ÜNİTE 1: BİYOLOJİYE GİRİŞ Anahtar kavramlar 1.1 Biyologlar mikroskobik türlerden dev türlere kadar bütün canlıları inceler. 1.2 Biyologlar yaşamdaki çeşitliliği açıklamaya çalışırlar. 1.3 Biyoloji de son elli yılda çağa damgasını vuran ilerlemeler kaydedilmiştir. Genel bakış Yaşamın temel kaynağını ve çeşitliliğini açıklamaya çalışan biyoloji, son yüzyılda inanılmaz bir gelişme göstermiştir. Yirminci yüzyılın başlangıcında modern fiziğin yaptığı atağa benzer bir atak bu yüzyılın sonlarına doğru biyoloji tarafından gerçekleştirlmiştir.dna nın keşfi, insan genomunun açıklanması ve biyoteknoloji bu gelişmelere damgasını vurmuştur. Biyoloji dünyada yaşamın nasıl başlayıp geliştiğini ve çeşitlendiğini açıklamaya çalışır.farklı canlı grupları şekil ve yaşam yönleri açısından birbirlerinden farklı gözükselerde bir çok ortak noktaları vardır.hücresel yaşam bir çok canlıda birbirine benzerdir.biyokimyasal yolların birbirine benzerliği,genetik benzerlik, yaşamsal ve anatomik benzerlik gibi faktörler canlıların ortak bir kökenden geldiğini bize düşündürür.biyoloji fizikten psikolojiye,bilgisayar bilimlerinden mühendislik alanlarına kadar tüm bilimlerle işbirliği halindedir.biyolojideki gelişmeler diğer bilimlerin katkısıyla gerçekleşmiştir. Hayatın temel özelliklerine girmeden önce bu ünitede yaşamın bütününe kısa bir bakış yapacağız. Biyolojiye hoşgeldiniz. 1.1 Biyologlar mikroskobik türlerden dev türlere kadar bütün canlıları inceler. Basit canlılardan gelişmiş canlılara kadar bütün canlılar bazı ortak özellikler gösterir. a)organizasyon: Resim 1.1 de görülen canlı (Pinus longaeva) yaklaşık 5000 yaşındadır ve kendi yapısı içinde yüksek bir organizasyon ve düzen gösterir. Resim 1.1 b)evrimsel adaptasyon:canlılar bulundukları ortama uyum gösterirler.bu uyum insanın canlılar üzerinde uyguladığı yapay bir seçilim biçiminde de olabilir.resim 1.2 de görülen Resim 1.2 güverci ırkı, insan katkısıyla güvercinler üzerine uygulanan bir seçilim sonucu bazı özelliklerin artması şeklinde sağlanmıştır. c)çevreye duyarlılık: Canlılar çevreleriyle etkileşim içindedirler. Bazı kumul bitkiler su kaynaklarına ulaşmak için uzun bir kök sistemi geliştirirler. Resim 1.3 d)düzenleme:canlıların vücütlarında çeşitli olayları otomatik olarak meydana gelir.örneğin terleme vücut ısısının ayarlanmasında önemli rol oynar. e)enerjiyi kullanma:tüm yaşamsal olaylar için enerji gerekir ve canlılar bunu kimyasal maddelerden sağlarlar. f)üreme:canlılar üreyerek özelliklerini bir sonraki döllere aktarırlar. Resim 1.4 g)büyüme ve gelişme:yavruların büyümesi ve gelişmesi onlara aktarılan genler ve çevre vasıtasıyla sağlanır.
