ΑΡΧΙΚΗ

ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

ΣΤΙΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΒΙΒΛΙΟΥ

 

ΑΝΘΡΩΠΟΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ (1.1., 1.2.)

  1. Ο οργανισμός του ανθρώπου προκειμένου να διατηρεί σταθερό το εσωτερικό του περιβάλλον είναι υποχρεωμένος να τροποποιεί συνεχώς τη λειτουργία του. Συμφωνείτε με την πρόταση;  Να αιτιολογήσετε την άποψή σας παραθέτοντας επιχειρήματα που θα αντλήσετε από το σχολικό εγχειρίδιο. 

Ο άνθρωπος ζει σε ένα περιβάλλον που συνεχώς μεταβάλλεται. Για την επιβίωσή του όμως είναι απαραίτητη η διατήρηση της σταθερότητας του εσωτερικού του περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό διαθέτει διάφορους ομοιοστατικούς μηχανισμούς. Τροποποιεί δηλαδή τις λειτουργίες του ώστε να διατηρήσει την ομοιόστασή του, να διατηρήσει δηλαδή σταθερό το εσωτερικό του περιβάλλον. Για παράδειγμα όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι πιο υψηλή από αυτή του σώματος, τότε μεταβάλλονται κάποιες λειτουργίες του , ώστε να διατηρηθεί η θερμοκρασία στο εσωτερικό του οργανισμού σταθερή, παρόλη την τάση που υπάρχει για αύξησή της. Έτσι διαστέλλονται τα αιμοφόρα αγγεία, ενεργοποιούνται οι ιδρωτοποιοί αδένες και παράγουν ιδρώτα.

  1. Πολλοί θεωρούν το σύνολο των μικροβίων απειλητικό για την υγεία του ανθρώπου. Συμφωνείτε με την άποψή τους;   Με ποιους τρόπους ένα μικρόβιο μπορεί να πλήξει την υγεία του ανθρώπου;

Έχει αποδειχθεί σήμερα ότι η άποψη, που αρχικά επικρατούσε και ήθελε όλα τα μικρόβια να προκαλούν ασθένειες, είναι λανθασμένη. Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα περισσότερα μικρόβια δεν είναι παθογόνα, όπως για παράδειγμα αυτά που αποικοδομούν τη νεκρή οργανική ύλη ή τα μικρόβια που βρίσκονται σε διάφορα σημεία του σώματος και συντελούν στην άμυνα του οργανισμού ανταγωνιζόμενα τα παθογόνα ή αυτά που παράγουν ουσίες χρήσιμες για τον ανθρώπινο οργανισμό όπως είναι η βιταμίνη Κ.

Κάποια μικρόβια (ιοί) πλήττουν την υγεία του ανθρώπου μέσω της παρασιτικής  σχέσης που αναπτύσσουν με αυτόν. Χρησιμοποιούν υλικά και μηχανισμούς του οργανισμού στον οποίο παρασιτούν για να καλύψουν τις δικές τους ανάγκες, παρεμποδίζοντας με τον τρόπο αυτό τη σωστή λειτουργία των κυττάρων ή και καταστρέφοντάς τα.

Άλλοι μικροοργανισμοί (βακτήρια) βλάπτουν την υγεία του ανθρώπου με τις ουσίες που παράγουν, τις τοξίνες, που διακρίνονται σε ενδοτοξίνες και εξωτοξίνες. Οι ενδοτοξίνες βρίσκονται στο κυτταρικό τοίχωμα των βακτηρίων και προκαλούν πυρετό, πτώση της αρτηριακής πίεσης κλπ. Οι εξωτοξίνες εκκρίνονται από τα βακτήρια και μεταφέρονται με το αίμα, όπου, ανάλογα με τη φύση τους προσβάλουν συγκεκριμένα όργανα.

  1. Μερικοί θεωρούν ότι η δημιουργία ενδοσπορίων στα βακτήρια δεν αποτελεί τρόπο πολλαπλασιασμού τους. Είναι βάσιμη κατά τη γνώμη σας η άποψή τους;

Πολλά βακτήρια όταν βρεθούν σε αντίξοες συνθήκες, όπως ακραίες θερμοκρασίες, ακτινοβολίες κ. α. μετατρέπονται σε ενδοσπόρια. Τα ενδοσπόρια είναι αφυδατωμένα κύτταρα με ανθεκτικά τοιχώματα. Παραμένουν σε αυτή τη λανθάνουσα κατάσταση για όσο διάστημα διαρκούν οι ακραίες συνθήκες και όταν οι συνθήκες αποκατασταθούν τότε το κάθε ενδοσπόριο δίνει ένα βακτήριο το οποίο συνεχίζει τον κύκλο του και τελικά αναπαράγεται. Η δημιουργία των ενδοσπορίων δεν αποτελεί τρόπο αναπαραγωγής γιατί ένα βακτήριο μετατρέπεται σε ενδοσπόριο και κάθε ενδοσπόριο βλαστάνει και δίνει ένα βακτήριο. Ο σχηματισμός ενδοσπορίων επιτρέπει απλώς την επιβίωση των βακτηρίων όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος είναι δυσμενείς και κατά συνέπεια τους δίνει τη δυνατότητα της αναπαραγωγής στη συνέχεια.

  1. Τρεις ημέρες μετά την αγορά και την κατανάλωση παστεριωμένου γάλατος σε κονσέρβα διαπιστώσατε ότι το υπόλοιπο του περιεχομένου της, παρά το ότι είχε τοποθετηθεί στο ψυγείο,  «έκοψε». Τι μπορεί να συνέβη κατά τη γνώμη σας;

Η παστερίωση είναι μία μέθοδος καταστροφής των μικροβίων η οποία όμως δεν καταστρέφει τα σπόριά τους. Η μέθοδος χρησιμοποιείται σε τρόφιμα όπως το γάλα και επιτυγχάνεται με θέρμανση, του προς παστερίωση προϊόντος, στους 62ο C. Τα παστεριωμένα τρόφιμα διατηρούνται στο ψυγείο όπου οι συνθήκες δεν είναι ευνοϊκές για τον πολλαπλασιασμό των μικροβίων. Παρόλα αυτά όμως τα σπόρια που τυχόν περιέχονται στο γάλα και αποτελούν λανθάνουσες μορφές ζωής με χαμηλούς μεταβολικούς ρυθμούς παράγουν ουσίες, μέσω του μεταβολισμού τους, που έκαναν το γάλα να «κόψει».

  1. Είναι πιθανό να αποτελούμε ξενιστές για παθογόνους μικροοργανισμούς χωρίς να νοσούμε;

Σε ορισμένες περιπτώσεις (όπως και στην περίπτωση του AIDS) η είσοδος ενός παθογόνου μικροοργανισμού, στον οργανισμό του ανθρώπου, δε συνοδεύεται από την εκδήλωση ασθένειας. Στην περίπτωση αυτή ο οργανισμός αποτελεί φορέα του παθογόνου μικροοργανισμού και μπορεί να τον μεταδώσει και σε άλλους.

  1. Ανάμεσα στα μέλη της επιστημονικής κοινότητας υπάρχουν αρκετοί που θεωρούν τους ιούς έμβια όντα, ενώ άλλοι πιστεύουν ότι οι ιοί αποτελούν απλές χημικές ενώσεις. Με ποια από τις δύο απόψεις συμφωνείτε;  Να αιτιολογήσετε την άποψή σας.  

Η πιο χαρακτηριστική λειτουργία των οργανισμών είναι αυτή της αναπαραγωγής, με τον μηχανισμό των νουκλεϊκών οξέων. Οι ιοί διαθέτουν δικό τους γενετικό υλικό (DNA ή RNA) και κάτω από ορισμένες συνθήκες μπορούν να το πολλαπλασιάσουν και να το εκφράσουν και έτσι να αναπαραχθούν. Για τον λόγο αυτό και μόνο οι ιοί κατατάσσονται στους οργανισμούς, παρόλη την ακυτταρική οργάνωσή τους.

  1. Να συγκρίνετε, όσον αφορά τη δομή και τη λειτουργία, τους προκαρυωτικούς οργανισμούς και τους ιούς.

ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ:

Και οι ιοί και οι προκαρυωτικοί οργανισμοί μπορούν και αναπαράγονται με τον μηχανισμό των νουκλεϊκών οξέων.

Υπάρχουν και παθογόνοι ιοί και παθογόνοι προκαρυωτικοί οργανισμοί.

ΔΙΑΦΟΡΕΣ:

Τα προκαρυωτικά μικρόβια έχουν κυτταρική οργάνωση ( κυτταρική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα, ριβοσώματα). Οι ιοί δεν έχουν κυτταρική οργάνωση.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια έχουν κυτταρικό τοίχωμα, οι ιοί δεν έχουν κυτταρικό τοίχωμα.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια έχουν πιο πολύπλοκη οργάνωση από τους ιούς.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια έχουν μεγαλύτερο μέγεθος από τους ιούς.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια επιτελούν μεταβολικές λειτουργίες ενώ οι ιοί δεν διαθέτουν δικό τους μεταβολισμό.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια δεν είναι υποχρεωτικά κυτταρικά παράσιτα, οι ιοί είναι υποχρεωτικά ενδοκυτταρικά παράσιτα.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια αναπαράγονται μονογονικά με εγκάρσια διχοτόμηση, οι ιοί αναπαράγονται μέσα σε κάποιο κύτταρο.

Τα προκαρυωτικά μικρόβια έχουν γενετικό υλικό DNA ενώ οι ιοί έχουν γενετικό υλικό DNA ή RNA.

  1. Ένας ερευνητής μπέρδεψε τα τρία δείγματα μικροβίων (Α, Β, Γ) με τα οποία εργαζόταν. Αν το μικρόβιο Α διαθέτει μια κεντρική περιοχή όπου είναι συγκεντρωμένο το γενετικό υλικό, το μικρόβιο Β διαθέτει πολυάριθμους πυρήνες και το μικρόβιο Γ δεν έχει καθόλου πυρήνα, μπορείτε να τον βοηθήσετε να διαπιστώσει ποιο μικρόβιο είναι μύκητας, ποιο ιός και ποιο βακτήριο;

Το μικρόβιο  B που διαθέτει πολλούς πυρήνες στο κύτταρό του είναι μύκητας γιατί μόνο αυτοί έχουν κοινοκυτταρική οργάνωση (κυτταρόπλασμα με πολλούς πυρήνες). Το μικρόβιο Α που δεν διαθέτει πυρήνα αλλά το γενετικό του υλικό εντοπίζεται σε συγκεκριμένη περιοχή (πυρηνοειδές), είναι βακτήριο. Τέλος το μικρόβιο Γ που δεν διαθέτει «καθόλου» πυρήνα (δεν διαθέτει δηλαδή ούτε πυρήνα ούτε πυρηνική περιοχή) είναι ιός.

  1. Μια βακτηριακή καλλιέργεια που ξεκίνησε από δύο βακτήρια μέσα σε χρόνο 60 λεπτών οκταπλασίασε τον πληθυσμό της. Κάθε πόσα λεπτά αναπαράγονται τα βακτήρια που την αποτελούν;

Ο αριθμός των βακτηρίων μετά από 60΄ θα είναι 8Χ2=16 βακτήρια.

Τα βακτήρια πολλαπλασιάζονται μονογονικά, με εγκάρσια διχοτόμηση. Αυτό σημαίνει ότι ένα βακτήριο με διχοτόμηση δίνει δύο βακτήρια, αυτά με τη διχοτόμησή τους δημιουργούν τέσσερα βακτήρια κλπ.

