Biologia 5: luku 7 Mutaatiot

Mutaatioita syntyy sekä DNA:n kopiointivirheinä että ympäristötekijöiden vaikutuksesta

Mutaatiot ovat perimässä tapahtuvia pysyviä muutoksia. Mutaatiot ovat elämän jatkumisen edellytys! Ilman niitä ei evoluutiota ja luonnon monimuotoisuutta olisi. Mutaatioita voi tapahtua yksittäisessä geenissä, kromosomissa tai koko kromosomistossa. Jos DNA:n korjaamisesta huolehtivat entsyymit eivät kykene paikkaamaan vaurioitunutta osaa, muutos jää pysyväksi. Tällöin sitä kutsutaan mutaatioksi.

Mutageenit ovat mutaatioita aiheuttavia ympäristötekijöitä. Esim ionisoiva säteily (röntgen- ja gammasäteily), UV-säteily, monet kemikaalit sekä eräät virukset. Lisäksi luonnossa syntyvät tai synteettisesti valmistetut kemialliset yhdisteet aiheuttavat mutaatioita. Esim bentseeni ja kadmiumyhdisteet.

Lyhytaaltoinen säteily voi aiheuttaa mutaation hajottamalla vesimolekyylin vetyioniksi ja hydroksyyliradikaaliksi. Hydroksyyliradikaali korvaa nopeasti menettämänsä ionin ottamalla sen DNA-juosteesta. Tupakan savu sisältää paljon mutageenejä.

Albiinotiikeri. Kuva Googlen kuvahaku.

Geenimutaatiossa yksittäisen geenin rakenne muuttuu               

                                                                

Geenimutaatio tapahtuu yhdessä geenissä. Sen seurauksena geenin sisältämä perinnöllinen informaatio muuttuu, minkä seurauksena voi olla muutos proteiinin rakenteessa. Pienin mahdollinen muutos geenissä on pistemutaatio eli yhden nukleotidin muuttuminen toiseksi. Yleensä pistemutaatio on harmiton. Jos pistemutaatio esiintyy yleisenä populaatiossa, puhutaan yhden emäksen vaihtelusta eli snipistä. Geenimutaatioissa voi nukleotidejä myös hävitä tai tulla ylimääräisiä. Pistemutaatio ei aina muuta proteiinin aminohappokoostumusta.

Jos pistemutaation seurauksena jokin proteiinin rakenteen kannalta keskeinen aminohappo muuttuu toiseksi, voivat solun rakenteeseen ja toimintaan kohdistuvat seuraukset olla huomattavia. Esim sirppisoluanemiassa yhden aminohapon muuttuminen toiseksi aiheuttaa koko erytrosyytin muodon muuttumisen kiekkomaisesta sirppimäiseksi, jolloin erytrosyytin hapenkuljetuskyky heikkenee.

Eräät hyvin vakavat sairaudet johtuvat geenissä olevien nukleotidien häviämisestä. Esim lähes yksinomaan pojilla esiintyvä perinnöllinen lihasrappeumatauti (Duchennen lihasdystrofia) johtuu sukusolun X-kromosomissa tapahtuneesta geenimutaatiosta. Tässä mutaatiossa lihassolujen tukiproteiinia tuottavasta geenistä on hävinnyt nukleotidejä, mikä aiheuttaa ennenaikaisen lopetuskolmikon syntymisen lähetti-RNA:han ja estää toimivan proteiinin synnyn.

Kromosomimutaatiossa kromosomin rakenne muuttuu

Kromosomimutaatiossa kokonainen kromosomin osa muuttuu. Seurauksena on muutos geenien määrässä tai rakenteessa. Kromosomimutaatioita on viittä tyyppiä, ja ne ovat häviämä, liittymä, siirtymä, kääntymä ja kahdentuma. Häviämässä kromosomista irtoaa pala, eikä sitä liitetä takaisin irtoamispaikkaan. Häviämät vahingoittavat lähes poikkeuksetta solun toimintaa.

Liittymässä kromosomista irronnut pala siirtyy saman kromosomin eri paikkaan tai kokonaan toiseen kromosomiin. Siirtymässä kahdesta eri kromosomista on samanaikaisesti irronnut pala, ja palat vaihtavat paikkoja keskenään. Suurimmalla osalla näistä kromosomimutaatioista ei kuitenkaan ole vaikutusta soluihin.

Kääntymässä kromosomista irtoaa pala, joka kääntyy korjauksen yhteydessä toisin päin. Yleensä kääntymällä ei ole merkitystä alueen geenien toimintaan. Kahdentumassa jokin kromosomin osa monistuu. Myös transposonit eli hyppivät geenit aiheuttavat kromosomimutaatioita. Siirtyessään jonkin geenin sisään tai sen säätelyalueelle transposonit aiheuttavat muutoksia tämän geenin toimintaan. Transposonien arvellaan olevan peräisin viruksista. Sukusoluissa esiintyvät kromosomimutaatiot voivat aiheuttaa sairauksia jälkeläiselle. Usein nämä mutaatiot aiheuttavat epämuodostumia ja johtavat keskenmenoon.

Kromosomistomutaatiossa kromosomiluku muuttuu

Kromosomistomutaatiossa joko yksittäisten kromosomien tai koko kromosomiston lukumäärä muuttuu. Kromosomistomutaatio johtuu yleensä meioosissa tapahtuneesta häiriöstä. Kasveilla tavataan varsin yleisesti yksilöitä, joiden kromosomiluku on muuttunut lajiristeymän seurauksena. Monosomiassa toinen jonkin kromosomiparin vastinkromosomeista puuttuu. Vastaavasti mutaatiota, jossa vastinkromosomipareja on kahden sijasta kolme, kutsutaan trisomiaksi.

Turnerin oireyhtymässä toinen X-kromosomi puuttuu. Tästä on seurauksena mm. sukupuolisen kehityksen viivästyminen. Jo yksi ylimääräinen tai puuttuva kromosomi on yleensä sitä kantavalle yksilölle vahingollinen. Tällöin myös alleeleita on poikkeava määrä, mikä vaikuttaa geenin ilmentymiseen.

Polyploidiassa koko peruskromosomisto monistuu. Monisoluiset eliöt ovat yleensä diploidisia (2n) eli niillä on kaksi peruskromosomistoa. Polyploidiassa peruskromosomeja  on enemmän. Triploidiassa niitä on kolme (3n) ja tetraploidiassa neljä (4n) jne. Kasveilla polyploidia on yleistä, koska niillä ylimääräinen kromosomisto ei yleensä haittaa yksilönkehitystä, toisin kuin esim eläimillä.

Polyploidiaa on kahdenlaista, autopolyploidia ja allopolyploidia. Autopolyploidiassa lajin peruskromosomisto on monistunut, jolloin yksilössä on jokaisesta geenistä enemmän kuin kaksi alleelia. Allopolyploidiassa kromosomistot ovat peräisin kahdesta keskenään risteytyneestä lajista.

Mutaatiot vaikuttavat evoluutioon

Periytyvät mutaatiot eli sukusolulinja soluissa tapahtuvat mutaatiot aiheuttavat yhdessä rekombinaation kanssa populaation perinnöllisen muuntelun, joka ilmenee yksilöiden erilaisissa rakenteissa, elintoiminnoissa ja käyttäytymisessä. Parhaiten ympäristöönsä sopeutuneet yksilöt kykenevät tuottamaan eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä, ja niiden geenit alkavat yleistyä populaatiossa.