Resim 1.5 Biyolojik organizasyon Uzaydan dünyaya doğru bir bakış yaptığımızda canlı küre biyosferden en küçük yapı olan atoma kadar çeşitli organizasyon dereceleri ile karşılaşırız.bu yaşam organizasyonun tepesinde ekosistem bulunur.ekosistem canlıların birbirleriyle olduğu kadar çevreleriylede ilişkili olduğu bir bütünlük anlamına gelir.göller,denizler ve ormanlar birer ekosistemdir.bu sitemin enerji kaynağı ise güneştir. Güneş enerjisi sayesinde ekosistemde bulunan üreticiler kendi besinlerini yaparlar, bu besinlerdeki kimyasal bağlar enerji içerir.tüketiciler ise besinlerini dışarıdan alırlar ve aldıkları besinler kimyasal enerji ihtiva eder. Dolayısıyla güneşten gelen enerjinin bir kısmı kimyasal bağlarda depolanabilirken bir kısmı ise ortam ısısını oluşturur. Resim 1.6 da görülen alyuvar hücreleri çekirdeksizdirler kalıtım bilgileri olmadığı için bölünüp çoğalamazlar.hücreler genetik bilgiyi çekirdeklerinde depolarlar ve bölünmeler sayesinde bunu döllere aktarırlar.hücre çekirdeğinde yer alan genetik bilgi deposu ise DNA dır.çekirdekteki kromozomlar içerisinde yer alan DNA hücredeki hayatsal olaylarıda protein sentezini denetleyerek yönetir. Şekil 1.1 Hücre Biyolojik organizasyonda en küçük birirm hücredir.onu meydana getiren kimyasal maddeler belli bir düzen içeririnde sıralanır ve yönetimden görevlere kadar herşey belli bir plan içerisinde yürür. Resim 1.6 Genetik bilginin döllere aktarılması ise üremeyle gerçekleştirilir.canlılar sahip oldukları genomu eşeysiz ya da eşeyli yollarla gelecek kuşaklara aktarır.
Ökaryotik hücre ise sitoplazmalarında gelişmiş organelleri içermekle birlikte çekirdek zarlarıda bulunur yani genomları bir zarla çevrilmiştir.bitki, hayvan ve tek hücreli bazı canlılar ökaryotik hücre yapısındadır. Şekil 1.2 Hücre bölünmeleri genetik bilginin akışının temelini sağlar mitoz hücre bölünmesi sırasında genetik bilgi miktarında bir değişme olmaz, sadece hücre sayısı artar,farklılaşma ve büyüme amaçlı olarak meydana gelir oysa ergin bireylerde gerçekleşen mayoz, üreme hücrelerinde genetik maddenin miktarını yarıya düşürür.döllenme ile oluşan zigotta anne ve babadan, üreme hücreleri yardımıyla gelen genetik bilgi, tekrar birleşir. Böylece eşeyli üreyen canlılarda her özellik için iki gen bulunur biri anneden diğeri ise babadan gelmiştir. Hücre çeşitleri Canlılardaki hücreler ortak özellikler paylaşsalarda bazı yönleri birbirleriden farklıdır.prokaryotik ve ökaryotik olmak üzere iki çeşit hücre yapısı vardır.prokaryotik hücrelerde hücre genomu bir zarla çevrilmemiştir yani çekirdek zarları yoktur.gelişmiş bazı organelleride (Mitokondri,kloroplast ) bulunmaz.bakteriler bu gruba girer. Şekil 1.3.Bir hayvan hücresinin yapısı 1.2Biyologlar yaşamdaki çeşitliliği açıklamaya çalışırlar Biyologlar yaklaşık 1.8 milyon canlı türünü sınıflandırmışlardır.bunların yaklaşık 5200 tanesi prokaryot,100.000 mantar, 290.000 bitki,52.000 omurgalı ve 1.000.000 taneside böcekdir.tür sayısının ise 10 ile 200 milyon arası değiştiği tahmin edilmektedir. Başlangıçta değişik alemler altında sınıflandırma yapılmış olsada günümüzde canlı alemleri domain (Bölüm=Alan) ler içerisinde değerlendirilmektedir. Bunlar Domain Bacteria,Domain Archaea ve Domain Eukarya dır. Bakteriler domaini birçok aleme ayrılır Prokaryot canlılardır. Resim 1.7 Resim 1.8 Helicobacter pylori
