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IGNOU BZYCT-137 Solved Question Paper PDF
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IGNOU BZYCT-137 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) निम्नलिखित शब्दों को परिभाषित कीजिए : (i) द्विगुणित (ii) द्विगुणन/अनुलिपियन (iii) जीन अभिव्यक्ति (iv) जीवाश्म (v) आनुवंशिक विचलन (b) निम्नलिखित कॉलम ‘अ’ का कॉलम ‘ब’ से मिलान कीजिए।
Ans.
(a) परिभाषाएँ:
(i) द्विगुणित (Diploid): एक कोशिका या जीव जिसमें गुणसूत्रों के दो पूर्ण सेट होते हैं, प्रत्येक सेट एक जनक से विरासत में मिला होता है। इन गुणसूत्रों को समजात गुणसूत्र कहा जाता है। मनुष्यों जैसी अधिकांश बहुकोशिकीय जीवों की कायिक कोशिकाएं द्विगुणित होती हैं, जिन्हें 2n के रूप में दर्शाया जाता है।
(ii) द्विगुणन/अनुलिपियन (Duplication): यह एक प्रकार का गुणसूत्र उत्परिवर्तन है जिसमें गुणसूत्र का एक खंड दोहराया जाता है। इसके परिणामस्वरूप, उस खंड से जुड़े जीन की एक अतिरिक्त प्रतिलिपि बन जाती है। द्विगुणन असमान क्रॉसिंग-ओवर के दौरान हो सकता है और यह विकास के लिए नए आनुवंशिक पदार्थ प्रदान करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।
(iii) जीन अभिव्यक्ति (Gene expression): यह वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक जीन में संग्रहीत आनुवंशिक जानकारी का उपयोग एक कार्यात्मक जीन उत्पाद, जैसे कि प्रोटीन या कार्यात्मक आरएनए (जैसे rRNA, tRNA) के संश्लेषण के लिए किया जाता है। इसमें अनुलेखन (transcription) और अनुवाद (translation) की प्रक्रियाएं शामिल हैं और यह कोशिका के कार्य और संरचना को निर्धारित करता है।
(iv) जीवाश्म (Fossil): जीवाश्म किसी पूर्व-ऐतिहासिक जीव के संरक्षित अवशेष, छाप या निशान होते हैं जो पृथ्वी की पपड़ी में पाए जाते हैं। ये आमतौर पर चट्टानों में पाए जाते हैं और इनमें हड्डियाँ, दाँत, खोल, या पत्तों की छाप जैसे अंश शामिल हो सकते हैं। जीवाश्म विकास के प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करते हैं और अतीत के जीवन रूपों और पारिस्थितिक तंत्रों के बारे में जानकारी देते हैं।
(v) आनुवंशिक विचलन (Genetic drift): यह एक पीढ़ी से दूसरी पीढ़ी तक किसी आबादी में युग्मविकल्पी (allele) आवृत्तियों में होने वाले यादृच्छिक उतार-चढ़ाव को संदर्भित करता है। यह एक संयोग की घटना है और विशेष रूप से छोटी आबादियों में इसका प्रभाव अधिक होता है। आनुवंशिक विचलन के कारण कुछ युग्मविकल्पी पूरी तरह से समाप्त हो सकते हैं या स्थिर हो सकते हैं, जिससे आबादी की आनुवंशिक विविधता कम हो जाती है।
(b) मिलान:
- (i) डी व्रीस, कॉरेन्स तथा शेरमार्क – (5) मेंडलवाद की पुनर्खोज की
- (ii) वाट्सन एवं क्रिक – (1) द्विकुंडलिनी डी.एन.ए. की संरचना का पता लगाया
- (iii) उत्परिवर्तन – (4) गुणसूत्र की संरचना को परिवर्तित कर सकता है
- (iv) पैरासेन्ट्रिक प्रतिलोमन – (2) बिना सेन्ट्रोमियर के गुणसूत्र खंड
- (v) व्यवहारिकीय पार्थक्य – (3) भिन्न जातियों के सदस्यों के बीच संगम नहीं होता है
Q2. (a) वेधन और अभिव्यक्तता की परिघटनाओं की व्याख्या कीजिए। (b) सामूहिक विलुप्ति और जातिउद्भवन की परिघटनाओं की व्याख्या कीजिए।
Ans.
(a) वेधन और अभिव्यक्तता (Penetrance and Expressivity):
वेधन और अभिव्यक्तता दो संबंधित अवधारणाएं हैं जो यह बताती हैं कि कैसे एक विशेष जीनोटाइप किसी जीव के फीनोटाइप में परिलक्षित होता है। ये दोनों ही एक जीन के प्रभाव की जटिलता को दर्शाते हैं।
वेधन (Penetrance): वेधन को उन व्यक्तियों के प्रतिशत के रूप में परिभाषित किया गया है जिनमें एक विशिष्ट जीनोटाइप होने पर अपेक्षित फीनोटाइप प्रदर्शित होता है। यह एक “सभी-या-कुछ-नहीं” की अवधारणा है। उदाहरण के लिए, यदि किसी बीमारी के लिए जिम्मेदार जीन की वेधन क्षमता 80% है, तो इसका मतलब है कि उस जीन वाले 100 में से 80 लोग ही उस बीमारी के लक्षण दिखाएंगे, जबकि शेष 20 लोग लक्षण नहीं दिखाएंगे, भले ही उनके पास वह जीन हो। पॉलीडैक्टाइली (हाथ या पैर में अतिरिक्त उंगलियां) कम वेधन का एक उत्कृष्ट उदाहरण है।
अभिव्यक्तता (Expressivity): अभिव्यक्तता उस डिग्री या तीव्रता को संदर्भित करती है जिससे एक विशेष जीनोटाइप किसी व्यक्ति में व्यक्त होता है। वेधन के विपरीत, यह एक चर अवधारणा है। जिन व्यक्तियों में एक ही जीनोटाइप होता है, वे उस लक्षण को अलग-अलग स्तरों पर प्रदर्शित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, न्यूरोफाइब्रोमेटोसिस नामक आनुवंशिक विकार में, समान जीनोटाइप वाले व्यक्तियों में केवल त्वचा पर कुछ हल्के भूरे धब्बे (कैफे-औ-लैट स्पॉट) से लेकर शरीर पर कई ट्यूमर तक के विभिन्न लक्षण हो सकते हैं। यह दर्शाता है कि जीन की अभिव्यक्तता परिवर्तनशील है।
(b) सामूहिक विलुप्ति और जातिउद्भवन (Mass Extinction and Speciation):