Uusi alleeli syntyy, kun geenin rakenne muuttuu. Mitä vähemmän yksilöitä populaatioon kuuluu, sitä suuremmalla todennäköisyydellä jälkeläinen perii kaksi kyseistä alleelia, ja vasta tällöin vaikutus näkyy yksilön fenotyypissä.

Kromosomistomutaatioilla on suuri merkitys kasvien evoluutiossa

Polyploidia lisää kasvien kykyä sopeutua vaativiin ympäristöolosuhteisiin, koska moninkertainen geenistö takaa nopean kasvun esim silloin, kun kasvukausi on lämpötilan tai veden saannin vuoksi lyhyt. Ylimääräinen tai puuttuva kromosomi haittaa enemmän solun toimintaa kuin kaikkien kromosomien lukumäärän muutos. Allopolyploidia voi tuottaa uuden lajin yhdellä hyppäyksellä ilman maantieteellistä isolaatiota.

Eläimillä polyploidia on harvinaista, koska ylimääräinen kromosomisto aiheuttaa vakavia kehityshäiriöitä yksilönkehityksen aikana ja johtaa esim ihmisellä keskenmenoon. Hedelmöittymättömästä munasolusta lisääntymistä kutsutaan partenogeneesiksi.

Biologia 5: luku 6 Solut jakautuvat, erilaistuvat ja toimivat yhdessä

Perinnöllinen informaatio siirtyy solun jakautuessa emosolulta tytärsoluille

Mitoottisessa jakautumisessa solun jakautuminen tuottaa emosolun kaltaisia tytärsoluja. Ennen mitoosia DNA kahdentuu. DNA:n kahdentuessa molempien juosteiden viereen rakentuu uusi juoste. Keskeinen kahdentumisessa tarvittava entsyymi on DNA-polymeraasi. Se rakentaa kummankin juosteen viereen uudet juosteet nukleotidi kerrallaan emäspariperiaatteen mukaisesti.

Kopioinnissa voi tulla virheitä. Luonto on kuitenkin varautunut tähän, sillä DNA-polymeraasi vertailee rakentamaansa juostetta alkuperäiseen juosteeseen. Virheen löytyessä DNA-polymeraasi poistaa väärän nukleotidin ja korvaa sen oikealla.

Mitoosissa perimä siirtyy samanlaisena kahteen tytärsoluun

Mitoosi tarkoittaa tuman jakautumista. Se tapahtuu DNA:n kahdentumisen jälkeen. Mitoosin vaiheet ovat esivaihe, keskivaihe, jälkivaihe ja loppuvaihe. Tavallisesti mitoosia seuraa solun jakautuminen kahdeksi soluksi. Solun jakauduttua uusissa soluissa alkaa välivaihe. Sen aikana ne kasvavat, tuottavat erilaisia molekyylejä ja rakentavat soluelimiä. Välivaiheen loppupuolella DNA kahdentuu taas.

Kromosomin kummassakin päässä on telomeeri eli geenitön DNA-jakso, joka toimii ”pelivarana”. Kun se on käytetty loppuun, eivät solut voi enää jakautua, elleivät kyseessä ole syöpäsolut tai kantasolut.

Solut erilaistuvat yksilönkehityksen aikana geenien ohjeiden mukaisesti

Tsygootti tarkoittaa hedelmöittynyttä munasolua. Se jakautuu aluksi mitoottisesti kahdeksi soluksi, jotka jakautuvat edelleen. Useiden jakautumisten jälkeen solut alkavat vähitellen erilaistua eri tehtäviin. Kantasoluilla on kyky erilaistua useiksi erilaisiksi soluiksi. Kantasolu tarkoittaa sellaista solua, joka kykenee sekä uusiutumaan kantasoluna että erilaistumaan erilaisiksi soluiksi. Yksilönkehityksen edetessä solujen kyky erilaistua erilaisiksi soluiksi vähenee.

Aikuisen kantasolut poikkeavat alkion kantasoluista siten, että ne kykenevät erilaistumaan vain tietyn tyyppisiksi soluiksi. Esim luuytimen verisolujen kantasoluista syntyy vain erilaisia verisoluja. Nisäkkään kantasolutyyppejä ovat totipotentti (kaikkikykyinen kantasolu), pluripotentti (lähes kaikkikykyinen kantasolu), multipotentti (monikykyinen kantasolu) ja aikuisen kantasolu. Aikuisen kantasolut voivat erilaistua vain yhden elimen kudoksiksi.

Solujen vuorovaikutus ohjaa niiden erilaistumista

Induktio tarkoittaa solujen ja kudosten välistä vuorovaikutusta. Induktiossa solu erittää viestiaineita solujen väliseen tilaan, kudosnesteeseen. Viestiaineet aiheuttavat solujen jakautumista ja erilaistumista. Viestin vastaanottaneen solun reagointia viestiaineeseen kutsutaan vasteeksi. Geenin toimintaa aktivoiva viestiaine sitoutuu solukalvon reseptoriin, mikä siirtää viestin sytoplasmaan ja lopulta tumaan. Tumassa geenin luenta käynnistyy, tai toiset viestiaineet voivat puolestaan estää geenin toimintaa. Solu kuolee, jos se ei saa minkäänlaista viestiä.

Nisäkkäillä sikiön kehityksen aikana muodostuu viestikeskuksia. Ne tuottavat viestimolekyylejä, jotka vaikuttavat ympäröivien kudosten erilaistumiseen ja muotoutumiseen. Kun ne ovat tehneet tehtävänsä, ne ohjataan tuhoamaan itse itsensä apoptoosin avulla tai sitten niiden solut erilaistuvat toisiin toimintoihin.

Kasvien yksilönkehitykseen vaikuttavat geenit ja ympäristö

Kasvihormonit vaikuttavat kasvin kasvuun ja kehitykseen. Kasvihormonit leviävät veteen liuenneina eri puolille kasvia. Gibberelliini saa kasvialkion solut jakautumaan ja varren kasvamaan pituutta. Abskissihappo puolestaan estää solujen jakautumista siemenen alkiossa, kunnes ympäristön lämpötila ja kosteus ovat riittäviä uuden kasviyksilön kasvulle.

Auksiini sen sijaan vaikuttaa juurten ja varren kasvuun. Jos valoa tulee sivusuunnasta, auksiinia alkaa kulkeutua varjon puolelle, mikä lisää siellä olevien solujen pituuskasvua. Näin kasvi alkaa kaartua valoa kohti.

Monien kasvien silmujen puhkeaminen vaatii kylmäjaksoa. Se estää kevään silmuja puhkeamasta liian aikaisin sekä valmistaa kasvia kukkimaan vasta kylmäjakson jälkeen. Tätä kutsutaan vernalisaatioksi eli idunviritykseksi.

Kasvien lehdissä on valoherkkää proteiinia, joka oikeassa valaistuksessa laukaisee kukkimiseen tarvittavien kasvutekijöiden tuotannon. Joillakin kasveilla valoisan ja pimeän jakson vuorottelun tulee olla oikean pituinen, jotta kukkimiseen tarvittavien hormonien tuotanto käynnistyy. Tätä ilmiötä kutsutaan fotoperiosuudeksi eli valojaksoisuudeksi.