Resim 1.9 Domain Archea ya ait canlılar zor ortam şartlarında yaşayan tek hücreli canlılardır. Resim1.9 da birçok hücreden oluşan bir koloni görülmektedir. birbirleri arasında bazı farklılıklar oluşmasına neden olmuştur. Eukarya domaini ise Protista, bitkiler, hayvanlar ve mantarlar alemini içermektedir. Evrimsel biyoloji Hayata evrimsel bakış açısı Charles Darwin tarafından ortaya konmuştur.türlerin kökeni adlı eserinde iki temel nokta bulunmaktadır. Birincisi tüm canlıların ortak bir atadan evrimleşmesi, ikincisi evrimin motoru olan doğal seleksiyondur. Resim 1.20 Charles Darwin Doğal seleksiyon Doğal seleksiyon düşüncesi bir populasyonu oluşturan bireylerin genotipleri, yani genleri arasında birbirlerinden farklılıklar içerdiğini söyler.bu farklılıklar varyasyon yani çeşitlilikdir. Kalıtsal varyasyonların temeli eşeyli üreme ve mutasyon gibi çeşitli biyolojik olaylardır.bu da bir türe ait bireyler arasında gen çeşitliliği ortaya çıkarır örneğin aynı ortamda yaşayan bir kurt populasyonunun bireyleri arasında post kalınlığından vücut şekli, hastalıklata direnç ve kas gücüne kadar çeşitli farklılıklar bulunur.bu varyasyonlar bireylerin genlerinin az da olsa birbirlerinden farklı olmasından kaynaklanır. Çevrenin bu genetik varyasyonlar üzerine uyguladığı bir seçilim bzı döllerin yaşamasına izin veririken diğer bireylerin elenmesine yol açar, yaşayan bireyler özelliklerini döllerine aktarır ve evrimsel bir adaptasyon gerçekleştirir.bu adaptasyonların birikmesi nedeniyle milyonlarca yıl sonunda ortak bir kökten farklı bireylerin yavaş ve sürekli bir değişimi sonucu yeni türler oluşur. Şekil 1.4 de kuzey doğu Amerikada yaşayan fare yılanı Elaphe obsoleta nın farklı populasyonları gösterilmektedir. Ortak bir gen havuzundan başlayarak farklı coğrafik koşullarda değişik doğal seleksiyon etkenleriyle karşılaşmaları nedeniyle farklı adaptasyonlar geliştirmişler bu da Şekil 1.4 Hayatın ağacı Dünyada yaşam 3.5-4 milyar yıl önce başladığı tahmin edilmektedir.ilk canlılar prokaryotik canlılar olan bakteriler ve arkealardı. Yaklaşık 2.2 milyar yıl önce ökaryotik canlılar evrimleşmiştir prokaryotlara göre daha kompleks olan bu tek hücreli canlılar farklı ortam koşullarında farklı adaptasyonlar geliştirerek diğer dalların köklerini oluşturmuşlardır.bu arada prokaryotlarla ökaryotlar arasında kalıcı olarak gelişen simbiyoz ilişkiler bitkilerin oluşması için gerekli temelleri sağlamıştır. Şekil 1.5
1.3 Biyoloji de son elli yılda çağa damgasını vuran ilerlemeler kaydedilmiştir. Biyolojideki gelişmeler sağlık da,beslenmede,çevre bilimlerinde,hayvancılık, gıda ve tarımda önemli atılımlara yol açarak insan yaşamınıda olumlu yönde etkilemiştir. Çevreye zarar veren metallerin ve toksik maddelerin temizlenmesinde genetiği değiştirilmiş bakteriler günümüzde kullanılmaya başlanmıştır.böylece petrol gibi çevreye zararlı maddelerin etkisi azaltılacaktır. Genetik yapısı değiştirilmiş ürünler günümüzde kullanılmaktadır.verimliliği arttırma ve böceklere dayanıklılık gibi faktörleri düşünerek bilim adamları tarım ürünlerinin genetik yapıları ile oynamaktadırlar.