فصل ۱- مولکول‌های اطلاعاتی
گفتار ۱ – نوکلئیک اسیدها
۱. ژن چیست و از چه ساخته شده است؟
پاسخ: ژن بخشی از مولکول DNA است که اطلاعات لازم برای ساخت RNA یا پلی‌پپتید را در بردارد. ژن‌ها از نوکلئوتیدهایی ساخته شده‌اند که در قالب توالی خاصی در DNA قرار دارند.
۲.گریفیت در آزمایش خود به چه نتیجه‌ای رسید؟
پاسخ: گریفیت دریافت که اطلاعات وراثتی می‌توانند از یک یاخته به یاخته دیگر منتقل شوند. این نتیجه را پس از مشاهده تبدیل باکتری‌های بدون پوشینه به پوشینه‌دار در اثر تماس با باکتری‌های مرده پوشینه‌دار به‌دست آورد.
۳.چرا نتیجه آزمایش گریفیت نشان‌دهنده انتقال ماده وراثتی بود؟
پاسخ: زیرا باکتری‌های مرده نمی‌توانند دوباره زنده شوند؛ بنابراین باکتری‌های زنده بدون پوشینه ویژگی پوشینه‌دار شدن را از باکتری‌های مرده گرفته‌اند، یعنی ماده‌ای از آنها منتقل شده که باعث تغییر ویژگی شد؛ که احتمال داده شد آن ماده، ماده وراثتی است.
۴.آزمایش ایوری و همکارانش چگونه نشان داد که DNA ماده وراثتی است؟
پاسخ: ایوری و همکارانش ابتدا پروتئین‌ها را حذف کردند و باز هم انتقال صفت مشاهده شد. سپس DNA را حذف کردند و انتقال صفت متوقف شد؛ پس نتیجه گرفتند که DNA عامل اصلی انتقال صفات است.
۵.نوکلئوتید از چه اجزایی تشکیل شده است؟
پاسخ: هر نوکلئوتید از ۳ بخش تشکیل می‌شود:
• یک قند پنج‌کربنه (ریبوز در RNA، دئوکسی‌ریبوز در DNA)
• یک گروه فسفات
• یک باز آلی نیتروژندار (آدنین، تیمین، گوانین، سیتوزین یا یوراسیل)
۶.تفاوت‌های اصلی بین DNA و RNA را بنویسید.
پاسخ:
ویژگی DNA RNA
تعداد رشته دو رشته‌ای تک‌رشته‌ای
نوع قند دئوکسی‌ریبوز ریبوز
بازهای آلی A, T, G, C A, U, G, C
پایداری بسیار پایدار کمتر پایدار
۷.چرا بین آدنین و تیمین، گوانین و سیتوزین پیوند هیدروژنی تشکیل می‌شود؟
پاسخ: برای پایداری ساختار مولکول DNA، بین بازهای مکمل روبه‌روی هم پیوندهای هیدروژنی برقرار می‌شود؛ آدنین با تیمین ۲ پیوند، گوانین با سیتوزین ۳ پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهد که باعث قطر یکسان و پایداری مولکول می‌شود.
۸.نقش هر نوع RNA را بنویسید.
پاسخ:
• : mRNA انتقال اطلاعات از DNA به ریبوزوم.
• : tRNAانتقال آمینواسید به محل ساخت پروتئین.
• : rRNAشرکت در ساختار ریبوزوم.
بخش دوم: سؤالات مفهومی و استدلالی کنکوری
۹.در آزمایش ایوری، اگر آنزیم تخریب‌کننده‌ی RNA به محلول اضافه می‌شد، چه اتفاقی می‌افتاد؟ چرا؟
پاسخ: انتقال صفت باز هم انجام می‌شد، چون RNA ماده وراثتی نیست و حذف آن تأثیری در انتقال صفت نداشت.
۱۰.اگر بازهای DNA به نسبت مساوی وجود داشتند، چه نتیجه‌ای حاصل می‌شد؟
پاسخ: مقدار بازها بین گونه‌ها تفاوت نمی‌کرد و DNA نمی‌توانست اطلاعات متنوعی را رمزگذاری کند. یافته‌های چارگاف نشان دادند که نسبت A = T و G = C است، ولی مقدار کل بازها بین گونه‌ها تفاوت دارد و منجر به تنوع ژنتیکی می‌شود.
۱۱.چرا DNA در باکتری‌ها حلقوی است ولی در یوکاریوت‌ها خطی؟
پاسخ: ساختار DNA در باکتری‌ها ساده‌تر و کوچکتر است، بنابراین حلقوی بودن برای فشردگی و ثبات بیشتر مفید است؛ در حالی که DNA یوکاریوت‌ها بزرگ‌تر است و به صورت خطی با فامتن‌ها سازماندهی می‌شود.
۱۲.اگر در یک رشته DNA توالی نوکلئوتیدها به صورت: 5′-ATCG-3′ باشد، توالی مکمل آن چیست؟
پاسخ: مکمل آن به صورت: 3′-TAGC-5′ خواهد بود.
بخش سوم: سؤالات ترکیبی و شکل محور
۱۳.شکل‌های تهیه‌شده با پرتو X چه اطلاعاتی در مورد DNA دادند؟
پاسخ: این تصاویر نشان دادند که DNA ساختاری مارپیچی دارد، قطر ثابتی دارد و بیش از یک رشته دارد.
۱۴.در شکل 8 مدل مارپیچ دِنا، چه اجزایی ستون و چه اجزایی پله‌ها را تشکیل می‌دهند؟
پاسخ:
• ستون‌ها: قند و فسفات
• پله‌ها: بازهای آلی نیتروژندار که با پیوند هیدروژنی به هم متصل‌اند
بخش چهارم: تمرینات خودارزیابی و کتاب
۱۵.چرا DNA به‌عنوان ماده وراثتی در نظر گرفته می‌شود؟
پاسخ: چون آزمایش‌های گریفیت و ایوری نشان دادند که فقط DNA توانایی انتقال صفات از یک یاخته به یاخته دیگر را دارد. پروتئین‌ها، لیپیدها، کربوهیدرات‌ها و RNA فاقد این توانایی هستند.
۱۶.چرا وجود پیوندهای هیدروژنی ضعیف در DNA یک مزیت محسوب می‌شود؟
پاسخ: چون این پیوندها به آسانی در نقاط خاص باز می‌شوند تا فرآیندهایی مثل همانندسازی و رونویسی انجام شود؛ اما چون تعدادشان زیاد است، ساختار کلی مولکول را پایدار نگه می‌دارند.
بخش پنجم: سؤالات طراحی‌شده برای تمرین کنکوری
۱۷.اگر در DNA انسانی، 30٪ بازها آدنین باشند، درصد گوانین را حساب کنید.
پاسخ:
• A = 30% → T = 30%
• باقی‌مانده برای G و C: 100 – 60 = 40%
• پس G = 20%, C = 20%
۱۸.اهمیت مکمل بودن بازها در چیست؟
پاسخ: باعث:
• تعیین توالی رشته مکمل
• امکان همانندسازی دقیق
• قطر ثابت مولکول DNA
۱۹.نوکلئوتیدها در سوخت‌وساز چه نقشی دارند؟ دو مثال بزنید.
پاسخ:
1. ATP منبع انرژی برای فعالیت‌های یاخته است.
2. NAD+ و FAD در تنفس یاختهای نقش حامل الکترون دارند.
۲۰.ژن را تعریف کنید و بگویید محصول آن چیست.
پاسخ: ژن بخشی از مولکول DNA است که بیان آن منجر به ساخت RNA یا پلی‌پپتید می‌شود. محصول ژن می‌تواند یک نوع RNA یا پروتئین باشد.
گفتار ۲- همانندسازی DNA
بخش ۱: مفاهیم ابتدایی و تعاریف
۱. منظور از همانندسازی دنا چیست؟
پاسخ:
همانندسازی دنا به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن از روی دنا قدیمی، یک مولکول دنا جدید ساخته می‌شود. این فرایند در هنگام تقسیم یاخته برای انتقال دقیق اطلاعات ژنتیکی به یاخته‌های دختر انجام می‌شود.
۲. چرا همانندسازی دنا برای یاخته ضروری است؟
پاسخ:
زیرا دنا ماده وراثتی حاوی اطلاعات زیستی است و باید هنگام تقسیم یاخته، بدون کم و کاست به یاخته‌های جدید منتقل شود. این انتقال به‌وسیله همانندسازی دنا صورت می‌گیرد.
بخش ۲: انواع مدل‌های همانندسازی دنا
۳. سه مدل پیشنهادی برای همانندسازی دنا را نام ببرید و هر کدام را توضیح دهید.
پاسخ:
1. مدل حفاظتی: هر دو رشته دنا به‌صورت دست‌نخورده باقی مانده و وارد یک یاخته می‌شوند و رشته‌های جدید وارد یاخته دیگر.
2. مدل نیمه‌حفاظتی: هر رشته از دنا شامل یک رشته قدیمی و یک رشته جدید است.
3. مدل غیرحفاظتی (پراکنده): دناهای جدید دارای قطعات پراکنده‌ای از رشته قدیمی و جدید هستند.
۴. کدام مدل از همانندسازی مورد تأیید قرار گرفت و چرا؟
پاسخ:
مدل نیمه‌حفاظتی مورد تأیید قرار گرفت. آزمایش مزلسون و استال نشان داد که بعد از هر دور همانندسازی، مولکول‌های دنا دارای یک رشته قدیمی و یک رشته جدید هستند.
بخش ۳: آزمایش مزلسون و استال
۵. هدف مزلسون و استال از استفاده از ایزوتوپ نیتروژن سنگین چه بود؟
پاسخ:
برای اینکه بتوانند رشته‌های جدید و قدیمی دنا را از هم تشخیص دهند؛ چون دناهای ساخته‌شده با ¹⁵N چگالی بیشتری نسبت به دناهای دارای ¹⁴N دارند و از هم قابل تفکیک‌اند.
۶. چرا از سانتریفیوژ بسیار پرسرعت استفاده شد؟
پاسخ:
برای جداسازی مولکول‌های دنا بر اساس چگالی آنها، زیرا مولکول‌های با چگالی بیشتر در ته لوله و مولکول‌های سبک‌تر در بخش‌های بالاتر قرار می‌گیرند.
۷. نتایج آزمایش مزلسون و استال را در سه زمان مختلف بیان کنید.
پاسخ:
• زمان صفر: فقط نوار سنگین (همه دناها دارای ¹⁵N)
• بعد از ۲۰ دقیقه: یک نوار با چگالی متوسط (رشته‌ای قدیمی + رشته‌ای جدید(
• بعد از ۴۰ دقیقه: دو نوار، یکی سبک و دیگری با چگالی متوسط (نیمی از دناها جدید و نیمی نیمه‌حفاظتی(
بخش ۴: آنزیم‌ها و مراحل همانندسازی
۸. نقش آنزیم هلیکاز در همانندسازی چیست؟
پاسخ:
باز کردن مارپیچ دنا و جدا کردن دو رشته دنا با شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل.
۹. دِنابسپاراز چه دو نوع فعالیتی دارد؟ توضیح دهید.
پاسخ:
1. فعالیت بسپارازی (پلیمرازی(: قرار دادن نوکلئوتیدها بر اساس مکمل بودن و ایجاد پیوند فسفودی‌استر.
2. فعالیت نوکلئازی (ویرایشی(: شناسایی و اصلاح نوکلئوتیدهای اشتباه با شکستن پیوند فسفودی‌استر و جایگزینی نوکلئوتید درست.
۱۰. چرا همانندسازی دنا دوجهتی است؟
پاسخ:
زیرا در محل دوراهی همانندسازی، هر دو رشته دنا از هم جدا می‌شوند و آنزیم‌ها در هر دو جهت از جایگاه آغاز، همانندسازی را ادامه می‌دهند.
بخش ۵: همانندسازی در پروکاریوت و یوکاریوت
۱۱. تفاوت‌های همانندسازی در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها را بنویسید.
پاسخ:
ویژگی پروکاریوت یوکاریوت
ساختار دنا حلقوی خطی
محل دنا سیتوپلاسم عمدتاً هسته
تعداد جایگاه آغاز یک چندین جایگاه
میزان پیچیدگی ساده‌تر پیچیده‌تر
۱۲. نقش پلاسمید در باکتری چیست؟
پاسخ:
پلاسمید یک مولکول دنا جداگانه در باکتری است که می‌تواند صفات اضافی مانند مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌ها را به باکتری بدهد.
بخش ۶: خودارزیابی و تحلیل تصاویر
۱۳. با توجه به شکل ۱۰، توضیح دهید چرا در مرحله دوم همانندسازی، دو نوار مشاهده شد؟
پاسخ:
چون نیمی از مولکول‌های دنا شامل یک رشته جدید و یک رشته قدیمی (چگالی متوسط) و نیمی دیگر دارای هر دو رشته جدید (چگالی سبک) بودند، بنابراین دو نوار ایجاد شد.
۱۴. در شکل ۱۲، هنگام اتصال نوکلئوتید به رشته در حال ساخت، چه اتفاقی برای گروه‌های فسفات می‌افتد؟
پاسخ:
دو گروه فسفات آزاد می‌شوند و فقط یک فسفات باقی‌مانده با تشکیل پیوند فسفودی‌استر به رشته در حال ساخت متصل می‌شود.
۱۵. در چه مرحله‌ای از همانندسازی، پروتئین‌های هیستونی جدا می‌شوند؟
پاسخ:
در ابتدای همانندسازی، پیش از باز شدن دنا توسط هلیکاز، پروتئین‌های هیستونی از دنا جدا می‌شوند تا مسیر برای آنزیم‌ها باز شود.
بخش ۷: تمرین نهایی با پاسخ تشریحی
۱۶. اگر در یک آزمایش مشابه آزمایش مزلسون و استال، پس از سه دور همانندسازی دنا، چند درصد از دناها دارای چگالی سبک خواهند بود؟
پاسخ:
در هر دور تعداد مولکول‌های دنا دو برابر می‌شود و فقط مولکول‌هایی که حاوی رشته قدیمی باشند چگالی متوسط دارند:
• دور ۰: ۱ دنا (همه سنگین)
• دور ۱: ۲ دنا (همه متوسط)
• دور ۲: ۴ دنا (۲ متوسط، ۲ سبک)
• دور ۳: ۸ دنا (۲ متوسط، ۶ سبک) → ۶ از ۸ = ۷۵٪
پاسخ: ۷۵٪ از دناها دارای چگالی سبک خواهند بود.
گفتار ۳- پروتئین‌ها
بخش اول: پروتئین‌ها و ساختار آنها
سؤالات تشریحی از ساختار آمینواسیدها
1. ساختار عمومی آمینواسید را توضیح دهید.
آمینواسیدها دارای یک اتم کربن مرکزی هستند که به چهار گروه متصل‌اند: گروه آمین (-NH₂)، گروه کربوکسیل (-COOH)، اتم هیدروژن و گروه R. گروه R در آمینواسیدهای مختلف متفاوت است و ویژگی‌های منحصر به فرد هر آمینواسید را تعیین می‌کند.
2. نقش گروه R در ویژگی آمینواسید چیست؟
گروه R خاصیت شیمیایی آمینواسید را مشخص می‌کند؛ مثلاً اگر R قطبی یا آب‌گریز باشد، در تاخوردگی پروتئین و ساختار سوم مؤثر است.
سؤالات از پیوند پپتیدی
3. پیوند پپتیدی چگونه تشکیل می‌شود؟
از طریق واکنش سنتز آب‌زدایی بین گروه آمین یک آمینواسید و گروه کربوکسیل آمینواسید دیگر. در این واکنش یک مولکول آب خارج شده و پیوند کووالانسی (پپتیدی) بین آمینواسیدها ایجاد می‌شود.
4. چند آمینواسید برای تشکیل یک پیوند پپتیدی نیاز است؟
دو آمینواسید.
سؤالات از ساختارهای چهارگانه پروتئین
5. چه چیزی ساختار اول پروتئین را تشکیل می‌دهد؟
توالی آمینواسیدها در زنجیره پلی‌پپتیدی با پیوندهای پپتیدی.
6. علت تنوع بالای پروتئین‌ها چیست؟
وجود 20 نوع آمینواسید و نبود محدودیت در ترتیب آنها باعث تنوع بی‌نهایت در ساختار اول و در نتیجه در کل ساختار پروتئین می‌شود.
7. ساختار دوم پروتئین چگونه به وجود می‌آید؟
با ایجاد پیوندهای هیدروژنی بین بخش‌هایی از زنجیره پلی‌پپتیدی، که به شکل مارپیچ یا صفحه‌ای در می‌آید.
8. عامل اصلی در شکل‌گیری ساختار سوم چیست؟
برهم‌کنش‌های آب‌گریز بین گروه‌های R، و تثبیت آن با پیوندهای دیگر مانند یونی، هیدروژنی و دی‌سولفیدی.
9. چه تفاوتی بین میوگلوبین و هموگلوبین از نظر ساختار پروتئینی وجود دارد؟
میوگلوبین دارای ساختار سوم است و از یک زنجیره پلی‌پپتیدی تشکیل شده، در حالی که هموگلوبین ساختار چهارم دارد و از چهار زیرواحد پلی‌پپتیدی (دو آلفا و دو بتا) تشکیل شده است.
بخش دوم: عملکرد و نقش پروتئین‌ها
سؤالات از نقش‌های مختلف پروتئین‌ها
10. سه عملکرد متفاوت پروتئین‌ها در یاخته را نام ببرید.
o آنزیمی (کاتالیز واکنش‌ها(
o گیرنده‌های سطحی (مثل گیرنده آنتی‌ژن در لنفوسیت‌ها(
o انتقال‌دهنده (مثل هموگلوبین در خون(
11. پروتئین‌های محرک و ساختاری چه نقشی دارند؟
o محرک: اکتین و میوزین باعث انقباض ماهیچه می‌شوند.
o ساختاری: کلاژن باعث استحکام بافت پیوندی، زردپی و رباط می‌شود.
بخش سوم: آنزیم‌ها و عملکرد آنها
سؤالات مفهومی آنزیم
12. آنزیم چیست و چگونه سرعت واکنش را افزایش می‌دهد؟
آنزیم یک کاتالیزور زیستی است که با کاهش انرژی فعال‌سازی واکنش، سرعت انجام آن را بالا می‌برد.
13. نقش جایگاه فعال آنزیم را توضیح دهید.
محل اتصال پیش‌ماده است و شکلی مکمل با آن دارد تا واکنش را تسهیل کند.
14. منظور از اختصاصی بودن عملکرد آنزیم چیست؟
هر آنزیم تنها با پیش‌ماده (یا پیش‌ماده‌های) خاصی واکنش نشان می‌دهد چون جایگاه فعال آن فقط با آن ترکیب مکمل است.
سؤالات کاربردی از فعالیت آنزیم‌ها
15. چرا آنزیم‌های دستگاه گوارش در بیرون یاخته فعال‌اند ولی آنزیم‌های تنفسی درون یاخته‌اند؟
چون آنزیم‌های گوارشی مثل آمیلاز باید غذا را در خارج یاخته تجزیه کنند، ولی آنزیم‌های تنفس در مسیرهای متابولیک داخل سلول عمل می‌کنند.
16. نقش آنزیم در واکنش‌های سوخت‌وساز چیست؟
افزایش سرعت واکنش‌ها، کاهش انرژی فعال‌سازی، و تسهیل تولید انرژی زیستی.
سؤالات عوامل مؤثر بر عملکرد آنزیم‌ها
17. اثر pH بر فعالیت آنزیم را شرح دهید.
هر آنزیم در pH خاصی بهترین فعالیت را دارد. خارج شدن از pH بهینه باعث تغییر شکل آنزیم و کاهش عملکرد آن می‌شود.
18. چه زمانی افزایش غلظت پیش‌ماده باعث توقف افزایش سرعت واکنش می‌شود؟
وقتی همه جایگاه‌های فعال آنزیم اشباع شده‌اند و دیگر آنزیم آزاد برای اتصال به پیش‌ماده وجود ندارد.
19. چه زمانی آنزیم به‌طور برگشت‌ناپذیر غیرفعال می‌شود؟
در دماهای بسیار بالا که منجر به دناتوره شدن و تغییر ساختار آنزیم می‌شود.
سؤالات کاربردی آنزیم در صنعت
20. چرا در شوینده‌ها از آمیلاز، لیپاز و پروتئاز استفاده می‌شود؟
o آمیلاز: تجزیه نشاسته و لکه‌های قندی
o لیپاز: تجزیه چربی‌ها
o پروتئاز: تجزیه لکه‌های پروتئینی مثل خون و عرق
21. مایه پنیر چگونه عمل می‌کند و چگونه به‌دست می‌آید؟
آنزیمی است که باعث دلمه شدن پروتئین شیر می‌شود. به‌صورت سنتی از معده نوزاد گوسفند و گاو و به‌صورت صنعتی از گیاهان و میکروارگانیسم‌ها استخراج می‌شود.
بخش چهارم: فعالیت‌ها و تمرین‌ها + پاسخ
فعالیت تحلیلی
فعالیت: ساختار دوم پروتئین مارپیچ و صفحه‌ای است. به نظر شما چرا این ساختارها با پیوند هیدروژنی تشکیل می‌شوند؟
زیرا پیوندهای هیدروژنی بین گروه‌های -NH و -CO در زنجیره پلی‌پپتیدی می‌توانند به شکل منظم و متناوب تکرار شوند، که منجر به تشکیل ساختارهای پایدار مارپیچ آلفا و صفحه بتا می‌شود.
خودارزیابی
1. چرا به آنزیم‌ها کاتالیزور زیستی گفته می‌شود؟
چون واکنش‌های زیستی را با کاهش انرژی فعال‌سازی سریع می‌کنند و در پایان واکنش دست‌نخورده باقی می‌مانند.
2. نقش کلاژن در بدن چیست؟
کلاژن باعث استحکام بافت پیوندی می‌شود و در ساختار زردپی و رباط به فراوانی وجود دارد.
جمع‌بندی
کلیدواژه‌ها: آمینواسید، گروه R، پیوند پپتیدی، پلی‌پپتید، ساختار اول تا چهارم پروتئین، آنزیم، جایگاه فعال، انرژی فعال‌سازی، دناتوره شدن، pH بهینه، کاربرد آنزیم‌ها در صنعت
فصل ۲: جریان اطلاعات در یاخته
گفتار ۱ – رونویسی
بخش ۱: مفاهیم پایه از متن درس
سؤال 1:
تغییر ژنتیکی که باعث بیماری کم‌خونی داسی‌شکل می‌شود، چگونه است؟ این تغییر چه تأثیری بر ساختار گویچه قرمز دارد؟
پاسخ:
در بیماری کم‌خونی داسی‌شکل، تنها یک جفت نوکلئوتید از صدها جفت نوکلئوتید در ژن هموگلوبین دچار جهش می‌شود. این جهش موجب ساخت نوعی هموگلوبین غیرطبیعی می‌شود که در نتیجه شکل گویچه قرمز از حالت طبیعی گرد به شکل داسی تغییر می‌کند. این تغییر عملکرد گویچه را مختل می‌کند.
