Biotechnológia

A biotechnológia fogalma és eredete

Tágabb értelemben a biotechnológia biológiai és a biológia mellett más tudományos ismeretek alkalmazása valamilyen gyakorlati cél elérésének az érdekében. Az őskor végén a növénytermesztéssel, állattenyésztéssel és állatok háziasításával szinte egy időben megjelenő nemesítéssel az ember befolyálsolta az élőlények örökítőanyagát, azaz dezoxiribonukleinsav (DNS) molekuláit. Bizonyos értelemben a nemesítés már biotechnológiának tekinthető, mivel a megfelelő tulajdonságú élőlények kiválogatásával (mesterséges szelekcióval) és pároztatásával (keresztezésével) az emberi céloknak jobban megfelelő állat- és növényfajtákat hoztak létre. A mikroorganizmusokat szintén felhasználták különböző élelmiszerek, mint a kenyér, a sajt és a sör, készítésére már a civilizációk megjelenésének a kezdetén. A technológia szó használata a fenti esetekre némiképp túlzás abból a szempontból, hogy a korai nemesítés, vagy a mikroorganizmusok felhasználása nem igényelt semmilyen mélyebb tudományos ismeretet. A korai nemesítés például arra az egyszerű gondolatra épült, hogy a kedvező tulajdonságú élőlények kiválasztása és párosítása még kedvezőbb tulajdonságú utódokat fog eredményezni (például a gyorsan futó lovaknak még gyorsabban futó csikója lesz).

Klón és klónozás

Klónnak hívunk egy sejtet vagy egy többsejtű élőlényt, amely genetikailag azonos másolata egy másik sejtnek vagy többsejtű élőlénynek. A klón definíciójából következik, hogy a természetben a mitózissal (számtartó osztódással) létrejövő sejtek és többsejtű élőlények klónok. A többsejtű élőlényekre jó példa az egypetéjű ikrek, amikor egy zigótából mitózisok sorozatával több személy fog kifejlődni. Az ivartalan szaporodás szintén mitózisra épül, tehát az is klónokat fog eredményezni. A klón kifejezést leginkább akkor használják a fenti esetekben, ha kifejezetten a genetikai azonosságot szeretnék hangsúlyozni az utódsejteknél vagy utódoknál. A klónozás szó a klónok emberi beavatkozással történő létrehozását jelenti. A növényekre jellemző az ivartalan szaporodás, így a mezőgazdaságban a növények ivartalan szaporodási potenciálját kihasználva sokszor klónozzák a kiemelkedően jó tulajdonságú növényi egyedeket. A növények legtöbb mezőgazdasági vagy kertészeti klónozása nem igényel fejlett technológiát. Például a dugványozás során az anyanövényről levágott friss hajtást egyszerű kezelés után a földbe ültetve új növényegyedet hoznak létre. Talán a legközismertebb klónozás fajta a többsejtű élőlény teljes klónozása. Ez már fejlett technológiát igényel. Például egy emlős klónozása során eltávolítják egy állatból kiemelt petesejt sejtmagját, majd egy felnőtt állat testi sejtjének sejtmagját juttatják be a petesejtbe az eredeti sejtmag helyére. Az így létrehozott petesejtet beültetik egy anyaállat méhébe, ahol a petesejtből a felnőtt állattal genetikailag azonos új egyed természetes módon kifejlődik. A fenti klónozás fogalommal szemben a molekuláris klónozás egy géntechnológiai fogalom, a nevével ellentétben nem hoz létre sejt- vagy élőlény klónokat, hanem itt a klónozás szó egy DNS molekula bizonyos technikával történő megsokszorozását jelenti.

Géntechnológia

Mi a géntechnológia?

A géntechnológia egy élőlény vagy egy biológia rendszer örökítőanyagának különböző laboratóriumi módszerekkel történő módosításait és felhasználását foglalja magában. Beleértjük a gének (egy fehérjelánc információját tartalmazó DNS szakasz) fajhatárokon belüli és fajhatárokon át történő átvitelét, vagy a gének eltávolítását egy élőlényből. Már csak az alapvető géntechnológiai módszerek is rendkívül változatosak, ráadásul sokszor össze lehet őket kapcsolni bonyolultabb módszereket létrehozva, szóval alább csak a legközismertebb módszerekből villantunk fel néhány jellemző példát.

Rekombináns DNS technológia

A DNS módosítás épülhet olyan DNS-re, amely megtalálható a természetben, vagy amelyet teljese egészében kémiai szintézissel állítanak elő, de lehet olyan is, amelyet természetben előforduló DNS szakaszok összeillesztésével, azaz rekombinációjával hoznak létre. Ez utóbbit hívják rekombináns DNS technológiának, amelynek az a jelentősége, hogy a további biotechnológiai igényeknek pontosan megfelelő DNS molekulák hozhatók létre vele, nem csak olyanok, amik a természetben már eleve léteznek. Az első rekombináns DNS technikákban az élőlényekből vagy vírusokból kivont DNS molekulák megfelelő szakaszait apró kémcsővekben szintén élőlényekből kivont vágó fehérjeenzimekkel, úgynevezett endonukleázokkal, metszették ki. A különböző, kivágott DNS szakaszokat megfelelő sorrendben ligáz fehérjeenzimekkel összeragasztották, és így létrehoztak, egy új, a természetben nem létező DNS molekulát.

Molekuláris klónozás

Az első rekombináns DNS technika a molekuláris klónozás volt, amelynek sokfajta géntechnológiai célja lehet. A végső céltól függetlenül fontos az, hogy a módszer magában foglalja a rekombináns DNS molekula megsokszorozását az adott rekombináns DNS molekulát magukban hordozó baktérium sejtklónokban. Az adott DNS molekula megsokszorozása kulcsjelentőségű volt a korai biotechnológiai módszerek számára, mivel ezeknek jó része csak jelentős mennyiségű DNS molekulával tudott működni. A módszer során egy tetszőleges eredetű DNS szakaszt egy olyan DNS molekulával ragasztottak össze egy apró kémcsőben, amely lehetővé tette a baktériumoksejtekben történő DNS másolást, azaz sokszorosítást. Ezután a létrehozott rekombináns DNS-t a baktériumsejt belsejébe juttatták egy vektorral, amely általánosságban a DNS beviteléhez használt biológiai rendszert jelöl. Vektor lehet például egy plazmid vagy egy vírus. A baktériumsejt tartalmazta a DNS másolást elvégző fehérjeenzimet, a DNS-polimerázt, amely a baktériumsejt belsejébe bevitt rekombináns DNS-t sokszorosította. A baktériumsejtek a saját örökítőanyaguk mellett tovább örökítik a rekombináns DNS-t is az utódsejtjeiben. Tehát az eredeti baktérium, amelybe bejuttatták a rekombináns DNS, nagyon sok sejtklónt hozott létre, és így a rekombináns DNS-nek is rengeteg másolata volt megtalálható sejtklónokban. A baktériumklónokból nagy mennyiségű DNS molekulát lehetett kivonni, és további célokra felhasználni.

Polimeráz-láncreakció

A polimeráz láncreakció (polymerase chain reaction, PCR) és PCR készülék első változatai a DNS molekula megsokszorozására voltak képesek, a molekuláris klónozásnál jóval rövidebb idő alatt, illetve kisebb munkaigénnyel. A módszer baktériumból kivont DNS-polimerázt használ fel egy adott DNS szakasz PCR készülékben történő ciklikus sokszorosítására. A géntechnológiai céloktól függően a PCR bizonyos esetekben kiváltotta a molekuláris klónozást, bizonyos esetekben kiegészítette azt.

Génszerkesztés

A molekuláris klónozás vagy a PCR célja az adott DNS szakasz megsokszorozása, amelyet ezek után sokfajta géntechnológiai célra fel lehet használni. Az egyik ilyen cél az adott DNS szakasz beépítése egy sejt, illetve a sejtből származó élőlény örökítőanyagába. A sejt vagy az élőlény ezek után a kívülről származó, de beépült örökítőanyagot ugyanúgy fogja kezelni, mint a sajátját. A korai géntechnológiai módszerekben az adott DNS szakaz beépülése a gazdasejt örökítőanyagába véletlenszerűen történt meg. Később megjelentek a génszerkesztési technikák, amelyek már a gazdasejt örökítőanyagának egy jól meghatározott helyére tudták bevinni a külső forrásból származó DNS-t.

Biotechnológia a mezőgazdaságban

Talán a legismertebb biotechnolóigai fogalom a mezőgazdaság területéhez kapcsolódóan a genetikailag módosított élőlények (genetically modified organisms vagy röviden GMO), amely olyan élőlényeket takar, amelyeknek örökítőanyaga kisebb vagy nagyobb mértékben módosítva van biotechnológiai módszerekkel. Természetesen GMO nem csak növény lehet. Például az első GMO-k között voltak azok a baktériumok, amelyeket a molekuláris klónozáshoz használtak fel. GMO-k a teljes élőlény klónozással létrehozott állatok is.

A génmódosított haszonnövényekbe általában más élőlényekből származó géneket visznek be, hogy ezzel kedvezőbb tulajdonságokkal ruházzák fel a növényeket. Az első génátvitellel módosított növényeket bizonyos kártevőkkel, betegségekkel vagy vegyi kezelésekkel szemben tették ellenállóvá. Például az Egyesült Államokban a termesztett szója- és kukoricanövény döntő többsége rendelkezik a génmódosítással, amely ellenállóvá teszi a növényi egyedeket bizonyos gyomírtó szerekkel szemben. Tehát hatékonyabban lehet használni az adott gyomirtó szert ezeknek a génmódosított növényeknek a termőterületein, mert a haszonnövények ellenállóbbak lesznek vele szemben. A későbbi génmódosított növényekben további tulajdonságokat is módosítottak, mint például a tápanyag összetételt, vagy az ipari célokra történő felhasználhatóságot.