Biologia 5: luku 5 Geeneissä on informaatio solujen toimintaan

Perinnöllinen informaatio on DNA:ssa

Geeni sisältää informaation tietyn proteiinin tai RNA-molekyylin rakentamiseksi. Osa geeneistä on aina aktiivisia, osa toimii vain tietyissä soluissa tai yksilönkehityksen tietyssä vaiheessa. Tuman kromosomeissa DNA on kiertynyt moninkertaisesti histoniproteiinien ympärille, ja kokonaisuudesta käytetään nimitystä kromatiini. Kaikkien tumallisten eliöiden geenit muodostuvat koodaavasta alueesta ja säätelyalueesta. Koodaava alue sisältää informaation proteiinin valmistamista varten, ja säätelyalueen tehtävänä on käynnistää RNA-synteesi.

Tumallisessa solussa geenin proteiinia koodaava alue koostuu monesta erillisestä informaatiota sisältävästä DNA-jaksosta, joita kutsutaan eksoneiksi. Niiden välissä on geneettistä informaatiota sisältämättömiä jaksoja eli introneita. Geenien lisäksi kromosomeissa on geenien ulkopuolisia alueita, mm. toistojaksoja ja sammuneita geenejä sekä virusperäisiä hyppiviä geenejä eli transposoneja. Transposonit ovat tarkkaan rajautuvia DNA-jaksoja, joilla on erityinen kyky siirtyä paikasta toiseen kromosomin sisällä tai jopa toiseen kromosomiin. 

Geenin rakenne. Kuva Googlen kuvahaku.

                                                                                                                                               

Jokainen geeni koostuu koodaavasta alueesta ja säätelyalueesta. Koodaavan alueen eksoneissa on proteiinien valmistamiseen tarvittava informaatio, ja niiden välissä on geneettistä informaatiota sisältämättömiä introneita. Geenin säätelyalue koostuu promoottorista ja tehostajajaksoista. Promoottori on kohta, johon geeniä lukeva ja RNA:ta rakentava entsyymi, RNA-polymeraasi, tarttuu. Tehostajajaksot auttavat luennan aloittamista.

Proteiinit rakennetaan geenien sisältämän informaation mukaisesti

Geeni sisältää informaation proteiinin aminohappojärjestyksestä. Proteiinin aminohappojärjestys puolestaan määrää kyseisen proteiinin kolmiulotteisen rakenteen. Kolmiulotteinen rakenne vaikuttaa proteiinin toimintaan, esim siihen, mitä reaktiota entsyymi katalysoi tai minkälaisen viestin viestiaine lähettää. Geenissä yksi emäskolmikko koodaa proteiinisynteesissä yhtä aminohappoa. Poikkeuksena on ainoastaan kolme emäskolmikkoa, joiden tehtävänä on lopettaa geenin luenta.

Geenin säätelyaluetta tarvitaan RNA-synteesin aloittamiseen. RNA:n rakentaminen käynnistyy, kun RNA-polymeraasientsyymi tarttuu geenin säätelyalueella olevaan promoottoriin. Sitten RNA-polymeraasientsyymi rakentaa tumassa olevista nukleotideista esiaste-RNA-molekyylin emäspariperiaatteen mukaisesti, joka sisältää geenin sekä eksoni- että intronialueet. Tätä tapahtumaa kutsutaan transkriptioksi.

Tämän jälkeen esiaste-RNA on muokattava lähetti-RNA:ksi. Esiaste-RNA sisältää introneita, jotka eivät sisällä proteiinin rakentamiseen liittyvää informaatiota. Ne poistetaan silmukoinnin avulla, jolloin lopullinen lähetti-RNA koostuu pelkistä eksoneista.

Ribosomi rakentaa aminohappoketjun lähetti-RNA:n emäsjärjestyksen perusteella

                                                                                                           

Aminohappo irtoaa ribosomista sitten kun se on valmis. Se ei kuitenkaan tässä vaiheessa ole vielä valmis proteiini. Aluksi aminohappojen välille muodostuu vetysidoksia ja aminohappoketju kiertyy tai laskostuu. Osa aminohapoista vetää toisiaan puoleensa, osa hylkii toisiaan. Proteiinin rakenteessa on erotettavissa useita järjestystasoja. Aminohappojärjestystä kutstuaan primaarirakenteeksi. Sekundaarirakenteessa primaarirakenne kiertyy tai laskostuu, kun aminohappojen väliin muodostuu säännöllisin välein vetysidoksia.

Tertiaarirakenne on proteiinin kolmiulotteinen rakenne. Se muodostuu, kun aminohapot muodostavat lisää sidoksia keskenään. Siinä on esim kysteiinien välinen rikki-rikki-sidos. Jos lopullinen proteiini koostuu useammasta aminohappoketjusta, puhutaan sen kvartaarirakenteesta. esim hemoglobiini.

Prioniproteiinin väärä laskostuminen aiheuttaa tappavia tauteja

Prioniproteiinit ovat pieniä, hermosolujen solukalvolla esiintyviä proteiineja. Jos prioniproteiinit laskostuvat virheellisesti, ne aiheuttavat tarttuvia sairauksia. Laskostuessaan väärin ne muuttavat myös lähellä olevien toisten prionien kolmiulotteisen rakenteen. Tämä käynnistää ketjureaktion, missä epänormaalit prionit leviävät ympäri hermokudosta tuhoten sitä. Prionitauteihin kuuluu nautoihin tarttuva hullun lehmän tauti. Prioniproteiinin normaalia toimintaa ei vielä tunneta.

Hullun lehmän taudin epidemia sai alkunsa naudoille syötetystä rehusta, joka sisälsi virheellisten prionien saastuttamia lampaiden kudoksia. Sairaan eläimen lihaa syömällä tauti voi tarttua myös ihmiseen.

Geenin ilmentymistä säädellään eri tavoin

Elimistön toiminta perustuu siihen, että oikeat geenit ovat aktiivisia oikeissa kudoksissa. Esim vaikka haiman saarekesoluissa on samat geenit kuin luustolihassoluissa, niissä myosiinin tuotantoa ohjaava geeni on sammuneena, mutta insuliinigeeni on aktiivisena. Kaikissa monisoluisen eliön soluissa on samat geenit, mutta suurin osa tumallisen solun geeneistä on inaktiivisia, ja ne a erikseen aktivoida.

                                                                      

Geenin aktivoiminen perustuu erilaisiin säätelyproteiineihin, joita ovat tehostaja- ja aloitusproteiinit. Niiden on tunnistettava geenin säätelyalue ja liitettävä RNA-polymeraasi koodaavaa aluetta edeltävään promoottoriin. Vasta tämän jälkeen transkriptio voi käynnistyä. Transkriptiossa siis RNA-polymeraasi kopioi DNA:ssa olevaa geneettistä koodia RNA:ksi. Transkriptio on proteiinisynteesin ensimmäinen vaihe.