سؤال 2:
چرا ژن هموگلوبین فقط در یاخته‌های خاصی مانند گویچه‌های قرمز بروز می‌کند؟
پاسخ:
هرچند تمامی یاخته‌های بدن اطلاعات ژنتیکی کامل را دارند، اما تنها ژن‌های خاصی در هر نوع یاخته فعال می‌شوند. در گویچه‌های قرمز، ژن هموگلوبین فعال است و بیان می‌شود، ولی در یاخته‌های دیگر مانند یاخته‌های پوست، فعال نمی‌شود.
سؤال 3:
بین نوکلئوتیدهای دنا و آمینواسیدهای پلی‌پپتید چه رابطه‌ای وجود دارد؟
پاسخ:
هر توالی سه‌تایی از نوکلئوتیدهای دنا (رمز یا کدون) معرف یک آمینواسید خاص است. از ۴ نوع نوکلئوتید، ۶۴ نوع رمز سه‌تایی ایجاد می‌شود که رمز ساخت ۲۰ نوع آمینواسید را در پلی‌پپتیدها تعیین می‌کنند.
سؤال 4:
چه مشکلی وجود دارد که دنا نمی‌تواند مستقیماً در سیتوپلاسم پروتئین بسازد؟
پاسخ:
دنا در هسته باقی می‌ماند و نمی‌تواند از آن خارج شود، در حالی که ریبوزوم‌ها و فرایند پروتئین‌سازی در سیتوپلاسم انجام می‌شوند. بنابراین، رنا به عنوان یک میانجی نقش انتقال اطلاعات ژنی از هسته به سیتوپلاسم را ایفا می‌کند.
بخش ۲: ساختار و عملکرد رونویسی
سؤال 5:
فرایند رونویسی چیست؟ چه تفاوتی با همانندسازی دارد؟
پاسخ:
رونویسی فرایندی است که در آن از روی یک ژن (رشته‌ای از دنا)، مولکول رنا ساخته می‌شود. در حالی که همانندسازی تمام مولکول دنا را برای تقسیم سلولی دو برابر می‌کند، رونویسی تنها یک ژن خاص را رونویسی می‌کند. همچنین رونویسی بارها در یک چرخه سلولی انجام می‌شود، اما همانندسازی فقط یک‌بار.
سؤال 6:
سه مرحله رونویسی را نام ببرید و توضیح دهید.
پاسخ:
1. آغاز (Initiation): آنزیم رنابسپاراز به توالی راه‌انداز (Promoter) متصل شده، دو رشته دنا را باز می‌کند و شروع به ساخت رشته رنا می‌کند.
2. طویل شدن (Elongation): رنابسپاراز به جلو حرکت کرده و نوکلئوتیدهای مکمل را بر اساس رشته الگوی دنا به رنا اضافه می‌کند.
3. پایان (Termination): به توالی‌های پایانی ژن می‌رسد، رنابسپاراز جدا شده و رشته رنا تکمیل می‌شود.
سؤال 7:
در رونویسی، چه نوکلئوتیدی جایگزین تیمین در رنا می‌شود؟
پاسخ:
در رنا، به جای تیمین (T)، نوکلئوتید یوراسیل (U) قرار می‌گیرد. یوراسیل مکمل آدنین است.
سؤال 8:
در هر ژن، کدام رشته دنا رونویسی می‌شود؟ چرا فقط یکی؟
پاسخ:
فقط یکی از دو رشته دنا در یک ژن رونویسی می‌شود، به آن رشته الگو می‌گویند. اگر هر دو رشته رونویسی می‌شدند، دو رنای کاملاً متفاوت ساخته می‌شد که ممکن بود دارای توالی‌های ناسازگار و حتی متضاد باشد.
بخش ۳: سؤالات مفهومی و تحلیلی
سؤال 9:
اگر در ژنی، توالی راه‌انداز حذف شود، چه مشکلی در رونویسی آن ژن ایجاد می‌شود؟
پاسخ:
بدون راه‌انداز، رنابسپاراز نمی‌تواند محل شروع مناسب را تشخیص دهد، در نتیجه رونویسی ژن اصلاً آغاز نمی‌شود و آن ژن بیان نمی‌شود.
سؤال 10:
در یاختهای که نیاز به رنای ریبوزومی زیادی دارد، چه اتفاقی در سطح رونویسی رخ می‌دهد؟
پاسخ:
در این حالت، ژن مربوط به رنای ریبوزومی بسیار فعال می‌شود و تعداد زیادی آنزیم رنابسپاراز به‌صورت همزمان از آن ژن رونویسی می‌کنند، در نتیجه مقدار زیادی رنا تولید می‌شود.
سؤال 11:
رنای ساخته شده در یوکاریوت‌ها چه تغییراتی پیدا می‌کند و چرا؟
پاسخ:
رنای اولیه در یوکاریوت‌ها، قبل از خروج از هسته، دچار پیرایش (Splicing) می‌شود. در این فرایند، بخش‌های غیرکدکننده ژن (میانه یا اینترون) حذف شده و بخش‌های باقی‌مانده (اگزون) به هم متصل می‌شوند تا رنای بالغ ساخته شود که توانایی ترجمه به پروتئین را دارد.
بخش ۴: سؤالات مرتبط با تصاویر (تحلیلی و شکلی)
سؤال 12:
در شکل مربوط به مراحل رونویسی (شکل ۲)، جهت حرکت رنابسپاراز به کدام سمت است و چه اطلاعاتی از جهت به ما می‌دهد؟
پاسخ:
جهت حرکت رنابسپاراز از سمت راه‌انداز به سمت ناحیه پایان است. جهت حرکت آنزیم نشان می‌دهد که رشته الگو از ۳’ به ۵’ خوانده می‌شود و رنای مکمل از ۵’ به ۳’ ساخته می‌شود.
سؤال 13:
در شکل مربوط به رونویسی چندگانه (شکل S)، اندازه متفاوت رناها چه چیزی را نشان می‌دهد؟
پاسخ:
این تفاوت نشان می‌دهد که رنابسپارازها در مراحل مختلف رونویسی قرار دارند. رنایی که تازه شروع شده کوتاه‌تر است و آنکه نزدیک پایان است بلندتر.
بخش ۵: تمرین‌های ترکیبی و کنکور-محور
سؤال 14:
چه تفاوت‌هایی بین رشته رمزگذار و رشته رنا وجود دارد؟ (حداقل دو مورد(
پاسخ:
1. رشته رمزگذار شامل تیمین (T) است، ولی در رنا به‌جای آن یوراسیل (U) قرار می‌گیرد.
2. رشته رنا از رشته الگو ساخته می‌شود ولی توالی آن شبیه رشته رمزگذار (با جایگزینی T با U) است.
سؤال 15:
در صورتی که در یک ژن، بخشی از اگزون اشتباهی به عنوان اینترون حذف شود، چه پیامدی خواهد داشت؟
پاسخ:
منجر به حذف اطلاعات کدکننده ضروری می‌شود، در نتیجه پروتئین ساخته‌شده ممکن است ناقص، غیرفعال یا حتی مضر باشد.
سؤال 16 (ترکیبی از شکل و مفهوم(:
در شکل ۵، حلقه‌های سبزرنگ نشان‌دهنده کدام بخش‌های ژن هستند؟ چرا؟
پاسخ:
حلقه‌های سبزرنگ نشان‌دهنده بخش‌های میانه (اینترون‌ها) هستند، زیرا این بخش‌ها در رنای بالغ حذف شده‌اند و با رشته رنای نهایی جفت نمی‌شوند.
گفتار ۲ – ترجمه به سوی پروتئین
بخش 1: مفاهیم پایه و مقدماتی
سؤال 1: به فرایند ساخته شدن پلی‌پپتید از روی اطلاعات رنای پیک چه می‌گویند؟ چرا؟
پاسخ: به این فرایند “ترجمه” (Translation) گفته می‌شود زیرا طی آن زبان نوکلئوتیدی (سه‌تایی‌های نوکلئوتید موسوم به رمزه یا کدون) به زبان آمینواسیدی (واحدهای سازنده پروتئین) ترجمه می‌شود.
سؤال 2: نقش رمزه‌ها در سنتز پروتئین چیست؟
پاسخ: رمزه‌ها (کدون‌ها) توالی‌های سه‌تایی نوکلئوتیدی در رنای پیک هستند که مشخص می‌کنند کدام آمینواسید باید در ساختار پلی‌پپتید قرار گیرد.
سؤال 3: منظور از رمزه‌های پایان و آغاز چیست؟ مثال بزنید.
پاسخ:
• رمزه آغاز: رمزه‌ی AUG که هم آغازگر ترجمه است و هم نماینده‌ی آمینواسید متیونین.
• رمزه‌های پایان: UAA، UAG، UGA که هیچ آمینواسیدی را رمز نمی‌کنند و موجب توقف فرایند ترجمه می‌شوند.
سؤال 4: یکسان بودن رمزه‌ها در جانداران مختلف چه اهمیتی دارد؟
پاسخ: این موضوع بیانگر اشتراک وراثتی بین جانداران و تکامل مشترک آن‌هاست. به این ویژگی، رمز ژنتیکی جهانی گفته می‌شود.
بخش 2: ساختار رنای ناقل (tRNA)
سؤال 5: پادرمزه (آنتی‌کدون) چیست و چه نقشی دارد؟
پاسخ: پادرمزه، توالی سه‌تایی نوکلئوتیدی در رنای ناقل است که مکمل رمزه‌ی رنای پیک است. نقش آن اتصال اختصاصی به رمزه‌ی مکمل و آوردن آمینواسید صحیح به محل ساخت پلی‌پپتید است.
سؤال 6: چرا به پادرمزه، این نام داده شده است؟
پاسخ: چون مکمل (ضد) رمزه‌ی رنای پیک است. یعنی در روند ترجمه با رمزه پیوند هیدروژنی برقرار می‌کند.
سؤال 7: آیا هر آمینواسید می‌تواند به هر رنای ناقل متصل شود؟ توضیح دهید.
پاسخ: خیر، اتصال هر آمینواسید به رنای ناقل مخصوص خود توسط آنزیم ویژه‌ای صورت می‌گیرد که پادرمزه را تشخیص می‌دهد و آمینواسید صحیح را به آن متصل می‌کند.
سؤال 8: رنای ناقلی که متیونین را حمل می‌کند چه پادرمزه‌ای دارد؟
پاسخ: پادرمزه‌ی آن مکمل رمزه AUG است. بنابراین پادرمزه آن UAC است.
بخش 3: ساختار رناتَن (ریبوزوم)
سؤال 9: رناتن از چه اجزایی تشکیل شده و چند جایگاه دارد؟
پاسخ: از دو زیرواحد کوچک و بزرگ تشکیل شده که هرکدام شامل رنا و پروتئین هستند. دارای ۳ جایگاه A، P و E است:
• A: جایگاه ورود رنای ناقل جدید با آمینواسید
• P: محل نگهداری رنای ناقل دارای زنجیره پپتیدی
• E: محل خروج رنای ناقل بدون آمینواسید
سؤال 10: رنای ریبوزومی توسط کدام آنزیم ساخته می‌شود؟
پاسخ: توسط آنزیم رنابسپاراز (RNA polymerase).
بخش 4: مراحل ترجمه
سؤال 11: مراحل ترجمه را نام ببرید و به‌طور خلاصه توضیح دهید.
پاسخ:
1. آغاز: رنای پیک و رنای ناقل متیونین به رناتن متصل شده و جایگاه P پر می‌شود.
2. طویل شدن: آمینواسیدهای جدید وارد جایگاه A شده، پیوند پپتیدی برقرار می‌شود و رناتن حرکت می‌کند.
3. پایان: با ورود رمزه‌ی پایان، عامل آزادکننده وارد می‌شود و پلی‌پپتید از رنای ناقل جدا می‌شود.
سؤال 12: در کدام جایگاه پیوند پپتیدی برقرار می‌شود؟
پاسخ: در جایگاه A.
بخش 5: سرنوشت و محل پروتئین‌ها
سؤال 13: پروتئین‌های ساخته‌شده به کجا می‌روند؟ چه چیزی مسیر آنها را مشخص می‌کند؟
پاسخ: بسته به نوع پروتئین، ممکن است در سیتوپلاسم بمانند یا به شبکه آندوپلاسمی، گلژی، واکوئول، راکیزه، هسته و… بروند. توالی‌های آمینواسیدی خاصی در ساختارشان آنها را به مقصد مناسب هدایت می‌کند.
بخش 6: سرعت و تنظیم ترجمه
سؤال 14: چرا در پروکاریوت‌ها ترجمه می‌تواند همزمان با رونویسی آغاز شود؟
پاسخ: چون در پروکاریوت‌ها هسته وجود ندارد و رونویسی و ترجمه هر دو در سیتوپلاسم اتفاق می‌افتند و رنای پیک عمر کوتاهی دارد، بنابراین ترجمه همزمان با رونویسی آغاز می‌شود.
سؤال 15: پلی‌ریبوزوم چیست و چه مزیتی دارد؟
پاسخ: مجموعه‌ای از رناتن‌ها که به‌طور همزمان روی یک رنای پیک فعالیت می‌کنند. باعث افزایش سرعت و مقدار سنتز پروتئین می‌شود.
سوالات ترکیبی و مفهومی کنکور
سؤال 16: اگر رنای پیک دارای رمزه‌ی 5′-AUG-CGC-UAA-3′ باشد، زنجیره پلی‌پپتیدی حاصل شامل چه آمینواسیدهایی خواهد بود؟
پاسخ:
• AUG → متیونین (آغاز)
• CGC → آرژینین
• UAA → رمزه پایان (ترجمه متوقف می‌شود)
نتیجه: زنجیره شامل دو آمینواسید متیونین و آرژینین است.
سؤال 17: تفاوت بین عملکرد رمزه و پادرمزه چیست؟
پاسخ:
• رمزه (Codon): سه‌تایی نوکلئوتیدی در رنای پیک است و تعیین‌کننده‌ی نوع آمینواسید.
• پادرمزه (Anticodon): سه‌تایی مکمل در رنای ناقل است که برای شناسایی و جفت شدن با رمزه عمل می‌کند.
خودارزیابی پیشنهادی
سؤال خودارزیابی: اگر رنای ناقلی دارای پادرمزه‌ی GUA باشد، مکمل چه رمزه‌ای است و چه آمینواسیدی را حمل می‌کند؟
پاسخ: مکمل رمزه‌ی CAU است؛ یعنی رمزه CAU باید معرف آمینواسیدی باشد که این رنای ناقل حمل می‌کند.
تمرین کنکوری سطح بالا
سؤال مفهومی: چرا جایگاه A نامیده شده است؟ چرا جایگاه P این نام را دارد؟
پاسخ:
• A (Aminoacyl site): جایگاه ورود رنای ناقل دارای آمینواسید جدید.
• P (Peptidyl site): جایگاه نگهداری رنای ناقل حامل زنجیره پپتیدی در حال رشد.
• این نام‌ها از عملکردشان در فرایند ترجمه گرفته شده‌اند.
گفتار ۳ – تنظیم بیان ژن
بخش اول: سؤالات تشریحی از متن و شکل‌ها (امتحانی و مفهومی)
۱.چرا با وجود ژن‌های یکسان در یاخته‌های بدن، عملکرد آنها متفاوت است؟
پاسخ:
زیرا در هر یاخته فقط برخی از ژن‌ها فعال و بقیه غیرفعال هستند. ژن‌های فعال، بیان می‌شوند (روشن‌اند) و بقیه خاموش باقی می‌مانند. این تفاوت در بیان ژن‌هاست که موجب ایجاد یاخته‌هایی با عملکرد و ساختار متفاوت می‌شود، مانند یاخته‌های عصبی و ماهیچه‌ای.
۲.به فرایندی که تعیین می‌کند در چه زمانی، چه مقدار و کدام ژن‌ها بیان شوند، چه می‌گویند؟ دو نقش آن را بنویسید.
پاسخ:
به آن تنظیم بیان ژن گفته می‌شود.
نقش‌ها:
1. پاسخ به تغییرات محیطی (مثل نور در گیاهان).
2. ایجاد یاخته‌های متفاوت از یک یاخته (مثل یاخته‌های بنیادی مغز استخوان).
۳.دو یاختهای که از تقسیم میتوز حاصل می‌شوند، از نظر ژن‌ها چه ویژگی دارند؟
پاسخ:
از نظر ژنتیکی کاملاً مشابه هستند، زیرا دارای DNA و ژن‌های یکسان هستند.
۴.تنظیم بیان ژن در پروکاریوت‌ها عمدتاً در کدام مرحله انجام می‌شود؟ چرا؟
پاسخ:
در مرحله رونویسی. چون این مرحله اولین مرحله تولید محصول ژن (رنا و سپس پروتئین) است و با کنترل آن، می‌توان کل مسیر بیان ژن را تنظیم کرد.
۵.مهارکننده در تنظیم منفی رونویسی چه نقشی دارد؟ چه اتفاقی در حضور لاکتوز می‌افتد؟
پاسخ:
مهارکننده به اپراتور متصل می‌شود و جلوی حرکت رنابسپاراز را می‌گیرد، در نتیجه رونویسی انجام نمی‌شود. در حضور لاکتوز، لاکتوز به مهارکننده متصل شده و باعث تغییر شکل آن می‌شود. مهارکننده از اپراتور جدا شده و راه برای رونویسی باز می‌شود.
۶.تفاوت تنظیم مثبت و منفی رونویسی را بنویسید.
پاسخ:
• در تنظیم منفی، پروتئین مهارکننده با اتصال به اپراتور مانع رونویسی می‌شود. (مانع‌سازی)
• در تنظیم مثبت، پروتئین فعال‌کننده با اتصال به دنا و کمک به رنابسپاراز موجب تسهیل رونویسی می‌شود. (کمک به رونویسی)
۷.در تنظیم مثبت، چه چیزی باعث فعال شدن پروتئین فعال‌کننده می‌شود؟
پاسخ:
حضور قندی مانند مالتوز. این قند به پروتئین فعال‌کننده متصل شده و موجب اتصال آن به جایگاه مخصوص خود در دنا می‌شود.
بخش دوم: سؤالات ترکیبی و تحلیلی (کنکور و امتحان)
۸.چرا یاخته‌ها باید بتوانند بیان ژن را تنظیم کنند؟ یک مثال گیاهی و یک مثال باکتریایی بزنید.
پاسخ:
زیرا یاخته‌ها باید بتوانند خود را با شرایط متغیر سازگار کنند.
• مثال گیاهی: در حضور نور، ژن آنزیم فتوسنتز فعال می‌شود.
• مثال باکتریایی: در حضور لاکتوز، ژن‌های تجزیه‌کننده آن فعال می‌شوند.
۹.اگر مهارکننده لاکتوزی تغییر شکل ندهد، چه تأثیری در بیان ژن‌های تجزیه‌کننده لاکتوز خواهد داشت؟
پاسخ:
مهارکننده همچنان به اپراتور متصل باقی می‌ماند، در نتیجه رنابسپاراز نمی‌تواند رونویسی را آغاز کند و ژن‌های تجزیه‌کننده لاکتوز بیان نمی‌شوند.
۱۰.چگونه یوکاریوت‌ها با فشرده‌سازی فامتن می‌توانند بیان ژن را تنظیم کنند؟
پاسخ:
در نواحی فشرده شده فامتن، ژن‌ها کمتر در دسترس رنابسپاراز قرار می‌گیرند، بنابراین یاخته با فشرده یا باز کردن بخش‌هایی از فامتن، می‌تواند بیان ژن‌ها را تنظیم کند. این نوع تنظیم پیش از رونویسی است.
بخش سوم: سؤالات خودارزیابی از فعالیت‌ها و تصاویر
۱۱.با توجه به شکل تنظیم لاکتوز، مشخص کنید:
الف) در غیاب لاکتوز، کدام عامل مانع رونویسی است؟
ب) در حضور لاکتوز، چه تغییری در مهارکننده رخ می‌دهد؟
پاسخ:
الف) پروتئین مهارکننده که به اپراتور متصل است.
ب) لاکتوز با اتصال به مهارکننده، باعث تغییر شکل آن شده و مهارکننده از اپراتور جدا می‌شود.
۱۲.در شکل مربوط به تنظیم مالتوز، چرا در حضور مالتوز رونویسی انجام می‌شود ولی در غیاب آن خیر؟
پاسخ:
در حضور مالتوز، فعال‌کننده به دنا متصل شده و به رنابسپاراز کمک می‌کند تا رونویسی را آغاز کند. در غیاب مالتوز، فعال‌کننده به دنا نمی‌چسبد، پس رنابسپاراز نمی‌تواند کار خود را آغاز کند.
بخش چهارم: سؤالات کنکوری (چهارگزینه‌ای)
۱۳.کدام گزینه درباره تنظیم بیان ژن در پروکاریوت‌ها نادرست است؟
الف) بیشتر تنظیم‌ها در مرحله رونویسی انجام می‌شود.
ب) فقط از طریق پروتئین مهارکننده قابل کنترل است.
ج) در غیاب گلوکز، لاکتوز می‌تواند باعث بیان آنزیم‌های مربوط به خودش شود.
د) اپراتور محل اتصال پروتئین مهارکننده است.
پاسخ صحیح: ب
تنظیم بیان ژن فقط از طریق مهارکننده انجام نمی‌شود؛ پروتئین‌های فعال‌کننده نیز نقش دارند.
۱۴.کدام یک از موارد زیر جزء تنظیم پس از رونویسی است؟
الف) اتصال فعال‌کننده به دنا
ب) فشرده‌سازی فامتن
ج) اتصال رناهای مکمل به رنای پیک
د) تغییر در عوامل رونویسی
پاسخ صحیح: ج
اتصال رناهای مکمل به رنای پیک نوعی تنظیم پس از رونویسی است.
.15در یوکاریوت‌ها، چه عاملی سبب افزایش سرعت رونویسی می‌شود؟
الف) کاهش فشردگی فامتن
ب) اتصال رناهای کوچک
ج) پروتئین مهارکننده
د) غیرفعال بودن راه‌انداز
پاسخ صحیح: الف
کاهش فشردگی فامتن باعث دسترسی بیشتر به ژن‌ها و افزایش رونویسی می‌شود.