सामूहिक विलुप्ति (Mass Extinction): यह एक ऐसी घटना है जिसमें पृथ्वी पर जैव विविधता में एक व्यापक और तीव्र गिरावट आती है। इसमें थोड़े भूवैज्ञानिक समय में बड़ी संख्या में प्रजातियों की विलुप्ति की दर में नाटकीय वृद्धि होती है। पृथ्वी के इतिहास में कई सामूहिक विलुप्ति की घटनाएं हुई हैं, जिनमें सबसे प्रसिद्ध क्रेटेशियस-पैलियोजीन विलुप्ति घटना है, जिसने लगभग 66 मिलियन वर्ष पहले डायनासोर सहित पृथ्वी की लगभग 75% प्रजातियों का सफाया कर दिया था। ऐसी घटनाएं अक्सर विनाशकारी घटनाओं जैसे कि क्षुद्रग्रह के प्रभाव, बड़े पैमाने पर ज्वालामुखी विस्फोट या जलवायु में तीव्र परिवर्तन के कारण होती हैं।
जातिउद्भवन (Speciation): यह वह विकासवादी प्रक्रिया है जिसके द्वारा नई जैविक प्रजातियों का उदय होता है। जातिउद्भवन तब होता है जब एक प्रजाति की आबादी आनुवंशिक रूप से अलग हो जाती है, जिससे प्रजननात्मक पार्थक्य (reproductive isolation) होता है। यह विभिन्न तंत्रों के माध्यम से हो सकता है, जैसे कि भौगोलिक अलगाव (एलोपेट्रिक जातिउद्भवन) या एक ही क्षेत्र के भीतर पारिस्थितिक या व्यवहारिक अलगाव (सिम्पेट्रिक जातिउद्भवन)।
सामूहिक विलुप्ति और जातिउद्भवन आपस में जुड़े हुए हैं। एक सामूहिक विलुप्ति की घटना कई पारिस्थितिक निकेत (ecological niches) को खाली कर देती है। इससे जीवित बचे जीवों को नए अवसरों का लाभ उठाने और नए वातावरण के अनुकूल होने का मौका मिलता है। यह अक्सर अनुकूली विकिरण (adaptive radiation) की अवधि को जन्म देता है, जिसमें जीवित वंशों से तेजी से नई प्रजातियों का विकास होता है, जो जातिउद्भवन की दर को बहुत बढ़ा देता है। इस प्रकार, विलुप्ति एक विकासवादी “रीसेट” के रूप में कार्य कर सकती है, जो नई प्रजातियों के उदय का मार्ग प्रशस्त करती है।
Q3. क्रॉसिंग-ओवर/जीन विनिमय की आण्विक क्रियाविधि की उदाहरणों के साथ विवेचना कीजिए।
Ans. क्रॉसिंग-ओवर, या जीन विनिमय, वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा अर्धसूत्रीविभाजन (meiosis) के दौरान समजात गुणसूत्रों के गैर-सहयोगी अर्धगुणसूत्रों (non-sister chromatids) के बीच आनुवंशिक पदार्थ का आदान-प्रदान होता है। यह प्रक्रिया अर्धसूत्रीविभाजन-I के पूर्वावस्था-I (Prophase I) की पैकिटीन (pachytene) उप-अवस्था में होती है। यह आनुवंशिक पुनर्संयोजन का एक प्रमुख स्रोत है, जो संतानों में आनुवंशिक विविधता पैदा करता है।
आण्विक क्रियाविधि (डबल-स्ट्रैंड ब्रेक रिपेयर मॉडल): क्रॉसिंग-ओवर की सबसे स्वीकृत आण्विक क्रियाविधि डबल-स्ट्रैंड ब्रेक रिपेयर (DSBR) मॉडल है। इसके प्रमुख चरण निम्नलिखित हैं:
- 1. द्विक-रज्जुक भंजन (Double-Strand Break – DSB): प्रक्रिया की शुरुआत तब होती है जब Spo11 नामक एक एंजाइम जानबूझकर एक अर्धगुणसूत्र (chromatid) के डीएनए में एक द्विक-रज्जुक भंजन (डबल-स्ट्रैंड ब्रेक) उत्पन्न करता है।
- 2. 5′ सिरों का उच्छेदन (5′ End Resection): इसके बाद, एक्सोन्यूक्लिज़ एंजाइम टूटे हुए डीएनए के 5′ सिरों को काटते हैं, जिससे 3′ सिरों पर एकल-रज्जुक डीएनए की पूंछें (single-stranded tails) बन जाती हैं।
- 3. रज्जुक आक्रमण (Strand Invasion): इन 3′ पूंछों में से एक समजात गुणसूत्र के अक्षुण्ण डीएनए हेलिक्स पर आक्रमण करती है। यह वहां के एक रज्जुक को विस्थापित करती है और एक डी-लूप (D-loop) बनाती है। यह प्रक्रिया RecA/Rad51 प्रोटीन द्वारा सुगम बनाई जाती है।
- 4. डीएनए संश्लेषण और बंधन (DNA Synthesis and Ligation): आक्रामक रज्जुक का 3′ सिरा एक प्राइमर के रूप में कार्य करता है, और डीएनए पोलीमरेज़ आक्रमण किए गए समजात डीएनए को टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके टूटे हुए रज्जुक में अंतराल को भरता है। विस्थापित डी-लूप दूसरे टूटे हुए 3′ सिरे के साथ जुड़ जाता है, और डीएनए संश्लेषण तथा लिगेशन के बाद, दो क्रॉस-ओवर संरचनाएं बनती हैं जिन्हें हॉलिडे जंक्शन (Holliday junctions) कहा जाता है।
- 5. हॉलिडे जंक्शन का समाधान (Resolution of Holliday Junctions): ये दो हॉलिडे जंक्शन एक दूसरे के साथ स्थानांतरित हो सकते हैं (शाखा प्रवासन)। अंत में, रिजोल्वेस (resolvase) नामक एंजाइम इन जंक्शनों को काटते हैं। काटने के तरीके के आधार पर दो संभावित परिणाम होते हैं:
- यदि दोनों जंक्शनों को एक ही तल (जैसे, दोनों को लंबवत) में काटा जाता है, तो परिणाम गैर-क्रॉसओवर (non-crossover) उत्पाद होता है, जिसमें केवल डीएनए का एक छोटा सा खंड स्थानांतरित होता है।
- यदि जंक्शनों को अलग-अलग तलों (एक लंबवत, एक क्षैतिज) में काटा जाता है, तो परिणाम क्रॉसओवर (crossover) उत्पाद होता है, जिसमें गुणसूत्रों के बड़े खंडों का आदान-प्रदान होता है।
उदाहरण (Illustration): इसे समझने के लिए, कल्पना करें कि एक समजात गुणसूत्र युग्म है। एक गुणसूत्र पर युग्मविकल्पी ‘A’ और ‘B’ हैं, और दूसरे पर ‘a’ और ‘b’ हैं। क्रॉसिंग-ओवर के बिना, युग्मक या तो ‘AB’ या ‘ab’ प्रकार के होंगे। लेकिन यदि ‘A’ और ‘B’ जीन के बीच क्रॉसिंग-ओवर होता है, तो आनुवंशिक पदार्थ का आदान-प्रदान होगा, जिसके परिणामस्वरूप चार प्रकार के युग्मक बनेंगे: दो पैतृक प्रकार (‘AB’ और ‘ab’) और दो पुनर्संयोजित प्रकार (‘Ab’ और ‘aB’)। यह पुनर्संयोजन ही संतानों में नई विशेषताओं के संयोजन का आधार है। (चित्रण के लिए, एक रेखाचित्र बनाया जा सकता है जिसमें दो समजात गुणसूत्र (एक नीला, एक लाल) दिखाए जाते हैं, जो DSB, स्ट्रैंड आक्रमण, हॉलिडे जंक्शन का निर्माण, और अंत में क्रॉसओवर और गैर-क्रॉसओवर उत्पादों में समाधान को दर्शाते हैं।)
