produce suprim area totala sau aproape totala a naturii prin asezarea unui m ediu artificial de ziduri. asfa.lt, conducte. cabluri, eic. ^3
i»vtsti9 «ir«e •cosSst«m «lor ontropizote* Fizionomia ecosistemelor naturale si antropice, precum si compozitia biocenozelor se schimba in decursul anotimpurilor. Investigatia ecosistem elor antropice se face folosind metode si tehnici specifice in functie de tipul ecosistem ului. Prin generalizare, pentru investigarea oricarui sistem antropizat trebuie sa cunoastem atat factorii abiotici, ce caracterizeaza biotopul cat si com ponentele biotice reprezentate prin populatiile biomasei. In functie de scopul urmarit, investigarea se poate face pentru cunoasterea: • unor com ponente ale biotopului; • a intregului biotop; • a structurii, dinamicii si fenologiei unei anumite populatii de plante sau animale; • a unor fitocenoze (com unitati de plante); • a unor zoocenoze (comunitati de animale); • a unor m icrobioze (comunitati de m icroorganisme); • parazitoze (comunitati de ecto- si endoparaziti). Pentru investigare trebuie parcurse urmatoarele etape. • Etapapregdtitoare consta in docum entare in sensul cerut de scopul investigatiei. Trebuie sa se cunoasca metodele de lucru si perioadele de aplicare, sa se procure echipamentul si aparatura care vor fi utilizate, se vor procura harti (geografice, pedologice, geologice, hidrologice, geomorfologice) pentru a se stabili caracterele in mare ale biotopului in care exista biomasa. • Etapa investigarii de teren ofera executantului sa vina in contact cu subiectul investigatiei in baza caruia se aduna material informativ. • Etapa Jinala - care consta in prelucrarea inform atiilor culese din teren si a materialului recoltat din care rezulta concluziile originate ale investigatiei stiintifice. M etodele de investigare intr-un ecosistem antropizat se pot grupa in: A. Metode de cunoastere a curacterelorfactorilor abiotici si a biotopului • m asurarea temperaturii aerului, solului si apei; • determ inarea culorii. transparentei, oscilatiilor de nivel ale apei, viteza si debitul apei curgatoare; • determinarea cantitatii precipitatiilor, determinarea grosimii zapezii, nebulozitatii; • determ inarea chimismului apei si solului. B. M etode de investigare a biocenozelor, de recoltare, prelucrare, conservare si pastrarea materialului biologic. Pentni investigarea unei biocenoze eonstituite din fitocenoze si zoocenoze este necesara determ inarea unor caracteristici carc sa evidentieze in mod real aspectui acestora in functie de scopul urmarit. Caracteristicile ce se pot stabili sunt: frecventa, abundenta, constanta. dom inanta speciilor cultivate. a) Frecventa speciilor evidentiaza in procente numarul de piese in care se gaseste o specie fata de numarul total de probe colectate.
1(H) in care: F = frecventa; p = num arul pieselor in care apare specia data; P - numarul total de probe cercetatc; 1 0 0 := factorul de raportare procentuala 94
b) Abundenta (relativa) exprima in procente raportul dintre numarul indivizilor unei specii fata de numarul indivizilor celorlalte specii care exista intr-o fitocenoza sau zoocenoza ce corespunde unei anum ite suprafete sau unui anum it volum . X
100, in care:
A = abundenta; n = numarul indivizilor unei specii date; N = numarul total de indivizi cercetati, apartinand altor specii; 100 = factorul de raportare la 100. c) Constanta speciei este un indice exprimat prin frecventa. Se apreciaza ca speciile sunt com ponente constante, totdeauna prezente intr-o biocenoza dar este mai mare decat 50 %; cand frecventa este cuprinsa intre 50 % si 25 % sunt specii accesorii, iar cand frecventa este sub 25 % sunt specii a cc id en tal. d) Dominanta speciei exprima influcnta exercitata de o specie intr-o comunitate. Se calculeaza folosindrelatia:
, in care: AA~densitatea speciei A; h = num arul de indivizi ce apartin speciei A; N = numarul total de indivizi ce apartin zoocenozei; 1 0 0 = factor de raportare procentuala. C. Investigarea fenologica (fenom enos - vizibil) consta in observarea diferitelor aspecte ale naturii. Ea cuprinde succesiunea evenimentelor naturale in decursul anului, proces legat de succesiunea aspectelor sezoniere al ecosistemului investigat (cercetat). Importanta studiului fenologic pentru agricultura consta in: stabilirea programelor cu privire la epoca de semanat, a conditiilor de ingrijire, de coacerc, de recoltare etc. De asem enea cunoasterea epocilor de inflorit aduce servicii albinaritului pastoral. Importanta observatiei fenologice pentru horticultura perm ite gasirea efectului decorativ maxim al pareuriior si gradinilof prin ornam entarea lor cu plante horticole. cultivate si spontane, cu efect de sezon, precum si multe alte importantc indicii practice pentru pomiculture, legum icultura, piscicultura. Metoda studiului fenologic cuprinde: • alegerea ecosistemului antropic (speciei) pentru observatie • stabilirea datelor cand se fac observatiile • efectuarea observatiilor fenologice • variatiile zilnice si sezoniere ale factorilor climatici (meteorologici): temperatura, umiditate. precipitatii, nebulozitate. presiune atm osferica, viteza si directia vantului • evenimente caracteristice din viata plantelor: inflorirea, vestejirea florilor, coacerea fructelor. caderea frunzelor etc • evenimente caracteristice din viata animalelor: nasterea, aparitia dintilor, schimbarea culorii parului (blanii), aparitia coam clor etc. Fenologia pe fenofaze se noteaza am anuntit pe zile in caietul de observatie. Exemplu: Fisa nr. 1 Denumirea ecosistemului (speciei): Punctul geografic: C lim a : Fenofa/a 1. Umflarea mugurilor 2. Inceputul cresterii castanelor e l
Datele observatiilor ne an i 2009 2010 2011
L
Rezultatele observatiei
i
95
Dupa aducerea datelor se trece la interpretarea lor, Notarile facute amanuntit in caiete si respectiv in fise, se com para si se desprind concluziile de mare im portanta stiintifica si practica in sensul cunoasterii fenologiei speciilor ca raspuns la conditiile factorilor de mediu. In cursul acestor activitati aveti grija sa: • nu distrugeti plantele si anim alele; • nu distrugeti cuiburile si ouale pasarilor; • nu poluati mediul cu hartii, resturi de m ancare, etc; • ocrotiti natura.
finalize factorilor abiotici Scop : Pentru caracterizarea oricarui sistem, inclusiv a celui antropizat, este necesara cunoasterea (identificarea) factorilor abiotici, pentru a se determina legatura directa intre factorii de baza ai climei (meteorologici), solului, apei si biocenoza specifica acestor ecosisteme. Analiza factorilor abiotici se poate face folosind metode de observare si masurare a rolurilor pe care le au in timpul unui an. 1. M asurarea tem peraturii aerului, apei, solului. Aparaturafolosita: static m eteorologica (fig.83), dotata cu aparatura corespunzatoare cu care sa se poata inregistra cu regularitate m ersul principalelor elem ente meteorologice si chiar face unele prevederi ale vremii pe plan local de sc u rti durata. Instrumentele si aparatcle meteorologice se instaleaza intrun anumit loc num it platform a meteorologica. C o n d itiile de a m p la s a re a p la tfo rm e i m eteorologice: suprafata orizontala. deschisa, sa nu prezinte gropi. movile, obstacole, ce ar putea influenta Aoi-v/x o« valorile indicate de aparate. Dim ensiunile platform ei meteorologice: 20 x 16 m. pentru uz scolar: in lipsa de spatiu dim ensiunile pot fi: 1 0 x 8 m. Platforma se imprejmuieste cu gard de sarma, fixat pe stalpi de 1,5 m deasupra pam antului. Intrarea in FVr»KMT>*Vu platform a se face prin partea de Nord, pe alei de 0,4 0,5 m. • S ia lic n ietcorolo£ica Principalele elem ente m eteorologice care se pot inregistra in cadrul platformei m eteorologice (scolare) sunt: tem peratura aerului si solului, umezeala si intensitatea vantului. presiunea atmosferica, m asurarea precipitatiilor atmosferice.
[
M etode de cu n o astere a c a ra c te re lo r fa c to rilo r abiotici
Determinarea temperaturii aerului. Sc face cu ajutorul termometrului cu mercur, care trebuie ferit de actiunea oricaror radiatii. El se instaleaza intr-un adapost special de lemn. inalt de 1, 8 m. fixat pe 4 picioare, vopsit in alb la exterior si negru la interior. Peretii sunt prevazuti cu jaluzele, ca sa poata circula aerul. Peretele dinspre nord este mobil si sei'veste ca usa. O bser\'atiile asupra tem peraturii aerului (in cazul platform elor scolare) se fac de trei ori pc zi ( 8 . 14, 20. ora locala). iar in interval de 24 de ore se mai determina si tem peratura maxima si minima. Pentru a citi fara greseala tem peratura aerului pe scara lermometrului, este necesar ca ochiul observatorului sa fie exact la nivelul m eniscului coloanei de mercur. 96
Pentru determ inarea tem peraturii maxim e a aerului se foloseste un termometru special. Acest termometru prezinta o gatuitura la tubul interior, in care urea mercurul, imediat deasupra rezervorului. Atunci cand temperatura creste mercurul urea si nu mai poate cobori decat daca este scuturat. Citirea termom etrului se face la orele 8 si 2 0 . Termometrul de m inim a m asoara cele mai scazute tem peraturi, si spre deosebire de cel de m axim a si de cel obisnuit, are ca lichid de umplere alcool. Rezervorul de alcool este in forma de furca, iar in tubul capilar plin cu alcool se gaseste in suspensie libera un indicator de portelan mobil de culoare inchisa. Se instaleaza in adapost, in pozitie orizontala. Cand tem peratura scade, coloana de alcool se seurteaza si trage dupa ea si indicatorul. Cand tem peratura creste, coloana de alcool se lungeste dar indicatorul ramane pe loc indicand diviziunea in dreptul careia a fost tem peratura cea mai mica. Citirea se face tot la 8 si 20. Temperaturile zilnice la cele 3 citiri si tem peraturile maxime si m inim e se inscriu in caietul de observatii. Calculul temperaturii medii diurne* se afla din media aritmetica a celor trei citiri: in care: Tm = tem peratura m edie diurna; n = m edia aritm etica a celor trei citiri la term om etrul obisnuit;M .i=m inim a din cursul celor 24 de ore; k = coeficientul variabil de la o iuna la alta Valorile coeficientului k in m are sunt: ianuarie 0.100; februarie - 0,105; martie 0,147; aprilie 0,183; mai - 0,209: iunie - 0.215: iulie - 0,217; august - 0,200; septem brie - 0,182: octom brie 0,164; noiem brie 0.131; decem brie - 0,106. Determinarea temperaturii solului Se face atat la suprafata lui cat si la diferite adancimi. Se folosesc termometre speciale de sol. Ele sunt termometre cu mercur, avand rezervorul cilindric inclinat si alungit. Ele se instaleaza de obicei la adancimi de 5; 10; 15 si 20 cm. Acest termometru se foloseste numai pe tim p calduros. Temperatura straturilor mai adanci se masoara cu ajutorul term om etrelor de sol extractive sau cu tragere verticala. Ele raman perm anent in sol si se scot numai cand se fac citiri. Determinarea umezelii aerului. Se determina cu ajutorul psihrometrului sub fonna de tensiuni a vaporilor de apa si ca um ezeala relativa cu ajutorul higrometrului cu fir de par. Psihrometrul este un aparat form at din doua termometre obisnuite cu mercur, cu rezervoare de aceeasi forma si aceeasi dimensiuni. Rezervorul unuia din ele (dreapta). numit termometru umed. este invelit cu tifon ce se um ezeste inainte de determinare. Cel din stanga, numit term om etru uscat este folosit pentru determ inarea temperaturii aerului. Rezervoarele celor doua termometre sunt ventilate cu ajutorul unei moristi aspiratoare, Cu ajutorul tabelelor psihrom etrice, se extrag. pe baza temperaturi lor citite la cele doua termometre. valorile tensiunii vaporilor de apa, ale umezelii relative si ale deficitului de umezeala. —c V. Functionarea higrom etrului cu fir de par se bazoaza pe proprietatea ( firelor de par degresate de a-si m odifica lungim ea in functie de variatia I II um ezelii aerului. C itirea se face la orele 8 , 14 si 20 direct pe scara I higrometrului. Determinarea cantitatii de apa cazuta prin precipitatii se face cu ajutorul pluviom etrului (fig.84). Este format dintr-un cilindru din tabla zincata(a) cu lungimea de 40 cm. si diam etrul de 159,5 mm, fixat de un !l[ stalp de lemn. Cilindrul se fixeaza cam la 1,50 m deasupra solului. La partea supcrioara a cilindrului. in interior se sudcaza o palnie receptoare (b), tenninata printr-un tub dc scurgere care se prelungeste pana la vasul Fig. 84 • P lu v io m ctru colector (c).
I
97
Pentru determinarea cantitatii de apa cazuta, se scoate colectorul de la pluviometru, apa pe care o contine se rastoam a intr-o eprubeta speciala (eprubeta pluviom etrului) care arata cantitatea de apa cazuta pe metru patrat. Presiunea atmosferica (forta cu care aerul apasa asupra unitatii de suprafata) se masoara cu barom etrul, unitatea de masura este barul. Pentru determinarea directieisi intensitatii vantului - se folosesc giruetele. Girueta este formata dintr-un ax metalic vertical, prevazut la partea superioara cu 3 sau 4 vergele metalice ce indica punctele cardinale. Pe cea care indica nordul se noteaza litera N. Printr-un sistem de rulmenti deasupra vergelelor directionate si pe axul vertical se fixeaza partea m obila a giruetea asupra careia actioneaza vantul. Dispozitivul de directie este fonnat dintr-o vergea metalica orizontala, prevazuta la unul din eapete eu doua placute metalice, iar la celalalt capat cu o bila metalica. Dispozitivul care indica taria (intensitatea) vantului este format dintr-o placa m etalica ( 15 x 30 cm , greutatea de 200 grame) care se orienteaza totdeauna perpendicular fata de liniile de forta ale vantului. Ea pcnduleaza, sub actiunea vantului, in fata unui arc de cere, pe care se afla m ontati 8 dinti indicator!, corespunzatori unei viteze exprimate in scara Beaufort.
Corespondenta intre num arul dintilor de pe girueta si scara Beaufort 5 5
6
7
8
9
3
4 4
6
7
7 -8
8
4
7
9
12
15
19
23
S cara B eaufort
0
1
2
3
Nr. dc o rd in e al vergelei lu teala vantului * in m/scc
1
1 -2
2
0
1
2
A precierea tariei vantului se face dupa scara Beaufort. Diferitele grade ale acestei scari se interpreteaza dupa m anifestable actiunii vantului din tabelul de mai jos. A precierea intensitatii vantului dupa scara Beaufort Oracle B eaufort
M anifestSrile actiunii vantului
m/sec
km /ora
0 (C ) 1 2
Liniste completa (calm) Aproape linistit, fumul sc ridica aproape vertical Putin vant misca un stegulet si din cand in cand frunzele arborilor
3 4 5
Vant slab misca un steag si intretinc miscarea continua a frunzelor arborilor Vant potrivit, mentine intins un stegulet. misca ramuri subtiri fara fiimze Vant taricel. mentine intins un steag mare, misca ramuri groase fonneaza valuri pe ape statatoare Vant destul de tare incepe sa fie auzit la adapostul caselor, pe ape statatoare formeaza valuri cu spume pe creasta Vant tare, misca arbori neinfrunziti de dimensiuni potrivite, pe ape statatoare fonneaza valuri spumegande Vant putem ic, misca arbori mai mari. rupe ramuri si crengi de marime normala Furtuna, crengi neinfrun/ite de dimensiuni mai mari rupte, acoperisurile sunt ridicate Furtuna putem ic a, arbori i sunt rasturnati Tem pests produce distrugeri grele
0 0,5 0,6 1.7 1,8 3,3 3,4 5.2
02 713
5,3 7,5
1 9 -2 6 2 7 -3 5
6 7 8 9 10 11 12
Uragan
I
f.
