Dlaczego koala jest cool? Komórki macierzyste w medycynie regeneracyjnej PL
Transkrypt
Dlaczego koala jest cool? Komórki macierzyste w medycynie regeneracyjnej PL
wersja PL KWARTALNIK KWARTALNIK ISSN ISSN 1643-8779 1643-8779 (53) 14(58) 2016 2014 BIOLOGICZNA II ŚRODOWISKOWA ŚRODOWISKOWA Komórki macierzyste w medycynie regeneracyjnej Mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu Dlaczego koala jest cool? Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych / Współczesna estetyka przyrody / Wszystko o kortyzolu Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas / Questioning the author: jak modelować dialogi na lekcjach? Ewolucja, dewolucja, nauka – recenzja książki z dyskusją / Scenariusz lekcji: komórki macierzyste wersją referencyjną jest wersja EN PL 1/2016 1 w numerze: Anna Dawid Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu 13 Anita Helińska, Barbara Świerczek, Igor Meszka, Bartosz narzędzia w internecie SZKOŁAjak zainteresować 45 Jan Amos Jelinek 96 53 104 Recenzja książki W. Stawińskiego Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych Mierzejewski, Karolina Archacka Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych w medycynie regeneracyjnej 23 Sylwia Śliwińska-Wilczewska, Zuzanna Sylwestrzak, Jakub Maculewicz, Aleksandra Zgrundo, Filip Pniewski, Adam Latała Wpływ związków allelopatycznych... i wybranych substancji pochodzenia antropogenicznego na okrzemkę Bacillaria paxillifera 31 Martyna Nowak Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce oraz główne działania mające na celu jego poprawę informacje KRÓTKOnajnowsze odkrycia zadania Marcin Trepczyński Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych Recenzja S. Pilichowskiego książki M. Giertycha Ewolucja, dewolucja, nauka – z dyskusją W nurcie życia 68 Natalia Bartoszek, Eliza Rybska 106 Nowe wydanie słynnego podręcznika: 80 Eliza Rybska 108 Recenzja książki dla dzieci Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji 88 Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas Biologia Campbella Guzik w tarapatach 109 XX Krajowa Konferencja Dydaktyków Przedmiotów Przyrodniczych – ogłoszenie 94 Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE Nowe zadanie PPP e? nim zeni r a as o d n y j w u e m ważn poinfor u.pl je się e.ed 40 Urszula Ejlak Balance is everything – how environment changes affect farm fish NAUKA 3 wydarzenia recenzje KRÓTKO NAUKAprzyroda fizyka środowisko badania narzędzia dydaktyczne jak uczyćpomysły scenariusze zajęć wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA geografia zdrowie biologia chemia wersja PL szyk u @ib ebis EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 2 Redaktorzy merytoryczni: Urszula Poziomek, Jolanta Korycka-Skorupa Kontakt z redakcją i propozycje tekstów: [email protected] Strona internetowa: ebis.ibe.edu.pl Adres redakcji: ul. Górczewska 8, 01-180 Warszawa Rada naukowa przewodniczący Rady: prof. zw. dr hab. Adam Kołątaj (Instytut Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN, Jastrzębiec), zast. przewodniczącego: prof. dr hab. Katarzyna Potyrała (Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie), a także: dr hab. Ondrej Hronec (Uniwersytet w Presowie, Słowacja), prof. dr hab. Daniel Raichvarg (Uniwersytet Burgundzki w Dijon, Francja), prof. dr hab. Valerij Rudenko (Wydział Geograficzny, Uniwersytet w Czerniowcach, Ukraina), prof. zw. dr hab. Danuta Cichy (założyciel EBiŚ) prof. zw. dr hab. Wiesław Stawiński (emerytowany profesor Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie), dr Renata Jurkowska (Uniwersytet w Stuttgarcie, Niemcy), dr Paul Davies (Institute of Education, University of London) Poza radą czasopismo posiada również zespoły doradcze oraz stałych recenzentów – zob. na stronie: ebis.ibe.edu.pl Wydawnictwo Wydawca: Instytut Badań Edukacyjnych, ul. Górczewska 8, 01-180 Warszawa Projekt okładki: Marcin Broniszewski (zdjęcie: Fotolia) Skład i łamanie: Marcin Trepczyński czasopismo punktowane: 8 punktów, indeksowane w bazach CEJSH i Index Copernicus wersją referencyjną czasopisma jest wydanie elektroniczne opublikowane na stronie: ebis.ibe.edu.pl wszystkie artykuły z abstraktami zostały zrecenzowane Szanowni Czytelnicy, z prawdziwą radością przekazujemy Państwu wersję polską pierwszego numeru kwartalnika Edukacja Biologiczna i Środowiskowa opublikowanego 1 kwietnia 2016 r. Stało się już tradycją, że pierwszy numer publikujemy w języku angielskim i polskim. Dzięki wersji angielskiej zagraniczni czytelnicy mają szansę zapoznać się z faktami i danymi opisanymi w artykułach publikowanych na łamach EBiŚ. Z drugiej zaś strony, zdajemy sobie sprawę, że dla polskich Czytelników lektura jest przyjemniejsza w rodzimym języku. Z tego właśnie powodu, choć z pewnym opóźnieniem, dostarczamy Państwu wersję polską czasopisma. Jak Państwo wiedzą, nasz kwartalnik jest podzielony na trzy części: NAUKA, SZKOŁA i KRÓTKO. W tym numerze publikujemy dwa artykuły w dziale NAUKA, których autorzy pracują na Uniwersytecie Warszawskim. Pierwszy z nich to Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu, w którym autorka wyjaśnia czynniki i mechanizmy odpowiadające za ogromną różnorodność składu białkowego w komórkach Eukaryota. Myślę, że ten problem jest ciekawy nie tylko dla uczniów właśnie rozpoczynających przygodę ze współczesną biologią, ale także dla nauczycieli szkół ponadgimnazjalnych, którzy przekazują wiedzę z tego zakresu podczas swoich lekcji. Drugi artykuł to Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych w medycynie regeneracyjnej, w którym autorzy opisują niezwykle aktualny i istotny temat, również chętnie poruszany w środkach masowego przekazu. Wykorzystanie komórek macierzystych w medycynie regeneracyjnej zostało wyjaśnione w artykule w przystępny sposób i jestem pewien, że każdy Czytelnik mający choćby podstawową wiedzę z biologii, znajdzie w nim informacje, które będzie mógł wykorzystać w swojej pracy lub podczas nauki. W dziale SZKOŁA, oprócz wielu innych artykułów mogących zainteresować nauczycieli i ped- agogów, publikujemy artykuł Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych. Autor wyjaśnia w jaki sposób dzieci i dorośli tłumaczą zjawiska astronomiczne odnosząc się do modeli umysłowych. Myślę, że tezy przedstawione w tym artykule mogą być przydatne także w innych, niekoniecznie związanych z astronomią, dziedzinach nauczania lub badań naukowych. Mam nadzieję, że Czytelnicy wersji angielskiej kwartalnika wrócą do nas w przyszłym roku, żeby zapoznać się z kolejnym numerem skierowanym do Czytelników z całego świata (ebis.ibe.edu. pl). Zapraszam też wszystkich Państwa, Czytelników wersji polskiej i angielskiej, do nadsyłania artykułów przeglądowych lub badawczych do redakcji (ebis@ ibe.edu.pl) do opublikowania na łamach kwartalnika EBiŚ. Z wyrazami szacunku, Takao Ishikawa EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Sekretarz redakcji: Marcin Trepczyński Od redakcji SZKOŁA Redaktor naczelny: Takao Ishikawa wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Redakcja wersja PL Anna Dawid Streszczenie: Wyniki sekwencjonowania genomów zaskakują brakiem wyraźnych związków między liczbą genów a poziomem skomplikowania organizmu. W połączeniu z badaniami proteomicznymi wskazują ponadto na dużą dysproporcję między liczbą białek i genów w Eukaryota. Wytłumaczeniem tych zagadek, obok modyfikacji posttranslacyjnych, mogą być mechanizmy zwiększające różnorodność proteomiczną. W pracy opisano zarówno te najczęściej przytaczane, czyli alternatywny splicing, alternatywna inicjacja i terminacja transkrypcji, jak i mniej znane – redagowanie RNA, alternatywna inicjacja translacji i rekodowanie RNA oraz mechanizm readthrough, czyli odczytanie kodonu STOP jako kodującego aminokwas. Im bardziej zgłębia się wybraną dziedzinę nauki, tym więcej zauważa się uproszczeń i przemilczeń, którymi są obdarzani uczniowie w szkołach podstawowych, gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych. Jednym z takich uproszczeń, występujących powszechnie na lekcjach biologii, jest niezwykle popularny schemat jeden gen – jedno białko. Gen jest w nim przedstawiony jako odcinek DNA ograniczony promotorem od strony 5’ i terminatorem od 3’, przepisywany w wyniku transkrypcji na liniową pojedynczą cząsteczkę informacyjnego RNA (mRNA, messenger RNA), która następnie w procesie translacji stanowi matrycę do syntezy białka kodowanego przez oryginalny gen. U Eukaryota, których geny nie są ciągłe jak u organizmów prokariotycznych, lecz poprzerywane sekwencjami niekodującymi (intronami), dochodzi jeszcze etap „składania” (splicingu), w którym z przepisanej z DNA niedojrzałej cząsteczki pre-mRNA wycinane są introny, a pozostawiane fragmenty kodujące (eksony) składane w ostateczną, dojrzałą cząsteczkę mRNA. Ta zostaje wyposażona w czapeczkę na końcu 5’ oraz ogon poliadenylowy na końcu 3’ i przetransportowana z jądra komórkowego do cytoplazmy. wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Słowa kluczowe: alternatywny splicing, alternatywne promotory, readthrough otrzymano: 16.01.2016; przyjęto: 4.03.2016; opublikowano: 1.04.2016 Anna Dawid: licencjat z biotechnologii i chemii (uzyskane odpowiednio na Wydziale Biologii i Wydziale Chemii UW), obecnie studentka II stopnia chemii i fizyki w ramach Kolegium MISMaP UW, afiliacje: Kolegium MISMaP UW oraz Wydział Biologii UW wersja PL SZKOŁA Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu 3 NAUKA Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 1. Wartości C dla wybranych grup organizmów, czyli ilości DNA w pg zawarte w haploidalnym jądrze Źródło: oprac. własne według Gregory (2005). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Od połowy XIX aż do połowy XX wieku za najważniejsze składniki komórki uważano białka. Nawet ich angielska nazwa odzwierciedla ten fakt (ang. protein pochodzi od gr. proteios, czyli „główny”, „wiodący prym”). W 1869 roku Friedrich Miescher, 25-letni naukowiec szwajcarski, podczas badania leukocytów, które łatwo można było wówczas uzyskać z ropy z zużytych bandaży zebranych w pobliskiej klinice, wyizolował z jąder komórkowych substancję zawierającą znaczące ilości azotu i fosforu, która ulegała wytrąceniu w środowisku kwaśnym, nie rozpuszczała się w wodzie i chlorku sodu, ale rozpuszczała w wodorotlenku sodu i wodorofosforanie sodu. Uznał słusznie, że w żadnym razie nie może ona zostać zaliczona do żadnej znanej wówczas grupy związków i nazwał ją „nukleiną” (Dahm, 2005). Szereg kolejnych odkryć sprawił, że kwas deoksyrybonukleinowy przestał być uważany za zwyczajną cząsteczkę obecną w jądrze, pełniącą prawdopodobnie funkcję zbiornika fosforu komórkowego (jak hipotetyzował do Ryc. 2. Liczba genów u wybranych gatunków wersją referencyjną jest wersja EN Źródło: oprac. własne na podstawie Pertea i Salzberg (2010). zawierającym geny. Przestaje być to dla nas paradoksalne współcześnie, gdy wiemy, że DNA nie składa się wyłącznie z genów, a w istocie znacząca większość genomu eukariotycznego jest niekodująca. Prawdopodobnie wiele mechanizmów doprowadziło do nagromadzenia się niekodującego DNA, a zaliczyć do nich można rozprzestrzenianie się transpozonów („samolubny” DNA), akumulacja pseudogenów („śmieciowy” DNA), występowanie intronów oraz zjawiska na poziomie chromosomalnym np. duplikacje (Gregory, 2001). Choć paradoks C został częściowo rozwiązany (pozostały pytania dotyczące pochodzenia i funkcji niekodującego DNA), to porównanie liczby genów między organizmami również daje zaskakujące wyniki. Zastanawiająca jest stosunkowo mała liczba genów, jakie posiadają zaawansowane ewolucyjnie i skomplikowane zarówno morfologicznie, jak i fizjologicznie eukarionty, a w szczególności człowiek (Cooper, 2000). Pierwsze szacowania ludzkiego genomu pod koniec lat 60. wskazywały, że może się on składać z około 2 milionów ge- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Rys historyczny końca życia Miescher), a stał się symbolem nowoczesnych nauk biologicznych. Jeden z argumentów przemawiający za rolą DNA jako materiału dziedzicznego to jego mniej więcej stała ilość (w przeciwieństwie do białek) w komórkach wszystkich tkanek danego gatunku, za wyjątkiem komórek płciowych, gdzie jest go około dwa razy mniej. W związku z tym, dla każdego gatunku można podać wartość C, czyli ilość DNA zawartego w haploidalnym jądrze komórkowym (zwykle podawane w pg lub bp). „C” według słów twórcy terminu, Hewsona Swifta, pochodzi od ang. constant (Gregory, 2005). Logicznym następstwem jest postawienie hipotezy, że ilość DNA jest wprost proporcjonalna do liczby genów, która z kolei powinna być proporcjonalna do stopnia zaawansowania ewolucyjnego organizmu. Obalona została ona natychmiast, gdy pojawiła się możliwość porównania ilości DNA między większą liczbą gatunków (Mirsky, 1951) – okazało się, że jest wiele przypadków, w których mniej rozwinięty ewolucyjnie organizm zawiera znacznie więcej DNA niż bardziej zaawansowany np. C salamandry i kury domowej różnią się ponad siedemdziesięciokrotnie (ryc. 1). W latach 70. sformułowano w związku z tym pojęcie „paradoksu C” obejmującego trzy zagadkowe fakty: • Niektóre proste organizmy mają znacznie więcej DNA niż te bardziej skomplikowane. • Genomy, rozumiane jako zbiór DNA zawarty w pojedynczej komórce organizmu, wydają się zawierać więcej DNA niż wynikałoby to z przewidywanej liczby posiadanych genów. • Niektóre grupy morfologicznie podobnych organizmów mają bardzo duży rozrzut wartości C. Płynie z nich wniosek, że zawartość DNA nie jest liniowo skorelowana z liczbą genów, co jest w tym sensie paradoksalne, że stała ilość DNA w organizmie była właśnie argumentem na to, że DNA jest materiałem wersja PL KRÓTKO Obraz ten jest zdecydowanie niepełny, a świadczy o tym kilka faktów. Jednym z nich jest brak idealnej korelacji między liczbą genów a poziomem skomplikowania organizmu. Ponadto u Eukaryota widać dużą dysproporcję między liczbą genów i białek. Świadczy to o działaniu mechanizmów znacząco zwiększających różnorodność proteomu w stosunku do złożoności genomu. Działają one na różnych etapach transkrypcji i translacji. Artykuł ma na celu ich opis z podaniem przykładów szlaków gen-białko, na których występują, ograniczając się do ich analizy u Eukaryota. Praca nie omawia modyfikacji posttranslacyjnych, których przykładami są fosforylacja i glikozylacja, a które również zwiększają różnorodność proteomu. 