Γενικά για 1 βακτήριο:

μετά την 1η διχοτόμηση δημιουργούνται 2 βακτήρια=21

μετά την 2η διχοτόμηση δημιουργούνται 4 βακτήρια=22

μετά την 3η διχοτόμηση δημιουργούνται 8 βακτήρια=23

μετά την 4η διχοτόμηση δημιουργούνται 16 βακτήρια=24

μετά την Χη διχοτόμηση δημιουργούνται 2χ βακτήρια

Εάν τα αρχικά βακτήρια ήταν Νο τότε μετά από χ διχοτομήσεις θα έχουν δημιουργηθεί : Σύνολο βακτηρίων μετά από χ διχοτομήσεις=Νο.2χ.

Η άσκηση μας δίνει ότι μετά από 60΄ από δύο βακτήρια δημιουργήθηκαν 16. Αυτό σημαίνει ότι Νο.2χ =16. Αντικαθιστώντας όπου Νο=2 στον προηγούμενο τύπο προκύπτει ότι χ=3. Στο χρονικό διάστημα των 60΄ έγιναν 3 διχοτομήσεις. Επομένως τα βακτήρια αναπαράγονται κάθε 60/3=20΄.

  1. Αν πράγματι τα βακτήρια αναπαράγονται με τους ρυθμούς που βρήκατε στην προηγούμενη ερώτηση, για ποιο λόγο δεν καταλαμβάνουν εξ ολοκλήρου τον ανθρώπινο οργανισμό, όποτε τον μολύνουν;

Από την στιγμή που θα μπει ένας παθογόνος μικροοργανισμός στον οργανισμό μας αρχίζει να πολλαπλασιάζεται με πολύ γρήγορους ρυθμούς , αφού οι συνθήκες που θα συναντήσει είναι ιδανικές γι’ αυτόν. Όμως με την είσοδό του προκαλεί και την ενεργοποίηση των αμυντικών μηχανισμών του οργανισμού μας που  προσπαθούν να τον εξουδετερώσουν. Οι μηχανισμοί αυτοί περιορίζουν ή αναστέλλουν τον πολλαπλασιασμό του μικροοργανισμού και τον καταστρέφουν. Για τον λόγο αυτό δεν καταλαμβάνει ο μικροοργανισμός εξ ολοκλήρου τον ανθρώπινο οργανισμό.

  1. Ένα ποτήρι με παστεριωμένο γάλα στο οποίο περιέχονται δύο ενδοσπόρια βακτηρίων ξεχάστηκε έξω από το ψυγείο. Αν οι συνθήκες που επικρατούν στο δωμάτιο είναι κατάλληλες για τη βλάστηση και τον πολλαπλασιασμό των ενδοσπορίων, ποιος θα είναι ο μεγαλύτερος αριθμός βακτηρίων που θα υπάρχουν στο ποτήρι μετά από 8 ώρες; (Να υπολογισθεί ότι τα βακτήρια διαιρούνται κάθε 20 λεπτά.  )

Σε αντίξοες συνθήκες, όπως σε ακραίες θερμοκρασίες ή υπό την επίδραση ακτινοβολιών, πολλά βακτήρια μετατρέπονται σε ανθεκτικές μορφές, τα ενδοσπόρια. Όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος ξαναγίνουν ευνοϊκές, τα ενδοσπόρια βλαστάνουν δίνοντας το καθένα ένα βακτήριο. Σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν όταν το γάλα ξεχάστηκε έξω από το ψυγείο, σε συνθήκες κατάλληλες για τη βλάστηση και τον πολλαπλασιασμό των ενδοσπορίων, το καθένα από τα δύο ενδοσπόρια θα βλαστήσει δίνοντας ένα βακτήριο, το οποίο θα αρχίσει να πολλαπλασιάζεται. Δεδομένου ότι τα βακτήρια διαιρούνται κάθε 20 λεπτά, θα έχουμε:

Γενικά για 1 βακτήριο:

μετά την 1η διχοτόμηση δημιουργούνται 2 βακτήρια=21

μετά την 2η διχοτόμηση δημιουργούνται 4 βακτήρια=22

μετά την 3η διχοτόμηση δημιουργούνται 8 βακτήρια=23

μετά την 4η διχοτόμηση δημιουργούνται 16 βακτήρια=24

μετά την χη διχοτόμηση δημιουργούνται 2χ βακτήρια

Εάν τα αρχικά βακτήρια ήταν Νο τότε μετά από χ διχοτομήσεις θα έχουν δημιουργηθεί : Σύνολο βακτηρίων μετά από χ διχοτομήσεις=Νο.2χ.

Οι 8 ώρες είναι 8Χ60΄ =480΄ , στα οποία θα συμβούν 480/20 =24 διχοτομήσεις.

Τα αρχικά βακτήρια ήταν 2, οπότε αντικαθιστώντας στον τύπο  Σύνολο βακτηρίων μετά από χ διχοτομήσεις=Νο.2χ, έχουμε: Σύνολο βακτηρίων μετά από χ διχοτομήσεις=2.224  = 225 βακτήρια.

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΜΥΝΑΣ (1.3.1., 1.3.2., 1.3.3.)

  1. Ένα βακτήριο κατόρθωσε να εισδύσει στον οργανισμό μας μέσω του δέρματος και να εισέλθει στην κυκλοφορία του αίματος. Ποιοι αμυντικοί μηχανισμοί παρακάμφθηκαν, ποιοι και με ποια σειρά πρόκειται να ενεργοποιηθούν;

Ένα βακτήριο που πέρασε μέσα από το δέρμα στο αίμα, έχει ξεπεράσει:

Τη δράση του γαλακτικού οξέος και της λυσοζύμης του ιδρώτα

Τη δράση των λιπαρών οξέων του σμήγματος

Τα μη παθογόνα μικρόβια του δέρματος

Το φραγμό που δημιουργεί η δομή του δέρματος (κεράτινη στιβάδα) και του ινώδους (πλέγμα πρωτεϊνικής σύστασης που σταματά την αιμορραγία στη περιοχή του τραύματος και εμποδίζει την είσοδο και άλλων μικροοργανισμών).

Εφόσον βρίσκεται ήδη στην κυκλοφορία του αίματος έχει ξεπεράσει και τη δράση των μακροφάγων (φαγοκύτταρα που βρίσκονται εγκατεστημένα στους ιστούς) όπως επίσης και τη δράση ουσιών με αντιμικροβιακή δράση που υπάρχουν στο πλάσμα του αίματος (προπερδίνη, συμπλήρωμα κλπ).

Αφού πέρασε τους προηγούμενους αμυντικούς μηχανισμούς που έχουν στόχο την παρεμπόδιση της εισόδου των μικροοργανισμών στο εσωτερικό του οργανισμού και την αντιμετώπισή του, θα ενεργοποιήσει:

Τα φαγοκύτταρα (μακροφάγα)

Τη φλεγμονώδη αντίδραση

Τον πυρετό

Ουσίες με αντιμικροβιακή δράση που υπάρχουν στο πλάσμα του αίματος (προπερδίνη, συμπλήρωμα κλπ)

Τα Τ-βοηθητικά λεμφοκύτταρα

Τα Β-λεμφοκύτταρα

Τα κυτταροτοξικά Τ-λεμφοκύτταρα

Την παραγωγή Τ-λεμφοκυττάρων και Β-λεμφοκυττάρων μνήμης

Την παραγωγή πλασματοκυττάρων, από τα ενεργοποιημένα Β-λεμφοκύτταρα, που θα παράγουν αντισώματα .

  1. 'Ένας ιός κατόρθωσε να εισδύσει στον οργανισμό μας μέσω του δέρματος και να εισέλθει στην κυκλοφορία του αίματος. Ποιοι αμυντικοί μηχανισμοί παρακάμφθηκαν, ποιοι και με ποια σειρά πρόκειται να ενεργοποιηθούν;

Ένας ιός που πέρασε μέσα από το δέρμα στο αίμα, έχει ξεπεράσει:

Το φραγμό που δημιουργεί η δομή του δέρματος (κεράτινη στιβάδα) και του ινώδους.

Αφού πέρασε τους αμυντικούς μηχανισμούς που έχουν στόχο την παρεμπόδιση της εισόδου των μικροοργανισμών στο εσωτερικό του οργανισμού, θα ενεργοποιήσει:

Τις ιντερφερόνες, που παράγονται από κύτταρα του ξενιστή που έχουν προσβληθεί από τον ιό και διαχέονται στα γειτονικά κύτταρα, που με τη σειρά τους παράγουν ουσίες που εμποδίζουν την αναπαραγωγή των ιών σε αυτά

Τα φαγοκύτταρα (μακροφάγα)

Τη φλεγμονώδη αντίδραση

Τον πυρετό

Ουσίες με αντιμικροβιακή δράση που υπάρχουν στο πλάσμα του αίματος (προπερδίνη, συμπλήρωμα κλπ)

Τα Τ-βοηθητικά λεμφοκύτταρα

Τα Β-λεμφοκύτταρα

Τα κυτταροτοξικά Τ-λεμφοκύτταρα

Την παραγωγή Τ-λεμφοκυττάρων και Β-λεμφοκυττάρων μνήμης

Τα αντισώματα που θα παραχθούν από τα ενεργοποιημένα Β-λεμφοκύτταρα (πλασματοκύτταρα)

  1. Ποιο είδος ανοσίας μας προστατεύει γρηγορότερα, η τεχνητή παθητική ανοσία ή η φυσική ενεργητική; Αιτιολογήστε την απάντηση σας.

Η φυσική ενεργητική ανοσία επιτυγχάνεται με την είσοδο ενός αντιγόνου (που βρίσκεται στο περιβάλλον), στον οργανισμό. Βασίζεται στη δημιουργία κυττάρων μνήμης, τα οποία ενεργοποιούνται με την επαφή του οργανισμού με το ίδιο αντιγόνο για δεύτερη ή επόμενη φορά. Στην περίπτωση αυτή ξεκινά αμέσως η παραγωγή αντισωμάτων και δεν προλαβαίνουν να εμφανιστούν τα συμπτώματα της ασθένειας. Η παθητική τεχνητή ανοσία επιτυγχάνεται με τη χορήγηση ορού που περιέχει έτοιμα αντισώματα τα οποία έχουν παραχθεί σε κάποιο άλλο άτομο ή ζώο. Κατά συνέπεια η δράση της παθητικής ανοσίας είναι άμεση.

  1. Ποιο είδος ανοσίας μας προστατεύει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ένα μικροοργανισμό, η παθητική ή η ενεργητική; Αιτιολογήστε την απάντηση σας.

Στην ενεργητική ανοσία ο οργανισμός μπορεί να ενεργοποιηθεί με δύο τρόπους:

α. Να έλθει σε επαφή με ένα αντιγόνο που βρίσκεται στο περιβάλλον (φυσικός τρόπος). 

β. Να δεχτεί μια ποσότητα εμβολίου το οποίο περιέχει νεκρούς ή εξασθενημένους μικροοργανισμούς ή τμήματά τους (τεχνητός τρόπος).  Το εμβόλιο, όπως θα έκανε και ο ίδιος ο μικροοργανισμός, ενεργοποιεί τον ανοσοβιολογικό μηχανισμό, για να παραγάγει αντισώματα και κύτταρα μνήμης.