Q4. लिंग-सीमित और लिंग-प्रभावित विशेषकों की समानताओं और भिन्नताओं को उचित उदाहरणों के साथ लिखिए।
Ans. लिंग-सीमित और लिंग-प्रभावित विशेषक (traits) गैर-मेंडेलियन वंशानुक्रम के पैटर्न हैं जिसमें किसी व्यक्ति का लिंग एक विशेष जीनोटाइप के फीनोटाइपिक अभिव्यक्ति को प्रभावित करता है। यद्यपि दोनों लिंग हार्मोन से प्रभावित होते हैं, वे अपनी अभिव्यक्ति के तरीके में भिन्न होते हैं।
लिंग-सीमित विशेषक (Sex-Limited Traits) ये वे विशेषक हैं जो केवल एक लिंग में व्यक्त होते हैं, भले ही जीन दोनों लिंगों में मौजूद हों। इन जीनों की अभिव्यक्ति पूरी तरह से एक लिंग तक सीमित होती है, आमतौर पर उस लिंग से जुड़े हार्मोन के कारण।
- उदाहरण:
- मनुष्यों में दाढ़ी का बढ़ना केवल पुरुषों में व्यक्त होता है क्योंकि यह टेस्टोस्टेरोन के उच्च स्तर पर निर्भर करता है। महिलाओं में दाढ़ी बढ़ाने वाले जीन होते हैं, लेकिन वे सामान्य हार्मोनल स्थितियों में व्यक्त नहीं होते हैं।
- स्तनधारियों में दूध का उत्पादन केवल मादाओं तक ही सीमित होता है, हालांकि दूध उत्पादन से संबंधित जीन नर में भी मौजूद होते हैं।
लिंग-प्रभावित विशेषक (Sex-Influenced Traits) ये वे विशेषक हैं जो दोनों लिंगों में व्यक्त हो सकते हैं, लेकिन एक लिंग में अधिक बार या अधिक दृढ़ता से व्यक्त होते हैं। इन विशेषकों में, एक युग्मविकल्पी (allele) एक लिंग में प्रभावी (dominant) हो सकता है और दूसरे लिंग में अप्रभावी (recessive) हो सकता है। ये जीन आमतौर पर अलिंगसूत्रों (autosomes) पर स्थित होते हैं।
- उदाहरण:
- मनुष्यों में पैटर्न गंजापन (Pattern baldness) एक क्लासिक उदाहरण है। गंजेपन के लिए युग्मविकल्पी (B) पुरुषों में प्रभावी होता है, लेकिन महिलाओं में अप्रभावी होता है।
- पुरुष: जीनोटाइप BB और Bb दोनों गंजेपन का कारण बनते हैं।
- महिला: केवल जीनोटाइप BB ही गंजेपन का कारण बनता है; Bb वाली महिला के बाल सामान्य होते हैं।
- भेड़ों में सींगों की उपस्थिति भी लिंग-प्रभावित होती है।
- मनुष्यों में पैटर्न गंजापन (Pattern baldness) एक क्लासिक उदाहरण है। गंजेपन के लिए युग्मविकल्पी (B) पुरुषों में प्रभावी होता है, लेकिन महिलाओं में अप्रभावी होता है।
समानताएँ:
- आनुवंशिक आधार: दोनों प्रकार के विशेषक उन जीनों द्वारा नियंत्रित होते हैं जो नर और मादा दोनों में मौजूद होते हैं।
- हार्मोनल प्रभाव: दोनों की अभिव्यक्ति व्यक्ति के लिंग हार्मोन (जैसे टेस्टोस्टेरोन और एस्ट्रोजन) के स्तर से महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होती है।
- गैर-मेंडेलियन वंशानुक्रम: दोनों ही मेंडेलियन वंशानुक्रम के सरल नियमों का पालन नहीं करते हैं क्योंकि फीनोटाइप केवल जीनोटाइप पर ही नहीं बल्कि जीव के लिंग पर भी निर्भर करता है।
विभिन्नताएँ (Contrast):
विशेषता
लिंग-सीमित विशेषक
लिंग-प्रभावित विशेषक
अभिव्यक्ति
केवल एक लिंग में व्यक्त होता है।
दोनों लिंगों में व्यक्त होता है, लेकिन एक में अधिक सामान्य रूप से।
प्रभाविता संबंध
लागू नहीं होता; यह एक “चालू/बंद” तंत्र है।
युग्मविकल्पी की प्रभाविता लिंग के आधार पर बदल जाती है।
जीन का स्थान
अलिंगसूत्र या लिंग गुणसूत्र पर हो सकते हैं।
आमतौर पर अलिंगसूत्रों पर स्थित होते हैं।
Q5. विभिन्न रासायनिक उत्परिवर्तनों (म्यूटाजेन्स) के संदर्भ में उत्परिवर्तन के आण्विक आधार को स्पष्ट कीजिए।
Ans. उत्परिवर्तन डीएनए अनुक्रम में एक स्थायी परिवर्तन है। रासायनिक उत्परिवर्तजन (mutagens) ऐसे रसायन होते हैं जो डीएनए की संरचना या प्रतिकृति में हस्तक्षेप करके उत्परिवर्तन की दर को बढ़ाते हैं। ये उत्परिवर्तजन विभिन्न आण्विक तंत्रों के माध्यम से कार्य करते हैं:
1. क्षार अनुरूप (Base Analogs): ये ऐसे रसायन हैं जिनकी संरचना डीएनए के सामान्य क्षारों (A, T, C, G) के समान होती है। प्रतिकृति के दौरान, वे सामान्य क्षारों के स्थान पर डीएनए में शामिल हो सकते हैं। चूँकि उनकी जोड़ी बनाने की विशेषताएँ अस्पष्ट होती हैं, वे गलत जोड़ी बना सकते हैं, जिससे बिंदु उत्परिवर्तन (point mutations) होते हैं।
- उदाहरण: 5-ब्रोमोयूरेसिल (5-BU)
- यह थाइमिन (T) का एक अनुरूप है और सामान्य रूप से एडेनिन (A) के साथ जोड़ी बनाता है।
- हालांकि, यह एक टॉटोमेरिक शिफ्ट से गुजर सकता है और गुआनिन (G) के साथ जोड़ी बना सकता है।
- यदि 5-BU (थाइमिन के रूप में) को डीएनए में शामिल किया जाता है, तो अगली प्रतिकृति के दौरान यह गुआनिन के साथ जोड़ी बना सकता है, जिससे मूल A-T जोड़ी G-C जोड़ी में बदल जाती है (एक संक्रमण उत्परिवर्तन)।
2. क्षारीकरण कर्मक (Alkylating Agents): ये कर्मक डीएनए क्षारों में एल्किल समूह (जैसे मिथाइल या एथिल समूह) जोड़ते हैं। यह क्षारों की जोड़ी बनाने की विशेषताओं को बदल देता है, जिससे प्रतिकृति के दौरान गलत जोड़ी बनती है।
- उदाहरण: एथिलमेथेनसल्फोनेट (EMS)
- यह गुआनिन (G) के O-6 स्थान पर एक एथिल समूह जोड़ता है, जिससे O-6-एथिलगुआनिन बनता है।
- यह संशोधित गुआनिन अब साइटोसिन (C) के बजाय थाइमिन (T) के साथ जोड़ी बनाता है।