Biotechnológia az orvostudományban

Az emberi gyógyászat kiemelt jelentőségű a biológiai ismereteket felhasználó tudományágak között, így nem véletlen, hogy a biotechnológia számos, különböző módon járult hozzá az utóbbi bő fél évszázadban az orvostudomány fejlődéséhez. A fejlődésnek tudományos felfedezések sora adott lökésszerű lendületet. Ilyen volt a DNS szerkezetének felfedezése 1953-ban, a Sanger DNS szekvenálás, azaz a DNS bázissorrend laboratóriumi meghatározásának, kifejlesztése 1977-ben, vagy a Humán Genom Projekt befejezése 2003-ban. A Humán Genom Projekt az emberi genom (egy sejt vagy élőlény teljes örökítőanyaga) DNS szekvenálását végezte el, amely lehetővé tette a genom által tárolt biológiai információk megfejtését. A projekt a Sanger DNS szekvenálás egy automatizált változatát használta ehhez, de szintén használtak szuperszámítógépeket a munkák során. Az informatika egyre intenzívebb használata a biológia területén önálló tudományággá fejlődött mára, amit bioinformatikának nevezünk. A Humán Genom Projekt eredményét szabadon elérhetővé tették, amely jelentősen felgyorsította a géntechnológiai eljárások tervezését, és ezáltal ezen eljárások felhasználását az orvostudományba. Például a DNS szekvencia információk alapján tervezték meg az első DNS-chipeket, amelyek többek között alkalmasak voltak a leggyakoribb genetikai változatok, illetve a különböző emberi szövetek hírvivő ribonukleotidsav (RNS) tartalmának a vizsgálatára. A biotechnológia felhasználása az orvostudományokban nem pusztán csak a Humán Genom Projekt eredményeire épül, hanem sok más területből szintén táplálkozik.

Gyógyszer előállítás

Az első géntechnológiával előállított gyógyszer a cukorbeteg kezeléséhez használt inzulin volt. Az inzulin egy hormon, amely egészséges emberben az inzulin génjéről termelődik. Némiképp leegyszerűsítve, a cukorbetegekben különböző okokra visszavezethetően az inzulin mennyisége nem elégséges, ezért pótolni kell. A géntechnológiai módszer kidolgozásáig állati eredetű inzulint használtak a cukorbetegek kezelésére, amelyek kis mértékben eltérnek az emberi inzulintól, és ezért alacsonyabb a biológiai hatásfokuk. A géntechnológiai megoldás során az emberi inzulin génjét egy baktérium plazmidjával illesztették össze, azaz rekombináns DNS-t hoztak létre. A rekombináns DNS-t baktériumsejtbe vitték be, amelynek a sejtklónjai mind tartalmazták a rekombináns DNS-t, amely meg tartalmazta az emberi inzulin génjét. A módszer tulajdonképpen lefedi a molekuláris klónozást, de azon túl lép eggyel. A rekombináns DNS nem csak sokszorosítják a baktérium sejtklónok, hanem a baktériumsejtek legyártják a humán inzulint a sejten belül. Az inzulin így a felszaporított sejtklónokból kinyerhető, és megfelelő biokémiai tisztítás után alkalmas az orvosi felhasználásra. A rekombináns DNS technológiával előállított emberi inzulin az emberi test által előállított inzulinnal megegyezik, ráadásul a gyógyszer előállítása is olcsóbb ezen a módon.

Vakcinák előállítása

A géntechnológia előtt a vakcinák, azaz védőoltások, a természetes forrásból származó legyengített vagy inaktívvá tett kórokozókat, illetve a kórokozók bizonyos részeit tartalmazták. A géntechnológia lehetővé tette az úgynevezett genetikai vakcinák kifejlesztését, amelyek a hagyományos vakcináktól eltérően hoznak létre. A genetikai vakcinákra jó példa az RNS vakcinák. Ezek a vakcinák egy hírvivő RNS molekulát tartalmaznak. A hírvivő RNS molekula egy, a kórokozó részét képző fehérjelánc információját tartalmazza. A hírvivő RNS molekula egy lipid nanorészecskébe van belerakva, amelyet az emberi testbe juttatva, képes a fehérvérsejtek belsejébe bevinni a hírvivő RNS-t. A hírvivő RNS-ben tárolt információ alapján a fehérvérsejt a saját belsejében felépíti a kórokozó fehérjéjét, ami ezek után aktiválni fogja az immunrendszert, és ezáltal kialakítja a szervezett védettségét az adott kórokozóval szemben. A koronavírus járvány megfékezéséhez használt leghatékonyabb vakcinák az RNS vakcinák közé tartoztak, és az ilyen típusú vakcinák kifejlesztésében játszott elévülhetetlen szerepéért Karikó Katalin orvosi Nobel-díjat kapott 2023-ban.

Génterápia

A génterápia olyan biotechnológián alapuló orvosi eljárás, amely a genetikai hátterű betegségek kóroki génjeinek helyettesítésével, javításával vagy inaktiválásával képesek a betegség gyógyítására, de legalábbis a tünetek enyhítésére. Az eljáráshoz DNS-t vagy RNS-t kell a beteg szervezetbe bevinni. A bevitel történhet a géntechológiai eljárásokhoz hasonlóan egy vektorral, ami a leggyakrabban egy megfelelően előkészített vírus. A másik módszer a sejtek kivétele a szervezetből, azok genetikai módosítása laboratóriumban, majd a módosított sejtek visszajuttatása a beteg szervezetébe. A génterápiának a betegség jellegétől és genetikai hátterétől függően több, különböző módja lehet. Egyrészt génszerkesztéssel kijavíthatja a hibásan működő gént. Másrészt hozzáadhat egy megfelelően működő gént a szervezet bizonyos sejtjeihez, amely az egészséges működését visszaállítja. Harmadrészt ellensúlyózhatja egy hibásan működő gén negatív hatását azáltal, hogy a hibásan működő gén mRNS-ét inaktíválja, és ezáltal csökkenti a kóroki fehérje mennyiségét a célsejtekben. A gyógyászatban jelenleg alkalmazott génterápiás módszerek száma egyelőre alacsony, de számos, ma még gyógyíthatatlan betegség válhat gyógyíthatóvá általuk a nem túl távoli jövőben.

Géntechnológia az orvosi diagnosztikában

A betegek DNS-ének a vizsgálata mára rutinfeladattá vált. Ez nem csak a genetikai betegségek diagnosztikáját foglalja magában, hanem a daganatokból kiemelt szövetmintákat DNS-ét is vizsgálják. Az adott daganat genetikai háttere hatást gyakorolhat a kemoterápiában alkalmazott gyógyszerek kiválasztására. Ezt a megközelítések személyre szabott gyógyászatnak hívják, mivel az egyének közötti genetikai különbségek a gyógyszeres terápia személyre szóló megválasztását teszik lehetővé. További diagnosztikai terület a fertőző betegségek DNS és RNS alapú kimutatása. Az ilyen eljárások épülhetnek például az eredeti PCR technika tovább fejlesztett változatára, amellyel a betegből jóval kisebb mennyiségű kórokozót is ki lehet mutatni, mint a fehérje alapú eljárásokkal. PCR-alapú technikákat használnak például a koronavírus kimutatására.

Géntechnológia az igazságügyi orvostanban

Az igazságügyi orvostan olyan személyek vizsgálatával foglalkozik, akiket külső vagy természetellenes okokból kifolyólag, például mérgezés, támadás vagy öngyilkosság miatt, megsérültek vagy meghaltak. Az ilyen jellegű vizsgálatokat a rendőri helyszínelőkről és nyomozókról szóló sorozatok meglehetősen közismerté tették, és bár a sorozatok, nem meglepő módon, mérsékelten szakszerűek, összeségben mégis jól tükrözik a valóságban történteket. A géntechnológia egyre hatékonyabbá tette a megfelelő minőségű DNS kivonását kis mennyiségű szövet maradékból, amely alkalmas a további összehasonlító jellegű vizsgálatokra. A vizsgálatok célja egy olyan DNS-en alapuló mintázatot kapni, amely alapján jól összevethetőek és egyedileg beazonosíthatóak a különböző DNS-ek. Például a tetthelyről származó és a gyanúsított DNS mintája. Az ilyen jellegű DNS vizsgálatok ugyanúgy nagy biztonsággal tudják azonosítani az elkövetőt, mint az ujjlenyomatok, és ennek nyomán, genetikai ujjlenyomat vizsgálatoknak nevezik az ilyeneket. Az igazságügyi orvostan mellett genetikai ujjlenyomat vizsgálatokat használnak más területeken is, mint például az apasági vizsgálatokban.

A biotechnológia mellett és ellen szóló érvek

A technikai fejlődés sohasem járt hátulütők nélkül, és ez természetesen így van a biotechnológiával is. Kétségtelen, hogy a biotechnológia jelentős előrelépést hozott az orvostudományban, beleértve például az új gyógyszereket, génterápiát, genetikai vakcinákat vagy a személyre szabott gyógyászatot. Továbbá a biotechnológia mezőgazdaság vagy környezetvédelem területén elért eredményei segíthetnek a helyi élelmiszerellátási problémák kezelésében, illetve hozzájárulhatnak a szennyezett területek megtisztításához, vagy a szennyezés csökkentéséhez. Másfelől jócskán merülnek fel ellenérvek is a biotechnológiával szemben. A következő bekezdésekben a teljesség igénye nélkül térünk ki néhányra.