•
nimic nu rezista vantului
7,4 9.8
1 6 12 - 18
9,9 - 12,4
36 - 44
12.5- 15,2
45
15,3 18.2 1 8 ,3 -2 1 .5
55 - 65 66 - 77
21.6 25,1 25,2 - 29.0 Peste 29,0
78 90 91 - 104
54
Peste 104
!
• Inregistrarea continua a m ersului vremii duce la cunoasterea ciim ei prin care se poate preciza ce plante se pot culiiva mai bine intr-un loc sau altul, ce productie se poate astepta de la un soi sau altul, ce plante se pot sau nu aclim atiza, ce boli pot aparea, cc ingrasam inte sunt mai indicate, la ce date trebuie aplicate, cand se pot facc tratam cnte im potriva daun&torilor etc. 98
D s tc rm in a re a
s tru c tu rii
ftc o s is ttn ifilt
tre fic e
in
o n t r o p l i a t t _________________
Atat in ecosistemele naturale cat si in cele antropizate structura unei biocenoze este data de mai multe caracteristici: • populatiile (speciile) componente incadrate in trei grupe: producatori, consumatori (fitofagi si zoofagi), descompunatori; • relatiile in timp si spatiu dintre populatii; • proportiile cantitative dintre populatii care se refera atat la numarul in d iv izilo r, cat si la masa lor biologica (biocenoza); • distributia in spatiu a populatiei; • dinam ica in timp a populatiei; • trasaturile specifice ale populatiilor dominante, talie, longevitate, ritm de inmultirc. Pentru cunoasterea structurii unei biocenoze dintr-un ecosistem natural sau antropizat sunt necesare o serie de prelevari (luari de probe) efectuate asupra ei.A ctivitatea consta in: • scoaterea dintr-o suprafata determ inata relativ m ica sau dintr-un volum determ inat relativ mic al biocenozei a unei cantitati de organism e prin luare de probe; • o data cu acestea sunt necesare o serie de observatii faeute asupra b io cen o zei, in general, cat si a factorilor abiotici ai biotopului; • luarea probelor si efectuarea observatiilor se fac in diferite perioade ale anului pentru a se cunoaste variabilitatea populatiei pe anotimpuri; • cercetarile fScute in teren sunt continuate in laborator unde se fac o serie de determ inari a speciilor de plante si an im ale, a biocenozelor sau a altor parametri biocenotici; • la sfarsitul cercetarilor efectuate in teren si in laborator se iritocmeste o lista de specii pentru fiecare prelevare. Listele cuprind indicatii de natura cantitativa si calitativa; • interpretarea rezultatelor, cu aplicarea unor indici de calcul, definindu-se caracterul si com plexitatca de organizare a biocenozei. Nota. Cu ocazia studiului biocenozelor se pot face recoltari dc material biologic, selectionand din teren formele cele mai reprezentative care, aduse in laborator sunt supuse prelucrarii si conservarii pentru a fi folosite pe parcursul anului scolar in cadrul lectiilor de bilogie sau alte activitati de studiu (cercetare). Metoda de lucru : - Se stabileste ecosistemul antropizat care trebuie cercetat si limitele acestuia. Studiul vegetatiei presupune: -cunoasterea structurii orizontale si verticale ale fitocenozelor, stabilirea compozitiei lloristice a fiecarei fitocenoze; -intoem irea tabelului sinoptic al fiecarei asociatii; -stabilirea succesiunii asociatiilor vegetale, Cercetarea consumatorilor (primari, secundari, tertiari etc) presupune: -studierea nevertebratelor terestre; -studierea vertebratelor terestre; -prelucrarea, conservarea si pastrarea materialului biologic din ecosistemul antropic cercetat. Prezentam cateva procedee de cercetare a unui ecosistem antropizat care ne ajuta sa putem face aprecieri corecte asupra complexitatii victii si de organizarea producatorilor primari. A ) identificarea si delimitarea fitocenozelor (producatorilor): • speciile dominante(cultivate); 99
• speciile subdominante (buruieni); • speciilc indicatoare; • speciile insotitoare. Speciilc dom inante (plantele cultivate) reprezinta 60 - 100 % din totalul speciilor care intra in constitutia fitocenozei. Ele form eaza prim ul strat de plante al fitocenozei, ocupa o suprafata mare in fitocenoza si produc cea mai mare cantitate de materie organica (biocenoza). Aeeasta spccie determina structura si compozitia floristica specifica biocenozei. Speciile subdominante (buruieni) reprezinta 25 40 % din masa vegetala Numarul speciilor si procentul variaza in functie de parametrii factorilor ecologici. S p eciilc in d icato are (plante salb a tice care og lin d esc anum ite insusiri ale facto rilo r ecologici:um iditate excesiva sau scazuta, clim a calda sau rece, soluri bogate sau sarace in saruri m inerale, etc.). Ele sunt slab reprezentate ca num ar si ca volum in fitocenozele cultivate. Speciile insotitoare reprezinta in general 10 30 % din masa vegetala a fitocenozei. Ele insotesc speciile dom inante si subdominante in functie de insusirile ecologice pe carc le au.
Structura orizontala si verticala a fitocenozelor. O bservatiilc pentru cunoasterea structurii orizontale si verticale a fitocenozei se fae prin deplasarea in cadrul teritoriului dupa anum ite repere formate din mai multe linii paralele si linii de intersectie a acestora. Fitocenozele pot avea o structura orizontala deschisa sau o structura orizontala inchisa, Agroeenozele au structura orizontala inchisa deoarece prezinta o vegetatie deasa. Analiza pe verticala a agrocenozei presupune existenta unui num ar de straturi in functie de natura speciilor asociate si de param etrii factorilor ecologici existenti. Aceste observatii (asupra structurii orizontale si verticale) ale agrocenozei incep prima vara si tin pana la sosirea iernii in functie de ecosistemul antropizat ales (fizionornia ecosistemului se schimba in functie de anotimp). O bservatiile se noteaza in caietul de practica.
Stabilirea compozitiei floristice a ecosistemului antropizat. Observatiile privind acest obiectiv se fac in functie de marimea zonei cercetate, de uniformitatea sau neuniformitatea conditiilor ecologice. Suprafetele m inim e de evidentiere a fitocenozei, consta din inventarierea tuturor speciilor de plante de pe o suprafata num ita releveu. Numarul si suprafata releveelor depind de suprafata de cercetat. Forma releveelor poate fi patrata sau dreptunghiulara. Pentru fiecare specie din fiecare releveu se noteaza abundenta si dominanta. Dupa inventariere se intocmeste tabelul sinoptic al asociatiilor vegetale care trebuie sa cuprinda efectuarea observatiilor fenologice, numarul releveului, suprafata in metri patrati, acoperirea si constanta. Pentru determ inarea productiei prim are se folosesc diferite metode . Cea mai convenabila si usoara m etoda de cunoastere a productiei primare a fitocenozei consta in determinarea cantitatii de substanta organica, pe specii. in suprafete alese spre cercetare. Luarea de probe se face in momentul cand vegetatia ajunge la dezvoltarea maxim a.(perioada de inflorire si formare a fruetelor). Cum se procedeaza? in cadrul fitocenozelor se fixeaza un num ar se spatii care sa cuprinda marea m ajoritate a speciilor. In rcleveele alese se aseaza o rama metalica sau de lemn, de forma patrata cu latura de 1 m. Din interiorul acestui cadru se recolteaza toate plantele (cu radacina cu to t) , apoi se curata de impuritati si se separa pe specii, se ambaleaza in saci de plastic si se due in laborator, unde se cantaresc. G reutatile rezultate pentru fiecare specie reprezinta fitomasa proaspata care se noteaza in caictul de observatie. Probele grupate pe specii se usuca in etuve (la 105 °C), dupa care se cantaresc din nou, determ inandu-se fitom asa uscata. Apoi se taie in bucati mici si se ard complet. Cenusa rezultata se cantareste si se scade din greutatea uscata obtinandu-se substanta organica in g la m 2. Datele obtinute se noteaza in caietul de observatie.
Exemplarele cele mai reprezentative ale speciilor componente se recolteaza. se conserva servind la intocm irea ierbamlui ce constituie un docum ent al investigatiei. Din perimetrul oricarui ecosistem antropogen (culturi de cereale, legume, pom i fructiferi etc.) trebuie sa se recolteze, prelucreze si sa se conserve corpul intreg al speciilor de ciuperci, licheni, dc plante ierboase sau parti din plantele lemnoase. B. M etode de cercetare a nevertebratelor terestre dintr-un ecosistem antropizat Pentru cercetarea cantitativa a faunei de pe suprafata solului si chiar a celei de pe plantele ierbivore se aleg suprafete de control. Aceste suprafete pot avea marimi variabile in functie de marimea animalelor. Din fiecare patrat se recolteaza toate anim alele si se form olizeaza (co n cen trate 4 %) in borcane colectoare. Fiecare borcan cu anim ale corespunde unui patrat. In laborator se determ ina spccia sau genul si se procedeaza la interpretarea datelor. Se noteza si speciile'de plante din patrate pentru a se constata corelatia dintre acestea ca producatori primari si animale, in calitate de consumatori. C. M etode de cercetare a vertebratelor terestre dintr-un ecosistem antropizat Populatiile de animale vertebrate si in special reptile, pasari si mamifere se cerceteaza folosind metode calitative si cantitative. Metodele de cercetare cantitativa sunt metode inductive. Este imposibil sa se num ere toate vertebratele enum erate mai sus in orice ecosistem. De aceea se fac sectiuni sau se delim iteaza suprafete unde se fac num arari si apoi se desprind concluziile pentru toata suprafata. Cercetarea trebuie sa porneasca de la caracteristicile ecologice ale populatiei, iar rezultatele obtinute sa fie com parabile in timp si spatiu. O bservatiile se noteaza in caietele dc observatie.
Porticyioritdti ftoxuiv! 4m imottritt si M W en ergi* m sc@ilsU(R«l« &Atr@^IsQU* Sfi ne reaminlim ! Toate organism ele vii au nevoie de hrana pentru a exista; hrana (llux de inaterie) c irc u it in ecosistem pe calea unor verigi de populatii num ite lanturi trofice: Pentru m entincrea oricSrui sistem sc consum a energie: energia introctosa in ecosistem (flux dc energie) trcce datorita relatiilo r trofiCe de la p r o d u c e r ! la consum atori de diferite ordine;
In ecosistem ele naturale principala sursa de energie este energia radianta solara. Plantele cu clorofila- producalorii, capteaza aeeasta energie si produc cu ajutorul ei substante organice din substante anorganice (fotosinteza) pc care le iau din mediul inconjurator (sol, apa, aer). Prin fotosinteza energia solara este transformata in energie chimica inmagazinata in Substantele organice sintetizate. Energia aeumuiata de plante (energia primara) si substantele organice (productia
i -cnergi? solara; P, producatori prim ari; C, consum atori prim ari; C c o n s u m a t o r i sveundari: D dcseom punatori I cncrgic asim ilata dc cStre plante: 2 cncrgic din substantele organice sintetizate dc plante; 3.4 - energie a s im ita $ d e catre consum atori I si 11; \ 6 energie din substantele organice sintetizate' de consum atori t. II; 7 energie consum ata in procesele proprii de c3trc plante si anim ate; S energie cuprinsa in hrana nedigerata.
Fig. 85 • F luxul de m a te rie si en erg ie in ecosistem
101
Transpira^ie Transpira^fe
'Evaptfrare
Qescofnpunere' Saruri mlnevate
Fig. 86 • Circuite naturale: a) circuital e a rb o u u lu i; b) c irc u itu l apei si s& rurilor m in e ra ls
primara) sunt preluate de consumatorii primari - fitofagele, care in procesul de asim ilatie sintetizeaza substante organice proprii. De la consumatorii prim ari, substantele organice si energia aeum uiata in ele, circula la celelalte verigi ale lanturi lor trofice : consumatorii secundari, tertiari, cuaternari. Dupa m oartea organism elor vegetale si animale, substantele organice sunt descompuse dc catre dcseompunatori in elem ente chim ice anorganice carc se acum uleaza in apa, aer, sol si circuitul biogeochimic se rcpeta. Echilibrul ecosistemului este asigurat in permanenta prin reglarile naturale existente in ecosistem.(fig. 85) P re z e n ta o a m e n ilo r si acti v itati le desfasurate de ei in cadrul biotopului natural, tulbura acest echilibru cu actiuni intensificate pe masura cresterii gradului de antropizare a ecosistemelor. Astfel, ecosistemul antropizat se deosebeste dc cel natural prin: • consum energetic mult s p o rit; • utilizarea masiva si a altor surse decat cea solara (mai ales a acelor surse provenite din combustibili fosili); • modificarile de amplasare si cu mare viteza a structurii ecosistemului, • im punerea unor ”intrari“ si ”iesi’r iu
din sistem, altele decat cele naturale; • nerespectarea ciclurilor biogeochim ice,etc. In sistem ele antropizate omul a reusit prin activitatile sale sa invinga frontierele biologicc parasind legea reglarilor organice sa isi creeze singur m ijloace carc sa deturneze in favoarea sa imense cantitati de resurse din mediul inconjurator si sa le transforme, sa le utilizeze sau sa le transfere de la un sistem la altul, fara nici o retroactiune imediata. Astfel, omul se sustrage de la regula generala, introducand pe cale artificiala process liniare (neciclice) cu consecinte grave in starea de echilibru a sistemelor. Unul dintre num eroasele exem ple ce se pot da In ace$ sens este si acela al interventiei omului in circuitul natural al Substantelor (fig. 8 6 ) care are loc intre plante, anim ale si sol prin indepartarea cxcretiilor si a descurilor rezultate din metabolismul fiintelor vii, dincolodc limitele ecosistemului, sustragandu-le de la circuitul lor natural, pentru a le introduce in alte circuite artifieiale ( fig.87). Productia de bunuri m atcriale este cea care m odifica sistem ele naturale si tot ea este cea care deverseaza in natura deseurile sale, atat Cazul 1 Cazul 2 ,. . . . . . . t:;>„,, i xc-.-t.-v. ---v tvra-i.iltv.-.vi: s, r v di r ect cat si prin n u jlo c irc a co n su m a tici .•ydavnjle 56 f^inforc in sal conipte!. aparte* ym neproduetive. In schema din fig . 8 8 se observa un element a! reddaris deseun sc cadavrej sunt etoninato artificiai unn caaiizari Gi/ificata ca 111 desfasurarea lor, procesele de productie sunt alim entate din mediul am biant cu materii I F ig, 87 • In te rv e n tia o m ului in circuitul n a t u r a l prime si energie obtinute din rezervele de resurse 102
n a tu ra le . D u p a p ro d u c e re a obiectelor (valori de intrebuintare) si consumul acestora, se elimina o serie in treag a de deseu ri si energie sub forma de ealdura. D aca s-ar c o n sid e ra ca rezervele naturale de resurse si energie sunt inepuizabile si ca spatiul in care sunt depozitate deseurile este nelim itat, atunci procesele econom ice ar putea fi gandite ca se desfasoara intr-un flux continuu, fara intrerupere si fara diminuarea lor cantitativa. In realitate insa, se stie ca resursele nu sunt deloc inepuizabile, iar spatiile oferite de planeta noastra devin tot mai restranse pentru a face fata tuturor utilizarilor oamenilor. In acelasi timp, este cunoscut faptul ca intr-un sistem antropic,la fel ca si in orice sistem ecologic natural, supravietuirea organismelor vii este co n d itio n al de regencrarea continua a resurselor, substanta fiind necontenit transferata si reeiclata. Trebuie observat ca intre fluxul de energie si cel al substantei exista o deosebire. In tim p ce energia este transform abila dintr-o form a in alta (potentials, cinetica, chimica, termica, etc.), dar niciodata readusa de la o forma inferioara la alta superioara, ci numai degradata in ealdura care se pierde in afara sistemului, substanta poate fi refolosita prin reciclare. Cu alte cuvinte, nu toata cantitatea de substanta care este eliminata ca deseuri trebuie depozitata in ecosfera ci dimpotriva - o cantitate cat mai mare din aeeasta ar putea fi refolosita, econom isind astfel resursele naturale. Intensificarea activitatilor umane, are ca efect negativ producerea unor dezechilibre in ciclurile ecosferice ale unor elem ente si in special al oxigenului. De asemenea, abaterea fluxului natural al substantelor nutritive din sol spre cresterea unei anumite specii (monocultura) in scopuri alimentare sau industriale pentru a se obtine productii mai mari si de ealitate ridicata cat si posibilitatea folosirii in prod u ctia agricola a unei cantitati suplim entare de energie obtinuta cu () H ,0 ajutorul com bustibililor fosili, due la energie solarS 91 14t 0 2 22-10; Kcal o fragilitate a echilibrului ecologic, ca H ,0 4t 2t urmare a lipsirii sale de autoreglare si co2 HvQ CO, 20 t de posibilitati de autoregenerare. 3000t 6 t Caracteristica principala a unei culturi vegetale consta in inlocuirea Trarjspiratie Respiritie fitocenozei naturale printr-o singura boabe specie de planta. Pentru a o btine PN ►4 t Fotosinteza *B (114 t) 40•!0* productii cat mai mari si de ealitate Paie Kcal * 5t ridicata, se im bunatatesc condit’ile naturale, prin aplicarea unor tehnici PB=productia bruta agrico le adecvate, printr-un aport PN=producjia neta H ,o Substance HO suplim entar de substante nutritive %
%
(apa, ingrasaminte chimice si organice) si prin elim in area din fito cen o za naturala a tuturor speciilor nocive, fo lo s in d p e s tic id e , e r b ic id e ,
30D0t
t minerale
Fig. 89 • S ch im b u ri de m aterie si en erg ie in tr e un ag ro sistem m ediu
103
insecticide, etc. Eficacitatea energetica a unei culturi vegetale este extrem de redusa. Schema din fig. 89 arata prin cifre aproximative schimburile care au loc intre sistemul considerat si mediul inconjurator, precum si proccsele biologice. exprim ate cantitativ in ecuatiile chim ice referitoare la fotosinteza si respiratie. In aeeasta schem a se consem ncaza importul de energie solara (2,2 x IQ9 kcal), importexportul de substante rezultate din proccsele biologice ( C 0 2, 0 2, H 20 ) , precum si productia reala realizata (boabe, paie), exprim ata in unitati energetice (40 x 10 6 kcal). Se observa ca eficacitatea energetica a agrosistem ului considerat, este foarte mica de numai 1, 8 %: 40 x 106 x 100 = 1 ,8 % In agrosistem e eficacitatea energetica variaza in tim p atat cantitativ cat si calitativ in functie de adaosurile chim ice si de carburanti. Populatia unui sistem urban este consumatoare a unei uriase cantitati de substante si energie, aduse in cea mai mare parte din afara sistemului. Importul si exportul pe care it realizeaza o aglom eratie urbana, depaseste cu mult orice transform ari pe care le-am putea intalni in cazul ecosistemelor naturale. Pornind de la principiile ecologice, in multe tari s-au experimental modele de sisteme antropizate bazate pe utilizarea complexa a energiilor solare, a vanturilor, a apei, a solului in asa fel incat sa nu se p ro d u c a - pe cat posibil • pierderi sau dezechilibre ale sistemului. Populatia unui sistem urban este consum atoare a unei uriase cantitati de substante si energie, aduse in cea mai mare parte din afara sistemului. Importul si exportul pe care il realizeaza o aglomeratie urbana, depaseste cu mult transformari le pe care le-am putea intalni in cazul ecosistem elor naturale. Pornind de la principiile ecologice, in multe tari s-au experimentat modele de sisteme antropizate bazate pe utilizarea complexa a energiilor solare, a vanturilor, a apei. a solului in asa fel incat sa nu se prod u ca- pe cat posibil pierderi sau dezechilibre ale sistemului.