- इसके परिणामस्वरूप प्रतिकृति के बाद मूल G-C जोड़ी A-T जोड़ी में बदल जाती है (एक संक्रमण उत्परिवर्तन)।
3. विऐमीनीकरण कर्मक (Deaminating Agents): ये रसायन क्षारों से अमीनो समूहों (-NH₂) को हटा देते हैं, जिससे उनकी पहचान बदल जाती है।
- उदाहरण: नाइट्रस एसिड (HNO₂)
- यह साइटोसिन (C) को यूरेसिल (U) में बदल देता है, जो एडेनिन (A) के साथ जोड़ी बनाता है। इससे G-C जोड़ी T-A जोड़ी में बदल जाती है।
- यह एडेनिन (A) को हाइपोक्सैन्थिन में बदल देता है, जो साइटोसिन (C) के साथ जोड़ी बनाता है। इससे A-T जोड़ी G-C जोड़ी में बदल जाती है।
4. अंतर्वेशी कर्मक (Intercalating Agents): ये सपाट, प्लेनर अणु होते हैं जो डीएनए हेलिक्स में आसन्न क्षार युग्मों के बीच खुद को “अंतर्वेशित” या सम्मिलित कर लेते हैं। यह डीएनए की संरचना को विकृत करता है।
- उदाहरण: प्रोफ्लेविन, एक्रिडाइन ऑरेंज, एथिडियम ब्रोमाइड
- जब डीएनए प्रतिकृति करता है, तो यह विकृति डीएनए पोलीमरेज़ को गलती करने पर मजबूर कर सकती है, जिससे एक या अधिक न्यूक्लियोटाइड का सम्मिलन (insertion) या विलोपन (deletion) हो सकता है।
- इस प्रकार के उत्परिवर्तन को फ्रेमशिफ्ट उत्परिवर्तन कहा जाता है, जो प्रोटीन के लिए कोडिंग अनुक्रम को पूरी तरह से बदल सकता है।
ये विभिन्न तंत्र दर्शाते हैं कि कैसे रासायनिक उत्परिवर्तजन डीएनए के साथ आण्विक स्तर पर संपर्क करके आनुवंशिक कोड को बदल सकते हैं, जिससे विभिन्न प्रकार के उत्परिवर्तन होते हैं।
Q6. डार्विनवाद की विभिन्न अवधारणाओं और उनसे जुड़ी आलोचनाओं पर चर्चा कीजिए।
Ans. चार्ल्स डार्विन द्वारा प्रस्तावित डार्विनवाद, जिसे प्राकृतिक चयन द्वारा विकास का सिद्धांत भी कहा जाता है, आधुनिक विकासवादी जीव विज्ञान की नींव है। इसे 1859 में उनकी मौलिक पुस्तक “ऑन द ओरिजिन ऑफ स्पीशीज़” में प्रस्तुत किया गया था। इस सिद्धांत की मुख्य अवधारणाएँ और उनकी आलोचनाएँ निम्नलिखित हैं:
डार्विनवाद की मुख्य अवधारणाएँ (Postulates):
- अत्यधिक उत्पादन (Overproduction): सभी जीव अपनी प्रजाति को बनाए रखने के लिए आवश्यकता से अधिक संतानें पैदा करते हैं। हालांकि, जनसंख्या का आकार लगभग स्थिर रहता है क्योंकि सभी संतानें जीवित नहीं रह पाती हैं।
- अस्तित्व के लिए संघर्ष (Struggle for Existence): चूंकि संसाधन (जैसे भोजन, स्थान) सीमित हैं, इसलिए एक प्रजाति के सदस्यों के बीच, विभिन्न प्रजातियों के बीच, और जीवों तथा उनके पर्यावरण के बीच अस्तित्व के लिए एक निरंतर संघर्ष होता है।
- विभिन्नता और आनुवंशिकता (Variation and Heredity): किसी भी आबादी के सदस्यों के बीच विभिन्नताएँ मौजूद होती हैं। कोई भी दो व्यक्ति बिल्कुल एक जैसे नहीं होते। डार्विन का मानना था कि ये विभिन्नताएँ वंशानुगत होती हैं, अर्थात वे माता-पिता से संतानों में जाती हैं।
- योग्यतम की उत्तरजीविता या प्राकृतिक चयन (Survival of the Fittest or Natural Selection): अस्तित्व के लिए संघर्ष में, वे व्यक्ति जिनके पास अपने पर्यावरण के लिए अनुकूल विभिन्नताएँ होती हैं, उनके जीवित रहने और प्रजनन करने की अधिक संभावना होती है। प्रतिकूल विभिन्नताओं वाले व्यक्ति समाप्त हो जाते हैं। प्रकृति इन “योग्य” जीवों का “चयन” करती है।
- नई प्रजातियों की उत्पत्ति (Origin of New Species): अनुकूल विभिन्नताएँ पीढ़ी-दर-पीढ़ी जमा होती रहती हैं। हजारों वर्षों के बाद, ये संचित परिवर्तन इतने महत्वपूर्ण हो सकते हैं कि एक नई प्रजाति का निर्माण हो जाए जो अपने पूर्वजों से भिन्न हो।
डार्विनवाद की आलोचनाएँ (Criticisms):
- विभिन्नताओं का स्रोत: डार्विन का सिद्धांत यह नहीं समझा सका कि विभिन्नताएँ उत्पन्न कैसे होती हैं। उन्होंने केवल यह देखा कि वे मौजूद हैं। अब हम जानते हैं कि उत्परिवर्तन (mutation) और आनुवंशिक पुनर्संयोजन (genetic recombination) विभिन्नताओं के प्राथमिक स्रोत हैं।
- वंशानुक्रम का तंत्र: डार्विन के समय में, वंशानुक्रम का प्रचलित सिद्धांत “सम्मिश्रण वंशानुक्रम” (blending inheritance) था, जिसके अनुसार संतानों में माता-पिता के लक्षणों का मिश्रण होता है। यह सिद्धांत प्राकृतिक चयन के साथ असंगत था, क्योंकि यह समय के साथ नई अनुकूल विभिन्नताओं को कमजोर कर देता। ग्रेगर मेंडल के आनुवंशिकी के नियमों की पुनर्खोज ने इस समस्या का समाधान किया, लेकिन डार्विन उनके काम से अनभिज्ञ थे।
- जटिल अंगों का विकास: आलोचकों ने तर्क दिया कि आँख जैसे जटिल अंगों का क्रमिक विकास असंभव है, क्योंकि उनके मध्यवर्ती चरण कार्यात्मक रूप से लाभहीन हो सकते हैं। डार्विन ने तर्क दिया कि प्रत्येक छोटा सुधार, चाहे वह कितना भी मामूली क्यों न हो, एक चयनात्मक लाभ प्रदान कर सकता है।
- अपूर्ण जीवाश्म रिकॉर्ड: डार्विन के समय में, जीवाश्म रिकॉर्ड में कई “लापता लिंक” या अंतराल थे, जिनका उपयोग आलोचकों ने क्रमिक विकास के विचार को चुनौती देने के लिए किया। हालांकि आज भी अंतराल मौजूद हैं, कई महत्वपूर्ण मध्यवर्ती जीवाश्म खोजे जा चुके हैं।
- छोटे या गैर-अनुकूली लक्षणों की व्याख्या: डार्विन का सिद्धांत मुख्य रूप से उन लक्षणों पर केंद्रित था जो जीवित रहने और प्रजनन के लिए लाभप्रद हैं। यह उन छोटे या प्रतीत होने वाले गैर-अनुकूली लक्षणों के विकास की व्याख्या करने में विफल रहा, जिन्हें अब हम आनुवंशिक विचलन (genetic drift) जैसी प्रक्रियाओं के परिणाम के रूप में समझते हैं।