بخش پنجم: فعالیت خلاقیت و تفکر تحلیلی
۱۶.با توجه به مطالب گذشته، چند یاخته حاصل از یاخته‌های بنیادی مغز استخوان را نام ببرید و بگویید چطور از یک یاخته، انواع مختلف ساخته می‌شوند؟
پاسخ:
یاخته‌های قرمز خون، سفید خون، پلاکت‌ها.
با تنظیم بیان ژن، ژن‌های خاصی در یاخته بنیادی فعال شده و مسیر تمایز به سمت یک یاخته خاص طی می‌شود.
۱۷.اگر قند مالتوز در محیط وجود داشته باشد ولی فعال‌کننده جهش یافته باشد و نتواند به دنا متصل شود، چه پیامدی دارد؟
پاسخ:
رنابسپاراز نمی‌تواند رونویسی را آغاز کند چون فعال‌کننده به دنا متصل نمی‌شود. در نتیجه، ژن‌های تجزیه مالتوز بیان نمی‌شوند و باکتری نمی‌تواند از مالتوز استفاده کند.
فصل ۳: انتقال اطلاعات در نسل‌ها
گفتار ۱ – مفاهیم پایه
بخش اول: درک مفاهیم پایه
سوال 1:
ویژگی‌های ارثی را تعریف کرده و تفاوت آنها را با ویژگی‌های اکتسابی بیان کنید.
پاسخ:
ویژگی‌های ارثی، صفاتی هستند که از والدین به فرزندان منتقل می‌شوند و در ماده ژنتیکی (DNA) ذخیره شده‌اند، مانند رنگ چشم، نوع مو و گروه خونی.
ویژگی‌های اکتسابی، صفاتی هستند که به دلیل تأثیر محیط یا رفتار ایجاد می‌شوند و قابل انتقال به نسل بعد نیستند؛ مانند آفتاب‌سوختگی یا عضلانی شدن در اثر ورزش.
سوال 2:
منظور از “شکل‌های مختلف یک صفت” چیست؟ با مثال توضیح دهید.
پاسخ:
شکل‌های مختلف یک صفت، تنوع‌های قابل مشاهده‌ی آن صفت هستند. برای مثال، صفت رنگ چشم می‌تواند شکل‌های مختلفی مانند مشکی، قهوه‌ای، سبز یا آبی داشته باشد.
بخش دوم: گروه‌های خونی و وراثت
سوال 3:
تفاوت بین گروه‌های خونی Rh مثبت و Rh منفی چیست؟
پاسخ:
گروه خونی Rh بر اساس حضور یا نبود پروتئین D بر سطح گلبول‌های قرمز تعیین می‌شود. اگر پروتئین D وجود داشته باشد، فرد Rh مثبت و اگر نباشد، Rh منفی است.
سوال 4:
در مورد دگره‌های ژن Rh چه می‌دانید؟ آنها را نام برده و توضیح دهید.
پاسخ:
دو دگره برای ژن Rh وجود دارد:
• 😀 می‌تواند پروتئین D بسازد (بارز)
• :d نمی‌تواند پروتئین D بسازد (نهفته)
ترکیب‌های ژنتیکی ممکن:
• DD: Rh مثبت (خالص)
• Dd: Rh مثبت (ناخالص)
• dd: Rh منفی (خالص)
سوال 5:
ژننمود و رخنمود را تعریف کرده و با مثال در مورد گروه خونی Rh توضیح دهید.
پاسخ:
• ژننمود (ژنوتیپ): ترکیب دگره‌ها در ژن خاص.
• رخنمود (فنوتیپ): ظاهر یا ویژگی قابل مشاهده.
مثال:
• ژننمود Dd → رخنمود Rh مثبت
• ژننمود dd → رخنمود Rh منفی
بخش سوم: وراثت گروه خونی ABO
سوال 6:
تعداد دگره‌های ژن ABO چند عدد است و هرکدام چه کاری انجام می‌دهند؟
پاسخ:
سه دگره برای این ژن وجود دارد:
• IA: آنزیم A را می‌سازد → کربوهیدرات A را اضافه می‌کند.
• IB: آنزیم B را می‌سازد → کربوهیدرات B را اضافه می‌کند.
• i: آنزیمی نمی‌سازد → هیچ کربوهیدراتی اضافه نمی‌شود.
سوال 7:
رابطه بین دگره‌های IA، IB و i چگونه است؟
پاسخ:
• IA و IB نسبت به i بارز هستند.
• IA و IB نسبت به یکدیگر همتوان هستند (در ژننمود AB، هر دو آنزیم ساخته می‌شود).
سوال 8:
جدول ژننمود و رخنمود گروه خونی ABO را کامل کنید:
ژننمود رخنمود
IAIA ?
IAi ?
IBIB ?
IBi ?
IAIB ?
ii ?
پاسخ:
ژننمود رخنمود
IAIA گروه خونی A
IAi گروه خونی A
IBIB گروه خونی B
IBi گروه خونی B
IAIB گروه خونی AB
ii گروه خونی O
بخش چهارم: انواع روابط بین دگره‌ها
سوال 9:
رابطه همتوانی را تعریف کرده و با یک مثال توضیح دهید.
پاسخ:
در رابطه همتوانی، هر دو دگره به صورت همزمان و کامل بروز می‌کنند.
مثال: در ژننمود IAIB، هر دو آنزیم A و B ساخته می‌شوند و گروه خونی فرد AB خواهد بود.
سوال 10:
رابطه بارزیت ناقص چیست؟ با ذکر مثال از گل میمونی توضیح دهید.
پاسخ:
در بارزیت ناقص، صفت در حالت ناخالص به‌صورت حد واسط ظاهر می‌شود.
مثال: در گل میمونی، ژننمود RW باعث رنگ صورتی می‌شود که حدواسط قرمز (RR) و سفید (WW) است.
فعالیت‌ها و کاربردها
سوال 11:
اگر مادر گروه خونی O و پدر AB باشد، فرزندان چه گروه‌های خونی می‌توانند داشته باشند؟
پاسخ:
• ژننمود مادر: ii
• ژننمود پدر: IAIB
فرزندان ممکن است ژننمودهای IAi یا IBi داشته باشند.
رخنمود (گروه خونی): A یا B
سوال 12:
در صورت ترکیب دو فرد Dd × Dd، احتمال داشتن فرزند Rh منفی چقدر است؟
پاسخ:
ترکیب ژنی:
• DD (25%)
• Dd (50%)
• dd (25%)
فرزند Rh منفی فقط با ژننمود dd خواهد بود.
احتمال: 25٪
سوال 13:
دلیل علمی اینکه دگره D نسبت به d بارز است چیست؟
پاسخ:
زیرا دگره D حتی در حالت ناخالص (Dd) قادر به ساخت پروتئین D است، درحالی که دگره d آن را نمی‌سازد. در نتیجه، با وجود تنها یک دگره D، پروتئین مورد نظر تولید شده و صفت بروز می‌یابد.
خودارزیابی مفهومی
سوال 14:
اگر فردی ژننمود IBi داشته باشد،
۱. گروه خونی او چیست؟
۲. کدام دگره در او بارز است؟
پاسخ:
۱. گروه خونی: B
۲. دگره IB نسبت به i بارز است.
سوال 15:
اگر فردی با گروه خونی AB با فردی با گروه خونی O ازدواج کند، چه گروه‌هایی در فرزندان ممکن است دیده شود؟
پاسخ:
• ژننمود والدین: IAIB × ii
• فرزندان: IAi (گروه خونی A)، IBi (گروه خونی B)
گروه‌های ممکن: A و B
سوال 16:
اگر رنگ گل در گیاه میمونی در حالت RW صورتی باشد، نتایج ترکیب RW × RW چیست؟
پاسخ:
• RR → قرمز (25%)
• RW → صورتی (50%)
• WW → سفید (25%)
گفتار ۲ – انواع صفات
بخش اول: وراثت صفات مستقل از جنس
سؤال 1:
اگر پدر و مادر هر دو دارای ژننمود Dd برای صفت Rh باشند، نسبت فراوانی ژننمودهای فرزندان چگونه خواهد بود؟ این نسبت را با استفاده از مربع پانت نشان دهید.
پاسخ:
پدر: Dd → دو نوع گامت D و d
مادر: Dd → دو نوع گامت D و d
مربع پانت:
D (مادر)d (مادر)
D (پدر) DD Dd
d (پدر) Dd dd
ژننمود فرزندان:
• DD → Rh مثبت
• Dd → Rh مثبت
• dd → Rh منفی
نسبت:
• 1 DD : 2 Dd : 1 dd
=> نسبت رخنمودی: 3 Rh+ : 1 Rh−
سؤال 2:
چرا ژننمودهای Dd و dD یکسان در نظر گرفته می‌شوند؟
پاسخ:
زیرا در این حالت، دگره D بر d غالب است و ترتیب نوشتن دگره‌ها تأثیری در رخنمود ندارد. هر دو ژننمود منجر به ایجاد Rh مثبت می‌شوند.
بخش دوم: صفات وابسته به X
سؤال 3:
هموفیلی چه نوع بیماری‌ای است؟ دگره‌های آن را چگونه نمایش می‌دهند؟
پاسخ:
هموفیلی بیماری‌ای وابسته به فامتن X و نهفته است. دگره بیماری با xh و دگره سالم با xH نمایش داده می‌شود. چون فامتن Y جایگاهی برای این ژن ندارد، مردان با یک xh بیمار می‌شوند.
سؤال 4:
اگر مردی هموفیل (xhY) با زنی سالم و غیرناقل (xHxH) ازدواج کند، آیا احتمال تولد فرزند هموفیل وجود دارد؟ توضیح دهید.
پاسخ:
گامت‌های مرد: xh ، Y
گامت‌های زن: xH
مربع پانت:
xH (زن)
xh (مرد) xHxh → دختر ناقل
Y (مرد) xHY → پسر سالم
نتیجه:
• دخترها ناقل، اما سالم
• پسرها سالم
=> هیچ فرزند هموفیلی متولد نخواهد شد.
بخش سوم: صفات گسسته و پیوسته
سؤال 5:
تفاوت بین صفات گسسته و پیوسته چیست؟ برای هرکدام مثالی بزنید.
پاسخ:
• صفات گسسته: دارای رخنمودهای مشخص و جدا از هم هستند. مثل گروه خونی Rh (فقط مثبت یا منفی).
• صفات پیوسته: دارای طیف گسترده‌ای از رخنمودها هستند. مثل قد انسان یا رنگ ذرت.
بخش چهارم: صفات تک‌جایگاهی و چندجایگاهی
سؤال 6:
رنگ نوعی ذرت را چگونه صفاتی تعیین می‌کنند؟ چرا رنگ آن طیف پیوسته دارد؟
پاسخ:
رنگ این ذرت توسط سه جایگاه ژنی (A, B, C) تعیین می‌شود. هر جایگاه دو دگره دارد. دگره‌های بزرگ (بارز) رنگ قرمز، و دگره‌های کوچک (نهفته) رنگ سفید ایجاد می‌کنند. تعداد دگره‌های بارز، شدت قرمزی را تعیین می‌کند. چون ترکیب‌های گوناگون زیادی ممکن است، رخنمود آن پیوسته است.
بخش پنجم: اثر محیط بر ژن
سؤال 7:
مثالی بزنید که در آن محیط بر بروز یک صفت ژنتیکی اثر بگذارد.
پاسخ:
در گیاهان، برای ساخته شدن سبزینه، علاوه بر ژن، به نور نیز نیاز است. در انسان‌ها، قد به ژن و همچنین تغذیه و ورزش بستگی دارد. بنابراین محیط نقش مؤثری در بروز رخنمود دارد.
بخش ششم: بیماری‌های ژنتیکی و کنترل آن
سؤال 8:
علت بیماری فنیل‌کتونوری چیست؟ چگونه می‌توان از بروز علائم آن جلوگیری کرد؟
پاسخ:
در این بیماری آنزیم تجزیه فنیل‌آلانین وجود ندارد. تجمع این ماده به ترکیبات سمی و آسیب مغز منجر می‌شود.
پیشگیری: با پرهیز از خوراکی‌های حاوی فنیل‌آلانین (مثل شیر مادر)، می‌توان از بروز اثرات بیماری جلوگیری کرد. از بدو تولد، با آزمایش خون نوزاد این بیماری شناسایی می‌شود.
فعالیت‌ها و خودارزیابی‌ها
سؤال 9:
در بیماری هموفیلی چرا ژننمود xhY بیمار است ولی xh xH سالم؟
پاسخ:
چون ژن xh نهفته است، اگر در کنار xH قرار گیرد، xH بر آن غالب می‌شود و فرد سالم خواهد بود. اما مرد فقط یک فامتن X دارد. اگر همان xh را داشته باشد، صفت بروز می‌کند.
سؤال 10:
آیا بیماری‌های ژنتیکی درمان دارند؟ چه راهکارهایی برای کنترل آنها وجود دارد؟
پاسخ:
درمان کامل ندارند (جز موارد خاص مانند ژن‌درمانی)، اما می‌توان با شناسایی زودهنگام و تغییر عوامل محیطی مانند تغذیه، عوارض بیماری را مهار کرد. مثال: فنیل‌کتونوری با تغذیه بدون فنیل‌آلانین قابل کنترل است.
جمع‌بندی سرفصل‌ها برای امتحان و کنکور
موضوع نکات کلیدی
صفات مستقل از جنس در فامتن‌های غیرجنسی هستند، مثال: Rh
صفات وابسته به X فقط در X هستند، Y جایگاه ندارد، مثال: هموفیلی
صفات گسسته و پیوسته گسسته: Rh، پیوسته: قد، رنگ ذرت
تک‌جایگاهی و چندجایگاهی تک: ABO، چند: رنگ ذرت با سه جایگاه
اثر محیط نور در سبزینه، تغذیه در قد
کنترل بیماری ژنتیکی با تغذیه مناسب، مثال: PKU
فصل ۴: تغییر در اطلاعات وراثتی
گفتار ۱ – تغییر در مادۀ وراثتی جانداران
سوالات تشریحی و پاسخ‌ها
سؤال 1:
تعریف جهش چیست و چرا جهش‌ها اهمیت دارند؟
پاسخ:
جهش به تغییر ماندگار در نوکلئوتیدهای ماده وراثتی (DNA) گفته می‌شود. جهش‌ها اهمیت دارند زیرا باعث ایجاد تنوع ژنتیکی در جمعیت‌ها می‌شوند، که این تنوع زمینه‌ساز سازگاری و بقا در شرایط محیطی متغیر است و در نهایت منجر به تغییر گونه‌ها می‌شود.
سؤال 2:
با اشاره به مثال بیماری کم‌خونی داسی شکل، توضیح دهید که جهش چگونه می‌تواند باعث تغییر در پروتئین‌ها شود؟
پاسخ:
در بیماری کم‌خونی داسی شکل، جهش جانشینی در یک نوکلئوتید خاص از ژن زنجیره بتای هموگلوبین رخ داده است؛ یعنی نوکلئوتید A به جای T قرار گرفته است. این تغییر باعث می‌شود یک آمینواسید (گلوتامیک اسید) به والین تغییر کند که ساختار و عملکرد هموگلوبین را تغییر داده و باعث بیماری می‌شود.
سؤال 3:
جهش‌های کوچک را نام ببرید و هر کدام را توضیح دهید.
پاسخ:
جهش‌های کوچک شامل سه نوع هستند:
• جانشینی: جایگزینی یک یا چند نوکلئوتید به نوکلئوتیدهای دیگر (مثال: جهش بیماری داسی شکل).
• اضافه: اضافه شدن یک یا چند نوکلئوتید به رشته DNA.
• حذف: حذف یک یا چند نوکلئوتید از رشته DNA.
سؤال 4:
جهش خاموش چیست و چرا ممکن است جهش جانشینی باعث تغییر در توالی آمینواسیدها نشود؟
پاسخ:
جهش خاموش نوعی جهش جانشینی است که باعث تغییر رمز یک آمینواسید به رمز دیگر برای همان آمینواسید می‌شود، بنابراین توالی آمینواسیدها تغییر نمی‌کند و پروتئین نهایی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.
سؤال 5:
توضیح دهید چرا جهش‌های اضافه و حذف می‌توانند پیامدهای وخیمی داشته باشند و مثال مشابهی برای درک این موضوع ذکر کنید.
پاسخ:
جهش‌های اضافه یا حذف باعث تغییر چارچوب خواندن کد ژنتیکی می‌شوند، یعنی ترتیب خواندن نوکلئوتیدها به صورت سه‌تایی تغییر می‌کند که منجر به تولید پروتئین‌های غیرطبیعی می‌شود. مثالی که در متن آمده است، جمله «این سیب سرخ است» است؛ اگر یک حرف اضافه شود، جمله به صورت کلمات سه‌تایی خوانده شده و معنی‌اش از بین می‌رود.
سؤال 6:
انواع ناهنجاری‌های فامتنی را نام ببرید و هر کدام را توضیح دهید.
پاسخ:
ناهنجاری‌های فامتنی دو نوع هستند:
• ناهنجاری عددی: تغییر در تعداد فامتن‌ها مانند نشانگان داون که فامتن 21 اضافی دارد.
• ناهنجاری ساختاری: تغییر در ساختار فامتن‌ها که شامل حذف، جابهجایی، مضاعف‌شدگی و واژگونی می‌شود.
سؤال 7:
جهش‌های فامتنی شامل حذف، جابهجایی، مضاعف‌شدگی و واژگونی هستند. هر کدام را با مثال توضیح دهید.
پاسخ:
• حذف: از دست رفتن قسمتی از فامتن، که اغلب کشنده است.
• جابهجایی: انتقال بخشی از یک فامتن به فامتن غیرهمتا یا قسمتی دیگر از همان فامتن.
• مضاعف‌شدگی: تکرار قسمتی از فامتن (کپی اضافی).
• واژگونی: معکوس شدن جهت قرارگیری بخشی از فامتن در جای خود.
سؤال 8:
چرا تأثیر جهش به محل وقوع آن در ژن بستگی دارد؟
پاسخ:
چون اگر جهش در بخش‌های تنظیمی مثل راه‌انداز باشد، بر مقدار تولید پروتئین تأثیر می‌گذارد و اگر در بخش کدکننده باشد، ممکن است ساختار پروتئین را تغییر دهد. همچنین اگر جهش در جایگاه فعال آنزیم رخ دهد، عملکرد آنزیم تغییر می‌کند ولی اگر در جای دیگر باشد، ممکن است اثری نداشته باشد.
سؤال 9:
جهش چگونه ایجاد می‌شود؟ عوامل ایجاد جهش را نام ببرید.
پاسخ:
جهش ممکن است به علت خطاهای تصادفی در همانندسازی DNA یا تحت تأثیر عوامل جهش‌زا رخ دهد. عوامل جهش‌زا شامل:
• عوامل فیزیکی مثل پرتو فرابنفش که باعث تشکیل دوپار تیمین می‌شود.
• عوامل شیمیایی مثل بنزوپیرن موجود در دود سیگار.
سؤال 10:
دوپار تیمین چیست و چه تأثیری بر DNA می‌گذارد؟
پاسخ:
دوپار تیمین (دیمر تیمین) یک پیوند شیمیایی بین دو تیمین مجاور در DNA است که به واسطه پرتو فرابنفش ایجاد می‌شود. این دوپار مانع عملکرد درست آنزیم DNA پلیمراز شده و همانندسازی DNA را مختل می‌کند، که منجر به جهش می‌شود.
سؤال 11:
فرق جهش ارثی و جهش اکتسابی را توضیح دهید.
پاسخ:
• جهش ارثی: جهشی است که در گامت‌ها (سلول‌های جنسی) رخ داده و به نسل بعد منتقل می‌شود، بنابراین تمام یاخته‌های حاصل از تخم دارای آن جهش هستند.
• جهش اکتسابی: جهشی است که در سلول‌های بدن به علت عوامل محیطی مثل سیگار کشیدن ایجاد می‌شود و به نسل بعد منتقل نمی‌شود.
سؤال 12:
چرا سبک زندگی و تغذیه در پیشگیری از سرطان اهمیت دارد؟
پاسخ:
زیرا مصرف مواد غذایی سالم، ورزش و حفظ وزن مناسب باعث کاهش جهش‌ها و آسیب‌های DNA می‌شود. غذاهای گیاهی با آنتی‌اکسیدان‌ها و فیبر، مصرف کمتر نمک، غذاهای دودی، کبابی یا سرخ شده و مواد نگهدارنده نیتریت‌دار می‌تواند ریسک ابتلا به سرطان را کاهش یا افزایش دهد.
سوالات تشریحی از شکل‌ها
سؤال 13:
در شکل 1، تفاوت بین ژن هموگلوبین طبیعی و جهشی چیست؟
پاسخ:
در شکل 1، تفاوت در یک نوکلئوتید است که در ژن جهشی نوکلئوتید A جایگزین T شده است که باعث تغییر ششمین آمینواسید زنجیره پلی‌پپتیدی از گلوتامیک اسید (Glu) به والین (Val) شده است.
سؤال 14:
انواع جهش‌های کوچک در شکل 2 نشان داده شده‌اند. هر کدام را تعریف کنید.
پاسخ:
• اضافه: اضافه شدن یک نوکلئوتید.
• جانشینی: جایگزینی یک نوکلئوتید به نوکلئوتید دیگر.
• حذف: حذف یک نوکلئوتید از رشته DNA.
سؤال 15:
در شکل 3 تأثیر جهش بر پروتئین را توضیح دهید.
پاسخ:
جهش‌های جانشینی می‌توانند باعث تغییر در یک آمینواسید یا تولید پروتئین کوتاه‌شده (اگر جهش تبدیل به رمز پایان ترجمه شود) یا هیچ تغییر آمینواسیدی (جهش خاموش) شوند. جهش‌های اضافه و حذف می‌توانند چارچوب خواندن را تغییر دهند که منجر به تغییر کلی توالی آمینواسیدها می‌شود.
سؤال 16:
چهار نوع ناهنجاری ساختاری فامتن در شکل 4 نشان داده شده است. هرکدام را نام ببرید و معنی دهید.
پاسخ:
• حذف: از دست رفتن بخشی از فامتن.
• جابهجایی: انتقال بخشی از فامتن به فامتن دیگر.
• مضاعف‌شدگی: تکرار یک بخش از فامتن.
• واژگونی: معکوس شدن جهت قرارگیری بخشی از فامتن.
سؤال 17:
تشکیل دوپار تیمین در شکل 5 چگونه رخ می‌دهد و چه پیامدی دارد؟
پاسخ:
دوپار تیمین به واسطه پرتو فرابنفش ایجاد می‌شود که بین دو تیمین مجاور در DNA پیوند برقرار می‌کند و باعث اختلال در همانندسازی DNA می‌شود که می‌تواند منجر به جهش شود.