n
ftetineti !
• Toate organism ele din oricare ecosistem isi desfasoara viata num ai utilizand energia libera pe care o convertesc in diferite form e de travaliu sau o depoziteaza in propria lor biom asa. A ceste transform ari se asociaza cu dcgradarea unci parti din energia libera sub fonna de ealdura. Unica form a de transfer de energie intre toate niveluriie trofice este energia chim ica rezultata din fotosinteza. Fluxul de energie unidirectional antreneaza si face posibile fluxurile cielice ale diferitelor substante ea; (),* C, N, P. S, etc.
1
/IP LIC M II
• Analizati schem a de mai jo s si explicati circuitul biogeochim ic al unui sistem antropizat. ^ u n og rg -ngrgC Tcra te --------------------------------------- * ------------------------------- - " .............—--------- E N E R G TE
SO LARA
ur se. a m o n ia c
i C NO di
N e ru m e g a to a re M ic ro o rg a n is m e
-► m » cro o rg an ism e
0 0 2
A pS A zot
CD
0 1i— a;
TO o
C7—
a)
C ELULO ZA REZIDUR! (emerge slabS) De§eun organic©
TfTPirrri rr"
AMIDON I FURAJE (emerge multS) i (emerge mijlocie) Substance nutritive ■i
\
.
______
Microorganism© din so
104
2
STRUCTURA SI DINAMICA POPULATIILOR UMANE * Structura si diAomlco populatiilor uman*
m
Sfi ne reaminfim !
______________________________
Studiile dem ografice asupra trecutului om enirii aratS o cvolutie num erica intens accclcrata Isioricii inen^ioneaza pcm ru paleolitic 5 m ilioane de locuitori. iar pentru Inceputurile erei crcstine 250 m ilioane locuitori Prim ul m iliard de persoane a fost atins tn anul 1830, al doilea m iliard un secol mai tarziu (1930), iar al treilea m iliard in 1960, al patrulca m iliard in 1974. al eincilea m iliard in 1987, iar in 1999 s-a ajuns la al sasclca m iliard de persoane in anul 2Q05 (conform statisticilor actuale) populatia totala a glohului este de 6.46 m iliarde locuitori, iar pentru anul 2050 se presupune o evaluare totala dc 9,07 m iliarde persoane.
I
Populatia umana constituie elem cntul principal al ecosistem elor umane, care se afla in interdependenta cu alte sisteme: societatea, economia, alimentatia, cultura etc, toate avand corelatii si se interinfluenteaza atat direct cat si indirect. Populatia nationala este definita ca o ”colectivitate de oameni care ocupa un teritoriu bine delimitat, acela asupra cdruia se exercitd suveranitatea statului respectiv (V Trebici). Ea poate fi conceputa ca un sistem deschis, cu intrari si iesiri co n stitu te din nasteri, respectiv decese, avand o structura alcatuita dintr-o serie de subsistem e (populatia urhana, rurala, activa. inactiva etc) supuse D EN S ITA JILE P O P U LA JIEI PE G LOB
mov.ovo
Tientsin
T o k io
Delhi Crunching IB o m b Mexico
I ^?Bangko|
M an ila
-d
Jakarta
Rio d e Ja n e iro Sao P aulo B u e n o s A ire s
■mmmm
lo cu ito ri p erm ila p a tr a ta ( 1 9 8 5 )
O»- 80 200 JO 20 60 200 400
M e tr o p o le cu p n t e a n d milioane de locuitori (1990)'
Fig. 90 • D is tr ib u te po p u latiei u m an e 105
unor in te rd e p e n d e n c e , c o n d i t i o n a l si e fe c te de epoca epoca epoca c o n e x iu n e in v e rs a ( f e e d 'bronzuluj fierului neolitica b a c k ). S p re d e o s e b ire de aeeasta populatiei mondiale nu i se poate atribui caracterul de sistem global, ea fiind un a g re g a t, r e z u lta t d in tr-o insumare a diferitelor populatii nationals, creata doar ca o categoric statistica de maxima generalitate. Fig. 91 • C re s te re a d em o g ra fica m ondiala N iv e lu l de asta z i al populatiei planetei( fig.90) este rezultatul unei indelungate evolutii, incepute de la aparitia omului. Homo sapiens se impune ca specie in urm a cu numai 50000 de ani, desi urm ele stram osilor sai sunt mult mai vechi. Daca la inceputurile istoriei, umanitatea a fost caracterizata printr-un ritm de crestere foarte scazut, abia din a doua jum atate a sec. al XVIIl-lea s-au constatat sporiri insemnate de populatie (fig. 91). Secolul al XX-lea a reprezentat o epoca unica in istoria umanitatii, ce se caracterizeaza printrun ritm foarte rapid de crestere a populatiei, ce a determ inat unul dintre fenomenele defm itorii ale lumii contem porane - explozia demografica . Aspectele importante care au determ inat aeeasta dinamica a populatiei sunt: • revolutia industrials (progrese tehnologice, inovatii,alte procese care au generat dezvoltarea, in general); • revolutia agricola (cresterea randam entului exploatarii terenurilor, am cliorarea raselor de animale); • revolutia sanitara (cresterea perform antelor medicale, introducerea vaccinurilor etc.). Astfel, ritmul de crestere a populatiei umane a atins valori deosebite in secolul al XX-lea, variind de la 0,65% in 1900 la 0,83 in 1950 si 1,6 % in 1999 pentru ca in anul 2005 sa aiba o valoare de 1 ,2 % (fig.92). A eeasta crestere spectaculoasa a populatiei explozie dem ografica (baby - boom) - a caraeterizat in principal tarile subdezvoltate din Africa, Am erica Latina, Asia. In Europa cresterea
106
85+ 80-84 75-79 70-74 65-69 60-64 55-59 50-54 45-49 40-44 35-39 30-34 25-29, 20-24 15-19 10-14 5-9 0-4 8 varsta
femei
barbati
barbati
I batrani
batrani GHANA
SUEDIA
45-49 adulti
adulti
-
20*24
m 6
copii | -i " ; ” .. 4 2 0 2 4 % din populatie
6 8
10
varsta
% din populatie
ig. 93 • D ia g r a m s populatiei d u p a v a r s ta : a) ta r a in c u rs de d ezvoltare; h) t a r a d ez vo lta ta
dem ografica a fost mai putin spectaculoasa, datorita razboaielor, scaderii fertilitatii, modificarii mentalitatii si a noilor prioritati aparute in cadrul familiei (fig.93) etc. Analizand sistem ele de crestere pe perioade indelungate (1850 2000) se constata o stransa legatura intre ele si gradul de dezvoltare economica. Astfel, in perioadele de trecere de la stadii de subdezvoltare la dezvoltare, populatia creste fiind conditionata de o natalitate mare si o mortalitate stationara sau in scadere, pc fondul unei dezvoltari generale care determina cresterea nivclului de trai. Odata cu trecerea tarilor in stadiul de state dezvoltate, progresul econom ic si social genereaza noi orientari in dimensionarea familiei. alte mentalitati si prioritati, care determina o seadere a natalitatii si respectiv a ritmului de crestere a populatiei.(fig. 94). Evolutia numerica a populatiei este 2150 - populatia estimate la 10,1 miliarde loc, Restu determ inata, pe de o 2125 - Populatia estimate la 8,3 miliarde loc. Asiei 2010 - Populatia terilorTn curs de dezvoltare $e a^teapte s3 fie de p a rte , de m is care a 3062 fie de cind ori mai mare decSt cea a (Srilor dezvoltate: 6,5 miliarde naturala a acesteia si 2000 ■6.2 miliarde loc. pe de a lta p a rte de 1950 -1990: populatia lumii s-a dublat
mis car He m igratorii (mobilitatea popula tiei).Miscarea naturala a populatiei im plica
1980-4,4 miliare 1950 ■Populatia {arilor in curs de dezvoltare
era de trei ori mai mare decat a $riior dezvoltate
America de Nord 343
1960 1980 2( 1990
L—
—
.....— - ............ — — ...........
2020 Populatia estimate tn 2025 (mil.)
fenom enele dem ografice legate de natalitate, mortalitate, sold natu ral (d ife re n ta d in tre natalitate si mortalitate). Ea in terv in e in m od direct in m odificarea num arului populatiei.
— ———------------------
Fig. 94 • F.volutia numeric*! a p o p u latiei
1
107
c o n s titu in d fa c to ru l cel m ai dinamic.(fig.95). Afatalitatea ilustreaza frecventa sau intensitatea nasterilor in cadrul unei populatii. Indicele folosit este rata natalitatii (N) care se calculeaza pe baza ra p o rtu lu i d in tre n u m aru l to tal al nascutilor vii (n) si numarul mediu al populatiei totale (P) exprim at la 1000 de locuitori intr-un an.______ N ~-g- x
1 0 0 0
S fa d k iM
ridicat
Fluctuate ridicata
t na^teri §i decese la 1000 de locuitori pe an
Stadiul 2
Stadiul 3
Stadiul 4
Expansiune Expansiune timpurie td r z ie _jRata natalitefii
Fluctuate scSzutS
Cro$terc
Scadere natural a populatiei
naturala populaji
ScSzut exemple aetuale
;
Etlopia Bangladesh, triburi din jungld (Tnainte de 1760)
Peru, Sri Lanka, Kenya
(1760-1880)
Canada. China, Japonia Cuba, SUA Australia (1880-19409 (dup'd 1940)
La nivel mondial rata natalitatii 9 (N) se ridica in prezent la 2l%o. La Fig. 95 • T ra n z itia d em o g rafica nivelul continentelor se afla anumite difercntieri: Africa 38 %o; Asia 20 %o; Am erica Latina 22%o; A ustralia si Oceania 17 %o; America de Nord 14 %0; Europa 10 %<>. Mbrtalitatea reflects frecventa sau intensitatea deceselor in cadrul unei populatii. Indicele folosit este rata mortalitatii (M), care se calculeaza pe baza raportului dintre numarul total al deceselor (m) si numarul mediu al populatiei totale (P) exprim at la 1000 de locuitori la nivelul unui an.