Seuraava vaihe, jossa geenin ilmentymistä säädellään, on vaihtoehtoinen silmukointi eli siinä esiaste-RNA:ta jatkokäsitellään tumassa. Lyhyistä RNA-molekyyleistä ja proteiineista koostuva silmukointikoneisto poistaa intronien lisäksi eksoneja muodostaessaan lopullista lähetti-RNA:ta. Näin yhdestä geenistä saadaan aikaan useita erilaisia lähetti-RNA-molekyylejä ja sen seurauksena erilaisia proteiineja. Yksi geeni voi tuottaa useita erilaisia proteiineja vaihtoehtoisen silmukoinnin avulla. Mikro-RNA-molekyyleillä voidaan keskeyttää proteiinisynteesi. Ne estävät proteiinin valmistumisen sitoutumalla lähetti-RNA:han.

Bakteerisolussa proteiinit valmistuvat nopeasti

Bakteerilla on yksi rengasmainen kromosomi. Usein sen solulimassa on kromosomin lisäksi pieniä DNA:n muodostamia renkaita eli plasmideja. Bakteerin DNA koostuu pelkästään geeneistä, eikä siinä ole geenin ulkopuolisia alueita. Geenit koostuvat koodaavasta alueesta ja säätelyalueesta. Bakteerien geenien koodaavalla alueella ei ole introneita. Useilla peräkkäisellä geenillä voi olla yhteinen säätelyalue. Tätä säätelyalueen ja koodaavien alueiden kokonaisuutta sanotaan operoniksi.

                                                                                                            .t

Bakteereilla DNA ja ribosomit ovat sytoplasmassa, koska bakteerisolussa ei ole tumaa. Näin ribosomi valmistaa aminohappoketjua välittömästi, kun lähetti-RNA:ta alkaa syntyä. Koska bakteereilla ei ole silmukointia, ne tuottavat proteiineja nopeammin kuin tumalliset solut.

Biologia 5: luku 4 Tumallisilla soluilla on samankaltainen perusrakenne

Tuman DNA:ssa olevat geenit sisältävät informaation, jonka perusteella entsyymit tuotetaan ribosomeissa proteiinisynteesissä. Solu ottaa solukalvon avulla tarpeellisia aineita ja poistaa tarpeettomia tai haitallisia aineita. Solukalvon pinnalla olevat reseptorit vastaanottavat solun toimintaa ohjaavia viestejä. Solun sisällä kalvorakenteissa valmistetaan, muokataan ja kuljetetaan proteiineja ja lipidejä.

Eläinsolun hienorakenne

Kuva Googlen kuvahaku. Eläinsolu.

Lysosomeja on vain eläin- ja sienisoluissa. Ne sisältävät entsyymejä, jotka pilkkovat hiilihydraatteja, proteiineja ja nukleiinihappoja. Lysosomien sisällä pH on alle 5. Happamuus edistää hajottavien entsyymien toimintaa. Koska entsyymit toimivat lysosomien sisällä, ne eivät pääse tuhoamaan solun toimivia rakenteita ja pilkkomaan tarpeellisia molekyylejä. Lysosomit toimivat solun kierrätyskeskuksina, joissa hajotetaan suuria molekyylejä, vioittuneita soluelimiä ja palautetaan niistä saadut käyttökelpoiset osat tai aineet kuten aminohapot, takaisin solulimaan.

Ribosomit koostuvat ribosomaalisesta RNA:sta ja proteiineista. Ne kokoavat aminohappoketjuja lähetti-RNA:n sisältämän informaation perusteella. Eläinsolussa on kaksi proteiinisäikeistä muodostunutta keskusjyvästä eli sentriolia. Ne osallistuvat tumasukkulan muodostumiseen solunjakautumisen aikana.

Mitokondrio. Kuva Googlen kuvahaku.

Mitokondrio rakentuu sileästä ulkokalvosta ja poimuttuneesta sisäkalvosta. Siinä on omaa DNA:ta, ribosomeja ja entsyymejä. Mitokondriot lisääntyvät solussa itsenäisesti jakautumalla, ja niitä on sitä runsaammin, mitä enemmän solu tarvitsee energiaa. Soluhengityksessä on kolme vaihetta: 1. glykolyysi. 2. sitruunahappokierto ja 3. elektroninsiirtoketju. Tumassa sijaitseva tumajyvänen tuottaa ribosomeja.

Kasvisolun hienorakenne

Kalvon ympäröimät nesterakkulat eli vakuolit hoitavat kasvisolussa lysosomien tehtävää. Happamassa vakuolissa entsyymit pilkkovat makromolekyylejä, ja hajotetut aineet varastoidaan tai siirretään takaisin sytoplasmaan. Vakuoli toimii myös aineiden varastona. Peroksisomeja on sekä eläin- että kasvisoluissa. Monet niistä sisältävät mm. katalaasientsyymiä, joka hajottaa soluhengityksen sivutuotteena syntynyttä soluille haitallista vetyperoksidia. Peroksisomit ovatkin solun ongelmajätelaitoksia.

                                                                                                                                                 

Viherhiukkaset ovat energian sitomiseen erikoistuneita soluelimiä kasvi- ja leväsoluissa. Fotosynteesin tapahtumat voidaan jakaa valo- ja pimeäreaktioiksi. Valoreaktioihin kuuluvat veden pilkkominen valoenergian avulla (veden fotolyysi), jossa vapautuu vetyioneja, elektroneja ja sivutuotteena happea. Vapautuneet elektronit siirtyvät elektroninsiirtäjämolekyyliltä toiselle, jolloin syntyy ATP:tä. Elektroninsiirtoketjun hapetuspelkistysreaktioiden seurauksena vetyionit liittyvät vedensiirtäjäentsyymiin.

Valoreaktioita seuraavat pimeäreaktiot. Pimeäreaktioissa hiilidioksidi pelkistetään valoreaktioissa muodostuneen veden avulla glukoosiksi. Pelkistämiseen tarvitaan ATP:n ja vedynsiirtäjän kemiallisiin sidoksiin sitoutunutta energiaa. Valmiit glukoosimolekyylit varastoidaan tärkkelykseksi tai muokataan muiksi orgaanisiksi yhdisteiksi, kuten rasvoiksi tai aminohapoiksi.

 

Kasvisolu. Kuva Googlen kuvahaku.

Biologia 5: luku 3 Virukset lisääntyvät soluissa

Virusten rakenne on yksinkertainen

Virus koostuu kuoresta, siitä ulospäin suuntautuvista pintarakenteista sekä kuoren sisällä olevasta perintöaineksesta. Pintarakenteiden avulla virus tunnistaa isäntäsolunsa ja kiinnittyy isäntäsolun solukalvon reseptorimolekyyleihin. Viruksen pintarakenteet ovat kemialliselta rakenteeltaan proteiineja. Useilla viruksilla on kuoren ulkopuolella lisäksi isäntäsolusta mukaan poimittu, lipidimolekyyleistä koostuva vaippa. Viruksen perintöaines on joko DNA:ta tai RNA:ta.

Viruksilla ei ole soluelimiä eikä itsenäistä aineenvaihduntaa. Siksi niitä ei luokitella eliökuntaan kuuluviksi. Virukset jaetaan perintöaineksen mukaan DNA- ja RNA-viruksiin. Bakteriofagit ovat bakteerien viruksia ja eläinten viruksia esim influenssavirukset.

Viruksen rakenne. 1. Pintaproteiinit. 2. Isäntäsolun solukalvoista peräisin oleva vaippa. 3. Proteiinista muodostunut kuori. 4. Perintöaines. Kuva Googlen kuvahaku.