گفتار ۲ – تغییر در جمعیت‌ها
۱.توضیح دهید پادزیست‌ها و آنتی‌بیوتیک‌ها چه نقشی در مقابله با باکتری‌های بیماریزا دارند و چرا اخیراً نگرانی‌هایی درباره آنها مطرح شده است؟
پاسخ:
پادزیست‌ها یا آنتی‌بیوتیک‌ها داروهایی هستند که به انسان کمک می‌کنند تا باکتری‌های بیماریزا را از بین ببرد و در نبرد با این باکتری‌ها پیروز شود. با کشف آنتی‌بیوتیک‌ها، انسان یکی از کارآمدترین ابزارهای دفاعی در برابر باکتری‌ها پیدا کرد. اما اخیراً مشاهده شده که باکتری‌ها نسبت به این داروها مقاوم شده‌اند، یعنی برخی باکتری‌ها می‌توانند بدون آسیب از پادزیست‌ها عبور کنند. این مقاومت باعث نگرانی دانشمندان شده، چون ممکن است این داروها در آینده کمتر کارآمد باشند.
۲.تفاوت‌های فردی در یک جمعیت چگونه می‌تواند باعث تغییر جمعیت و سازگاری بیشتر آن با محیط شود؟ با ذکر مثال توضیح دهید.
پاسخ:
تفاوت‌های فردی به معنی وجود صفات مختلف در افراد یک گونه است. اگر در جمعیتی افراد تحمل متفاوتی نسبت به سرما داشته باشند، وقتی سرمای شدید رخ دهد، کسانی که تحمل بیشتری دارند شانس بیشتری برای زنده ماندن و تولیدمثل دارند. به مرور، این صفت تحمل سرما در جمعیت بیشتر می‌شود و جمعیت به گونه‌ای تغییر می‌کند که بیشتر افراد آن مقاوم به سرما هستند. این تغییر نتیجه انتخاب طبیعی است که باعث می‌شود صفات سازگارتر با محیط در جمعیت غالب شوند.
۳.انتخاب طبیعی چیست و چگونه می‌تواند باعث مقاومت باکتری‌ها نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها شود؟ (با اشاره به شکل 6)
پاسخ:
انتخاب طبیعی فرایندی است که در آن افراد سازگارتر با محیط شانس بیشتری برای بقا و تولیدمثل دارند و صفات سازگارتر در نسل‌های بعد بیشتر می‌شوند. در مورد باکتری‌ها، وقتی آنتی‌بیوتیک‌ها (پادزیست‌ها) به جمعیت باکتری‌ها وارد می‌شوند، باکتری‌های غیرمقاوم می‌میرند ولی باکتری‌های مقاوم زنده می‌مانند و تکثیر می‌شوند. به مرور، جمعیت باکتری‌ها از حالت غیرمقاوم به مقاوم تغییر می‌کند و این همان مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک است.
۴.تفاوت بین تغییر در «فرد» و تغییر در «جمعیت» چیست؟
پاسخ:
تغییر در «فرد» یعنی تغییراتی که در ویژگی‌های یک موجود زنده خاص رخ می‌دهد، اما این تغییرات به تنهایی باعث تغییر کل جمعیت نمی‌شوند. انتخاب طبیعی و تغییرات ژنتیکی بر «جمعیت» تأثیر می‌گذارند، زیرا جمعیت شامل تعداد زیادی از افراد با صفات متفاوت است و تغییرات در فراوانی صفات در میان افراد جمعیت، به مرور موجب تغییر جمعیت می‌شود.
۵.خزانه ژن چیست و چرا برای مطالعه جمعیت‌ها مهم است؟
پاسخ:
خزانه ژن مجموعه همه دگره‌ها (آلِل‌ها) و ژننمودهای موجود در جایگاه‌های ژنی افراد یک جمعیت است. این مفهوم مهم است چون نشان می‌دهد چه تنوع ژنتیکی در جمعیت وجود دارد و می‌تواند به زیست‌شناسان کمک کند تا روند تغییرات ژنتیکی، انتخاب طبیعی و تعادل ژنی را بهتر بفهمند.
۶.تعادل ژنی چیست و چه عواملی می‌توانند باعث برهم خوردن آن شوند؟ (به همراه توضیح مختصر از هر عامل)
پاسخ:
تعادل ژنی زمانی برقرار است که فراوانی نسبی دگره‌ها در جمعیت از نسلی به نسل دیگر ثابت باقی بماند و جمعیت تغییر نکند. عوامل برهم زننده تعادل ژنی عبارتند از:
• الف) جهش: ایجاد دگره‌های جدید که تنوع ژنتیکی را افزایش می‌دهد.
• ب) رانش دگره‌ها: تغییرات تصادفی در فراوانی دگره‌ها به‌دلیل مرگ یا زاد و ولد تصادفی (مثلاً بلایای طبیعی).
• پ) شارش ژن: انتقال دگره‌ها بین جمعیت‌ها از طریق مهاجرت افراد.
• ت) آمیزش غیرتصادفی: جفت‌گیری بر اساس صفات خاص که باعث تغییر فراوانی ژننمودها می‌شود.
• ث) انتخاب طبیعی: افزایش فراوانی دگره‌های سازگار با محیط و کاهش دگره‌های ناسازگار.
۷.رانش دگره‌ها چیست و چرا برخلاف انتخاب طبیعی باعث سازش نمی‌شود؟ (با اشاره به شکل 7)
پاسخ:
رانش دگره‌ها به تغییرات تصادفی در فراوانی نسبی دگره‌ها گفته می‌شود که ممکن است به دلیل رویدادهای ناگهانی مانند سیل، زلزله یا کاهش شدید جمعیت رخ دهد. این تغییرات تصادفی هستند و ارتباطی با سازگاری دگره‌ها با محیط ندارند، بنابراین برخلاف انتخاب طبیعی که صفات سازگارتر را افزایش می‌دهد، رانش دگره‌ها منجر به انتخاب نمی‌شود.
۸.شارش ژن چیست و چه تأثیری بر جمعیت‌ها دارد؟
پاسخ:
شارش ژن یعنی مهاجرت افراد از یک جمعیت به جمعیت دیگر که باعث انتقال دگره‌ها و تغییر فراوانی نسبی آنها در هر دو جمعیت می‌شود. این فرآیند باعث افزایش شباهت ژنتیکی بین جمعیت‌ها و افزایش تنوع ژنتیکی در هر جمعیت می‌گردد.
۹.چرا آمیزش غیرتصادفی می‌تواند باعث تغییر فراوانی ژننمودها در جمعیت شود؟
پاسخ:
آمیزش غیرتصادفی زمانی رخ می‌دهد که انتخاب جفت بر اساس صفات خاص (مثل رنگ، اندازه، یا رفتار) صورت گیرد. این امر باعث می‌شود بعضی ژننمودها بیشتر و بعضی کمتر از حالت تصادفی منتقل شوند و در نتیجه فراوانی نسبی آنها در جمعیت تغییر کند و تعادل ژنی بر هم بخورد.
۱۰.نوترکیبی (کراسینگ‌اور) چیست و چگونه باعث افزایش گوناگونی ژنتیکی می‌شود؟ (با اشاره به شکل 9)
پاسخ:
نوترکیبی یا کراسینگ‌اور فرایندی است که در آن قطعاتی از دو کروموزوم همتا در هنگام تشکیل گامت‌ها (کاستمان 1) بین یکدیگر تبادل می‌شوند. این تبادل موجب می‌شود ژن‌ها یا دگره‌ها به ترکیب‌های جدیدی برسند که در نتیجه آن، گامت‌های نوترکیب با ویژگی‌های متفاوت ایجاد می‌شوند. این فرآیند باعث افزایش گوناگونی ژنتیکی در نسل بعد می‌شود.
۱۱.اهمیت ژننمود ناخالص‌ها را با ذکر مثال بیماری گویچه‌های قرمز داسی شکل توضیح دهید.
پاسخ:
ژننمود ناخالص یعنی فردی که دو دگره متفاوت برای یک صفت دارد (هتروزیگوت). در بیماری گویچه‌های قرمز داسی شکل، افراد با ژننمود ناخالص (HbAHbS) نسبت به بیماری مالاریا مقاوم‌تر هستند، چون انگل مالاریا نمی‌تواند در گویچه‌های قرمز این افراد به خوبی رشد کند. این ویژگی باعث بقای این دگره در جمعیت‌هایی می‌شود که مالاریا شایع است، حتی اگر خود بیماری داسی شکل (در افراد هم‌خالص HbSHbS) مضر باشد. این مثال نشان می‌دهد که شرایط محیطی تعیین می‌کند کدام صفات حفظ شوند.
۱۲.فعالیت: با توجه به شکل 8، توضیح دهید چگونه آرایش فامتن‌ها در کاستمان 1 باعث ایجاد گامت‌های متفاوت می‌شود؟
پاسخ:
در متافاز کاستمان 1، کروموزوم‌های همتا به صورت چهارتایی (تتراد) کنار هم قرار می‌گیرند و می‌توانند با آرایش‌های مختلفی در خط وسط سلول قرار بگیرند. این آرایش‌های مختلف باعث می‌شود که هر گامت یکی از ترکیب‌های مختلف کروموزومی را دریافت کند، که در نتیجه گامت‌های متنوع با ترکیب‌های ژنتیکی مختلف ایجاد می‌شوند.
گفتار ۳ – تغییر در گونه‌ها
۱. سنگواره چیست و چه اطلاعاتی درباره تغییر گونه‌ها به ما می‌دهد؟
جواب:
سنگواره عبارت است از بقایای جاندار یا آثار آن که در گذشته‌های دور زندگی می‌کرده‌اند و معمولاً شامل قسمت‌های سخت بدن مثل استخوان یا اسکلت خارجی است. گاهی سنگواره کامل یک جاندار مثل ماموت‌های منجمد یا حشراتی که در رزین گیاهان به دام افتاده‌اند نیز یافت می‌شود.
سنگواره‌ها اطلاعات مهمی درباره جانداران گذشته به ما می‌دهند و نشان می‌دهند که برخی جانداران مثل دایناسورها در گذشته وجود داشته‌اند اما اکنون منقرض شده‌اند. همچنین گونه‌هایی مثل درخت گیسو بیش از ۱۷۰ میلیون سال پیش هم وجود داشته‌اند و تاکنون زندگی می‌کنند. بنابراین، سنگواره‌ها نشان می‌دهند که گونه‌ها در طول زمان تغییر کرده‌اند و زندگی به شکل‌های مختلفی جریان داشته است.
۲. ساختارهای همتا و آنالوگ چیستند؟ تفاوت آنها را شرح دهید و یک مثال برای هرکدام بزنید.
جواب:
ساختارهای همتا اندام‌هایی هستند که طرح ساختاری یکسانی دارند اما ممکن است کار متفاوتی انجام دهند. این ساختارها نشان‌دهنده نیای مشترک گونه‌ها هستند. مثلاً دست انسان، بال پرنده، باله دلفین و دست گربه همگی ساختارهای همتا هستند.
ساختارهای آنالوگ اندام‌هایی هستند که کار یکسان انجام می‌دهند ولی طرح ساختاری متفاوتی دارند. این ساختارها ناشی از سازش‌های متفاوت برای پاسخ به یک نیاز مشابه هستند. مثلاً بال کبوتر و بال پروانه هر دو برای پروازند اما از نظر ساختار متفاوتند و آنالوگ محسوب می‌شوند.
۳. ساختارهای وستیجیال را تعریف کنید و مثالی از آن در متن بیاورید.
جواب:
ساختارهای وستیجیال، ساختارهایی هستند که در برخی گونه‌ها کوچک، ساده شده یا فاقد عملکرد خاص هستند اما در گونه‌های دیگر کارآمدند و وجود آنها نشانه‌ای از تغییرات گونه‌ای است. این ساختارها ردپای تغییرات گذشته را نشان می‌دهند.
مثال: در مار پیتون، اگرچه پا ندارد ولی بقایای پا به صورت ساختار وستیجیال در لگن آن باقی مانده است که نشان‌دهنده خویشاوندی آن با مهره‌داران دارای پا است.
۴. مقایسه‌های مولکولی چگونه به درک خویشاوندی گونه‌ها کمک می‌کند؟
جواب:
مقایسه‌های مولکولی شامل مقایسه توالی DNA گونه‌های مختلف است. این روش نشان می‌دهد که کدام ژن‌ها در میان گونه‌ها مشترکند و کدام ژن‌ها ویژگی‌های خاص یک گونه را تعیین می‌کنند. هرچه شباهت بین توالی‌های DNA دو جاندار بیشتر باشد، خویشاوندی آنها نزدیک‌تر است. همچنین این روش به درک تاریخچه تغییرات ژنتیکی و تکاملی گونه‌ها کمک می‌کند. توالی‌هایی که در گونه‌های مختلف حفظ شده‌اند، توالی‌های حفظ شده نامیده می‌شوند و اطلاعات مهمی درباره جد مشترک گونه‌ها فراهم می‌کنند.
۵. تعریف گونه از نظر ارنست مایر چیست؟
جواب:
ارنست مایر گونه را این‌گونه تعریف کرده است: گونه به جاندارانی گفته می‌شود که می‌توانند در طبیعت با هم آمیزش کنند و زاده‌های زیستا و زایا به وجود آورند، ولی نمی‌توانند با جانداران دیگر آمیزش موفقیت‌آمیز داشته باشند. در این تعریف، زاده زیستا به فرزندانی گفته می‌شود که زنده می‌مانند و زندگی طبیعی خود را ادامه می‌دهند.
۶. جدایی تولیدمثلی چیست و چگونه به تشکیل گونه جدید منجر می‌شود؟
جواب:
جدایی تولیدمثلی به عواملی گفته می‌شود که مانع آمیزش بعضی از افراد یک گونه با افراد دیگر همان گونه می‌شوند، مثل تفاوت در زمان تولیدمثل یا موانع جغرافیایی. این جدایی باعث جدا شدن خزانه ژنی جمعیت‌ها از یکدیگر می‌شود و در نتیجه جمعیت‌های جدا شده به تدریج تفاوت پیدا می‌کنند و ممکن است گونه‌های جدیدی به وجود آید.
۷. گونه‌زایی دگرمیهنی و هممیهنی را با ذکر تفاوت‌ها شرح دهید.
جواب:
• گونه‌زایی دگرمیهنی: جدایی جغرافیایی جمعیت را به دو یا چند بخش جدا تقسیم می‌کند، مثلاً بر اثر کوه‌زایی یا ایجاد دریاچه. به علت نبود ارتباط ژنی بین این جمعیت‌ها، تفاوت‌ها افزایش می‌یابد تا گونه‌های جدیدی شکل بگیرند.
• گونه‌زایی هممیهنی: جدایی تولیدمثلی بدون جدایی جغرافیایی رخ می‌دهد؛ یعنی جمعیت در یک زیستگاه زندگی می‌کنند اما موانع تولیدمثلی (مثل تفاوت‌های ژنتیکی یا کروموزومی) باعث جدایی می‌شوند. مثالی از این نوع گونه‌زایی، پیدایش گیاهان چندلادی (پلی‌پلوئیدی) است که بر اثر خطای کاستمانی ایجاد می‌شوند.
۸. خطای کاستمانی چیست و چگونه می‌تواند به گونه‌زایی هممیهنی منجر شود؟
جواب:
خطای کاستمانی نوعی خطا در تقسیم میتوز (تقسیم فامتن‌ها) است که باعث می‌شود گامت‌هایی با تعداد فامتن غیرطبیعی تولید شود. اگر گامت غیرطبیعی با گامت طبیعی لقاح کند، تخم زیستی حاصل نمی‌شود. اما اگر دو گامت غیرطبیعی مشابه لقاح کنند یا گیاه خودلقاح انجام دهد، گیاه چندلادی (مثل چارلاد) تشکیل می‌شود که زایا است ولی نمی‌تواند با گیاهان نیایی (دولاد) آمیزش موفقیت‌آمیز داشته باشد و این موجب پیدایش گونه جدید می‌شود.
۹. چرا گیاه چارلاد (۴n) نمی‌تواند با گیاه دولاد (۲n) آمیزش موفق داشته باشد؟
جواب:
گیاه چارلاد دارای ۴n فامتن است و گامت‌های آن 2n هستند. گیاه دولاد ۲n است و گامت‌های آن n فامتن دارند. لقاح بین گامت‌های 2n و n منجر به تشکیل تخم 3n (تری‌پلوئید) می‌شود که نازاست و زنده نمی‌ماند یا قادر به تولید مثل نیست. بنابراین آمیزش موفق بین چارلاد و دولاد رخ نمی‌دهد و آنها به گونه‌های جداگانه تبدیل می‌شوند.
۱۰. فرضیه‌های مطرح شده برای توضیح مقاومت افراد ناخالص HbAHbS به مالاریا چیست؟
جواب:
چند فرضیه مهم برای مقاومت افراد ناخالص نسبت به مالاریا وجود دارد:
• داسی شدن گویچه‌های قرمز باعث افزایش بیگانه‌خواری و از بین رفتن انگل می‌شود.
• داسی شدن باعث ایجاد منافذی در غشای گویچه‌ها شده و خروج مواد مغذی را افزایش می‌دهد که انگل مالاریا را با کمبود غذا مواجه می‌کند.
• وجود رناهای کوچک مکمل (miRNA) در گویچه‌های قرمز افراد ناخالص که به رنای انگل متصل و مانع ترجمه آن می‌شوند، رشد انگل را مختل می‌کند.
• در افراد ناخالص، واکنش اکسیژن با هموگلوبین جهش‌یافته باعث تولید ماده‌ای می‌شود که پروتئین چسبنده انگل را در سطح گویچه‌ها بی‌اثر می‌کند، بنابراین گویچه‌ها به هم نمی‌چسبند و فرد بیمار کمتر آسیب می‌بیند.
سوالات تشریحی بیشتر (برای تمرین بیشتر)
حتما! در ادامه پاسخ‌های تشریحی کامل به سوالات شما آماده شده‌اند:
۱. نقش دیرینه‌شناسان در مطالعه تغییرات گونه‌ها چیست؟
دیرینه‌شناسان با مطالعه سنگواره‌ها، بقایای جانداران و آثار آنها در گذشته‌های دور را بررسی می‌کنند. آنها با تعیین عمر سنگواره‌ها و شناسایی جانداران گذشته، نشان می‌دهند که گونه‌ها در طول زمان تغییر کرده‌اند. همچنین، وجود جاندارانی که در گذشته بودند ولی اکنون منقرض شده‌اند و یا جاندارانی که اکنون هستند ولی در گذشته نبودند، از طریق مطالعه سنگواره‌ها اثبات می‌شود.
۲. چرا ساختارهای همتا در جانداران مختلف وجود دارند؟
ساختارهای همتا (اندام‌هایی با طرح ساختاری یکسان اما عملکرد متفاوت) در جانداران مختلف وجود دارند زیرا این جانداران نیای مشترکی دارند. این شباهت در ساختار بدن نشان‌دهنده این است که آنها از یک گونه مشترک در گذشته منشعب شده‌اند و در طول زمان، به علت نیازهای متفاوت، عملکردهای متفاوتی پیدا کرده‌اند.
۳. تفاوت بین ساختارهای همتا و وستیجیال را توضیح دهید.
• ساختارهای همتا: اندام‌هایی با طرح ساختاری مشابه ولی عملکرد متفاوت (مثلاً دست انسان، بال پرنده، باله دلفین). این ساختارها نشان‌دهنده خویشاوندی و نیای مشترک جانداران هستند.
• ساختارهای وستیجیال: ساختارهای کوچک، ساده شده یا ضعیف شده که در برخی جانداران فاقد کارکرد مشخص هستند ولی ردپایی از گذشته را نشان می‌دهند (مثل بقایای پا در مار پیتون). این‌ها نشان‌دهنده ردپای تغییر گونه‌ها هستند.
۴. توالی‌های حفظ شده DNA چیست و چه کاربردی دارد؟
توالی‌های حفظ شده DNA بخش‌هایی از ژنوم هستند که در گونه‌های مختلف حفظ شده‌اند و تغییر کمی در آنها رخ داده است. این توالی‌ها معمولاً برای عملکردهای حیاتی بسیار مهم‌اند و زیست‌شناسان از مقایسه آنها برای تشخیص خویشاوندی بین گونه‌ها و بررسی تاریخچه تکاملی استفاده می‌کنند.
۵. چه شرایطی باعث می‌شود دو جمعیت به گونه‌های مجزا تبدیل شوند؟
وقتی بین دو جمعیت از یک گونه، جدایی تولیدمثلی اتفاق بیفتد (مانع آمیزش موفق و تولید زاده زیستا و زایا شود)، خزانه ژنی آنها جدا شده و به مرور زمان تفاوت‌ها بیشتر می‌شود. این جدایی می‌تواند ناشی از موانع جغرافیایی (گونه‌زایی دگرمیهنی) یا عوامل درون زیستگاه (گونه‌زایی هممیهنی) باشد که منجر به تشکیل گونه‌های جدید می‌شود.
۶. اثر رانش ژن در گونه‌زایی دگرمیهنی چیست؟
اگر جمعیتی که به علت سد جغرافیایی از جمعیت اصلی جدا شده است کوچک باشد، اثر رانش ژن (تغییر تصادفی فراوانی آلل‌ها) بر تفاوت ژنتیکی بین دو جمعیت شدت می‌یابد. این باعث افزایش سریع‌تر تفاوت‌ها و تسریع در شکل‌گیری گونه‌های مجزا می‌شود.
۷. با ذکر مثال، تفاوت بین گونه‌زایی هممیهنی و دگرمیهنی را توضیح دهید.
• گونه‌زایی دگرمیهنی: جدایی جغرافیایی رخ می‌دهد، مثلاً ایجاد کوه یا دریاچه که جمعیت را جدا می‌کند. بعد از جدایی، جمعیت‌ها متفاوت می‌شوند.
• گونه‌زایی هممیهنی: جدایی جغرافیایی رخ نمی‌دهد ولی عوامل درون جمعیت مانند تفاوت در زمان تولیدمثل یا خطاهای کروموزومی (مثلاً گیاهان چندلادی) باعث جدایی تولیدمثلی و شکل‌گیری گونه جدید می‌شوند.
مثال: گونه‌زایی دگرمیهنی در جدایی جمعیت یک نوع ماهی به دو گروه جداشده توسط یک رودخانه. گونه‌زایی هممیهنی در ایجاد گونه‌های جدید گیاهان چندلادی.