Etikai és társadalmi aggályok

A biotechnológia egyes tevékenységei vagy eredményei ellentétesek lehetnek a társadalmak egyes csoportjainak erkölcsi elveivel, amik akár jelentős társadalmi konfliktusokhoz vezethetnek. A biotechnológia intenzíven manipulálja az élőlények, köztük az ember, DNS-ét, ami felvetheti a kérdést, hogy etikus-e ez a beavatkozás a „természet rendjében” vagy az „isteni akaratba”. (A fogalmak idézőjelbe kerültek, mert a természettudományok tárgykörén kívül esnek. Természetesen ez nem jelenti azt, hogy ne lennének érvényesek más szempontból.) Különösen igaz ez az élettelen anyagokból élőlények létrehozására, vagy az ember teljes klónozására. Egy ember teljes genomjának szekvenálása már észszerű áron elérhető, ami a személyes genetikai adatok kezelésének és felhasználásának a kérdését veti fel. Például egy életbiztosítás megkötésekor vajon felhasználhatja-e a biztosító a biztosítási összeg meghatározásánál a biztosított személy teljes genetikai profilját, vagy sem? Bár a génmódosított növények egy része kifejezetten a szegényebb országok élelmezési problémáinak enyhítésére lett kifejlesztve, általánosságban mégiscsak aggályos a biotechnológiai eredményekhez való hozzáférésben tapasztalható egyenlőtlenségek. A biotechnológiai fejlesztések jó részét profitorientált cégek végzik, akik a fejlesztésekbe befektetett jelentős pénzösszegek megtérülését várják el, tehát a biotechnológiai termékeik drágák lesznek. Ezekhez a biotechnológiai eredményekhez vagy termékekhez nem fognak hozzáférni a szegényebbek, ami tovább növelheti a meglévő társadalmi és gazdasági egyenlőtlenségeket.

Biztonsági aggályok

A biotechnológia tevékenységek és eredmények sok, különféle biztonsági kérdést vetnek fel. Az emberi génterápiák előre nem látható mellékhatásokkal járhatnak, szélsőséges esetben a jövő generációira is hosszútávú hatást gyakorolhatnak. Bár ez idáig nem tudunk ilyenről, de az emberi fogyasztásra szánt génmódosított növények szintén okozhatnak előre nem látható egészségügyi problémákat. Ezen felül a génmódosított növények természetes élőhelyeken való elterjedése nem kívánt ökológiai következményekkel járhat, mint például az őshonos növények kiszorulása az élőhelyekről. Továbbá a biotechnológia rosszhiszemű felhasználása felveti a bioterrorizmus lehetőségét, mivel a biotechnológiai eljárásokkal természetben nem létező, ragályos és halálos kórokozók is kifejleszthetőek.

Ha nem csak a biotechnológia, hanem az érettségi más biológia tudományágai is érdekelnek, akkor jó kiindulópont lehet a Budapesti Reáltanoda kezdőlapja.

Bioinformatika

Mi a bioinformatika?

A bioinformatika határterületi tudományág, tehát több, különböző tudományág ismereteit és módszereit egyesíti. A biológia és informatika kézenfekvő módon ilyen tudományág, de a bioinformatika szintén átfedésben van a matematika, orvostudomány kémia és fizika területeivel. A bioinformatikát lehet a biotechnológia egy részterületeként is értelmezni, de ez inkább definíció kérdése, mintsem konszenzus besorolás. A bioinformatika kiindulási adatai biológiai vagy orvosi eredetűek, és ezen adatok rendszerezéséhez, elemzéséhez, interpretálásához és közzétételéhez kínál informatikai, matematika és statisztikai alapokon nyugvó módszereket és szoftvereket. A bioinformatikai adatfeldolgozás alapvető célja, hogy viszonylag könnyen értelmezhető eredményekkel lássa el a biológiai és orvostudományi kutatásokat, illetve egyre elterjedtebben, a gyógyászatot. Bioinformatikai módszereket és szoftvereket szerteágazó biológiai és orvosi területen alkalmaznak, de ezek közül a dezoxiribonukleinsavhoz (DNS) kötődő területek kiemelkedőek.

DNS szekvencia és szekvenálás

Általánosságban szekvenciának nevezik valamilyen dolgoknak az egymásra következését, sorrendjét. Egy DNS szál a nukleotid molekulák láncszerű sorba kapcsolódásával épül fel. A DNS lánc négyféle nukleotidból áll, így a DNS láncot elképzelhetjük, mint egy gyöngysort, ahol a nukleotidok gyöngyök, és ami négy különböző színű gyöngyből áll. A gyöngysor lehet rövidebb vagy hosszabb, és a négyféle gyöngy sorrendje, tehát a szekvenciája, teljesen szabálytalan is lehet. Ha egy DNS lánc szekvenciáját elemezik, akkor a négyféle nukleotidot, vagy az előző példában szereplő négy különböző színű gyöngyöt, A, C, G és T betűvel jelölik. Tehát a négyfajta nukleotid szekvenciáját, amelyek a fizikai valóságban felépítik a DNS láncot, elvont formában a nukleotidokat jelölő betűk egymás mellé helyezésével írják le. Egy adott, fizikailag létező DNS lánc vagy láncrészlet szekvenálása a négyféle nukleotid betűjeléből felépülő, hosszú betűláncnak a laboratóriumi meghatározását jelenti. Ez igencsak leegyszerűsítve hasonlít arra, mintha a gyöngyök sorrendjét írnák betűk sorozatával. A fizikailag létező DNS lánc szekvenciáját elvont módon, betűk sorozataként is ismerni fogjuk a szekvenálás után.

DNS szekvencia annotálása

A DNS a sejtek örökítőanyaga, amely a sejtek felépítéséhez szükséges információkat tárolja. Az egymástól eltérő információkat egymástól többé vagy kevésbé eltérő DNS láncrészletek tartalmazzák. Például a TATA-box a névben szereplő négy darab nukleotidot tartalmazza a megfelelő sorrendben. A TATA-box egy bizonyos sejtműködést fog aktiválni, tehát az adott működésre vonatkozó információt tárolja. A TATA-box előtti és utáni közvetlen nukleotidok általában nem hordoznak semmilyen jelentést, és ennek megfelelően véletlenszerűeknek tekinthetőek. Annotációnak hívjuk a jelentéssel bíró DNS láncrészletek megjelölését a teljes DNS lánc nukleotidjai között. Például vegyük a CCTGAAGGATCTAGTC szekvenciájú DNS láncot. A lánc középen tartalmazza az AGGAT szekvenciát, ami, tételezzük fel, azt a jelentést hordozza, hogy a ki kell teregetni (fel kell aggatni) a kimosott ruhát. A DNS láncrészlet többi nukleotidja nem tartalmaz semmilyen információt. Tehát ha megjelöljük az AGGAT nukleotid ötöst a DNS láncon, és hozzátársítjuk az általa hordozott információt, akkor annotáljuk. A DNS szekvenálás önmagában nem fogja feltárni a különböző láncrészletekben rejlő biológiai információt. Az annotáláshoz szükséges információkat a szekvenálást kiegészítő laboratóriumi módszerekkel lehet meghatározni, vagy bioinformatikai módszerekkel prediktálni (megjósolni).

A betegségek és a DNS szekvencia kapcsolata

Az előző bekezdések alapján felmerülhet a kérdés, hogy mi tudja értelmezni és felhasználni a DNS láncrészletekben rejlő információt. A DNS-ben tárolt információt legtöbbször fehérjék tudják felhasználni. Ha a DNS láncot egy könyvnek tekintjük, ami a sejt felépítésére vonatkozó információkat tartalmazza, akkor a fehérjék a robotok, amelyek a sejt felépítését elvégzik. A fehérjék viszont szintén a sejt részei, tehát a fehérjék felépítésének az információit is a DNS lánc tárolja. Egy DNS láncrészletet, amely egy fehérjelánc felépítésének az információját tartalmazza, génnek nevezik. Egyszerűsítsük most le az ember genetikáját, és tételezzük fel, hogy a sejt felépítésének információját egyetlen egy DNS lánc tartalmazza. Két ember egy adott génjének DNS szekvenciája kis mértékben eltérhet egymástól, ami az adott fehérje felépítésében szintén megmutatkozhat. Szerencsétlen esetben a gén szekvenciája olyan fehérjeláncot kódol, amely nem tudja ellátni a feladatát a sejt felépítésében. Például tételezzük fel, hogy egészséges emberekben AGCCATGCCCTGATTCA DNS láncon az ATGCCCTGA nukleotidok tartalmazzák egy fehérjelánc felépítésének az információját. Az emberek egy kis hányada, viszont az ATGTCCTGA láncrészletet hordozza, amelyben a negyedik nukleotid T az egészséges emberekben megtalálható C helyett. Ez az egyetlen nukleotid különbség működésképtelenné teszi a fehérjét. Tehát a fehérjét kódoló láncrészletben, a génben csak egyetlen nukleotid hiba van, de ez mégis kihatással lesz az egész sejt vagy szervezet működésére. Egy működésképtelen fehérje betegséghez vezethet, amelynek a tünetei összefüggésben lesznek a működésképtelen fehérje sejten belüli feladataival. Genetikai betegségnek hívjuk az ilyen rendellenességeket, mivel a betegség az örökítőanyagból, a DNS láncból ered. A bioinformatikának egyik legjelentősebb vívmánya az ember genetikai betegségeinek megértésében és gyógyításában van, de ezen kívül más területeket is forradalmasított.

A bioinformatika más felhasználási területei

Röviden, a teljesesség igénye nélkül felsorolunk néhány jelentős bioinformatikai területet, amelyet az előző bekezdésekben nem tárgyaltunk.

Biológiai adatbázisok

A bioinformatika egyik alapvető célja, hogy a különböző természetű adatokat viszonylag könnyen átlátható és érthető formában elérhetővé tegye a megfelelő szakembereknek. Az adatelemző és informatikai módszerekkel összegyűjtött és rendszerezett adatokat biológia adatbázisokban teszik elérhetővé. Rengeteg különböző tematikájú adatbázis érhető el ingyen vagy előfizetéssel, amelyek a különböző élőlények DNS szekvenciáitól kezdve a fehérje térszerkezetekig ezerféle dologról tartalmaznak információkat.