Virukset muuttavat lisääntyessään isäntäsolunsa virustehtaaksi

Virukset pystyvät lisääntymään vain elävissä soluissa, koska niillä ei ole itsenäistä aineenvaihduntaa. Viruksen lisääntymisessä on viisi vaihetta:

1. Kiinnittyminen isäntäsolun solukalvoon ja tunkeutuminen soluun
2. Viruksen perintöaineksen vapautuminen solun sisällä
3. Uusien virusten osien valmistus
4. Kokoaminen viruksen perintöaineksen ohjeiden mukaan
5. Virusten vapautuminen isäntäsolusta

Bakteriofagin eli bakteerin viruksen lisääntyminen

1. Bakteriofagi kiinnittyy isäntäsolun solukalvolle.
2. Bakteriofagi ruiskuttaa DNA:nsa bakteerin solukalvon läpi, muu osa bakteriofagia jää solun ulkopuolelle. Samalla isäntäsolun genomi pilkotaan.
3. Isäntäsolu alkaa tuottaa vain bakteriofagin proteiineja ja monistaa sen perintöainesta
4. Kun isäntäsolu on tuottanut tarpeeksi bakteriofagin osia, ne kootaan isäntäsolun sisällä uusiksi bakteriofageiksi.
5. Valmiit bakteriofagit erittävät soluun sen soluseinää heikentävää entsyymiä, jolloin isäntäsolu hajoaa ja vapauttaa 100-200 uutta bakteriofagia

Retro-RNA-viruksen lisääntyminen

1. Retro-RNA-viruksen vaippa on samanlainen kuin isäntäsolun solukalvo. Virus sulautuu isäntäsolun solukalvoon ja pääsee näin solun sisään. Solun sisällä virus hajoaa.
2. Viruksen RNA käännetään kaksijuosteiseksi DNA:ksi käänteiskopioijaentsyymin avulla.
3. Viruksen DNA liittyy osaksi isäntäsolun tuman DNA:ta, ja solu alkaa tuottaa virus-RNA:ta.
4. Osa muodostuneesta RNA:sta toimii uusien virusten perimänä ja osa lähetti-RNA:na, jonka ohjeen mukaan solu muodostaa viruksen proteiineja sekä käänteiskopioijaentsyymiä
5. Vaipan pintaproteiinit kuljetetaan rakkuloissa uusien virusten kokoamispaikalle.
6. Uudet virukset kootaan ja eritetään ulos solusta. Samalla ne saavat ylleen vaipan, joka muodostuu isäntäsolun solukalvosta ja viruksen vaipan pintaproteiineista.

Virusten perinnöllinen muuntelu on hyvin nopeaa

Viruksissa perinnöllistä muuntelua aiheuttavat geenimutaatiot ja rekombinaatio. Koska viruksilla on kutakin geeniä vain yksi kappale, ilmenevät myös resessiiviset geenimutaatiot heti. Geenimutaation seurauksena esim viruksen pintarakenteet voivat muuttua, jolloin ihmisen immuunijärjestelmään kuuluvat muistisolut eivät tunnista sitä.

Virusten rekombinaatiossa samaan isäntäsoluun joutuu geenikoostumukseltaan erilaisia viruksia, esim ihmisen soluun lintuinfluenssavirus ja ihmisen influenssavirus. Kun isäntäsoluissa syntyneitä uusien virusten osia aletaan koota, saattaa jonkin uuden viruksen sisälle tulla sellainen yhdistelmä geenejä, joista osa on peräisin lintuinfluenssaviruksesta ja osa ihmisen influenssaviruksesta. Tällainen virus on aivan uudenlainen, eikä ihmisillä ole immuniteettia sitä vastaan. Pahimmassa tapauksessa seurauksena voi olla pandemia eli maailmanlaajuinen tautiaalto.

Viruksia käytetään monin tavoin bioteknologiassa

Koska virukset siirtävät perimänsä isäntäsolun sisälle, ne sopivat erityisen hyvin geenien kuljettajiksi. Tätä ominaisuutta hyödynnetään geenihoidossa ja jalostuksessa. Kun yksijuosteinen RNA pitää muokata kaksijuosteiseksi DNA:ksi, käytetään apuna retro-RNA-viruksista eristettyä käänteiskopioijaentsyymiä. Kyseistä entsyymiä tarvitaan esim silloin, kun tumallisen eliön geeni halutaan siirtää bakteerisoluun.

Biologia 5: luku 2 Mikroskooppisen pienet eliöt ovat mikrobeja

Mikrobeihin kuuluvat kaikki bakteerit ja arkit, alkueliöiden kunnasta alkueläimet ja yksisoluiset levät sekä sienten kunnasta hiiva- ja homesienet. Lisäksi mikrobeihin luokitellaan virukset, vaikka niitä ei pidetäkään itsenäisinä eliöinä, koska niillä ei ole solurakennetta eikä aineenvaihduntaa. Ne eivät myöskään pysty lisääntymään itsenäisesti.

Esitumallisilta eliöiltä puuttuvat tumakotelo ja monet soluelimet. Bakteerit ja arkit luokitellaan esitumallisiin eliöihin. Tumallisiin eliöihin luokitellaan kasvit, sienet, eläimet ja alkueliöt eli protoktistit.

Esitumallisten ja tumallisten solujen erot

-         esitumalliset solut ovat erittäin pieniä, pienempiä kuin tumalliset solut

-          

-         bakteerien soluseinä on mureiinia. Soluseinä on kasvisoluilla selluloosaa ja sienisoluilla kitiiniä, eläinsoluilta se puuttuu

-          

-         esitumallisilla soluilla ei ole tumaa, vaan niillä on rengasmainen kromosomi sytoplasmassa sekä lisäksi DNA:ta plasmideissa. Tumallisilla soluilla on tumakotelon ympäröimä tuma, jonka sisällä ovat kromosomit. Lisäksi DNA:ta on mitokondrioissa ja viherhiukkasissa

-         esitumallisilla soluilla on vain vähän soluelimiä ja tumallisilla paljon

-          

-         bakteerit ja arkit ovat esitumallisia. Tumallisia ovat alkueliöt, sienet, kasvit ja eläimet

Arkit menestyvät myös äärioloissa

Arkit jaetaan halofiileihin, metanogeeneihin ja termofiileihin. Arkkeja löytyy esim syvänmeren pohjasta, + 300-asteisesta vedestä sekä suolajärvistä. Arkeissa on sekä oma- että toisenvaraisia lajeja. Omavaraiset lajit yhteyttävät kemosynteesin avulla eli ne hapettavat epäorgaanisia aineita. Kemosynteettisiin bakteereihin kuuluvat rikki-, typpi- ja rautabakteerit. Fotosynteesin avulla sokeria valmistavia bakteereja ovat syanobakteerit.

Halofiilit voivat elää niin suolaisessa vedessä, jossa muut eliöt kuivuisivat. Metanogeenit ovat metaania muodostavia arkkeja. Niitä esiintyy mm. nautojen ruuansulatuselimistössä, kaatopaikoilla ja soilla. Ne pystyvät elämään ainoastaan anaerobisissa oloissa. Termofiilit sietävät hyvin korkeita lämpötiloja.