4 NAUKA Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 5 Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 zarodkowego i jest silna korelacja między ich użyciem a rozwojem organizmu (Baek, 2007). Jednakże translacja mRNA transkrybowanego z różnych APs może skończyć się identycznym biał- kiem, jeśli pomimo różnych końców 5’, wspólny jest dla nich ekson z miejscem inicjacji translacji (wyznaczanym najczęściej przez pierwszy kodon ATG na sensownej nici DNA), a więc ramka odczytu pozostaje taka (a) Aktywność APs (czarne strzałki) nie skutkuje powstaniem nowej izoformy białka, ponieważ drugi ekson, wspólny dla wszystkich wariantów translacyjnych, zawiera miejsce inicjacji translacji zaznaczone jako ATG. Splicing (ciągłe czarne linie) zaznaczono w (a) i (b) tylko dla dwóch pierwszych eksonów. SZKOŁA Źródło: oprac. własne na podstawie Landry i wsp. (2003). NAUKA Ryc. 3. Typy i konsekwencje alternatywnej inicjacji transkrypcji Mechanizmy zwiększające różnorodność informacji genetycznej na poziomie transkrypcji u Eukaryota (b) Aktywność APs skutkuje izoformami różniącymi się (i) sekwencją N-końca (ii) długością N-końca. Za powstawanie alternatywnych transkryptów odpowiadają takie mechanizmy jak alternatywny splicing, wykorzystanie alternatywnych promotorów, alternatywna poliadenylacja i redagowanie RNA. (c) Powstają odmienne białka na skutek zmiany ramki odczytu. Alternatywne promotory Ocenia się, że od 40 do 50% genów ludzkich ma promotory alternatywne (APs, Alternative Promoters), z których powstają transkrypty z różnymi końcami 5’ pochodzące z jednego genu (Landry, 2003). Badania wskazują, że APs najpowszechniej wykorzystywane są w komórkach mózgu, serca i wątroby podczas rozwoju wersją referencyjną jest wersja EN Ryc. 4. APs genu kodującego dystrofinę Źródło: opracowanie na podstawie Brown (2009). Strzałki oznaczają alternatywne promotory aktywne w różnych tkankach. Gen dystrofiny w 99% składa się z intronów (kolor szary), żółtym kolorem oznaczone są eksony. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO nów kodujących białka (Kauffman, 1969). Z upływem czasu podawane były coraz mniejsze liczby. Z początkiem lat 90. szacowania genetyków skłaniały się ku 100 tys. genów (Pennisi, 2003), by w XXI wieku okazało się, że Homo sapiens ma tylko ok. 22 tys. genów, czyli 5 razy więcej niż Escherichia coli i mniej niż winorośl czy jeżowce (ryc. 2). Naukowców zaskoczyły też wyniki badań proteomicznych. W 2014 roku ukazała się publikacja, w której podsumowano dotychczasowe rezultaty analizy ludzkiego proteomu. Po przebadaniu 17 294 genów, zidentyfikowano łącznie 30 057 białek powstałych z 293 700 unikalnych peptydów (Kim i wsp., 2014), co daje prawie 17 razy więcej peptydów niż sekwencji je kodujących. Na pomoc w zrozumieniu tych frapujących statystyk przyszło wiele badań z ostatnich 20-25 lat, świadczących o istnieniu niezwykłych mechanizmów, które umożliwiają produkcję wielu białek na podstawie jednego genu. wersja PL promotorach prowadzą do różnych chorób, w tym nowotworów, zaburzeń neuropsychiatrycznych i chorób rozwojowych. Wybór AP następuje na jednej z dwóch dróg: zmian w chromatynie i regulacji komórkowej poprzez czynniki specyficzne dla danej tkanki (de Klerk i ‘t Hoen, 2015). Typowym przykładem działania drugiego z tych mechanizmów jest gen kodujący dystrofinę (ryc. 4), będący jednocześnie największym poznanym ludzkim genem (2,5 Mb, 1,5% długości chromosomu X, 0,1% ludzkiego genomu). Składa się z 79 eksonów i posiada wiele APs, które są w różny sposób aktywowane w zależności od tkanki, czego efektem są różne białka o odmiennych funkcjach. Alternatywny splicing wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA Kanoniczny splicing polega na wycinaniu intronów (czyli sekwencji niekodujących) z pre-mRNA i pozostawianiu w nich wyłącznie eksonów (sekwencji kodujących). O alternatywnym splicingu (AS) mówi się w przypadku, gdy eksony z pre-mRNA łączone są ze sobą na różne sposoby (co może skutkować m.in. zmianą funkcji produktu), czasem z pominięciem niektórych eksonów i zachowaniem pewnych intronów (co może wpływać na intensywność translacji lub stabilność mRNA). U ssaków około 95% genów koduje transkrypty podlegające AS (Shabalina, 2014). Wyróżnia się pięć głównych zdarzeń AS: pomijanie eksonów (ryc. 5a), użycie alternatywnych eksonów startowych lub końcowych (ryc. 5b,c), zachowanie intronów (ryc. 5d) i wzajemnie wykluczanie się eksonów (ryc. 5e). U kilku organizmów zaobserwowano AS w układzie trans, czyli składanie RNA z eksonów różnych genów (nie przedstawiono na schemacie). W omawianiu zjawiska AS wyróżnia się też dwa typy eksonów: konstytutywne, które prawie zawsze są włączane do dojrzałego wersja PL a) b) Ryc. 5. Alternatywny splicing c) d) Źródło: oprac. własne na podstawie Keren i wsp. (2010). Eksony przedstawione są jako prostokąty (konstytutywne – niebieskie, alternatywne – fioletowe), introny jako ciągłe linie, linie przerywane wskazują opcje splicingowe. e) EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO sama (ryc. 3a). Takie transkrypty mogą jednak różnić się specyficznością tkankową, poziomem ekspresji lub strukturą drugorzędową regionów nieulegających translacji (UTR, Untranslated Region), co również może wpływać na stabilność transkryptu lub wydajność inicjacji translacji. Przykładem może być gen CYP19 kodujący aromatazę P450, inaczej syntazę estrogenu, zawierający tkankowo specyficzne APs, których użycie umożliwia regulację ekspresji CYP19 w trakcie rozwoju (Kamat, 2002). W innych przypadkach transkrypty pochodzące z różnych APs kodują odmienne białka. Jest to możliwe, gdy APs zawierają odmienne miejsca startu transkrypcji. Mogą różnić się tylko końcem 5’ – sekwencją (rcy. 3b,i) lub długością (izoforma ΔN) od białka pochodzącego z transkryptu z promotora podstawowego (ryc. 3b,ii) lub różnić się diametralnie na skutek przesunięcia ramki odczytu (ryc. 3c). Aktywność APs w genie białka PPARγ daje efekt w postaci dwóch izoform białkowych różniących się specyficznością tkankową (Fajas i wsp., 1997). W wyniku transkrypcji jednego genu z różnych APs powstają białka o odmiennych funkcjach INK4A i ARF (Quelle i wsp., 1995). Ciekawym przykładem izoformy ΔN powstałej w wyniku aktywności AP jest ΔNp73. Białko p73 działa podobnie do p53, czyli odpowiada m.in. za zatrzymanie cyklu komórkowego, indukcję apoptozy i aktywację genów, z których wyrażone białka pełnią podobne funkcje. Białko ΔNp73 jest negatywnym regulatorem zarówno p73, jak i p53. Zachowanie ewolucyjne tego AP między gatunkami sugeruje, że istnieje korzyść dla organizmu w wyrażaniu potencjalnie onkogennego białka. Badania wskazują, że jego obecność jest niezbędna do prawidłowej indukcji apoptozy przez p53 i p75 (Pozniak i wsp., 2000). Badania prowadzone na pojedynczych genach wykazały, że wybór APs odgrywa bardzo ważną rolę podczas rozwoju i różnicowania, a mutacje w tych 6 NAUKA Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Użycie miejsc alternatywnej poliadenylacji powoduje powstanie transkryptów różniących się końcem 3’. Transkrypty takie mogą różnić się długością regionu kodującego, jeśli miejsca alternatywnej poliadenylacji leżą w eksonie (lub intronie, jeśli w wyniku AS zostanie włączony do dojrzałego mRNA), jednak najczęściej alternatywna poliadenylacja odpowiada za różne długości 3’-UTR, co wpływa na lokalizację, stabilność i wydajność translacji, ale sprawia też, że proces ten nie zwiększa znacząco różnorodność proteomicznej (de Klerk i ‘t Hoen, 2015). Przykładem generowania różnorodności białek przez alternatywną poliadenylację jest wykorzystanie miejsca alternatywnej poliadenylacji w intronie 9 transkryptu genu luc7l2 u myszy, czego efektem jest skrócone białko z inną domeną C-końcową, występujące m.in. w mózgu, nerkach i żołądku (Howell i wsp., 2007). Redagowanie RNA Redagowanie RNA (inaczej: edytowanie RNA) to proces polegający na zmianach sekwencji nukleotydowej RNA zaraz po jego syntezie. Choć stosunkowo rzadki, to został zaobserwowany u bardzo wielu grup eukariotycznych – zarówno u ludzi, jak i protistów (np. świdrowców) i roślin (Brennicke i wsp., 1999). Do edytowania RNA nie zalicza się powszechnych form modyfikacji RNA opisanych wyżej (splicingu, dodawaniu czapeczki i poliadenylacji), definicja natomiast obejmuje takie zdarzenia jak insercja, delecja i zamiana zasady azotowej w obrębie redagowanego RNA. Edytowaniu podlegają zarówno tRNA, rRNA, jak i mRNA, ale oczywiście tylko zmiany w tym ostatnim mogą wpłynąć na sekwencję aminokwasową białka. Sztandarowym przykładem omawianego zjawiska jest edytowanie mRNA ludzkiej apolipoproteiny B (ryc. 6). Syntetyzowana w wątrobie apopoliproteina B100 („100” wskazuje liczbę kDa), zbudowana z 4563 aminokwasów, jest wydzielana do krwiobiegu, gdzie uczestniczy w transporcie lipidów. W komórkach jelita mRNA pochodzący z tego genu ulega redagowaniu poprzez deaminację cytozyny, przekształcającą ją w uracyl, co zmienia kodon CAA (kodujący glutaminę) na UAA, czyli kodon STOP. Efektem jest powstanie skróconego białka – apolipoproteiny B48 (tylko 48 kDa z początkowych 100), odpowiedzialnej za wiązanie i resorpcję kwasów tłuszczowych w wyściółce jelita (Brennicke i wsp., 1999). Najlepiej opisanym typem redagowania jest deaminacja adenozyny do inozyny, przeprowadzana przez deaminazy adenozynowe działające na RNA (ADAR, adenosine deaminases acting on RNA) (Sacharczuk i wsp., 2004). Substratem ADAR jest dwuniciowy RNA, który może powstać na skutek tworzenia par przez sekwencje intronowe i eksony przed etapem wycinania intronów w procesie składania RNA lub w wyniku łączenia mRNA z RNA antysensownym. Konwersję adenozyny do inozyny zaobserwowano po raz pierwszy w tRNA drożdży. Inozyna jest interpretowana przez aparat translacyjny jako guanozyna, co wynika z ich podobnych właściwości chemicznych. Efektami tej konwersji są m.in. obniżenie przepływu wapnia przez kanał jonowy na skutek zmiany kodonu glutaminowego na argininowy w mRNA kodującym podjednostkę receptora kwasu glutaminowego oraz znaczące zmiany w efektywności wiązania białka G przez receptor serotoninowy. Redagowanie RNA ma też swój udział w uzyskiwaniu różnorodności przeciwciał na skutek edytowania mRNA immunoglobulin w limfocytach B. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Alternatywna poliadenylacja wersja PL SZKOŁA mRNA oraz alternatywne, które najczęściej ulegają pominięciu. Pomijanie eksonów to blisko 40% przypadków AS u wyższych eukariontów, za to jest bardzo rzadkie u niższych (Keren i wsp., 2010). Zaobserwowano pewne charakterystyczne cechy konserwowanych eksonów alternatywnych: są one krótsze niż konstytutywne, a ich długość w liczbie par zasad jest podzielna przez trzy, co pozwala na zachowanie ramki odczytu zarówno przy pominięciu jak i uwzględnieniu eksonu. Niekonserwowane eksony alternatywne nie mają tych cech (de Klerk i ‘t Hoen, 2015). Ponadto, u człowieka częściej pomijane są eksony oflankowane przez dłuższe introny (Keren i wsp., 2010). Alternatywne końce transkryptu mogą występować, gdy w eksonach końcowych rozpoznawane jest więcej niż jedno miejsce splicingowe; takie przypadki stanowią kilkanaście procent zdarzeń AS. Zachowanie intronów występuje przede wszystkim u roślin, grzybów i pierwotniaków, u H. sapiens stanowi jedynie 2-5% zdarzeń AS, co jednak przy 252 243 intronach może wpływać znacząco na proteomiczną różnorodność (Hubé i Francastel, 2015). Wciąż nie całkiem jest jasne, w jaki sposób spliceosom rozpoznaje alternatywne eksony i dokonuje między nimi wyboru. AS m.in. odgrywa ważną rolę w determinacji płci Drosophila (Venables i wsp., 2012) oraz jest źródłem zróżnicowania właściwości słuchowych u ludzi przez generowanie ogromnej liczby transkryptów genu SLO w komórkach włoskowatych ślimaka (Graveley, 2001). Jako że AS wydaje się raczej regułą niż wyjątkiem dla ludzkich genów, nie jest zaskakujące, że zaburzenia splicingu konkretnych genów wiążą się z chorobami genetycznymi. Najlepiej opisane to rdzeniowy zanik mięśni, dystrofia miotoniczna, retinopatia barwnikowa, syndrom Frasiera oraz hemofilia A (Ghigna i wsp., 2008). 7 KRÓTKO Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Alternatywna inicjacja translacji Już w 1987 r. wiadomo było, że u ssaków translacja może rozpocząć się od kodonu innego niż AUG np. ACG (Peabody, 1987) lub CUG (Starck i wsp., 2012). Mechanizm wyboru alternatywnych miejsc inicjacji Open Reading Frame), powstanie białko różniące się N-końcem względem białka powstałego w wyniku kanonicznej translacji, • jeśli alternatywny TIS będzie w innej ramce odczytu niż główny ORF lub translacja rozpoczynająca się od alternatywnego TIS kończy się na kodonie STOP znajdującym się powyżej głównego ORFa, spowoduje to powstanie zupełnie odmiennego białka. Ponadto ORFy znajdujące się w całości w sekwencji poprzedzającej głównego ORFa (uORF, Upstream Open Reading Frame) stanowią ważny element regulatorowy w ekspresji genów. Rozpoznanie rozpoczynającego je TIS przez skanującą podjednostkę rybosomalną 40S i zasocjowane czynniki inicjacyjne może skutkować zatrzymaniem rybosomu w fazie elongacji lub terminacji na uORF, blokując dostęp do głównego ORFa dla innych rybosomów lub indukując rozkład mRNA, bezpośrednio wpływając na wydajność translacji głównego ORFa (Medenbach i wsp., 2011 oraz Barbosa i wsp., 2013). Ryc. 6. Redagowanie mRNA ludzkiej apolipoproteiny B Źródło: oprac. własne na podstawie Brown (2009) Ryc. 7. Przesunięcie ramki odczytu w translacji antyzymu ODC Źródło: oprac. własne według Ivanov i wsp. (2000) EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Ludzki transkryptom zawiera ponad 80 tysięcy transkryptów kodujących białka, a szacowany rozmiar proteomu waha się między 250 tys. a 1 mln rodzajów polipeptydów bez uwzględnienia modyfikacji posttranslacyjnych (de Klerk i ‘t Hoen, 2015). Daje to od trzech do prawie 13 białek na jeden transkrypt i świadczy o silnie rozwiniętych translacyjnych mechanizmach zwiększających różnorodność białek. Za takowe uważa się alternatywną inicjację translacji oraz rekodowanie RNA, do którego zalicza się poślizg i przeskok rybosomu, zmiana dopasowania kodon-aminokwas oraz readthrough, czyli pomijanie kodonu STOP. translacji (TIS, Translation Initiation Sites) jest wciąż niejasny, jednak prawdopodobnie zachodzi na dwa sposoby: zależny i niezależny od czapeczki (Wan i Qian, 2013). W mechanizmie zależnym, do metyloguanozyny na końcu 5’ mRNA wraz z wieloma czynnikami inicjacji translacji rekrutowana jest mała podjednostka rybosomu (40S), tworząc kompleks preinicjacyjny 43 S, który migruje wzdłuż 5’ UTR w ATP-zależnym procesie zwanym skanowaniem, aż do momentu znalezienia TIS, zazwyczaj kodonu AUG. Jest to najpowszechniejszy mechanizm u eukariontów. Drugi mechanizm inicjacji translacji polega na starcie w miejscu wyznaczonym przez drugorzędową strukturę mRNA (najczęściej w obrębie 5’ UTR, lecz nie zawsze), zwanym wewnętrznym miejscem wejścia rybosomu (IRES, Internal Ribosome Entry Site). Skutki wyboru TIS z regionu 5’ UTR w kontekście generowania różnorodności proteomicznej mogą być dwojakie: • jeśli translacja rozpoczynająca się od alternatywnego TIS kończy się na tym samym kodonie STOP, co kodon STOP głównej otwartej ramki odczytu (ORF, wersja PL SZKOŁA Translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu 8 KRÓTKO Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Przesunięcie ramki odczytu (frameshifting) W rozpoznawanych przez rybosom miejscach przesunięcia ramki odczytu, na skutek sygnałów pochodzących najczęściej z oddalonych od tego fragmentu rejonów RNA, rybosom może wydajnie „prześlizgnąć” się do przodu lub do tyłu o jeden lub dwa nukleotydy (odpowiednio, +1, +2, -1 i -2), co powoduje zmianę ramki odczytu i w efekcie powstanie białka o sekwencji aminokwasowej odmiennej od kanonicznej, oczywiście poczynając tylko od miejsca poślizgu. Frameshifting +1 i -1 występuje u wielu organizmów, jednak +2 i -2 opisano dotychczas tylko w sztucznych systemach testowych (Gesteland i Atkins, 1996). Dobrze poznanym przykładem tego zjawiska jest mechanizm działania antyzymu dekarboksylazy ornitynowej (ODC, Ornithine Decarboxylase) (ManteuffelCymborowska, 1996). Po raz pierwszy został opisany jako inhibitor dekarboksylazy ornitynowej, którego aktywność zwiększają poliaminy, związki bardzo potrzebne organizmowi (m.in. wpływają na szybkość i dokładność translacji), lecz silnie toksyczne w nadmiarze, w biosyntezie których uczestniczy ODC. Klonowanie genu kodującego antyzym wykazało, że ORF kodujący biochemicznie funkcjonalne białko nie zawiera kodonu START. Zamiast tego, translacja inicjowana jest w poprzedzającym i częściowo nachodzącym na niego ORFie w taki sposób, że przesunięcie ramki odczytu o jeden nukleotyd daje funkcjonalny produkt w postaci antyzmu (Ivanov i wsp., 2000). Dalsza analiza wykazała, że przesuwanie ramki odczytu ma faktycznie miejsce i jest stymulowane przez wysoki poziom poliamin w komórce (ryc. 7). Oznacza to, że synteza antyzymu podlega ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu – jego synteza prowadzi do hamowania ODC, a w konsekwencji spadku stężenia poliamin i braku stymulacji przesunięcia ramki odczytu, a więc i spadku ilości antyzymu. Mechanizm przesunięcia ramki odczytu występuje sze- Ryc. 8. Mechanizm odczytywania UGA jako kodującego selenocysteinę NAUKA Już ponad 40 lat temu pojawiły się przesłanki przemawiające za tym, że kod genetyczny nie jest w pełni uniwersalny (Weiner i Weber, 1973 oraz Gesteland i Atkins, 1996). Różne warianty kodu genetycznego zaobserwowano u wielu organizmów i w takim przypadku zmiana znaczenia kodonu dotyczy całego transkryptomu danego gatunku (organellum) i niezależnie od jego otoczenia w mRNA (Atkins i Baranov, 2010). Jeszcze bardziej zagadkowe były późniejsze odkrycia, gdy w latach 80. zaobserwowano przesuwanie ramki odczytu podczas translacji u E. coli, a później także wykorzystania podczas translacji dwóch niekanonicznych aminokwasów, selenocysteiny i pirolizyny. Te zjawiska zalicza się do rekodowania RNA, czyli mechanizmu polegającego na wpływie pewnych sekwencji nukleotydowych na maszynerię translacyjną, czego efektem są zmiany translacyjne takie jak zmiana ramki odczytu (frameshifting), zmiana dopasowania kodonu do aminokwasu (redefinition), przeskok rybosomu (hopping) oraz readthrough, czyli odczyt kodonu STOP jako kodującego aminokwas. Rezultatem rekodowania RNA jest zmiana sekwencji aminokwasowej produktu białkowego. Należy podkreślić, że rekodowanie RNA to proces dynamiczny, będący pod wpływem wielu sygnałów komórkowych i konkurujący z podstawowym odczytem translacyjnym mRNA (Atkins i Baranov, 2010). wersją referencyjną jest wersja EN Źródło: oprac. własne według Copeland (2003) roko w wielu grupach organizmów, od grzybów po ssaki i jest silnie konserwowany ewolucyjnie. Włączanie selenocysteiny do łańcucha polipeptydowego Niezwykłym przykładem rekodowania RNA jest włączanie selenocysteiny (Sec) (ryc. 8). Nazywana 21. aminokwasem, wbudowywana jest do łańcucha polipeptydowego podczas translacji u archeontów, bakterii i eukariontów (Ivanov i wsp., 2000). Do translacji kodonu STOP UGA (zwanego opal) jako selenocysteiny konieczne są (Copeland, 2003): • elementy cis w 3› UTR mRNA tworzące strukturę spinki do włosów, zwane sekwencjami insercji selenocysteiny (SECIS, Selenocysteine Insertion Sequence) w kompleksie z białkiem wiążącym SECIS 2 (SBP2), • tRNA z antykodonem UCA i naładowany selenocysteiną (tRNASecUCA), utworzony w wyniku modyfikacji seryny w tRNASerUCA katalizowa- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Rekodowanie RNA wersja PL KRÓTKO Użycie alternatywnych TIS jest powszechne u zwierząt (de Klerk i ‘t Hoen, 2015) i występuje zarówno pod wpływem stresu, jak i w warunkach fizjologicznych. Szacuje się, że 50%-65% mRNA zawiera więcej niż jedno TIS, a ich występowanie w ssaczych mRNA próbuje się skatalogować w TISdb (Translation Initiation Sites database) (Wan i Qian, 2013). 9 W przeskoku translacyjnym rybosom „przeskakuje” przez część mRNA, nie wstawiając żadnego aminokwasu. Można to opisać jako rodzaj „translacyjnego splicingu”. Opuszczony region ma zawsze długość wielokrotności trzech nukleotydów, dlatego przeskok rybosomu nie powoduje przesunięcia ramki odczytu. Jeżeli opuszczona sekwencja była w całości kodująca, to produkt jest po prostu krótszy niż ten, który powstałby w wyniku kanonicznej translacji. Jeżeli w opuszczonej sekwencji znajdował się kodon STOP, przeskok rybosomu powoduje translację sekwencji dotychczas niekodującej (Ivanov i wsp., 2000). Przez wiele lat jedynym potwierdzonym przypadkiem przeskoku rybosomalnego pozostawała ekspresja genu 60 bakteriofaga T4, ostatnio jednak zaobserwowano powszechne występowanie tego zjawiska w ekspresji genów mitochondrialnych drożdży Magnusiomyces capitatus (Lang i wsp., 2014). Readthrough Pierwszy raz pojęcia „readthrough” użyto prawdopodobnie w latach 70. (Forget i wsp., 1975), a stosuje się je do określenia zjawiska, w którym sygnał terminacji pochodzący od kodonu STOP jest ignorowany, a translacja kontynuowana w tej samej ramce odczytu. STOP, translacja kończy się jak zawsze. Jeśli jednak ominięty kodon STOP był jedynym w tej ramce odczytu, rybosom pozostaje złączony z końcem 3’ mRNA tworząc kompleks rybosom-łańcuch potomny białka (RNC, ribosome-nascent chain-mRNA complex). Taki mRNA uwięziony w RNC jest rozpoznawany przez białka Ski w procesie NSD (nonstop mRNA decay) i ulega degradacji (Wu i Brewer, 2012). Przez wiele lat uważano, że readthrough kodonu STOP odgrywa u eukariontów niewielką rolę, jako że eksperymentalnie został zaobserwowany tylko dla sześciu genów typu dzikiego w trzech gatunkach: genów syn (Klagges i wsp., 1996), kelch (Robinson i Cooley, 1997) i hdc (Steneberg i Samakovlis, 2001) u Drosophila melanogaster, PDE2 i IMP3 u S. cerevisiae (Namy i wsp., 2001, 2003) oraz genu β − globiny u królika. Ostatnie badania wskazują jednak, że readthrough jest stosunkowo częstym zjawiskiem u Drosophila i być może też innych stawonogów (Jungreis i wsp., 2011). Niedawno odkryto, że programowane readthrough kodonu STOP w komórkach ludzkich jest odpowiedzialne za powstawanie peroksysomalnych izoform enzymów cytozolowych (Stiebler i wsp., 2014) oraz doświadczalnie potwierdzono zachodzenie readthrough w genach OPRK1, OPRL1, MAPK10 i AQP4 u człowieka (Loughran i wsp., 2014). Zakończenie Wszystkie opisane mechanizmy zwiększają potencjał kodujący genomów i obok modyfikacji posttranslacyjnych stanowią wytłumaczenie, w jaki sposób w organizmie może występować kilkadziesiąt razy więcej rodzajów białek niż genów je kodujących. Ich istnienie wskazuje też, że proporcja między liczbą genów a poziomem zaawansowania ewolucyjnego i skomplikowania organizmu nie musi być zachowana. Omawiane EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Przeskok rybosomu (hopping, bypassing) Naukowcy nie mogą się zgodzić, czy readthrough jest błędem translacyjnym, czy „zaprogramowanym” procesem (Rospert i wsp., 2005 oraz von der Haar i Tuite, 2007). Nie zalicza się do niego odczytania kodonu STOP jako kodującego selenocysteinę z uwagi na zupełnie odmienny mechanizm zjawiska. Większość tego, co wiemy na temat terminacji translacji oraz mechanizmu readthrough u eukariontów pochodzi z badań na drożdżach, a szczególnie Saccharomyces cerevisiae (von der Haar i Tuite, 2007). Readthrough polega na oddziaływaniu z kodonem STOP tRNA naładowanego aminokwasem, co skutkuje kontynuacją translacji. Dopasowanie kodon-antykodon może być całkowite w sytuacji, gdy kodon STOP rozpoznawany jest przez supresorowe tRNA powstałe w wyniku mutacji punktowej w antykodonie (np. tRNALysUUC może zmutować do tRNALysAUC i rozpoznawać w związku z tym kodon STOP AUC, zwany amber, zamiast kodon kodujący lizynę), które ulegają mimo to aminoacylacji (świadczy to o tym, że o swoistości aminoacylacji stanowią elementy leżące poza antykodonem). Supresorowe tRNA występują naturalnie u eukariontów (Beier i Grimm, 2001). Dopasowanie kodon STOP-antykodon naładowanego aminokwasem tRNA może być również niepełne w przypadku tzw. „przeciekających” (leaky) kodonów STOP (Jungreis i wsp., 2011). Takie dopasowanie prowadzi do włączenia aminokwasu zamiast terminacji z częstością od 1 do 30% w zależności od obecności sekwencji promujących (Namy i wsp., 2001). Podczas readthrough kodony UAA i UAG najczęściej są rozpoznawane jako kodujące glutaminę, tyrozynę lub lizynę, podczas gdy kodon UGA jako kodujący tryptofan, cysteinę lub argininę (Blanchet i wsp., 2014). Efektem readthrough jest synteza polipeptydu o wydłużonym C-końcu. Konsekwencje dla aparatu translacyjnego zależą od natury regionu 3’ w mRNA. Jeśli poniżej zajścia readthrough znajduje się kolejny kodon wersja PL SZKOŁA nej przez syntazę selenocysteiny, a polegającej na przeniesieniu selenu z selenofosforanu na grupę hydroksylową seryny, • czynnik elongacyjny eEFSec specyficzny dla tego tRNA, determinujący zdolność przyłączenia tRNASec do kodonu opal. Selenoproteiny pełnią głównie role oksydoredukcyjne. Sec znajduje się w miejscu aktywnym m.in. peroksydazy glutationowej, dejodynazy jodotyroninowej i reduktazy tioredoksynowej (Kryczyk i Zagrodzki, 2013). 10 KRÓTKO Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Literatura Atkins JF, Baranov PV (2010). The distinction between recoding and codon reassignment. Genetics, 185(4):1535–1536. Baek D, Davis C, Ewing B, Gordon D, Green P (2007). Characterization and predictive discovery of evolutionarily conserved mammalian alternative promoters. Genome Res, 17(2):145–155. Barbosa C, Peixeiro I, Romão L (2013). Gene expression regulation by upstream Open Reading Frames and human disease. PLoS Genet, 9(8):e1003529. Beier H, Grimm M (2001). Misreading of termination codons in eukaryotes by natural nonsense suppressor tRNAs. Nucleic Acids Res, 29(23):4767–4782. Blanchet S, Cornu D, Argentini M, Namy O (2014). New insights into the incorporation of natural suppressor tRNAs at stop codons in Saccharomyces cerevisiae. Nucleic Acids Res, 42(15):10061–10072. Brennicke A, Marchfelder A, Binder S (1999). RNA editing. FEMS Microbiol Rev, 23(3):297–316. Brown T (2009). Genomy. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Cooper GM, edytor (2000). The Cell: A Molecular Approach. Sinauer Associates. Rozdział „The Complexity of Eukaryotic Genomes”, II wydanie. Copeland PR (2003). Regulation of gene expression by stop codon recoding: selenocysteine. Gene, 312:17–25. de Klerk E, ‘t Hoen PAC (2015). Alternative mRNA transcription, processing and translation: insights from RNA sequencing. Trends Genet, 31(3):128–139. Dahm R (2005). Friedrich Miescher and the discovery of DNA. Dev Biol, 278(2):274–288. Fajas L, Auboeuf D, Raspé E, Schoonjans K, Lefebvre AM, Saladin R, ..., Auwerx J (1997). The organization, promoter analysis, and expression of the human PPARγ gene. J Biol Chem, 272(30):18779– 89. Gesteland RF, Atkins JF (1996). Recoding: dynamic reprogramming of translation. Annu Rev Biochem, 65:741–768. Ghigna C, Valacca C, Biamonti G (2008). Alternative splicing and tumor progression. Curr Genomics, 9(8):556–570. Graveley BR (2001). Alternative splicing: increasing diversity in the proteomic world. Trends Genet, 17(2):100–107. Gregory TR (2001). Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev Camb Philos Soc, 76(1):65–101. Gregory TR, edytor (2005). The Evolution of the Genome. Elsevier Inc. Rozdział „Genome size evolution in animals”. Howell VV, Jones JM, Bergren SK, Li L, Billi AC, Avenarius MR, Meisler MH (2007). Evidence for a direct role of the disease modifier SCNM1 in splicing. Hum Mol Genet, 16(20):2506–2516. Hubé F, Francastel C (2015). Mammalian introns: When the junk generates molecular diversity. Int J Mol Sci, 16(3):4429–4452. Ivanov IP, Gurvich OL, Gesteland RF, Atkins JF (2000). Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Rozdział „Recoding: Site- or mRNA-Specific Alteration of Genetic Readout Utilized for Gene Expression”. Jungreis I, Lin MF, Spokony R, Chan CS, Negre N, Victorsen A, White KP, Kellis M (2011). Evidence of abundant stop codon readthrough in Drosophila and other metazoa. Genome Res, 21(12):2096–2113. Kamat A, Hinshelwood MM, Murry BA, and Mendelson CR (2002). Mechanisms in tissue-specific regulation of estrogen biosynthesis in humans. Trends Endocrinol Metab, 13(3):122–128. Kauffman SA (1969). Metabolic stability and epigenesis in randomly constructed genetic nets. J Theoret Biol, 22(3):437-467. Keren H, Lev-Maor G, Ast G (2010). Alternative splicing and evolution: diversification, exon definition and function. Int J Mol Sci, 11(5):345–355. Kim MS, Pinto S, Getnet D, Nirujogi RS, Manda SS, Chaerkady R, ..., Pandey A (2014). A draft map of the human proteome. Nature, 509(7502):575–581. Kryczyk J, Zagrodzki P (2013). Selen w chorobie Gravesa-Basedowa. Postepy Hig Med Dosw (online), 67: 491-498. Landry JR, Mager DL, Wilhelm BT (2003). Complex controls: the role of alternative promoters in mammalian genomes. Trends Genet, 19(11):640–648. Lang BF, Jakubkova M, Hegedusova E, Daoud R, Forget L, Brejova B, Vinar T, ..., Nosek J (2014). Massive programmed translational jumping in mitochondria. Proc Natl Acad Sci USA, 111(16):5926– 5931. Loughran G, Chou M-Y, Ivanov IP, Jungreis I, Kellis M, Kiran AM, Baranov PV, Atkins JF (2014). Evidence of efficient stop codon readthrough in four mammalian genes. Nucleic Acids Res, 42(14):8928–8938. Manteuffel-Cymborowska M (1996). Dekarboksylaza ornitynowa jedynym nieubikwitynowanym białkiem degradowanym przez 26s proteasomy? Postępy Biochemii, 42(2):113–120. Medenbach J, Seiler M, Hentze MW (2011). Translational control via protein-regulated upstream Open Reading Frames. Cell, 145(6):902–913. Mirsky AE, Ris H (1951). The desoxyribonucleic acid content of animal cells and its evolutionary significance. J Gen Physiol, 34(4):451–462. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA chanizmów dekodowania informacji genetycznej i choć wiele pytań pozostaje jeszcze bez odpowiedzi, to kolejne odkrycia zapewne rozwiążą część z nich. wersja PL SZKOŁA mechanizmy mogły powstać na skutek silnej presji ewolucyjnej na organizmy z kompaktowymi genomami, takimi jak wirusy i tam też te mechanizmy występują najczęściej. U Eukaryota, poza zwiększeniem potencjału kodującego genomu (który w znaczącej większości wydaje się nie kodować polipeptydów), mechanizmy te dają możliwość regulowania proporcji różnych białek kodowanych przez ten sam gen na różnych etapach jego ekspresji. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu wydawało się, że biologia molekularna podlega prostemu postulatowi „jeden gen – jedno białko”. Widać jednak, że ekspresja genów jest bogatsza w zdarzenia niż się wydawało. Niezwykłe skomplikowanie procesu odczytania informacji genetycznej może zaskakiwać – dlaczego ewolucja faworyzowała zmniejszanie ilości sekwencji kodujących i powstawanie mechanizmów zwiększających różnorodność proteomiczną zamiast wykorzystać większą część genomu do kodowania białek? Wciąż za mało wiemy zarówno o ewolucji tych mechanizmów, jak i o roli niekodującego DNA, by dać jednoznaczną odpowiedź, jednak są przesłanki świadczące o tym, że przewagą mechanizmów zwiększających potencjał kodujący jest większa możliwość ich regulacji. Są one wrażliwe na wiele czynników regulatorowych, bywają specyficzne tkankowo i zmieniają się wraz z rozwojem organizmu. Żyjemy w fantastycznym okresie, w którym sekwencjonowanie genomów i transkryptomów umożliwia wielkoskalowe badanie różnorodnych mechanizmów biologicznych i porównywanie ich między gałęziami drzewa ewolucyjnego. Publikacje genomów człowieka, S. cerevisiae i wielu innych kręgowców, bezkręgowców, drożdży, roślin i pierwotniaków jak również ich transkryptomów daje szerokie pole do badań genomice porównawczej i analizie transkryptomicznej. Od złamania kodu genetycznego w latach 60. XX wieku zrobiono wielkie postępy w rozumieniu me- 11 KRÓTKO Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Transkrypcyjne i translacyjne mechanizmy zwiększające różnorodność proteomu | Anna Dawid | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA NAUKA initiation in mammalian cells. Nucleic Acids Res, 42(D1):D845– D850. Weiner AM, Weber K (1973). A single UGA codon functions as a natural termination signal in the coliphage Qβ coat protein cistron. J Mol Biol, 80(4):837–855. Wu X, Brewer G (2012). The regulation of mRNA stability in mammalian cells: 2.0. Gene, 500(1):10–21. KRÓTKO Namy O, Hatin I, Rousset JP (2001). Impact of the six nucleotides downstream of the stop codon on translation termination. EMBO Rep, 2(9):787–793. Namy O, Duchateau-Nguyen G, Hatin I, Denmat SH-L, Termier M, Rousset JP (2003). Identification of stop codon readthrough genes in Saccharomyces cerevisiae. Nucleic Acids Res, 31(9):2289–2296. Peabody DS (1987). Translation initiation at an ACG triplet in mammalian cells. J Biol Chem, 262(24):11847–51. Pennisi E (2003). A low gene number wins the GeneSweep pool. Science 300: 1484. Pertea M, Salzberg SL (2010). Between a chicken and a grape: estimating the number of human genes. Genome Biol, 11(5):206. Pozniak CD, Radinovic S, Yang A, McKeon F, Kaplan DR, Miller FD (2000). An anti-apoptotic role for the p53 family member, p73, during developmental neuron death. Science, 289(5477):304–6. Quelle DE, Zindy F, Ashmun RA, Sherr CJ (1995). Alternative reading frames of the INK4a tumor suppressor gene encode two unrelated proteins capable of inducing cell cycle arrest. Cell, 83(6):993–1000. Robinson DN, Cooley L (1997). Examination of the function of two kelch proteins generated by stop codon suppression. Development, 124(7):1405–1417. Rospert S, Rakwalska M, Dubaquié Y (2005). Polypeptide chain termination and stop codon readthrough on eukaryotic ribosomes. Rev Physiol Biochem Pharmacol, 155:1–30. Sacharczuk M, Jaszczak K, Świergiel AH (2004). Funkcjonalne znaczenie redagowania transkryptów przez deaminazę adenozyny dwuniciowego RNA. Kosmos, 263(2):147–154. Shabalina SA, Ogurtsov AY, Spiridonov NA, Koonin EV (2014). Evolution at protein ends: major contribution of alternative transcription initiation and termination to the transcriptome and proteome diversity in mammals. Nucleic Acids Res, 42(11):7132–7144. Starck SR, Jiang V, Pavon-Eternod M, Prasad S, McCarthy B, Pan T, Shastri N (2012). Leucine-tRNA initiates at CUG start codons for protein synthesis and presentation by MHC class I. Science, 336(6089):1719–1723. Steneberg P, Samakovlis C (2001). A novel stop codon readthrough mechanism produces functional Headcase protein in Drosophila trachea. EMBO Rep, 2(7):593–597. Stiebler AC, Freitag J, Schink KO, Stehlik T, Tillmann BA, Ast J, Bölker M (2014). Ribosomal readthrough at a short UGA stop codon context triggers dual localization of metabolic enzymes in fungi and animals. PLoS Genet, 10(10): e1004685. Venables JP, Tazi J, Juge F (2012). Regulated functional alternative splicing in Drosophila. Nucleic Acids Res, 40(1):1–10. von der Haar T, Tuite MF (2007). Regulated translational bypass of stop codons in yeast. Trends Microbiol, 15(2):78–86. Wan J, Qian SB (2013). TISdb: a database for alternative translation 12 Streszczenie: W ostatnich latach nastąpił lawinowy wzrost zainteresowania komórkami macierzystymi, zarówno w środowisku naukowym, jak i w społeczeństwie. W odpowiedzi na to powstały organizacje zajmujące się rozpowszechnianiem rzetelnej wiedzy o komórkach macierzystych, których przykładem jest EuroStemCell – europejska sieć informacji o komórkach macierzystych. Zainicjowane zostały także liczne wydarzenia dotyczące komórek macierzystych, w tym UniStem Day (Uniwersytecki Dzień Komórek Macierzystych) – spotkanie dedykowane uczniom szkół średnich, które odbywa się raz do roku równocześnie na kilkudziesięciu europejskich uczelniach. Mimo to w świadomości publicznej nadal funkcjonuje wiele mitów o komórkach macierzystych. Niniejszy artykuł – nawiązujący do serii publikacji o komórkach macierzystych, które ukazały się w 2013 roku w Edukacji Biologicznej i Środowiskowej – przedstawia aktualne informacje dotyczące komórek macierzystych ze szczególnym uwzględnieniem ich potencjalnego i rzeczywistego zastosowania w medycynie regeneracyjnej. Słowa kluczowe: komórki macierzyste, medycyna regeneracyjna, terapia komórkowa, badania kliniczne, upowszechnianie wiedzy otrzymano: 15.02.2016; przyjęto: 18.03.2016; opublikowano: 1.04.2016 Medycyna regeneracyjna to interdyscyplinarna gałąź nauki obejmująca m.in. biologię medyczną, biotechnologię oraz biofizykę. Jej głównym celem jest opracowanie i zastosowanie metod umożliwiających poprawę struktury i funkcji tkanek i narządów, które uległy pogorszeniu na skutek rozwoju choroby, wystąpienia urazu lub w wyniku starzenia się organizmu. W ten nurt wpisują się zarówno projekty z zakresu inżynierii tkankowej, których celem jest uzyskanie w warunkach laboratoryjnych narządów do przeszczepu, jak również badania dotyczące komórek macierzystych, które w warunkach fizjologicznych odgrywają kluczową rolę w regeneracji tkanek (charakterystyka różnych rodzajów komórek macierzystych została przedstawiona w serii artykułów opublikowanych w Edukacji Biologicznej i Środowiskowej w 2013 roku; Archacka, 2013; Bauer i wsp., 2013; Świerczek i wsp., 2013). Mimo postępów w medycynie regeneracyjnej do 2015 roku jedyną domgr Anita Helińska: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski mgr Barbara Świerczek: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski Igor Meszka: Koło Biologii Medycznej „Antidotum”, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski oraz Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski Bartosz Mierzejewski: Koło Biologii Medycznej „Antidotum”, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski oraz Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski dr Karolina Archacka: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski puszczoną do klinicznego stosowania terapią z wykorzystaniem komórek macierzystych był przeszczep szpiku kostnego. W szpiku kostnym znajduje się kilka rodzajów komórek macierzystych, w tym hematopoetyczne komórki macierzyste (HSC, ang. Hematopoietic Stem Cell), z których powstają wszystkie rodzaje komórek krwi (Bianco i wsp., 2001). HSC są zatem niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania układu krwionośnego oraz odpornościowego. Zaburzenia procesu wytwarzania komórek krwi (hematopoezy) są przyczyną rozwoju wielu chorób układu hematopoetycznego charakteryzujących się wysoką śmiertelnością, m.in. ostrych i przewlekłych białaczek szpikowych (Linker, 2003) oraz nowotworów układu chłonnego (Passweg i wsp., 2015). Przykładowo, rozwój białaczki spowodowany jest niekontrolowanym namnażaniem się białych krwinek (leukocytów). Komórki nowotworowe wypierają prawidłowe komórki krwi, co prowadzi do pogorszenia się stanu zdrowia pacjenta. Na skutek zmniejszonej liczby czerwonych krwinek (erytrocytów) rozprowadzających tlen po organizmie dochodzi do jego osłabienia, zaś częste krwawienia i liczne siniaki na skórze pacjenta świadczą o niedoborze płytek krwi, odpowiedzialnych za krzepnięcie krwi. Komórki nowotworowe osiadają m.in. w węzłach chłonnych, wątrobie oraz śledzionie, i stopniowo je niszczą. W celu zniszczenia komórek nowotworowych u pacjentów chorujących na wyżej wymienione choroby stosowana jest chemio- lub radioterapia. Procedura ta prowadzi jednak także do zniszczenia innych komórek, w tym HSC (Ryc. 1). Pacjent pozbawiony prawidłowych komórek krwi staje się podatny na infekcje, a niska odporność sprawia, że nawet katar może doprowadzić do zagrażających życiu powikłań. Transplantacja HSC pobranych od dawcy daje szansę na odtworzenie zniszczonego szpiku kostnego biorcy i wytworzenie nowych komórek krwi, w tym komórek ukła- A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Anita Helińska, Barbara Świerczek, Igor Meszka, Bartosz Mierzejewski, Karolina Archacka Wprowadzenie wersja PL SZKOŁA Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych w medycynie regeneracyjnej 13 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 1. Schemat przeszczepu szpiku kostnego w układzie allogenicznym U pacjenta chorującego na białaczkę dochodzi do zaburzeń w procesie wytwarzania komórek krwi w szpiku kostnym (zielona ramka). Radioterapia prowadzi do zniszczenia zarówno nieprawidłowych komórek będących przyczyną rozwoju białaczki, jak i innych komórek obecnych w szpiku kostnym. W rezultacie dochodzi do zniszczenia układu hematopoetycznego pacjenta (żółta ramka). W szpiku kostnym dawcy znajdują się prawidłowe komórki hematopoetyczne. Mogą one zostać pobrane z kości udowej (niebieska ramka) poprzez jej nakłucie. Transplantacja komórek szpiku kostnego pobranych od dawcy (czarna ramka) prowadzi do odbudowy zniszczonego układu hematopoetycznego biorcy i wznowienia procesu tworzenia komórek krwi (czerwona ramka). osoby posiadające podobne antygeny zgodności tkankowej (HLA, ang. human leukocyte antigen). Pełną zgodność HLA wykazuje 20-25% dawców i biorców. Często są nimi osoby spokrewnione ze sobą, dlatego wiele przeszczepów allogenicznych wykonuje się między rodzeństwem, dziećmi i rodzicami lub innymi członkami rodziny. W przypadku przeszczepu autologicznego dawcą i biorcą komórek jest ta sama osoba. W Polsce pierwszej udanej allogenicznej transplantacji szpiku kostnego dokonali profesorowie Cezary Szczylik i Wiesław Jędrzejczak w 1984 roku (Sobiak, 2011). Obecnie przeszczepy HSC wykonywane są w 17 ośrodkach klinicznych w Polsce, a roczna liczba przeprowadzanych w nich zabiegów wynosi od 20 do 165 (Uchwała Rady Ministrów Nr 164/2010, Narodowy Program Rozwoju Medycyny Transplantacyjnej). Od 1984 roku w Polsce wykonano około 9 tysięcy przeszczepów HSC, dzięki którym ciągle żyje blisko 5 tysięcy osób (Uchwała Rady Ministrów Nr 164/2010, Narodowy Program Rozwoju Medycyny Transplantacyjnej). W krajach Unii Europejskiej średnia roczna liczba przeszczepów szpiku kostnego wykonywanych na każde 10 milionów obywateli wynosi 450, zaś w Polsce – 210 (Uchwała Rady Ministrów Nr 164/2010, Narodowy Program Rozwoju Medycyny Transplantacyjnej). W 2013 roku łączna liczba transplantacji HSC wykonanych w Europie wyniosła prawie 40 tysięcy, z czego 43% stanowiły przeszczepy allogeniczne, zaś 57% – przeszczepy autologiczne (Passweg i wsp., 2015). Decyzja o przeprowadzeniu przeszczepu zależy od wielu czynników, w tym rodzaju choroby, wieku i stanu pacjenta, a także możliwości znalezienia dawcy. Przeszczep szpiku kostnego nie przynosi natychmiastowego efektu terapeutycznego. Odtworzenie układu hematopoetycznego i immunologicznego zwykle trwa od 2 do 6 tygodni. W tym czasie pacjent przebywa w specjalnych warunkach, które minimalizują ryzyko rozwoju infekcji. Często konieczne staje się rów- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA w organizmie pacjenta mimo zastosowania chemio- lub radioterapii (Hilgendorf i wsp., 2015). Transplantacja HSC uzyskanych od dawcy jest przykładem przeszczepu w układzie allogenicznym, w którym dawcą i biorcą przeszczepianych komórek są dwie wersja PL SZKOŁA du immunologicznego, takich jak leukocyty, monocyty, eozynofile oraz bazofile, odpowiedzialnych za zwalczanie patogenów (Ryc. 1). Ponadto, komórki te rozpoznają i niszczą komórki nowotworowe, które mogą pozostać 14 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wych opisujących zjawisko tzw. plastyczności komórek macierzystych, czyli możliwości przekształcenia się komórek macierzystych jednej tkanki w komórki charakterystyczne dla innej tkanki (omówione w Bauer i wsp., 2013), wyniki aktualnych badań naukowych wskazują na to, że HSC wydajnie tworzą wyłącznie komórki krwi i nie przekształcają się w inne rodzaje komórek, np. nerwowe czy mięśniowe (opisane w Flores-Guzmán i wsp., 2013). W związku z tym stale poszukiwane są inne rodzaje komórek macierzystych, które mogłyby zostać wykorzystane w leczeniu chorób innych niż choroby krwi. Holoclar – nowy rozdział w leczeniu uszkodzeń rogówki Ryc. 2. Zarys terapii chorób oczu z wykorzystaniem komórek macierzystych A. Budowa oka. Kolorem czerwonym zaznaczono rąbek rogówki, w którym znajdują się komórki macierzyste. B. Terapia LSCD oparta na wykorzystaniu komórek macierzystych rąbka rogówki. Komórki macierzyste pacjenta pobierane są z rąbka rogówki, a następnie namnażane in vitro. Po uzyskaniu odpowiedniej liczby komórki umieszczane są na soczewce wykonanej z fibryny. Na soczewce o średnicy 2 cm znajduje się od 80 do 300 tysięcy komórek. Tak przygotowany implant przeszczepia się do uszkodzonego oka, co prowadzi do odbudowy rogówki. C. Zarys terapii AMD oraz choroby Stargardta z wykorzystaniem komórek nabłonka pigmentowanego siatkówki. Komórki nabłonka pigmentowanego siatkówki uzyskiwane są w wyniku różnicowania pluripotencjalnych komórek macierzystych. Przeszczepienie 50-150 tysięcy takich komórek do siatkówki pacjentów cierpiących na chorobę Stargardta i AMD prowadzi do odbudowy warstwy nabłonka pigmentowanego w plamce żółtej i poprawy widzenia. Rogówka to przezroczysta błona położona w przedniej części gałki ocznej (Ryc. 2A). Oprócz funkcji ochronnej rogówka odgrywa ważną rolę w układzie optycznym oka. Dzięki temu, że jest transparentna (przezroczysta) światło może dotrzeć do siatkówki wyścielającej od wewnątrz gałkę oczną (Ryc. 2A). W rogówce obecna jest niewielka pula komórek macierzystych określanych jako komórki macierzyste rąbka rogówki. Odpowiadają one za odbudowę rogówki w przypadku jej uszkodzenia (omówione w Pellegrini i De Luca, 2014). Niestety, w przypadku, gdy uszkodzenie obejmie także rąbek rogówki, jej odtworzenie staje się niemożliwe. W wyniku rozrostu naczyń krwionośnych i tkanki łącznej dochodzi do utworzenia nieprzepuszczalnej dla światła błony na powierzchni oka, co prowadzi do utraty wzroku przez pacjenta (Pellegrini i De Luca, 2014). Przez wiele lat jedynym sposobem leczenia pacjentów cierpiących na choroby wywołane niedoborem komórek macierzystych rąbka rogówki (LSCD, ang. limbal stem cell deficiency) były przeszczepy rogówki od zmarłych dawców. Pionierem tych zabiegów był czeski lekarz – Eduard Zirm – który w 1905 roku dokonał EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA skórze, owrzodzenia jamy ustnej, nadżerki w obrębie narządów płciowych oraz zespół suchego oka. Poważniejszymi komplikacjami