۸. گیاهان چندلادی چگونه ایجاد می‌شوند و چه ویژگی‌هایی دارند؟
گیاهان چندلادی (پلی‌پلوئید) در نتیجه خطاهای کاستمانی در تقسیم سلولی ایجاد می‌شوند که باعث می‌شود گامت‌ها تعداد غیرطبیعی کروموزوم داشته باشند (مثلاً 2n به جای n). این گیاهان قادر به تولیدمثل زایا و زیستا هستند اما نمی‌توانند با گیاهان نیایی خود (2n) آمیزش موفق داشته باشند، بنابراین گونه جدیدی به شمار می‌آیند.
۹. چرا گیاهان سهلاد (تری‌پلوئید) نازا هستند؟
گیاهان سهلاد (3n) که از آمیزش گامت‌های 2n و n به وجود می‌آیند، نازا هستند چون کروموزوم‌ها به صورت جفت مرتب نمی‌شوند و در نتیجه تقسیم سلولی در تولیدمثل جنسی دچار مشکل می‌شود و تخم‌های زیستا و زایای سالم ایجاد نمی‌شود.
۱۰. واکنش انگل مالاریا در گویچه‌های قرمز افراد ناخالص چگونه متفاوت است؟
در افراد ناخالص (HbAHbS)، سرعت داسی شدن گویچه‌های قرمز پس از ورود انگل مالاریا افزایش می‌یابد که باعث افزایش بیگانه‌خواری و از بین رفتن انگل می‌شود. همچنین، مواد تولید شده توسط واکنش اکسیژن با هموگلوبین جهش‌یافته، مانع انتقال پروتئین چسبنده انگل به سطح گویچه می‌شود، در نتیجه گویچه‌ها چسبنده نمی‌شوند و فرد مقاومت بیشتری نسبت به مالاریا دارد.
فصل ۵: از ماده به انرژی
گفتار ۱ – تأمین انرژی
۱. چرا یاخته‌ها به اکسیژن نیاز دارند؟
یاخته‌ها به اکسیژن نیاز دارند تا در فرایند تنفس یاختهای هوازی، انرژی ذخیره شده در مواد مغذی مانند گلوکز را آزاد کنند و این انرژی را در قالب ATP ذخیره کنند. اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون‌ها در این واکنش‌ها عمل می‌کند و باعث می‌شود که تجزیه کامل گلوکز و تولید مقدار زیاد ATP ممکن شود.
۲. واکنش تنفس یاختهای هوازی را بنویسید و توضیح دهید.
واکنش تنفس یاختهای هوازی:
C6H12O6+6O2+ADP+P→6CO2+6H2O+ATP
در این واکنش، گلوکز به کمک اکسیژن تجزیه شده و دی‌اکسید کربن و آب تولید می‌شود. انرژی حاصل از این واکنش برای سنتز ATP مصرف می‌شود که مولکول حامل انرژی در یاخته است.
۳. ساختار ATP را توضیح دهید و نقش آن را در یاخته بیان کنید.
ATP (آدنوزین تری‌فسفات) از سه بخش تشکیل شده است: باز آلی آدنین، قند پنج‌کربنی ریبوز، و سه گروه فسفات. ATP مولکول حامل انرژی در یاخته است. انرژی موجود در پیوندهای فسفات بخصوص در گروه فسفات سوم ذخیره می‌شود و با شکستن این پیوند، انرژی لازم برای واکنش‌های زیستی فراهم می‌شود. یاخته برای انجام فعالیت‌هایی مثل رشد، تولیدمثل، و انقباض عضله به ATP نیاز دارد.
۴. تبدیل ATP به ADP چه تغییراتی ایجاد می‌کند و چه نتیجه‌ای دارد؟
زمانی که ATP به ADP تبدیل می‌شود، یکی از گروه‌های فسفات آن جدا می‌شود و انرژی آزاد می‌شود. این انرژی برای انجام فعالیت‌های زیستی استفاده می‌شود. سپس ADP می‌تواند با دریافت انرژی دوباره به ATP تبدیل شود.
۵. روش ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده چیست و مثالی برای آن بزنید.
ساخته شدن ATP در سطح پیش‌ماده یعنی انتقال گروه فسفات از یک مولکول فسفات‌دار (پیش‌ماده) به ADP. مثلاً در ماهیچه‌ها، کرآتین فسفات به عنوان پیش‌ماده فسفات، گروه فسفات خود را به ADP منتقل می‌کند و ATP ساخته می‌شود که انرژی لازم برای انقباض ماهیچه‌ها را فراهم می‌کند.
۶. قندکافت (گلیکولیز) چیست و چه مراحلی دارد؟
قندکافت اولین مرحله تنفس یاختهای است که در سیتوپلاسم انجام می‌شود. در این فرایند:
• گلوکز ابتدا به فروکتوز فسفاته تبدیل می‌شود (با مصرف ATP).
• سپس به دو مولکول قند سه‌کربنی فسفاته تجزیه می‌شود.
• این مولکول‌ها به پیرووات تبدیل می‌شوند.
در این مسیر ATP و NADH تولید می‌شود.
۷. نقش NAD+ و NADH در تنفس یاختهای چیست؟
NAD+ یک حامل الکترون است که با گرفتن الکترون و پروتون، به NADH تبدیل می‌شود. NADH انرژی الکترون‌ها را حمل می‌کند و در مراحل بعدی تنفس یاختهای برای تولید ATP استفاده می‌شود. تبدیل NAD+ به NADH و بالعکس، یک چرخه اکسایش و کاهش است که جریان الکترون‌ها را تسهیل می‌کند.
۸. ساختار و عملکرد راکیزه را شرح دهید.
راکیزه اندامی درون یاخته است که دو غشا دارد: غشای بیرونی صاف و غشای درونی چین‌خورده. این چین‌خوردگی سطح را افزایش می‌دهد. راکیزه محل انجام مرحله بعدی تنفس یاختهای است و DNA و ریبوزوم‌های مخصوص به خود را دارد، بنابراین می‌تواند برخی پروتئین‌ها را به‌طور مستقل بسازد.
۹. مراحل اکسایش پیرووات در راکیزه چگونه است؟
پیرووات پس از انتقال به راکیزه، یک کربن دی‌اکسید از دست می‌دهد و به استیل تبدیل می‌شود. استیل به کوآنزیم A متصل شده و استیل کوآنزیم A را تشکیل می‌دهد. در این فرایند NADH تولید می‌شود که حامل انرژی برای مراحل بعدی است.
۱۰. چرا حفظ انرژی در فرایند تنفس یاختهای اهمیت دارد؟
زیرا انرژی آزاد شده از تجزیه مواد مغذی باید در قالب قابل استفاده و قابل انتقال در یاخته ذخیره شود. ATP این کار را انجام می‌دهد و انرژی لازم برای تمام فعالیت‌های حیاتی سلول مثل سنتز پروتئین، انقباض عضلات، تقسیم سلولی و … را تأمین می‌کند.
۱۱. چرا در ورزش شدید احساس گرما و تعریق می‌کنیم؟
در ورزش شدید، سرعت تنفس یاختهای افزایش می‌یابد تا انرژی بیشتری تولید شود. بخشی از انرژی آزاد شده به صورت گرما دفع می‌شود که باعث افزایش دمای بدن می‌شود. همچنین برای خنک شدن بدن، عرق تولید و از طریق تبخیر آن، حرارت بدن کاهش می‌یابد.
۱۲. چه تفاوتی بین تنفس یاختهای هوازی و تنفس بی‌هوازی وجود دارد؟
تنفس هوازی با حضور اکسیژن انجام می‌شود و گلوکز کاملاً تجزیه شده و مقدار زیادی ATP تولید می‌کند. تنفس بی‌هوازی بدون اکسیژن انجام می‌شود و مقدار ATP کمتری تولید می‌کند و محصولات نهایی متفاوتی دارد (مثلاً اسید لاکتیک در ماهیچه‌ها).
۱۳. نقش فسفات‌ها در ساخت ATP چیست؟
گروه‌های فسفات انرژی زیادی دارند و پیوند بین آنها با انرژی بالایی همراه است. انتقال گروه فسفات به ADP برای تشکیل ATP نیاز به انرژی دارد و شکستن این پیوند انرژی آزاد می‌کند تا توسط یاخته مصرف شود.
گفتار ۲ – اکسایش
۱.مولکول گلوکز در تنفس هوازی تا چه مرحله‌ای تجزیه می‌شود و بخش‌های این تجزیه کدامند؟
پاسخ:
در تنفس هوازی، مولکول گلوکز تا حد تشکیل مولکول‌های CO₂ تجزیه می‌شود. این تجزیه در سه بخش انجام می‌شود:
• قندکافت (گلیکولیز) که در سیتوپلاسم انجام می‌شود و گلوکز را به پیرووات تبدیل می‌کند.
• اکسایش پیرووات که در راکیزه اتفاق می‌افتد و پیرووات را به استیل کوآنزیم A تبدیل می‌کند.
• چرخه کربس که در ماتریکس راکیزه رخ می‌دهد و استیل کوآنزیم A را تجزیه می‌کند و CO₂ تولید می‌کند.
۲.چرخه کربس چگونه عمل می‌کند؟ مراحل کلی آن را شرح دهید.
پاسخ:
در چرخه کربس:
• استیل کوآنزیم A (۲ کربن) با یک مولکول چهار کربنی ترکیب می‌شود و مولکول شش کربنی ایجاد می‌شود.
• طی واکنش‌های متوالی، دو اتم کربن به صورت CO₂ آزاد می‌شود.
• مولکول چهار کربنی بازسازی می‌شود تا برای پذیرش استیل کوآنزیم A جدید آماده باشد.
در این چرخه همچنین مولکول‌های NADH، FADH₂ و ATP تولید می‌شوند که حامل انرژی هستند.
۳.نقش NADH و FADH₂ در تنفس یاختهای چیست؟
پاسخ:
NADH و FADH₂ مولکول‌های حامل الکترون هستند که انرژی الکترون‌های آزاد شده در تجزیه گلوکز را به زنجیره انتقال الکترون منتقل می‌کنند. در این زنجیره، انرژی الکترون‌ها برای تولید ATP استفاده می‌شود.
۴.زنجیره انتقال الکترون در راکیزه چه نقشی دارد و چگونه موجب تولید آب می‌شود؟
پاسخ:
زنجیره انتقال الکترون در غشای درونی راکیزه قرار دارد و مولکول‌هایی که توانایی دریافت یا از دست دادن الکترون دارند، در آن قرار دارند. الکترون‌ها از NADH و FADH₂ به این زنجیره منتقل می‌شوند و نهایتاً به اکسیژن مولکولی می‌رسند که آن را به یون اکسید تبدیل می‌کند. سپس این یون اکسید با پروتون‌های H⁺ ترکیب شده و مولکول آب (H₂O) تشکیل می‌شود.
۵.پروتون‌ها (H⁺) چگونه در زنجیره انتقال الکترون حرکت می‌کنند و این حرکت چه تأثیری بر تولید ATP دارد؟
پاسخ:
در زنجیره انتقال الکترون، پروتون‌ها از داخل ماتریکس (فضای داخلی راکیزه) به فضای بین دو غشا پمپ می‌شوند و باعث افزایش تراکم پروتون‌ها در آن فضا می‌شوند. این اختلاف غلظت پروتون‌ها (شیب پروتون) باعث می‌شود پروتون‌ها از طریق آنزیم ATPساز به داخل ماتریکس بازگردند. انرژی این بازگشت برای تبدیل ADP و فسفات به ATP استفاده می‌شود.
۶.واکنش‌های خلاصه‌ای که در طی تجزیه کامل گلوکز در تنفس هوازی رخ می‌دهند را نام ببرید.
پاسخ:
• قندکافت (گلیکولیز): گلوکز به پیرووات تبدیل می‌شود.
• اکسایش پیرووات: پیرووات به استیل کوآنزیم A تبدیل می‌شود.
• چرخه کربس: استیل کوآنزیم A به CO₂ تبدیل می‌شود و NADH، FADH₂ و ATP تولید می‌شود.
• زنجیره انتقال الکترون: الکترون‌ها از NADH و FADH₂ به اکسیژن منتقل شده و ATP و آب تولید می‌شود.
۷.چرا مقدار ATP تولید شده در یاخته‌های مختلف متفاوت است؟
پاسخ:
زیرا تولید ATP متناسب با نیاز انرژی یاخته‌ها تنظیم می‌شود. اگر مقدار ATP زیاد باشد، آنزیم‌های مربوط به قندکافت و چرخه کربس مهار می‌شوند تا تولید ATP کاهش یابد. اگر ATP کم باشد و ADP زیاد باشد، آنزیم‌ها فعال می‌شوند تا تولید ATP افزایش یابد. این تنظیم مانع از هدر رفتن انرژی و منابع می‌شود.
۸.چرا در شرایط کمبود منابع گلوکز یا ذخایر قندی، یاخته‌ها به سراغ چربی‌ها و پروتئین‌ها می‌روند؟
پاسخ:
چون گلوکز و ذخیره قندی کبد منبع اصلی انرژی هستند. در صورت کمبود این منابع، برای تأمین انرژی مورد نیاز، یاخته‌ها چربی‌ها و پروتئین‌ها را تجزیه می‌کنند. این امر می‌تواند باعث تحلیل عضلات اسکلتی و ضعف سیستم ایمنی در سوءتغذیه‌های طولانی مدت شود.
۹.توضیح دهید که چرا آنزیم ATPساز برای تولید ATP ضروری است؟
پاسخ:
زیرا پروتون‌ها تنها از طریق کانال آنزیم ATPساز می‌توانند از فضای بین دو غشا به داخل ماتریکس بازگردند. انرژی حاصل از عبور این پروتون‌ها به ATPساز برای اتصال ADP و فسفات و تولید ATP مصرف می‌شود. بدون ATPساز، انرژی شیب پروتون‌ها به ATP تبدیل نمی‌شود.
۱۰.در واکنش تبدیل FAD به FADH₂ چه اتفاقی می‌افتد؟
پاسخ:
FAD با گرفتن دو پروتون (2H⁺) و دو الکترون (2e⁻) به FADH₂ تبدیل می‌شود. این فرآیند کاهش نامیده می‌شود و FADH₂ نقش حامل الکترون را در زنجیره انتقال الکترون دارد.
گفتار ۳ – مستقل از اکسیژن
۱.
سؤال: تخمیر چیست و چه زمانی در سلول‌ها انجام می‌شود؟
جواب:
تخمیر فرایندی است که سلول‌ها در شرایط کمبود یا نبود اکسیژن برای تأمین انرژی به کار می‌برند. در این فرایند، زنجیره انتقال الکترون و راکیزه نقشی ندارند. تخمیر در انواعی از جانداران رخ می‌دهد و دو نوع اصلی آن تخمیر الکلی و تخمیر لاکتیکی است. این فرایند با قندکافت آغاز می‌شود و برای ادامه آن باید NAD+ تجدید شود تا قندکافت متوقف نشود.
۲.
سؤال: مراحل اصلی تخمیر الکلی را توضیح دهید و محصول نهایی آن را نام ببرید.
جواب:
در تخمیر الکلی، ابتدا پیرووات حاصل از قندکافت با از دست دادن CO2 به اتانال تبدیل می‌شود. سپس اتانال با گرفتن الکترون‌های NADH به اتانول (الکل) تبدیل می‌شود. محصول نهایی تخمیر الکلی اتانول و CO2 است که در ورآمدن خمیر نان نقش دارد.
۳.
سؤال: چرا NAD+ در فرایند تخمیر ضروری است و چگونه در تخمیر تجدید می‌شود؟
جواب:
NAD+ در قندکافت به NADH تبدیل می‌شود. برای ادامه قندکافت، NAD+ باید دوباره به وجود آید. در تخمیر، مولکول‌هایی مانند اتانول یا لاکتات با گرفتن الکترون‌ها از NADH تولید می‌شوند و در این فرایند NAD+ تجدید می‌شود تا قندکافت ادامه پیدا کند.
۴.
سؤال: تخمیر لاکتیکی چگونه انجام می‌شود و در چه شرایطی در ماهیچه‌های اسکلتی رخ می‌دهد؟
جواب:
تخمیر لاکتیکی زمانی رخ می‌دهد که اکسیژن کافی در ماهیچه‌های اسکلتی وجود نداشته باشد. در این حالت، پیرووات حاصل از قندکافت وارد راکیزه نمی‌شود بلکه الکترون‌های NADH را گرفته و به لاکتات (اسید لاکتیک) تبدیل می‌شود. تجمع لاکتات باعث درد و خستگی ماهیچه‌ها می‌شود.
۵.
سؤال: نقش تخمیر لاکتیکی در صنایع غذایی را شرح دهید.
جواب:
بعضی باکتری‌ها تخمیر لاکتیکی انجام می‌دهند که در تولید مواد غذایی مانند ماست، پنیر و خیارشور استفاده می‌شود. این تخمیر باعث ترش شدن و حفظ این فراورده‌ها می‌شود و به بهبود طعم و ماندگاری آنها کمک می‌کند.
۶.
سؤال: رادیکال‌های آزاد چگونه در فرایند تنفس هوازی تشکیل می‌شوند و چرا برای سلول‌ها خطرناک هستند؟
جواب:
در پایان زنجیره انتقال الکترون، اکسیژن باید با گرفتن الکترون‌ها به یون اکسید تبدیل شود و سپس به آب تبدیل شود. اما گاهی درصدی از اکسیژن به صورت رادیکال آزاد (دارای الکترون جفت نشده) باقی می‌ماند. این رادیکال‌های آزاد بسیار واکنش‌پذیر بوده و می‌توانند به مولکول‌های زیستی مانند DNA و پروتئین‌ها آسیب برسانند و باعث تخریب سلول شوند.
۷.
سؤال: پاداکسنده‌ها چه نقشی در مقابله با رادیکال‌های آزاد دارند؟
جواب:
پاداکسنده‌ها ترکیباتی هستند که با واکنش دادن با رادیکال‌های آزاد، از آسیب رساندن آنها به مولکول‌های زیستی جلوگیری می‌کنند. این ترکیبات در میوه‌ها و سبزیجات وجود دارند و به حفظ سلامت بدن کمک می‌کنند.
۸.
سؤال: چه اتفاقی می‌افتد اگر سرعت تشکیل رادیکال‌های آزاد از سرعت خنثی‌سازی آنها بیشتر شود؟
جواب:
در این حالت، رادیکال‌های آزاد در سلول تجمع می‌یابند و باعث تخریب مولکول‌های زیستی و ساختار سلولی می‌شوند. این تخریب ممکن است به مرگ سلول منجر شود و در طولانی مدت باعث بروز بیماری‌هایی مانند سرطان شود.
۹.
سؤال: چگونه مصرف الکل بر روند مقابله با رادیکال‌های آزاد تأثیر می‌گذارد؟
جواب:
الکل باعث افزایش سرعت تشکیل رادیکال‌های آزاد می‌شود و عملکرد سلول‌ها در خنثی‌سازی این رادیکال‌ها را کاهش می‌دهد. این موضوع باعث آسیب به DNA سلول‌های کبد و در نهایت مرگ سلولی و بیماری‌های کبدی می‌شود.
۱۰.
سؤال: نقص‌های ژنتیکی در پروتئین‌های زنجیره انتقال الکترون چه تأثیری بر مقابله با رادیکال‌های آزاد دارند؟
جواب:
نقص‌های ژنتیکی می‌تواند باعث تولید پروتئین‌های معیوب در زنجیره انتقال الکترون شود. این پروتئین‌های معیوب عملکرد راکیزه را در خنثی‌سازی رادیکال‌های آزاد مختل می‌کنند و باعث افزایش آسیب رادیکال‌های آزاد به سلول می‌شوند.
۱۱.
سؤال: چرا سیانید و گاز کربنمونواکسید برای تنفس یاختهای سمی هستند؟
جواب:
سیانید با مهار واکنش نهایی انتقال الکترون به اکسیژن، زنجیره انتقال الکترون را متوقف می‌کند و باعث توقف تنفس یاختهای و مرگ سلول می‌شود. گاز کربنمونواکسید با اتصال به هموگلوبین مانع انتقال اکسیژن به سلول‌ها می‌شود و همچنین در توقف انتقال الکترون به اکسیژن نقش دارد که در نهایت باعث کمبود انرژی و مرگ سلولی می‌شود.
۱۲.
سؤال: زنجیره انتقال الکترون چگونه به تولید ATP کمک می‌کند؟ (اختیاری برای مرور بهتر(
جواب:
در زنجیره انتقال الکترون، الکترون‌های پرانرژی از NADH و FADH2 به تدریج به اکسیژن منتقل می‌شوند. انرژی آزاد شده در این مسیر برای پمپ کردن پروتون‌ها به فضای بین دو غشا راکیزه استفاده می‌شود. این افزایش غلظت پروتون‌ها باعث ایجاد شیب الکتروشیمیایی شده و پروتون‌ها از طریق آنزیم ATPساز به داخل راکیزه برمی‌گردند که این جریان انرژی لازم برای سنتز ATP از ADP و فسفات را فراهم می‌کند.
فصل ۶: از انرژی به ماده
گفتار ۱ – فتوسنتز: تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی
سوالات تشریحی با جواب فصل 6: از انرژی به ماده (فتوسنتز)
۱.
سؤال:
منشأ انرژی ذخیره‌شده در ترکیباتی مانند گلوکز چیست؟ چه فرایندهایی در دنیای حیات انرژی را در ساخت ماده آلی ذخیره می‌کنند؟ چه جاندارانی قادر به انجام این فرایندها هستند و چه ویژگی‌هایی دارند؟
جواب:
انرژی ذخیره شده در ترکیبات آلی مانند گلوکز، از نور خورشید گرفته می‌شود. فرایندی که انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل و در ماده آلی ذخیره می‌کند، فتوسنتز نام دارد. جاندارانی که می‌توانند فتوسنتز انجام دهند، فتوسنتزکننده‌ها هستند که دارای رنگیزه‌های خاص (کلروفیل‌ها و کاروتنوئیدها) برای جذب نور و سامان‌هایی برای تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی هستند. بیشتر گیاهان، برخی جلبک‌ها و باکتری‌های فتوسنتزکننده این ویژگی‌ها را دارند.
۲.
سؤال:
واکنش کلی فتوسنتز را بنویسید و اجزای آن را توضیح دهید.
جواب:
واکنش کلی فتوسنتز به صورت زیر است:
6CO2+6H2Oنور خورشیدC6H12O6+6O2
در این واکنش، دی‌اکسیدکربن (CO2) و آب (H2O) با استفاده از انرژی نور خورشید به گلوکز (C6H12O6) و اکسیژن (O2) تبدیل می‌شوند. این فرایند در سبزدیسه‌های گیاه انجام می‌شود.