इन आलोचनाओं के बावजूद, डार्विन का मूल ढांचा, जिसे बाद में आधुनिक संश्लेषण (Modern Synthesis) में आनुवंशिकी के साथ एकीकृत किया गया, विकासवादी जीव विज्ञान का केंद्रीय सिद्धांत बना हुआ है।
Q7. पृथ्वी पर जीवन की उत्पत्ति के जैवरासायनिक आधार पर चर्चा कीजिए।
Ans. पृथ्वी पर जीवन की उत्पत्ति का जैवरासायनिक आधार, जिसे एबायोजेनेसिस (abiogenesis) भी कहा जाता है, यह बताता है कि कैसे निर्जीव रासायनिक पदार्थों से धीरे-धीरे जीवन का उदय हुआ। सबसे व्यापक रूप से स्वीकृत परिकल्पना ओपेरिन-हाल्डेन परिकल्पना है, जो कई चरणों वाली एक प्रक्रिया का प्रस्ताव करती है।
प्रारंभिक पृथ्वी की स्थितियाँ: लगभग 4.5 अरब साल पहले बनी प्रारंभिक पृथ्वी आज से बहुत अलग थी।
- अपचायक वायुमंडल (Reducing Atmosphere): वायुमंडल में मुक्त ऑक्सीजन (O₂) की कमी थी और यह मीथेन (CH₄), अमोनिया (NH₃), जल वाष्प (H₂O), और हाइड्रोजन (H₂) जैसी गैसों से समृद्ध था।
- ऊर्जा स्रोत: तीव्र पराबैंगनी (UV) विकिरण (ओजोन परत की अनुपस्थिति के कारण), बिजली (तड़ित), ज्वालामुखी गतिविधि और तीव्र गर्मी जैसे प्रचुर ऊर्जा स्रोत उपलब्ध थे।
जैवरासायनिक विकास के चरण:
1. सरल कार्बनिक मोनोमर्स का संश्लेषण (Synthesis of Simple Organic Monomers): ओपेरिन और हाल्डेन ने प्रस्तावित किया कि प्रारंभिक पृथ्वी के ऊर्जा स्रोतों ने अपचायक वायुमंडल की गैसों पर कार्य करके सरल कार्बनिक अणुओं का निर्माण किया। इन अणुओं में अमीनो एसिड (प्रोटीन के निर्माण खंड), न्यूक्लियोटाइड (डीएनए और आरएनए के निर्माण खंड), सरल शर्करा और फैटी एसिड शामिल थे। ये यौगिक महासागरों में जमा हो गए, जिससे एक ” आदिम सूप ” (primordial soup) का निर्माण हुआ।
- मिलर-यूरे प्रयोग (1953): इस परिकल्पना के लिए प्रायोगिक समर्थन स्टेनली मिलर और हेरोल्ड यूरे द्वारा प्रदान किया गया। उन्होंने एक बंद प्रणाली में प्रारंभिक पृथ्वी की अनुमानित स्थितियों (गैसों का मिश्रण, पानी और विद्युत चिंगारी) का अनुकरण किया। एक सप्ताह के भीतर, उन्होंने पाया कि कई प्रकार के अमीनो एसिड और अन्य कार्बनिक यौगिक बन गए थे, यह साबित करते हुए कि निर्जीव पदार्थों से जैविक अणुओं का निर्माण संभव था।
2. बहुलकीकरण (Polymerization): अगला कदम इन सरल मोनोमर्स का आपस में जुड़कर जटिल बहुलक (पॉलिमर) बनाना था। उदाहरण के लिए, अमीनो एसिड जुड़कर प्रोटीन (पॉलीपेप्टाइड) बनाते हैं और न्यूक्लियोटाइड जुड़कर न्यूक्लिक एसिड (आरएनए और डीएनए) बनाते हैं। यह प्रक्रिया संभवतः गर्म मिट्टी की सतहों, वाष्पित होते ज्वारीय पूलों या गहरे समुद्र के हाइड्रोथर्मल वेंट पर हुई हो सकती है, जहाँ खनिज उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकते थे।
3. प्रोटोसेल का निर्माण (Formation of Protocells): इन बहुलकों ने फिर झिल्ली-बद्ध बूंदों में संगठित होकर प्रोटोसेल या प्रोटोबायोंट (जैसे कोएसरवेट्स या माइक्रोस्फीयर) का निर्माण किया। इन संरचनाओं में एक आंतरिक वातावरण था जो बाहरी वातावरण से भिन्न था। वे सरल चयापचय प्रतिक्रियाएं करने और एक झिल्ली के पार पदार्थों को बनाए रखने में सक्षम थे, जो जीवित कोशिकाओं के कुछ आदिम गुण थे।
4. स्व-प्रतिकृति अणु की उत्पत्ति (The RNA World Hypothesis): एक सच्ची कोशिका के लिए आनुवंशिक जानकारी को संग्रहीत करने और उसकी प्रतिकृति बनाने की क्षमता आवश्यक है। “आरएनए विश्व” परिकल्पना का प्रस्ताव है कि आरएनए (RNA) पहला आनुवंशिक पदार्थ था, डीएनए नहीं। ऐसा इसलिए है क्योंकि आरएनए दोहरी भूमिका निभा सकता है:
- यह डीएनए की तरह आनुवंशिक जानकारी संग्रहीत कर सकता है।
- यह प्रोटीन की तरह एक एंजाइम (जिसे राइबोजाइम कहा जाता है) के रूप में कार्य कर सकता है, जो अपनी प्रतिकृति सहित रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करता है।
एक प्रोटोसेल के भीतर एक स्व-प्रतिकृति आरएनए अणु पहली आदिम जीवित इकाई का अग्रदूत रहा होगा। समय के साथ, विकास ने अधिक स्थिर डीएनए को आनुवंशिक सूचना भंडारण के लिए और अधिक कुशल प्रोटीन को अधिकांश उत्प्रेरक कार्यों के लिए चुना, जिससे आज हम जो सेंट्रल डोग्मा (DNA → RNA → Protein) देखते हैं, वह स्थापित हुआ।
IGNOU BZYCT-137 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Define the following terms : (i) Diploid (ii) Duplication (iii) Gene expression (iv) Fossil (v) Genetic drift (b) Match the following of Column A with Column B.