Evolúciós törzsfák

Különböző fajok, egymásnak megfelelő DNS szekvenciáinak az összehasonlításával a fajok evolúciós kapcsolataiba lehet betekintést nyerni, ami különösen fontos a modern rendszertan számára. Az eljárás során azzal az alapfeltételezéssel élünk, hogy a DNS-nek a sejt vagy az élőlény működését nem befolyásoló változásainak a száma arányos az eltelt idővel. Tehát ha két rokon faj megfelelő DNS szekvenciái kevesebb DNS szekvencia különbséget tartalmaznak, akkor időben is közelebb vannak a jelenhez, amikor a két faj még nem különült el egymástól. Ha két rokon faj között több DNS szekvencia különbség van, akkor a két faj elkülönülése régebben történt meg. Több rokon faj evolúciós kapcsolatainak ábrázolására gyakran törzsfát használnak, amelyről az egyes fajok rokonsági foka, azaz melyek a közelebbi, és melyek a távolabbi rokonok, illetve akár a fajok szétválásának a hozzávetőleges ideje is leolvasható.

Nagy méretű adathalmazok bioinformatikája

A fejlett laboratóriumi eljárások már képesek egy sejt vagy egyed teljes örökítőanyag állományát, szaknevén genomját, meghatározni (megszekvenálni). A genomhoz hasonlóan egy sejt vagy szövet teljes fehérje tartalmát, sőt, a DNS és fehérjék közé funkcionálisan beékelődő összes hírvivő (messenger) ribonukleinsavját (mRNS-ét), is képesek vagyunk már átfogóan feltérképezni. (Egy sejt vagy szövet teljes mRNS tartalmát hívjuk transzkriptomnak, amíg a teljes fehérje tartalmát proteomnak.) Mivel a különböző élőlények genomjai több milliárd DNS nukleotidot is tartalmazhatnak, illetve egy sejtben sok ezer különböző mRNS és fehérje is lehet, a fejlett laboratóriumi eljárások igen nagy mennyiségű adatot eredményeznek. A nagy méretű adathalmazok (big data) elemzése komplex módszereket igényelnek általánosságban az informatika egész területén, hiszen nem feltétlen csak a biológia laboratóriumokból származhat nagy mennyiségű adat. Összefoglalva, a bioinformatika módszerek jelentős hányada a picivel feljebb említett „big data” elemzésével van átfedésben.

Bioinformatikia predikciók

A bioinformatikai predikciók különösen fontosak azokon a területeken, ahol a biológiai adatok kísérletes vizsgálata az átlaghoz képest is munka- és időigényes. Ilyen terület például a fehérjék térszerkezetének vagy a gyógyszermolekulák bioinformatikai predikciója. A predikció szakszó nagyjából jóslást jelent, tehát a predikcióval kapott eredmény jellemzően sokkal több bizonytalanságot hordoz, mint a kísérletes eredmény. A predikciók a nagyobb bizonytalanság ellenére is sokat segíthetnek. Például predikció alapján meg lehet határozni, hogy valószínűleg melyik gyógyszermolekula lesz hatékony. Tehát a munka- és időigényes kísérleteket a predikció által kiválasztott gyógyszermolekulákon lehet elkezdeni, ami sokkal hamarabb vezethet valós eredményhez, mintha csak véletlenszerűen tesztelnénk a molekulákat.

Rendszerbiológia és hálózatelemzés

Különböző sejtalrendszerek összetett kapcsolatainak a bioinformatikai elemzésével és megjelenítésével foglalkozik a rendszerbiológia, amely megpróbálja a rendszert egységes egészként vizsgálni, mintsem az alrendszereket egymástól elkülönítve. Gyakran a hálózatelemzés módszerét használja a rendszerbiológia, de a hálózatelemzés szintén felhasználható egy alrendszer vizsgálata esetén is, mint például a jelátvitel modellezésénél. A rendszerszemlélet vagy hálózatelemzés természetesen nem csak a biológia területén alkalmazható, tehát ezek általános módszerek, amelyeket teljesen más tudományágakban is fel lehet használni, mint a biológia.

Bioszféra

A bioszféra fogalma

Biológiai értelemben a bioszféra a Föld összes ökológiai rendszere együtt, amely nem csak az összes élőlényt tartalmazza, hanem az élőlények egymás közötti és élettelen környezettel való kapcsolatait is. A bioszféra szóból a szféra rész burkot jelent, amely a Föld három burkára utal; a levegő-, a víz- és a kőzetburokra. Ez a három burok jól elkülönül egymást, viszont a bioszféra nem, mivel csak részben van átfedésben a három földrajzi értelemben vett burokkal. A bioszféra fogalmának eltérő jelentése lehet más, a biológiánál kisebb tudományterületeken.

 

 

A bioszféra kiterjedése és az élőlények térbeli eloszlása

A bioszféra pontos kiterjedését nehéz körülhatárolni, mivel egy szélsőséges helyen észlelt élőlény nem feltétlen jelenti azt, hogy az élőlény képes lenne túlélni az észlelés helyén tartósan. A Föld felszíne mentén az Északi-sarkvidéktől a Déli-sarkvidékig élnek élőlények. Erősen leegyszerűsítve, az Egyenlítőtől a két Sarkvidék felé haladva egyre kevesebb élőlényt találunk az élőlények különböző társulásaiban. Függőleges irányban észleltek már karvalykeselyűt 11 km magasan, illetve a légburok nagyobb magasságaiban is találhatóak mikrobák. Halak élnek 8 km mélyen az óceánban, illetve a Föld legmélyebb óceáni árkában, a Mariana-árokban, szintén mikrobákat fedeztek fel. Mikrobák élnek az Antarktisz sok helyen több kilométer vastag jégmezői alatt. A legújabb tudományos eredmények azt mutatják, hogy messze a felszíntől, a kőzetburok mélyen is számottevő mennyiségű mikroba él. Megint csak leegyszerűsítve, a tengerszint környékén több élőlény található, mint a szárazföldön és levegőburokban felfele, illetve a kőzetburokban és vízburokban lefele haladva.

A bioszféra eredete és evolúciója

A bioszféra kora kézenfekvő módon egyidős a földi élettel. Az élet kezdetének hozzávetőleges időpontjára csak különböző, biológiai eredetű szervetlen anyagnyomokból lehet következtetni. A legrégebbi ilyen anyagnyom, amit széleskörben elfogadnak, mint bizonyíték, a 3,7 milliárd éves biológiai eredetű grafit Grönlandról. Vannak 4 milliárd évnél idősebb anyagnyomok is, amik feltételezhetően élőlények hoztak létre, de ezek biológiai eredete jól vitatottabb. A bioszféra az élőlények összetettségének növekedésével együtt lett egyre inkább kiterjed és összetett. Az első élőlények egyszerűbb felépítésű sejtek (prokarióták) voltak, amelyek a tengerben éltek, majd ezek az egyszerűbb sejtek, illetve a belőlük kifejlődött bonyolultabb felépítésű sejtek (eukarióták) és többsejtű élőlények innen népesítették be a szárazföldeket.

A bioszféra energia háztartása

A bioszférát alkotó egyed feletti szerveződési szintek, mint például a társulások, képe rendkívül változatos, ezért az élőlények mennyisége, eloszlása és ökológiai kapcsolataik bonyolultsága szintén nagyon sokszínű a Földön. Ha ettől eltekintünk, és egy egységes ökológiai rendszerként tekintünk a bioszférára, akkor a bioszféra az anyagáramlás szempontjából zárt rendszernek tekinthető. Tehát minimális anyag érkezik a bioszférába a világűrből, és minimális anyag távozik belőle a világűrbe. Az energia tekintetében viszont nyitott rendszer. A bioszférába folyamatosan érkezik a napenergia. Egyes élőlények egy biokémiai folyamattal, a fotoszintézissel, képesek megkötni a napenergiát. A fotoszintézissel energiát megkötő élőlények ökológiai szempontból a termelők közé tartoznak. A termelők döntő része napenergia segítségével állítja elő szervetlen szénvegyületekből az élőlényeket felépítő szerves szénvegyületeket, és csak jóval kisebb részük használ ehhez kémiai energiaforrásokat. A termelők által előállított szerves szénvegyületeket veszi fel közvetlenül vagy közvetve a többi élőlény, amelyeket a fogyasztó és a lebontó élőlények ökológiai kategóriájába sorolunk. A bioszféra összes termelője hozzávetőleges becslések alapján 8500 millió TJ napenergiát köt meg évente, amit a bioszféra összes élőlénye együttesen gyakorlatilag maradéktalanul elhasznál az élettevékenységeihez. Összehasonlításképp az emberiség éves energia fogyasztását 580 millió TJ-ra becsülik, ami nem sokkal kevesebb, mint a tizede a teljes bioszféra biológiai energiaigényének. A Nap szolgáltatja az összetett földi élethez szükséges hatalmas mennyiségű energiának a döntő részét.

A bioszféra biomasszája

A biomassza az összes élőlény vagy az élőlények egy részének szerves anyag tartalma egy adott területen vagy ökológiai rendszerben. A szerves anyag tartalmat ki lehet fejezni a szerves anyagok teljes tömegével, a bennük megtalálható szén tömegével vagy az energia tartalmukkal. Becslések szerint a bioszférában megtalálható összes élőlény biomasszája 550 milliárd tonna szenet (gigatonna szén, Gt C) tartalmaz. A prokarióták (baktériumok és kékmoszatok) biomasszája 77 Gt C, az egysejtű eukariótáké 4 Gt C, a gombáké 12 Gt C, a növényeké 450 Gt C és az állatoké 2 Gt C. Tehát a termelők, azaz a növények, illetve a prokarióták és az egysejtű eukarióták egy részének, a biomasszája egy nagyságrenddel nagyobb a fogyasztók és lebontók közé tartozó összes többi élőlény egyesített biomasszájánál. A gombák és a növények biomasszájának döntő része a szárazföldeken található meg. Az egysejtű eukarióták és állatok biomasszája inkább a tengervízbe összpontosul. Bár a prokarióták biomasszájának becslésében lényegesen nagyobb a bizonytalanság, mint más élőlénycsoportok esetében, azt feltételezik, hogy a prokarióták biomasszájának döntő része a kőzetburok mélyebb részeiben található meg.

