תאים, התפתחות, מגוון ביולוגי שימור

התחלת ככל הנראה מכליה מופרית אחת. יחידה זו מסבירה כיצד תא זה התחלק, כיצד העתקים הוסדרו והופחתו ליצירת גמטות, כיצד גנים זהים הפכו רקמות שונות, וכיצד מגוון זה נמדד, מסווג ו— increasingly — מוגן. זוהי היחידה של מיקרוסקופים, חישובים והגדרות שנעשו בדיוק.

WBI12 תאים, פיתוח, מגוון ביולוגי ושימור היא היחידה השנייה ב-IAS: 1 שעות 30 דקות, 80 נקודות, כולן חובה. היא בודקת נושא 3 (מבנה תאי, הרפליקציה ופיתוח) ונושא 4 (מבנה ותפקוד צמחי, מגוון ביולוגי ושימור). צפו לסיווג דיאגרמות, חישובי מיקרוסקופ והגדלה, אינדקס מגוון ושאלות Hardy–Weinberg, וגם תשובות ארוכות על הערכת שימור.

תא אוקאריוטי הוא סט של תאים מיוחדים:

תאים מאורגנים ל-רקמות (תאים דומים), איברים (רקמות העובדות יחד) ומערכות איברים. תא פרוקריוטי אינו מכיל אף אחד מהאורגנלים המוקפים בממברנה: קירית תא, קפסולה חלודה, מולקלת DNA מעגלית אחת ותוספי פלזמיד, 70 ריבוזומים, ולעיתים גם סיבי שחיקה.

הגדלה היא מדד לכמה התמונה גדולה יותר; רזולוציה היא ההפרש הקטן ביותר שעדיין נתפס כשני עצמים נפרדים. מיקרוסקופי אור פותרים כ-200 ננומטר; קרני אלקטרון, בעלות אורך גל קצר משמעותית, מגיעות לרזולוציה של מספר ננומטרים — אך דורשות חתכים דקים צבועים (TEM) או משטחים מצופים זהב (SEM). $M = \text{image size} / \text{actual size}$, שמירה על יחידות עקביות.

בדיקה פעילה. מיטוכונדריה נמדדת ב-14 מ"מ בתמונה המסומנת ×20 000. אורך אמיתי $= 14\,000\ \mu\text{m} / 20\,000 = 0.7\ \mu$ מ' . גרעין שיש לראותו עם הממברנה הכפולה שלו דורש מיקרוסקופ אלקטרונים: שתי הממברנות נמצאות קרוב יותר מהרזולוציה של מיקרוסקופ האור.

מיוזה היא שתי חלוקות ברצף לאחר שכפול DNA אחד, המייצרות ארבעה תאים הפלוئידים ( haploid ) שונים גנטית מתא אחד דיפלואידי ( diploid ). שני תהליכים יוצרים את השונות:

• חלוקה עצמאית — כל זוג הומולוגי נסדר ומתפצל באופן אקראי במיוזה I; כל גמטה מקבלת אחד מכל זוג, מאב או אם באופן אקראי ($2^n$ שילובים).
• מריבה — בשלב הפרופאזת I, כרומטידים הומולוגיים מחליפים מקטעים, מערבבים אללים בתוך זוגות כרומוזומים.

גמטות של יונקים מותאמות למסירה ולאספקה: הזרע מכיל אקרוסום (אנזימי עיכול), חציו של מיטוכונדריות וסיב שחיקה; הביצה תורמת כמעט את כל הפלזמה והזונה פלוצידה החוסמת כניסת זרעים נוספים לאחר התגובה הקורטיקלית. בצמחים פורחים, הצינור האבקי מספק שני גרעינים זכריים: אחד מפרה את הביצה, השני את הגרעינים הקוטביים — הפרה כפולה.

mitosis מייצרת שני תאים דיפלואידים זהים גנטית: גידול, תיקון, רביעה אל sexual . אינטרפאזת ($G_1$, S — שכפול DNA, $G_2$) ממלאה את רוב המחזור; mitosis עצמה כוללת פרופאזה (כרומוזומים מתעבים, ציר סליל מתהווה), מטאפאזה (כרומוזומים נסדרים בקו המשווה), אנאפאזה (סיבי ציר גוררים כרומטידים לקטבים), טלופאזה (ממברנות גרעין מתחדשות), ולאחר מכן ציטוקינזה.

המדד המיוטי $=$ תאים במיוזה $\div$ סך הכל תאים שנמדדו. ערכים גבוהים בבידוק רקמה מצביעים על חלוקה מהירה — סימן לסרטן.