Στην παθητική ανοσία χορηγούνται στον οργανισμό έτοιμα αντισώματα που έχουν παραχθεί από άλλο οργανισμό. Παθητική ανοσία μπορεί να επιτευχθεί φυσιολογικά με τη μεταφορά αντισωμάτων από τη μητέρα στο έμβρυο διαμέσου του πλακούντα και με τη μεταφορά αντισωμάτων από τη μητέρα στο νεογνό διαμέσου του μητρικού γάλακτος. Σε ένα ενήλικο άτομο παθητική ανοσία μπορεί να επιτευχθεί τεχνητά με τη χορήγηση ορού που περιέχει έτοιμα αντισώματα τα οποία έχουν παραχθεί σε κάποιο άλλο άτομο ή ζώο.

Σύμφωνα με τα παραπάνω μεγαλύτερη διάρκεια έχει η ανοσία που επιτυγχάνεται ενεργητικά γιατί η δράση της στηρίζεται στα κύτταρα μνήμης που έχει δημιουργήσει ο οργανισμός και τα οποία μπορούν και παράγουν το αντίστοιχο είδος αντισωμάτων όταν εισέλθει  στον οργανισμό το αντιγόνο που έχει προκαλέσει τη δημιουργία τους. Αντίθετα η παθητική ανοσία επιτυγχάνεται με τα αντισώματα που παρέχονται στον οργανισμό και έχουν μικρό χρόνο ¨ζωής¨.

  1. Το διάγραμμα παρουσιάζει τη μεταβολή της συγκέντρωσης των αντισωμάτων στο αίμα ε­νός ανθρώπου που μολύνθηκε ταυτόχρονα από δύο διαφορετικά μικρόβια (Α και Β). Να ε­πισημάνετε δύο διαφορές στη γραφική παράσταση της μεταβολής της συγκέντρωσης κά­θε αντισώματος και να τις αιτιολογήσετε.

Συγκρίνοντας τις καμπύλες παρατηρούμε ότι τα αντισώματα για το Α αρχίζουν και παράγονται νωρίτερα από αυτά για το αντιγόνο Β, επίσης η μέγιστη τιμή των αντισωμάτων για το αντιγόνο Α είναι μεγαλύτερη αυτής των αντισωμάτων για το αντιγόνο Β. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι το αντιγόνο Α είναι ήδη «γνωστό» στον οργανισμό δηλαδή ή ότι τον έχει μολύνει και στο παρελθόν και έχει προκαλέσει πρωτογενή ανοσολογική αντίδραση, οπότε δημιουργήθηκαν και λεμφοκύτταρα μνήμης ή ότι το άτομο έχει εμβολιαστεί για το αντιγόνο Α οπότε και πάλι διαθέτει λεμφοκύτταρα μνήμης, τα οποία ενεργοποιήθηκαν  από την νέα μόλυνση του οργανισμού και άρχισε αμέσως η παραγωγή των αντίστοιχων αντισωμάτων. Δηλαδή για το αντιγόνο Α ο οργανισμός απαντά με δευτερογενή ανοσολογική απόκριση. Αντίθετα το αντιγόνο Β ο οργανισμός το συναντά για πρώτη φορά οπότε και χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα για να προετοιμάσει την άμυνα του, δηλαδή θα πρέπει να γίνει η φαγοκυττάρωση, η ενεργοποίηση των βοηθητικών Τ-λεμφοκυττάρων, η ενεργοποίηση των Β-λεμφοκυττάρων, ο πολλαπλασιασμός τους και η διαφοροποίησή τους σε πλασματοκύτταρα που θα αρχίσουν να παράγουν αντισώματα.

  1. Να τοποθετήσετε το σύμβολο + στα ορθογώνια στα οποία πιστεύετε ότι υπάρχει αντιστοίχιση ανάμεσα στους όρους της κατακόρυφης και της οριζόντιας στήλης.

ΟΡΟΣ (αντισωμάτων)

ΑΝΤΙΒΙΟΤΙΚΟ 

Τ-ΛΕΜΦΟΚΥΤΤΑΡΟ

ΙΟΣ

+[1]

 

+[2]

ΒΑΚΤΗΡΙΟ

+[3]

+[4]

+[5]

ΤΟΞΙΝΗ

+[6]

+[7]

+[8]

ΚΑΡΚΙΝΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ

 

 

+[9]

[1] Ο ιός είναι αντιγόνο που μπορεί να προκαλέσει την παραγωγή ειδικών αντισωμάτων. Οι οροί περιέχουν έτοιμα αντισώματα.

[2]Τα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα που είναι απαραίτητα για την ολοκλήρωση της ανοσολογικής απόκρισης. Επίσης τα κυτταροτοξικά Τ-λεμφοκύτταρα που καταστρέφουν κύτταρα που έχουν μολυνθεί από ιό.

[3]Τα αντισώματα μπορούν να εξουδετερώνουν κάποιο μικροοργανισμό. Τα αντισώματα μπορούν να εξουδετερώνουν τις τοξίνες.

[4]Τα αντιβιοτικά αναστέλλουν ή παρεμποδίζουν κάποια ειδική βιοχημική αντίδραση κάποιου μικροοργανισμού και έτσι τον καταστρέφουν.

[5]Τα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα που είναι απαραίτητα για την ολοκλήρωση της ανοσολογικής απόκρισης.

[6] Τα αντισώματα μπορούν να εξουδετερώνουν τις τοξίνες.

[7]Οι τοξίνες παράγονται από βακτήρια. Τα αντιβιοτικά μπορούν και καταστρέφουν τα βακτήρια που παράγουν την τοξίνη.

[8]Τα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα που είναι απαραίτητα για την ολοκλήρωση της ανοσολογικής απόκρισης

[9]Τα κυτταροτοξικά Τ-λεμφοκύτταρα που καταστρέφουν τα καρκινικά κύτταρα.

  1. Να εξηγήσετε γατί:

Μπορούμε να νοσήσουμε από ερυθρά ή παρωτίτιδα μία φορά, ενώ από γρίπη επανειλημμένα;

Τα μωρά που θηλάζουν έχον μικρότερη πιθανότητα να νοσήσουν από μία μολυσματική ασθένεια από εκείνα που δεν θηλάζουν

Δεν χρησιμοποιούμε αντιβιοτικά για την καταπολέμηση του κρυολογήματος;

Γιατί ο ιός που προκαλεί την ερυθρά ή την παρωτίτιδα είναι ένας κι δεν παρουσιάζει παραλλαγές, οπότε όταν μολύνει μία φορά τον οργανισμό μας και μετά την ολοκλήρωση της πρωτογενούς ανοσολογικής απόκρισης αποκτάμε λεμφοκύτταρα μνήμης ικανά να παράγουν το κατάλληλο για τον ιό είδος αντισωμάτων γρήγορα και σε μεγάλες ποσότητες (δευτερογενής ανοσολογική απόκριση) οπότε δεν νοσούμε. Αντίθετα ο ιός της γρίπης δν είναι ένας και παρουσιάζει μεγάλη πολυμορφικότητα. Τα αντισώματα και τα κύτταρα μνήμης που παράγονται για την αντιμετώπιση ενός ιού γρίπης δεν είναι αποτελεσματικά για την αντιμετώπιση ενός άλλου είδους του ιού, οπότε το ανοσολογικό σύστημα μετά την μόλυνση αποκρίνεται και πάλι με πρωτογενή ανοσολογική απόκριση, γεγονός που επιτρέπει την εκδήλωση των συμπτωμάτων της ασθένειας.

Τα μωρά που θηλάζουν δέχονται μέσω του μητρικού γάλακτος έτοιμα αντισώματα (φυσική παθητική ανοσία). Τα αντισώματα αυτά αποτελούν μία ακόμα προστασία που δεν έχουν τα μωρά που δεν θηλάζουν και βασίζονται μόνο στα αντισώματα που θα παράγει ο δικός τους οργανισμός.

Το κρυολόγημα οφείλεται σε ιό. Τα αντιβιοτικά είναι χημικές ουσίες με αντιμικροβιακή δράση που παράγονται από βακτήρια, μύκητες και φυτά. Τα αντιβιοτικά δρουν αναστέλλοντας ή παρεμποδίζοντας κάποια ειδική βιοχημική αντίδραση του μικροοργανισμού.

Οι ιοί, είναι μικροοργανισμοί χωρίς κυτταρική οργάνωση, που εξασφαλίζουν από τον ξενιστή τουςμηχανισμούς αντιγραφής, μεταγραφής και μετάφρασης, καθώς και τα περισσότερα ένζυμα που τους είναι απαραίτητα για τις λειτουργίες αυτές. Για το λόγο αυτό χαρακτηρίζονται ως υποχρεωτικά κυτταρικά παράσιτα.  Επομένως δεν υπάρχουν αντιβιοτικά για την καταπολέμηση των ιών γιατί αυτά θα έπρεπε να αναστέλλουν ή να παρεμποδίζουν κάποια βιοχημική διαδικασία των δικών μας κυττάρων, τα οποία χρησιμοποιεί ο ιός για την αναπαραγωγή του.

Τα αντιβιοτικά που χορηγούνται σε περίπτωση ιώσεων στόχο έχουν να προστατέψουν τον οργανισμό μας από κάποια άλλη μικροβιακή λοίμωξη που θα επιβάρυνε την κατάσταση της υγείας μας και όχι για την καταπολέμηση της ίδιας της ίωσης. Αυτή την αντιμετωπίζει ο οργανισμός μας με τους δικούς του αμυντικούς μηχανισμούς.

  1. Το διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει τη διακύμανση της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια μιας ασθένειας που προκλήθηκε από βακτήρια.

Ποιο τμήμα του διαγράμματος αντιστοιχεί στην περίοδο των συμπτωμάτων της ασθένειας;

Ποια είναι η περίοδος επώασης της ασθένειας;

Ποια είναι η υψηλότερη θερμοκρασία που μετρήθηκε και πόσες μέρες κράτησε ο πυρετός;

Ποιο δεδομένο του διαγράμματος υποδηλώνει την εμφάνιση και τη δράση αντισωμάτων;

Το σύμπτωμα που περιγράφεται στο διάγραμμα είναι ο πυρετός ο οποίος εμφανίζεται τη 10η μέρα και διατηρείται μέχρι την 20η μέρα.

Περίοδος επώασης μιας ασθένειας ονομάζεται το διάστημα από τη μόλυνση μέχρι την εμφάνιση των συμπτωμάτων της ασθένειας. Σύμφωνα με το διάγραμμα η περίοδος επώασης της ασθένειας διαρκεί τις πρώτες 10 μέρες μετά τη μόλυνση.

Η υψηλότερη θερμοκρασία ήταν περίπου 400C.

Η σταθερή πτωτική πορεία του πυρετού δηλώνει την εμφάνιση και αποτελεσματική δράση των αντισωμάτων. Βέβαια τα αντισώματα θα πρέπει να είχαν αρχίσει να παράγονται κάποιες μέρες πριν όμως τα αποτελέσματα της δράσης τους εμφανίζονται μετά την 18η μέρα.

  1. Ο Γιάννης και η Ελένη χτύπησαν παίζοντας. Ο Γιάννης είχε κάνει αντιτετανικό εμβόλιο, ενώ η Ελένη όχι, γι αυτό της χορήγησαν αντιτετανικό ορό.