M =# x
1000
In prezent rata mortalitatii la sistem mondial (M) este de 9%o. La nivelul continentelor se Tnregistreaza urm atoarele valori: A frica 15 %0; Europa 11 %>\ Am erica de Nord 8 %<>; Asia 7 %«; Am erica Latina 6 %o; Australia si O ceania 7 %o. Diferentele inregistrate la nivelul ratei mortalitatii (M) nu reflecta intotdeauna decalajele existente in gradul dc dezvoltare econom ica ca in cazul ratei natalitatii. Deseori tarile dezvoltate, avand o populatie varstnica mai numeroasa, are valori mari ale mortalitatii decat unele tari mai putin dezvoltate. M ortalitatea infantila rcflecta intensitatea deceselor copiilor sub varsta de 1 an in cadrul unci populatii. Rata mortalitatii infantile se calculeaza raportand numarul deceselor copiilor sub 1 a n (n i) la numarul total de nasteri (n), exprim andu-se in promile (%o). M, m i x iooo| "KT Rata mortalitatii infantile (M.) este foarte mare la nivel mondial 54 %<>. Cele mai mari valori ale acesteia se gasesc in tarile mai putin dezvoltate. > Durata medic a vietii (speranta de viata la nastere) reprezinta num arul mediu dc ani pe care o persoana il are de trait, in mod obisnuit. exprim at la nastere in situatia in care conditiile ar ramane aceleasi ca in momentul de referinta: se calculeaza ca medie a duratelor de viata a indivizilor unei generatii imaginare, care ar trebui supusa intreaga sa viata ratelor de mortalitate pe grupe de varsta ale anului dc observare. Speranta de viata la nivel m ondial este de 67 de ani (65 ani pentru barbati si 69 ani pentru femei). La nivelul continentelor speranta de viata se prezinta astfel: Am erica de Nord -* 7 8 ani, Europa —►75 ani, A ustralia si Oceania —►75 ani, Am erica Latina -►72 ani, Asia «► 6 8 ani, Africa _► 52 ani. Diferenta dintre natalitate si mortalitate reprezinta soldul natural. El poate fi pozitiv sau negativ. In prezent cele mai mari valori ale soldului natural se inregistreaza in tari precum Mali (32 %o), Ciad
108
(28 %o), Arabia Saudita (27 %o), iar cele mai mici in tarile Europei Centrale si Estice unde se constata valori negative (Germ ania, Romania, Ungaria, Rusia, Ucraina s.a.m.d). La nivel m ondial soldul natural este de 12 %o, cel mai mare fiind in Africa (23%o), iar cel mai mic in Europa (1 %o). Mobilitateapopulatiei se refera la deplasarile spatiale ale indivizilor cu si fara schim barea dom iciliului. indiferent de durata absentei din localitatea de origine, cu scopuri diverse, la distante mai mari sau mai mici. Aceste deplasari determ ina modificari de ordin social, profesional, economic etc. Ele se pot clasifica in doua mari tipuri: • deplasari obisnuite , care nu im plica o schimbare de lunga durata a dom iciliului. Ele se desfasoara ritmic, repetitiv, neprovocand dezechilibre in zona de origine si cea de destinatie • miscarile migratoriipropriu-zise, caracterizate de schimbarea de durata sau deftnitiva a domiciliului, care im plica modificari m ajore in viata acestora. Cauzele migratiilor sunt multiple, diversificate si au un caracter dual: pe de o parte, respingere (in zonele de origine - de plecare) si pe de alta, atractie (in zonele de sosire destinatie). Factorii de respingere pot fi: • economici: declinul resurselor, suprapopularea, scaderea ofertei locurilor de munca, somajul, veniturile scazute, saracia, decaderea activitatilor economice etc.; • sociali : lipsa oportunitatilor de a intem eia o familie, aparitia in familie a unor membri copii, pierderea identitatii in grupul de origine, discrim inari, etnice, sociale, rasiale, absenta bazei materiale specifice a unor activitati culturale, educationale, stiintifice; • politici: discrim inari politice, existenta unor regim uri totalitare, aparitia unor evenim ente dcstabilizatoare razboaie, revolutii, atacuri teroriste, politici economice gresite etc.; • naturali: catastrofe, cutremure, eruptii vulcanice, inundatii, fenomene climatice dezastruoase - uragane. tornade etc. Factorii de atractie sunt in opozitie cu cei de respingere si sunt mai puternici in general pentru a depasi eventualele obstacole de pe traseu. • oferta superioara de locuri de m unca; • oportunitatea obtinerii unor venituri mai mari; • nivel de trai mai ridicat; • oportunitatea atingerii unui nivel mai inalt de educatie si specializare in diferite domcnii de activitate; • deplasarea cu partenerul de viata sau in vederea casatorici: • dorinta de a se integra intr-un nou tip de eom unitate,etc. Migratiile pot avea eonsecinte importante dc natura demografica, economica, sociala. Din punct de vedere demografic, se produc modificari semnificative legate de cresterea sau descresterea numarului de locuitori, modificari ale stincturilor de populatie, ale indicatorilordemografici in general. Consecinte-c econom ice sunt legate de forta de m unca constituita de indivizii care migreazS- Pc piata muncii sunt posibile atat aspecte pozitive cat si aspecte negative, ce afecteaza intr-o anum ita m asura atat zonele reccptoare cat si pe cele de origine. In plan socio-cultural se observa in zonele rcceptoare aparitia unei diversitati etnice, culturale, sociale, ce determ ina redimensionarea relatiilor intre grupuri. Indicatorul folosit este soldul migratoriu (migratia neta AM). El este rezultatul diferentei dintre numarul sosirilor (I) si numarul plecarilor persoanelor (E) dintM m anum it spatiu. AM = I - E Soldul m igrator alaturi de soldul natural determina m iscarea populatiei. A
109
I
Rctincti # f ! In cadrul ecologici um ane, populatia rep rezin ta nu num ai factorul activ, care conditioneaza echilibrul
ecosistem elor ci si scopul final al acestui echilibru. De aceea se poate spune ca ea reprezinta atat subiectul cat si obiectul ecologici um ane. Al doilea pol aE sistem ului, m ediul. daca este privit in relatie cu sistem ul m ondial al populatiei, poate duce la concluzia unor solutii relativ usoare privind problem ele dem ografice: planeta noastra ofera conditii de v iata unci populatii m ult mai num eroase decat astazi. S ubsistem ele regionale, nationale etc, in conditiile relatiilor sociale si internationale actuale, com plica insa problem ele si le fac deosebit de dificile.
/IP L IC M»II D eterm inati
pe baza datelor statistice-evolutia num erica a populatiei din localitatea voastra in ultim ii 2 ani.
Anolix« statistic* a lt structurii si diAomicii p^pulotllSar* Pentru cercetarea unui ecosistem este necesar sa identificam in primul rand speciile componente si efectivele lor, precum si m odificarile care se produc in timp in structura lor. Cercetarea ecologica se realizeaza folosind atat informatii empirice cat si informatii rezultate in urma unor metode de cercetare stiintifica, * * 7statistica etc. In urma acestei cercetari complexe membrii eehipei isi diferentiaza sarcinile pe eompartimente majore. Sa consideram ca avem ca tema de studiu structura si dinamica unei populatii intr-un ecosistem antropic - calcul statistic. Care este planul cercetarii: -identificam suprafata ecosistem ului de cercetat pe care o notam cu S; -alegem suprafetele din care vom lua probe, notam cu s suprafata unitatii de proba. In acest caz pentru stabilirea populatiilor componente si mai ales a efecti velor acestora exprimatc in numarul de indivizi / n r . trebuie sa prelevam:
N --1
unitati de proba
N ’ = num arul de indivizi / unitatea de proba M ultimea relatiilor N ? privind num arul dc indivizi / unitatea de proba in cadrul unei populatii din ecosistem reprezinta populatia statistica corespunzatoare definita de urmatorii parametrii: |i= m e d ia (in c a z u l n o s tru m ed ia re a la a n u m a ru lu i de in d iv iz i / m 2); G2= v a ria n ta (d o m e n iu l re a l de im p ra s tie re al v a lo r ilo r in d iv id u a le ); a “ abaterea standard: V=
x 100 ; coeficientul de variatie;
V = populatia statistica corespunzatoare M odalitatea practica de determ inarc a parametrilor ce alcatuiesc populatia statistica:
110
a ) Se extrage o proba alcatuita dintr-un num ar de unitati (n) mult mai mic decat numarul maxim (N \) care corespunde zonei de cercetare. Proba trebuie sa fie reprezentativa pentru populatia statistica. Marimea unitatilor de proba, depinde de scopul urmarit, grupul studiat, de distributia spatiala a elem entelor; fiecarui cercetator ii revine sarcina ca pe baza observatiilor preliminare, sa aleaga cea mai buna solutie. ' b ) Din analiza celor n unitati de proba prelevate la un m om ent dat rezulta o multime n de valori privind n° de indivizi / unitatea de proba. c ) Notam cu x variabila noastra si ordonam dupa marime cele n valori ale sale, alcatuind un sir de variatie. Atunci cand amplitudinea domeniului este foarte mare, este necesar sa se imparta intr-un numar de intervale egale. fiecarui interval fiindu-i caracteristica o valoare centrala (x). d ) Se transforma sirul de variatie intr-o distribute de frecvente, suma frecventelor este egala cu n. f
fx
fx ‘
n=Zf
2 fx
Zx2
Z fx 2
e) Fiecarei distributii de frecvente ii sunt asociati tcrmenii fx, x2, si fx2, necesari pentru calcularea indicilor statistici ai probei. media aritm etica & ^ ^
S=
^ s2
a^ atere stan^ard
Indicii statistici ai probei estimeaza cu un anumit grad de precizie dependent de numarul unitStilor de proba, parametrii populatiei statistice. Pentru distributia de frecvente a probei se utilizcaza ca modele urmatoarele distributii teoretice: 1. Distributia binominal pozitiva - reprezinta un model potrivit in cazul in care variatia este sem nificativ mai mica decat media ( cr2< p ). Este o m etoda rar utilizata ca model pentru probele analizate in cercetarea ecologica. G2
=
\1 •
.
.
•
•
2. Seria Poisson este folosita ca model atunci cand varianta nu difera semnificativ de medie
• • •
•
4
( a 2 ~ (J ).
•V a Randomizat b
Uniform
c Grupat
3. D istributia binom inal negativa, este considerata ca fiind modelul cel mai adecvat in situatia cand varianta este sem nificativ mai mare decat media ( cr2> |j ), iar distributia spatiala a
indivizilor populatiei din care s-a extras proba este grupata. 4. Distributia ia in consideratie toate valorile posibile din cadrul domeniului de fluctuatie. Ea este reprezentata in general de un parametru masurabil (lungimea, greutatea indivizilor). Fig. % • T ip u ri d e d is tr ib u te sp atiala: a) ra n d o m iz a t; b )u n ifo rm ; c) g ru p a t
111
Compararea probctor Dupa ce s-au analizat probele prelevate si s-au calculat densitatile populatiilor identificate, trebuie sa se demonstreze ca valorile densitatii calculate pentru fiecare moment de prelevare a probei, sunt cu adevarat consecinta modificarii raportului dintre procesele care asigura intrarea si iesirea indivizilor la nivelul populatiei eercetate sau nu, A In acest sens form ulam presupunerea ca una dintre solutii este adevarata. Aeeasta form ulate este cunoscuta in analiza statistica ca ipoteza de nul (H0). Prin ipoteza de nul presupunem de obicei ca probele nu se diferentiaza sem nificativ si ca urmare m ediile si variantele lor ar estim a parametrii populatiei statistice. Hq: \x\ - fi2 i 0 2 i - 0 22 L_ Pentru verificarea ipotezei de nul se folosesc teste de semnificatie, parametrice (cand se cunoaste faptul ca una dintre distributiile teoretice caracterizate anterior reprezinta modelul adecvat al probei) si neparam etrice (acestea nu implica conditia de a cunoaste tipul de d istrib u te care ar reprezenta modelul probei). Prezentam cateva din cazurile in care ipoteza de nul este verificata aplicand teste parametrice. a) com pararea a doua probe mari Proba I
xi I indicii statistici calculatf
Sfj
ni num arul de unitati de proba
Daca n si n 0 > 50 se poate aplica teorem a limitei eentrale si atunci distributiile din care provin mediile aproximeaza distributia normala a populatiei si numarul de unitati de proba. Abaterile standard ale m ediilor sunt: V S , 2 / n , si respectiv V S 72 / n 2. Teorema limitei eentrale fiind aplicabila fiecarei probe, distanta dintre m ediile calculate are o d istrib u te norm ala in jurul lui 0 , cu abatere standard egala cu abaterea standard a diferentei dintre medii. Atunci diferenta dintre mediile probelor (X, X2) se fala la ”d 4t abated standard fata de 0 . x ^x 2
diferenta dintre m ediile probelor
^~ abaterea standard a diferentei
-Js,2 /
I S i / n-
Raportul d este o variabila norm ala cu media 0 si ia valori pozitive si negative. Daca d > 1,96, ipoteza de nul cu privire la medii este respinsa ( Mi ^ M2 ) pentru nivelul de sem nificatie de 5 % si daca d > 2,58 ipoteza este respinsa pentru nivelul de sem nificatie de I % (probabilitatea ca ipoteza de nul cu privire la medii sa fie adevarata este mai m ica decat 0,05 si respectiv 0 ,0 1 ). Pentru varianta ipoteza de nul este verificata aplicand testul F. r»2 tr
-
S
1
1 !
r - T T unde variatia de la num erator este totdeauna > decat cea de la numitor. •2 | Valoarea calculata pentru F se com para cu cea care corespunde nivelului de semnificatie 5 % si numarul gradelor de libertate: V = n, 1 pentru num erator si V , = n. 1 pentru numitor.
112
b) Compararea a doua probe m ici care aproxim eaza seria Posson (
oz =
p
) cand varianta
nu difera sem nificativ de medie. Daca am bele probe au produsul n ^ si respectiv n 2m 2 > 30 atunci se aplica testul d;
m\ - m 2 yjm ] / n] /+ m 2in 2
_
~x2 In ] + xi In.
unde m, si m., estim eaza param etrul din seria Poisson si m, = X, = S , 2 respectiv m, = X 2 = S22. Daca (d) > 1,96 sau (d) > 2,58 ipoteza de nul este respinsa pentru nivelele de semnificatie de 5 % si respectiv 1 %. Daca testele sunt atat de mici incat m n si m 2n >< 30 atunci se aplica transform ari le adecvate (VX sa u VX + 0 ,5 ) inainte de a folosi testele asociate distributiei normale. Cand d (- 1,96 ; 1,96) diferenta nu este sem nificativa si populatia se distribuie intam plator; d > -1 ,9 6 diferenta este sem nificativa si populatia are distributieuniform a; d > 1,96 diferenta este sem nificativa si populatia are distributie grupata. S-a stabilit un num ar relativ mare de indici utilizati pentru determinarea si compararea tipurilor de distributie spatiala in cazul populatiilor naturale. In tentativa de a gasi o cale ideala pentru rezolvarea problemei s-au avut in vedere cateva criterii: • indicele ar trebui sa ia valori reale si continui pe intreg domeniul care ar include uniformitatea ideala (num ar egal de indicii in fiecare imitate de proba), distributia randomizata (S 2 = X) si gruparea maxima (toti indivizii sc afla intr-o unitate de proba). • ar trebui ca indicele sa nu fie independent de marimea unitatii de proba, de numarul unitatilor de proba (n), de media probei (X ) si de num arul total de indivizi de proba ( Xx ) • sa se calculeze cu usurinta pornind de la un volum mare de date empirice si sa aiba o mare putere de rezolutie in com pararea probelor care vizeaza aceeasi populatie sau populatii diferite. In general populatiile naturale, vegetale si animale pot avea distributie spatiala sau grupata. Indivizii unei populatii pot avea distributie spatiala intam platoare atunci cand pozitia in spatiu a fiecarui individ este independenta de pozitia celorlalti indivizi. Aeeasta conditie este rar intalnita datorita modului de organizare al populatiilor naturale si relatiilor pe care acestea le au cu alte populatii sau factori abiotici din cadrul ecosistemelor. Complexitatea relatiilor din interiorul populatiilor naturale, a relatiilor interspecifice, precum si a relatiilor cu factori abiotici determina in marea majoritate a cazurilor o distributie spatiala grupata.
j
®
I fietincli! - Exista o diferentiere in spatiu a densitatii ecologice si deci a efectelor factorilor dependenti de aeeasta si, ca urmare, pentru descrierea dinamicii marimii populatiei, se impune delim itarea in spatiu a gruparilor cu cat mai mare acuratete, precum si m odificarile in timp a gradului de grupare.
113
IMPACTUL ANTROPIC ASUPRA ECOSISTEMELOR NATURALE ImpGctuI on(rof»ic osupro •coslstemeler natural* Sfi ne reamintim ! Traim in , cadrul naturii profund modifieate, ca urmare a activitatii omului; B iosfera actual^ se deosebeste de biosfera secolului al X V III-lea cand fata P5mantului nu era brazdata de drum uri de fier si sosele » » asfaltate, cand atmosfera nu era poluata cu fiim de fabrica. gaze de esapament si alte substante chimice, cand apcle curgitoare si lacu rilc nu erau locuri de deversare a d eseu rilo r * industrial; Omul a in terv.cn it in procesele din biosfera atat ca un co n stru cto r de ecosistem e $i peisaje, cat si ca un factor de perturbare a funetforiarii unor procese naturale, deosebit de im portante pentru viatS si economic (formarea resurselor naturale dc hrana. a minereurilor si energiei. ca si in ciclul apei).