בדיקה פעילה. דחיסת קצה שורש מראה 36 מתוך 450 תאים במצב mitosis : מדד $= 36/450 = 0.08 = 8\%$ . אם המחזור לוקח 20 שעות, mitosis תופסת $0.08 \times 20 = 1.6$ שעות.

תא גזע טוליפוטנטי יכול ליצור אורגניזם שלם (החלוקות הראשונות של הזיגוטה); תא פליפורוטנטי (blastocyst פנימי) יכול ליצור כל רקמה אך לא את האורגניזם כולו. הבדלה מתרחשת באמצעות ביטוי גנים differential : כל תא שומר על הגנום המלא, אך כל סוג מפעיל רק את תת-קבוצתו. גן אחד יכול לייצר חלבוניים שונים באמצעות שינוי post-transcriptional — בחירות splicing של pre-mRNA . הפנוטיפ הסופי משקף גם את הסביבה (גובה דורש גם גנים וגם תזונה) ובמספר מאפיינים, גנים מרובים הפועלים יחד (heredity polygenic המעניקה שונות רציפה).

תאי צמח מוסיפים קירית תא תאית המחוברת לשכנים באמצעות plasmodesmata . שרשראות תאית עטופות ל-m microfibrils שהיצבה הצולבת שלהן נותחת חוזק מתיחה; עיבוי משני עם ליגנין מחזק ומעניק עמידות למים.

מים ויונים חשובים מעבר לשתייה: ניטרט בונה חומצות אמינו, סידן מקשר צלחתין בקירות ומעביר אותות בתוך תאים, מגנזיום נמצא במרכז הכלורופיל — מחסור גורם לעליה להצהיב.

מיון מסדר חיים לפי מאפיינים משותפים; מערכת השלושה תחומים (חיידקים, ארכאה, אוקאריוטה) מבוססת על עדויות מולקולריות – רצפי RNA ריבוזומלי – שחשפו שארכאה קרובות אלינו יותר מחיידקים. בתוך בית גידול, למגוון יש שני מדדים:

• עושר מינים – כמה מינים.
• מדד מגוון – $D = \dfrac{N(N-1)}{\sum n(n-1)}$, כאשר $N$ הוא כל הפרטים ו$n$ ספירת כל מין. ערך גבוה יותר של $D$ מצביע על מגוון גדול יותר.

בדיקה בעלת פתרון. בית גידול א': 3 מינים עם ספירות 40, 35, 25 ($N = 100$). $D = 100 \times 99 / (40 \times 39 + 35 \times 34 + 25 \times 24) = 9900 / (1560 + 1190 + 600) = 9900/3350 = 2.96$. בית גידול ב': 3 מינים, ספירות 90, 6, 4: $D = 9900/(8010 + 30 + 12) = 1.23$. אותו עושר, איזון שונה מאוד – $D$ רואה מה שעושר אינו יכול לראות.

בתוך מין אחד, מדד ההטרוזיגוטיות $H =$ (מספר ההטרוזיגוטים) $\div$ (מספר הפרטים) מודד מגוון גנטי. מין שנמצא באף מקום אחר הוא אנדמי – ובית הגידול האי-מוני שלו הופך אותו גם לערך וגם לרגיש.

ניש הוא דרך החיים של מין: תפקידו, הדרישות שלו, הסבלנות שלו. התאמות באותו שלוש רגלים – אנטומיות (פרווה עבה), פיזיולוגיות (ווריאנטים של אנזימים), התנהגותיות (מועד המדיגציה).

משוואת הרדי-ויינברג– עוקבת אחרי תדירות אללים באוכלוסייה גדולה, רבייה אקראית וללא בחירה, הגירה או מוטציה:

$q^2$ = תדרות הגנוטיפ ההomozygous recessive. אם 4 % מאוכלוסייה מציגים את הפנוטיפ ה-recessive, $q^2 = 0.04$, לכן $q = 0.2$, $p = 0.8$, נשאים $2pq = 0.32$.

בדיקה בעלת פתרון. מתוך 500 שועלים, 45 הם homozygous recessive: $q^2 = 0.09$, $q = 0.3$, $p = 0.7$. נשאים צפויים $= 2pq \times 500 = 0.42 \times 500 = 210$.