Τι σημαίνει εμβόλιο και τι ορός;

Ποιο είδος ανοσίας έχει ο Γιάννης και ποιο η Ελένη;

Να περιγράψετε με ποιον τρόπο εξουδετερώθηκε πιθανώς το βακτήριο του τετάνου στην Γιάννη και την Ελένη;

Το εμβόλιο περιέχει νεκρούς ή εξασθενημένους μικροοργανισμούς ή τμήματά τους (τεχνητός τρόπος).  Το εμβόλιο, όπως θα έκανε και ο ίδιος ο μικροοργανισμός, ενεργοποιεί τον ανοσοβιολογικό μηχανισμό, για να παραγάγει αντισώματα και κύτταρα μνήμης. Το άτομο που εμβολιάζεται δεν εμφανίζει συνήθως τα συμπτώματα της ασθένειας και φυσικά δεν τη μεταδίδει. Ο  ορός περιέχει έτοιμα αντισώματα τα οποία έχουν παραχθεί σε κάποιο άλλο άτομο ή ζώο.

Ο Γιάννης έχει ενεργητική, τεχνητή ανοσία και η Ελένη παθητική, τεχνητή ανοσία.

Στον Γιάννη το βακτήριο καταπολεμήθηκε μετά την ανάπτυξη δευτερογενούς ανοσολογικής απόκρισης, δηλαδή μετά την ενεργοποίηση των λεμφοκυττάρων μνήμης των ειδικών για το βακτήριο του τετάνου (που είχαν δημιουργηθεί μετά τον εμβολιασμό του) και την παραγωγή ειδικών αντισωμάτων για το βακτήριο του τετάνου από τα πλασματοκύτταρα που δημιουργήθηκαν. Στον Γιάννη αναπτύχθηκε δευτερογενής ανοσολογική απόκριση που δεν επέτρεψε τον πολλαπλασιασμό του βακτηρίου άρα και την εκδήλωση της ασθένειας. Στην Ελένη το βακτήριο καταπολεμήθηκε από τα αντισώματα που περιέχονταν στον αντιτετανικό ορό που της χορηγήθηκε.

  1. Σε μία περιοχή έχει παρουσιαστεί επιδημία ιλαράς. Μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις αντισωμάτων σε δύο αδέλφια, τον Δημήτρη και τη Μαρία, όπως απεικονίζονται στα παρακάτω διαγράμματα (σε συνάρτηση με το χρόνο).

Να συγκρίνετε και να αιτιολογήσετε τα διαγράμματα.

Να περιγράψετε την ανοσοβιολογική απόκριση που έλαβε χώρα:

Στο ανοσοβιολογικό σύστημα της Μαρίας και

Στο ανοσοβιολογικό σύστημα του Δημήτρη.

Στον Δημήτρη παρατηρούμε ότι ο ρυθμός παραγωγής αντισωμάτων είναι πιο αργός και η μέγιστη συγκέντρωση των αντισωμάτων στον Δημήτρη είναι μικρότερη από αυτή της Μαρίας.. Οι δύο αυτές παρατηρήσεις μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο Δημήτρης εκδηλώνει πρωτογενή ανοσολογική απόκριση (το γεγονός ότι και στον Δημήτρη ακόμα και πριν την μόλυνση υπήρχαν σε μικρό αριθμό αντισώματα ιλαράς μπορεί να δικαιολογηθεί αν ο Δημήτρης είναι βρέφος που θηλάζει οπότε και διαθέτει μικρό αριθμό αντισωμάτων που δέχθηκε μέσω του θηλασμού από το μητρικό γάλα). Κατά την πρωτογενή ανοσολογική απόκριση ο οργανισμός θα πρέπει να αναγνωρίσει το συγκεκριμένο αντιγόνο, να ενεργοποιηθούν τα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα και αυτά με τη σειρά τους να ενεργοποιήσουν τα Β-λεμφοκύτταρα ώστε αυτά να πολλαπλασιαστούν και να δημιουργήσουν πλασματοκύτταρα που θα παράγουν αντισώματα αλλά και Β-λεμφοκύτταρα μνήμης. Για το λόγο αυτό όσο προετοιμάζεται η παραγωγή των αντισωμάτων από το ανοσοβιολογικό σύστημα του Δημήτρη η συγκέντρωσης τους παραμένει σταθερή και πολύ μικρή.

Αντίθετα η Μαρία εκδηλώνει δευτερογενή ανοσολογική απόκριση. Στην περίπτωση αυτή τα Β-λεμφοκύτταρα μνήμης, που δημιουργήθηκαν μετά την πρωτογενή ανοσολογική απόκριση που προκλήθηκε είτε με φυσικό τρόπο (όταν η Μαρία μολύνθηκε από τον ιό της ιλαράς) είτε με τεχνητό τρόπο (εμβόλιο ιλαράς), ενεργοποιούνται και πολλαπλασιάζονται με γρήγορους ρυθμούς παράγοντας πλασματοκύτταρα που εκκρίνουν σε μεγάλες ποσότητες αντισώματα που αντιμετωπίζουν τον παθογόνο παράγοντα πριν ακόμα προφτάσουν να εκδηλωθούν τα συμπτώματα της ασθένειας.

Τελικά και στις δύο περιπτώσεις, τόσο με τη βοήθεια μιας ειδικής κατηγορίας Τ-λεμφοκυττάρων, που ονομάζονται κατασταλτικά Τ-λεμφοκύτταρα,  όσο και με τη βοήθεια των προϊόντων της ίδιας της ανοσοβιολογικής απόκρισης, αυτή ολοκληρώνεται και σταματά την κατάλληλη στιγμή. 

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΜΥΝΑΣ (1.3.4)

  1. Να περιγράψετε τον τρόπο πολλαπλασιασμού του ιού HIV με τη βοήθεια του παρακάτω σχήματος.

Με την είσοδό του στον οργανισμό ο ιός HIV συνδέεται με τους ειδικούς υποδοχείς που βρίσκονται στην πλασματική μεμβράνη των βοηθητικών Τ-λεμφοκυττάρων και μολύνει περιορισμένο αριθμό από αυτά τα κύτταρα. Κατ’ αυτό τον τρόπο το γενετικό υλικό του ιού εισέρχεται στα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα. Εκεί πολλαπλασιάζεται χρησιμοποιώντας το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση και αξιοποιώντας τους μηχανισμούς του κυττάρου. Αρχικά από το RNA του ιού συντίθεται μονόκλωνο DNA, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε δίκλωνο DNA.Συνήθως το δίκλωνο DNA του ιού συνδέεται με το DNA του κυττάρου-ξενιστή και παραμένει ανενεργό (σε λανθάνουσα κατάσταση). Υπάρχει όμως η πιθανότητα να ενεργοποιηθεί ο ιός και να αρχίσει να πολλαπλασιάζεται. Οι καινούριοι ιοί που προκύπτουν μολύνουν άλλα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα.

  1. Ποιος πιστεύετε ότι είναι ο λόγος που δυσκολεύει τους επιστήμονες να παράγουν εμβόλιο για τον ιό του AIDS;

Η παρασκευή εμβολίου βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό στάδιο, εξαιτίας προβλημάτων που οφείλονται στην πολυμορφικότητα που παρουσιάζει ο ιός με την ικανότητα που έχει να μεταλλάσσεται.

  1. Να αναφέρετε τα στάδια εξέλιξης της νόσου από τη στιγμή που ένα άτομο προσβληθεί από τον HIV.

Υπάρχει όμως η πιθανότητα να ενεργοποιηθεί ο ιός και να αρχίσει να πολλαπλασιάζεται. Οι καινούριοι ιοί που προκύπτουν μολύνουν άλλα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα. Από τη στιγμή της μόλυνσης του οργανισμού από τον ιό μέχρι τη διάγνωση της νόσου (με την ανίχνευση του ιού στο αίμα) απαιτείται αρκετό χρονικό διάστημα, που μπορεί να έχει διάρκεια από 6 εβδομάδες έως 6 μήνες. Στο διάστημα αυτό το άτομο εμφανίζει λοιμώξεις, οι οποίες γρήγορα παρέρχονται και δεν οδηγούν στην υποψία για την ύπαρξη της συγκεκριμένης νόσου. Το άτομο όμως μπορεί να μεταδίδει τον ιό χωρίς να το γνωρίζει.

Μετά από αρκετά χρόνια (συνήθως 7 έως 10),διάστημα κατά το οποίο το ανοσοβιολογικό σύστημα ενεργοποιείται από πολλά αντιγόνα, εκδηλώνεται η τυπική συμπτωματολογία της ασθένειας (υψηλός πυρετός, έντονες λοιμώξεις, διάρροιες).Κατά το χρονικό αυτό διάστημα ο ιός μολύνει και καταστρέφει όλο και περισσότερα βοηθητικά Τ-λεμφοκύτταρα, με αποτέλεσμα να εξασθενεί η λειτουργία του ανοσοβιολογικού συστήματος.

Με την πάροδο του χρόνου τα συμπτώματα αυτά γίνονται εντονότερα και το άτομο οδηγείται τελικά στο θάνατο.

  1. Με ποιες μεθόδους μπορεί να γίνει η διάγνωση του AIDS;

Η διάγνωση της νόσου γίνεται είτε με την ανίχνευση του RNA του ιού είτε με την ανίχνευση των ειδικών για τον ιό αντισωμάτων στο αίμα του ασθενούς. Αυτό είναι δυνατό να γίνει μετά την παρέλευση 6 εβδομάδων έως 6 μηνών από την εισβολή του ιού στον οργανισμό.

ΑΝΘΡΩΠΟΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ (2.1.1.)

  1. Ποια είναι τα συστατικά από τα οποία αποτελείται ένα οικοσύστημα; Για ποιο λόγο είναι απαραίτητο να τα μελετούμε στην αλληλεπίδρασή τους και όχι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο;

Το οικοσύστημα είναι ένα σύστημα μελέτης που περιλαμβάνει τους βιοτικούς παράγοντες μιας περιοχής, δηλαδή το σύνολο των οργανισμών που ζουν σ' αυτήν, τους αβιοτικούς παράγοντες της περιοχής, καθώς και το σύνολο των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους. 

Η πόλη στην οποία ζείτε, όπως και κάθε άλλη πόλη, αποτελεί ένα ετερότροφο οικοσύστημα. Να προσδιορίσετε ποιες είναι οι εισροές και ποιες οι εκροές της, ώστε να εξασφαλίζεται η επιβίωση των οργανισμών που ζουν σε αυτήν και η ισορροπία του οικοσυστήματος.

Η διατήρηση των οικοσυστημάτων,  όπως και κάθε άλλης οργανωμένης δομής,  απαιτεί συνεχή προσφορά ενέργειας. Τα οικοσυστήματα που υπάρχουν στον πλανήτη μας,  στην πλειονότητά τους, εισάγουν την ενέργεια που είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της δομής τους με τη μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα οικοσυστήματα αυτά χαρακτηρίζονται ως αυτότροφα και διακρίνονται από τα ετερότροφα, στα οποία η εισαγωγή ενέργειας γίνεται με τη μορφή χημικών ενώσεων. Ένα παράδειγμα ετερότροφου οικοσυστήματος είναι μια πόλη,   η οποία εισάγει την ενέργεια  που χρειάζεται για την επιβίωση των κατοίκων της με τη μορφή των τροφίμων που δεν έχουν παραχθεί σ' αυτήν αλλά σε άλλα αυτότροφα οικοσυστήματα.  