۳.
سؤال:
برگ گیاهان برای فتوسنتز چگونه سازماندهی شده است؟ نقش هر بخش را شرح دهید.
جواب:
برگ شامل پهنک و دمبرگ است. پهنک خود شامل روپوست (رویین و زیرین)، میانبرگ و دسته‌های آوندی (رگبرگ) است.
• روپوست رویی و زیرین لایه‌های محافظ برگ هستند.
• میانبرگ شامل یاخته‌های پارانشیمی است که یاخته‌های نردهای و اسفنجی را شامل می‌شود؛ یاخته‌های نردهای به هم فشرده‌اند و در قسمت بالای برگ قرار دارند، در حالی که یاخته‌های اسفنجی فضای بیشتری برای تبادل گازها دارند و در قسمت پایین برگ‌اند.
• دسته‌های آوندی شامل آوند چوبی (انتقال آب) و آوند آبکش (انتقال مواد آلی) هستند.
• روزنه‌ها در روپوست زیرین برای تبادل گازها وجود دارند.
این ساختار به برگ کمک می‌کند تا بیشترین سطح برای جذب نور و تبادل گازها داشته باشد.
۴.
سؤال:
سبزدیسه‌ها چیستند و ساختار آنها چگونه است؟
جواب:
سبزدیسه‌ها (کلروپلاست‌ها) اندامک‌های سلولی در گیاهان هستند که فتوسنتز را انجام می‌دهند. آنها دارای دو غشای بیرونی و درونی هستند که از هم فاصله دارند. درون سبزدیسه‌ها ساختارهای غشایی به نام تیلاکوئید وجود دارند که به صورت کیسه‌های مسطح و متصل به هم هستند. تیلاکوئیدها به دو بخش فضای درون تیلاکوئید و بستره تقسیم می‌شوند. بستره دارای DNA، RNA و ریبوزوم است و سبزدیسه توانایی ساخت برخی پروتئین‌ها و تقسیم مستقل را دارد.
۵.
سؤال:
رنگیزه‌های فتوسنتزی در گیاهان کدامند و چه نقش و ویژگی‌ای دارند؟
جواب:
رنگیزه‌های فتوسنتزی شامل سبزینه a، سبزینه b و کاروتنوئیدها هستند.
• سبزینه a بیشترین فراوانی را دارد و در مرکز واکنش فتوسیستم‌ها حضور دارد.
• سبزینه b رنگ آن متمایل به قرمز است و همراه سبزینه a نور را جذب می‌کند.
• کاروتنوئیدها رنگ‌های زرد، نارنجی و قرمز دارند و در جذب نور آبی و سبز موثرند.
وجود رنگیزه‌های متفاوت به گیاه کمک می‌کند تا از طیف وسیعی از طول موج‌های نور استفاده کند و بازده فتوسنتز افزایش یابد.
۶.
سؤال:
فتوسیستم چیست و چه اجزایی دارد؟ تفاوت فتوسیستم 1 و 2 را شرح دهید.
جواب:
فتوسیستم‌ها سامانه‌های مولکولی در غشای تیلاکوئید هستند که انرژی نور را جذب و تبدیل می‌کنند. هر فتوسیستم شامل آنتن گیرنده نور (رنگیزه‌ها و پروتئین‌ها) و مرکز واکنش است.
• مرکز واکنش شامل کلروفیل a است که انرژی جذب شده را به صورت الکترون آزاد می‌کند.
• فتوسیستم 1 دارای کلروفیل a با بیشینه جذب در طول موج 700 نانومتر (P700) است.
• فتوسیستم 2 بیشینه جذب در طول موج 680 نانومتر (P680) دارد.
این دو فتوسیستم با ناقل‌های الکترون به هم متصل‌اند و الکترون‌ها را انتقال می‌دهند.
۷.
سؤال:
چرا طول موج‌های مختلف نور در فتوسنتز تأثیر متفاوت دارند؟ آزمایش اسپیروژیر چگونه این موضوع را نشان می‌دهد؟
جواب:
طول موج‌های مختلف نور انرژی‌های متفاوتی دارند و رنگیزه‌های فتوسنتزی هرکدام بیشترین جذب را در طول موج خاصی دارند؛ بنابراین، طول موج‌ها به یک اندازه در فتوسنتز نقش ندارند.
در آزمایش اسپیروژیر، جلبک سبزدیسه‌ها به نور تجزیه شده از منشور (طیف رنگ‌های مختلف) تابیده شد و مشاهده شد که باکتری‌های هوازی در بخش‌هایی که نور با طول موج مؤثرتر است، بیشتر تجمع یافتند. این نشان می‌دهد فتوسنتز در این بخش‌ها بیشتر بوده و اکسیژن بیشتری تولید شده است.
۸.
سؤال:
برای بررسی نقش سبزینه در فتوسنتز چگونه می‌توان آزمایش کرد و آیا نتیجه آزمایش اسپیروژیر به تنهایی اثبات‌کننده این موضوع است؟
جواب:
برای اثبات نقش سبزینه، می‌توان برگ‌هایی که فاقد سبزینه هستند یا رنگیزه‌های دیگر را جدا کردند را در شرایط نور قرار داد و میزان فتوسنتز را مقایسه کرد.
نتیجه آزمایش اسپیروژیر نشان می‌دهد که طول موج‌های نور تأثیر متفاوتی در فتوسنتز دارند، اما به تنهایی نمی‌تواند اثبات کند که سبزینه رنگیزه اصلی است. برای اثبات نیاز به آزمایش‌های تکمیلی مانند حذف رنگیزه یا استفاده از رنگیزه‌های جداگانه است.
۹.
سؤال:
طیف جذبی رنگیزه‌های فتوسنتزی چگونه است و هر رنگیزه در جذب چه محدوده‌ای از نور تخصص دارد؟
جواب:
• سبزینه a و b بیشترین جذب را در محدوده 400-500 نانومتر (بنفش-آبی) و 600-700 نانومتر (نارنجی-قرمز) دارند، اگرچه حداکثر جذب آنها در طول موج‌های متفاوت است.
• کاروتنوئیدها در محدوده آبی و سبز نور (حدود 400-500 نانومتر) بیشترین جذب را دارند.
این تفاوت‌ها باعث استفاده بهتر از طیف نور و افزایش بهره‌وری فتوسنتز می‌شود.
۱۰.
سؤال:
ساختار برگ گیاهان دو لپه و تک لپه چه تفاوت‌هایی دارد؟
جواب:
• در برگ گیاهان دو لپه، میانبرگ از یاخته‌های پارانشیمی نردهای و اسفنجی تشکیل شده است. یاخته‌های نردهای فشرده و در قسمت بالای برگ (نزدیک روپوست رویی) قرار دارند، و یاخته‌های اسفنجی دارای فضای بین سلولی برای تبادل گاز و در قسمت پایین برگ (نزدیک روپوست زیرین) هستند.
• در برگ گیاهان تک لپه، میانبرگ بیشتر از یاخته‌های اسفنجی تشکیل شده است و تفاوت کمتری بین لایه‌های بالایی و پایینی وجود دارد.
گفتار ۲ – واکنش‌های فتوسنتزی
سوالات تشریحی فصل «واکنش‌های فتوسنتزی: وابسته به نور و مستقل از نور»
۱.
سؤال:
توضیح دهید چرا الکترون‌ها در واکنش‌های وابسته به نور به «الکترون برانگیخته» معروف هستند و مسیر حرکت این الکترون‌ها در تیلاکوئیدها چگونه است؟
پاسخ:
وقتی نور به مولکول‌های رنگیزه تابیده می‌شود، الکترون‌های آنها انرژی می‌گیرند و از مدار اصلی خود خارج می‌شوند که به این الکترون‌ها «الکترون برانگیخته» گفته می‌شود، زیرا انرژی بالایی دارند و از حالت پایدار خارج شده‌اند.
در فتوسنتز، این الکترون‌های برانگیخته ابتدا انرژی خود را به رنگیزه‌های مجاور منتقل می‌کنند و در نهایت به مرکز واکنش می‌رسند، جایی که الکترون برانگیخته در سبزینه a تولید می‌شود و الکترون از آن خارج می‌شود. سپس این الکترون از فتوسیستم 2 به زنجیره انتقال الکترون و پس از آن به فتوسیستم 1 می‌رود و نهایتاً به مولکول NADP+ می‌رسد و آن را به NADPH تبدیل می‌کند.
این انتقال الکترون‌ها، انرژی لازم برای مراحل بعدی فتوسنتز را تأمین می‌کند.
۲.
سؤال:
واکنش تشکیل NADPH را بنویسید و توضیح دهید نقش NADPH در فتوسنتز چیست؟
پاسخ:
واکنش تشکیل NADPH به شکل زیر است:
NADP++2e−+2H+→NADPH+H+
NADPH یک حامل الکترون پرانرژی است که در واکنش‌های مستقل از نور (چرخه کالوین) به عنوان منبع الکترون و انرژی شیمیایی برای کاهش کربن دی‌اکسید به قند به کار می‌رود. به عبارت دیگر، NADPH الکترون‌ها و انرژی لازم برای ساخت مواد آلی را فراهم می‌کند.
۳.
سؤال:
چگونه کمبود الکترون سبزینه a در فتوسیستم 2 جبران می‌شود؟
پاسخ:
الکترون‌های برانگیخته از فتوسیستم 2 به فتوسیستم 1 منتقل می‌شوند و باعث کمبود الکترون در سبزینه a در فتوسیستم 2 می‌گردند. این کمبود از طریق «تجزیه نوری آب» جبران می‌شود؛ در این فرایند که در سطح داخلی تیلاکوئیدها انجام می‌شود، مولکول آب به دو پروتون (H+)، یک مولکول اکسیژن (O2) و دو الکترون تجزیه می‌شود. الکترون‌ها به فتوسیستم 2 بازگردانده می‌شوند تا جایگزین الکترون‌های از دست رفته سبزینه a شوند.
فرمول واکنش تجزیه آب:
2H2O→4H++4e−+O2
۴.
سؤال:
در ساخت ATP در فتوسنتز، چرا پروتون‌ها به فضای درون تیلاکوئید پمپ می‌شوند و مسیر بازگشت آنها به بستره چگونه است؟
پاسخ:
در زنجیره انتقال الکترون بین فتوسیستم 2 و 1، پروتئینی وجود دارد که یون‌های H+ (پروتون‌ها) را از بستره به فضای درون تیلاکوئید پمپ می‌کند. همچنین، پروتون‌های حاصل از تجزیه آب نیز به فضای درون تیلاکوئید افزوده می‌شوند. این امر باعث افزایش تراکم پروتون‌ها در فضای درون تیلاکوئید نسبت به بستره می‌شود.
پروتون‌ها نمی‌توانند به‌صورت مستقیم از غشای تیلاکوئید عبور کنند، بلکه باید از طریق آنزیمی به نام «ATP ساز» عبور کنند. عبور پروتون‌ها از این آنزیم انرژی لازم برای تبدیل ADP و فسفات به ATP را فراهم می‌کند که به این فرایند «فسفوریلاسیون نوری» یا «ساخته شدن نوری ATP» گفته می‌شود.
۵.
سؤال:
واکنش‌های مستقل از نور چیستند و چرخه کالوین چگونه CO2 را به قند تبدیل می‌کند؟
پاسخ:
واکنش‌های مستقل از نور، واکنش‌هایی هستند که در بستره سبزدیسه انجام می‌شوند و نیازی به نور مستقیم ندارند اما به محصولات واکنش‌های وابسته به نور ATP و NADPHوابسته‌اند. در این واکنش‌ها، کربن دی‌اکسید (CO2) تثبیت و به ترکیبات آلی تبدیل می‌شود.
در چرخه کالوین:
• CO2 به مولکول پنج کربنی ریبولوز بیس‌فسفات (RuBP) اضافه می‌شود که این واکنش توسط آنزیم روبیسکو انجام می‌گیرد.
• محصول اولیه یک مولکول شش کربنی ناپایدار است که سریعاً به دو مولکول سه کربنی اسید فسفوگلیسرات تجزیه می‌شود.
• سپس این مولکول‌های سه کربنی با استفاده از انرژی ATP و NADPH به گلیسرآلدئید-3-فسفات (G3P) تبدیل می‌شوند که می‌تواند به گلوکز و سایر ترکیبات آلی تبدیل شود.
• بخشی از G3P برای بازسازی RuBP مصرف می‌شود تا چرخه ادامه یابد.
۶.
سؤال:
تثبیت کربن چیست و چرا گیاهان C3 به این نام شناخته می‌شوند؟
پاسخ:
تثبیت کربن فرایندی است که طی آن CO2 به ترکیبات آلی تبدیل می‌شود. در گیاهان C3، این فرایند فقط توسط چرخه کالوین انجام می‌شود و اولین محصول پایدار، ترکیب سه کربنی (G3P) است. چون اولین ماده پایدار سه کربنه است، به این گیاهان C3 می‌گویند. اکثر گیاهان روی زمین از این نوع هستند.
۷.
سؤال:
چه عوامل محیطی بر سرعت و میزان فتوسنتز تأثیر می‌گذارند و چرا؟
پاسخ:
عوامل محیطی مهم عبارتند از:
• نور: شدت، مدت و طول موج نور بر سرعت جذب انرژی و فعال شدن رنگیزه‌ها مؤثر است.
• CO2: منبع کربن برای ساخت ترکیبات آلی است؛ کمبود آن سرعت فتوسنتز را کاهش می‌دهد.
• دما: چون فتوسنتز فرایندی آنزیمی است، هر آنزیمی در دمای خاصی بهترین فعالیت را دارد. دمای بیش از حد یا کم می‌تواند عملکرد آنزیم‌ها و در نتیجه فتوسنتز را مختل کند.
• اکسیژن: اکسیژن زیاد ممکن است روی برخی فرایندهای جانبی فتوسنتز (مانند فوتوفسفریلاسیون) اثر منفی بگذارد.
بنابراین، شرایط محیطی مطلوب برای انجام بهتر و سریع‌تر فتوسنتز ضروری است.
۸.
سؤال:
شرح دهید چرا واکنش‌های وابسته به نور و واکنش‌های مستقل از نور باید به صورت متعادل و هماهنگ انجام شوند؟
پاسخ:
واکنش‌های وابسته به نور ATP و NADPH تولید می‌کنند که منابع انرژی و الکترون برای واکنش‌های مستقل از نور هستند. واکنش‌های مستقل از نور بدون وجود ATP و NADPH نمی‌توانند CO2 را تثبیت کنند و قند بسازند. برعکس، واکنش‌های وابسته به نور تنها در صورتی ادامه می‌یابند که واکنش‌های مستقل از نور محصولاتشان را مصرف کنند تا NADP+ و ADP بازیابی شود و چرخه انتقال الکترون ادامه پیدا کند. بنابراین، هماهنگی بین دو واکنش برای ادامه فتوسنتز ضروری است.
گفتار ۳ – فتوسنتز در شرایط دشوار
بخش اول: سؤالات تشریحی از متن و شکل‌ها
۱.چه عواملی باعث بسته شدن روزنه‌ها می‌شوند؟
پاسخ:
افزایش بیش از حد دما و شدت نور سبب بسته شدن روزنه‌ها می‌شود. هدف از این کار، جلوگیری از تعرق زیاد و کاهش از دست رفتن آب است.
۲.بسته شدن روزنه‌ها چه اثری بر فتوسنتز دارد؟
پاسخ:
با بسته شدن روزنه‌ها، تبادل گازهای CO₂ و O₂ متوقف می‌شود. با وجود توقف ورود CO₂، فتوسنتز تا مدتی ادامه می‌یابد. در نتیجه CO₂ کاهش یافته و O₂ در برگ افزایش می‌یابد. این وضعیت باعث فعال شدن نقش اکسیژنازی آنزیم روبیسکو و در نهایت کاهش بازده فتوسنتز می‌شود.
۳.تنفس نوری چیست و چگونه اتفاق می‌افتد؟
پاسخ:
در شرایطی که O₂ در برگ زیاد و CO₂ کم باشد، آنزیم روبیسکو به جای CO₂ با O₂ ترکیب می‌شود (نقش اکسیژنازی). این ترکیب ناپایدار است و به مولکول‌های ۳ و ۲ کربنی تجزیه می‌شود. مولکول ۲کربنی وارد راکیزه می‌شود و CO₂ آزاد می‌کند. این فرآیند را تنفس نوری می‌نامند که بدون تولید ATP صورت می‌گیرد و باعث کاهش مواد آلی حاصل از فتوسنتز می‌شود.
۴.آنزیم روبیسکو تحت چه شرایطی به جای نقش کربوکسیلازی، نقش اکسیژنازی ایفا می‌کند؟
پاسخ:
وقتی نسبت اکسیژن به دی‌اکسیدکربن در برگ افزایش یابد (به دلیل بسته شدن روزنه‌ها)، روبیسکو به جای CO₂ با O₂ ترکیب می‌شود و نقش اکسیژنازی ایفا می‌کند.
۵.گیاهان C4 چگونه مانع از تنفس نوری می‌شوند؟
پاسخ:
در گیاهان C4، تثبیت اولیه CO₂ در یاخته‌های میانبرگ با ترکیب آن با اسید ۳کربنی انجام می‌شود و اسید ۴کربنی تولید می‌شود. این اسید به یاخته‌های غلاف آوندی (محل چرخه کالوین) منتقل شده و CO₂ آزاد می‌کند. به این ترتیب CO₂ در اطراف روبیسکو زیاد می‌ماند و از بروز تنفس نوری جلوگیری می‌شود.
۶.تفاوت تثبیت کربن در گیاهان C3، C4 و CAM چیست؟
پاسخ:
• C3: تثبیت کربن در یک مرحله در یاخته‌های میانبرگ با روبیسکو انجام می‌شود.
• C4: تثبیت اولیه در یاخته‌های میانبرگ و مرحله دوم (چرخه کالوین) در غلاف آوندی انجام می‌شود (تقسیم مکانی(
• CAM: تثبیت اولیه در شب (وقتی روزنه باز است) و چرخه کالوین در روز (وقتی روزنه بسته است) انجام می‌شود (تقسیم زمانی(
۷.چرا گیاهان CAM روزنه‌های خود را در شب باز می‌کنند؟
پاسخ:
برای جلوگیری از تعرق زیاد در شرایط گرم و خشک، این گیاهان شب هنگام روزنه‌ها را باز می‌کنند تا CO₂ جذب کنند و در طول روز که روزنه‌ها بسته است، چرخه کالوین را انجام دهند.
۸.اهمیت وجود سبزدیسه در یاخته‌های غلاف آوندی در گیاهان C4 چیست؟
پاسخ:
زیرا محل انجام چرخه کالوین در این یاخته‌ها است و برای انجام آن نیاز به سبزدیسه وجود دارد. این ویژگی باعث افزایش کارایی فتوسنتز در شرایط سخت محیطی می‌شود.
۹.گیاهان C4 در چه شرایط محیطی نسبت به گیاهان C3 برتری دارند؟ چرا؟
پاسخ:
در شرایط دمای بالا، شدت نور زیاد و کمبود آب. زیرا این گیاهان با سازوکار خاص خود مانع از تنفس نوری می‌شوند و CO₂ را در محل آنزیم روبیسکو بالا نگه می‌دارند.
۱۰.در گیاهان CAM، اولین ترکیب پایدار حاصل از تثبیت کربن چه زمانی و کجا ساخته می‌شود؟
پاسخ:
در شب (زمان باز بودن روزنه‌ها) و در همان یاخته‌هایی که چرخه کالوین را انجام می‌دهند. در واکوئول ذخیره می‌شود تا در روز مصرف شود.
بخش دوم: سؤالات از جانداران فتوسنتزکننده دیگر
۱۱.سیانوباکتری‌ها چه نوع فتوسنتزی انجام می‌دهند و چرا؟
پاسخ:
آنها فتوسنتز اکسیژن‌زا انجام می‌دهند چون دارای سبزینه a هستند و مانند گیاهان اکسیژن تولید می‌کنند.
۱۲.باکتری‌های گوگردی سبز و ارغوانی چگونه فتوسنتز می‌کنند و تفاوتشان با گیاهان چیست؟
پاسخ:
آنها فتوسنتز غیر اکسیژن‌زا انجام می‌دهند. به جای آب، از H₂S به عنوان دهنده الکترون استفاده می‌کنند و گوگرد تولید می‌کنند، نه اکسیژن.
۱۳.واکنش کلی فتوسنتز در باکتری‌های گوگردی را بنویسید.
پاسخ:
CO₂ + 12H₂S + نور → C₆H₁₂O₆ + 12S + 6H₂O
.14اوگلنا چگونه تغذیه می‌کند؟
پاسخ:
در حضور نور فتوسنتز می‌کند. در نبود نور، سبزدیسه‌هایش را از دست داده و با تغذیه هتروتروف (از مواد آلی) زنده می‌ماند.
۱۵.شیمیوسنتز چیست؟
پاسخ:
فرآیندی است که طی آن بعضی باکتری‌ها با استفاده از انرژی آزادشده از واکنش‌های اکسایش مواد معدنی (مثل آمونیوم یا H₂S) ماده آلی تولید می‌کنند. نیاز به نور ندارند.
۱۶.باکتری‌های شیمیوسنتزکننده در کجا زندگی می‌کنند؟
پاسخ:
در اعماق اقیانوس‌ها، معادن و نزدیکی دهانه آتشفشان‌های زیرآبی؛ مکان‌هایی که نور وجود ندارد.
بخش سوم: فعالیت، تمرین و خودارزیابی (پیشنهادی کنکور-نهایی)
۱۷.نقش روبیسکو را با توجه به نسبت O₂ به CO₂ در محیط توضیح دهید.
پاسخ:
روبیسکو بسته به غلظت نسبی O₂ و CO₂ یا نقش کربوکسیلازی دارد (ترکیب با CO₂ در فتوسنتز) یا نقش اکسیژنازی (ترکیب با O₂ در تنفس نوری). در شرایط کمبود CO₂ یا افزایش O₂ نقش دوم فعال می‌شود.
۱۸.دو مزیت اصلی گیاهان C4 و CAM را در مقایسه با C3 بنویسید.
پاسخ:
1. جلوگیری از تنفس نوری
2. کارایی بالاتر در محیط‌های گرم و خشک
۱۹.چرا در تنفس نوری، تولید ATP نداریم؟
پاسخ:
زیرا این فرایند بر خلاف تنفس سلولی در راکیزه، زنجیره انتقال الکترون را فعال نمی‌کند و فقط منجر به آزاد شدن CO₂ بدون سنتز ATP می‌شود.