ürünlerde verim artarken doğal ırkların kaybolması ve bu teknolojinin ileride insan yaşamına nasıl yön vereceği günümüzde tam olarak kestirilememektedir. Ayrıca günümüz teknolojisinin biyoloji bilimine uygulanması ile biyoteknoloji gelişmiştir. Bu sayede, 1.Doku mühendisliği sayesinde yapay deri geliştirlmesi 2.Canlı yaşamını uzatma 3.Yapay kornea geliştirilmesi 4.Doğal besinlerin içinde geliştirilen yenilenebilir aşılar oluşturma 5.Kök hücre çalışmaları, insan yaşamına olumlu yönde etkiler yapmaktadır. Klonlama Bir canlının kendisiyle aynı genetik yapıda canlılar meydana getirmesine kopyalama denir.eşeysiz üreme yani tek bir bireyden meydana gelen üreme ya da aynı yumurta ikizleri birer doğal kopyalama olayıdır.yapay klonlama ise 1997 yılında gerçekleştirildi.yaklaşık 6 yaşındaki bir koyundan alınan meme hücreleri çekirdekleri çıkarılmış yumurta hücreleri ile elektrik akım yardımlarıyla birleştirildi.başarılı olan birleşmeler sonucu oluşan yumurtalar bazı koyunların rahimlerine yerleştirildi ve 13 tane gebe koyundan sadece biri canlı yavru doğurabildi oluşan kuzu (Dolly) meme hücreleri alınan koyunun kopyasıdır ve bu yöntem ilk defa ergin bir canlının kopyası olarak bilim tarihine geçti. Günümüzde kopyalama, kök hücre elde edilmesinde soyu tükenmiş fakat elde DNA sı bulunan canlıların tekrar oluşturulabilmesinde deneysel amaçlı olarak yapılmaktadır.yasal ve etik sorunlar bu konudaki çalışmaların önüne bir engel olarak çıkmaktadır. Şekil 1.6 Kopyalama Günümüzde bir çok canlı kopyalanmış bir haldedir.burda açıklanan dolly nin kopyalama yöntemi üreme amaçlı bir kopyalamadır.tıpta kullanılmak istenen doku ve organların kök hücrelerden elde edilmesi çalışmaları ise tedavi amaçlı kopyalamadır. Hasta bireyden alınan bir vücut hücresi çekirdeği çekirdeği çıkarılmış yumurta içine konarak bu yumurtanın kültür ortamında embriyo gelişimi sağlanacak ve oluşan Şekil 1.7
embriyo kök hücre kaynağı olarak kullanılacaktır.günümüzde ergin bireylerin vücutlarından da kök hücreler elde edilebilmektedir. Dış ortamda kök hücrelerden elde edilen doku ve organlar hasta bireylerin hücreleri kullanıldığı için dokularıyla tam bir uyum içindedir ve böylece doku ya da organ reddi gibi sorunlar artık ortaya çıkmamaktadır.bu yöntemle şeker hastalığı,sinir sistemi rahatsızlıkları,kas bozuklukları gibi rahatsızlıklar az da olsa tedavi edilmektedir. İnsan genomu projesi İnsan genomunun DNA dizi analiz sıralaması 2001 şubatında yayınlandı.insan genom projesi biyoloji tarihinin en önemli uluslar arası projesidir.genom bir insan hücresinde bulunan kromozomların genetik yapısı yani DNA baz sıralaması olarak ifade edilir.bir insan hücresinde 23 çift kromozom vardır.bunlardan 22 çifti vücut kromozomu 1 çifti ise eşey kromozomu (X ve Y) dur ayrıca insan hücrelerinde mitokondri de bulunan genlerde genom içerisinde değerlendirilir. Bu 23 çift (46 kromozom) kromozomdan bir takımı yani 23 tanesi anneden yumurta hücresi ile 23 tanesi de babadan sperm hücresiyle bir bireye ulaşır.x ve Y kromozomu hariç bütün eş kromozomlarda aynı düzlemsel sırada aynı karakterlere etki eden genler bulunur.yani bir insan hücresinde