Τέλος, απαραίτητη προϋπόθεση για τη διατήρηση των οικοσυστημάτων είναι η ανακύκλωση των διάφορων χημικών στοιχείων,  ώστε να είναι αυτά συνεχώς διαθέσιμα στους οργανισμούς ενός οικοσυστήματος. Επειδή η πόλη διαθέτει περιορισμένο αριθμό αποικοδομητών (μικροοργανισμοί κυρίως του εδάφους) αναγκάζεται να απομακρύνει την νεκρή οργανική ύλη που δημιουργείται σε αυτή (περιττώματα, απορρίμματα κλπ).

  1. Ποιοι από τους οργανισμούς (παραγωγούς, καταναλωτές, αποικοδομητές) ενός οικοσυστήματος δεν είναι απολύτως απαραίτητοι για την ύπαρξή του; Αιτιολογείστε την απάντησή σας.

Οι παραγωγοί είναι απολύτως απαραίτητοι σε ένα οικοσύστημα γιατί είναι οι οργανισμοί που θα δεσμεύσουν με τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης ηλιακή και θα τη μετασχηματίσουν σε χημική, ώστε αυτή να μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο από τους ίδιους για την κάλυψη των ενεργειακών τους αναγκών όσο και από όλους τους άλλους οργανισμούς του οικοσυστήματος που θα την παραλάβουν από τους παραγωγούς, άμεσα ή έμμεσα, μέσω της τροφής τους. Οι καταναλωτές σε ένα οικοσύστημα συντελούν στην διανομή της ενέργειας μέσα σε αυτό. Ο ρόλος τους όμως δεν είναι καθοριστικός για τη λειτουργία του οικοσυστήματος γιατί η οργανική ύλη που παράγεται από τους παραγωγούς θα μπορούσε να καταλήξει, χωρίς τη μεσολάβηση των καταναλωτών, στους αποικοδομητές οι οποίοι θα επαναφέρουν τα ανόργανα υλικά που περιέχονται σε αυτή στο περιβάλλον ώστε και πάλι να μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους παραγωγούς. Χωρίς τους αποικοδομητές οι παραγωγοί θα μπορούσαν βέβαια μέσω της φωτοσύνθεσης να δεσμεύουν ενέργεια από τον ήλιο αλλά δεν θα μπορούσαν μετά από κάποιο σημείο να παράγουν οργανικές ουσίες, όπου και αποθήκευαν την ενέργεια αυτή, γιατί θα τελείωναν τα θρεπτικά υλικά που είναι απαραίτητα για τη δημιουργία των οργανικών ενώσεων (θα βρίσκονταν τα υλικά αυτά δεσμευμένα σε νεκρή οργανική ύλη με τέτοια μορφή δηλαδή που θα ήταν άχρηστα για τους παραγωγούς).

  1. Οι γεωργικές καλλιέργειες αποτελούν συνήθως λιγότερο σταθερά οικοσυστήματα από τα φυσικά. Για ποιους κατά τη γνώμη σας λόγους συμβαίνει αυτό;

Όσο μεγαλύτερη ποικιλότητα έχει ένα οικοσύστημα,  τόσο πιο ισορροπημένο είναι.  Αυτό συμβαίνει,  γιατί τα οικοσυστήματα με μεγαλύτερη ποικιλότητα παρουσιάζουν και μεγαλύτερη ποικιλία σχέσεων μεταξύ των βιοτικών παραγόντων τους. 

Έτσι, όποτε μια μεταβολή διαταράσσει την ισορροπία τους, υπάρχουν αρκετοί διαθέσιμοι μηχανισμοί αυτορρύθμισης που την αποκαθιστούν. Αν,  για παράδειγμα, σε ένα οικοσύστημα είναι περιορισμένος ο αριθμός των διαφορετικών ειδών που ζουν σ' αυτό,  περιορίζεται αναλογικά και το πλήθος των τροφικών σχέσεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους.  Έτσι κάθε διαταραχή της ισορροπίας του οικοσυστήματος που θα προκαλούσε την εξαφάνιση ενός είδους θα απειλούσε άμεσα και την εξαφάνιση του είδους που εξαρτάται τροφικά από αυτό. 

Αν αντίθετα υπάρχει μεγάλη ποικιλία οργανισμών, οι εναλλακτικές λύσεις στη διατροφή τους είναι περισσότερες και επομένως η εξαφάνιση ή η μείωση του πληθυσμού ενός είδους δεν απειλεί άμεσα τα είδη που τρέφονται από αυτό. Για το λόγο αυτό τα φυσικά οικοσυστήματα (δάση, λίμνες κτλ.), που έχουν μεγαλύτερη ποικιλότητα από τα τεχνητά (καλλιεργούμενοι αγροί,  τεχνητές λίμνες κτλ. ), είναι και περισσότερο σταθερά.  

ΡΟΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (2.2.1.,2.2.2.,2.2.3.)

  1. Το διάγραμμα δείχνει τις μεταβολές του αριθμού των ακάρεων και των ψαλίδων (κατηγορίες αρθροπόδων στο έδαφος) μετά τον ψεκασμό τους με εντομοκτόνο. Το εντομοκτόνο αυτό αποικοδομείται μέσα σε 6-8 μήνες. Αφού μελετήσετε το διάγραμμα, να δώσετε μία εξήγηση για τις μεταβολές του αριθμού των ατόμων των δύο πληθυσμών σε μία χρονική περίοδο 16 μηνών.

Τους τρεις πρώτους μήνες μετά τον ψεκασμό, παρατηρούμε ότι η συγκέντρωση του εντομοκτόνου είναι μεγάλη. Αυτό έχει σα συνέπεια τη μείωση του πληθυσμού και των ακάρεων και των ψαλίδων. Φαίνεται όμως ότι από το εντομοκτόνο επηρεάζεται περισσότερο ο πληθυσμός των ακάρεων που υποχωρεί σημαντικά. Όταν μετά το πρώτο τρίμηνο, η συγκέντρωση του εντομοκτόνου μειώνεται παρατηρείται αύξηση του πληθυσμού των ψαλίδων και επειδή είναι πολύ μειωμένος ο πληθυσμός των ακάρεων που τις τρώνε, όχι μόνο αυτές επανακάμπτουν αλλά σημειώνουν τεράστια αύξηση πέραν του αρχικού αριθμού τους. Τα ακάρεα τώρα βρίσκοντας άφθονη τροφή (ψαλίδες) αυξάνονται και αυτά με γρήγορους ρυθμούς γεγονός που έχει σα συνέπεια να καταναλώνουν όλο και περισσότερες ψαλίδες, μειώνοντας συνεχώς τον πληθυσμό των ψαλίδων και τελικά και τα δύο είδη επανέρχονται στα αρχικά τους μεγέθη.

  1. Έστω ότι σε μια λίμνη ισχύει η τροφική αλυσίδα: φυτοπλαγκτόν >ζωοπλαγκτόν > μικρά ψάρια > μεγάλα ψάρια > υδρόβια πτηνά. Όλοι οι οργανισμοί κάθε τροφικού επιπέδου τρέφονται αποκλειστικά με οργανισμούς του προηγούμενου τροφικού επιπέδου. Εάν η βιομάζα των μικρών ψαριών είναι 5x104 Kg και η ενέργεια που εμπεριέχεται στο φυτοπλαγκτόν είναι 40 KJoules/Kg φυτοπλαγκτού:

  1. Να υπολογιστεί η βιομάζα των υπόλοιπων τροφικών επιπέδων και να σχεδιαστεί η αντίστοιχη τροφική πυραμίδα.

  2. Να υπολογιστεί η ενέργεια που εμπεριέχεται σε κάθε τροφικό επίπεδο και να σχεδιαστεί η αντίστοιχη τροφική πυραμίδα.

  1. Με δεδομένο ότι το μέσο βάρος ενός πτηνού είναι 2,5 Kg, να υπολογιστεί ο αριθμός των υδρόβιων πτηνών που μπορούν να εξασφαλίσουν την τροφή τους μέσω αυτής της τροφικής αλυσίδας.

Η ενέργεια, με τη μορφή της χημικής ενέργειας που εμπεριέχεται στην τροφή των οργανισμών, περνάει από το κατώτερο τροφικό επίπεδο (των παραγωγών) στο ανώτερο.

Έχει υπολογιστεί ότι μόνο το 10% περίπου της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνάει στο επόμενο, καθώς το 90% της ενέργειας χάνεται. Σε γενικές γραμμές, η ίδια πτωτική τάση (της τάξης του 90%) που παρουσιάζεται στις τροφικές πυραμίδες ενέργειας εμφανίζεται και στις τροφικές πυραμίδες βιομάζας, καθώς, όταν μειώνεται η ενέργεια που προσλαμβάνει κάθε τροφικό επίπεδο από το προηγούμενό του, είναι λογικό να μειώνεται και η ποσότητα της οργανικής ύλης που μπορούν να συνθέσουν οι οργανισμοί του και συνεπώς μειώνεται η βιομάζα του. Επομένως:

Η ενέργεια των μεγάλων ψαριών (ανήκουν στο επόμενο από τα μικρά ψάρια τροφικό επίπεδο) θα είναι 5x104 Kg/10=5x103 Kg και η ενέργεια του τροφικού επιπέδου των υδρόβιων πτηνών 5x103 Kg /10=5x102 Kg Σκεπτόμενοι ανάλογα υπολογίζουμε την ενέργεια του τροφικού επιπέδου του ζωοπλαγκτού που θα είναι δεκαπλάσια της ενέργειας των μικρών ψαριών δηλαδή 5x105 Kg και του τροφικού επιπέδου του φυτοπλαγκτού που θα είναι δεκαπλάσια του τροφικού επιπέδου του ζωοπλαγκτού δηλαδή 5x106 Kg. Με τα στοιχεία αυτά σχηματίζουμε την τροφική πυραμίδα ενέργειας του οικοσυστήματος.

  

Επειδή η ενέργεια σε 1 Kg φυτοπλαγκτού είναι 40 Kjoules και η βιομάζα του φυτοπλαγκτού 5x106 Kg, η ενέργεια του 1ου τροφικού επιπέδου θα είναι 40Χ5x106 Kj = 2Χ108Kj.   Επειδή το 10% της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου μεταφέρεται στο επόμενο η ενέργεια του 2ου τροφικού επιπέδου θα είναι 2Χ107Kj, του 3ου 2Χ106Kj, του 4ου 2Χ105Kj και του 5ου 2Χ104Kj. Σύμφωνα με τα στοιχεία αυτά η τροφική πυραμίδα ενέργειας του οικοσυστήματος είναι:

 
 


Η βιομάζα ενός υδρόβιου πτηνού είναι 2,5Kg και η συνολική βιομάζα του αντίστοιχου τροφικού επιπέδου είναι 5x102 Kg. Επομένως ο αριθμός των υδρόβιων πτηνών του οικοσυστήματος θα είναι: 5x102 Kg/2,5Kg=200 πτηνά.