Bakteerit ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin tumalliset eliöt

Bakteereilla on vain yksi kromosomi. Lisäksi bakteereilla voi olla erillisiä pieniä DNA-renkaita eli plasmideja. Bakteereilta puuttuvat solulimakalvosto ja kalvolliset soluelimet kuten mitokondriot ja viherhiukkaset. Bakteerien soluhengitysreaktiot tapahtuvat solukalvosta poimuttuneessa soluhengityskalvostossa ja fotosynteesireaktiot solukalvosta poimuttuneessa yhteyttämiskalvostossa. Bakteereilla on solukalvon ulkopuolella mureiinista koostuva soluseinä. Joiltakin bakteereilta, kuten mykoplasmoilta, soluseinä kuitenkin puuttuu. Lisäksi joillakin bakteereilla voi olla soluseinän ulkopuolella limamainen kapseli, joka suojaa bakteeria ja jonka avulla se pystyy kiinnittymään kohteeseensa.

Pyöreät bakteerit ovat kokkeja, sauvamaiset basilleja, käyrät sauvamaiset bakteerit vibrioita ja kiereiset spirokeettoja. Diplokokit ovat pareittain kasvavia kokkeja ja ketjuina kasvavat streptokokkeja. Rykelminä esiintyvät kokit ovat stafylokokkeja.

Bakteerin rakenne Kuva Googlen kuvahaku.

Bakteerit jaetaan soluseinän rakenteen perusteella gram-positiivisiin ja gram-negatiivisiin bakteereihin. Gram-positiivisten bakteerien solulima värjäytyy gram-värjäysmenetelmällä tummanvioletiksi, koska niillä ei ole soluseinässä väriaineen sisällepääsyn estävää ulkokalvoa. Gram-negatiivisilla bakteereilla on soluseinässä ulkokalvo, joka estää väriaineen pääsyn bakteerien sisälle. Bakteerit jäävät vaaleanpunaisiksi.

                                                                                                                                    

Bakteerit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla

Suvuttomalle lisääntymiselle on ominaista perinnöllisen muuntelun vähäisyys. Siinä vain geenimutaatiot tuottavat uutta materiaalia luonnonvalinnalle. Ennen jakautumista bakteerin perintöaines eli sekä kromosomin että mahdollisten plasmidien DNA kahdentuu. Bakteereissa syntyy uusia ominaisuusyhdistelmiä eli tapahtuu rekombinaatiota, mikä lisää bakteerien perinnöllistä muuntelua ja siten sopeutumista muuttuviin ympäristöolosuhteisiin.  Bakteerien perinnöllinen muuntelu ilmenee esim siten, että niillä on suuri joukko antibiooteille vastustuskyvyn antavia geenejä, jotka sijaitsevat useimmiten plasmideissa.

Geenimutaatiot ovat bakteereilla tärkein perinnöllistä muuntelua aiheuttava tekijä. Koska bakteereilla on vain yksi kromosomi, niillä on jokaista geeniä vain yksi kappale. Alleeleilta puuttuvat siis vastinalleelit, minkä vuoksi kaikki geenimutaatiot ilmenevät heti. Geenimutaatio voi tapahtua myös plasmidin geenissä.

Bakteereissa tapahtuu rekombinaatiota kolmella eri tavalla: ne voivat saada geenejä transformaatiolla, konjugaatiolla ja transduktiolla. Transformaatiossa elävät bakteerit voivat ottaa sisäänsä kuolleista bakteereista vapautuneita kokonaisia plasmideja tai kromosomin osia, jotka ne liittävät osaksi omaa perimäänsä. Tätä hyödynnetään bioteknologiassa.

Konjugaatiossa kaksi bakteeria voi kiinnittyä toisiinsa hetkeksi ja siirtää perintöainesta niiden välillä olevan ulokkeen, piluksen, kautta. Toinen bakteeri toimii perintöaineksen luovuttajana ja toinen vastaanottajana. Transduktiossa bakteriofagi eli bakteerissa lisääntyvä virus lisääntyy bakteerissa ja joidenkin bakteriofagien sisään voi joutua hajoavan bakteerin perintöainesta. Kun tällainen bakteriofagi infektoi seuraavan bakteerin, edellisestä bakteerista tullut kromosomin osa liittyy osaksi seuraavan bakteerin kromosomia.

Anaerobisille bakteereille happi on myrkkyä, ja ne kuolevat joutuessaan tekemisiin hapen kanssa. Jos olot ovat epäedulliset, voivat eräät bakteerit muuttua lepoitiöiksi, jolloin niiden aineenvaihdunta on erittäin vähäistä. Lepoitiöt voivat elää jopa 200 miljoonaa vuotta.

Bakteriofagit ovat bakteereissa lisääntyviä viruksia. Bioteknologiassa bakteereista on paljon hyötyä. Esim ihmisen insuliinia valmistetaan bakteereissa.

Bakteereista on muille eliöille hyötyä ja haittaa

Toisenvaraiset bakteerit voivat toimia hajottajina ekosyteemeissä, elää mutualistisissa eli molempia osapuolia hyödyttävissä suhteissa muiden eliöiden kanssa tai olla patogeenisiä eli taudinaiheuttajia. Esimerkkinä mutualistisesta suhteesta ovat ihmisen paksusuolessa elävät bakteerit, jotka tuottavat ihmisen käyttöön K- ja B12-vitamiineja. B12-vitamiinia tarvitaan uusien punasolujen muodostumisessaja K-vitamiinia veren hyytymisessä. Lisäksi ihmisen suolistobakteerit estävät haitallisten bakteerien kiinnittymisen suoliston seinämään ja edistävät ravintoaineiden imeytymistä.

Suuri osa alkueläimistä on tauteja aiheuttavia loisia

Alkueläimet ovat yksisoluisia tumallisia, liikkumiskykyisiä eliöitä, joiden soluissa ei ole soluseinää eikä viherhiukkasia, ja ne ovat toisenvaraisia. Ne elävät kosteissa ympäristöissä. Alkueläimet lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia tai monistumalla isäntäeläimessään. Epäedullisissa olosuhteissa ne voivat muuttua lepovaiheiksi ja säilyä siten hengissä.

Malaria on yksi eniten kuolonuhreja vaativista eläintaudeista. Malarian aiheuttaa alkueläimiin kuuluva malarialoisio, joka lisääntyy ihmisen erytrosyyteissä. Hyttyset toimivat malarialoision väli-isäntänä ja taudin levittäjänä.

Kun naarashyttynen ihmee ihmisen verta, se siirtää samalla elimistössään olevia malarialoisioita ihmisen verenkiertoon. Loisiot asettuvat maksaan, josta ne siirtyvät erytrosyytteihin. Malarialoisiot lisääntyvät erytrosyyteissä monistumalla. Tartunnan saaneet erytrosyytit hajoavat ja malarialoisiot siirtyvät vereen tartuttamaan uusia erytrosyyttejä. Tässä vaiheessa malarialoisioiden myrkylliset aineenvaihduntatuotteet aiheuttavat korkean kuumeen.

Yksisoluiset levät ovat tärkeitä tuottajia

Yhteyttäessään levät sitovat samalla ilmakehän hiilidioksidia ja toimivat siten hiilinieluina. Levien hyödyntämistä bioenergian tuotannossa tutkitaan innokkaasti, koska levät tuottavat enemmän biomassaa pinta-alayksikköä kohti kuin mitkään muut omavaraiset eliöt.