Deteriorari ale m ediului au existat in tot decursul trecutului geologic, fiind provocate de cauze naturale, cum ar fi sirul lung al cataclism elor consum ate de istorie : seisme, dereglari clim atice, furtunile de praf, eruptiile vulcanice, inundatiile, etc. Toate aceste deteriorari „naturale“ din trecut, unele cu efecte de amploare planetara, le putem intalni si astazi. Orice fiinta vie intretine schim buri neintrerupte cu celelalte com ponente ale ecosistem ului, fapt care produce m odificari perm anente in m ediul ineonjurator. In cazul ecosistemelor naturale aceste modificari sunt, de cele mai multe ori, de proportii reduse si se petrec cu viteze mici, incat este posibil ca echilibrul ecologic sa fie oricand restabilit, pentru mentinerea intacta a structurii si functiunilor intregului sistem. Intre om, ca de altfel intre toate vietuitoarele, si mediu are loc un permanent schimb de materie, energie si informatie. In prima perioada de dezvoltare a societatii omenesti, om ul a produs in mediu schim bari, indeosebi prin activitatea de procurare a hranei - in faza de culegator sau de pescar. In aeeasta perioada acti vitati le fiind reduse se incadrau perfect in ciclurile naturale, iar prezenta sa nu putea sa produca un dezechilibru ecologic. Prima activitate umana care a afectat in mod deosebit mediul a fost agricultura, prin care unele ecosistem e naturale (mai ales paduri) au fost inlocuite cu agrosisteme(fig.97). Corelat, cu mijloacele simple de care dispunea, omul a produs la inceput modificari lente care au permis diferitelor organisme sa se adapteze. Ulterior, paralcl cu cresterea populatiei umane, d ar si cu d e z v o lta re a s tiin te i si tehnologiei, interventia om ului in natura a produs schimbari din ce in ce mai profunde si mai rapide. Astfel ajutorul focului , toporului si
pluguluL omul a schitnbat fata lumir. Uriasa prcsiune a omului s-a e x e rc ita t, in d e o se b i, in u ltim e le d e c e n ii p rin a c c e le ra re a industrializarii si a urbanizarii. prin 114
cresterea populatiei globului si prin risipa resurselor oferite de natura (combustibili, minereuri metalifere, de lemn, etc). Unele terenuri petrolifere vestite in prim ele decenii s-au epuizat si au fost parasite cu pamanturi ravasite, inutilizabile. Altele noi, le-au luat locul, intrand in productia mondiala ca fruntase : Orientul Apropiat, Africa de Nord, Canada, Nigeria, etc. In alte tari sondele si platform ele litorale, exploateaza sub apa cantitati uriase de petrol. La fel s-au intensificat, in timp, exploatarile de minereu de fier, cupru, bauxita, etc. Toate aceste exploatari au avut loc atat in galerii de mina cat si la suprafata prin excavatii adanci si decopertari. cu inaltarea in apropiere a unor mari coline de pamant, pe care ani de-a randul nu a crescut nici un fel de vegetatie. La acestea se adauga exploatarea pe scara larga a rocilor de constructie. a lemnului padurilor si implicit sacrificarea florei si faunei aflate pe locurile cu cele mai intense activitati econom ice, un mai marc trafic al circulatiei, sub influenta covarsitoare a m arilor centre urbane. Rezultatul acestor activitati este degradarea echilibrului natural foarte inalt pe anumite teritorii. Daca oamenii au reusit ca in decurs de 35 de ani sa dubleze productia industrials, iar in 7 - 10 ani sa dubleze productia dc energie electrica, ei au fost si autorii unei serii intregi de actiuni distrugatoare. Astfel. ei au redus posibilitatile de autopurificare a biosferei, datorita m arilor cantitati de substante toxice si reziduuri aruncate in natura (poluare); au provocat prem izele unui dezechilibru in balanta oxigenului si ale reducerii ecranului de ozon, au poluat oceanele prin scurgeri m asive de substante nocive pentru flora si fauna marina. Prin impactul uman asupra mediului inconjurator.; intelegem toate modificarile, care se situeaza in afara legilor ecologice. suferite de mediul natural, ca urmare a activitatilor omenesti.
El poate fi exprim at prin re.la.tia:
in care:
1 Impactul populatiei umane asupra mediului; N - numarul populatiei din ecosistem ul considerat; q = cantitatea de substante pe cap de locuitor, care este dislocata, transformata, depozitata
DespSduriri abuzive
Des^eienirea s.tepei silvQstepei.savanei
VSnat §i pescuit abuziv
Radiatii. Experiente nucleare
Introducers de soiuri de plante cultivate
Incendieri
Zgomote cu intensitate mare
Degradarea mediului prin acjiuni antropice
Diverse constructs (civile, industriale)
Poluanti
Conflicte militare
Cresterea necesarului alimentar
Modificari genetice
Fiu. 98 • D e g ra d a re a m ediului d a to rita im p actu lu i u m an 115
sau transportata in / din sistem; S = intinderea biotopului; 6 = randamentul ecotehnic al activitatilor umane. Impactul este direct proportional cu num arul populatiei si - coneom itent - cu volumul activitatilor umane. El devine cu atat mai mare, cu cat populatia creste mai mult si totodata, cu cat activitatile umane implica consumuri mai ridicate de materie si energie. In acelasi tim p im pactul este invers proportional cu m arim ea biotopului, deoarece atat dislocarea unor Fie. 99 P o lu a rea apei cantitati de substante cat si depozitarea lor sunt cu atat mai dezechilibrate pentru mediul natural, cu cat biotopul are o intindere mai mica. Formele sub care se prezinta impactul uman asupra mediului sau inconjurator sunt foarte numeroase si variate (f!g98): defrisarile masive de paduri; desertificarea stepelor, destelenirile de pajisti; extensiunea eroziunii solurilor, care scoate din circuitul productiv sute de mi i de hectare; poluarea raurilor, lacurilor(fig.99), a apelor marine de pe platformele litorale; poluarea atmosferei in arealele marilor aglomerari industriale(fig. 1 0 0 ) si a marilor orase; distrugerea unor specii de plante si animale; extensiunea rapida a cailor de com unicatie moderne(fig. 1 0 1 ), care se intind ca o retea tot mai dcasa; vanatoarea si pescuitul; pastoritul cu efecte profunde asupra ecosistemelor, etc. Crearea de catre om a ecosistemelor antropice de tipul agrosistemelor, in care fitocenoza naturala este inlocuita printr-o vegetatie controlata, a privilegiat cresterea posibilitatilor de obtinere a unor resurse de natura vegetala mereu sporite, au stim ulat productia vegetala, ea.utandu-se noi posibilitati de extindere a suprafetelor cultivate, cat si imbunatatirea randamentelor prin aplicarca unor tehnici perfectionate (mecanizari, chimizari, fertilizari, etc). Padurile au constituit surse de lemn pentru; constructii, combustibil. fabricarea hartiei, a mobilei. Ele au fost exploatate fara discemamant, fara a se tine seama de dezechilibrele create in aceste ecosisteme, de rolul lor igienico-sanitar, elem ent peisagistic, mediu de viata p e n tru n u m e ro a s e sp e c ii de a n im a le . P a d u rile influenteaza clim a locala si regionala m oderand-o. Distrugerea lor duce la desertizare. Domesticirea animalelor, ca si cultivarea plantelor s-a inscris in istoria civilizatiei printre cele mai insemnate actiuni ale omului indreptate asupra naturii. M odificarea conditiilor naturale de viata ale animalelor, prin domestieire a dus la o dinamica numerica cu totul alta decat in starea de salbaticie. In timp ce in natura. fluctuatia num erica pe un teritoriu dat depinde de cantitatea de hrana in biotopul respectiv, conditiile de •)
116
hrana ale animalelor domestice sunt complet schimbate. Perfectionarea continua a metodelor zootehnice, a determ inat, pe plan m ondial, o evolutie ascendenta a septelului. Cu toate acestea resursele de origine animala sunt insuficiente datorita cresterii numerice a populatiei. Datorita sporului dem ografic si civilizatiei umane, nevoia de peste a crescut,intensificandu-se sim titor pescuitul. Datorita supraexploatarilor, anumite zone care in trecut furnizau m ari cantitati de peste, au devenit com plet saracite. Este cazul sardinelor din Oceanul Pacific, care populau coastele am ericane din Alaska si pana la sud de California si altele. In afara de pesti, numeroase alte specii din ocean prezinta interes: nevertebrate (tnidiile, stridiile, crevetii, crabii) si unele venebrate (balene). Acest pescuit salbatic, nerational si neeconomic determina scaderea numarului de vietuitoare chiar pana la disparitia unor specii. Practicarea intensiva a vanatoarei a condus la rarirca sim titoare a populatiilor unora dintre anim alele salbatice, anumite specii fiind chiar pe cale de disparitie. Se apreciaza ca in ultimele patru sute de ani au disparut com plet peste 300 de specii, iar astazi sunt pe cale de disparitie 297 specii de m am ifere, 359 dintre pasari, 187 dintre _____ _ _______________________ _ reptile si amfibieni si 79 dintre pesti. iti&mmm POLUAREA. AERULUI P rin in tro d u c e re a de s p e c ii in ecosisteme, fie intentionat sau neintentionat se pot g en era cresteri n e o b isn u ite ale num arului indivizilor acestora (explozie Wm eeologica), ceea ce constituie adevarate Strat d e catastrofe ecologice si economice. Un e x e m p lu de in tro d u c e re neintentionata este aducerea catorva tantari din specia Anopheles gambiae , vectori ai malariei, de catre o nava militara din Dakar C&ax*tl .3e zxr+sok D to x x l d t; c a rb O i si rr^tan (A frica de Vest) pe coasta rasariteana a Braziliei. Tantarii s-au raspandit in lungul ; 4P /is fteopa co a ste i, au p atru n s in in te rio ru l ta rii, .yA'. , wvliHi producand o puternica epidemie de m alarie v. v
in urma exploziei num erice a acestora. M c ta n J" M e ta n O adevarata catastrofa s-a produs cand acum aproxim ativ un secol, afidul Phyloxera vitifolii a patruns din America in O xizi d e aa* D io x td cte c a r b o n 5 F ranta, d istru g an d cu ltu rile de vita pc » ojlqh * suprafete imense. Atunci a aparut ideea de a altoi soiurile europene de vita pe cele americane rezistente la filoxera. Astfel a fost i Fig. 102 • Surse* dc p o lu arc staviIita invazia acestui afid. Un alt exem plu se refera la gandacul de Colorado (Leptinotarsa decemlineata ), important daunator al cartofului. A eeasta insecta are o mare raspandire si pana in prezent nici o m etoda de combatere nu a reusit sa -1 distruga. Introducerile intentionate de specii straine in diferite biocenoze s-au facut si se fac in cele mai diferite scopuri plante de cultura (alim entare, esente lemnoase, decorative), anim ale pentru scopuri alim entare, cinegetice, estetice, Efectele acestor introduceri de cele mai multe ori, sunt cu totul
117
neprevazute, nedorite si pagubitoare atat pentru eeonom ia umana, cat si pentru ecosistem e naturale corespunzatoare care se deterioreaza. Deseori, vorbind despre impactul omului asupra mediului inconjurator, se fac referiri la poluare.
Ea reprezinta o modificare mai mult sau mai putin daunatoare atat pentru om cat si pentru speciile din ecosistemele naturale si artificiale, afactorilor de mediu (abiotic si biotic) datorita introducerii in mediu a poluantilor (deseuri ale activitatii umanefig. 102). Poluanti pot fi: substante chimice (pesticide, titei, gaze, substante organice), factorifizici (ealdura, radiatii ionizate. etc) sau biologici (germeni patogeni). Fiind consecinta a activitatii um ane, poluarea creste (in intensitate si com plexitate) direct proportional cu cresterea num erica a om enirii, cresterea necesitatilor umane si dezvoltarea de noi tehnologii. Deoarece nu se cunosc in am anunt limitelc adm isibile ale poluarii atat pentru securitatea omului cat si a securitatii principalelor ecosistem e ale ecosferei, exista o tendinta de subapreciere a efectelor acesteia. Aeeasta ignorare a im portantei poluarii se datoreaza de cele mai m ulte ori lipsei unor efecte imediate asupra populatiilor ceea ce creeaza o falsa impresie a caracteruiui inofensiv al factorilor respectivi. Dar agresiunea omului asupra ecosistemclor naturale depaseste mult sfera poluarii. La aeeasta trebuie adaugata o serie de alte cai de deteriorare ca: -extragerea din ecosistem e a unor eomponenti abiotici sau biologici; -introducerea de elemente biologice floristice si faunistice care due la schimbarea echilibrelor ecologice, a structurii trofice. a producti vitati i biologice; -modificari ale unor intregi suprafete prin mari constructii sau lucrari hidroameliorative; -desfasurarea unor activitati generale ale omului afectand in diferite moduri cele mai variate ecosisteme. Este foarte important sa tinem cont ca degradarea mediului este un fenomen deosebit de complex, determinat de numerosi factori ecologici, economic!, sociali, politici.etc. care interactioneaza si care influenteaza printr-un proces de feed-back, multele si variatele sfere ale activitatii umane. De aceea, in conceptia ecologiei umane, mediul si toate activitatile econom ice sunt incadrate intr-o singura unitate sistem ica in interiorul careia au loc toate schim burile de materie si energie.
1
Rctincti • A tata vrem e cat sursele naturale pentru alimentarea proceselor economice specifice societali omenesti, cat si deversarea tuturor deseurilor si reziduurilor activitatii sale, nu au trecut de o anum ita limita, sub care ecosistem ul natural mai avea capacitatea sa proprie de redresare a echilibrului ecologic, nu a existat nici un pericol care sa tulbure relatia dintre om si mediul sau inconjurator. Dar, aparitia societatii de super-consum si a tendintelor de acaparare a resurselor terestre, determina aparitia »crizei ecologice“ Omul fabricand prea mult, consumand prea mult, eliminand prea mult ar putea sa-si puna in pericol chiar existenta sa, prin efectele propriului sau impact asupra naturii.
I
/IPLICKT1E
1. Identificati in localitatea voastra efectele impactului antropic asupra peisajului natrural. 2. Realizati diferite proiecte de m ediu prin care sa propuneti atenuarea sau inlaturarea unor cauze ce determina deteriorarea echilibrelor naturale din localitatea sau imprejurimile localitatii voastre. 118
Evidentierea impaetuliii antropic astajsrt* ecosistem elor Multi locuitori ai lumii au inteles pericolul degradarii mediului am biant ca pe o am enintare a vietii, si-si manifesta ingrijorarea cerand m entinerea calitatilor mediului si a echilibrului naturii. Presa se alatura si ea, adesea, in favoarea acestei actiuni. M ulte organism e internationale si organizatii ale societatii civile au convocat reuniuni cu participare mondiala pentru apararea mediului inconjurator si ocrotirea naturii. In multe tari - inclusiv Romania - s-au luat masuri de prevenire sau de indreptare a situatiilor precare, intarite prin legiferari bine fundam entale. S-au initiat si prom ovat program e de cercetare stiintifica pentru cunoasterea si evaluarea starii habitatelor, a speciilor din flora si fauna salbaticS si a altor bunuri de patrim oniu natural. S-au prom ovat proiecte speciale desiinate ocrotirii si conservarii habitatelor naturale, biodiversitatii, restaurarii habitatelor deteriorate, refaccrii unor populatii viabile de specii am enintate cu disparitia. S-au intocm it planuri de m anagem ent ale rezervatiilor biosferei si altele, Prezentam mai jos m etodologia de intocm ire a unui proiect. Un proiect are 4 com ponente principale: L De ce? : O expunere a problem ei rezolvabile. Contextul problemei 2. Ce? : Reformularea problemei rezolvabile. Obiectivele muncii sau a ceea ce dorim sa reafizam 3. Cum? : M etodologia care este folosita pentru rezolvarea problemei 4. Evaluarea : Cum vom masura (evaluaj efectul sau eficacitatea proiectului. Care este cel mai important lucru de masurat. La inceputul planului se pune titlul, numele si adresa. Dupa evaluare, se adauga o lista a facilitatilor si resurselor pe care le avem ce vor fi necesare pentru proiectul in cauza precum si o program are a pasilor pe care ii vom face pentru a aplica proiectul propus. Dezvoltand obtinem pentru: De ce? aeeasta com ponents va trebui sa includa o simpla declaratie (de prefer at intr-o singura fraza) stabilind care este problema. De asem enea se stabileste pe scurt originea sau istoria problemei, cum a aparut si cum afecteaza sanatatea subiectilor proiectul. Daca avem acces la statistici sau lucrari, studii, cercetari anterioare facute pentru aceeasi problema trebuie sa ne referim la ele pentru a sustine punctul de vedere. Stabilim scopul problemei si cum vom imbunatati sanatatea subiectilor. Ce? - este important sa fim cat mai specifici si creativi posibil. Nu este suficient sa spunem ca vom face o serie de 1 0 conferinte ci trebuie spus cum se vor face efectiv, unde si cand vom face aceste conferinte, care va fi publicul caruia ne vom adresa, ce dorim sa transmitem. Cum? in aeeasta sectiune va trebui sa descriem detaliile solutiei noastre. Va trebui sa fumizam cat mai multe informatii despre persoanele ce vor iucra la proiect si ce anume vom face. De exemplu: cum vom aduna persoanele cu care vom Iucra, cate persoane vor fi anchetate, daca vom folosi voluntari, cum ii vom selecta si pregati, cate sesiuni vom organiza, ce fel de m ateriale didactice vom folosi, ne vom folosi de evenim entele sociale, vom folosi piiante, cum le vom distribui, etc. (cu cat vom da mai multe detalii pentru fiecare pas al proiectului acesta va fi mai bun). Evaluarea este o parte foarte importanta a proiectului Daca nu vom masura efectul a ceea ce am facut nu vom sti niciodata daca am rezolvat problema sau nu. Trebuie sa fim onesti si autocritici in evaluare. Nu trebuie sa ascundem daca am esuat in realizarea obiectivelor. Vom folosi aeeasta ca pe un proces de invatare, astfel incat nici noi si nici altii sa nu faca aceleasi greseli in viitor. Asadar evaluarea este masura suceesului sau esecul solutiei noastre, a problemei pusa spre rezolvare. 119
Septembrie
2007
Fig. 103 • E x em p lu de p lan ifica re
O alta p arte fo arte im p o rtan ta a m etodologiei planului de masurare este o expunere separata a tuturor facilitatilor si resurselor de care avem nevoie pentru a term in a proiectul. Vom avea in vedere resursele locale disponibile (resurse umane precum si fondurile si resursele naturale). Vom incerca sa includem tot ce vom avea nevoie pentru realizarea planului proiectului. In situatia in care descoperim ca unele resurse nu sunt disponibile se discuta cu colaboratorii si cu ceilalti p artic ip a n t la w orkshop, existand posibilitatea ca unul dintre ei (sau mai multi) sa vina cu resursele
necesare. Este important de asemenea sa facem un program precis pentru a sti cand acesti pasi diferiti vor avea loc in proiectul propus. Se va stabili durata proiectului, responsabilitatile si finalul proiectului. Prezentam in figura 103 un exemplu de planificare; (pot fi folosite si alte moduri de programare care pot fi la fel de bune): Se va introduce in planul proiectului o metoda prin care se m asoara eficacitatea proiectului in saptam anile si lunile care urmeaza.