są zmiany martwicze w wątrobie, jelitach i innych narządach, które mogą prowadzić nawet do śmierci pacjenta (Chinen i Buckley, 2010). Choć przeszczep szpiku kostnego stał się rutynową procedurą medyczną, jej zastosowanie jest uzasadnione tylko w przypadku chorób o podłożu hematologicznym. Mimo pojawienia się licznych publikacji nauko- wersja PL SZKOŁA nież przetoczenie dodatkowej porcji krwi, co pozwala na uzupełnienie niedoboru krwinek czerwonych lub płytek krwi u pacjenta. Innym problemem związanym z przeszczepem szpiku kostnego może być rozwój choroby przeszczep przeciwko gospodarzowi (GVHD, ang. graft versus host disease). Dochodzi do niej wówczas, gdy przeszczepione komórki dawcy rozpoznają komórki krwi biorcy jako obce i niszczą je (Ball i Egeler, 2008). Do najczęstszych objawów GVHD należą: wysypka na 15 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Próby kliniczne z zastosowaniem pluripotencjalnych komórek macierzystych w terapii chorób oczu Inną poważną chorobą oczu jest zanik plamki żółtej związany z wiekiem (AMD, ang. Age-related Macular Degeneration). Choroba ta występuje u osób starszych i jest przyczyną utraty wzroku u 5% zarejestrowanych przypadków ślepoty (Pascolini i Mariotti, 2012). Plamka żółta jest częścią siatkówki, w której zgromadzona jest największa liczba fotoreceptorów oka – czopków i pręcików – odpowiedzialnych za przekształcanie światła docierającego do oka w sygnały chemiczne wysyłane do mózgu (Ryc. 2A). Zanik plamki żółtej prowadzi do stopniowego pogorszenia widzenia, a ostatecznie – do utraty wzroku. Podobne objawy występują o osób cierpiących na chorobę Stargardta. Jest to choroba genetyczna, której pierwsze objawy występują już u dzieci. Choroba Stargardta wywołana jest mutacją w genie ABCA4, kodującym białko odpowiedzialne za transport metabolitów w siatkówce. Mutacja w genie ABCA4 prowadzi do nagromadzenia się toksycznych substancji w komórkach nabłonka pigmentowanego siatkówki, co prowadzi do ich obumierania. Komórki nabłonka pigmentowanego siatkówki odpowiadają za odżywianie fotoreceptorów, dlatego ich zanik prowadzi do obumarcia czopków i pręcików (Glazer i Dryja, 2002). Choroba Stargardta występuje u 1 na 10 tysięcy dzieci (Kapadia, 2000) i podobnie jak AMD pozostaje nieuleczalna. W 2015 roku opublikowane zostały wyniki pierwszych badań klinicznych, w których podjęto próbę leczenia AMD oraz choroby Stargardta przy użyciu komórek macierzystych. Proponowana terapia polega na transplantacji komórek nabłonka pigmentowanego siatkówki uzyskanych w wyniku różnicowania ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych (Schwartz i wsp., 2015; Ryc. 2C). Wcześniejsze badania wykazały, że przeszczep komórek nabłonka pigmentowanego siatkówki do oka myszy z zanikiem plamki żółtej zapobiega obumieraniu obecnych w niej fotoreceptorów (Lu i wsp., 2009). Podjęte wcześniej próby przeszczepu komórek nabłonka pigmentowanego w układzie autologicznym wiązały się z koniecznością pobrania komórek z siatkówki pacjenta podczas inwazyjnego zabiegu EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA do uszkodzonego oka. Wcześniej łącznotkankowa błona pokrywająca przednią część gałki ocznej, powstała w wyniku rozrostu tkanki łącznej i naczyń krwionośnych, jest usuwana za pomocą technik mikrochirurgicznych. Opisana wyżej procedura jest przykładem przeszczepu autologicznego, którego zaletą jest brak ryzyka odrzucenia transplantowanych komórek. O wartości terapii Holoclar świadczy to, że prowadzi ona zarówno do zastąpienia uszkodzonego nabłonka rogówki komórkami namnożonymi w laboratorium, jak również umożliwia odtworzenie puli komórek macierzystych rąbka rogówki. Dzięki temu rogówka odzyskuje zdolność do regeneracji w przypadku ewentualnych uszkodzeń. Do najczęstszych efektów ubocznych Holoclar należy zapalenie powiek, zaś najpoważniejsze działania niepożądane to perforacja (pęknięcie) i wrzodziejące zapalenie rogówki. Terapia Holoclar została warunkowo dopuszczona do stosowania u pacjentów cierpiących na LSCD w 2008 roku (raport Europejskiej Agencji Leków, EMA, ang. European Medicines Agency; EMA/25273/2015). W 2010 roku opisano efekty zastosowania Holoclar u 104 pacjentów. U 75 z nich stwierdzono odbudowę rogówki oraz znaczną poprawę widzenia po zastosowaniu implantu (Rama i wsp., 2010). Uwieńczeniem kilkunastu lat badań naukowych i prób klinicznych było dopuszczenie 17 lutego 2015 roku przez Komisję Europejską terapii Holoclar do stosowania w ośrodkach medycznych we wszystkich krajach członkowskich Unii Europejskiej. wersja PL SZKOŁA pierwszego udokumentowanego przeszczepu rogówki pobranej od zmarłego dawcy pacjentowi po oparzeniu chemicznym oka. Blisko 90% przeszczepów rogówki kończyło się sukcesem, co związane jest z faktem, iż oko jest uprzywilejowane immunologicznie. Oznacza to, że przeszczep przyjmował się mimo różnic w HLA między dawcą a biorcą. Dodatkowo, w celu zminimalizowania ryzyka wystąpienia reakcji immunologicznej, do oka podawane były kortykosteroidy o działaniu przeciwzapalnym i przeciwalergicznym (Szaflik i Izdebska, 2003). Największym ograniczeniem przeszczepów rogówki była jednak dostępność materiału do transplantacji. Ponadto, u niektórych pacjentów po przeszczepie obserwowano silne zapalenia i owrzodzenia oka. Alternatywą były zabiegi mikrochirurgiczne polegające na usunięciu zniszczonej rogówki (keratektomia), jednak metoda ta miała przede wszystkim wymiar estetyczny i nie prowadziła do odzyskania przez pacjentów zdolności widzenia. Pierwsze próby regeneracji rogówki polegające na przeszczepieniu komórek macierzystych rąbka rogówki podjęto w latach 70. XX wieku, jednak nie przyniosły one zadowalających efektów terapeutycznych. Opracowanie skutecznej terapii uszkodzonej rogówki wymagało wielu lat badań, potężnych nakładów finansowych, a przede wszystkim współpracy między naukowcami, lekarzami, a także pacjentami, którzy wyrazili zgodę na udział w badaniach testujących nową metodę leczenia. Współpraca ta doprowadziła do zatwierdzenia w 2015 roku pierwszej terapii komórkowej dla pacjentów z LSCD – Holoclar (Ryc. 2B). Holoclar jest terapią przeznaczoną dla pacjentów z LSCD w jednym oku. Z drugiego, zdrowego oka pacjenta pobierany jest fragment rąbka rogówki o wielkości 1-2 mm2. W kolejnym etapie procedury z fragmentu tego uzyskiwane są komórki, które namnaża się w specjalnych naczyniach hodowlanych (Ryc. 2B). Po uzyskaniu odpowiedniej liczby komórek są one nanoszone na specjalną soczewkę, która następnie jest przeszczepiana 16 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA Na schemacie zamieszczono informacje o cechach pluripotencjalnych komórek macierzystych, które są korzystne (zielone ramki) lub niekorzystne (czerwone ramki) w kontekście ich potencjalnego zastosowania klinicznego. NAUKA Ryc. 3. Właściwości pluripotencjalnych komórek macierzystych promujące lub utrudniające ich potencjalne zastosowanie w medycynie regeneracyjnej Ryc. 4. Właściwości mezenchymalnych komórek macierzystych promujące lub utrudniające ich potencjalne zastosowanie w medycynie regeneracyjnej Na schemacie zamieszczono informacje o cechach mezenchymalnych komórek macierzystych, które są korzystne (zielone ramki) lub niekorzystne (czerwone ramki) w kontekście ich potencjalnego zastosowania klinicznego. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO (Binder i wsp., 2012). W badaniach przeprowadzonych przez Schwartza i współpracowników uczestniczyło 18 pacjentów: 9 cierpiących na chorobę Stargardta i 9 chorych na AMD. Po przeszczepieniu komórek uzyskanych w wyniku różnicowania pluripotencjalnych komórek macierzystych u 13 pacjentów stwierdzono odtworzenie warstwy nabłonka pigmentowanego siatkówki (Ryc. 2C). Po 6 i 12 miesiącach od operacji zanotowano poprawę widzenia u 3 pacjentów oraz zahamowanie rozwoju choroby u 4 kolejnych osób (Schwartz i wsp., 2015). Nieprzypadkowo pierwsze próby kliniczne z wykorzystaniem pluripotencjalnych komórek macierzystych dotyczyły terapii chorób oczu. Jak wspomniano wcześniej, oko to narząd uprzywilejowany immunologicznie (Medawar, 1948). Oznacza to, że transplantacja komórek pobranych od dawcy o innych niż biorca HLA nie prowadzi do rozpoznania przeszczepionych komórek jako obcych i ich odrzucenia na skutek rozwoju reakcji immunologicznej (Streilein, 1987). Wynika to z anatomicznego oddzielenia oka od naczyń limfatycznych układu immunologicznego, co uniemożliwia przedostawanie się do oka komórek układu odpornościowego odpowiedzialnych za eliminację komórek i tkanek rozpoznanych jako obce (Streilein, 2003). Dodatkowo, pewne struktury oka, na przykład siatkówka, mogą hamować aktywność komórek układu odpornościowego i tym samym zapobiegać rozwojowi odpowiedzi immunologicznej (Yoshida i wsp., 2000). Ze względu na zdolność pluripotencjalnych komórek macierzystych do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek budujące organizm ssaka, komórki te rozważane są jako źródło materiału do przeszczepu w terapii chorób innych tkanek i narządów (omówione w Świerczek i wsp., 2013; Ryc. 3). Istnieje wiele chorób, których przyczyną jest zanik bądź nieprawidłowe funkcjonowanie określonej puli komórek. Przykładowo, cukrzyca typu I wywołana jest niedostateczną liczbą 17 Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersją referencyjną jest wersja EN Pluripotencjalne komórki macierzyste to nie jedyne komórki, które potencjalnie mogłyby zostać wykorzystane w medycynie regeneracyjnej. W ostatnich latach prowadzonych jest wiele badań poświęconych mezenchymalnym komórkom macierzystym (MSC, ang. Mesenchymal Stem Cells). Komórki te zostały odkryte już w latach 60. ubiegłego wieku, jednak przez wiele lat ich rola w organizmie pozostawała nieznana. W 1980 roku rosyjski naukowiec – Alexander Friedenstein – opisał wyniki doświadczeń, w których przeszczepiał komórki uzyskane z mysiego szpiku kostnego do innych narządów i tkanek myszy, m.in. do mięśni szkieletowych. Zaobserwował on, że w miejscu, do którego przeszczepione zostały komórki pobrane ze szpiku kostnego powstawała tkanka kostna, chrzęstna oraz tłuszczowa (Friedenstein, 1980). Obecnie wiadomo, że tkanki te powstawały z multipotencjalnych MSC, które – obok HSC – występują w szpiku kostnym (Pojda i wsp., 2013). Fizjologiczna rola MSC polega na zapewnieniu odpowiednich warunków dla HSC, z których powstają wszystkie rodzaje komórek krwi. MSC uczestniczą również w przebudowie kości i chrząstek, a także mogą przekształcić się w adipocyty – komórki tkanki tłuszczowej. MSC występują nie tylko w szpiku kostnym, ale są również obecne w wątrobie, trzustce, nerkach, mięśniach oraz tkance tłuszczowej (Nombela-Arrieta i wsp., 2011). Na przestrzeni lat opracowano metody, które pozwalają na uzyskiwanie MSC z różnych tkanek i narządów w organizmie, a następnie ich hodowlę w warunkach laboratoryjnych (Bianco, 2014). Pod względem kształtu MSC przypominają fibroblasty – komórki skóry. Są wrzecionowate, długie i ściśle przylegają do podłoża EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Mezenchymalne komórki macierzyste i ich potencjalne wykorzystanie w medycynie regeneracyjnej SZKOŁA tych komórek – są one bowiem uzyskiwane z zarodków na wczesnych etapach rozwoju, co może prowadzić do zniszczenia zarodków ludzkich i budzi kontrowersje etyczne (Ryc. 3). Alternatywą dla ESC są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC, ang. induced pluripotent stem cells), które podobnie jak ESC są zdolne do wytworzenia wszystkich rodzajów komórek i tkanek obecnych w organizmie ssaka (Świerczek i wsp., 2013). Pierwsze iPSC uzyskane zostały przez Takahashiego i Yamanakę w 2006 roku (Takahashi i Yamanaka, 2006). Obecnie komórki te można otrzymać z niemal dowolnej komórki płodu lub dorosłego organizmu poprzez poddanie ich reprogramowaniu (omówione w Świerczek i wsp., 2013). Dzięki technologii iPSC możliwe stało się uzyskiwanie komórek, które mogłyby stanowić uniwersalne autologiczne źródło materiału do przeszczepu. W lipcu 2013 roku japoński rząd zezwolił na rozpoczęcie pierwszej próby klinicznej z wykorzystaniem iPSC w leczeniu AMD. Od pacjentów biorących udział w próbach klinicznych pobrano komórki skóry, z których następnie uzyskano iPSC. W kolejnym etapie procedury iPSC zróżnicowano w komórki nabłonka pigmentowanego siatkówki i przeszczepiono pacjentom (Kamao i wsp., 2014). Wyniki opisywanej próby klinicznej nie zostały dotychczas opublikowane. Wiadomo jednak, że w 2015 roku badania zostały zawieszone. W iPSC uzyskanych od jednego z pacjentów wykryto mutację, która potencjalnie mogła doprowadzić do powstania nowotworu. Przykład ten pokazuje, że mimo ogromnego potencjału do różnicowania charakteryzującego iPSC, jest jeszcze wiele wyzwań na drodze do skutecznego i bezpiecznego zastosowania tych komórek w medycynie regeneracyjnej (Ryc. 3). wersja PL KRÓTKO komórek β obecnych w trzustce i odpowiedzialnych za wydzielanie insuliny – hormonu, który odpowiada za utrzymanie właściwego stężenia glukozy we krwi. Utrzymujący się wysoki poziom glukozy we krwi, będący skutkiem nieleczonej cukrzycy, może prowadzić do zaburzeń widzenia, trudności w gojeniu się ran, śpiączki, a nawet do śmierci. Rocznie diagnozuje się cukrzycę typu I u blisko 80 tysięcy dzieci na świecie (Chiang i wsp., 2014). Obecnie stosowane leczenie polega na podawaniu pacjentom insuliny i stosowaniu określonej diety, co ogranicza skutki rozwoju choroby. Od wielu lat prowadzone są badania naukowe mające na celu uzyskanie z pluripotencjalnych komórek macierzystych komórek β trzustki. W 2006 roku opisano metodę pozwalającą na wydajne różnicowanie ludzkich zarodkowych komórek macierzystych (ESC, ang. embryonic stem cells) w komórki β (D’Amour i wsp., 2006). Obecnie firma ViaCyte prowadzi pierwsze próby kliniczne z wykorzystaniem takich komórek. Komórki β uzyskane z ludzkich ESC umieszczone są w półprzepuszczalnej kapsule, która wstrzykiwana jest pod skórę pacjentów biorących udział w próbach klinicznych. Dzięki temu, że kapsuła zbudowana jest z półprzepuszczalnej błony, znajdujące się wewnątrz niej komórki mogą pobierać substancje odżywcze oraz tlen z krwi. Równocześnie mogą one – w odpowiedzi na podwyższone stężenie glukozy we krwi – wydzielać na zewnątrz kapsuły insulinę (ViaCyte.com). Równie istotne jest to, że kapsuła chroni umieszczone w środku komórki przed atakiem komórek układu odpornościowego biorcy, co zapobiega ich zniszczeniu. ESC, jak również uzyskiwane z nich komórki określonych tkanek, są bowiem komórkami obcymi dla organizmu biorcy, które po rozpoznaniu zostałyby wyeliminowane przez układ odpornościowy biorcy. Jednym z utrudnień na drodze do wykorzystania ESC w medycynie regeneracyjnej jest pochodzenie 18 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Schemat przedstawia etapy wprowadzania nowego produktu medycznego zgodnie z wymogami prawnymi obowiązującymi w Europie. Proces ten poprzedzony jest kompleksowymi badaniami laboratoryjnymi (etap badań przedklinicznych) in vitro (doświadczenia z wykorzystaniem hodowli komórek) oraz in vivo (doświadczenia na modelach zwierzęcych). Następujące po nich badania kliniczne podzielone są na cztery fazy. Ich wspólnym celem jest weryfikacja skuteczności, ocena bezpieczeństwa i określenie ewentualnych działań niepożądanych testowanego produktu medycznego. Rozpoczęcie kolejnej fazy badań klinicznych nie jest możliwe bez zakończenia poprzedniego etapu. czy fakt, że w 2009 roku liczba zarejestrowanych badań klinicznych z wykorzystaniem tych komórek wynosiła 30, w 2013 – ponad 300, zaś w lutym 2016 – blisko 5 tysięcy (dane ze strony clinicaltrials.gov). Najwięcej badań dotyczy możliwości zastosowania MSC w terapii chorób układu kostno-szkieletowego, np. wrodzonej łamliwości kości u dzieci. Przyczyną rozwoju tej choroby genetycznej jest mutacja w genie kodującym kolagen, który jest głównym składnikiem blaszek kostnych. Obecność nieprawidłowej formy kolagenu w kościach przejawia się ich wyjątkową kruchością i delikatnością, co prowadzi do licznych urazów pojawiających się nawet podczas snu (Biggin i Munns, 2014). Drugą dużą grupę stanowią badania poświęcone immunomodula- cyjnym właściwościom MSC. Ich przykładem jest próba zastosowania MSC w łagodzeniu choroby Crohna, objawiającej się nieswoistym przewlekłym zapaleniem ścian przewodu pokarmowego. Wyniki obu wymienionych prób klinicznych nie zostały dotychczas opublikowane. Dostępne są natomiast informacje dotyczące potencjalnego wykorzystania MSC w leczeniu chorób autoimmunologicznych (El-Jawhari i wsp., 2014). Przykładem takiej choroby jest reumatoidalne zapalenie stawów, które charakteryzuje się przewlekłym, silnym stanem zapalnym w okolicach stawów. Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że transplantacja MSC prowadzi do zmniejszenia bólu u pacjentów chorujących na reumatoidalne zapalenie stawów. Efekt ten jest spowo- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Ryc. 5. Etapy wprowadzania nowego produktu medycznego KRÓTKO naczynia, w którym są hodowane (Ryc. 4). W ostatnim czasie coraz większą popularność w badaniach naukowych zyskują MSC pochodzące z tkanki tłuszczowej, określane skrótem ADSC (ang. adipose-derived stem cells). Związane jest to z faktem, że z tkanki tłuszczowej można uzyskać nawet 200 tysięcy razy więcej MSC niż ze szpiku kostnego, gdzie stanowią one nie więcej niż 0,002% wszystkich komórek (Pojda i wsp., 2013). Możliwość uzyskania MSC z różnych nisz (tkanek i narządów) w organizmie dorosłego człowieka, jak również z tkanek i narządów popłodowych, takich jak łożysko, galareta Whartona czy krew pępowinowa zwiększa szansę na wykorzystanie tych komórek w medycynie regeneracyjnej (Ryc. 4). Ze względu na mniejszy potencjał do różnicowania (multipotencjalność) niż pluripotencjalne komórki macierzyste MSC nie tworzą guzów (teratom) po transplantacji (Ryc. 4). W przypadku komórek pluripotencjalnych obecność choćby jednej niezróżnicowanej komórki w przeszczepie może doprowadzić do powstania guza (teratomy; Ryc. 3). Choć teratomy nie są guzami złośliwymi, ich obecność prowadzi do uszkodzenia zasiedlonych tkanek i narządów, np. płuc. Z drugiej strony, multipotencjalność MSC sprawia, że potencjalna liczba zastosowań tych komórek w medycynie regeneracyjnej jest znacznie mniejsza niż w przypadku pluripotencjalnych komórek macierzystych (Ryc. 3, Ryc. 4). O wyjątkowości MSC świadczy jednak fakt, że komórki te wykazują zdolność do immunomodulacji, co oznacza, że wpływają na funkcjonowanie układu odpornościowego. Wykazano, że MSC wydzielają substancje hamujące aktywność komórek układu odpornościowego – limfocytów T i B, makrofagów oraz komórek dendrytycznych (Najar i wsp., 2016). Substancje te określane są jako cytokiny przeciwzapalne. Właściwości MSC sprawiają, że komórki te są obecnie badane pod kątem możliwości ich wykorzystania w terapii różnych chorób. O popularności MSC świad- 19 NAUKA Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Upowszechnianie wiedzy jako odpowiedź środowiska naukowego na mity o komórkach macierzystych Mimo że poza lekiem Prochymal żadna terapia z wykorzystaniem MSC nie została dotychczas dopuszczona do stosowania u ludzi, przez kilka ostatnich lat we Włoszech funkcjonowała firma oferująca przeszczep MSC jako antidotum na różne choroby. Jej założycielem był psycholog, Davide Vannoni, który rozpowszechniał w społeczeństwie informacje o możliwości wyleczenia za pomocą MSC tak poważnych chorób, jak rdzeniowy zanik mięśni, mózgowe porażenie dziecięce, stwardnienie zanikowe boczne czy pląsawica Huntingtona. Wszystkie te choroby związane są z upośledzeniem funkcji układu nerwowego i dotychczas pozostają nieuleczalne. Proponowana przez Vannoniego metoda miała polegać na przeszczepieniu do krwiobiegu pacjentów neuronów uzyskanych w warunkach laborato- przekształcone w neurony. Przedstawione przez firmę informacje i wyniki nie zostały potwierdzenia w badaniach naukowych (Carozzi i wsp., 2012). Ponadto, nie wiadomo jak transplantowane komórki wprowadzane były do organizmu pacjenta. W przypadku ich przeszczepu do krwiobiegu, który nie jest ich naturalnym środowiskiem fizjologicznym, możliwe jest wystąpienie skutków ubocznych polegających m.in. na zasiedlaniu przez transplantowane komórki innych tkanek i narządów, w tym mózgu oraz nerek, a w konsekwencji upośledzenie tych struktur (Breitbach i wsp., 2007). Dochodzenie przeprowadzone przez Włoską Agencję Leków (AIFA, wł. Agenzia Italiana del Farmaco) wykazało, że podczas przeszczepów MSC nie zachowano wymogów bezpieczeństwa obowiązujących przy wykonywaniu transplantacji (Abbot, 2013). Odpowiedzią środowiska naukowego na opisane powyżej zjawiska społeczne było nie tylko publikowanie artykułów naukowych, ale także powołanie organizacji mających na celu rozpowszechnianie rzetelnych informacji o nowoczesnych terapiach. W projekty edukacyjne zaangażowało się wielu naukowców z całego świata, którzy poprzez artykuły popularnonaukowe, filmy edukacyjne oraz warsztaty dzielą się aktualną wiedzą o postępach w naukach biomedycznych. Przykładem takiej inicjatywy jest Dzień Komórek Macierzystych – UniStem Day, organizowany co roku równocześnie na kilkudziesięciu europejskich uniwersytetach. Wydarzenie to skierowane jest do uczniów szkół średnich oraz nauczycieli. Inicjatorami UniStem Day była grupa naukowców z Uniwersytetu w Mediolanie. W 2016 roku UniStem Day odbędzie się po raz pierwszy w Polsce, na Uniwersytecie Warszawskim. W ramach tego wydarzenia organizowane są wykłady, warsztaty, pokazy filmowe oraz debaty, podczas których nauczyciele i uczniowie poznają rzetelne źródła informacji o komórkach macierzystych oraz terapiach opartych o ich wykorzystanie. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA ryjnych z MSC. W warunkach fizjologicznych neurony odpowiadają za przekazywanie sygnałów w organizmie i stanowią funkcjonalną podstawę układu nerwowego. Choć opisana powyżej propozycja transplantacji MSC osobom cierpiącym na choroby układu nerwowego nie została poprzedzona żadnymi badaniami naukowymi, które wykazałyby skuteczność tego rodzaju postępowania, pomysł wykorzystania MSC w celach terapeutycznych zyskał dużą popularność we Włoszech, jak również zainteresowanie wśród obywateli innych krajów. Od 2007 roku przeprowadzono wiele transplantacji MSC, które nie zostały jednak w żaden sposób udokumentowane, co uniemożliwia określenie dokładnej liczby osób objętych tym działaniem (Abbot, 2013). W 2013 roku doszło do demonstracji na ulicach Rzymu, których celem było uzyskanie powszechnego dostępu pacjentów do przeszczepów komórek macierzystych, nawet jeśli ich skuteczność i bezpieczeństwo nie zostały potwierdzone w badaniach naukowych i klinicznych. Głównym argumentem podnoszonym przez uczestników demonstracji była możliwość złagodzenia objawów przewlekłych, zagrażających życiu chorób u pacjentów, w przypadku których dostępne metody leczenia okazały się nieskuteczne. W odpowiedzi na te zjawiska społeczne czołowi naukowcy i lekarze opisali możliwe skutki uboczne i niebezpieczeństwa związane ze stosowaniem eksperymentalnych metod leczenia (Bianco i wsp., 2013). W publikacjach wskazywano na nieprawidłowości i uchybienia towarzyszące przeprowadzonym przeszczepom MSC. Standardem obowiązującym przy wprowadzaniu nowej metody leczenia ludzi jest przeprowadzenie kompleksowych badań klinicznych (Ryc. 5; Maciulaitis i wsp., 2013). Tym, co budziło największe kontrowersje wśród naukowców i lekarzy było wykorzystanie do przeszczepu niedostatecznie scharakteryzowanych MSC, a także fragmentaryczne dane o sposobie, w jaki komórki te miały zostać wersja PL SZKOŁA dowany wydzielaniem przez MSC cytokin przeciwzapalnych, które hamują aktywność limfocytów B oraz T i, w konsekwencji, ograniczają rozwój stanu zapalnego (El-Jawhari i wsp., 2014). Trzeba jednak podkreślić, że transplantacja MSC nie prowadzi do usunięcia przyczyny rozwoju choroby, a jedynie łagodzi jej objawy. Krokiem milowym w badaniach nad klinicznym zastosowaniem MSC może być dopuszczenie do użytku w 2012 przez Kanadę, Nową Zelandię oraz Stany Zjednoczone leku Prochymal, produkowanego przez firmę Osiris Therapeutics. Prochymal zawiera MSC pochodzące od dawców w wieku od 18 do 30 lat. Lek ten jest wykorzystywany w celu zapobiegania rozwojowi opisanej wcześniej GVHD. Działanie leku polega na wydzielaniu przez MSC cytokin przeciwzapalnych, hamujących rozwój stanu zapalnego, a także czynników wzrostu, wspomagających regenerację tkanki (Kurtzberg i wsp., 2014). 20 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Literatura Abbot A (2013). Stem-Cell ruling riles reasearchers. Nature. 495(7442):418–419. Ball LM, Egeler RM (2008). Acute GvHD: pathogenesis and classification. Bone Marrow Transplant. Suppl 2:S58-64. Bauer D, Neska J, Archacka K (2013). Komórki macierzyste. Część III – komórki macierzyste organizmów dorosłych. Eduk Biol Śr. 4(48):3-10. Bianco P, Riminucci M, Gronthos S, Robey PG (2001). Bone marrow stromal stem cells: nature, biology, and potential applications. Stem Cells. 19(3):180-192. Bianco P, Barker R, Brüstle O, Cattanego E, Clevers H, Daley QG, De Luca M, Goldstain L, Lindvall O, Mummery C, Robey GP, Sattler C, Smith A (2013). Regulation of stem cell therapies under attack in Europe: for whom the bell tolls. EMBO J. 32(11):1489–1495. Bianco P (2014). „Mesenchymal” stem cells. Annu Rev Cell Dev Biol. 30:677-704. Biggin A, Munns CF (2014). Osteogenesis imperfecta: diagnosis and treatment. Curr Osteroporos Rep. 12(3), 279-288. Binder S, Stolba U, Krebs I, Kellner L, Jahn C, Feichtinger H, Povelka M, Frohner U, Kruger A, Hilgers RD, Krugluger W (2012). Transplantation of autologous retinal pigment epithelium in eyes with ,Horn B ,Yu L , Talano J, Nemecek E, Mills Ch, Chaudhury S (2014). Allogeneic Human Mesenchymal Stem Cell Therapy (Remestemcel-L, Prochymal) as a Rescue Agent for Severe Refractory Acute Graft-versus-Host Disease in Pediatric Patients. Biol Blood Marrow Transplant. 20(2):229-235. Linker CA (2003). Autologous stem cell transplantation for acute myeloid leukemia. Bone Marrow Transplant. 31:731–738. Lu B, Malcuit C, Wang S, Girman S, Francis P, Lemieux L, Lanza R, Lund R (2009). Long-term safety and function of RPE from human embryonic stem cells in preclinical models of macular degeneration. Stem Cells. 27(9):2126-2135. Maciulaitis R, D’Apote L, Buchanan A, Pioppo L, Schneider CK (2012). Clinical development of advanced therapy medicinal products in Europe: evidence that regulators must be proactive. Molecular Therapy. 20(3), 479-482. Medawar PB (1948). Immunity to homologous grafted skin; the fate of skin homografts transplanted to the brain, to subcutaneous tissue, and to the anterior chamber of the eye. Br J Exp Pathol. 29(1):58-69. Najar M, Raicevic G, Fayyd-Kazan H, Bron D, Toungouz M, Lagneaux L (2016). Mesenchymal stromal cells and immunomodulation: A gathering of regulatory immune cells. Cytotherapy. 18(2):160-171. Nombela-Arrieta C, Ritz J, Silberstein LE (2011). The elusive nature and function of mesenchymal stem cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 12(2):126-131. Pascolini D, Mariotti SP (2012). Global estimates of visual impairment: 2010. Br J Ophthalmol. 96(5):614-618. Passweg JR, Baldomero H, Bader P, Bonini C, Cesaro S, Dreger P, Duarte RF, Dufour C, Falkenburg JH, Farge-Bancel D, Gennery A, Kröger N, Lanza F, Nagler A, Sureda A, Mohty M, European Society for Blood and Marrow Transplantation (EBMT) (2015). Hematopoietic SCT in Europe 2013: recent trends in the use of alternative donors showing more haploidentical donors but fewer cord blood transplants. Bone Marrow Transplant. 50(4):476-482. Pellegrini G, De Luca M (2014). Eyes on the prize: limbal stem cells and corneal restoration. Cell Stem Cell. 15(2):121-122. Pojda Z, Macha E, Kurzyk A, Mazur S, Dębski T, Gilewicz J, Wysocki J (2013). Mezenchymalne komórki macierzyste. Post Bioch. 59(2):187-197. Rama P, Matuska S, Paganoni G, Spinelli A, De Luca M, Pellegrini G (2010). Limbal stem-cell therapy and long-term corneal regeneration. N Engl J Med. 363(2):147-155. Schwartz SD, Regillo CD, Lam BL, Eliott D, Rosenfeld PJ, Gregori NZ, Hubschman JP, Davis JL, Heilwell G, Spirn M, Maguire J, Gay R, Bateman J, Ostrick RM, Morris D, Vincent M, Anglade E, Del Priore LV, Lanza R (2015). Human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium in patients with age-related macular EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA foveal neovascularization resulting from age-related macular degeneration: a pilot study. Am J Ophthalmol. 133(2):215-225. Breitbach M, Bostani T, Roell W, Xia Y, Dewald O, Nygren JM, Fries JWU, Tiemann K, Bohlen H (2007). Potential risks of bone marrow cell transplantatations into infarcted hearts. Blood. 110(4):1362-1369. Carrozzi M, Biondi A, Zanus C, Monti F, Alessandro V (2012). Stem cells in severe infantile spinal muscular atrophy (SMA1). Neuromuscul Disord. 22(11):1032–1034. Chiang JL, Kirkman MS, Laffel LM, Peters AL, Type 1 Diabetes Sourcebook Authors (2014). Type 1 diabetes through the life span: a position statement of the American Diabetes Association. Diabetes Care. 37(7):2034-2054. Chinen J, Buckley RH (2010). Transplantation immunology: solid organ and bone marrow. J Allergy Clin Immunol. 125(2 Suppl 2):S324-335. D’Amour KA, Bang AG, Eliazer S, Kelly OG, Agulnick AD, Smart NG, Moorman MA, Kroon E, Carpenter MK, Baetge EE (2006). Production of pancreatic hormone-expressing endocrine cells from human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 24(11):13921401. El-Jawhari JJ, El-Sherbiny YM, Jones EA, McGonagle D (2014). Mesenchymal stem cells, autoimmunity and rheumatoid arthritis. QJM. 107:505-514. Flores-Guzmán P, Fernández-Sánchez V, Mayani H (2013). Concise review: ex vivo expansion of cord blood-derived hematopoietic stem and progenitor cells: basic principles, experimental approaches, and impact in regenerative medicine. Stem Cells Transl Med. 2(11):830-838. Friedenstein AJ (1980). Stromal mechanisms of bone marrow: cloning in vitro and retransplantation in vivo. Haematol Blood Transfus. 