Hiiva- ja homesienet ovat toisenvaraisia

Hiiva- ja homesoluissa on solukalvon ulkopuolella kitiinistä koostuva soluseinä, eikä niillä ole viherhiukkasia. Hiivasoluissa on kromosomien lisäksi DNA:sta rakentuvia plasmidirenkaita. Suurin osa home- ja hiivasienistä on loisia tai hajottajia. Jotkin niistä ovat taudinaiheuttajia. Bioteknologiassa hyödynnetään sekä hiiva- että homesieniä. Niitä voidaan käyttää biologisina tuotantolaitoksina:  homeiden avulla tuotetaan antibiootteja ja hiivojen avulla valmistetaan esim alkoholia.

Mikrobien ja muiden eliöiden evoluutio on kiinteässä yhteydessä toisiinsa

Ilman mikrobeja ei maapallolla voisi olla nykyisenkaltaista elämää. Arkit vaikuttivat maapallon ilmakehän syntyyn, koska osa niistä tuotti muinaiseen kaasukehään metaania. Syanobakteerit olivat ensimmäisiä fotosynteesiin kykeneviä eliöitä. Niiden toiminnan tuloksena kaasukehään vapautunut happi reagoi metaanin kanssa, jolloin syntyi hiilidioksidia ja vettä. Hapen määrän lisääntyminen hävitti muutkin elämälle myrkylliset kaasut kaasukehästä. Yläilmakehään syntyi otsonikerros, joka muodosti suojan haitallista UV-säteilyä vastaan.

Ihmisen eläminen läheisessä yhteydessä kotieläinten kanssa lisäsi mikrobien siirtymistä eläimistä ihmisiin. Eläimistä ihmiseen siirtyviä tauteja kutsutaan zoonooseiksi. Esim punkkien levittämä borrelioosi ja erään alkueläimen levittämä unitauti. Ihmiskuntaa muokanneita mikrobien aiheuttamia tauteja ovat olleet mm. rutto, lepra ja malaria.

Biologia 5: luku 1 Bioteknologiassa hyödynnetään eliöitä tai niiden osia

Bioteknologialla tarkoitetaan sellaista tekniikkaa, jossa käytetään apuna eliöitä, soluja sekä solujen osia tai molekyylejä, kuten DNA:ta. Esim bakteerien, hiivojen ja homeiden avulla voidaan valmistaa leipää, juustoja, viiniä ja olutta. Bioteknologiassa tarvitaan tietoa monilta biologian osa-alueilta, joista tärkeimpiä ovat genetiikka, mikrobiologia, molekyylibiologia ja solubiologia.

Biotekniikan tärkeimmät innovaatiot ovat lääketieteessä, elintarviketuotannossa, maataloudessa ja ympäristönsuojelussa. Bioteknologian kehitys luo mahdollisuuksia kestävän kehityksen turvaamiseen ja edistämiseen. Bioteknologian vakavimpana uhkana pidetään bioaseiden kehittämistä. Bioaseina voidaan käyttää mikrobeja tai niiden valmistamia myrkkyjä. Bioaseiden käyttö, valmistus ja säilyttäminen on jo pitkään ollut kiellettyä kansainvälisin sopimuksin.

Proteomiikassa tutkitaan proteiinien rakennetta, merkitystä ja niiden välisiä vuorovaikutuksia. Proteiinien tuntemuksen avulla voidaan ymmärtää esim solujen välistä viestintää ja kehittää tämän tiedon avulla entistä tehokkaampia lääkkeitä.

Systeemibiologiassa tarkastellaan geenejä sekä proteiinien vuorovaikutuksia toisiinsa ja ympäristöönsä. Se voi olla avain esim syöpien hoitoon. Bioinformatiikka puolestaan käyttää apunaan matematiikan, tietojenkäsittelyn ja tilastotieteen menetelmiä. Bioinformatiikan avulla voidaan tulevaisuudessa korvata työläitä ja pitkäkestoisia laboratoriokokeita tietokonemallinnuksella.

Fysiikka 2: luku 8 Energiavarat

Yhteen energiantuotantomuotoon ei tulisi sitoutua, koska valinnan mukana tulevat myös sen haitat.

Erilaisten energiantuotantomenetelmien käyttäminen varmistaa energiansaannin silloin, kun jonkin energialajin saatavuus heikkenee tai hinta kohoaa. Energialähteen valinnan kriteerejä ovat mm. ympäristöystävällisyys, riittävyys, kotimaisuus ja saatavuus.

Luonnon energiavarat ovat perusenergiavaroja eli primaarisiä energialähteitä. Nämä varat jaetaan uusiutuviin ja uusiutumattomiin. Ydinenergiaa lukuun ottamatta niiden sisältämä energia on viime kädessä peräisin Auringon ydinreaktioista. Näistä lähteistä saatu energia on sekundaarienergiaa. Esim lämpö- ja sähköenergia.

Uusiutumattomia energialähteitä

-         kivihiili

-         öljy

-         maakaasu

-         uraani

-         fuusioenergia (kehitteillä)

Uusiutuvia energialähteitä

-         aurinkoenergia

-         vesivoima

-         tuulienergia

-         geoterminen energia

-         maalämpö

-         biomassa

Kivihiiltä on saatavilla hyvin suuria määriä eri puolilta maapalloa, ja se on halpaa. Sitä siis riittää energialähteeksi, mutta sen ympäristövaikutukset ovat jo nyt suuri ongelma. Vesi- ja tuulivoimalat käyttävät hyväksi veden ja ilman luonnollista kiertokulkua, joka ei koskaan lopu. Myös metsissä kasvava uusiutuva biopolttoaine on ehtymätön luonnonvara, jota voidaan käyttää yhtä paljon kuin sitä kasvaa lisää.

Öljyä on käytetty laajasti energialähteenä sata vuotta, ja hyvälaatuinen öljy riittänee 40-100 vuodeksi, ellei sen kulutusta saada voimakkaasti laskemaan. Maakaasua on suunnilleen yhtä paljon kuin hyvälaatuista öljyä. Mutta energian riittävyys ei tule olemaan ongelma, kun siirrytään uusiutuvien energiavarojen käyttöön.

Suomen energiavarat

Vesivoima, ydinvoima ja polttoprosessit ovat Suomen tärkeimmät energialähteet. Tärkein tuontienergialähde on öljy, jota tuodaan Suomeen eniten Venäjältä. Uusien vesivoimalaitosten hyötysuhde on yli 90 %, ja polttoprosesseilla toimivissa lauhdevoimalaitoksissa tuotetaan pelkästään sähköä.

Suomen tärkeimmät kotimaiset energiavarat ovat turve, vesi ja puu. Turve ja erilaiset puuperäiset biopolttoaineet muodostavat suuren energiavarannon, jota on toistaiseksi hyödynnetty vain vähän.

Voimalaitoksen päästöt voidaan jakaa ilma- ja vesipäästöihin sekä kiinteisiin jätteisiin. Ympäristön kannalta energiatuotannon huolenaiheita ovat ympäristön happamoituminen, ilmastonmuutos sekä luonnonvarojen ja luonnon monimuotoisuuden väheneminen.