۲۰.نقش باکتری‌های گوگردی در تصفیه فاضلاب چیست؟
پاسخ:
آنها H₂S (گاز سمی با بوی بد) را مصرف کرده و گوگرد تولید می‌کنند و باعث حذف این ماده آلاینده از فاضلاب می‌شوند.
فصل ۷: فناوری‌های نوین زیستی
گفتار ۱ – زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک
بخش اول: مفهومی و تعریف‌ها
۱.زیست‌فناوری را تعریف کنید و سه کاربرد آن را نام ببرید.
پاسخ:
زیست‌فناوری به هرگونه فعالیت هوشمندانه انسانی که با استفاده از موجودات زنده به تولید و بهبود محصولات بپردازد گفته می‌شود.
کاربردها:
1. تولید پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر
2. تولید پادزیست‌ها و هورمون‌ها
3. ایجاد گیاهان و جانوران تراژنی
۲.سه دوره تاریخی زیست‌فناوری را با ذکر ویژگی‌ها مقایسه کنید.
پاسخ:
دوره ویژگی
سنتی استفاده از میکروارگانیسم‌ها در تهیه نان، سرکه، لبنیات
کلاسیک تولید پادزیست‌ها و آنزیم‌ها با تخمیر
نوین مهندسی ژنتیک و دستورزی ژنتیکی موجودات برای تولید فراورده‌ها
۳.مهندسی ژنتیک چیست و چگونه باعث ایجاد جاندار تراژنی می‌شود؟
پاسخ:
مهندسی ژنتیک، انتقال قطعه‌ای از DNA (ژن) به یاختهای دیگر به وسیله ناقل است که منجر به دستورزی ژنتیکی می‌شود. جانداری که دارای ژن جدید شود، جاندار تراژنی (ترانس‌ژنیک) نامیده می‌شود.
بخش دوم: مراحل و فرآیندها
۴.مراحل تولید یک گیاه تراژنی را به ترتیب نام ببرید.
پاسخ:
1. تعیین صفت یا صفات مطلوب
2. استخراج ژن یا ژن‌های مورد نظر
3. آماده‌سازی و انتقال ژن به گیاه
4. تولید گیاه تراژنی
5. بررسی ایمنی زیستی و سلامت
6. تکثیر و کشت با رعایت ایمنی زیستی
۵.مراحل همسانه‌سازی DNA را نام ببرید.
پاسخ:
1. جداسازی قطعه‌ای از DNA با آنزیم برش‌دهنده
2. اتصال قطعه DNA به ناقل و تشکیل DNA نوترکیب
3. وارد کردن DNA نوترکیب به یاخته میزبان
4. شناسایی یاخته‌های تراژنی
5. تولید انبوه DNA یا فراورده مورد نظر
بخش سوم: آنزیم‌ها و ناقل‌ها
۶.آنزیم EcoR1 چه کاری انجام می‌دهد؟ چه ویژگی‌ای در توالی تشخیص دارد؟
پاسخ:
آنزیم EcoR1 یک آنزیم برش‌دهنده است که توالی خاصی را شناسایی کرده (GAATTC) و آن را برش می‌دهد. ویژگی خاص این توالی، قرینه بودن آن در دو رشته DNA است که منجر به ایجاد انتهای چسبنده می‌شود.
۷.نقش آنزیم لیگاز چیست؟
پاسخ:
آنزیم لیگاز پیوند فسفودی‌استر بین دو قطعه DNA را برقرار می‌کند و سبب اتصال قطعه DNA خارجی به ناقل می‌شود تا DNA نوترکیب ساخته شود.
۸.چرا باید از همان آنزیم برش‌دهنده برای برش ناقل و ژن استفاده کرد؟
پاسخ:
زیرا فقط در این صورت است که انتهای چسبنده مکمل در دو قطعه وجود دارد و امکان اتصال صحیح آنها به‌وسیله لیگاز فراهم می‌شود.
۹.دیسک (پلاسمید) چه ویژگی‌هایی دارد که آن را به ناقل مناسب تبدیل می‌کند؟
پاسخ:
• دارای ژن مقاومت به پادزیست است
• می‌تواند مستقل از ژنوم اصلی همانندسازی شود
• دارای جایگاه خاص برای آنزیم برش‌دهنده است
بخش چهارم: کاربردهای زیست‌فناوری
۱۰.چگونه می‌توان از زیست‌فناوری برای تولید پروتئین انسانی مانند هورمون رشد استفاده کرد؟
پاسخ:
با استخراج ژن سازنده هورمون از انسان، انتقال آن به دیسک باکتری و وارد کردن آن به یاخته باکتری، سپس تولید انبوه باکتری تراژنی و استخراج هورمون از آنها.
۱۱.نقش شوک الکتریکی یا حرارتی در وارد کردن DNA نوترکیب چیست؟
پاسخ:
باعث ایجاد منافذ در دیواره یاخته باکتری شده تا DNA نوترکیب بتواند وارد آن شود.
بخش پنجم: تحلیل شکل‌ها
۱۲.شکل 2 را توضیح دهید. (برش DNA توسط آنزیم EcoR1(
پاسخ:
EcoR1 توالی GAATTC را شناسایی کرده و بین G و A برش ایجاد می‌کند که باعث به وجود آمدن انتهای چسبنده می‌شود. این انتهاها برای اتصال به DNA دیگر با همان آنزیم آماده هستند.
۱۳.شکل 4 (قبل و بعد از لیگاز) چه چیزی را نشان می‌دهد؟
پاسخ:
قبل از لیگاز: DNA ناقل و ژن خارجی به‌صورت جدا با انتهای چسبنده
بعد از لیگاز: اتصال دو قطعه با پیوند فسفودی‌استر به کمک لیگاز و تشکیل DNA نوترکیب
۱۴.در شکل s )جداسازی باکتری تراژنی)، چرا فقط برخی باکتری‌ها زنده می‌مانند؟
پاسخ:
زیرا فقط باکتری‌هایی که دیسک دارای ژن مقاومت به پادزیست (مثلاً آمپی‌سیلین) را دریافت کرده‌اند می‌توانند در محیط حاوی پادزیست زنده بمانند.
بخش ششم: پرسش‌های استدلالی و کنکوری
۱۵.چرا استفاده از زیست‌فناوری در تولید پلاستیک‌های قابل تجزیه اهمیت دارد؟
پاسخ:
زیرا پلاستیک‌های معمولی تجزیه‌ناپذیرند و به محیط زیست آسیب می‌زنند. زیست‌فناوری با استفاده از ژن‌های باکتری در گیاهان، امکان تولید ارزان‌تر و پایدارتر پلاستیک‌های تجزیه‌پذیر را فراهم می‌کند.
۱۶.چرا استفاده از ناقلی با فقط یک جایگاه برش آنزیم مناسب‌تر است؟
پاسخ:
تا فقط یک نقطه در دیسک بریده شود و ساختار آن به هم نخورد و فقط یک محل برای اتصال ژن خارجی وجود داشته باشد که کارایی و صحت اتصال را بالا می‌برد.
بخش هفتم: خودارزیابی و تمرین‌های پیشنهادی
خودارزیابی:
۱. در کدام مرحله مهندسی ژنتیک از آنزیم لیگاز استفاده می‌شود؟
پاسخ:
آنزیم لیگاز در مرحله اتصال ژن مورد نظر به پلاسمید استفاده می‌شود.
این آنزیم، قطعه DNA (مثلاً یک ژن خاص) را که به وسیله آنزیم برش‌دهنده جدا شده است، به پلاسمید بریده‌شده متصل می‌کند و پیوند کووالانسی بین آنها برقرار می‌نماید.
۲. چرا فقط برخی باکتری‌ها پس از ورود به محیط کشت دارای پادزیست زنده می‌مانند؟
پاسخ:
زیرا فقط باکتری‌هایی که پلاسمید دارای ژن مقاومت به پادزیست (آنتی‌بیوتیک) را دریافت کرده‌اند، می‌توانند در محیط حاوی پادزیست زنده بمانند.
باکتری‌هایی که پلاسمید را دریافت نکرده‌اند، فاقد این ژن هستند و در اثر وجود پادزیست در محیط از بین می‌روند.
۳. چه تفاوتی بین DNA نوترکیب و DNA معمولی وجود دارد؟
پاسخ:
DNA نوترکیب حاوی ژن‌هایی است که به طور طبیعی در کنار هم وجود ندارند و از منابع مختلف زیستی به یکدیگر متصل شده‌اند،
در حالی که DNA معمولی شامل ژن‌های طبیعی یک موجود زنده است که ترکیب ژنتیکی آن به صورت طبیعی باقی مانده و تغییری نکرده است.
۴. کاربرد دیسک باکتری در مهندسی ژنتیک چیست؟
پاسخ:
دیسک باکتری (همان پلاسمید یا وکتور حامل ژن) وسیله‌ای است برای انتقال ژن مورد نظر به درون سلول میزبان (مثلاً باکتری).
این دیسک‌ها مانند ناقل یا حامل ژن خارجی عمل می‌کنند و معمولاً دارای ژن مقاومت به پادزیست و مکان‌های مناسب برای اتصال ژن جدید هستند.
گفتار ۲ – فناوری مهندسی پروتئین و بافت
مهندسی پروتئین
تعریف، مبانی و اهداف
سوال 1: مهندسی پروتئین چیست و برای انجام آن به چه دانشی نیاز است؟
پاسخ: مهندسی پروتئین ایجاد تغییر دلخواه در توالی آمینواسیدهای یک پروتئین به‌منظور تغییر در ویژگی و بهبود عملکرد آن است. برای این کار، شناخت کامل از ساختار و عملکرد پروتئین ضروری است.
سوال 2: تفاوت بین تغییر جزئی و کلی در مهندسی پروتئین چیست؟
پاسخ:
• تغییر جزئی: تغییر رمز یک یا چند آمینواسید در مقایسه با پروتئین طبیعی
• تغییر کلی: شامل حذف قسمتی از ژن پروتئین یا ترکیب بخش‌هایی از ژن پروتئین‌های مختلف است.
سوال 3: تغییر در توالی آمینواسیدها چگونه می‌تواند عملکرد پروتئین را تغییر دهد؟
پاسخ: با تغییر در توالی آمینواسید، شکل فضایی پروتئین تغییر کرده و در نتیجه عملکرد آن نیز تغییر می‌کند.
افزایش پایداری پروتئین‌ها
سوال 4: چرا افزایش پایداری پروتئین‌ها در برابر گرما در صنایع اهمیت دارد؟
پاسخ: در دمای بالا سرعت واکنش‌ها افزایش می‌یابد و خطر آلودگی میکروبی کاهش می‌یابد؛ همچنین نیاز به خنک‌سازی کاهش می‌یابد که موجب صرفه‌جویی اقتصادی می‌شود.
سوال 5: چگونه از مهندسی پروتئین برای تولید آمیلاز مقاوم به گرما استفاده شده است؟
پاسخ: با استفاده از روش‌های زیست‌فناوری، توالی آمیلاز به‌گونه‌ای تغییر داده شده که در برابر گرما مقاوم شده و کارایی آن در دماهای بالا حفظ شود.
سوال 6: چرا فعالیت اینترفرون تولیدشده به روش مهندسی ژنتیک کمتر از نوع طبیعی آن است و چگونه این مشکل رفع شده؟
پاسخ: به دلیل تشکیل پیوندهای نادرست در پروتئین، ساختار و عملکرد آن تغییر می‌کند. با جایگزینی یک آمینواسید با نوع مناسب، شکل و عملکرد طبیعی آن بازسازی می‌شود.
سوال 7: مهندسی پروتئین چه نقشی در افزایش اثربخشی درمانی پلاسمین دارد؟
پاسخ: با جایگزینی یک آمینواسید در پلاسمین، مدت اثر آن در پلاسما افزایش یافته و کاربرد درمانی آن مؤثرتر شده است.
مهندسی بافت
تعاریف، ضرورت و روش‌ها
سوال 8: مهندسی بافت چیست و در چه شرایطی کاربرد دارد؟
پاسخ: علمی است که با استفاده از یاخته‌ها و داربست‌ها به بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده می‌پردازد. در مواردی مانند سوختگی شدید و عدم امکان پیوند مستقیم پوست کاربرد دارد.
سوال 9: چگونه از یاخته‌های پوست برای تولید پوست جدید استفاده می‌شود؟
پاسخ: یاخته‌های قابل تکثیر پوست در محیط کشت رشد داده می‌شوند و برای پیوند به بیمار استفاده می‌گردند.
سوال 10: نقش داربست در مهندسی بافت غضروف چیست؟
پاسخ: داربست بستر مناسبی برای رشد یاخته‌های غضروفی فراهم می‌کند تا بافت جدید در آن شکل بگیرد.
یاخته‌های بنیادی
سوال 11: تفاوت یاخته‌های بنیادی جنینی و بالغ چیست؟
پاسخ:
• جنینی: توانایی تمایز به همه انواع یاخته‌های بدن را دارند.
• بالغ: در بافت‌های بدن وجود دارند و توانایی تمایز محدودتری نسبت به نوع جنینی دارند.
سوال 12: چرا در مهندسی بافت از یاخته‌های بنیادی استفاده می‌شود؟
پاسخ: یاخته‌های تمایز یافته مانند یاخته‌های ماهیچه‌ای در کشت رشد نمی‌کنند، اما یاخته‌های بنیادی توانایی بالایی در تکثیر و تمایز دارند.
سوال 13: دو یاخته بنیادی موجود در مغز استخوان که قبلاً آموخته‌اید، کدامند و چه عملکردی دارند؟
پاسخ:
• یاخته بنیادی خون‌ساز: تولید یاخته‌های خونی
• یاخته بنیادی مزانشیمی: تمایز به ماهیچه، غضروف، استخوان و بافت‌های همبند
بیوانفورماتیک
سوال 14: بیوانفورماتیک چیست و چه کاربردهایی در زیست‌شناسی دارد؟
پاسخ: دانشی میان‌رشته‌ای است که با استفاده از مفاهیم ریاضی، آمار و زیست‌شناسی به تحلیل داده‌های زیستی کمک می‌کند. در تعیین توالی، ساختار سه‌بعدی و پیش‌بینی عملکرد پروتئین‌ها کاربرد دارد.
سوال 15: نقش بیوانفورماتیک در تولید واکسن کرونا چه بود؟
پاسخ: کمک کرد تا از بین حجم عظیم داده‌ها، فرضیه‌های قابل آزمون استخراج و آزمایش شوند. این کار باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه و تسریع در ساخت واکسن شد.
سوال 16: چگونه بیوانفورماتیک باعث شناسایی بهتر ژنوم جانداران می‌شود؟
پاسخ: با مدل‌سازی و تحلیل داده‌های دنا و پروتئین، شباهت‌ها و تفاوت‌های ژنی مشخص و ارتباط بین دنا و پروتئین تحلیل می‌شود.
سؤالات تحلیل شکل‌ها
سوال 17: در شکل 7 غضروف گوش بازسازی‌شده با روش مهندسی بافت دیده می‌شود. سه مرحله‌ای را که برای تولید این غضروف طی شده است، توضیح دهید.
پاسخ:
1. برداشت یاخته‌های غضروفی
2. تکثیر آنها در محیط کشت روی داربست مناسب
3. تشکیل غضروف جدید برای پیوند به بیمار
سوال 18: شکل 8 و 9 چه تفاوت‌هایی از نظر نوع یاخته‌های بنیادی نشان می‌دهند؟
پاسخ: شکل 8 بر توانایی تمایز کلی یاخته‌های بنیادی تأکید دارد، در حالی‌که شکل 9 به تمایز خاص یاخته‌های مغز استخوان به بافت‌هایی مانند ماهیچه و رگ‌ها اشاره می‌کند.
سوال 19: شکل 10 چه تفاوتی بین یاخته‌های بنیادی مورولا و توده‌ی یاختهای درونی نشان می‌دهد؟
پاسخ:
• مورولا: قابلیت تشکیل همه انواع یاخته‌های جنینی و خارج‌جنینی (مانند جفت)
• توده درونی: فقط قابلیت تولید بافت‌های جنینی را دارد.
سؤالات ترکیبی و مفهومی
سوال 20: چه شباهتی میان مهندسی پروتئین و مهندسی بافت وجود دارد؟
پاسخ: هر دو با هدف بهبود عملکرد زیستی با استفاده از زیست‌فناوری و روش‌های مهندسی به تغییر یا تولید مولکول یا بافت می‌پردازند.
سوال 21: چرا مهندسی پروتئین به دانش بیوانفورماتیک نیاز دارد؟
پاسخ: برای پیش‌بینی ساختار، پایداری و عملکرد پروتئین‌ها و نیز تحلیل داده‌های توالی‌یابی که در مهندسی پروتئین به کار می‌روند.
گفتار ۳ – کاربردهای زیست‌فناوری
بخش اول: سؤالات مفهومی و تشریحی از متن کتاب
۱.زیست‌فناوری چگونه توانسته در کشاورزی نوین به کاهش مصرف سموم شیمیایی کمک کند؟
پاسخ: با انتقال ژن تولیدکنندۀ سم باکتری Bt به گیاهان زراعی مانند پنبه و ذرت، گیاهان خود توانایی مقابله با آفات را پیدا کرده‌اند و دیگر نیازی به استفاده گسترده از آفت‌کش‌ها نیست. حشره هنگام تغذیه از گیاه مقاوم، سم را وارد بدن خود می‌کند و در اثر فعال شدن آن در دستگاه گوارش خود از بین می‌رود.
۲.چرا سم تولیدشده توسط باکتری Bt به خود باکتری آسیب نمی‌زند؟
پاسخ: چون این سم در حالت غیرفعال تولید می‌شود و تنها در محیط دستگاه گوارش حشرات خاص (به‌ویژه در حضور آنزیم‌های گوارشی آنها) فعال می‌شود و باعث تخریب یاخته‌های گوارشی حشره می‌گردد.
۳.مهم‌ترین مراحل ساخت انسولین انسانی به کمک مهندسی ژنتیک را نام ببرید.
پاسخ:
1. استخراج ژن‌های رمزکننده زنجیره‌های A و B انسولین
2. انتقال ژن‌ها به دیسَک
3. وارد کردن دیسک‌ها به باکتری
4. تولید جداگانۀ زنجیره‌ها در باکتری
5. خالص‌سازی زنجیره‌ها
6. ترکیب آنها در آزمایشگاه برای ساخت انسولین فعال
۴.چرا تبدیل پیش‌هورمون انسولین به هورمون فعال در باکتری انجام نمی‌شود؟
پاسخ: زیرا باکتری‌ها فاقد ساختارهای پردازشی و آنزیم‌های لازم برای حذف زنجیرۀ C و تشکیل انسولین فعال هستند. این مرحله باید به صورت مصنوعی و در آزمایشگاه انجام شود.
۵.واکسن نوترکیب هپاتیت B چگونه ساخته می‌شود؟
پاسخ: ژن رمزکننده آنتی‌ژن سطحی ویروس هپاتیت B به ویروس یا باکتری غیر بیماریزا منتقل می‌شود. سپس این جاندار، آنتی‌ژن ویروس را تولید کرده و باعث تحریک سیستم ایمنی بدون ایجاد بیماری می‌شود.
۶.ژن‌درمانی چیست و در چه مواردی استفاده می‌شود؟
پاسخ: روشی برای درمان بیماری‌های ژنتیکی که در آن ژن سالم به یاخته‌های فرد بیمار انتقال داده می‌شود. این روش برای بیماری‌هایی مثل نقص سیستم ایمنی استفاده شده است.
۷.در روش ژن‌درمانی، ویروس چه نقشی دارد؟
پاسخ: ویروس به عنوان ناقل عمل می‌کند و ژن سالم را به یاخته‌های هدف وارد می‌کند. ویروس‌های استفاده‌شده طوری اصلاح شده‌اند که نتوانند در بدن تکثیر شوند.
۸.فتوبیوراکتور چیست و چه کاربردهایی دارد؟
پاسخ: محفظه‌هایی هستند که در آنها جلبک‌های فتوسنتزکننده در شرایط کنترل‌شده رشد داده می‌شوند. کاربردهایی از جمله تولید سوخت زیستی، مکمل غذایی و دارو دارند.
۹.موش تراژنی دارای چه ویژگی خاصی است و چه کاربردی دارد؟
پاسخ: ژن GFP (پروتئین فلورسانس سبز) در آن وارد شده که باعث درخشش بدن در برابر پرتو فرابنفش می‌شود. از این موش‌ها در تحقیقات ژنتیک، پزشکی و داروسازی استفاده می‌شود.
۱۰.چرا واکسن‌های تولیدی به روش مهندسی ژنتیک ایمن‌تر هستند؟
پاسخ: چون در آنها از ژن‌های پادگن استفاده شده و خطر انتقال بیماری وجود ندارد، برخلاف روش‌های قدیمی که احتمال فعال شدن عامل بیماریزا وجود داشت.
بخش دوم: سؤالات تصویری و تحلیلی (از شکل‌ها)
۱۱.شکل 12 چه چیزی را نشان می‌دهد و چه نتیجه‌ای از آن می‌گیریم؟
پاسخ: نفوذ لارو حشره به غوزه نارس پنبه و تفاوت بین غوزه سالم و آلوده. نتیجه: استفاده از پنبه مقاوم به آفت با زیست‌فناوری باعث از بین رفتن آفت قبل از نفوذ می‌شود و نیاز به سم‌پاشی کاهش می‌یابد.
۱۲.شکل 14 چه مراحلی را نمایش می‌دهد؟ توضیح دهید.
پاسخ:
الف) جداسازی ژن‌ها و قرار دادن در دیسک
ب) وارد کردن دیسک به باکتری
پ) تولید و خالص‌سازی زنجیره‌ها
ت) اتصال زنجیره‌ها و تولید انسولین فعال
۱۳.مراحل ژن‌درمانی را از روی شکل 15 توضیح دهید.
پاسخ:
1. جداسازی یاخته بیمار
2. غیرفعال‌سازی ویروس
3. وارد کردن ژن سالم به ویروس
4. انتقال ویروس به یاخته
5. ترکیب ژن سالم با ژنوم یاخته
6. بازگرداندن یاخته به بدن
7. تولید آنزیم یا پروتئین مورد نیاز توسط یاخته
بخش سوم: سؤالات مقایسه‌ای و تحلیلی
۱۴.مهندسی ژنتیک چه مزیتی نسبت به روش‌های سنتی تولید دارو دارد؟
پاسخ: داروهایی مانند انسولین که به روش مهندسی ژنتیک تولید می‌شوند، دقیق‌تر، ایمن‌تر و بدون واکنش‌های ایمنی هستند، در حالی که داروهای سنتی ممکن است آلرژی‌زا یا غیراستاندارد باشند.