Ans. (a) Definitions: (i) Diploid: A cell or organism that has two complete sets of chromosomes, with one set inherited from each parent. These pairs of chromosomes are known as homologous chromosomes . The somatic (body) cells of most multicellular organisms, like humans, are diploid, represented as 2n. (ii) Duplication: This is a type of chromosomal mutation in which a segment of a chromosome is repeated. As a result, there is an extra copy of the genes associated with that segment. Duplication can arise during unequal crossing over and can play a significant role in evolution by providing new genetic material for mutation and divergence. (iii) Gene expression: This is the process by which the genetic information stored in a gene is used to synthesize a functional gene product, such as a protein or a functional RNA (e.g., rRNA, tRNA). It involves the processes of transcription and translation and determines the function and structure of a cell. (iv) Fossil: A fossil is the preserved remains, impression, or trace of a once-living organism from a past geological age, found within the Earth’s crust. They are typically found in rocks and can include parts like bones, teeth, shells, or impressions of leaves. Fossils provide direct evidence for evolution and give insights into past life forms and ecosystems. (v) Genetic drift: This refers to the random fluctuations in allele frequencies in a population from one generation to the next, due to chance events. Its effects are most pronounced in small populations . Genetic drift can lead to the loss or fixation of certain alleles, thereby reducing the genetic diversity of a population. (b) Matching:
- (i) De Vries, Correns and Tschermark – (5) Rediscovered Mendelism
- (ii) Watson and Crick – (1) Worked out the double helix of DNA structure
- (iii) Mutation – (4) Can alter chromosome structure
- (iv) Paracentric inversion – (2) Chromosome segment without centromere
- (v) Ethological isolation – (3) Members belonging to different species refrain from mating
Q2. (a) Explain the phenomena of penetrance and expressivity. (b) Discuss the phenomena of mass extinction and speciation.
Ans. (a) Penetrance and Expressivity: Penetrance and expressivity are two related concepts that describe how the genotype of an organism is reflected in its phenotype. Both illustrate the complexity of a gene’s effect. Penetrance: Penetrance is defined as the percentage of individuals with a specific genotype who exhibit the expected phenotype. It is an “all-or-none” concept. For example, if a gene responsible for a disease has 80% penetrance, it means that 80 out of 100 people with the gene will show symptoms of the disease, while the remaining 20 will not, even though they carry the gene. Polydactyly (extra fingers or toes) is a classic example of incomplete penetrance. Expressivity: Expressivity refers to the degree or intensity to which a particular genotype is expressed in an individual. Unlike penetrance, it is a variable concept. Individuals with the same genotype may display the trait to different extents. For example, in the genetic disorder neurofibromatosis , individuals with the identical genotype can have a range of symptoms, from just a few light brown spots on the skin (café-au-lait spots) to multiple tumors over the body. This shows that the expressivity of the gene is variable. (b) Mass Extinction and Speciation: Mass Extinction: This is an event in which there is a widespread and rapid decrease in the biodiversity on Earth. It is characterized by a dramatic increase in the rate of extinction of a large number of species in a short geological time. There have been several mass extinctions in Earth’s history, the most famous being the Cretaceous-Paleogene extinction event , which wiped out about 75% of Earth’s species, including the non-avian dinosaurs, about 66 million years ago. Such events are often caused by catastrophic occurrences like asteroid impacts, large-scale volcanism, or rapid climate change. Speciation: This is the evolutionary process by which new biological species arise. Speciation occurs when a species’ population becomes genetically separated, leading to reproductive isolation . This can happen through various mechanisms, such as geographical separation (allopatric speciation) or ecological or behavioral separation within the same area (sympatric speciation). Mass extinction and speciation are interconnected. A mass extinction event vacates numerous ecological niches . This allows surviving organisms to take advantage of new opportunities and adapt to new environments. This often triggers a period of adaptive radiation , in which new species evolve rapidly from the surviving lineages, greatly increasing the rate of speciation. Thus, extinction can act as an evolutionary “reset,” paving the way for the rise of new species.