  1. Χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες του διαγράμματος να απαντήσετε στις ερωτήσεις:

  1. Τι ποσοστό της ενέργειας που παίρνουν τα φυτά από τον ή­λιο το δεσμεύουν με τη φωτοσύνθεση;

  2. Ποια είναι η διαδικασία με την οποία τα φυτά επιστρέφουν στο περιβάλλον  2.000 KJ/m2

  3. Τι ποσοστό της ενέργειας που παίρνουν τα φυτοφάγα πτηνά από τα φυτά το επιστρέφουν στο περιβάλλον τους;

  4. Τι ποσοστό της ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο εν­σωματώνεται στους ιστούς των φυτοφάγων πτηνών;

  5. Τι ποσοστό της ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο τα φυτοφάγα αρθρόποδα το επιστρέφουν στο περιβάλλον;

  6. Πώς μπορεί να εξηγηθεί η διαφορά του ποσοστού της επιστρεφόμενης ενέργειας ανάμεσα στα πτηνά και τα αρθρόποδα;

 Η ποσότητα της ενέργειας που δεσμεύουν συνολικά τα φυτά είναι αυτή που αντιστοιχεί στην ενέργεια που επιστρέφουν στο περιβάλλον και αυτή που ενσωματώνουν στη βιομάζα τους δηλαδή 8000+2000Kj/m2=10000Kj/m2.

Η διαδικασία με την οποία επιστρέφουν τα φυτά ενέργεια στο περιβάλλον τους είναι η κυτταρική αναπνοή (η λειτουργία οξείδωσης γλυκόζης για την απελευθέρωση ενέργειας ώστε να καλυφθούν οι ενεργειακές ανάγκες των οργανισμών).

Τα φυτοφάγα πτηνά παίρνουν με την τροφή τους 300 Kj/m2 και επιστρέφουν στο περιβάλλον 297 Kj/m2, επομένως το ποσοστό της επιστρεφόμενης από αυτά ενέργειας θα είναι: 100Χ297/300%=0,16%.

Ο ήλιος προσφέρει στο οικοσύστημα 6,3Χ106 Kj/m2. Από αυτά τα φυτοφάγα πτηνά ενσωματώνουν τα 3 Kj/m2. Επομένως το ποσοστό της ενέργειας που ενσωματώνουν τα φυτοφάγα πτηνά από την ενέργεια που φτάνει στη γη από τον ήλιο είναι: 100Χ3/6.3Χ106 %=0,47.10-4 %.

Τα φυτοφάγα αρθρόποδα επιστρέφουν 1010 Kj/m2 από τα 6,3.106 Kj/m2 που προσφέρει ο ήλιος. Άρα το επιστρεφόμενο ποσοστό θα είναι: 100Χ1010/6,3.106%=16.10-3%.

Το ποσοστό της επιστρεφόμενης ενέργειας από τα φυτοφάγα πτηνά όπως υπολογίστηκε στο ερώτημα c είναι 100-0,16= 99,84%.

Υπολογίζοντας με τον ίδιο τρόπο το ποσοστό της επιστρεφόμενης από τα φυτοφάγα αρθρόποδα ενέργειας βρίσκουμε ότι είναι:100Χ190/300=63,33%.

Διαπιστώνουμε δηλαδή ότι το ποσοστό της επιστρεφόμενης από τα φυτοφάγα πτηνά ενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερο της αντίστοιχης που επιστρέφεται από τα αρθρόποδα. Αυτό σημαίνει ότι τα πτηνά έχουν περισσότερες ανάγκες σε ενέργεια από τα αρθρόποδα. Αυτό εξηγείται από το μεγαλύτερο μέγεθος των πτηνών που όταν κινούνται έχουν να υπερνικήσουν την βαρύτητα αλλά και την αντίσταση του αέρα, αλλά και από το γεγονός ότι τα πτηνά είναι ομοιόθερμοι οργανισμοί που αναγκάζονται να συντηρούν ενεργειακά έναν ομοιοστατικό μηχανισμό τον οποίο δεν διαθέτουν τα αρθρόποδα.

  1. Ο καλλιεργητής ενός αγροκτήματος ασχολείται με την καλλιέργεια δύο φυτικών ειδών και την εκτροφή ενός ζωικού είδους που είναι φυτοφάγο. Ποιος από τους εικονιζόμενους τρόπους διατροφής είναι ο λιγότερο και ποιος ο περισσότερο αποδοτικός από ενεργειακή άποψη και γιατί;

Ο πιο αποδοτικός για τον καλλιεργτή, αυτός δηλαδή που μεταφέρει στον καλλιεργητή τη μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας από αυτή που ενσωματώνεται στο οικοσύστημαείναι ο τρίτος γιατί:

Αν ονομάσουμε α=την ενέργεια που ενσωματώνεται στο φυτό α και β=ενέργεια που ενσωματώνεται στο φυτό β έχουμε:

Α΄ ΤΡΟΠΟΣ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ: στα φυτοφάγα ζώα α/10+β/10 ενέργειας και στον καλλιεργητή (α/10+β/10)/10= α/100+β/100 ενέργεια.

Β΄ ΤΡΟΠΟΣ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ: στα φυτοφάγα ζώα α/10 ενέργειας και στον καλλιεργητή (α/10)/10+β/10= α/100+β/10 ενέργεια.

Γ΄ ΤΡΟΠΟΣ ΔΙΑΤΡΟΦΗΣ: στον καλλιεργητή α/10+β/10= α/10+β/10 ενέργεια καθώς επίσης και το 1/10 της ενέργειας της βιομάζας των φυτοφάγων ζώων.

  1. Στην εικόνα παρουσιάζονται οι τροφικές σχέσεις σε ένα οικοσύστημα. Αν οι οργανισμοί 1, 2, 3, 4 αντιπροσωπεύουν παραγωγούς και όλοι οι υπόλοιποι καταναλωτές, να απαντήσετε στις ερωτήσεις:

  1. Τι ονομάζουμε τροφική αλυσίδα, τι τροφικό πλέγμα και τι τροφικό επίπεδο;

  2. Πόσες διαφορετικές τροφικές αλυσίδες διαπιστώνετε ότι υπάρχουν στο οικοσύστημα;

  3. Ποιος είναι ο κορυφαίος καταναλωτής του οικοσυστήματος;

  4. Ποιος από τους οργανισμούς του οικοσυστήματος συμπεριφέρεται ταυτόχρονα και ως καταναλωτής 2ης και ως καταναλωτής 1ης τάξης; Ποιος οργανισμός είναι η τροφή του σε κάθε περίπτωση;

  5. Ποιοι από τους καταναλωτές του οικοσυστήματος αναμένετε να είναι οι μεγαλύτεροι σε βιομάζα και γιατί;

  6. Ποιος από τους οργανισμούς του οικοσυστήματος συμπεριφέρεται ταυτόχρονα και ως καταναλωτής 3ης και ως καταναλωτής 2ης τάξης; Ποιος οργανισμός είναι η τροφή του σε κάθε περίπτωση;

  7. Με ποιους άλλους οργανισμούς ο οργανισμός της ερώτησης (στ) ανήκει στο ίδιο τροφικό επίπεδο, όταν συμπεριφέρεται ως καταναλωτής 2ης τάξης;

  8. Ποια από τις έννοιες, η τροφική αλυσίδα ή το τροφικό πλέγμα, είναι πλησιέστερη προς την πραγματικότητα που υπάρχει στα φυσικά οικοσυστήματα και γιατί;

  9. Αν εξαφανιστεί ο οργανισμός 2 ποιοι οργανισμοί θα επηρεαστούν τροφικά και γιατί;

  10. Ποιοι από τους οργανισμούς της ερώτησης (θ) θα επηρεαστούν περισσότερο και γιατί;

 Τροφική αλυσίδα κάποιων οργανισμών ενός οικοσυστήματος είναι η  απεικόνιση των οργανισμών αυτών με τέτοια σειρά ώστε ο πρώτος να τρώγεται από τον δεύτερο, ο δεύτερος από τον τρίτο κ.ο.κ.. Τα βέλη που συνδέουν τους οργανισμούς της τροφικής αλυσίδας δείχνουν τη ροή ενέργειας ανάμεσα στους οργανισμούς που έχουν σχέση καταναλισκόμενου -καταναλωτή.

Το τροφικό πλέγμα αποτελεί ένα δίκτυο που απεικονίζει το σύνολο των τροφικών σχέσεων μεταξύ των οργανισμών ενός οικοσυστήματος. Φαίνεται έτσι ότι οι τροφικές αλυσίδες αποτελούν μέρος των πολύπλοκων τροφικών σχέσεων που παρουσιάζει ένα τροφικό πλέγμα.

Οι τροφικές αλυσίδες είναι : 1>5>9>12, 2>6>10>12, 2>11>12, 3>7>12, 4>8>11>12. Πέντε συνολικά τροφικές αλυσίδες.

Ο κορυφαίο καταναλωτής του οικοσυστήματος είναι ο 12 που δεν αποτελεί τροφή για άλλον καταναλωτή.

Ταυτόχρονα ως καταναλωτής 1ης και 2ης τάξης συμπεριφέρεται ο 11. Στην τροφική αλυσίδα 2>11>12 όταν τρώει τον 2 που είναι παραγωγός συμπεριφέρεται ως καταναλωτης 1ης τάξης και στην αλυσίδα 4>8>11>12 όταν τρώει τον 8 που είναι καταναλωτής 1ης τάξης, συμπεριφλερεται ως καταναλωτής 2ης τάξης.

Οι καταναλωτές 1ης τάξης, δηλαδή οι 5,6,7,8 γιατί αυτοί απέχουν ένα μόνο βήμα από τους παραγωγούς και επομένως έχουν στη διάθεσή τους μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας.

Ταυτόχρονα ως καταναλωτής 2ης και 3ης τάξης συμπεριφέρεται ο 12. Στην τροφική αλυσίδα 2>11>12 όταν τρώει τον 11 που είναι καταναλωτής 1ης τάξης και στην αλυσίδα 3>7>12 όταν τρώει τον 7 που είναι καταναλωτής 1ης τάξης, συμπεριφέρεται ως καταναλωτής 2ης τάξης ενώ στις αλυσίδες 1>5>9>12, 4>8>11>12, 2>6>10>12, 4>8>11>12 όταν τρώει τους 9,11,10 και 11 αντίστοιχα που είναι καταναλωτές 2ης τάξης, συμπεριφέρεται ως καταναλωτής 3ης τάξης.

Ανήκει στο ίδιο τροφικό επίπεδο με τους 9,10 και 11.

Τα τροφικά πλέγματα περιγράφουν καλύτερα τις τροφικές σχέσεις των οργανισμών ενός οικοσυστήματος γιατί κατά κανόνα ένα είδος δεν τρώει ένα μόνο είδος τροφής και ούτε αποτελεί τροφή για μόνο ένα είδος. Ένα είδος δηλαδή αποτελεί κρίκο πολλών διαφορετικών αλυσίδων.

Αν εξαφανιστεί ο οργανισμός 2 θα επηρεαστούν τόσο οι οργανισμοί 6 και 11 που τον τρώνε αλλα και οι 10 κα12 που τρώνε τους προηγούμενους. Συγκεκριμένα αν εξαφανιστεί ο 2 θα εξαφανιστεί ο 6 γιατί ο 2 αποτελεί τη μοναδική τροφή γι αυτόν. Ομοίως τα εξαφανιστεί  10 που τρώει μόνο 6 που θα έχει εξαφανιστεί. Ο11 προκειμένου να διατηρήσει τον πληθυσμό του θα καταναλώνει περισσότερο 8 που θα μειωθεί και αυτό θα προκαλέσει αύξηση στον 4. Ο 12 γα να διατηρήσει τον πληθυσμό του θα καταναλώνει περισσότερο 9, 7 και 11. Επομένως το 9 θα μειωθεί , θα αυξηθεί το 5 και θα μειωθεί το 1. Επίσης θα μειωθεί το  7 και θα αυξηθεί το 3. Η εξαφάνιση δηλαδή ενός είδους του οικοσυστήματος προκαλεί διαταραχή όχι μόνο στους οργανισμούς που έχουν άμεση τροφική σχέση με αυτόν αλλά κι και σε όλους τους οργανισμούς του τροφικού πλέγματος.