Az ember hatása a bioszférára

Több mint 8 milliárd ember él a Földön, és az emberek összesített biomasszája 0,06 Gt C. Az ember által tartott haszonállatok jó része emlős, és ezek biomasszája 0,1 Gt C. Ezzel szemben a vadon élő emlősállatoké csak 0,007 Gt C. Az ember elterjedése előtti időszakban, 60-70 ezer évvel ezelőtt, a vadon élő emlősök biomasszája 0,2 Gt C volt. A természetes élőhelyek területének csökkenése nem csak az emlősöket, hanem más élőlényeket és azok biomasszáját is érinti. Például a nagyléptékű erdőirtások nem csak az erdőben élő összes élőlény természetes élőhelyét pusztítják el, hanem csökkentik a növények biomasszáját is. Hiába termesztenek az erdők eredeti területén növényeket, a termesztett növények ültetvényei a legjobb esetben is csak rendkívül alacsony ökológiai sokféleséggel jellemezhető társulásnak foghatóak fel, amelyeknek biomasszája lényegesen kisebb az eredeti erdő biomasszájánál.

Ha a bioszféra egy évi összes energia fogyasztását elosztjuk a biomassza összesített szén tartalmának tömegével, akkor 1 kg szén tartalmú biomassza fenntartására (kg C) évente átlagosan nagyjából 15 ezer kJ energia fogy el. Ugyanez a mérőszám az ember esetében, figyelembevéve a állattenyésztést is, 3600 ezer kJ energia / kg C. Az ember melegvérű emlősállat, így nagyjából egy nagyságrenddel több energiát fogyaszt el egy év alatt 1 kg széntartalomra levetítve, mint a bioszféra átlaga. Ezt a szűkebben vett biológiai igényekre felhasznált energiát levonva az összes emberi energia fogyasztásból, még mindig 3450 ezer kJ / kg C / év energia marad. Tehát az emberi energia túlfogyasztás nagyjából a 230-szorosa a bioszféra átlagos, éves, széntartalomra levetített energiaigényének. Az energia túlfogyasztás egy része tágabb értelemben vett biológiai igényeket elégít ki, mint például a klimatizált környezet fenntartása, vagy az állattenyészés. Más része nem biológiai igényeket szolgál, ilyen például az utazgatás belső égésű motorokkal hajtott közlekedési eszközökkel.

Klímaváltozás

A klímaváltozás fogalma

A közbeszédben a klímaváltozás (éghajlatváltozás) szót a legutóbbi pár száz év globális felmelegedésére és a Föld éghajlati rendszerének ezzel együtt járó tartós és jelentős megváltozására használjuk. A globális felmelegedés fogalma csak részben fed át a klímaváltozással, mivel a klímaváltozás a Föld hőmérsékletén kívül más tényezők változását is magában foglalja, mint például a csapadék mennyisége és eloszlása, vagy a légmozgások és tengeráramlások iránya. A tágabb értelemben klímaváltozásnak nevezik a Föld éghajlatának korábbi változásait is. Az éghajlat sokszor és nagy mértékben megváltozott a Föld története során. Ezeknek a változásoknak számos oka volt, mint például vulkanikus tevékenységek vagy kontinens mozgások.

A jelenlegi klímaváltozás okai

A jelenlegi klímaváltozás legfőbb okának a tudományos konszenzus a fosszilis tüzelőanyagok (kőszén, kőolaj és földgáz) elégetését és az ez által felszabaduló szén-dioxid gázt tartja. A légköri szén-dioxid, illetve a levegő más gázai, átengedik a Földre érkező napfényt, de elnyelik a Föld felszínéről visszasugárzott hőt. A jelenséget üvegházhatásnak hívják, és ennek köszönhető, hogy a Föld átlaghőmérséklete az összetett földi élővilág számára megfelelő. Az iparosodás kezdetétől, az utóbbi 300 év alatt, a légkör szén-dioxid koncentrációja 50%-kal nőt, ami az üvegházhatást fokozta, és a Föld hőmérsékletét emelte. Más mezőgazdasági és ipari tevékenységek is növelik az üvegházhatású gázok, leginkább a szén-dioxid és a metán kibocsájtását. Az emberiség további üvegházhatású gáz kibocsájtásától függ, hogy a felmelegedés és klímaváltozás mértéke és hatás mekkora lesz a jövőben.

Globális változások

A klímaváltozás többek között globális, az egész Földet érintő, változásokat foglal magában. A globális felmelegedés miatt a sarkkörök és magashegységek jégtakarója megolvad, és a felszabaduló víz az egész Földön megemeli az óceánok és tengerek vízszintjét, és csökkenti a tengervíz sókoncentrációját. Becslések szerint az óceánok vízszintjének az emelkedése 2100-ra elérheti akár a 2 métert is. Az oxigén koncentrációja fordítottan arányos a víz hőmérsékletével, így a felmelegedő vizek oxigén koncentrációja csökken. A szén-dioxid vízben oldódva szénsavat hoz létre, így a növekvő légköri szén-dioxid szint a tengervizek elsavasodásához vezet.

Helyi változások

Bár a klímaváltozás globális, éppúgy, mint egyes következményei, más változások minősége és mértéke eltérhet különböző területeken. Az utóbbi pár száz év hőmérséklet emelkedése jóval magasabb az Északi-sarkvidéken, mint a Föld más területein. Sok országnyi területek éghajlatát befolyásolhatja a jelenlegi tengeráramlatok leállása vagy megfordulása, amely a tengervizek hőmérséklet emelkedése és sókoncentráció csökkenése miatt következhet be. Egyes szárazföldi területeken a csapadék mennyisége csökken, és az aszályok gyakoribbá válnak. Szélsőséges esetben ezek a földterületek elsivatagosodhatnak. Más területeken nő a csapadék mennyisége, és az árvizek lesznek gyakoribbak. Továbbá a csapadék évszakos eloszlása megváltozhat, és a szélsőséges időjárási jelenségek, mint például a hurrikánok, özönvízszerű esőzések és hőhullámok, gyakorisága szintén megnőhet.

 

 

A klímaváltozás hatása az élővilágra

A tengeri és szárazföldi élőlények elterjedési területe meg tud változni, így képesek lehetnek követni a felmelegedés következtében általánosságban a Sarkvidékek és magasabb tengerszint feletti területek felé mozgó éghajlati zónákat. A hidegebb éghajlatú élőhelyek viszont eltűnnek, illetve globális változások, mint például óceánok oxigénszintjének csökkenése és savasodása, szintén élőhelyek megszűnését okozhatják. Tehát bizonyos élőlények számára alkalmas élőhelyek teljes egészében eltűnhetnek a Földről. Az élőlények evolúciós alkalmazkodása sokszor nem tudja követni a környezeti tényezők pár száz év alatt végbemenő intenzív változását. A gyors evolúciós alkalmazkodásra képtelen, elterjedési területüket nehezen megváltoztató fajok fennmaradását a környezetben bekövetkezett változások veszélyeztetik, az ilyen fajok könnyen kipusztulhatnak. Egyes fajok kihalása, más, jól alkalmazkodó fajok elszaporodása a társulások stabilitását csökkentik, amelyek az ökológiai problémák tovább gyűrűzését okozhatják.

A klímaváltozás hatása az emberiségre

A klímaváltozás az egész világon hatással van ez emberek életére, de az egyenlítőhöz közeli területen élő, fejlettlen gazdaságok lakóit nagyobb mértékben fenyegetik a káros következmények. Hosszabb távon a tengerparti területeken élők lakóhelyeit elöntheti a víz. A tartós szárazsággal sújtott területeken súlyos vízhiány léphet fel. A tengeri társulások károsodása csökkenti a lehalászható fogás mennyiségét, egyes szárazföldi területeken a haszonnövények terméshozama csökken, és az állattenyésztés ellehetetlenülhet a víz- és takarmánynövényhiány miatt. Szegényebb országokban az élelem hiánya akár kiterjed éhínségekhez vezethet. A melegebb éghajlatú országokban a hőhullámok az ember hőmérséklet-tűrőképességének felső határát is elérhetik, közvetlenül veszélyeztetve a lakosok életét. Trópusi kórokozók elterjedési területe nőhet, illetve egyes fertőzések gyakorisága is emelkedhet a melegebb éghajlattal. Összességében a klímaváltozással leginkább sújtott területek lakosságának tömeges elvándorlása várható, amennyiben a globális felmelegedés üteme nem mérséklődik.

Ha nem csak a klímaváltozás foglalkoztat, hanem az ökológia is, illetve, ha a biológia érettségire készülsz, hadd ajánljam a figyelmedbe a Budapesti Reáltanoda biológia érettségi felkészítő tanfolyamait.