Q3. Discuss the molecular mechanism of crossing over with illustrations.
Ans. Crossing over, or genetic recombination, is the process by which genetic material is exchanged between non-sister chromatids of homologous chromosomes during meiosis. This event takes place during the pachytene sub-stage of Prophase I of meiosis. It is a major source of genetic recombination, creating genetic diversity in offspring.
Molecular Mechanism (The Double-Strand Break Repair Model): The most accepted molecular mechanism for crossing over is the Double-Strand Break Repair (DSBR) model . The key steps are as follows:
- 1. Double-Strand Break (DSB): The process is initiated when an enzyme called Spo11 intentionally creates a double-strand break in the DNA of one chromatid.
- 2. 5′ End Resection: Following the break, exonuclease enzymes chew away the 5′ ends of the broken DNA, leaving 3′ single-stranded tails.
- 3. Strand Invasion: One of these 3′ tails invades the intact DNA helix of the homologous chromosome. It displaces one of the strands and forms a structure called a D-loop . This process is facilitated by proteins like RecA/Rad51 .
- 4. DNA Synthesis and Ligation: The 3′ end of the invading strand acts as a primer, and DNA polymerase fills in the gap on the broken chromatid using the invaded homologous DNA as a template. The displaced D-loop pairs with the other broken 3′ end, and after DNA synthesis and ligation, two cross-over structures called Holliday junctions are formed.
- 5. Resolution of Holliday Junctions: These two Holliday junctions can move along each other (branch migration). Finally, enzymes called resolvases cut these junctions. There are two possible outcomes depending on how the junctions are cut:
- If both junctions are cut in the same plane (e.g., both vertically), the result is a non-crossover product, where only a small patch of DNA is transferred.
- If the junctions are cut in different planes (one vertically, one horizontally), the result is a crossover product, involving the exchange of large segments of the chromosomes.
Illustration: To visualize this, imagine a homologous chromosome pair. One chromosome carries alleles ‘A’ and ‘B’, and the other carries ‘a’ and ‘b’. Without crossing over, the gametes would be either ‘AB’ or ‘ab’. However, if crossing over occurs between genes ‘A’ and ‘B’, the exchange of genetic material will result in four types of gametes: two parental types (‘AB’ and ‘ab’) and two recombinant types (‘Ab’ and ‘aB’). This recombination is the basis for new combinations of traits in offspring.
(For an illustration, a diagram could be drawn showing two homologous chromosomes (one blue, one red) undergoing DSB, strand invasion, formation of Holliday junctions, and final resolution into crossover and non-crossover products.)
Q4. Compare and contrast sex-limited and sex-influenced traits with suitable examples.
Ans. Sex-limited and sex-influenced traits are patterns of non-Mendelian inheritance where the sex of an individual influences the phenotypic expression of a particular genotype. Although both are affected by sex hormones, they differ in their mode of expression.
Sex-Limited Traits These are traits that are expressed in only one sex , even though the genes are present in both sexes. The expression of these genes is completely limited to one sex, typically due to the hormones associated with that sex.
- Examples:
- Beard growth in humans is expressed only in males because it is dependent on high levels of testosterone. Females have the genes for beard growth, but they are not expressed under normal hormonal conditions.
- Milk production in mammals is limited to females, although the genes related to milk production are present in males as well.
Sex-Influenced Traits These are traits that can be expressed in both sexes, but are expressed more frequently or more strongly in one sex than the other. In these traits, an allele can be dominant in one sex and recessive in the other. These genes are typically located on the autosomes .
- Example:
- Pattern baldness in humans is a classic example. The allele for baldness (B) is dominant in males but recessive in females.
- Males: Both genotypes BB and Bb result in baldness.
- Females: Only the genotype BB results in baldness; a female with Bb has normal hair.
- The presence of horns in some sheep breeds is also sex-influenced.
- Pattern baldness in humans is a classic example. The allele for baldness (B) is dominant in males but recessive in females.
Similarities (Comparison):
- Genetic Basis: Both types of traits are controlled by genes that are present in both males and females.
- Hormonal Influence: The expression of both is significantly affected by the individual’s sex hormones (e.g., testosterone and estrogen).
- Non-Mendelian Inheritance: Both do not follow the simple rules of Mendelian inheritance because the phenotype depends not just on the genotype, but also on the sex of the organism.
Differences (Contrast):
| Feature | Sex-Limited Trait | Sex-Influenced Trait |
|---|---|---|
Expression |
Expressed in only ONE sex. | Expressed in BOTH sexes, but more commonly in one. |
Dominance Relationship |
Not applicable; it’s an “on/off” mechanism. | The dominance of an allele changes based on sex. |
Gene Location |
Can be on autosomes or sex chromosomes. | Typically located on autosomes. |
Q5. Explain the molecular basis of mutation with respect to the different chemical mutagens.
Ans. A mutation is a permanent alteration in the DNA sequence. Chemical mutagens are chemicals that increase the rate of mutation by interfering with DNA structure or replication. These mutagens act through various molecular mechanisms:
1. Base Analogs: These are chemicals with structures similar to the normal bases of DNA (A, T, C, G). During replication, they can be incorporated into DNA in place of the normal bases. Because their pairing properties are ambiguous, they can cause mispairing, leading to point mutations.
- Example: 5-Bromouracil (5-BU)
- It is an analog of thymine (T) and normally pairs with adenine (A) .
- However, it can undergo a tautomeric shift and pair with guanine (G) .
- If 5-BU (as thymine) is incorporated, during the next replication it may pair with guanine, causing an original A-T pair to change to a G-C pair (a transition mutation).
2. Alkylating Agents: These agents add alkyl groups (like methyl or ethyl groups) to DNA bases. This alters the pairing properties of the bases, leading to mispairing during replication.