örneğin bir göz karakteri için 2 gen vardır biri anneden diğeri de babadan gelmiştir.dolayısıyla kromozom çeşitliliği 23 olarak kabul edilir. Biyologlar bir kromozom takımını haploit olarak adlandırırlar ve insan haploit kromozom sayısını 22 otozom + X ve Y kromozomu + 1 tanede mitokondri kromozomu olmak üzere 25 varsayarlar. Bir kromozom içinde bulunan DNA, histonlar olarak adlandırılan proteinler etrafında sarılarak kümeleşen uzun bir moleküldür. Haploit kromozom takımında (25 DNA) yaklaşık 3.1 milyar nükleotid vardır. (A,T,G,C birer nükleotiddir.) Bu projenin önemi Genomik hayat kitabının büyüklüğünün anlaşılmasıyla artmaya başlamıştır.her bir nükleotidi A,C,T, ve G den sadece biri ile temsil ediyoruz. Örneğin normal bir kitap sayfasının 3675 nükleotidden oluştuğunu varsayarsak bütün insan genomu yaklaşık 843.500 sayfalık bir kitap büyüklüğe ulaşır. Ayrıca bütün genom 600 sayfalık bir kitaptan tam 1406 tane de demektir. İnsan genom projesi başlangıçta akademik bir çalışma olarak başlamasıyla birlikte daha sonra özel sektörde bu alana ilgi göstermiştir. Beş akademik araştırma kuruluşunun birlikte oluşturduğu topluluğun karşısında Celera Genomics adlı şirket de otomatik genom belirleyici teknoloji yardımıyla insan genomun açığa çıkarılmasını sağlamıştır.proje başlamadan evvel yaklaşık 100.000 genin, insan genomunu oluşturduğu düşünülmekteydi oysa bugünkü bilgilerimize göre(2002) insan genomu 30.000 ile 50.000 arası genden meydana gelmektedir. İnsan genomunun büyük bir kısmının da kodlayıcı olmayan genetik yapıdan oluşması bilim dünyasını daha da şaşırmıştır. İnsan genom projesi sayesinde ileride kalıtsal hastalıkların genetik yapısı daha da iyi anlaşılacaktır ayrıca genlerin hangi proteinlerin sentezinden sorumlu olmalarının bulunması ilaç sanayisini ve tedavi koşullarını daha da geliştirecektir Tarihçe 1954 DNA'nın keşfi 1977 DNA dizilenmesi yöntemleri geliştirldi (Sanger ve Maxam-Gilbert) 1976 İlk genetik şirketi kuruldu 1981-82 İlk transgenik fare Gen bankası bilgileri oluşturuldu. 1983 İlk genetik hastalık haritalandı. (Huntington hastalığı) 1985 Polimeraz zincir reaksiyonu'nun keşfi 1986 Pozisyonel klonlama İlk insan genetik haritası (RFLP) 1990 İnsan genom projesi başladı.elsi oluşturuldu.bac ların keşfi (Bacteral artificial chromosome) 1991 Gen fragmanlar expressed sequence tag (EST) Kistik fibroz geninin klonlanması 1992 İnsan genomunun 2 nci nesil haritası bilgilerinin serbest bırakılması 1994 İlk genetik olarak değiştirilmiş besin domates Ayrıntılı insan gen haritası 1995 İş yerlerinde genetik ayrımcılığın yasaklanması İnsan genomunun fiziksel haritası tamamlandı 1996 Fare genetik haritası 280.000 EST İnsan DNA dizilenmesi başladı 1997 E.coli genomu dizilendi 1998 Celera genomics firması 3 yıl içinde projenin tamamlanacağını duyurdu. Mycobacterium tuberculosis dizilendi 1999 22.kromozom dizilenmesi tamamlandı 2000 Genomik bilgiye serbest ulaşım Meyva sineği genomu dizilendi 2001 Uluslararsı konsorsiyum ve Celera farklı dergilerde sonuçlarını aynı anda açıkladı. 2003 Eksiklikler giderilerek her iki grup da taslaklarını tamamladı. 2005 İnsan Genom projesi için her iki grubun da çalışmaları devam ediyor.