Ökológia

Az ökológia alapjai

Az ökológia az élőlények élettelen környezettel, illetve az egymással való kapcsolatait vizsgálja többnyire az egyed feletti szerveződési szinteken. Bár sokfajta fizikai, kémia és biológiai tényező veheti körül az előlényeket, ezek közül csak azokat veszi figyelembe az ökológia, amelyek valóban hatnak az egyes élőlényekre. Az környezeti tényezők nem egyenletesen oszlanak el a Földön, így ebből az irányából megfogalmazva az ökológia azzal foglalkozik, hogy miért nem élhetnek az élőlények bárhol, bármikor és bármekkora számban a Földön. A fontosabb élettelen környezeti tényezők közé tartozik például a fény, a hőmérséklet, a víz, a levegő és a talaj. A biológiai környezeti tényezők az élőlények egymás közötti kölcsönhatásait foglalják magukban. A környezeti tényezők hatásait leginkább a populációk szerveződési szintjén tárgyalják. A magasabb szerveződési szintek, mint például a populáció feletti társulás és bioszféra, magukban foglalják az alacsonyabb szerveződési szintek tulajdonságait, ezért a környezeti tényezők ez utóbbiak képét is jelentős mértékben formálják.

Populáció

A populáció egy faj egyedeinek egy csoportja, amelyek általában egy területen élnek, és egy szaporodási közösséget alkotnak. Egy élőhelyen a populációra ható összes környezeti tényezőnek alkalmasnak kell lennie a populáció fentmaradására. Az összes környezeti tényezőt együttesen az adott populáció niche-ének nevezzük. Tehát az élőhely a fizikai térben egy hely, a niche meg az adott élőhelyen megtalálható és az adott faj populációjára ható környezeti tényezők összeségét jelenti. Számos különböző faj élhet egy élőhelyen, de két faj niche-e tartósan nem lehet teljes átfedésben egymással.

 

 

Társulás

A társulás vagy életközöség egy élőhelyen együtt előforduló, különböző populációk együttese. A társulás nem pusztán a populációk egyszerű összesége, hanem magában foglalja a társulást alkotó populációk összetett ökológiai kapcsolatait is. A társulások alapját képzik a termelők populációi, amelyek szervetlen anyagokból állítanak elő szerveseket főképp napenergia segítségével. A termelők szerves anyagait közvetlenül vagy közvetve használják fel a fogyasztók és lebontók populációi. A társulásokat alkotó populációk számát és a populációk egyedszámának eloszlását ökológiai sokféleségnek nevezzük. Az ökológiai sokféleség értéke jellemző egy adott társulásra nézve, de változása szintén jelezheti a társulásban végbemenő folyamatokat.

Bioszféra

A bioszféra köznapi értelemben a földi élővilág összességét jelenti. Tudományos fogalomként a bioszférához hozzátartozik a Föd levegő-, víz- és kőzetburkának azon részei is, amelyekben élőlények fordulnak elő. Továbbá nem csak az élőlények közötti kölcsönhatásokat, hanem az élőlények élettelen környezettel való kapcsolatait is magában foglalja. Ha a beérkező napfénytől és a világűrbe kisugárzott energiától eltekintünk, akkor a bioszféra zárt rendszernek tekinthető. Tehát nem lép ki a bioszférából, és nem jön be a bioszférába jelentős mennyiségű anyag. Bár emberi léptékkel hatalmas, a bioszféra mérete mégiscsak véges.

Környezetvédelem

A környezetvédelem az embert körülvevő fizikai, kémiai és biológiai környezet állapotmegóvásának a gyakorlata, amely az emberiség által okozott károk megelőzésére, mérséklésére, elhárítására és helyreállítására irányul. Az ökológia segít megérteni, hogy a különböző emberi tevékenységek milyen problémákat és károkat okozhatnak a környezetben. A környezetvédelemi problémák közé tartozik a klímaváltozás, a túlnépesedés, a hulladéktermelés vagy a genetikailag módosított élőlények felhasználása. Napjaink egyik legsúlyosabb környezetvédelmi problémája a klímaváltozás, amely a Föld éghajlatának jelentős és tartós megváltozását takarja. A klímaváltozás oka az üvegházhatás fokozódása, amelyért a tudományos konszenzus elsősorban a kőszén, kőolaj és földgáz elégetését és a szén-dioxid gáz kibocsájtást teszi felelőssé. A szén-dioxid és a levegő más gázai átengedik a napfényt, de visszatartják a Föld felszínéről visszasugárzott hőt, ezért nevezzük a jelenséget üvegházhatásnak. A Föld ezért felmelegszik, ami a klíma megváltozását is maga után vonja.

Természetvédelem

A természetvédelem a természetben élő élőlények, társulások vagy akár az egész bioszféra megóvása az emberi behatásoktól. Fókuszpontjában a fajok kihalásának megelőzése, a populációk fenntartása és a társulások élőhelyeinek és biológiai sokféleségének a védelme áll. Bár a környezet- és természetvédelem között van átfedés, a környezetvédelem inkább az emberre irányul, amíg a természetvédelem a természetes élővilágra. A természetvédelem legfőbb kihívása emberi túlnépesedés és túlfogyasztás. Az emberi populáció növekvő mérete és szükségletei egyre nagyobb területeket igényelnek. A bioszféra mérete viszont véges, így mind a túlnépesedés, mind a túlfogyasztás a természetes élőhelyek területének csökkenésével jár együtt. A természetes élőhelyek eltűnése fajkihaláshoz és a társulások leromlásához vezethet.

Ha nem csak az ökológia, hanem az érettségi más biológia tudományágai is érdekelnek, akkor jó kiindulópont lehet a Budapesti Reáltanoda kezdőlapja.

Állatok

Az állatok legfontosabb jellemzői

Az állatok többsejtű élőlények, és sejtjeik sejtmagot tartalmaznak, tehát eukarióták. Az állati sejtek általában mind génből két másolatot tartalmaznak, tehát diploidok. Az állatok néhány nagyon ritka kivételtől eltekintve szerves anyagokat fogyasztanak. Az elfogyasztott szerves anyagokat használják fel saját szerves anyagaik felépítésére, és az életműködéseikhez szükséges energiát is ezekből nyerik ki, tehát szénforrásukat tekintve heterotrófok. Az energiatermeléshez a legtöbbször oxigént használnak fel, tehát anyagcseréjük aerob. Az állatok döntő része szövetes, és sejtjeiknek nincsen sejtfala. Nagyobb részük kétoldali részarányos szimmetriát mutat, mivel csak a bal és jobb oldali részük szimmetrikus egymásra. A másik két szimmetriasík mentén feji és farki, illetve háti és hasi rész alakult ki. Sokszor képesek a helyváltoztató mozgásra, és a mozgáshoz a külvilágot valós időben észlelő érzékszerveik és idegrendszerük fejlődött ki, melyek a feji részre összpontosulnak. Ivarosan szaporodnak, bár az egyszerűbb felépítésű állatok, ritkábban az összetettebbek, képesek ivartalan szaporodásra is.

Állattan

Az állatok rendszerezésével, felépítésével és működésével foglalkozó biológia tudományág az állattan. Tágabb értelemben az állattanhoz sorolható más biológia tudományág is, mint például az állatok viselkedésével foglalkozó etológia, vagy az ökológiának azon része, amely az állatok élettelen és élő környezettel való kapcsolatát tárgyalja.

Az állatok eredete és változatossága

Az első állatok a tengervízben jelentek meg 600-700 millió évvel ezelőtt, és az összes ma élő állat ezeknek az egyszerű, ősi állatoknak a leszármazottja. A napjainkban is létező állattörzsek ősi képviselői megjelentek az élővilágban ezelőtt 500 millió évig bezárólag. Az állatok nagy változatosságot mutatnak. Becslések szerint ma majdnem 8 millió állatfaj él a Földön. A legkisebb állatok mikroszkopikus méretűek, amíg a legnagyobb állat, a kék bálna, majdnem 200 tonnás és több mint 30 méter hosszú. Az állatok életmódja változatos, lehetnek növényevők, ragadozók, mindenevők, dögevők, élősködök vagy törmelékevők. A legközismertebb felosztásuk a gerinctelen és gerinces állatok csoportja.

Gerinctelen állatok

A gerinctelenek állatoknak nincsen szilárd belső váza, amelyhez a mozgáshoz szükséges izomzat kapcsolódna. Többek között gerincoszlopuk sincs, innen származik az elnevezésük. Tulajdonképpen minden állat, amely nem gerinces, az gerinctelen. Tehát nem meglepő, hogy a gerinctelen állatok közé különböző felépítésű és bonyolultságú élőlényeket sorolunk. Az egyszerű felépítésű szivacsok nem érik el a szövetes szerveződési szintet. A csalánozók, amelyek közé a legtöbb medúza tartozik, szintén meglehetősen egyszerű felépítésűek, illetve szimmetriájuk még az ősibb sugaras típus, de szövetekkel már rendelkeznek. A férgek mind kétoldali részarányos szimmetriájú állatok. A gyűrűsférgek már valódi testüreggel rendelkeznek, legismertebb Magyarországon is élő képviselőjük a földi giliszta. A gyűrűsférgek szervei egészen fejlettek, és sok szerv szelvényenként ismétlődik, mint például a gerinctelenekre jellemző dúcidegrendszer idegdúcai is. A puhatestűekhez tartozó csigák és kagylók lassú mozgása vagy mozdulatlansága egyszerűbb felépítésre utalhat, valójában igen bonyolult felépítésű élőlények is lehetnek, fejlett idegrendszerrel és érzékszervekkel. Közéjük tartozik a legnagyobb méretű gerinctelen, az óceánok mélyén élő, akár 12-13 méter hosszúságot is elérő kolosszális tintahal. Az ízeltlábú fajok, például rovar, rák és pók fajok, száma 6-7 millió közé tehető, tehát a fajszám alapján az ízeltlábúak a legsikeresebb állatcsoportnak tekinthetőek. Testméretük viszonylag kicsi, a milli- és centiméteres tartományban mozog általában, de testfelépítésük ennek ellenére bonyolult. Nevüket járó lábaikról kapták, amelyek a kitin tartalmú szilárd külső vázzal, és az ehhez kapcsolódó, a gerincesekben is megtalálható harántcsíkolt izomzattal együtt gyors mozgást biztosít a számukra. Sokszor csak egyes csoportjaikban megtalálható különleges szervekkel rendelkeznek, ilyen például a rovarok légcsőrendszere.