שאלות שמר רוצות איזון. גני חיות ובנקי זרעים שומרים על מינים מפני הכחדה ומנהלים רבייה בשבי, אך דורשים מקום, מאבדים התנהגות טבעית ומשרתים מספר מוגבל של פרטים; שמירת בית גידול ומסילות שומרות על אקולוגיה בקנה מידה אך דורשות אדמה, כסף ואחוזת רצון פוליטית. יש לקבל את הטיעון הספציפי, לא את הרגש.

עבור המיקרוביולוגיה כאן (וגם ליחידה 4): לגדל חיידקים על אגר מזין או במרק, בשימוש בטכניקה אseptic – לחטא את הקשתים על ידי הצתה, להצית את צוואר הבקבוק, לעבוד קרוב לעלית אוויר, לסגור את הצלחות, לדגור בטמפרטורה מתחת לטמפרטורת הגוף כדי שהפתוגנים אנושיים לא יגדלו. לספור מושבות בצלחות spread או pour (כל מושבה נובעת ממאהל אחד או ממבצע: יחידות יוצרות מושבה), או לספור תאים עם hemocytometer, או לעקוב אחרי עכירות במרק.

בדיקה בעלת פתרון. בשלב Exponential, קבוע קצב הגדילה $k = (\log_{10} N_t - \log_{10} N_0)/(0.301 \times t)$. מ$1 \times 10^4$ ל$4 \times 10^7$ תאים ב4 שעות: $\log$ הפרש $= 3.602$, לכן $k = 3.602/(0.301 \times 4) \approx 3.0$ חלוקות לשעה – כזמן דור של כ20 דקות.

1. חשב את הרוחב האמיתי של גרעין הנראה ברוחב של 24 מ"מ ברזום ×4 000. תן תשובה ב-µm.
2. קרא את שתי התהליכים במיוזה היוצרים מגוון גנטי, והצהר מתי כל אחד מתרחש.
3. לתא יש 2 a.u. של DNA בשלב G1. שרטט כיצד תכולת ה-DNA משתנה לאורך שלב S, מיזה I ומיזה II.
4. הסבר מדוע כל תאי הבסטוציסט יכולים להפוך לכל רקמה, אך תא שריר בוגר אינו יכול.
5. הסבר שתי דרכים בהן ה-xylem מותאם לפונקציה שלו, אחת מבנית ואחת כימית.
6. שני בתי גידול מכילים כל אחד 5 מיני צמחים. הסבר מדוע מדד מגוון עשוי להשתנות ביניהם.
7. באוכלוסייה של 1 000, 16 אנשים מציגים מחלה רצסיבית. חשב את q, p ומספר הנשאים הצפוי.
8. מין של חילזון נפוץ באי בודד. הסבר מדוע מינים אנדמיים נתונים לסיכון הכחדה גבוה יותר.
9. ציינו שלושה תנאים שחובה לקיים באוכלוסייה כדי שהמשוואה של הרדי–ויינברג תתקיים.
10. תנו יתרון אחד וחסר אחד של בנקי זרעים בהשוואה להגנה על בית הגידול.

תשובות: 1 $24\,000/4\,000 = 6\ \mu$m; 2 מעבר גנטי בפאזה I, חלוקה עצמאית במטפאזה/אנפאזה I (וגם II); 3 עולה ל4 בשלב S, יורד לחצי ל2 לאחר המיוזה I, יורד לחצי ל1 לאחר המיוזה II, נשחזר ל2 בהשחלה; 4 תאי הבלסטוציסט הם רב-עצמתיות — כל הגנים עדיין ניתנים להפעלה; תא שריר הפעיל דרכים אחרות לצמיתות בתנאים רגילים; 5 תאים מתים ולניניים חלולים יוצרים עמודות מים רציפות ללא ציטופלזמה לעכב זרימה; הלנין מחסם מים ומחזק את הקירות נגד קריסה; 6 D משקלת את אחידות הנפוצות, לא רק את מספר המינים; 7 $q^2 = 0.016$, $q \approx 0.126$, $p \approx 0.874$, נשאים $2pq \approx 0.22$, כ-220 אנשים; 8 אירוע מקומי בודד (סערה, מחלה, טורף מובא, אובדן בית גידול) מבטל את כל המין בו-זמנית; 9 אוכלוסייה גדולה, הזדווגות אקראית, ללא בחירה/מוטציה/הגירה; 10 בנקי זרעים שומרים מגוון גנטי בזול ובטוח נגד אובדן בית גידול (יתרון), אך המינים קיימים מחוץ לסביבתם האקולוגית — אין אינטראקציות, אין התפתחות במקום, והתיישבות מחדש אינה ודאה (חסר).