Περισσότερο θα επηρεαστούν οι 6 και 10 που με τη σειρά τους θα εξαφανιστούν από το οικοσύστημα.

ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ (2.3.1.,2.3.2.,2.3.3.)

  1. Το άζωτο βρίσκεται σε τεράστια ποσότητα στην ατμόσφαιρα (78%). Καθώς η μεγάλη πλειονότητα των αυτότροφων οργανισμών είναι ανίκανη να το χρησιμοποιήσει σ' αυτή την αέρια μοριακή μορφή (Ν2), απαιτείται η μετατροπή του σε εύληπτη μορφή. Να περιγράψετε τη διαδικασία με την οποία γίνεται αυτή η μετατροπή.

Το άζωτο αποτελεί ένα σημαντικό χημικό στοιχείο για τη ζωή, καθώς είναι συστατικό πολλών βιομορίων όπως των νουκλεϊκών οξέων και των πρωτεϊνών. Αν και το άζωτο αφθονεί στην ατμόσφαιρα, όπου αποτελεί το 78% κ. ό. , δεν μπορεί να αξιοποιηθεί από τους παραγωγούς στη μορφή με την οποία βρίσκεται σ' αυτή (μοριακό άζωτο). Για το λόγο αυτό η εισαγωγή του ατμοσφαιρικού αζώτου στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων γίνεται με τη διαδικασία της αζωτοδέσμευσης, η οποία μετατρέπει το ατμοσφαιρικό άζωτο σε μορφές αξιοποιήσιμες από τους παραγωγούς.

Η αζωτοδέσμευση διακρίνεται σε ατμοσφαιρική και βιολογική. Κατά την ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση το άζωτο της ατμόσφαιρας αντιδρά είτε με τους υδρατμούς, σχηματίζοντας αμμωνία, είτε με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, σχηματίζοντας νιτρικά ιόντα. Η απαραίτητη ενέργεια προσφέρεται από τις ηλεκτρικές εκκενώσεις (αστραπές, κεραυνοί).  Η αμμωνία και τα νιτρικά ιόντα μεταφέρονται με τη βροχή στο έδαφος. Η ατμοσφαιρική αζωτοδέσμευση κατέχει το 10%της συνολικής αζωτοδέσμευσης.

Η βιολογική αζωτοδέσμευση πραγματοποιείται από ελεύθερους ή συμβιωτικούς μικροοργανισμούς. Σημαντικότερα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια είναι αυτά που ζουν συμβιωτικά στις ρίζες των ψυχανθών (όπως είναι το τριφύλλι, η μπιζελιά, η φασολιά, η φακή, η σόγια) σε ειδικά εξογκώματα (φυμάτια ).

Αυτά τα βακτήρια έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο και να το μετατρέπουν σε νιτρικά ιόντα, τα οποία μπορούν να απορροφηθούν από τα ψυχανθή. Γι ’αυτό το λόγο άλλωστε τα όσπρια είναι πλούσια σε πρωτεΐνες. Η βιολογική αζωτοδέσμευση κατέχει το 90%της συνολικής αζωτοδέσμευσης.

  1. Περιγράψτε συνοπτικά τον κύκλο του νερού. Είναι πιο πολύπλοκος επάνω από τους ωκεανούς ή επάνω από την ξηρά και γιατί;

Η κυκλοφορία του νερού στηρίζεται κυρίως στην εξάτμιση, στη διαπνοή των φυτών και στις κατακρημνίσεις. Με την εξάτμιση το νερό απομακρύνεται με τη μορφή υδρατμών από οποιαδήποτε επιφάνεια. Η εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια των φύλλων ονομάζεται επιδερμική εξάτμιση και διακρίνεται από τη διαπνοή, που είναι η απομάκρυνση του νερού μέσω των στομάτων, των πόρων δηλαδή της επιδερμίδας των φύλλων.

Το νερό του εδάφους, που είναι πλούσιο σε θρεπτικά στοιχεία, απορροφάται από τις ρίζες των φυτών και κυκλοφορεί στο εσωτερικό τους. Φθάνοντας το νερό στα φύλλα απομακρύνεται με τη διαπνοή από τα στόματά τους, μέσω των οποίων γίνεται επίσης η ανταλλαγή των αερίων μεταξύ των φυτών και της ατμόσφαιρας (είσοδος διοξειδίου του άνθρακα και αποβολή οξυγόνου κατά τη φωτοσύνθεση, αντίστροφα κατά την αναπνοή). Η διαπνοή, αποτελώντας την «κινητήρια δύναμη» για τη μεταφορά των θρεπτικών στοιχείων στο εσωτερικό των φυτικών οργανισμών, συνδέεται αναπόσπαστα με τους βιογεωχημικούς κύκλους των στοιχείων που εισέρχονται στις τροφικές αλυσίδες των οικοσυστημάτων με πύλη εισόδου τα φυτά.

Με τις κατακρημνίσεις (δηλαδή τη βροχή, το χιόνι, το χαλάζι) το νερό απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα και γίνεται διαθέσιμο στα υδάτινα και στα χερσαία οικοσυστήματα.

Η ανταλλαγή του νερού μεταξύ των ωκεανών και της ατμόσφαιρας αποτελεί ένα σχετικά απλό μηχανισμό, καθώς περιλαμβάνει μόνο τις διαδικασίες της εξάτμισης και των κατακρημνίσεων. Αντιθέτως, το τμήμα του κύκλου που αφορά την ξηρά είναι περισσότερο πολύπλοκο, διότι σ' αυτήν οι πιθανές πορείες του νερού είναι περισσότερες. Το νερό που πέφτει στην ξηρά μπορεί:

Να εξατμιστεί.

Να εισχωρήσει στο υπέδαφος και στο σύστημα των υπόγειων υδάτων.

Να προσληφθεί από τα φυτά και να απομακρυνθεί με τη διαπνοή.

Να απομακρυνθεί με την επιφανειακή απορροή από το χερσαίο περιβάλλον.

Τα φυτά παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απορρόφηση του νερού από το έδαφος. Σε μικρές λεκάνες απορροής, όπου αφαιρέθηκαν όλα τα δέντρα, ο όγκος του επιφανειακού νερού αυξήθηκε πάνω από 200%. Το νερό αυτό κατέληξε στη θάλασσα, ενώ, αν είχε διεισδύσει στο έδαφος, θα είχε αποδοθεί πίσω στην ατμόσφαιρα με τη διαπνοή.

Τα επιφανειακά ρέοντα ύδατα απομακρύνουν και τα θρεπτικά συστατικά τα οποία με μακροχρόνιες διαδικασίες γίνονται διαθέσιμα στους οργανισμούς. Αυτά τα συστατικά θα καταλήξουν τελικά στους υδάτινους αποδέκτες. Γι ’αυτό το λόγο τα δέλτα των ποταμών εμφανίζουν πολύ υψηλή παραγωγικότητα.

  1. Η βόσκηση αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα της αναγεννητικής διαδικασίας που συμβαίνει στα μεσογειακά οικοσυστήματα μετά το κάψιμο τους. Για ποιο λόγο προτιμούνται για βόσκηση τα καμένα οικοσυστήματα;

Η στάχτη που δημιουργείται μετά τη φωτιά, δεν είναι παρά θρεπτικά στοιχεία σε ανοργανοποιημένη μορφή. Όμως με τη φωτιά μερικά  μετατρέπονται σε πτητικές μορφές και χάνονται με τον καπνό. Αυτό ισχύει κυρίως για το άζωτο. Τα πρώτα χρόνια μετά τη φωτιά, τα ποώδη φυτά αφθονούν σε ένα σύστημα. Κυρίαρχα ανάμεσά τους είναι τα ψυχανθή, που όπως είναι γνωστό φιλοξενούν στις ρίζες τους μικροοργανισμούς που δεσμεύουν το ατμοσφαιρικό άζωτο και εύκολα αναπτύσσονται στο φτωχό σε άζωτο έδαφος. Έτσι εμπλουτίζουν το έδαφος σε άζωτο. Τα ψυχανθή όμως με το υψηλό περιεχόμενό τους σε άζωτο (μεγάλη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες), είναι άριστη ζωοτροφή. Και αυτός είναι ο λόγος που μετά τη φωτιά ακολουθεί βόσκηση.

ΡΥΠΑΝΣΗ (2.4.)

  1. Από μετρήσεις που έγιναν σε λίμνη βρέθηκε μικρή συγκέντρωση εντομοκτόνου DDT στο φυτοπλαγκτόν και πολύ μεγαλύτερη συγκέντρωση του ίδιου εντομοκτόνου στα ψαροπούλια της λίμνης. Με δεδομένο ότι η τροφική αλυσίδα του λιμναίου οικοσυστήματος περιλαμβάνει φυτοπλαγκτόν, ψάρια, ψαροπούλια και ζωοπλαγκτόν:

  1. Να γράψετε την τροφική αλυσίδα της λίμνης.

  2. Αν η ενέργεια στο τροφικό επίπεδο των ψαριών είναι 3χ102 KJ, να υπολογίσετε την ενέργεια των άλλων τροφικών επιπέδων.

  3. Ποια είναι η συγκέντρωση του DDT στα ψαροπούλια με δεδομένο ότι η βιομάζα στο φυτοπλαγκτόν είναι 5x106 Kg και η συγκέντρωση του εντομοκτόνου στο επίπεδο των ψαριών 20 mg/Kg;

Η τροφική αλυσίδα είναι: φυτοπλαγκτόν>ζωοπλαγκτόν>ψάρια>ψαροπούλια.

Η ενέργεια, με τη μορφή της χημικής ενέργειας που εμπεριέχεται στην τροφή των οργανισμών, περνάει από το κατώτερο τροφικό επίπεδο (των παραγωγών) στο ανώτερο.

Έχει υπολογιστεί ότι μόνο το 10% περίπου της ενέργειας ενός τροφικού επιπέδου περνάει στο επόμενο, καθώς το 90% της ενέργειας χάνεται. Δίνεται ότι στο οικοσύστημα η ενέργεια στο τροφικό επίπεδο των ψαριών είναι 3Χ102 KJ. Επομένως η ενέργεια στο τροφικό επίπεδο των πουλιών, που είναι το αμέσως επόμενο θα είναι 3Χ102 KJ/10=3Χ10 KJ. Ομοίως υπολογίζουμε την ενέργεια του τροφικού επιπέδου του ζωοπλαγκτού που θα είναι 10Χ3Χ102 KJ=3Χ103 KJ κι του τροφικού επιπέδου του φυτοπλαγκτού που θα είναι δεκαπλάσια αυτής του ζωοπλαγκτού δηλαδή 10Χ3Χ103 KJ=3Χ104 KJ.