Ünite özeti --Canlılar arasında organizasyon,üreme,gelişme gibi ortak özellikler vardır. --Canlı organize olmuş biyomoleküllerden ve hücrelerden oluşmuş bir bütünlükdür. --Türler birbirleri ve çevreleri ile kimyasal madde alışverişi içindedir. --Canlılar çeşitli yönleri dikkate alınarak sınıflandırılabilir.(tek hücreli çok hücreli gibi) --Biyosferde en küçük organize birlik hücredir. --Hücreler inorganik ve organik maddelerden oluşur. --Hücre yönetimi çekirdekteki DNA tarafından sağlanır. --Milyonlarca çeşit de canlı olmasına rağmen genetik şifre alfabesi 4 çeşit nükleotidden meydana gelmektedir. --Bakteriler ve Arkealar prokaryot hücre yapısına sahiptirler --Gelişmiş yapılı ve bazı tek hücreli canlılar ökaryotik hücre yapısına sahiptirler. --Canlılar Bacteria,Arcea ve Eukarya olmak üzere üç ana alanda sınıflandırılır. --Canlılar yaşadıkları çevreye uyum sağlamaya çalışırlar. --Bir türe ait bireylerden oluşan topluluğa Populasyon denir. --Populasyonu oluşturan bireyler arasında kalıtsal bir çeşitlilik vardır.(varyasyon) --Çevreye uyum yapabilenler özelliklerini belirleyen genleri döllerine aktarırlar. --Canlılar doğal seleksiyon etkisi altındadır. --Günümüz biyolojisi canlıların genetik yapısını değiştirebilmektedir. özelleşmiş doku,organ ve sistemlerin oluşumu tür içi ve türler arası rekabet canlıların evrimleşmesi için motor gücü sağlamıştır.üreme gücünü elinde bulunduran ve genetik çeşitliliği sağlayabilen canlılar değişen çevre ortamlarına en iyi uyumu sağlayanlar olmuştur.hayatın karalara geçip birkaç yoldan yayılması sonucu günümüz yaşamı ortaya çıkmıştır. Şekil 1.8 KISA BİLGİ: YAŞAM TARİHİ Dünyadaki yaşamı bir aya sığdırabilseydik insanın yazılı tarihi 30günün son 5 saniyesine sığardır.hayat canlı olmayan maddelerden kimyasal bir evrimle ortaya çıkmıştır. Bu olay yaklaşık 4 milyar yıl evvel başlamıştır. Kendi kendini kopyalayabilen organik moleküllerin ortaya çıkması,aralarındaki doğal seleksiyon,besin bulma savaşı evrimleşmelerine neden olmuştur. Dış ortamdan kendilerini bir zarla koruyabilenler daha avantaşlı konuma geçmiştir.2.5 milyar yıl önce günümüz cyanobakter benzeri bazı prokaryotlar güneş ışığını kullanabilme yöntemlerini geliştirmiştir. Oksijenin bu sayede ortaya çıkması ve atmosferde yoğunluğunun artması oksijenli metabolizmanın da gelişmesine neden olmuştur. Ökaryotik tek hücrelilerin ortaya çıkmasından sonra, 1 milyar yıl evvel çok hücreli canlılar gelişmiştir.çok hücrelilkle beraber