EFECTELE D ETERIORARII ECOSISTEMELOR ASUPRA SANATATII UMANE
Sfi ne reaminlim ! Aspectul functional al ecosistemelor antropice se modifies extrem de rapid datorita interventiei umane, care s-a intensificat in prezent, devenind pe alocuri hotaratoare; Poluarea prin toate formele ei, m odifica elementele mediului natural; Dercglarea unui elem ent al naturii se rasfrange asupra intregului geosistem distrugand pana la anularea posibilitatilor de vietuire; Toate acestea au avut si au o influenta nefavorabila asupra sanatatii oam enilor Starea de sanatatc a oamenilor ce populeaza un anumit ecosistem antropic reprezinta un criteriu important de caracterizare a acestuia si reflecta corelatia dintre multitudinea si amplitudinea modificarilor antropice si m anifesterea unor diverse m aladii ce afecteaza populatiile umane Starea de san itate a populatiei um ane se situeaza. in prezent, la nivel superior fata de trecut, indeosebi prin reducerea mortalitatii (generate si infantile) si prin prelungirea duratei medii de viata: 120
7 0 - 7 2 ani la barbati si 74 - 76 ani la femei (in tari dezvoltate). De asemenea, au scazut imbolnaviriie prin boli infectioase siparazitare etc. Starea de sanatate a populatiei lumii nu multumeste insa din toate punctele de vedere. O mare proportie a populatiei adulte si varstniee este suferinda de boli cronice si degenerative, iar o proportie din ce in ce mai mare a populatiei tinere sufera de Tmbolnaviri m ergand uneori, pana la deees prin manifestari morbide acute, cronice si prin accidente. Bolile psihice au o feeventa mai mare in prezent, dupa estim arile unor specialists ca urm are tocmai a unor complexe ecologice necorespunzatoare ale populatiei umane actuale. Un factor important care a detreminat deteriorarea ecosistemelor naturale si implicit deteriorarea sanatatii umane este civilizatia, adica tchnicizarea si urbanizarea. Centrele urbane prezinta o serie de factori ecologici negativi caracteristici: aglom eratia. zgomotul, ritmul trepidant, stress-urile psihice, sedentarism ul, poluarea cu toate form ele ei: fiziee, chimice, biologice, etc. Acesti factori determ ina cresterea frecventei accidentelor, bolilor pulmonare, cardiovasculare, tuniorilor, bolilor neuropsihice si psihosomatice. Statisticele arata ca anumite cazuri dc boala si deces au o frecventa mai mare in epoci si zone caracteristice dezvoltarii tehnice. Suplinirea de catre masini a miscarii si a muncii fiziee, alaturi de factorii cnumerati determina cresterea numarului de im bolnaviri in anum ite dom enii ale patologiei um ane, cum ar fi tum oriie m aligne.bolile cardiovasculare, bolile de nutritie(fig. 104), de respiratie, cariile dentare etc. Corelatiile stiintifice si comparatiile intre diferite gmpe de populatie arata, adeseori, ca civilizatia. in genere modul de viata al lumii contem porane evoluate prezinta aspecte negative care se rasfrang asupra sanatatii. desi nu trebuiesc neglijate avantajele si beneficiile progresului tehnic. M ortalitatea populatiei urbane este mai mare decat a celei rurale (fenom en accentuat la inceputul revolutiei industrials pana in anul 1900). Astazi. prin reducerea diferentelor intre mediul urban si cel rural, prin atenuarea aspectelor negative ale oraselor (uneori prin introducerea acelorasi elem ente negative la sat), starea dc sanatate tinde spre egalizare. Cand diferentele sunt mai mari si starea de sanatate difera. Pe ansamblul populatiei. al morbiditatii si mortalitatii generate exista oscilatii dc la o tara la alta, de la o epoca la alta si chiar de la o categorie de orase la alta. Densitatea mare a populatiei, migratia excesiva, navetismul, poluarea, lipsa de echipare edilitara, defieiente de asistenta edilitara etc, determinS
ffiKJLE CARDJACE u iddodo
■ 6 t
grupa
3S-64 * . j t k in CM *
200 250
50-100
Scorbut
S *rib e ri v itjrm o fl A
f ig. 104 • M ediul in c o n ju ra to r si bolile 121
cresterea morbiditatii si mortalitatii. Dimpotrivaconfortul tehnic, asistenta medicala, protectia mediului, etc, amelioreaza indicatorii de sanatate. In functie de modul in care orasele mici si mediul rural asigura conditii edilitare superioare, alaturi de conditii naturale nealterate, starea de sanatate a populatiei din aceste asezari se prezinta la nivel superior. In unele tari in curs de dezvoltare insa, urbanizarea se caracterizeaza prin preponderenta unor deficiente tehnice, cu consecintele nefavorabile respective; in tarile dezvoltate, migratia, poluarea, etc, determina de asemenea conditii inferioare, mai ales in cartiere si imprejmuiri. 0 atentie deosebita trebuie acordata perioadelor de tranzitie. Tarile in curs de dezvoltare prezinta diferente mai mari intre urban si rural, industrializarea si urbanizarea exercitand un impact mai socant (prin neadaptarea initiala), resim tit mai ales la barbati. In ecosistemele antropizate se resimt - intr-o masura mai mare sau mai mica, influenteie exereitate asupra sanatatii oam enilor de diferitele categorii de factori fizici, chimici. biologici,psihosociali, Factorii fizici ce produc im bolnaviri si decese ale populatiei umane sunt: mecanici' climatici, electrici, radioactive etc. iar provenienta lor poate fi atat naturala cat si artificiala. Efectcle lor asupra organism ului sunt in cele mai variate expresii, de la traum atism e usoare pana la moarte instantanee. Masinile industrials si agricole - cu toate masurile de protectia muncii, produc accidente. M ijloacele de transport m ecanizat (in special rutier) produc un numar mare de accidente cu sau fara urmari deosebite: hem oragii, fraeturi, sectionari de nervi, de tendoane sau afeetiuni ale unor organe vitale (inima, plamani, ficat). Oscilatiile sonore (zgom otul) afecteaza o mare parte a populatiei contcm porane indeosebi a celei urbane. A eeasta noxa este eonsiderata printre cele mai im portante din epoca actuala. Actiunea nociva a zgomotului se exereita in prim ul rand asupra organului speeializat - ureehea si apoi prin intermediul sistemului nervos central asupra viscerelor si glandelor endocrine ( fig. 105). De asemenea zgomotul determina leziuni vasculare, tromboze, hemoragii capilare, hipertensiune, contractii ale tubului digestiv etc. Vibratiile insotesc zgom otele, accentuand efectele acestora prin afectarca S.N.V., organelor locomotorii, etc., sub forma de tulburari vasculare trofice. degenerative si nevrotice. Ulirasunetele exereita efecte distrugatoare asupra urcchii, sistemului nervos, pielii sangelui si constau in hem oragii, edeme, degenerscenta, scleroza, etc. Radiatiile influenteaza putemic sanatatea umana putand provoea boli si chiar decese. Radiatile ultraviolete, prin actiunea fotochimica, pot provoea arsuri ale pielii, insomnii, agitatii, inflamatii conjuntivale, etc. Ele sunt rau tolerate de hipertensivi, cardiaci, bolnavi febrili, hipertiroidieni. Radiatiile laser , radiatiile determinate de emitatari de inalta frecventa si campurile electromagnetice de inalta frecventa, influenteaza organism ul uman. Efectele lor indeosebi al m icroundelor, se localizeaza asupra SNC, S.N. V, aparatului circulator, glandelor endocrine (tiroida,
Treapta 1 Asigurarea supravie^uirii Interferen^a comunicSrii Pierderea permanent a auzului
Treapta a ll-a Prevenirea leziunilor Stress neurohormonai Pierderea temporary a auzului
Treapta a lll-a Men|inerea randamentului superior Stress mental Interferenta activitatilor comunic^rii, somnului
Fig. 105 • T re p te ale efectului zgom otului
122
Treapta a IV-a Protectia conforti bunei dispozltii IncSlcarea intimit Distragerea aten Oboseaid
gonade) sistem ului hem atopoetic, sangelui, etc. carferea parului Telefonul, televizorul si alte aparate electrocasnice distrugerea cortexufui emit radiatii electromagnetice. (tufounSri .. ta r a d i nervoase) E fe c te le p o lu a rii ra d io a ctive (fig . 106)depind de doza, de segmcntul invadat,etc. cancer tiroidian constand in leziuni si modificari patologice mai mult sau mai putin importante: aparitia de tumori sistemului rm unita*sau m aladii genetice determ inate de m odificari cancel mamar ale structurii si functiilor ADN. cancer M in e rii c a re lu c re a z a la e x tr a c tia renal m inereurilor radioactive constituie categoria cu afeetiuni digestive cea mai importanta expunere profesionala, riscul de imbolnavirc prin cancer bronhopulmonar fiind congeniiate foarte mare. Energia nucleara este folosita in m aunulte domenii ale industriei. Rezultatele acesteia sunt Fig. 106 • E fectele ira d ie rii atat de eficiente si promitatoare incat se considera ca „era nuclcara“ deschide noi orizonturi, atomul fiind cel mai im portant dintre toti factorii care evolutioneaza tehnologia, Optim ism ul om enirii este insa rezervat datorita riscului de poluare a mediului in conditiile functionarii anorm ale a instalatiilor nucleare sau in eventualitatea unor accidente(fig. 107) se pun deci in discutie aspectele privind beneficiul si riscul pc care il im plica extinderea utilizarii energiei nucleare (fig. 108). Omul se afla intr-un schimb perm anent cu mediul, preluand si elim inand agenti chimici. Patologia chim ica priveste toti factorii de mediu (aer, apa) alim entele. etc. ca si toti com ponents organismului. adica substantele biogene (minerale sau organice) si in plus num eroase substante straine de organism , in modul cum se asigura raportul dintre organism si mediu se pot produce m odificari patologice diverse. D intre acestea m a rc p a rte a E uro p ci mentionam, ca fiind foarte frecvente. intoxicatiile determinate de diferiti poluanti: metale grele, oxizi, acizi. baze, saruri, pesticidc, alcool. m edicam ente, tutun. Patologia chim ica mai poate fi com pletata cu alte boli de origine organica cum sunt bolile endocrine si metabolice. Spre deosebire de contaminarea cu substante chimice proprie civilizatiei industriale, posibilitatea eontaminarii cu microorganisme a aparut odata cu alim entul insusi. Poluarea biologica im plica si ea o serie de riscuri pentru consum ator si altereaza calitatile nutritive ale alimentului. Consecintele eontam inarii sunt foarte diferite. in functie de natura m icroorganisiriului, eoncentratia lui sau a toxinelor elaborate de alimentul contaminat, natura tratamentului culinar efectuat (afumat, sarat, condimentat).
123
Iradiere medicals Tratament diagnostic Televiziune Tn culori Program© educative, $tiri §i informatii, divertisment Energie nuclearS Electricitate ieftinS, Redu cerea poludrii aerului. Defectoscopie Fisuri Tn metalurgie (prevenirea accidentetor)
Cuptoare Preparare mai sigurS $i mai rapidS a alimentelor Radiatii U V Sterilizare in spitale Radar Transport mai sigur Laser Comunicatii mai bune Radioizotopi Diagnostic §i tratament SursS de energie pen tru cord artificial
Beneficii Tn general TmbunStStirea sSnStStii. d is tra c t Servicii Avantaje modeme, cre§teraa populatie
Cancere Leucemii, tumori osoase Carcinom pulmonar, cancer tiroidian Opacifierea cristalinului Scurtarea duratei de viaJS Leziuni Tn uter Mongolism, microcefalie, cancere Mutatii genetice Decese fetale §i infantile. Malformatii fizice^i deficiente mentale Riscuri
Boli §i suferintS Decese timpurii Malformatii
Fig. 108 • Beneficii si riscuri ale utilizarii energiei n ucleare
Bolile care se transm it mai frecvent de la animal la om prin intermediul produselor alimentare sunt; salmonelozele, tuberculoza, bruceloza, infectiile cu stafilococi, dizenteria bacteriana, febra aftoasa, antraxul, botulismul, etc. Raporturile dintre populatia um ana m odem a si mediul artificial de viata sunt determ inate in prezent si de m ijloacele de asistenta m edieala si de tratament, imdeosebi de medicam ente. Efectele benefice ale medicamentelor sunt incontestable, dar consumul exagerat, nejustifieat, fie ca reprezinta un mod de etalare al bunului trai, fie ca este expresia unei anumite metode terapeutice, are implicatii de ordin general din cele mai grave. A paritia patologiei medicanientoase ca problem a m ajora a medicinei m odem e obliga societatea la adoptarea unor masuri care sa mentina echilibrul intre consum de medicam ente sanatate, in limite relativ normale. M asurile care se iau sunt variate, in functie de stadiul de civilizatie, gradul de industrializare, tipul sistemului social politic al societatii respective. Elibcrarea tuturor m edicam entelor sau num ai a celor cu potential toxic se face pe baza de prescriptie medieala, masuri severe de evidenta si control ale elaborarii prelucrarii, manipularii si administrarii substantelor care pot produce toxicom ani. Farmacodependenta are diferite domenii de aplicare in practica de catre publicul larg, consumator de medicamente. O categorie mare de bolnavi foloseste tranchilizante hipnotice care reduc intensitatea stresului, altii uzeaza de m edicam entele antireumatice, antiinfectioase, hormonale, stim ulente ale altor functii, etc. Dar organism ul nu poate ram ane indiferent fata de aceste substante straine, chiar daca dozele folosite nu ating nivelul toxic. In cazul folosirii unora se produce obisnuinta, alteori efectele negative se pot extinde si traduce pentru o serie infinita de manifestari de la mici stari de indispozitie pana la manifestari teratogene si cancerigene. Progresele tehnico-stiintifice din ultima perioada au dus la importante modificari, atat de ordin cantitativ cat si calitativ, al reactivitatii umane. Complexul de reactii tisulare si umorale declansate de diversi factori nocivi (microbieni, toxici, chimici, mecanici) si reactivitatea um ana constituie un mod dc manifcstare mai mult sau mai putin localizat, a unui proces unitar bioumoral cu importante implicatii morfofunctionale.