Gerinces állatok

A gerinces állatoknak szilárd belső váza van, amelyhez a mozgásukhoz szükséges harántcsíkolt izomzat kapcsolódik. A belső váznak szinte mindig része a koponya és a gerincoszlop, az utóbbiról kapta a csoport a nevét. A koponya és a gerincoszlop nem pusztán a mozgásszervrendszer részei, hanem a csőidegrendszer központi részeit, az agyat és a gerincvelőt is védik. Az összes ma élő gerinces állat kétoldali részarányos szimmetriát mutat, illetve szövetes és valódi testüreggel rendelkezik. Az első gerincesek körülbelül 500 millió évvel ezelőtt jelentek meg a Földön. A gerincesek közé nagyjából 70 ezer faj tartozik, amely töredéke az ízeltlábú fajok számának. A gerincesek mérete általában a centiméteres, méteres tartományban helyezkedik el.

 

 

A gerinces állatok csoportjai

A legősibb gerinces csoporthoz, a halakhoz, tartozó állatok a víziben élnek, testfelépítésük ennek megfelelően áramvonalas, és kopoltyújukkal a vízben oldott oxigént veszik fel. A vizet elhagyó ősi halakból körülbelül 400 millió évvel ez előtt fejlődtek ki a kétéltűek, amelyeknek legismertebb képviselőik a békák. A kifejlett kétéltűek négy végtaggal rendelkeznek, illetve fejletlen tüdővel és bőrlégzéssel a levegőből veszik fel az oxigént. A kétéltűek sok szempontból már szárazföldi állatoknak tekinthetőek, bár a legtöbbször nedves környezetben élnek, és a szaporodásuk is a vízhez kötődik. Nagyjából 310 millió évvel ezelőtt fejlődtek ki a hüllők az ősi kétéltűekből. A hüllők tojással szaporodnak, tehát szaporodásuk már független a víztől, illetve elszarusodott bőrük megakadályozza a vízvesztést, így általánosságban már jobban alkalmazkodtak a szárazföldi élőhelyekhez. Legismertebb ma is létező csoportjaik a gyíkok, kígyók, teknősök és krokodilok. A dinoszauruszok ősi hüllők, amelyek 200 millió évvel ezelőtt uralkodó állatcsoporttá váltak a méteres mérettartományban, amíg nagyjából 66 millió évvel ezelőtt egy több mint 10 kilométer átmérőjű aszteroida becsapódása a dinoszauruszok többségének kihalását okozta. Helyüket a dinoszauruszok közvetlen leszármazottjai, a madarak, illetve a más hüllőkből kifejlődött emlősök vették át. Mindkét csoport tagjai melegvérűek, amely a környezethez való rugalmasabb alkalmazkodást tesz lehetővé. A madarak mellső végtagjai, a szárnyak, illetve bőrük szarú függelékei, a tollak, a legtöbbször lehetővé teszi számukra a repülést. A repüléshez ideális alacsonyabb sűrűség eléréséhez a tüdőhöz kapcsolódó légzsákok, üreges csontok, és a fogakat elvesztve csőr fejlődött ki. A madarak a hüllőkhöz hasonlóan tojásokkal szaporodnak. Az emlősök ezzel szemben általában a méhben hordják ki utódjaikat, és születés után emlőikből táplálják azokat. Az emlősök általában négylábúak, és testüket szőr borítja, bár egyes képviselőik, mint például a bálnák, delfinek és fókák visszatértek a vízbe, és végtagjaik újra úszókká alakultak.

Az állatok és az ember

Az állatok döntő többsége természetes élőhelyén él, tehát vadállát. Néhány állatot az ember teljesen vagy részben háziasított, hogy saját céljaira használja őket. Ezeket az állatokat háziállatoknak hívjuk. Nincs teljesen egyértelmű meghatározás arra nézve, hogy mikor számít egy állat teljesen vagy részben háziasítottnak. Mindenesetre a sok-sok generáción, akár sok ezer éven keresztül fenntartott biológiailag kölcsönösen előnyös kapcsolat az állat és az ember között, illetve az intenzív nemesítés és tenyésztés egyértelműen jellemzi a háziállatokat. A háziállatok döntő többsége emlős vagy madár. Legelőször, több mint 15 ezer éve a kutyát háziasította az ember a farkasból. A macska nagyjából 10 ezer éve, amíg a ló 5-6 ezer éve háziállat. Az ember háziállatokhoz való viszonyulása alapján a háziállatok további csoportokba is besorolhatóak, bár az egyes állatok besorolása kultúráról kultúrára és emberről emberre is változhat. A haszonállatokat valamilyen hasznuk miatt tartják elsősorban, például a szarvasmarha tejet ad, a csirke tojást, a házisertés húsát valahol megeszik. A házi kedvenceknél a hasznosság sokkal kevésbé vagy egyáltalán nem szempont, az állat puszta jelenléte, szórakoztató mivolta és szerethetősége a fontos. A társállat a házi kedvenchez hasonló, bár itt már az ember kötődése az állathoz az emberi kapcsolatokra hasonlít inkább.

A legfontosabb tudnivalók a biológia érettségi tételekről

A szóbeli biológia érettségin tételek alapján mérik fel a tudásod. A biológia érettségi tételekről elérhető információk sokszor ellentmondásosak, így nem egyszerű átlátni őket. Szeretnénk itt segíteni neked, hogy eredményesen tudjál felkészülni a szóbeli érettségire.

A tétel szerepe az oktatásban

Először érdemes áttekintenünk, hogy mi a tétel szerepe az oktatásban. A tétel egy tantárgy ismeretanyagának egy kisebb, jól körül határolt része. A tételek alapján legtöbbször szóbeli vizsgákon mérik fel a vizsgázó felkészültségét. Az egyes tételekben foglalt ismeretanyag mérete általában akkora, amelyet kellő mélységben el lehet mondani a szóbeli vizsga időtartama alatt. A tételekből álló tételsor sokszor lefedi a tantárgy teljes ismeretanyagát. A tételek tehát tagolják a tantanyagot, és nem csak a vizsga lebonyolításához kínálnak keretet, hanem segítenek a vizsgázónak az ismeretanyag elsajátításában. Sokaknak egy-egy tételhez egyszerűbb összegyűjteni a kapcsolódó ismeretanyagot, memorizálni azt, és a tételsor összes tételt kidolgozva könnyebb rendszerezni az egész tananyagot.

A közép- és emelt szintű szóbeli biológia érettségi tételek alapelvei

A biológia érettségi tételek pontos megfogalmazását, a tételekhez kapcsolódó szövegeket, ábrákat, irányító kérdéseket és szempontokat hivatalosan nem hozzák nyilvánosságra. A tételsoroknak mind a közép-, mint az emelt szinten legalább 20 tételt kell tartalmaznia. Egy tétel A.) és B.) feladatból áll mindkét szinten. Az A.) és B.) feladatnak két különböző témakörhöz kell tartoznia. A tételek vagy a tételek alá tartozó feladatok „címeit” legkésőbb 60 nappal az érettségi vizsgák megkezdése előtt nyilvánosságra kell hozni.

Középszintű biológia érettségi tételek

A középszintű szóbeli tételsort és a hozzá tartozó értékelési útmutatót az Oktatási Hivatal által megadott szempontok alapján az érettségi vizsgát lebonyolító iskola biológia szaktanára vagy szaktanárai állítják össze. A tételsor nem fedi le a biológia érettségi követelményrendszer összes témakörét. Egy tétel A.) feladata lehet 1.) laboratóriumi vizsgálat, amely a részletes érettségi követelményekben dőlt betűvel szedett szövegében le van írva, vagy 2.) fajismerethez kapcsolódó feladat. Ez utóbbi lehet a.) egy növény meghatározása és ökológiai igényeinek jellemzése, b.) állatok vagy növények felépítésének és ökológiai jellemzőinek összehasonlítása vagy c.) egy társulás jellemzése. Az A.) feladat kiváltható előre elkészített projektmunka bemutatásával. A B) feladatnak az ember felépítése, működése és egészsége, valamint a természet- és környezetvédelem témakörökből kell kikerülnie.

Emelt szintű biológia érettségi tételek

Az emelt szintű szóbeli tételsort és értékelési útmutatót központilag állítják össze. A tételsor az érettségi követelményrendszer minden fő témakörét érinti.

Az A.) feladatok címei nyilvánosak, élérhetőek az Oktatási Hivatal „Tájékoztató az emelt szintű szóbeli vizsgához, az A) feladat tételei” dokumentumában. Nem hivatalos információk alapján az A.) feladatok tartalma lényegesen eltérhet a hivatalos A.) feladat címektől. Néhány A.) feladat több témakört is érint, például „Az emberi vér” tételnél a vérzékenység öröklődésére vonatkozó kérdés nem az embertan, hanem a genetika témaköréhez tartozik. Összességében a hivatalosan közétett A.) feladat címek inkább témaköröknek tekinthetőek. Ha érdekelnek az előző évek érettségizői által közétett valódi biológia érettségi tételek, akkor látogasd meg a Budapesti Reáltanoda Biológia és Kémia tanulócsoportját a Facebookon:

BR Biológia és Kémia Tanulócsoport

A B.) tételek egy szöveg, kísérletleírás, és az ezekhez tartozó ábra, táblázat vagy grafikon elemzését tartalmazzák. Továbbá a B.) tételek között szerepelhet akár genetikai feladat is. A B.) tétellel nemcsak a lexikai tudást mérik fel, hanem a gondolkodási, logikai és elemző készségedet is. A hivatalos biológia emelt szintű szóbeli mintatételeket tanulmányozva pontosabb képet kaphatsz, hogy nagyjából mire számíthatsz a szóbeli érettségin.