Επειδή η ίδια πτωτική τάση που παρουσιάζεται στις τροφικές πυραμίδες ενέργειας εμφανίζεται και στις τροφικές πυραμίδες βιομάζας μπορούμε να υπολογίσουμε τη βιομάζα σε κάθε τροφικό επίπεδο. Έτσι επειδή η βιομάζα του φυτοπλαγκτού δίνεται 5x106 Kg, η βιομάζα του τροφικου επιπέδου του ζωοπλαγκτού θα είναι 5x106 Kg /10=5x105 Kg, των ψαριών 5x104 Kg και των πουλιών 5x103 Kg. Από τη συγκέντρωση του DDT στο επίπεδο των ψαριών και γνωρίζοντας τη βιομάζα του αντίστοιχου τροφικού επιπέδου μπορούμε να υπολογίσουμε την συνολική ποσότητα του DDT στο επίπεδο αυτό. Η ποσότητα του DDT είναι: 20Χ5x104 mg=106 mg. Το δε διασπάται (μη βιοδιασπώμενες ουσίες) από τους οργανισμούς, δεν μεταβολίζεται και δεν απεκκρίνεται με αποτέλεσμα, να μεταφέρεται αναλλοίωτο μέσω της τροφής από τον ένα οργανισμό στον άλλο, ακόμη και αν βρίσκονται σε χαμηλές συγκεντρώσεις, και να συσσωρεύονται στους κορυφαίους καταναλωτές. Επομένως η ίδια ποσότητα DDT που υπάρχει στο επίπεδο των ψαριών θα μεταφερθεί και στο επόμενο τροφικό επίπεδο των πουλιών. Η βιομάζα των πουλιών όμως είναι μικρότερη από αυτή των ψαριών και επομένως η συγκέντρωση του DDT σε αυτό το τροφικό επίπεδο θα είναι : 106/5x103=20020 mg/Kg.

  1. Ποια είναι τα αίτια και ποιες οι πιθανές συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου; Τι θα μπορούσε να κάνει ο σύγχρονος άνθρωπος για να τις περιορίσει;

Η ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει στην επιφάνεια της Γης απορροφάται κατά ένα μέρος από αυτήν, ενώ κατά ένα άλλο μέρος εκπέμπεται πίσω στην ατμόσφαιρα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Από το σύνολο της ακτινοβολίας αυτής ένα μέρος δεσμεύεται από το διοξείδιο του άνθρακα και τους υδρατμούς που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, γεγονός που οδηγεί στην ήπια αύξηση της θερμοκρασίας της. (Σημειώνεται ότι, αν δε δεσμευόταν η υπέρυθρη ακτινοβολία, η μέση θερμοκρασία της Γης θα ήταν -20°C αντί για τη μέση θερμοκρασία των 15 °C που είναι ευνοϊκή για τη ζωή). Το υπόλοιπο διαπερνά την ατμόσφαιρα και διαφεύγει στο διάστημα, με αποτέλεσμα να αποτρέπεται η υπερθέρμανση του πλανήτη μας.

Ωστόσο εξαιτίας της υπέρμετρης καύσης ορυκτών καυσίμων η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα έχει αυξηθεί. Έτσι όμως αυξάνεται και το ποσοστό της υπέρυθρης ακτινοβολίας που δεσμεύεται από το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας της. Επειδή η ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που προστίθεται στην ατμόσφαιρα αυξάνεται με ρυθμό 0, 3% το χρόνο, πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι το 2040 η μέση θερμοκρασία του πλανήτη μας θα έχει αυξηθεί κατά 5 °C. Αν η πρόβλεψη αυτή επιβεβαιωθεί, τότε οι σοβαρές κλιματικές μεταβολές που θα προκύψουν θα έχουν δραματικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η τήξη των πολικών πάγων θα οδηγήσει σε ανύψωση της στάθμης της θάλασσας και επομένως στην απώλεια μεγάλων χερσαίων εκτάσεων οι οποίες θα καλυφθούν από το νερό. Είναι επίσης πιθανό πολλές γόνιμες περιοχές να μετατραπούν σε άγονες και αντίστροφα.

Για να περιορίσει τις συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου ο άνθρωπος θα πρέπει να περιορίσει τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και επίσης να περιορίσει την καταστροφή των τροπικών δασών που συμβάλλουν σημαντικά στην απορρόφηση μεγάλων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα με τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να περιοριστούν με τον περιορισμό της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας που δεν ρυπαίνουν και δεν αλλοιώνουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας. Επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιούνται από τις βιομηχανίες ειδικά φίλτρα που συγκρατούν το διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους.

  1. Το διοξείδιο του θείου και τα οξείδια του αζώτου συμβάλλουν στη δημιουργία όξινης βροχής. Ποιες είναι οι συνέπειες αυτού του φαινομένου ρύπανσης και τι θα μπορούσε να κάνει ο σύγχρονος άνθρωπος για να τις περιορίσει;

Η ηφαιστειακή δραστηριότητα, οι διεργασίες αποικοδόμησης των οργανικών ουσιών από τα βακτήρια του εδάφους και κυρίως η καύση υγρών καυσίμων απελευθερώνουν στην ατμόσφαιρα διάφορα οξείδια του αζώτου και διοξείδιο του θείου. Τα αέρια αυτά, αφού πρώτα μετατραπούν, με την επίδραση των υδρατμών της ατμόσφαιρας, σε νιτρικό και θειώδες οξύ αντίστοιχα, επιστρέφουν στην επιφάνεια της Γης διαλυμένα στο νερό της βροχής, στο χιόνι, στην ομίχλη ή στο χαλάζι.

Όταν οι συγκεντρώσεις των οξειδίων αυτών δεν είναι αυξημένες, το νιτρικό και το θειώδες οξύ που βρίσκονται διαλυμένα στο νερό της βροχής την καθιστούν ελαφρά όξινη, καθώς έχει τιμή γύρω στο 5, 6 pH.

Στις περιοχές όμως στις οποίες η ατμόσφαιρα έχει επιβαρυνθεί με μεγάλες συγκεντρώσεις των οξειδίων αυτών, είτε διότι γίνεται εντατική καύση υγρών καυσίμων είτε διότι οι ρύποι αυτοί έχουν μεταφερθεί με τον άνεμο, μεγαλώνει και η ποσότητα του νιτρικού και του θειώδους οξέος που βρίσκονται διαλυμένα στο νερό της βροχής.

Έτσι όμως η βροχή γίνεται περισσότερο όξινη, καθώς η τιμή του pH της μπορεί να πέσει αρκετά κάτω από το 5. Εξαιτίας του φαινομένου της όξινης βροχής καταστρέφεται το φύλλωμα των δέντρων, ελαττώνεται η γονιμότητα του εδάφους και θανατώνονται οι φυτικοί και ζωικοί οργανισμοί των υδάτινων οικοσυστημάτων.

Το ίδιο όμως φαινόμενο προκαλεί καταστροφές και στα ιστορικά αρχιτεκτονικά μνημεία και στα έργα τέχνης που είναι κατασκευασμένα από μάρμαρο, γιατί τα οξέα που περιέχονται στη βροχή διαβρώνουν τις εξωτερικές επιφάνειές τους. Δεδομένου ότι και η όξινη βροχή οφείλεται σε μεγάλο ποσοστό στη ρύπανση της ατμόσφαιρας είναι απαραίτητος ο περιορισμός της χρήσης των ορυκτών καυσίμων και η αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας που δεν ρυπαίνουν και δεν αλλοιώνουν τη σύσταση της ατμόσφαιρας. Επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιούνται από τις βιομηχανίες ειδικά φίλτρα που συγκρατούν το διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους.

  1. Σε μια λίμνη που περιβάλλεται από χωράφια τα οποία καλλιεργούνται συστηματικά με χρήση λιπασμάτων διοχετεύονται πολλά από τα νερά της βροχής που δέχεται η περιοχή αυτή. Να θεωρήσετε ότι στη λίμνη ζουν υδρόβιοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, ζωοπλαγκτόν και ψάρια, που αποτελούν τροφική αλυσίδα. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται η μεταβολή στον πληθυσμό των οργανισμών αυτών μετά το τέλος της περιόδου των βροχοπτώσεων.

  1. Να ερμηνεύσετε τη μορφή των καμπυλών του διαγράμματος.

  2. Να περιγράψετε το φαινόμενο το οποίο προκαλεί τις μεταβολές στις καμπύλες του διαγράμματος.

  3. Να εξηγήσετε πώς μεταβάλλεται ο πληθυσμός των αποικοδομητών σ' αυτή τη λίμνη.

Λόγω των βροχοπτώσεων τα λιπάσματα που χρησιμοποιούνται στα γύρω χωράφια μεταφέρονται με το νερό της βροχής στη λίμνη. Τα λιπάσματα αυτά αποτελούν θρεπτικό υλικό όχι μόνο για τους χερσαίους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς αλλά και για τους υδρόβιους (φυτοπλαγκτόν). Εξαιτίας της αφθονίας λοιπόν μετά την περίοδο τω βροχοπτώσεων θρεπτικών υλικών στο νερό αυξάνεται ο πληθυσμός των παραγωγών του οικοσυστήματος που με τη σειρά του ευνοεί την αύξηση του πληθυσμού του ζωοπλαγκτού που τρέφεται από φυτοπλαγκτόν και βρίσκει τώρα αφθονία τροφής. Τα ψάρια με τη σειρά τους βρίσκουν άφθονη τροφή και αυξάνονται και αυτά. Όμως ταυτόχρονα και λόγω της σταδιακής εξάντλησης των θρεπτικών υλικών αυξάνεται και νεκρή οργανική ύλη που προέρχεται από τους νεκρούς οργανισμούς του φυτοπλαγκτού και ζωοπλαγκτού. Η άφθονη νεκρή οργανική ύλη προκαλεί αύξηση και των αποικοδομητών του οικοσυστήματος. Όλοι όμως οι οργανισμοί του οικοσυστήματος χρειάζονται οξυγόνο για την επιβίωσή τους. Το οξυγόνο που είναι διαλυμένο στο νερό είναι λίγο και η μεγάλη κατανάλωσή του από τους αυξανόμενους πληθυσμούς προκαλεί την έλλειψή του με αποτέλεσμα τα ψάρια να αρχίσουν να νεκρώνονται από ασφυξία. Για το λόγο αυτό και η αντίστοιχη καμπύλη του διαγράμματος παρουσιάζει τον πιο γρήγορο ρυθμό μείωσης.

Το υδάτινο οικοσύστημα, αφού δεχτεί τα λιπάσματα που αποπλένονται από το νερό της βροχής, εμπλουτίζεται με τα νιτρικά και τα φωσφορικά άλατα που αυτά περιέχουν. Επειδή όμως οι ουσίες αυτές αποτελούν θρεπτικά συστατικά για τους υδρόβιους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς (φυτοπλαγκτόν), προκαλείται υπέρμετρη αύξηση του πληθυσμού τους. Έτσι αυξάνεται και ο πληθυσμός των μονοκύτταρων ζωικών οργανισμών (ζωοπλαγκτόν)που εξαρτώνται τροφικά από το φυτοπλαγκτόν. Με το θάνατο των πλαγκτονικών οργανισμών συσσωρεύεται νεκρή οργανική ύλη, η οποία με τη σειρά της πυροδοτεί την αύξηση των αποικοδομητών, δηλαδή των βακτηρίων που την καταναλώνουν. Με την αύξηση όμως των μικροοργανισμών ο ρυθμός κατανάλωσης οξυγόνου γίνεται πολύ μεγαλύτερος από το ρυθμό παραγωγής του. Έτσι η ποσότητα του οξυγόνου που βρίσκεται διαλυμένη στο νερό γίνεται ολοένα μικρότερη, γεγονός που πλήττει τους ανώτερους οργανισμούς του οικοσυστήματος, όπως τα ψάρια, που πεθαίνουν από ασφυξία.