124
Impactul vietii sociale, accelerarea ritmului existentei umane, cu profunde modificari de mentalitate si cu roluri determ inante de evolutiile sociale, revolutia tehnico-stiintifica, noile orientari in educatie, explozia inform ationala necesita solicitari ce pot deveni patogene. in regiunile de mare aglomerare urbana, cu mobilitate exagerata a populatiei si un mare procentaj de populatie care traieste izolata s-a observat o rata marita de sinucideri. Celula familiala devine mai instabila, cresc nevrozele, starile reactive, depresiile, ca si fenomenele dezadaptative ca vagabondajul, tulburarile de com portam ent ale copiilor si adolescentilor, instabilitatea profesionala, alcoolism ul, delicventa juvenila si intarzierea scolara, au o frecventa crescuta in marile orase. Categoriile cele mai vulnerabile de populatie fata de procesul urbanizarii sunt copii, adolescentii, batrani i si handieapatii mintal. Abuzul exagerat de informatie duce la oboseala, irascibilitate, insomnie, anxietate, etc. O alta sursa de expunere o reprezinta stim ulii vizuali excesivi cum ar fi program ele T V jocurile pe calculator,etc. Industrializarea a creat un nou tip de activitate umana si un nou mediu, mediul industrial ce a dus la restructurari importante ale ambiantei fiziee a vietii sociale. Dimensiunile exagerate ale halelor. zgomotele, viteza de desfasurare a muncii, solicitarile specifice ale unor profesiuni pot duce la cresterea de boli psihosomatice. D ezorganizarea fam iliala si sociala determ ina o crestere sem nificativa a procentajului de imbolnaviri prin tuberculoza, tulburari psihice, boli cardiovasculare iar, asupra copiilor apare un rise important de tulburari de com portament si personalitate datorita carentelor afective si educationale. Printre factorii cu potential patogen a fost inclus si ,jtresul cultural“ in cadrul caruia s-au evidentiat trei categorii de cauze: -elem ente de mediu cultural: excesul de tabu-uri, saturatia de valori, polim orfism ul cultural, sistemul cultural al sentim entelor si structura de baza a personalitatii; -aspecte de structura sociala (slabirea sau disparitia unor norme sociale rigiditate sociala); -alte diferite tipuri de schimbari.
t . Relineti !
i f Civilizatia creeaza sau accentueaza conditii favorizante pentru cresterea morbiditatii si m ortalitatii printr-o serie de boli si tototdata, ofera conditii de m ediu superioare fata de trecut. Realizarea unor ecosistem e umane cu cat mai bune conditii tehnice si dim inuarea m asurilor nocive ar putea imbunatati calitatea vietii si sanatatea umana. * Profilaxia bolilor legate de civilizatie (urbanizare, industrializare) imbraca un caracter dominant, la care insa poate sa-si aduca contributia si fiecare individ. Caracterul ecologic com plex al acestei patologii presupune o profilaxie prin am eliorarea ecosistem elor umane, problem a in plina desfasurare la nivel mondial. * De aceea OMS (Organizatia M ondiala a Sanatatii) a subiiniat recent cercetarile experimentale si clinice, menite sa identifice toate m ijloacele si tehnicile de protectie antistres, care pot apara individul im potriva dezvoltarii unor reactii patologice in confruntarea cu lumea exterioara.
1 /IPLiCfcTII • Identificati agentii patogeni si sursele de contaminare a alimentelor. • Stabiliti masuri de prevenire si com batere a acestora.
125
s---------- ’ I
m m m v m m r e s c ir s e lo r natciRflUE SI & EfODIVERSITflTII Cotisarvarse resurselor naturale si biecliversit&tii $S ne reamintim ! A CtlUlft b i o s f e r e i ai
a) dist n u m e ric # a p o p u la tiilo r si speciilor. deserestcrea biomasei p e rtu rb a re a si lic h id a re a biocenozelor naturale: b) construct]v cresterea n u m e r ic a a p o p u la tiilo r si speciilor. cresterea biom asei, reglarea cite ten tsi a biocenozelor si formarea de biocenoze noi.
S en su l a c tiu n ii o a m e n ilo r a su p ra n a tu rii este determ inat de necesitatile econom iei, sanatatii publice si culturii. Deoarece diversele ramuri ale activitatii socialeconom ice si culturale au interese deosebite si actioneaza deseori izolat unele de altele, determ ina o lipsa de unitate in actiunile oam enilor asupra naturii. Economia tinde sa utilizeze la maxim um resursele naturale din biosfera. Cresterea necontenita a populatiei umane, prin scaderea ratei mortalitatii datorita progresului medicinii si a ridicarii standardului de viata, precum si cresterea fireasca a necesitatilor, a pretentiilor oamenilor, reclama utilizarea sporita a resurselor de energie disponibile in materialul vegetal si animal, in apa si sol. A gricultura reclam a noi terenuri arabile ceea ce inseamna lichidarea unui num ar im portant de ecosistem e naturale, in special a padurilor. Zootehnia tinde spre marirea productiei de cam e. lapte, lana. de unde necesitatea extinderii pasunilor. de asem enea in dauna padurilor. Dar, in d u stria lem nului, a b lan u rilo r. e c o n o m ia v a n a tu lu i silv ic u l tu ra u rm a re sc mentinerea padurilor, a fondului de lemn si animale de vanatoare. Industria chim ica urm areste utilizarea m aterialului vegetal si animal pentru extragerea de materii prime si medicamente. Urbanizarea, constructia dc poduri, sosele, cai fe ra te lic h id e a z a pe s u p ra fe te in ten se ecosistem ele naturale si nici nu contribuie la formarea dc ecosisteme de cultura. Industria energiei electrice pe baza de hidrocentrale produce schim bari profunde in structura ecologica a apelor continentals, perturbs pescuitul, in timp ce piscicultura cauta sa menlina fondul de pesti. S a n a ta te a p u b lic a re c la m a o c ro tire a ecosistem elor naturale, ca loc de refacere si
UVING TOGETHER WITH NATURE
i
126
&.
recreere. Dar tot interesele sanatatii cu virusuri, ) um ane cer lichidarea focarelor naturale de infectie i bacterii, ciuperci, protozoare periculoase pentru om. Si totusi aceste interese diferite ale econom iei, industriei, sanatatii si culturii nu sunt dc neimpacat, ele putand fi conciliate si subordonate aeeluiasi scop umanist(fig. 109)
Ocrotirea naturii sau conservarea naturii este disciplina ecologica aplicata care urmareste rationalizarea utilizarii resurselor naturale, salvarea biocenozelor naturale de distrugere, pastrarea unor monumente ale naturii, pentru ameliorarea bunastarii umane. Necesitateaprotejarii si conservarii sistemelor ecologice poate fi argumentata atat prin analiza acestora, independent de om , cat si prin luarea in considerare a intereselor omului: -in natura toate speciile sunt im portante, avand un rol bine stabilit in structura si functionarea ecosistem elor; -diferitele categorii de organism e sunt legate intre ele prin relatii trofice , de aparare . de reproducere, etc., disparitia sau inmultirea exagerata a unei specii antrenand modificari ale efectivelor altor specii; -substantele chimice introduse de om in natura modifiescircuitele biogeochimice ale elementclor minerale, determina aparitia de noi circuite; -efectele unor substante %toxice se resim t la m are d ista n ta de locul de producer©; -p rin m o d ific a re a s tr u c tu r ii biotipului si a biocenozei sunt afectate nu n u m a i de s tr u c tu r a ci si f u n c tiile ecosistemelor: -efectele de la nivelul ecosistemelor se ex tin d la n iv elu l co m p le x e lo r de ecosistem e si al ecosferei, etc.
Scopurile ocrotirii resurselor naturale sunt: 1)
asigurarea utilizarii rationale, conservarii si refacerii resurselor naturale; 2 ) ocrotirea m ediului natural de viata al omului aerul, apa si solul de poluarea rezultata in urma activitatilor um ane (fig. 1 1 0 ) si de contam inare cu agenti patogeni: 3) conservarea si infrum usctarea peisajelor naturale; 4) conservarea monumentelor naturii de o deosebita frumusete si insemnatate stiintifica - specii rare de plante si animale, terenuri bogate in m inerale, pesteri si alte formatiuni naturale. Toate aceste masuri trebuie fundam entate pe o profunda si am pla cercetare stiintificS, in fata careia ocrotirea naturii ridica o serie de problem e pe cat de importante pe atat de complexe. O crotirea, chiar si a unei singure specii de plante sau anim ale, nu poate fi rupta de ocrotirea mediului sau, de conservarea biocenozei din care face parte. Numai mentinand structura biocenozei in care este posibila vietuirea normala a indivizilor speciei respective, conservand factorii care asigura realizarea densitatii optime, specia declarata monument al naturii poate supravietui. De exemplu, nu vom putea conserva eerbul earpatin fara sa conservam m olidisurile si plaiurile de munte. O crotirea naturii nu poate fi rupta de protectia plantelor de cultura. deoarece exista o stransa interactiune a biocenozelor de cultura cu cele spontane. 1) conservarea si am eliorarea pasunilor este procesul opus al degradarii vegetatiei si solului si se poate realiza prin rationalizarea pasunatului, in urma cercetarilor si evaluarilor efectuate s-a ajuns la concluzia ca numai jum atate din productia anuala a pasunii poate fi eonsumata de vite fara afectarea producti vitati i biologice primare a ecosistemului. De asemenea se recomanda evitarea unor densitatii 127
ridicatc ale vitelor la hectar de pasune, pentru a prevenii degradarea solului prin batatorirea prea puternica cu copitele. 2 ) distrugerea padurilor (fig. 1 1 1 ) pe scara larga este urmata de aridizarea ciimei si de eroziunea solului. Asa s-a intam plat la noi cu stejarisurile din regiunea de dealuri a M untcniei si M oldovei, cu m olidisurile din Carpati pustiite in secolele XIX si XX, etc. Nici un alt tip de ecosistem natural nu a suferit atat de mult de pe urma actiunii omului ca padurca. Litcratura mentioneaza o multime de efecte negative nebanuite initial prin distrugerea acestora: cand oamenii au despadurit Grecia, Asia M ica si alte regiuni pentru a dobandi teren arabil nu banuiau ca au pregatit terenul pentru actuala pustiire a acestor tari: cand s-au taiat padurile de conifere, italienii din regiunile alpine nu si-au dat seam a ca astfel distrug radical cresterea vitelor in regiunile lor, ca izvoarele de m unte vor fi lipsite de apa mare parte din an, sau ca atunci cand vin ploile ele vor forma siroaie (torente) care vor produce inundatii asupra sesului. Ocrotirea padurilor de exploatarea salbatica a acestora, sc poate face prin legi si educatie ecologica. Un alt pericol pentru paduri il constituie atacul daunatorilor. Cele mai susceptibile paduri fata de in v a z ia d a u n a to rilo r sunt m o n o c u ltu rile pure, ecosistem ele dom inate de o singura specie de plant! lemnoasa. Acestea pot fi aparate. de speciile mai putin sensibile care constituie o piedica in calea daunatorilor. M asurile recom andate de ecologic pentru ocrotirea padurilor de daunatori sunt: evitarea plantarii de m onoculturi, inconjurarea m olidisurilor pure cu paduri m ixte cu rol de tampon, ocrotirea pasarilor insectivore. etc. 3) in ceea ce priveste ocrotirea vanatului, se recom anda ca vanatoarca sa actioneze ca un factor al reglarii biosistemelor rapilor -je rtfa , sa tinda spre conservarea mediilor si nu spre perturbarea acestora prin distrugere. In prezent ocrotirea vanatului este problema dc interes mondial,, existand si o organizatie specializata in ocrotirea speciilor de anim ale periclitate- Fondul Mondial de Animale Salbatice, cu sediul la Zurich (Elvetia); 4) ocrotirea ape lor continentalc consta in evitarea poluarii acestora si a catastrofelor provocate de constructiile de diguri si hidrocentrale. Nu trebuie sa se renunte la hidroccntrale ci, este nevoie dc elaborarea unor proiecte care sa tina seam a de am plasarea acestora in locuri care nu afecteaza prea putemic structura ecosistem elor din jur; 5) ocrotirea pescuitului mai in se bazeaza pe cunoasterea relatiilor intre pesti si plancton. pc mentinerca piramidei ecologice.etc.; 6 ) pentru dirijarea ecosistemelor de cultura intr-un sens util omului, este nevoie de cunoasterea m ecanism elor fundam entale ale acestora. Acest lucru se realizeaza prin ocrotirea unor ecosistem e naturale fara valoare econom ica intrinseca, ci in interesul stiintei si economiei. Numai in asemenea ecosistem e, netulburate de agriculture, vanatoare, pescuit, etc ne putem da seama de am plitudinea conexiunilor biocenotice naturale, de mecanismele fundamentale ale dinamicii populatiilor, autoreglarii. etc. Aceste date servesc ca elemente ale unui experiment ecologic de proportii mari. Oricare experienla are nevoie de un martor, de un lot de obiecte care nu sunt supuse experimentatorului, lot care permite aprecierea modului de desfasurare spontana aprocesului. Teritoriile in care se pastreaza sub protectia legii ecosistem e naturale, cu intreaga lor flora si fauna spontana, sanctuare si refugii ale naturii in mijlocul peisajului civilizat sunt rezervatiile naturale si parcurile nationale (fig. 1 1 2 ). 128
in tara noastra, prin decretul 237/ 1950 au fost declarate monum ente ale naturii 65 de terenuri rezervatii naturale, insum and o suprafata totala de 27 000 ha, 16 specii de plante si 22 specii de animale. Aici se mai adauga rezervatiilc dc vanatoare si cele forestiere, apoi ocrotirea unor specii de pesti. pasari si mam ifere prin legea vanatorii. O rganizarea ocrotirii naturii, in fiecare tara si pe plan global apare ca o problem a com plexa si de mare raspundere a fiecarui stat in parte, cat si a comunitatii Internationale. Generalizand - modul cum este organizata in prezent ocrotirea naturii in diferitele state si pe plan global - putem desprinde cateva cai principale de solutionare diferita a problemei. Prima cale ar fi de identijicare si delimitare a ohiectivelor ce urmeaza afi.ocrotite: ecosisteme cat mai nealterate cuprinzand o m are diversitate de specii, complexe de ecosistem e (biomi) cu toate zonele de tranzitie intre ele, specii rare, pe cale de disparitie sau deosebit de valoroase stiintific, economic, sporti v, estetic. exem plare izolate ale unor specii, rem arcabile prin varsta sau dezvoltarea lor, z a c a m in te fosilifere de mare valoare stiintifica; are loc legiferarea ocrotirilor, se iau masuri organizatorice si tehnice, m ergand pana la organizarea pazei, m enite sa le fereasca de impactul activitatilor umane. in acest caz se actioneaza pe principiul izolarii obiectivelor ocrotite fata de influenteie oamenilor. A stfel obiectivele ocrotite pot fi foarte diferite ca dimensiuni, grad de izolare si de protectie: parcuri nationale, parcuri naturale, rezervatii naturale, rezervatii stiintifice, rezervatii ale biosferei, monumente ale naturii. O a doua cale consta in ocrotirea globala a ecosferei de pe teritoriul fiecarui stat si pe plan planetar prin colaborarea in tern atio n als Desigur pe aeeasta cale nu poate fi vorba de izolare, ci in acest caz treb u ie pastrate cat m ai n ealterate conexiunile din ecosfera si dintre elem entele ei componente, spre a asigura stabilitatea conditiilor de v ia ta sau d ac a e ste p o s ib il, sa d u ca la ameliorarea lor. Cea mai importanta masura in acest caz, consta in supravegherea starii ecosferei, care se realizeaza prin inregistrarea continua sau cu o anum ita p erio d ic itate a starii co m p o n en tilo r esentiali ai ecosferei, atat nebiologici cat si biologici (asa num itul m onitoring ecologic si genetic). I m . parCul National Pentru aeeasta se organizeaza o retea nationala si 1---------------------------------------------------------------intemationala de statii, dc diferite grade de complexitate (aerofotogramelria, supraveghere din sateliti etc), in carc se inregistreaza com pozitia si tem peratura atm osferei, structura solului, starea apelor, precum si a biocenozelor, prin supravegherea atenta a populatiilor de plante si anim ale selectate in vederea monitoringului, Scopul acestei supravegheri este de a sesiza la timp schimbarile care intervin in mediul abiotic sau in starea biocenozelor, spre a putea intreprinde masurile necesarc in limp util. A treia cale este prevenirea si combalereapoluarii mediului, care implica masuri administrative, organizatorice, tehnice, sociale,etc. O rganizarea si eftcienta acestor masuri trebuie sa pom easca de la cunoasterea cat mai precisa a efectului nociv al poluantilor, elaborarea unui sistem obiecliv de apreciere a gradului de poluare etc. Pentru buna functionare a tuturor acestor cai, o importanta deosebita o are sistemul educational al intregii populatii, de la copii pana la factorii de decizie. A cesta are rolul de a dezvolta constiinta ecologica a oamenilor, in asa de locul si ’ fel incat, fiecare om, sa devina constient j i rolul sau in natura si * societate, de raspunderea pe care o are in fata generatiei sale si a celor viitoare pentru pastrarea 129
bogatiilor si frumusetilor naturii, a conditiilor care determina calitatea vietii. Deteriorarea ecosferei nu este ingradita in limitele unui stat, ci se impune colaborarea intem ationala in problem ele ocrotirii naturii si in primul rand in elaborarea si aplicarea unei strategii globale in acest domeniu. Mai multe organism e intem ationale se preocupa de aceste probleme. M entionam: Uniunea Intemationala pentru Conservarea Naturii (U.I.C.M .) si Programul International Om - Biosfera (Man and Biosfera - M AB), Programul N atiunilor Unite pentru Mediu (P.N.U.M), Fondul Mondial pentru Natura, etc. Fiecare stat are legislate si organizare proprie institutional^ pentru detenninarea starii biotopului si biocenozelor, a gradului de poluarc, etc., pentru stabilirea m asurilor ce trebuie luate in vederea ocrotirii la nivel local. Tara noastra in anul 1993, la Bruxelles, a ratificat ”Acordul european“ instituind o asociere intre Rom ania pe de o parte si statele m em brc ale Com unitatii Europene pe de alta parte. Pe langa acestea actioneaza Legea Protectiei mediului ( 1995) si Reteaua ”Natura 2000" care au fost concepute sa asigure consei*varea habitatelor naturale si supravictuirea speciilor am enintate cu disparitia si a celor rare de pe teritoriul tarii noastre. A fost intocmita strategia nationala de conservare a biodiversitatii care are ca scop armonizarca legislatiei prezente si viitoare a Rom aniei cu cea a Comunitatii Europene, Datorita pozitiei sale geografice Romania este o tara cu o diversitate biologica ridicata exprimata atat la nivel de ecosisteme cat si la nivel de specii. Ecosistemele naturale si seminaturale reprezinta aproximativ 47 % din suprafata tarii, au fost identificate 783 tipuri de habitate (de coasta, umcde, pajisti, paduri, mlastini, stancarii, nisipuri) in 261 de zone de pe intreg teritoriul tarii. Nivelul ridicat al diversitatii habitatelor reflecta si un nivel ridicat al diversitatii speciilor de flora si fauna. Responsabil pentru implementarea retelei ’’Natura 2000" in Romania este Guvernul Romaniei prin M inisterul M ediului si Gospodaririi Apelor Directia Conservarii Naturii, Biodiversitate, Bioseminitate. Cadrul Institutional al implementarii acestei retele este completat de Agentia Nationala de Protectia Mediului, precum si Agentjile de protectia mediului la nivel local si regional, administratiile ariilor protejate si Garda N ationala de M ediu ca autoritate de control, cu responsabilitati precise in ceea ce priveste elaborarea, evaluarea si im plem entarea m asurilor adm inistrative si organizatorice privind conservarea resurselor naturale si a biodiversitatii.
rt
ftetineti !