Érdemes-e kidolgozni a biológia érettségi tételeket?

A kérdésre nincs egyértelmű válasz. Ha például a középszintű biológia érettségin a tételek címei valóban jól leírják a tételek tartalmát, akkor érdemes lehet kidolgozni őket. Az emelt szintű biológia érettségin a tételek A.) feladatainak címei jól lefedik az egész tananyagot, tehát a tételek kidolgozása az érettségi követelményrendszer alapján segíthet rendszerezni és memorizálni az ismeretanyagot. Másfelől az A.) feladatok címei nem írják le pontosan az érettségin kiadott A.) feladatok tartalmát, és szükséged lesz arra is, hogy a tételek tartalma közötti összefüggéseket is lássad. Továbbá az emelt szintű érettségin mind az írásbeli feladatsor, mind a szóbeli B.) feladatai gondolkodási, logikai és elemzői készségeket igényelnek, amelyek a tételek kidolgozásával és megtanulásával nem fejleszthetőek jól. Az emelt szintű biológia érettségire felkészülni összetett feladat, de a Budapesti Reáltanoda pont ebben szeretne neked segítséget nyújtani.

 

Biológia érettségi feladatsorok és megoldások

 

Lejjebb a weboldalon megtalálhatod az összes magyar nyelvű biológia érettségi feladatot, és a hozzájuk tartozó hivatalos megoldást, amelyeket a kétszintű érettségi 2005-ös bevezetése óta szerepeltek az érettségiken. Az emelt szintű érettségik a felső, a középszintűek az alsó táblázatban vannak. Ha célirányosan szeretnél gyakorolni, akkor hasznos lehet Gőz József táblázatos gyűjteménye, ahol a feladattípusok szerinti bontásban is megtalálhatod az érettségik feladatait. Ha a biológia érettségi érdekel általánosságban, vagy maga a középiskolai biológia tananyag, akkor jó kiindulópont lehet a Budapesti Reáltanoda kezdőlapja.

A táblázatban található fájl nevekben az 1-es szám az adott év magyar nyelvű feladatsorát és javítási útmutatóját jelöli, a 2-es szám az idegen nyelvű érettségik magyar nyelvű változatát, amely alapján a különböző idegen nyelvű feladatsorokat és javítási útmutatókat fordítják. A 2012-es Nemzeti alaptantervre (NAT) épülő középszintű érettségi feladatsoroknál és megoldásoknál a NAT12, a 2020-as NAT-ra épülőknél a NAT20 rövidítést használjuk. Az emelt szintű érettségiket 2024-től kezdve a 2020-as NAT alapján állítják össze. A kétszintű érettségi követelményrendszere kis mértékben 2010-ben, 2015-be és 2017-ben is módosult, de a különböző évek feladatsorai nagyjából egyenértékűek. A feladatsorok és javítási útmutatók hivatalos forrása az Oktatási Hivatal.

Üvegházhatás

Az üvegházhatás fogalma

A Napból, különböző elektromágneses sugárzások formájában (UV-sugárzás, látható fény, infravörös sugárzás) jövő energia kisebb részét közvetlenül elnyeli a Föld légkörében lévő ózon és vízpára, a nagyobb része áthalad a légkörön, és felmelegíti a tengerek és szárazföldek felszínét. A felszín ezt az energiát infravörös sugárzás formájában visszaadja a légkör felé, majd a levegőben a vízpára, a szén-dioxid, a metán és a nitrogén-oxidok elnyelik az energia döntő részét. Az alsó légkör anyagai az elnyelt energiának kisebb részét a felső légkör és a világűr felé adják le infravörös sugárzás formájában, de a nagyobb részét visszasugározzák a felszíni felé. Tehát a légkör átengedi a Napból érkező energiát, de visszatartja az energia jó részét hő formájában, éppúgy, mint az üvegházak átlátszó fala, amely beengedi a napfényt, de visszatartja a hőt. A párhuzam alapján a jelenséget üvegházhatásnak, illetve a nap energiájának elnyelésében résztvevő gázokat üvegházhatású gázoknak nevezik.

 

 

Üvegházhatású gázok

A vízpára, szén-dioxid, metán, ózon és nitrogén-oxidok sorrendben csökken a levegő gázainak energia megkötő képessége. Az üvegházhatású gázok különböző hullámhosszú elektromágneses sugarakat tudnak elnyelni. A szén-dioxid, metán és nitrogén-oxidok átengedik a Napból származó sugárzás döntő részét, de elnyelik a Föld felszínéről érkező hosszú hullámhosszú infravörös sugárzást. A vízpára elsősorban a felszínről érkező hosszú hullámhosszú infravörös sugárzást nyeli el, de emellett megköti a Napból érkező látható fény és rövid hullámhosszú infravörös sugárzás egy részét is. Az ózon a Napból érkező UV-sugárzást köti meg közvetlenül.

A Föld átlag hőmérséklete és a levegő szén-dioxid koncentrációja

Bár a Föld átlagos hőmérsékletét az üvegházhatású gázok mellett sok más tényező befolyásolja, az egyik alapvető összefüggés, hogy üvegházhatású gázok koncentrációja és a Föld átlagos hőmérséklete egyenesen arányos egymással. Becslések szerint a Föld átlagos felszíni hőmérséklete körülbelül -18 °C lenne az üvegházhatású gázok jelenléte nélkül, ami alkalmatlan lenne az összetett földi élővilág fentmaradásához. Az üvegházhatásnak köszönhetően a Föld hőmérséklete ennél jóval magasabb, például az előző évszázadban 14 °C-os volt a felszín átlagos hőmérséklete. A Föld légkörének összetétele sokat változott a Föld története során. Ha nőt az üvegházhatású gázok koncentrációja, akkor nőt a Föld átlagos hőmérséklete, illetve, ha csökkent a koncentrációjuk, akkor csökkent a hőmérséklet is. Például a legutóbbi jégkorszaki ciklus kezdetén, 120 ezer évvel ezelőtt, a levegő szén-dioxid koncentrációja, illetve a Föld átlagos felszíni hőmérséklete körülbelül 0,027% és 13,5 °C volt, ami gyakorlatilag megegyezik az iparosodás előtti értékekkel. A jégkorszak leghidegebb időszakában, 20 ezer évvel ezelőtt, a levegő szén-dioxid koncentrációja 0,018%-ra, illetve a Föld átlagos felszíni hőmérséklete körülbelül 7,5 °C-ra csökkent, ahonnan 10 ezer év alatt a légköri szén-dioxid szint 50%-kal, a Föld átlagos felszíni hőmérséklet 6 °C-kal nőt, tehát visszatért a jégkorszaki ciklus kezdetekor tapasztalt értékekre. A legutóbbi 10 ezer évben, az iparosodás kezdetéig, mind a levegő szén-dioxid koncentrációja, mind a Föld átlagos hőmérséklete gyakorlatilag változatlan volt.

Az üvegházhatás fokozódása

Az iparosodás kezdetétől a légkör szén-dioxid, metán és dinitrogén-oxid koncentrációja alig 300 év alatt körülbelül 50%-kal, 150%-kal és 25%-kal nőt, amely nagyjából 1,2 °C-os átlagos felszíni hőmérséklet emelkedéssel párosult. Nem is az utóbbi 300 év hőmérsékletváltozásának a nagysága az, ami ritka a Föld eddigi történetében, hanem a gyorsasága. Nem csak arról van erős tudományos konszenzus, hogy elsősorban a légköri szén-dioxid és metán idézi elő a jelenlegi gyors felmelegedését, hanem arról is, hogy az üvegházhatású gázok többletért emberi tevékenységek felelnek. A szén-dioxid és a nitrogén-oxidok többletét a fosszilis tüzelőanyagok (kőszén, kőolaj és földgáz) elégetése, amíg a metán többletet főképp az állattenyésztés és a rizstermesztés okozza. A nagyléptékű erdőírtás szintén a légköri szén-dioxid koncentráció növekedésének irányában hat, mivel a megritkított növényzet kisebb mértékben veszi fel a levegő szén-dioxidját a fotoszintézis során. Mivel az üvegházhatású gázok koncentrációjának növekedését emberi tevékenységek idézik elő, az emberiségnek lehetősége van csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsájtását, és ezáltal mérsékelni a Föld felmelegedést. Becslések szerint, ha az emberi kibocsájtása miatt már nem növekszik a légköri szén-dioxid szint 2050 után, akkor a felmelegedés maximuma nem fogja meghaladni a 2 °C-ot. Ha a kibocsájtás a jelenlegi tendenciát követi, és a légköri szén-dioxid szint továbbra is emelkedik, akkor a felmelegedés elérheti akár a 5 °C-ot is 2100-ra.

Globális felmelegedés és klímaváltozás

Habár az üvegházhatású gázok kibocsájtásának mértéke országonként, régiónként változik, a gázok egyenletesen oszlanak el az alsó légkörben, tehát hatásukat az egész Földön, globálisan fejtik ki. Az üvegházhatás közvetlen következményét, a Föld hőmérséklet emelkedését, globális felmelegedésnek nevezzük emiatt. A globális felmelegedéssel szorosan együtt jár az éghajlat tartós és jelentős változása, amit éghajlatváltozásnak vagy klímaváltozásnak hívunk. A klímaváltozás nem csak a hőmérséklet emelkedést foglalja magában, hanem például a csapadékkal, légmozgásokkal vagy tengeráramlásokkal kapcsolatos változásokat is. Az élőlények, köztük az ember, fentmaradását döntően befolyásolják az élettelen környezeti tényezők, így a klímaváltozás is hatást gyakorol az élőlényekre, és a belőlük felépülő, különböző szerveződési szinteken elhelyezkedő ökológiai rendszerekre. A klímaváltozás jelentős természet- és környezetvédelmi problémákat okoz.