۱۵.چه تفاوتی بین واکسن‌های سنتی و واکسن‌های نوترکیب وجود دارد؟
پاسخ: واکسن‌های سنتی ممکن است باعث بیماری شوند ولی واکسن‌های نوترکیب با استفاده از آنتی‌ژن خاص و بدون خطر بیماری ساخته می‌شوند و ایمنی بیشتری دارند.
بخش چهارم: خودارزیابی‌ها و فعالیت‌های درسی
خودارزیابی: «چگونه می‌توان نیاز افراد نیازمند به انسولین را تأمین کرد؟»
پاسخ:
1. استخراج انسولین از لوزالمعده دام‌هایی مانند گاو
2. استفاده از مهندسی ژنتیک و تولید انسولین انسانی در باکتری
3. انتقال ژن‌های انسولین انسانی به باکتری و ساخت آن در مقیاس صنعتی
فعالیت: «چرا تولید گیاه مقاوم به آفت، روشی مؤثرتر از سم‌پاشی است؟»
پاسخ: چون سم‌پاشی مداوم هزینه‌بر، آسیب‌زا برای محیط و گاهی بی‌اثر است. درحالی‌که گیاه مقاوم آفت را از بین می‌برد و مصرف سم کاهش می‌یابد.
بخش پنجم: سؤالات کنکوری و ترکیبی
۱۶.کدام مورد دربارۀ ژن درمانی درست است؟
الف) تنها در حیوانات کاربرد دارد
ب) فقط برای درمان سرطان کاربرد دارد
ج) شامل انتقال ژن سالم به یاخته‌های بیمار است
د) در بدن حیوانات اهلی انجام نمی‌شود
۱۷.کدام یک از دستاوردهای زیست‌فناوری، مستقیماً در کشاورزی کاربرد دارد؟
الف) فتوبیوراکتور
ب) واکسن نوترکیب
ج) ژن‌درمانی
د) تولید گیاه مقاوم به شوری
۱۸.تفاوت بین انسولین طبیعی و انسولین نوترکیب در چیست؟
پاسخ: انسولین نوترکیب توسط ژن انسانی و با کمک باکتری ساخته شده و ایمن‌تر است، ولی انسولین طبیعی از حیوانات گرفته می‌شود و ممکن است ایمنی بدن را تحریک کند.
۱۹.پروتئین GFP چه کاربردی دارد و چگونه به بدن موش وارد شده؟
پاسخ: برای بررسی بیان ژن و ردیابی فعالیت ژن در بدن. ژن GFP به تخمک موش تزریق شده و در تمام سلول‌های آن بیان شده است.
فصل ۸: رفتارهای جانوران
گفتار ۱ – اساس رفتار
بخش 1: تعریف‌ها و مفاهیم پایه
سوال 1: رفتار جانوران چیست؟ یک مثال بزنید.
پاسخ:
رفتار، واکنش یا مجموعه‌ای از واکنش‌هاست که جانور در پاسخ به محرک یا محرک‌ها نشان می‌دهد.
مثال: گوزن‌ها از شکارچی فرار می‌کنند.
سوال 2: چه محرک‌هایی می‌توانند سبب بروز رفتار در جانور شوند؟ ۳ مورد بنویسید.
پاسخ:
1. صدا
2. بو
3. تغییر دمای محیط
(همچنین تغییر میزان گلوکز یا طول روز)
سوال 3: اهمیت بررسی رفتار جانوران برای انسان چیست؟ مثال بزنید.
پاسخ:
بررسی رفتار جانوران می‌تواند به حفاظت از تنوع زیستی یا مبارزه با آفات کمک کند.
مثال: دانستن رفتار زادآوری حشره آفت برای مبارزه با آن مهم است.
بخش 2: رفتار غریزی
سوال 4: رفتار غریزی را تعریف کنید. یک مثال بزنید.
پاسخ:
رفتار غریزی، رفتاری است که بر پایه ژن‌ها به طور ارثی در جانوران وجود دارد و اغلب بدون نیاز به یادگیری انجام می‌شود.
مثال: نوک زدن جوجه کاکایی به منقار والد برای گرفتن غذا.
سوال 5: چرا رفتار مادر موش برای مراقبت از فرزندان غریزی است؟ شواهد ژنتیکی را توضیح دهید.
پاسخ:
زیرا این رفتار از ژن B در مغز نشأت می‌گیرد. زمانی که ژن B غیر فعال شود، رفتار مراقبت حذف می‌شود. نشان‌دهنده آن است که این رفتار پایه ژنتیکی دارد.
بخش 3: یادگیری و انواع آن
سوال 6: یادگیری چیست؟ چه تفاوتی با رفتار غریزی دارد؟
پاسخ:
یادگیری به معنی تغییر پایدار در رفتار جانور در اثر تجربه است. بر خلاف رفتار غریزی که ژنی و از پیش تعیین‌شده است، یادگیری به محیط و تجربه بستگی دارد.
سوال 7: خوگیری چیست؟ چرا برای جانور مفید است؟
پاسخ:
خوگیری یعنی کاهش پاسخ به محرکی تکراری که سود یا زیانی ندارد.
فایده: با حذف پاسخ به محرک‌های بی‌اهمیت، جانور انرژی خود را برای فعالیت‌های حیاتی حفظ می‌کند.
سوال 8: شرطی شدن کلاسیک را با مثال پاولوف توضیح دهید.
پاسخ:
در این نوع یادگیری، محرک بی‌اثر (مثل صدای زنگ) با محرک طبیعی (غذا) همراه می‌شود. پس از تکرار، محرک بی‌اثر باعث بروز پاسخ (ترشح بزاق) می‌شود.
سوال 9: تفاوت شرطی شدن کلاسیک و شرطی شدن فعال چیست؟
پاسخ:
• کلاسیک: ارتباط بین دو محرک (مثلاً زنگ و غذا) ایجاد می‌شود.
• فعال: جانور با آزمون و خطا رابطه بین یک رفتار و پیامد آن (پاداش یا تنبیه) را یاد می‌گیرد.
سوال 10: در آزمایش اسکینر، یادگیری موش چگونه رخ داد؟
پاسخ:
موش با فشار دادن تصادفی اهرم، غذا دریافت کرد. پس از تکرار، آموخت که با فشار دادن اهرم، پاداش می‌گیرد و به صورت عمدی این کار را انجام داد.
بخش 4: حل مسئله و نقشپذیری
سوال 11: رفتار حل مسئله چیست؟ دو مثال بزنید.
پاسخ:
در این رفتار، جانور با استفاده از تجربه‌های قبلی برای حل مشکل جدید برنامه‌ریزی می‌کند.
مثال:
1. شامپانزه با روی هم گذاشتن جعبه‌ها به موز می‌رسد.
2. کلاغ نخ را بالا می‌کشد تا به گوشت برسد.
سوال 12: نقشپذیری چیست و چرا برای جوجه غازها حیاتی است؟
پاسخ:
نوعی یادگیری است که در یک دوره حساس (چند ساعت اول پس از تولد) رخ می‌دهد.
جوجه‌ها با نقشپذیری مادر را می‌شناسند، از او محافظت می‌شوند و غذا جستجو کردن را می‌آموزند. بدون آن، ممکن است تلف شوند.
بخش 5: تلفیق ژن و یادگیری
سوال 13: نقش ژن و تجربه محیطی در بروز رفتار جوجه کاکایی چیست؟
پاسخ:
رفتار نوک زدن ابتدا غریزی است ولی با تمرین و پاسخ بهتر والد، به مرور دقیق‌تر می‌شود. پس، رفتار نهایی حاصل برهم‌کنش ژن و تجربه محیطی است.
سوال 14: چرا یادگیری برای بقای جانوران ضروری است؟
پاسخ:
زیرا محیط جانوران دائماً در حال تغییر است. با یادگیری، جانور می‌تواند با شرایط جدید سازگار شده و زنده بماند.
بخش 6: سؤال‌های تحلیلی و کنکور
سوال 15: اگر ژن B در همه موش‌های مادر غیر فعال شود، چه پیامدی برای بقای نوزادان دارد؟
پاسخ:
بچه‌ها مراقبت مادری دریافت نمی‌کنند، احتمال مرگ بالا می‌رود و بقای نسل کاهش می‌یابد.
سوال 16: جدول مقایسه‌ای بین انواع یادگیری کامل کن:
نوع یادگیری ویژگی اصلی مثال
خوگیری بی‌پاسخ شدن به محرک بی‌فایده بی‌تفاوتی به برگ افتان
شرطی شدن کلاسیک ارتباط بین دو محرک صدای زنگ و ترشح بزاق در سگ
شرطی شدن فعال ارتباط رفتار با پیامد (پاداش/تنبیه) فشار اهرم توسط موش
حل مسئله استفاده آگاهانه از تجربه قبلی شامپانزه و جعبه‌ها برای موز
نقشپذیری یادگیری در یک دوره حساس پیروی جوجه از مادر
سوال 17 (کنکوری): کدام‌یک از موارد زیر حاصل نقشپذیری نیست؟
الف) پیروی جوجه غاز از مادر
ب) مکیدن پستان توسط نوزاد
ج) آموزش شکار توسط مادر گربه
د) راه رفتن بره پشت سر پرورش‌دهنده انسان
پاسخ صحیح: ب
زیرا رفتار مکیدن غریزی است نه حاصل نقشپذیری.
گفتار ۲ – انتخاب طبیعی و رفتار
رفتار و انتخاب طبیعی
1. دو نوع پرسشی که پژوهشگران در بررسی رفتار جانوران مطرح می‌کنند چیست؟ توضیح دهید.
پاسخ:
o پرسش اول: جانور چگونه رفتاری را انجام می‌دهد؟ (بررسی‌های ژنتیکی، رشد و نمو و عملکرد بدن)
o پرسش دوم: چرا جانور رفتار را انجام می‌دهد؟ (بررسی علت رفتاری در چارچوب انتخاب طبیعی و مزیت سازگاری)
2. چرا کاکایی پوسته‌های تخم را از لانه خارج می‌کند؟
پاسخ:
رنگ سفید داخل پوسته تخم‌ها توجه شکارچیانی مانند کلاغ را جلب می‌کند. با دور کردن پوسته‌ها، احتمال شکار جوجه‌ها کاهش می‌یابد. این رفتار با افزایش بقا، رفتاری سازگارکننده است که با انتخاب طبیعی برگزیده شده است.
3. چرا رفتارهایی که به افزایش بقا و زادآوری کمک می‌کنند، برگزیده می‌شوند؟
پاسخ:
چون این رفتارها مزایای تکاملی دارند، جانورانی که این رفتارها را دارند زادآوری موفق‌تری دارند و ژن‌های خود را بیشتر منتقل می‌کنند.
بخش ۲: سؤالات تصویری (شکل‌های 9، 10، 11، 12، 13، 14)
شکل 9: تخم‌ها و جوجه‌های کاکایی
4. با توجه به شکل 9، چرا استتار جوجه‌ها در چمن‌ها مفید است؟
پاسخ:
استتار باعث می‌شود جوجه‌ها برای شکارچیان کمتر قابل رؤیت باشند، در نتیجه شانس بقای آنها بیشتر می‌شود.
شکل 10: دم طاووس نر
5. رابطه بین پرهای دم طاووس نر و انتخاب جفت توسط ماده را توضیح دهید.
پاسخ:
دم پرنقش طاووس نر نشان‌دهنده سلامت و داشتن ژن‌های مناسب است. طاووس ماده نری را انتخاب می‌کند که دم بزرگ‌تر و رنگی درخشان‌تر دارد، چون این صفات احتمال بقای زاده‌ها را افزایش می‌دهد.
شکل 11: جیرجیرک نر و ماده
6. در گونه‌هایی مثل جیرجیرک، چرا نرها در انتخاب جفت نقش دارند؟
پاسخ:
چون نرها هزینه بیشتری (انتقال کیسه حاوی مواد مغذی) پرداخت می‌کنند، در نتیجه برای تضمین موفقیت تولیدمثل، ماده‌ها را انتخاب می‌کنند.
شکل 12: تغذیه طوطی‌ها از خاک رس
7. چرا طوطی‌ها خاک رس می‌خورند با اینکه انرژی ندارد؟
پاسخ:
خاک رس مواد سمی موجود در غذاهای گیاهی را خنثی می‌کند و به گوارش کمک می‌کند، بنابراین نیاز تغذیه‌ای خاصی را تأمین می‌کند.
شکل 13: قلمروخواهی قو
8. رفتار قلمروخواهی چگونه به بقا و تولیدمثل کمک می‌کند؟
پاسخ:
با داشتن قلمرو اختصاصی، جانور به منابع غذایی، محل پناه، و فرصت‌های جفت‌گیری دسترسی بیشتری دارد و این موجب افزایش شانس بقا و تولیدمثل می‌شود.
شکل 14: مهاجرت پرندگان
9. پرندگان مهاجر چگونه در مسیر مهاجرت جهت‌یابی می‌کنند؟
پاسخ:
با استفاده از نشانه‌های محیطی مانند موقعیت خورشید، ستاره‌ها و میدان مغناطیسی زمین. مثلاً کبوتر با آهنربا نتوانست مسیر را بیابد، چون از میدان مغناطیسی زمین برای جهت‌یابی استفاده می‌کند.
بخش ۳: سؤالات تحلیل و استدلال
10. در طاووس نر، چرا داشتن دم زینتی با وجود دشواری در حرکت باز هم باقی مانده است؟
پاسخ:
زیرا دم زینتی نشان‌دهنده سازگاری و سلامت نر است. گرچه بقا را دشوار می‌کند، اما با افزایش احتمال انتخاب شدن توسط ماده‌ها، شانس انتقال ژن‌ها را بیشتر می‌کند.
11. رفتار کاکایی در دور کردن پوسته تخم، رفتار یادگرفته شده است یا ژنتیکی؟ چرا؟
پاسخ:
این رفتار غریزی و ژنتیکی است چون بدون نیاز به آموزش، بلافاصله بعد از تولد جوجه‌ها انجام می‌شود و مزیت تکاملی دارد.
بخش ۴: فعالیت‌ها و خودارزیابی
فعالیت 5 (رکود تابستانی)
12. چرا رکود تابستانی رفتاری ژنی محسوب می‌شود؟
پاسخ:
چون حتی در شرایط آزمایشگاهی که غذا و آب وجود دارد، لاکپشت همچنان این رفتار را نشان می‌دهد. این نشان می‌دهد که رفتار تحت کنترل ژن‌هاست نه شرایط بیرونی.
بخش ۵: پرسش‌های کاربردی و کنکوری
13. در گونه‌ای از پرندگان، نرها در نگهداری از جوجه‌ها نقش دارند. احتمال بیشتر دارد که این گونه‌ها دارای چه نوع نظام جفت‌گیری باشند؟ چرا؟
پاسخ:
تک‌همسری. چون هر دو والد در نگهداری از جوجه‌ها نقش دارند، هر دو در انتخاب جفت سهم دارند و وفاداری به جفت برای موفقیت تولیدمثلی لازم است.
14. جانوری رفتار غذایابی را به گونه‌ای انجام می‌دهد که در هر تلاش، بیشترین انرژی خالص را دریافت کند. این نوع رفتار چه نام دارد؟
پاسخ:
رفتار غذایابی بهینه (Optimal Foraging)
15. مثالی از رفتاری که سود زیاد ولی هزینه نیز بالا دارد، بیان کنید. چگونه انتخاب طبیعی بر چنین رفتاری تأثیر می‌گذارد؟
پاسخ:
دفاع از قلمرو: سود آن دستیابی به منابع بیشتر و امکان جفت‌گیری است، ولی هزینه‌هایی مانند مصرف انرژی یا آسیب دارد. انتخاب طبیعی رفتاری را برمی‌گزیند که موازنه مناسبی بین سود و هزینه داشته باشد.
گفتار ۳ – ارتباط و زندگی گروهی
بخش اول: مفهومی و دانشی
سؤال ۱: منظور از “برقراری ارتباط بین جانوران” چیست؟
پاسخ: ارتباط بین جانوران به معنای انتقال اطلاعات از یک جانور به جانور دیگر از طریق صدا، علامت‌های دیداری، بو یا لمس است. این ارتباط باعث تغییر رفتار جانوران می‌شود.
سؤال ۲: فرومون چیست و چه نقشی در ارتباط جانوران دارد؟
پاسخ: فرومون ماده‌ای شیمیایی است که برخی جانوران مانند زنبورها برای ارتباط استفاده می‌کنند. این ماده پیام‌هایی مانند هشدار یا محل غذا را به جانوران دیگر منتقل می‌کند.
سؤال ۳: جوجه‌کاکایی چگونه با والد خود ارتباط برقرار می‌کند؟
پاسخ: جوجه‌کاکایی با لمس منقار والد خود، از او درخواست غذا می‌کند. این یک نوع ارتباط لمسی است.
سؤال ۴: زنبورهای عسل چگونه محل منبع غذا را به یکدیگر اطلاع می‌دهند؟
پاسخ: زنبور یابنده پس از یافتن منبع غذا، با انجام حرکات خاص و تولید صدای وزوز، اطلاعاتی درباره فاصله و جهت محل غذا به زنبورهای دیگر منتقل می‌کند. زنبورهای کارگر با استفاده از این اطلاعات و حس بویایی، منبع غذا را پیدا می‌کنند.
بخش دوم: تحلیل تصویری
سؤال ۵: با توجه به شکل 15 (مورچه‌ها)، چه نوع تقسیم کاری بین آنها وجود دارد؟
پاسخ: در اجتماع مورچه‌های برگ‌بر، کارگرهای بزرگ‌تر برگ‌ها را به لانه حمل می‌کنند و مورچه‌های کوچکتر مسئول دفاع از گروه هستند. این تقسیم کار باعث افزایش بازده و بقا در گروه می‌شود.
سؤال ۶: با توجه به شکل 1s (دم‌عصایی نگهبان)، این رفتار چه نوع رفتاری است و چه فایده‌ای دارد؟
پاسخ: این رفتار «دگرخواهی» است. دم‌عصایی با هشدار دادن به دیگران، احتمال بقای آنها را افزایش می‌دهد، اگرچه خود در معرض خطر بیشتری قرار می‌گیرد.
بخش سوم: چرایی‌ها و نتیجه‌گیری‌ها
سؤال ۷: چرا رفتار دگرخواهی در جانوران دیده می‌شود؟
پاسخ: چون جانور با انجام رفتار دگرخواهانه به خویشاوندان خود (که ژن‌های مشترکی دارند) کمک می‌کند. این کمک باعث افزایش انتقال ژن‌های مشترک به نسل بعد می‌شود و در نتیجه، از نظر انتخاب طبیعی این رفتار برگزیده می‌شود.
سؤال ۸: چرا زندگی گروهی برای جانوران سودمند است؟
پاسخ: زندگی گروهی موجب افزایش احتمال بقا (با هشدارهای نگهبانان)، افزایش موفقیت در شکار، و دسترسی آسان‌تر به غذا از طریق اشتراک‌گذاری اطلاعات می‌شود.
سؤال ۹: چه شباهت‌ها و تفاوت‌هایی بین دگرخواهی در زنبورهای عسل و خفاش‌های خون‌آشام وجود دارد؟
پاسخ:
شباهت: هر دو گروه غذا یا اطلاعات را به نفع دیگران به اشتراک می‌گذارند.
تفاوت: دگرخواهی زنبورها بر اساس خویشاوندی و انتقال ژن مشترک است، در حالی که دگرخواهی خفاش‌ها بین غیرخویشاوندان انجام می‌شود و بر اساس جبران در آینده است (رفتار متقابل).
بخش چهارم: فعالیت‌محور و استنباطی
سؤال ۱۰: اگر زنبور یابنده مسیر اشتباهی نشان دهد، چه اثری بر گروه دارد؟
پاسخ: زنبورهای کارگر به محل اشتباه می‌روند و انرژی و زمان خود را از دست می‌دهند. در نتیجه کارایی کل گروه کاهش می‌یابد و ممکن است نتوانند غذا بیابند.
سؤال ۱۱: رفتار یاریگری در پرندگان چه سودی برای خود یاریگر دارد؟
پاسخ: باعث کسب تجربه در پرورش زاده‌ها، افزایش شانس بقا و در مواردی، تصاحب قلمرو جفت‌های مرده می‌شود.
سؤال ۱۲: چرا هرچه حرکات زنبور یابنده طولانی‌تر باشد، منبع غذا دورتر است؟
پاسخ: مدت‌زمان و نوع حرکات زنبور یابنده اطلاعات دقیقی درباره فاصله غذا منتقل می‌کند. هرچه مسافت بیشتر باشد، حرکات زمان‌برتر و طولانی‌تر است.
بخش پنجم: خودارزیابی سطح بالا
سؤال ۱۳: ارتباط بین زنبورها ترکیبی از کدام حس‌ها و روش‌هاست؟
پاسخ: ترکیبی از حس بویایی، دیداری (حرکات بدن) و شنوایی (صدای وز وز).
سؤال ۱۴: اگر نگهبانان گروهی از جانوران حذف شوند، چه اثری بر بقا دارد؟
پاسخ: احتمال شکار شدن جانوران افزایش می‌یابد، چون هیچ‌کس برای هشدار دادن وجود ندارد. این باعث کاهش بقا و موفقیت تولیدمثلی گروه می‌شود.
سؤال ۱۵: چرا خفاش‌های خون‌آشام به خفاش‌هایی که دگرخواهی را جبران نمی‌کنند، غذا نمی‌دهند؟
پاسخ: چون در سیستم گروهی مبتنی بر همکاری، اگر دگرخواهی متقابل نباشد، فرد فرصت‌طلب از گروه حذف می‌شود تا نظام پاداش و بقا حفظ شود.
بخش ششم: تمرین کنکوری مفهومی
سؤال ۱۶: کدام مورد نقشی در رفتار دگرخواهی زنبورهای عسل ندارد؟
الف) اشتراک ژن‌ها
ب) بقای زادگان خویشاوند
ج) تجربه‌آموزی برای زادآوری آینده
د) کاهش احتمال بقا برای خود
پاسخ صحیح: گزینه (ج) – زنبورهای کارگر نازا هستند و زادآوری ندارند.
سؤال ۱۷: کدام رفتار زیر در جانوران بیشترین شباهت را با یاریگری در پرندگان دارد؟
الف) نگهبانی دم‌عصایی
ب) هدایت زنبورها توسط زنبور یابنده
ج) اشتراک غذا در خفاش‌ها
د) انتخاب لانه توسط والدین
پاسخ صحیح: گزینه (ج) – چون هر دو به همکاری غیرخویشاوندانه و متقابل مربوط می‌شوند.