Rikkidioksidi on vakavin fossiilisia polttoaineita käyttävien voimaloiden haitta kasvillisuudelle ja terveydelle. Lisäksi ilmakehään pääsee polttoprosesseissa raskasmetalleja, hiukkasia sekä hiilidioksidia, joka on kasvihuoneilmiön suurimpia kiihdyttäjiä. Happamoittavat päästöt aiheuttavat ongelmia myös vesistöissä.

Pitkäaikaiselle ja keskeiselle energialähteelle asetettavat perusvaatimukset ovat riittävyys, soveltuvuus kaikenlaisiin käyttökohteisiin ja vähäiset ympäristöhaitat. Tähän voisivat soveltua aurinkosähkö, tuulienergia, biomassa ja vetyenergia sekä ydinenergian uudet muodot eli hyötöreaktori ja fuusio.

Vetyenergia on täysin saasteeton, sillä energian lisäksi syntyy vain vettä. Siksi se onkin varteenotettava tulevaisuuden energialähde. Vedystä tuotetaan polttokennoissa sähköä ja lämpöä. Polttokennon raaka-ainetta, vetyä, saadaan hajottamalla vettä sähkön avulla. Myös aurinkoenergia on tulevaisuuden energialähde. Sekin on täysin saasteeton ja lisäksi turvallinen, uusiutuva ja ehtymätön luonnonvara.  

Fysiikka 2: luku 7 Lämpöopin pääsäännöt

Lämpöopin pääsääntöjä kutsutaan myös termodynamiikan pääsäännöiksi. Sisäenergia on rakenneosasten lämpöliikkeen liike-energioiden ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summa. Systeemin sisäenergiaa kutsutaan tilanfunktioksi, koska sen arvo riippuu ainoastaan systeemin senhetkisestä tilasta. Sisäenergian arvoon ei vaikuta se, miten tilaan on päädytty. Sisäenergia voi muuttua työn ja lämmön seurauksena.

Systeemiin tehty mekaaninen työ W kasvattaa systeemin sisäenergiaa, ja systeemin ympäristöön tekemä työ taas pienentää sisäenergiaa. Systeemi tekee työtä ympäristöön esim silloin, kun se laajetessaan työntää tieltään ilmaa tai muuta ympäristössä olevaa ainetta.

Lämpöopin nollannen pääsäännön mukaan: jos systeemi A on lämpötasapainossa systeemien B ja C kanssa, silloin myös systeemit B ja C ovat lämpötasapainossa keskenään eli kaikilla kolmella systeemillä on sama lämpötila. Systeemin sisäenergian arvoa ei voida määrittää. Sen sijaan voidaan tarkastella sisäenergian muutoksia. Systeemin sisäenergian muutos on:

∆U = Q + W

jossa Q on lämpönä systeemiin tai systeemistä siirtynyt energia ja W on systeemiin tehty tai systeemin tekemä työ. Lämpöopin ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemin sisäenergian muutos on systeemin ja ympäristön välillä lämpönä siirtyneen energian ja tehdyn työn summa.

Kun lämpönä siirtynyt energia Q tai työ W on

-         positiivinen, energiaa siirtyy systeemiin

-         negatiivinen, energiaa siirtyy systeemistä ympäristöön.

Mekaanisen energian määrä ei aina säily, vaan osa siitä voi muuttua esim kitkan vaikutuksesta sisäenergiaksi. Energian kokonaismäärä pysyy kuitenkin aina muuttumattomana.

Lämpöopin toisen pääsäännön mukaan energiaa siirtyy lämpönä aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan ja niin kauan, kunnes saavutetaan lämpötasapaino. Sama laki voidaan sanoa näinkin: Eristetyn systeemin epäjärjestys kasvaa, kunnes systeemi saavuttaa tasapainotilan. Epäjärjestys ei koskaan itsestään vähene.

Tasapainotila on systeemin epäjärjestynein tila. Epäjärjestyksen kasvaminen tarkoittaa energian ja aineen jakautumista yhä tasaisemmin systeemissä. Entropia kuvaa epäjärjestyksen määrää. Mitä suurempi epäjärjestys on, sitä suurempi on entropia. Luonnossa spontaanisti tapahtuvat ilmiöt lisäävät entropiaa.

Laajenevan kaasun tekemä työ

Laajetessaan vakiopaineessa eli isobaarisesti kaasun tekemä työ on

W = p∆V

Jos kaasua lämmitetään vakiopaineessa ja se ottaa vastaan lämpönä energian Q ja tekee samalla ympäristöön työn W, lämpöopin ensimmäinen pääsääntö kirjoitetaan muotoon

∆U = Q + W = Q – W = Q - p∆V

Tuossa työn eteen tulee miinusmerkki, koska se on systeemin tekemä työ, ei systeemiin tehty työ!

Lämpövoimakoneet

Lämpövoimakoneessa lämpö muuttuu osittain (mekaaniseksi) työksi. Lämpövoimakoneen toiminnan edellytys on lämpötilaero. Koneet voivat toimia vain, kun ne saavat energiaa. Polttoaineen lämpöarvo eli palamislämpö H ilmoittaa, kuinka paljon palamisreaktiossa vapautuu energiaa Q polttoaineen massayksikköä kohti. Polttoaineen lämpöarvo on

H = Q / m

jossa Q on palamisreaktiossa vapautuvan energian määrä ja m poltettavan aineen massa. Polttoaineesta vapautuvan energian määrä saadaan yhtälöstä

Q = Hm

Lämpövoimakoneen toimintaperiaate

Lämpövoimakoneen toiminta edellyttää, että energia kulkee itsestään koneen läpi, jolloin osa tästä energiasta muuntuu mekaaniseksi työksi. Energian siirtyminen itsestään taas edellyttää lämpötilaeroa koneen yhteydessä olevien lämpövarastojen (säiliöiden) välillä. Lämpövoimakoneet toimivat jaksollisesti siten, että tietty tapahtumasarja toistuu.

Jokaisella kierroksella prosessin alussa lämpövoimakoneen aineeseen, kuten kaasuun, siirtyy lämpösäiliöstä energia Q1. Tämän jälkeen kaasun sisäenergia pienenee ja kaasu luovuttaa energian Q2 kylmäsäiliöön. Lämpövoimakone käyttää energioiden erotuksen Q1- Q2 mekaanisen työn W suorittamiseen. Lämpövoimakoneen hyötysuhde on

η = W / Q1 = Q1-Q2 / Q1

Lämpövoimakoneiden hyötysuhde voidaan esittää myös lämpötilojen avulla, kun T1 on lämpösäiliön ja T2 kylmäsäiliön lämpötila. Tätä hyötysuhdetta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi, ja se on lämpövoimakoneen hyötysuhteen teoreettinen yläraja. Carnot –hyötysuhde:

ηmax = T1-T2 / T1

Hyötysuhde on sitä suurempi, mitä suuremmalla lämpötilavälillä lämpövoimakone toimii. Jäähdytyskone siirtä energiaa lämpönä kylmemmästä säiliöstä lämpimämpään ja käyttää tähän siirtoon mekaanista energiaa. Prosessi jäähdyttää kylmäsäiliötä ja lämmittää lämpösäiliötä. Jäähdytyskone tarvitseekin toimiakseen ulkopuolista energiaa. Jäähdytyskoneet toimivat päinvastaiseen suuntaan kuin Carnot´n lämpövoimakone.