Ocrotirea naturii nu inseamna intoarcerea la natura preistorica, ci o buna gospodarire a acesteia in intregul ei. Inseam na crearea unor noi echilibre ale mediului inconjurator in care om enirea sa-si desfasoare mai departe progresele civilizatiei, folosind cu masura resursele naturale pentru crearea conditiilor de confort si pentru dezvoltarea geniului uman. - De fapt tehnica este ea insasi o creatie a omului si nu trebuie sa se intoarca im potriva lui. Ea trebuie sa serveasca bunastarii fara a degrada fara a distruge echilibrul ce s-a creat pe Terra. Planeta noastra este un asezam ant sacru de care nimeni nu are voie sa se atinga. Este un im prum ut de la copiii nostri, pe care l-au folosit inaintasii nostri, il folosim noi cei prezenti ca sediu al vietii, avand obligatia / datoria de a-l lasa in stare buna urm asilor nostri.
d P L O JII Identificati zonele si speciile de plante si anim ale ce trebuie protejate in zona voastra. 4 Propuneti Proiecte de mediu pentru conservarea si protejarea zonelor aflate in pericol. 130
DEZVOLTAREA DURABILA* D tzvellarto durobilfi Din tot ce ai invatat pana acum ai inteles si vrei, ca mediul in care traiesti sa fie mai putin poluat si, chiar daca nu ti-ai dat seama pana acum, ai o gandire durabila. Cine este interesat de o societate durabila gandeste pe D e z v o lta r e a durabila termen lung. A eeasta este ideea in jurul careia navigheaza r e p r e z in ta capacitatea omenirii tot ce tine de conceptul durabilitatii, pornit in urma cu de a asigura satisfacerea aproximativ 30 de ani de la problemele legate de mediu si de cerintelor generatiei prezentefara resursele epuizabile. A tentia acordata resurselor, mediului a cam prom ite capacitatea inconjurator, responsabilitatii sociale sunt elemente de baza generatiilor viitoare de a-si ale dezvoltarii durabile si asigura linistea generatiilor care satisface propriile necesitati “ urmeaza. Raportul Brundland, 1987 Ati observat orientarea catre reciclarea deseurilor, catre obtinerea unor combustibili sintetici nepoluanti sau catre sursele de energie neconventionale, precum cea solara sau eoliana. Ati auzit de statii ecologice de epurare a apei, de becuri economice, de aparate electrocasnice clasa A, de produse ecologice, eentrale termice care functioneaza pe baza de deseuri. de com pam i care sustin program e de cercetare in folosul com unitatii. Inseamna ca ati auzit despre dezvoltarea durabila.
Dezvoltarea durabila corespunde cerintelor prezentului fara sa compromita posibilitdtile generatiilor viitoare de a-si sat isface propriile necesitati. Altfel spus. dezvoltarea durabila este forma de crestere economica care satisface nevoile societatii pe termen scurt. mediu si lung. Conceptul reprezinta strategia prin care com unitatile cauta cai de dezvoltare econom ica, beneficiind de mediul inconjurator local, prin care sa aduca beneficii calitatii vietii atat generatiilor noastre cat si celor care urmeaza. Dar. dezvoltarea durabila nu este un concept tocmai nou. Este cea mai recenta exprimare a unei etici foarte vechi care implica relatiile oamenilor cu mediul si responsabilitatea generatiilor actuale fata de generative viitoare. Durabilitatea pleaca de la ideea ca activitatilc umane sunt dependente de mediu! inconjurator si de resurse. Sanatatea. siguranta sociala si stabililatea econom ica a societatii sunt esentiale in definirea calitatii vietii. Discutiile de la care s-a ajuns la conceptul de dezvoltare durabila au pornit la inceputul an ilo r 1970, m om ent in care su b iec tu l m ediului inconjurator si criza resurselor naturale, se afla in prim planul dezbateri lor politico. C om unitatea intem ationala a decis sa trateze aceste problem e prin masuri colective la nivel global, pe care a cautat sa le defineasca si sa le aplice prin intermediul unui cadru international adecvat. In 1972, Conferinta privind mediul care a avut loc la Stockholm a pus pentru prima data serios problema deteriorarii mediului inconjurator in urma activitatilor A
131
The Rio Declaration on Environment and Development
I
‘
...
i — 1
Zi
T
~
TJZZ.."UTT'
;‘V .:
.
Mr
- -«•
i
--------------
Fig. 1 !4 •
D eclara tia fit* !a Rio ile Ja n e iro
umane, ceea ce pune in pericol insusi viitorul omenirii. In 1983 isi incepe activitatea Comisia Mondiala pentru Mediu si Dezvoltare (IVCED). Doi ani mai tarziu este descoperita gaura din stralul de ozon dc deasupra Antarticii si, prin Conventia de la Viena se incearca gasirea unor solutii pentru reducerea consumului de substante ce dauneaza stratului protector de ozon care inconjoara planeta. In 1986, la un an de la catastrofa de la Cernobal, apare raportul cu titlul "Viitorul nostra comuri\ care lamureste continutul conceptului de dezvoltare durabila. Totodata raportul adm itea ca dezvoltarea econom ica nu poate fi oprita, ci strategiile trebuie stabilite in asa fel incat sa limiteze consum urile resurselor naturale si sa gaseasca metode de reciclare a produselor noci ve (deseurilor) rezultate in urma activitatilor umane.In anul 1987, in cadrul Comisiei Momlialepentru Mediu si Dezvoltare a fost lansat conceptul dc dezvoltare durabila ce a fost inclus in documentele O.N.IL in anul 1991. In 1992 are loc Conferinta privind Mediul si Dezvoltarea, organizata de N atiunile Unite la Rio de Janeiro ’’Sum m it-ul Pamantuluiu (fig. 113) la care au participat reprezcntanti din 170 de state. La aeeasta intalnire au fost adoptate mai m ulte conventii (fig. 114), referitoare la schimbarile de clima, reducerea em isiilorde C 0 2si CH4, (fig. 115) diversitatea biologica - conservarea speciilor si stoparea defrisarilor masive. De asemenea s-a stabilit un plan de sustinere a dezvoltarii durabile - Agenda 21. Dupa 10 ani are loc la Johanesburg, Summit-ul privind dezvoltarea durabila, unde s-a aprofundat si intarit intelegerea conceptului de dezvoltare durabila, in special prin evidentierea im portantelor legaturi dintre saracie, mediu si utilizarea resurselor naturale. G uvem e importante si-au asumat responsabilitatea pentm progresul si intarirea celor trei piloni interdependent ai dezvoltarii durabile: dezvoltarea economica, dezvoltarea sociala si protectia mediului la nivel local, national, regional si global. S-a cazut de acord ca eforturile sa fie axate cu precadere pe: a) eradicarea saraciei; b) modificarea modelelor de productie si consum; c)protejarea sanatatii; d) p r o te ja re a si managem entul bazei de resurse naturale pentru dezvoltare economica si sociala. Dc asem enea s-a propus intarirea cooperarii intemationale, infiintarea unui fond dc solidaritate mondiala pentru eradicarea saraciei, recunoasterea rolului esential al societatii civile in implementarea A
A
132
dezvoltarii durabile si promovarea de The World is determined toinvest large . partencriate. La Kyoto (1997) are aloe resources in solving the Globe’s C02 problem un acord in tern a tio n al in care se prevcde stabilirea unor masuri, tinte si perioade clare de reducere a em isiilor antropice de gaze cu efect de sera, de la surse, in orice sector al econom iei. T o a te a c e s te c o n f e rin te ----m o n d ia le au in flu e n ta t e v o lu tia r: — — -------------- z -----~ * 11-* ' pnwmi CO, m ! dreptului international al m ediului in »------care s-au concretizat un num ar de principii fundam entale care stau la baza drepturilor actuale pentru luarea deciziilor politice privind protectia mediului atat la nivel international cat si local. Desi este un domeniu relativ nou si in formare - dreptul international al mediului evolueaza si pe baza rezolutiilor si declaratiilor unor organizatii intem ationale, cum sunt: Programul N atiunilor Unite pentru Mediu. Organizatia M ondiala a Sanatatii sau A genda Intem ationala a Europci Atom ice etc. Durabilitatea se refera la capacitatea unci societati, ecosistem sau orice asemenea sistem existent de a functiona intr-un viitor nedefinit fara a se ajunge la epuizarea resurselor. Resursele naturale mondiale sunt limitate ja r a contribui la conservarea si refolosirea resurselor existente este mai mult decat o buna politica civica, este exact ce trebuie facut. Ca o com unitate sa fic intr-adcvar durabila trebuie sa adopte o anum ita strategic care sa ia in considerare atat resursele econom ice ale mediului cat si cele culturale nu numai pe termen scurt ci si pe termen lung. Dezvoltarea si progresul economic al unei comunitati trebuie sa aiba loc si sa se mentina de-a lungul tirtiipului, in limitele stabilite de ecologie in sensul cel mai larg, prin interdependent fiintelor umane si activitatilor lor cu biosfera si legile care o guverneaza. Com unitatile de existenta • in care durabilitatea are mari sanse ? * sunt, daca: -cetatenii sunt constienti denecesitateaplaniflearii dezvoltarii; -vor evalua corect punctele tari si slabe de care dispune com unitatea; -vor analiza oportunitatile si riseurile atat celc existente cat si pe cele potentiate; -vor stabili actiunile prioritare de scurta si lunga durata prin luarea in considerare a problemelor econom ice de mediu si sociale; -vor stabili parteneriate si intelegeri intre mandatari. A . In concluzie putem caacteriza dezvoltarea durabila prin urmatoarele: a) satisfacerea cerintelor prezentului fara a compromite posibilitatile generatiilor viitoare de asi satisface propriile cerinte, prin conservarea si neafectarea cadrului natural; b) inlocuirea criteriului pur econom ic (” o crestere cu orice pret“ ) cu cel al dezvoltarii armonioase si de durata prin redim ensionarea eresterii economice, distributia mai echilibrata a resurselor,reorientarea tehnologiilor etc. c) controlul eresterii demografice si eliminarea saraciei; d) stabilirea unor limite spatiale si tem porale ale potentialului productiv pentru un anumit sitem (regiune, localitate, etc)
fle lin e li! 3
. 9
* O comunitate durabila se bazeazape cetatenii sai care trebuie sa fie activi, cu spirit de initiativa si responsabili pentrudestinul accstcia.
- f ^ P L IC ^ T H 1. Stabiliti m asurile ce trebuie luate in com unitatea voastra pentru a realiza o dezvoltare durabila. 2. Explicati efectul deseurilor asupra pcisagisticii locuriior si asupra potentialului recreativ al m ediului. 133
€VM LUdR€
1. E v id en tia l principalele caracteristici ale biotopului si biocenozei in ecosistem ele antropizate. 2. Realizati o com paratie intre un ecosistem urban-industrial si un ecosistem natural in care interventia * om ului este foarte redusa. 3. Explicati cauzele scaderii natalitatii in tarile dezvoltate din Europa, Am erica de Nord,etc* 4. Im aginati si descrieti cate un scenariu pentru urm atoarele atitudini ale oam enilor : a. calauzirea dupa dictonul "Dupa noi>pMopuF\ b. aplicarea dictonului ” Pamantul nu este al stramosilor nostri,nu este al nostru, ci este imprumutat de la generatiile viitoare“ A
5. In ecosistem ele antropizate : a. lanturile trofice sunt complexe formand retele complicate; b. actiunea omului este redusa; c. se realizeaza un proces de artificializare progresiva; d. are loc o crestere a com plexitatii biocenozelor.. 6. Ecosistem ul antropizat se deosebeste de un ecosistem natural prin : a. utilizarea masiva si a altor surse de energie in afara celei solare; b. scaderea consumului energetic; c. cresterea diversitatii si complexitatii biocenozelor: d. absenta producatorilor de m aterie organica. 7. Explozia dem ografica - fenom en definitoriu al lumii contem porane, a fost si este influentata pozitiv de o serie de factori,cu exceptia : a. revolutia industrials prin progresele tehnologice si alte proeese ce au generat dezvoltarea societatii; ^ • b. revolutia agricola; c. revolutia sanitara- prin cresterea perform antelor medicale; d. dim inuarea soldului natural.
134
8. Impactul antropic asupra m ediului inconjurator se m anifesta sub diferite forme. A leg eti, din urm atoarele variante, o aetiune cu caracter pozitiv asupra mediului: a. defrisarile de paduri pentru extinderea agrosistemelor; b. dim inuarea activitatilor um ane care implica consumuri ridicate de m aterie si energie; c. distrugerea unor specii de plante si animale considerate daunatoare; d. extinderea pastoritului pentru cresterea numarului de animale. 9. Introducerea unei specii noi intr-un ecosistem : a. are aetiune pozitiva asupra ecosistem ului, contribuind la diversificarea speciilor; b. determina m odificarea fluxului de materie si energie; c. contribuie la degradarea ecosistem ului,neexistand pradatori; d. nu are nici un fel de efect. 10. Alegeti din localitatea sau din jurul localitatii voastre doua ecosisteme d iferite: unul natural, in care interventia om ului este redusa si unul antropizat ( un agrosistem , un centru urban-industrial, etc.) Utilizand cunostinte , m etode si tehnici si din alte discipline (fizica, chim ie, educatie tehnologica ,ecologie, etc.) incercati sa determ inate a. diferite specii de producatori, consumatori prim ari si secundari, etc. din ecosistem ele respective; b. lanturi trofice integrate in retelele trofice; c. raporturi numerice intre diferite tipuri de organism e din biocenoze; d. parametrii ai biotopului (tem peratura, umiditate, calitati ale solului, etc); e. eventualele surse de poluare si efectele lor; f . masuri de conservare si am eliorare a ecosistem elor respective; g. ineidenta bolilor in populatiile umane determinate sau favorizate de diferite conditii locale (zone p o lu ate, exploatari m iniere, zone cu radioactivitate crescuta, etc.) 11. Intocmiti un eseu cu tema „ Raportul om- natura de la inceputul existentei sale pana in prezent.
135