- Example: Ethylmethanesulfonate (EMS)
- It adds an ethyl group to the O-6 position of guanine (G) , forming O-6-ethylguanine.
- This modified guanine now pairs with thymine (T) instead of cytosine (C).
- This results in the original G-C pair changing to an A-T pair after replication (a transition mutation).
3. Deaminating Agents: These chemicals remove amino groups (-NH₂) from bases, changing their identity.
- Example: Nitrous acid (HNO₂)
- It converts cytosine (C) to uracil (U) , which pairs with adenine (A). This leads to a G-C to T-A transition.
- It converts adenine (A) to hypoxanthine , which pairs with cytosine (C). This leads to an A-T to G-C transition.
4. Intercalating Agents: These are flat, planar molecules that “intercalate” or insert themselves between adjacent base pairs in the DNA helix. This distorts the structure of the DNA.
- Example: Proflavin, Acridine Orange, Ethidium Bromide
- When the DNA replicates, this distortion can cause the DNA polymerase to make a mistake, leading to the insertion or deletion of one or more nucleotides.
- This type of mutation is called a frameshift mutation , which can completely alter the coding sequence for a protein downstream of the mutation.
These different mechanisms show how chemical mutagens can interact with DNA at a molecular level to alter the genetic code, leading to various types of mutations.
Q6. Discuss the different postulates of Darwinism and the criticisms involved.
Ans. Darwinism, also known as the Theory of Evolution by Natural Selection , proposed by Charles Darwin, is the foundation of modern evolutionary biology. It was presented in his seminal book “On the Origin of Species” in 1859. The main postulates and the criticisms of this theory are as follows:
Main Postulates of Darwinism:
- Overproduction (or Prodigality of Nature): All organisms produce more offspring than can possibly survive to maintain the species. However, population sizes remain relatively stable because not all offspring survive.
- Struggle for Existence: Because resources (like food, space) are limited, there is a constant struggle for survival among members of a species, between different species, and between organisms and their environment.
- Variation and Heredity: Variations exist among the members of any population. No two individuals are exactly alike. Darwin believed these variations were heritable, meaning they are passed from parents to offspring.
- Survival of the Fittest (or Natural Selection): In the struggle for existence, individuals with variations that are better adapted to their environment are more likely to survive and reproduce. Individuals with unfavorable variations are eliminated. Nature “selects” these “fitter” organisms.
- Origin of New Species: Favorable variations accumulate over generations. After thousands of years, these accumulated changes can become so significant that a new species is formed, different from its ancestors.
Criticisms of Darwinism:
- Source of Variation: Darwin’s theory could not explain how variations arise. He only observed that they exist. We now know that mutation and genetic recombination are the primary sources of variation.
- Mechanism of Inheritance: The prevailing theory of inheritance in Darwin’s time was “blending inheritance,” which suggested that offspring were a blend of their parents’ traits. This theory was inconsistent with natural selection, as it would dilute new favorable variations over time. The rediscovery of Gregor Mendel’s laws of genetics solved this problem, but Darwin was unaware of his work.
- Evolution of Complex Organs: Critics argued that the gradual evolution of complex organs like the eye was impossible, as their intermediate stages might not be functionally advantageous. Darwin argued that each small improvement, however slight, could confer a selective advantage.
- Incomplete Fossil Record: The fossil record in Darwin’s time had many “missing links” or gaps, which critics used to challenge the idea of gradual evolution. While gaps still exist today, many crucial intermediate fossils have since been discovered.
- Explanation for Minor or Non-adaptive Traits: Darwin’s theory focused mainly on traits that are advantageous for survival and reproduction. It failed to explain the evolution of minor or seemingly non-adaptive traits, which we now understand can be a result of processes like genetic drift.
Despite these criticisms, Darwin’s basic framework, later integrated with genetics in the Modern Synthesis , remains the central organizing principle of evolutionary biology.
Q7. Discuss the biochemical basis of origin of life on earth.
Ans. The biochemical basis of the origin of life on Earth, also known as abiogenesis , describes how life could have gradually arisen from non-living chemical matter. The most widely accepted framework is the Oparin-Haldane hypothesis , which proposes a multi-step process.
Conditions on Early Earth: The early Earth, formed about 4.5 billion years ago, was very different from today.
- Reducing Atmosphere: The atmosphere lacked free oxygen (O₂) and was rich in gases like methane (CH₄), ammonia (NH₃), water vapor (H₂O), and hydrogen (H₂).
- Energy Sources: Abundant energy sources were available, such as intense ultraviolet (UV) radiation (due to the absence of an ozone layer), lightning, volcanic activity, and intense heat.
Stages of Biochemical Evolution:
1. Synthesis of Simple Organic Monomers: Oparin and Haldane proposed that the energy sources on early Earth acted on the gases of the reducing atmosphere to form simple organic molecules. These molecules included amino acids (building blocks of proteins), nucleotides (building blocks of DNA and RNA), simple sugars, and fatty acids. These compounds accumulated in the oceans, forming a ” primordial soup “.
- The Miller-Urey Experiment (1953): Experimental support for this hypothesis was provided by Stanley Miller and Harold Urey. They simulated the presumed conditions of early Earth (a mix of gases, water, and electrical sparks) in a closed system. Within a week, they found that several types of amino acids and other organic compounds had formed, proving that the abiotic synthesis of biological molecules was possible.
2. Polymerization: The next step was the joining of these simple monomers to form complex polymers. For instance, amino acids linked to form proteins (polypeptides), and nucleotides linked to form nucleic acids (RNA and DNA). This process may have occurred on hot clay surfaces, in evaporating tidal pools, or at deep-sea hydrothermal vents , where minerals could have acted as catalysts.
3. Formation of Protocells: These polymers then organized into membrane-bound droplets called protocells or protobionts (e.g., coacervates or microspheres). These structures had an internal environment that was different from the external one. They were capable of simple metabolic reactions and maintaining substances across a membrane, showing some primitive properties of living cells.
4. Origin of a Self-Replicating Molecule (The RNA World Hypothesis): A true cell requires the ability to store and replicate genetic information. The “RNA World” hypothesis proposes that RNA was the first genetic material, not DNA. This is because RNA can play a dual role:
- It can store genetic information, like DNA.
- It can act as an enzyme (called a ribozyme ), catalyzing chemical reactions, including its own replication.
A self-replicating RNA molecule within a protocell would have been the precursor to the first primitive living entity. Over time, evolution selected the more stable
DNA
for genetic information storage and the more efficient
proteins
for most catalytic functions, establishing the Central Dogma (DNA → RNA → Protein) that we see today.
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