25:19-29. Glazer LC, Dryja TP (2002). Understanding the etiology of Stargardt’s disease. Ophthalmol Clin North Am. 15(1):93-100. Haagdorens M, Van Acker SI, Van Gerwen V, Ní Dhubhghaill S, Koppen C, Tassignon MJ, Zakaria N (2016). Limbal Stem Cell Deficiency: Current Treatment Options and Emerging Therapies. Stem Cells Int. 9798374. Hilgendorf I, Greinix H, Halter JP, Lawitschka A, Bertz H, Wolff D (2015). Long-term follow-up after allogeneic stem cell transplantation. Dtsch Arztebl Int. 12(4):51-58. Kamao H, Mandai M, Okamoto S, Sakai N, Suga A, Sugita S, Kiryu J, Takahashi M (2014). Characterization of human induced pluripotent stem cell-derived retinal pigment epithelium cell sheets aiming for clinical application. Stem Cell Reports. 2(2):205-218. Kapadia OD (2000). Stargardt’s macular dystrophy. Clinical Eye and Vision Care. Clin Eye Vis Care. 12(1-2):71-78. Kurtzberg J, Prockop S, Teira P, Bittencourt H, Lewis V, Chan K wersja PL SZKOŁA Mimo intensywnych badań naukowych oraz licznych prób klinicznych dotyczących możliwości wykorzystania komórek macierzystych w medycynie regeneracyjnej przeszczep szpiku kostnego, terapia Holoclar oraz lek Prochymal pozostają jedynymi przykładami metod leczenia z zastosowaniem komórek macierzystych, które są dopuszczone do stosowania u ludzi. Ogromne zainteresowanie i nadzieje związane są z potencjalną możliwością wykorzystania komórek macierzystych w celu poprawy funkcjonowania tak ważnych narządów, jak serce i mózg. Choć w obecnej chwili terapia regeneracyjna serca czy mózgu nie jest dostępna, współpraca między naukowcami i lekarzami może w przyszłości zaowocować opracowaniem nowej metody leczenia wykorzystującej osiągnięcia nauk biomedycznych, podobnie jak stało się to w przypadku terapii Holoclar. 21 KRÓTKO Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Potencjalne i rzeczywiste zastosowanie komórek macierzystych | A. Helińska, B. Świerczek, I. Meszka, B. Mierzejewski, K. Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN lity). Uchwała dostępna na stronie: http://www2.mz.gov.pl/wwwfiles/ma_struktura/docs/program_ wieloletni_04032011.pdf Informacje i podziękowania Praca powstała w trakcie realizacji projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/05/D/NZ3/02081 (kierownik projektu – Karolina Archacka), projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (numer grantu PBS3/A7/22/2015) oraz projektu DSM (Dotacja celowa na prowadzenie badań naukowych dla młodych naukowców) realizowanego na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego (numer projektu W501/86/110114, kierownik projektu – Anita Helińska). NAUKA degeneration and Stargardt’s macular dystrophy: follow-up of two open-label phase 1/2 studies. Lancet. 385(9967):509-516. Sobiak J (2011). Przeszczepianie narządów i komórek krwiotwórczych – rys historyczny. Now Lek. 80(2):157–161. Streilein JW (1987). Immune regulation and the eye: a dangerous compromise. FASEB J. 1(3):199-208. Streilein JW (2003). Ocular immune privilege: the eye takes a dim but practical view of immunity and inflammation. J Leukoc Biol. 74(2):179-85. Szaflik J, Izdebska J (2003). Przeszczepy rogówki. Przew Lek. 6(6):6972. Świerczek B, Dudka D, Archacka K (2013). Komórki macierzyste. Część II – pluripotencjalne komórki macierzyste. Eduk Biol Śr. 2:2-13. Takahashi K, Yamanaka S (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126(4):663-676. Yoshida M, Takeuchi M, Streilein JW (2000). Participation of pigment epithelium of iris and ciliary body in ocular immune privilege. 1. Inhibition of T-cell activation in vitro by direct cell-to-cell contact. Invest Ophthalmol Vis Sci. 41(3):811-821. 22 Dziękujemy Panu Jarosławowi Rakowi za pomoc w przygotowaniu angielskiej wersji artykułu. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Abbot A (2013). Italian stem-cell trial based on flawed data. Nature. Artykuł dostępny na stronie: http://www.nature.com/news/ italian-stem-cell-trial-based-on-flawed-data-1.13329. Charakterystyka terapii VC-01 firmy ViaCyte. Opis produktu dostępny na stronie: http://viacyte.com/products/vc-01-diabetes-therapy/ Mesenchymal Stem Cell Therapy for the Treatment of Severe or Refractory Inflammatory and/or Autoimmune Disorders. Informacje na temat próby klinicznej: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01540292 Repeated Infusions of Mesenchymal Stromal Cell in Children With Osteogenesis Imperfecta (STOD3). Informacje na temat próby klinicznej: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01061099?term=Osteogenesi s+Imperfecta+mesenchymal&rank=1 Raport EMA/25273/2015 (2014). Assessment report. Holoclar. International non-proprietary name: Ex vivo expanded autologous human corneal epithelial cells containing stem cells. European Medicines Agency. Informacje na temat próby klinicznej: www.ema.europa.eu/docs/en_GB/document_library/EPAR_Public_assessment_report/human/002450/WC500183405.pdf Uchwała Rady Ministrów Nr 164 / 2010. W sprawie ustanowienia programu wieloletniego na lata 2011 – 2020 pod nazwą „Narodowy Program Rozwoju Medycyny Transplantacyjnej” (tekst jedno- SZKOŁA Cytowane strony internetowe: Wstęp Streszczenie: W ekosystemach wodnych występuje wiele różnych substancji, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i antropogenicznego, które mogą pogarszać stan środowiska i negatywnie wpływać na funkcjonowanie występujących tam organizmów wodnych. Celem pracy było porównanie stopnia oddziaływania związków allelopatycznych na tle innych związków pochodzenia antropogenicznego w odniesieniu do okrzemki Bacillaria paxillifera. W pracy porównano wpływ na liczebność bałtyckiej okrzemki związków allelopatycznych produkowanych przez sinicę Nodularia spumigena, hodowaną w określonych warunkach natężenia światła, temperatury i dostępności składników pokarmowych oraz zadanych stężeń związków chemicznych, takich jak herbicyd Roundup®, zawierający glifosat, imidazoliowa ciecz jonowa [BMIM]Cl i chlorek miedzi. Największy spadek liczebności analizowanej okrzemki zanotowano 7 dnia eksperymentu po dodaniu przesączu z sinic. Badania wykazały, że substancje pochodzenia antropogenicznego również wpływały na liczebność okrzemek, których spadek liczebności po dodaniu chlorku miedzi (II) wyniósł 40% w stosunku do próby kontrolnej. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że związki allelopatyczne wywierają istotnie negatywny wpływ na wzrost testowanej okrzemki, choć oddziaływają one nieco słabiej niż substancje pochodzenia antropogenicznego.e. Słowa kluczowe: okrzemki, sinice, substancje antropogeniczne, związki allelopatyczne Oddziaływanie allelopatyczne fitoplanktonu badane jest od prawie 100 lat (Dakshini, 1994), jednak od niedawna podejmuje się bardziej intensywne analizy tego zjawiska (Kubanek i wsp., 2005; Granéli i Hansen, 2006; Granéli i wsp., 2008; Lyczkowski i Karp-Boss, 2014). dr Sylwia Śliwińska-Wilczewska: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański mgr Zuzanna Sylwestrzak: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański Jakub Maculewicz: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański dr Aleksandra Zgrundo: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański dr Filip Pniewski: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański prof. Adam Latała: Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański otrzymano: 21.11.2015; przyjęto: 5.01.2015; opublikowano: 1.04.2016 S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Sylwia Śliwińska-Wilczewska, Zuzanna Sylwestrzak, Jakub Maculewicz, Aleksandra Zgrundo, Filip Pniewski, Adam Latała Wzrost zainteresowania zjawiskiem allelopatii u sinic spowodowany jest coraz częstszymi doniesieniami na temat szkodliwych metabolitów produkowanych przez te organizmy i ich wpływu na otaczające je środowisko (Granéli i wsp., 2008). Dane literaturowe wykazują, że w ostatnim czasie szkodliwe „zakwity” glonów w wodach światowych (ang. Harmful algal blooms – HABs) znacząco się nasiliły. Problem ten dotyczy zarówno środowisk morskich i słodkowodnych (Smayda, 1990; Van Dolah, 2000), co w dalszej kolejności powoduje ogromne straty ekonomiczne w ekosystemach wodnych (Granéli i Hansen, 2006). O najbardziej szkodliwym efekcie HABs mówimy wtedy, kiedy wpływa on na funkcjonowanie całego ekosystemu, powodując upośledzenie lub podwyższoną śmiertelność fitoplanktonu, makroglonów, zooplanktonu, zoobentosu i ryb (Granéli i wsp., 2008). Sinice znane są z produkowania szerokiego zakresu wtórnych metabolitów z różnym zakresem ich biologicznego oddziaływania (Berry i wsp., 2008; Mazur-Marzec i wsp., 2015). Zaledwie niewielka część tych związków została prawidłowo zidentyfikowana, choć odgrywają one tak ważną rolę w oddziaływaniach allelopatycznych. Głównym zadaniem tych związków jest upośledzanie aktywności konkurentów i drapieżników. Związki allelopatyczne odgrywają rolę w oddziaływaniu pomiędzy organizmami emitującymi (donorowymi) i ich bezpośrednimi konkurentami lub drapieżnikami (tzw. organizmy targetowe). Oddziaływania allelopatyczne są ważnym czynnikiem w określaniu rozkładu i liczebności gatunków szczególnie w obrębie zbiorowisk roślinnych i planktonu (Wardle i wsp., 2011; Yang i wsp., 2012). Producenci pierwotni ekosystemów wodnych silnie konkurują o niszę środowiskową, światło i składniki pokarmowe. To sugeruje, że konkurencja o czynniki środowiskowe może silnie wpływać na produkcję związków allelopatycznych. Uwalnianie aktywnych związków allelopatycznych jest cechą adaptacyjną rozwiniętą przez producentów pier- wersja PL SZKOŁA Wpływ związków allelopatycznych... i wybranych substancji pochodzenia antropogenicznego na okrzemkę Bacillaria paxillifera 23 KRÓTKO Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersją referencyjną jest wersja EN substancji pochodzenia antropogenicznego w odniesieniu do okrzemki B. paxillifera. Takie badania umożliwią większy wgląd w rolę związków allelopatycznych na tle innych związków chemicznych. Zasadność przeprowadzenia takich badań podyktowana była stosunkowo nielicznymi pracami z zakresu oddziaływań allelopatycznych w środowiskach wodnych. Materiał wykorzystywany w doświadczeniach stanowiły bałtyckie szczepy sinicy Nodularia spumigena Mertens ex Bornet & Flahault 1888: 245 (szczep BA15) oraz okrzemki Bacillaria paxillifera (O.F. Müller) T. Marsson 1901: 254 (syn. Vibrio paxillifer O.F.Müller, 1786) (szczep BA-14), które zostały wyizolowane z naturalnego zespołu fitoplanktonu wód przybrzeżnych Zatoki Gdańskiej w 2003 roku. Obecnie szczepy te, jako monokultury przetrzymywane są w Kolekcji Kultur Glonów Bałtyckich (CCBA) znajdującej się w Pracowni Ekofizjologii Roślin Morskich na Uniwersytecie Gdańskim (Latała, 2003; Latała i wsp., 2006). Badane organizmy były hodowane w sterylnej pożywce mineralnej f/2 (Guillard, 1975). Pożywki były przygotowywane na bazie wody pobranej z Morza Bałtyckiego o zasoleniu Ryc. 1. Szczepy mikroorganizmów wykorzystane w niniejszej pracy: A) Bacillaria paxillifera BA-14 oraz B) Nodularia spumigena BA-15. Źródło: oprac. własne. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Materiał i metody SZKOŁA 2003). Drugą badaną substancją był chlorek 1-butylo3-metyloimidazoliowy ([BMIM]Cl) należący do grupy imidazoliowych cieczy jonowych. Niskotemperaturowe ciecze jonowe znajdują szerokie zastosowanie w tzw. „zielonej chemii”, czyli dziedzinie zajmującej się produktami uważanymi za przyjazne środowisku. Ciecze te dzięki znikomej lotności, mogą zastępować dotychczas stosowane rozpuszczalniki organiczne. Pomimo coraz większej popularności tych związków w przemyśle, ich toksyczność jest dopiero od niedawna szerzej badana. Substancje te, jak wykazano, są jednak toksyczne dla różnych grup organizmów, w tym mikroglonów (Latała i wsp., 2005; 2009a; 2009b; 2010; Kulacki i Lamberti, 2008; Samorì i wsp., 2011). Ostatnią badaną substancją był chlorek miedzi II. Miedź w reakcjach enzymatycznych bierze udział w przenoszeniu elektronów i dlatego w małych ilościach jest pierwiastkiem niezbędnym do wzrostu roślin. W dużych ilościach sole tego pierwiastka działają jako algicyd, gdyż są bardzo toksyczne dla mikroglonów (Brown i Rattigan, 1979). Celem niniejszej pracy było porównanie stopnia oddziaływania związków allelopatycznych produkowanych przez sinicę N. spumigena hodowaną w wybranych warunkach natężenia światła, temperatury i dostępności składników pokarmowych na tle wybranych wersja PL KRÓTKO wotnych przeciw ich konkurentom. Allelopatia mikroorganizmów może negatywnie wpływać na kondycję drapieżników, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do ich śmierci. Z drugiej strony warunki fizjologiczne i charakterystyka organizmów targetowych jest silnie zależna od stopnia ich wrażliwości i zakresu występowania mechanizmów detoksykacji na zadane związki (Suikkanen i wsp., 2004). W przeciwieństwie do środowiska lądowego, bezpośrednie wykazanie oddziaływania allelopatycznego w środowisku wodnym jest bardzo trudne. Dlatego wiele badań dąży do wykazania oddziaływania allelopatycznego pomiędzy wodnymi fotoautotrofami, poprzez wykonywanie szeregu doświadczeń laboratoryjnych. W ostatnich latach obserwuje się wzrost użycia różnych związków pochodzenia antropogenicznego, takich jak stosowane powszechnie związki herbicydowe, ciecze jonowe czy chlorek miedzi, które mogą pogarszać stan środowiska i negatywnie wpływać na funkcjonowanie występujących tam organizmów. Ponieważ badania dokumentujące ich wpływ na środowisko wodne i występujące tam organizmy są nadal niepełne, konieczne jest prowadzenie intensywnych analiz w tym zakresie (Kwiatkowska i wsp., 2013). W celu poznania reakcji organizmów na substancje toksyczne o pochodzeniu antropogenicznym, zastosowano jeden z najczęściej stosowanych w Polsce herbicydów – Roundup® z substancją aktywną w formie glifosatu (N-fosfonometyloglicyna). Glifosat, który przeniknie do komórek roślinnych hamuje aktywność syntetazy EPSP (5-enolopirogroniano-szikimo-3-fosforanu). Unieczynniony enzym zatrzymuje produkcję aminokwasów aromatycznych, takich jak: fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan, które są bardzo ważne dla wzrostu roślin, ponieważ wchodzą w skład wielu barwników (Franz i wsp., 1997). Dodatkowo związek ten zakłóca proces fotosyntezy przez jej stopniowe hamowanie (Pieniążek i wsp., 24 jonowej [BMIM]Cl oraz chlorku miedzi (II) na bałtycką okrzemkę B. paxillifera. Testy prowadzono w kolbach o objętości 25 ml. Po zaszczepieniu odpowiedniej ilości komórek hodowle inkubowano przez 3 dni, po tym czasie hodowla znajdowała się w fazie logarytmicznego wzrostu. Testy prowadzono w temperaturze 20°C. Warunki świetlne o natężeniu napromieniowania PAR wynoszące 50 μmol fotonów·m-2·s-1 o fotoperiodzie L:D 16:8 uzyskano stosując sztuczne źródło światła – lampy halogenowe Philips (OSRAM L 36W/640-1). Roztwór kontrolny stanowiło 25 ml pożywki f/2 (Guillard, 1975) o zasoleniu 8 psu. Do oceny toksyczności wymienionych substancji zastosowano następujące ich stężenia: CuCl2 – 0,001 g·l-1 herbicyd ze stężeniem glifosatu – 0,05 g·l-1 Ryc. 2. Liczebność (% w stosunku do próby kontrolnej) B. paxillifera uzyskana dla 1, 3 i 7 dnia hodowli w doświadczeniach z dodatkiem przesączu otrzymanego z kultur sinic N. spumigena hodowanych w: A) 190 µmol fotonów·m-2·s-1, B) 25ºC, C) na pożywce mineralnej zawierającej nadwyżkę soli odżywczych (N i P) oraz substancji pochodzenia antropogenicznego: D) BMIM[Cl], E) glifosatu i F) chlorku miedzi (II) (wartości średnie ±SD przy powtórzeniach n = 3). Źródło: oprac. własne. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA z trzech niezależnych pomiarów. W przeprowadzanych doświadczeniach liczebność komórek w hodowlach właściwych określona była na podstawie pomiaru gęstości optycznej (OD) hodowli. Uprzednio dla hodowli testowanej okrzemki wyznaczono zależność liniową pomiędzy liczebnością komórek a zmierzoną wartością OD hodowli. Pomiar liczebności komórek został przeprowadzony przy użyciu mikroskopu świetlnego Nikon Eclipse 80i z zastosowaniem komory Bürkera. Równolegle mierzono OD przy użyciu spektrofotometru Thermo Scientific Multiskan GO dla długości fali 750 nm. W trakcie badań testowano również wpływ substancji pochodzenia antropogenicznego – herbicydu Roundup®, zawierającego glifosat, imidazoliowej cieczy wersja PL SZKOŁA około 8 psu (ang. Practical Salinity Unit), którą po dostarczeniu do laboratorium przesączono przez bibułę szklaną GF/C Whatman’a. Hodowle aklimatyzacyjne były każdorazowo przetrzymywane przez okres jednego tygodnia w warunkach odpowiadających przyszłej hodowli eksperymentalnej. Po tym okresie rosnące kultury, będące w fazie logarytmicznego wzrostu, zostały wykorzystane jako źródło inokulum (stanowiące zawiesinę badanych komórek) do założenia hodowli właściwej. Podczas realizacji doświadczeń, mających na celu uchwycenie zjawiska allelopatii, została wykorzystana metoda cross-culturing (Suikkanen i wsp., 2004). W metodzie tej badania określające oddziaływanie allelopatyczne były prowadzone poprzez dodanie do hodowli badanej okrzemki przesączu uzyskanego z hodowli sinicy będącej w fazie logarytmicznego wzrostu. Przesącz (V=2 ml) otrzymywano filtrując hodowlę przez sączki z bibuły szklanej Whatman GF/C i dodawano raz, na początku eksperymentu, do 25 ml kolb Erlenmeyera zawierających hodowlę testowanej okrzemki (V=20 ml). We wszystkich eksperymentach wyjściowe stężenie chlorofilu a w kulturach wynosiło 0,8 µg chl a ml-1. Próby kontrolne były sporządzane przez dodanie pożywki mineralnej f/2 o objętości równej dodawanemu przesączowi. Po 1, 3 i 7 dniach określono zagęszczenie komórek w hodowlach. W niniejszej pracy badano oddziaływanie allelopatyczne sinic hodowanych w intensywności napromieniowania wynoszącej 190 μmol fotonów·m-2·s-1, temperaturze 25°C oraz nadwyżce soli odżywczych (pełny skład pożywki mineralnej f/2 – NP). Natomiast okrzemki hodowane były w stałych warunkach światła wynoszącego 50 μmol fotonów ·m-2·s-1, temperaturze 20°C i na pełnym składzie pożywki mineralnej f/2. Każdy wariant doświadczenia był prowadzony w trzech powtórzeniach, a wyniki eksperymentów zostały przedstawione jako wartość średnia 25 KRÓTKO Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 26 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 4. Morfologia komórek B. paxillifera dla A) próby kontrolnej i B) w doświadczeniach z dodatkiem glifosatu (w postaci preparatu Roundup®) po 1 dniu ekspozycji Ryc. 3. Morfologia komórek B. paxillifera dla A) próby kontrolnej i w doświadczeniach po B) 1 i C) 7 dniach ekspozycji na przesącz komórkowy uzyskany z hodowli N. spumigena Źródło: oprac. własne. wykonywano dokumentację fotograficzną z wykorzystaniem mikroskopu Nikon Eclipse 80i wyposażonym w kamerę Nikon DSU2. W celu opisania wpływu przesączu uzyskanego z hodowli sinicy oraz wpływu związków pochodzenia antropogenicznego na liczebność bałtyckiej okrzemki została wykonana dwuczynnikowa analiza wariancji (ANOVA) oraz test Tukeya (HSD) na przyjętym poziomie istotności α = 0,05 przy użyciu programu komputerowego SSP Statistica® 10. Wyniki W niniejszej pracy określono liczebność okrzemki B. paxillifera uzyskaną dla próby kontrolnej i w doświadczeniach z dodatkiem przesączu otrzymanego z sinic N. spumigena, hodowanych w świetle wynoszącym 190 µmol fotonów·m-2·s-1, temperaturze 25ºC oraz nadwyżce składników pokarmowych NP (ryc. 2, A-C). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO oraz [BMIM]Cl – 0,0175 g·l-1. Stężenia związków antropogenicznych w prowadzonych doświadczeniach były dobrane odpowiednio do wcześniejszych danych literaturowych nawiązujących do ich EC50 (ang. effective concentration), czyli stężenia, które indukuje w medium środowiskowym określony efekt u 50% organizmów doświadczalnych w określonych warunkach laboratoryjnych. Reakcję organizmów na działanie zastosowanej substancji przedstawionej jako zmiany liczebności w stosunku do warunków kontrolnych analizowano po 1, 3 i 7 dniach. Dodatkowo w trakcie eksperymentów SZKOŁA Źródło: oprac. własne. Dyskusja W środowisku wodnym obecnych jest wiele różnych substancji, zarówno związków allelopatycznych, jak i pochodzenia antropogenicznego, które negatywnie wpływają na funkcjonowanie wielu organizmów roślinnych, jednakże prace na ten temat są nieliczne. Przeprowadzone w niniejszym projekcie doświadczenia pozwoliły na porównanie stopnia oddziaływania związków allelopatycznych na tle substancji pochodzenia antropogenicznego, takich jak ciecze jonowe, glifosat i chlorek miedzi w odniesieniu do okrzemki B. paxillifera. W środowisku naturalnym sposób działania związków allelopatycznych jest wysoce różnorodny, a gatunki donorowe mogą wpływać na organizmy targetowe na wiele sposobów. Ponadto w naturalnych zespołach fitoplanktonu w wielu przypadkach trudno jest wykazać bezpośredni wpływ i znaleźć pewny dowód oddziaływań allelopatycznych. Dlatego ważne jest charakteryzowanie oddziaływań allelopatycznych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, w celu zbadania natury uwalnianych substancji i ich sposobu działania na organizmy targetowe (Valdor i Aboal, 2007; Gantar i wsp., 2008). Wpływ oddziaływania allelopatycznego sinic na wzrost wybranych organizmów targetowych jest najczęściej opisywanym mechanizmem reakcji związków allelopatycznych. Hamowanie wzrostu oraz śmierć organizmu targetowego przez negatywne wpływanie produkowanych przez organizmy donorowe związków allelopatycznych jest stosunkowo szeroko rozpowszechnionym i najczęściej opisywanym sposobem działania u sinic i mikroglonów (Gross, 2003; Żak i wsp., 2012). W badaniach laboratoryjnych najczęściej wykorzystuje się testy glonowe, które mają za zadanie wykazać oddziaływanie allelopatyczne pomiędzy badanymi organizmami (np. Fistarol i wsp., 2003; 2004; 2005; Suikkanen i wsp., 2004; Yamasaki i wsp., 2007; Gantar i wsp., 2008; Antunes i wsp., 2012; Żak i wsp., 2012). W niniejszej pracy wykazano, że przesącz uzyskany z bałtyckiej sinicy hamował wzrost analizowanych okrzemek. Doświadczenia z dodaniem przesączu uzyskanym z kultur sinic z N. spumigena wykazały istotny hamujący wpływ na liczebność badanych komórek okrzemki B. paxillifera, których odpowiedź po tygodniu trwania eksperymentu przejawiała się około 80%-wym spadkiem liczebności w stosunku do hodowli kontrolnej. W swoich badaniach Chan i wsp. (1980) zanotowali, że związki wydzielane przez Skeletonema costatum (Greville) Cleve 1873: 7, Phaeodactylum tricornutum Bohlin 1897: 520 i Heterocapsa triquetra (Ehrenberg) Stein 1883: 13 miały większy wpływ na okrzemkę Cylindrotheca fusiformis Reimann & J.C.Lewin 1964: 288 niż na dwie heterotroficzne bakterie Staphylococcus aureus i Bacillus subtilis. Również przesącz uzyskany z P. tricornutum i H triquetra hamował rozwój mikroglonów, nie miał natomiast wpływu na bakterie. Z kolei przesącz uzyskany z bruzdnicy Scrippsiella sweeneyae Balech ex A.R.Loeblich III 1965: 15 hamował zarówno C. fusiformis, jak również dwie heterotroficzne bakterie. C. fusiformis i Nitzschia angularis W.Smith 1853: 40 to dwa gatunki okrzemek, które wykazywały najszybszy wzrost na agarze i były najbardziej podatne na testy glonowe (Chan i wsp., 1980). Podjęte badania pozwoliły również na określenie wpływu na bałtycką okrzemkę B. paxillifera powszechnie stosowanego herbicydu Roundup®, w skład którego wchodzi glifosat oraz mniej zbadanych: cieczy jonowej i chlorku miedzi. Ciecze jonowe są solami organicznymi o niskiej temperaturze topnienia, które zostały EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA nie się form teratologicznych. Ponadto efekt degradacji struktur komórkowych nasilał się wraz z czasem ekspozycji na zadane związki. wersja PL SZKOŁA W doświadczeniach stwierdzono istotny hamujący wpływ przesączu komórkowego sinic na liczebność komórek B. paxillifera. Największy spadek liczebności tej okrzemki zanotowano 7 dnia eksperymentu po dodawaniu przesączu z sinicy przetrzymywanej w 190 µmol fotonów·m-2·s-1, temperaturze 25ºC i nadwyżce składników pokarmowych NP, który wyniósł odpowiednio 85%, 86% i 81% w stosunku do próby kontrolnej (ANOVA, p < 0,05). Ponadto w pracy badano wpływ cieczy jonowej [BMIM]Cl, Roundupu®, w którym substancją aktywną jest glifosat oraz chlorku miedzi (II) na liczebność analizowanej okrzemki (ryc. 2, D-F). Na podstawie uzyskanych wyników zaobserwowano, że dodanie chlorku miedzi o stężeniu 0,001 g·l-1 miało największy hamujący wpływ na bałtycką okrzemkę B. paxillifera, której reakcja ostatniego dnia eksperymentu przejawiała się w 40-to procentowym spadku liczebności w stosunku do próby kontrolnej. Ponadto dla pozostałych dwóch analizowanych substancji: cieczy jonowej o stężeniu 0,0175 g·l-1 oraz glifosatu, którego dodawane stężenie było równe 0,05 g·l-1, odpowiedź, wyrażona jako spadek liczebności B. paxillifera po 7 dniach ekspozycji wyniosła odpowiednio 58% i 51% w stosunku do warunków kontrolnych (ANOVA, p < 0,05). Zmiany morfologiczne w budowie chloroplastów zaobserwowane u B. paxillifera poddanej działaniu przesączu sinic oraz preparatu Roundup® przedstawiono na ryc. 3 i ryc. 4. W pracy strzałkami wskazano zdeformowane struktury badanego organizmu. Wykazano, że testowane substancje, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i antropogenicznego powodowały ograniczenie pigmentacji oraz lizę komórek w porównaniu z hodowlą kontrolną. Dodatkowo dodanie preparatu Roundup® powodowało tworzenie się widocznych już po 1 dniu ekspozycji struktur wewnątrz okrzemek, które zaklasyfikowano do rozdętych wakuol gazowych. Obserwacje z użyciem mikroskopu świetlnego wykazały tworze- 27 KRÓTKO Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 hamować ich wzrost (Chan i wsp., 1980). Takie właściwości wyjaśniałyby dużą wrażliwość okrzemki B. paxillifera na testowane związki allelopatyczne i substancje pochodzenia antropogenicznego. Istnieje kilka doniesień literaturowych wskazujących, że związki chemiczne mogą powodować zmiany strukturalne i morfologiczne komórek targetowych (Valdor i Aboal, 2007; Gantar i wsp., 2008). W niniejszej pracy wykazano, że testowane substancje, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i antropogenicznego powodowały ograniczenie pigmentacji oraz lizę komórek w porównaniu z hodowlą kontrolną. Na podstawie uzyskanych wyników, przy użyciu mikroskopu świetlnego, Valdor i Aboal (2007) zaobserwowali morfologiczne zmiany komórek Scytonema sp. pod wpływem testowanych substancji. Autorzy zanotowali, że komórki były wyciągnięte, granulowały się lub były martwe i puste w środku. U form kolonijnych zaobserwowano tendencję do rozdzielania się i izolacji komórek. W przeprowadzonych eksperymentach zanotowano ponadto wiele martwych komórek, trychomy i nici były pozbawione koloru i zdeformowane. Obserwacje przy użyciu mikroskopu elektronowego wykazały ponadto, że nici i komórki Scytonema sp. były zdegenerowane, tylakoidy były pozbawione granulacji i wzrosła ilość inkluzji cytoplazmatycznych. Z kolei u Pseudocapsa sp. zaobserwowano dużą ilość martwych komórek. Również badania ultrastrukturalne przeprowadzone przez Gantar’a i wsp. (2008) wykazały, że 24-godzinna ekspozycja na zadany ekstrakt z sinicy Fischerella sp. powodowała drastyczne zmiany morfologiczne u zielenicy Chlamydomonas sp. Zanotowane wyniki sugerują, że zarówno związki produkowane przez sinice, jak i syntetyczne związki chemiczne mogą powodować zmiany fizjologiczne u organizmów targetowych. Oznacza to, że długoterminowe, niskie stężenie związków allelopatycznych oraz związków pochodzenia antropogenicz- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA zmniejszenie liczebności komórek B. paxillifera w stosunku do warunków kontrolnych. W badaniach przeprowadzonych na zielenicy Scenedesmus quadricauda (Turpin) Brébisson w Brébisson & Godey 1835: 66 stężenie glifosatu 0,02 g·l-1 hamowało wzrost komórek tego gatunku (Wong, 2000). W pracy dotyczącej toksyczności czterdziestu herbicydów stosowanych powszechnie na świecie wykazano, że EC50 glifosatu dla zielenicy z gatunku Raphidocelis subcapitata (Korshikov) Nygaard, Komárek, J.Kristiansen & O.M.Skulberg 1987: 31 jest niższe niż zastosowane w niniejszych badaniach i wynosi 0,0055 g·l-1 (Maa i wsp., 2006). Ponadto ważnym pierwiastkiem, który często notowany jest w podwyższonych stężeniach, jest miedź. Pierwiastek ten występuje w środowisku naturalnie i w reakcjach enzymatycznych bierze udział w przenoszeniu elektronów (Wells i wsp., 2005). W wodzie morskiej stężenia miedzi wynosi 0,02-0,32 µg·l-1 (Kabata-Pendias i Pendias, 1999). W ilości większej niż klasyfikująca ją jako mikroelement jest jednym z najbardziej toksycznych metali ciężkich (Brown i Rattigan, 1979). Zastosowane w badaniach stężenie 0,001 g·l-1 chlorku miedzi hamowało wzrost komórek B. paxillifera. Narażenie mikroorganizmów roślinnych na bezpośredni kontakt z wysokim stężeniem jonów miedzi może być dla nich bardzo toksyczne (Serra i wsp., 2009). Chlorek miedzi wprowadzony do środowiska może powodować niekorzystne i długo utrzymujące się zmiany składu mikroorganizmów roślinnych w środowisku wodnym (Stauber i Florence, 1985). Zaobserwowano, że obecność toksycznych ilości miedzi powoduje zmniejszenie szybkości podziałów komórkowych i wyraźne zwiększenie się rozmiaru komórek u okrzemki Asterionella japonica Cleve w Cleve & Möller 1882: 3 (Fisher i wsp., 1981). Okrzemki pobierają organiczne substancje szybciej, niż pozostałe morskie mikroglony i dlatego są bardziej wrażliwe na różnorodne substancje obecne w środowisku, które mogą wersja PL SZKOŁA uznane za zielone zamienniki przemysłowych lotnych związków organicznych. Popularność tych rozpuszczalników, jako „przyjaznych dla środowiska” chemikaliów opiera się przede wszystkim na ich bardzo małej prężności par. Niemniej jednak duża rozpuszczalność cieczy jonowych w wodzie daje powody do obaw w stosunku do ich wpływu na organizmy wodne. Poznanie typu i zakresu oddziaływania tych substancji na mikroorganizmy jest niezwykle istotne, gdyż ekosystemy wodne są możliwym odbiorcą zanieczyszczeń przemysłowych (Phama i wsp., 2010). W podjętych badaniach testowano wpływ cieczy jonowej w stężeniu 0,0175 g·l-1 [BMIM]Cl. W testach obserwowano zmniejszanie się liczebności komórek B. paxillifera w kolejnych dniach eksperymentu. Latała i wsp. (2009b), wykazali w swoich badaniach, że ciecze jonowe są toksyczne dla okrzemek z gatunku Cyclotella meneghiniana Kützing 1844: 50 i Skeletonema marinoi Sarno & Zingone w Sarno i wsp., 2005: 160, a wartości EC50 dla cieczy jonowych o łańcuchach od 4 do 10 atomów węgla wahały się od 0,02 do 6,5 µM. W testach zastosowano herbicyd Roundup®, który ma szerokie spektrum o biologicznej aktywności. Jest on niezwykle skutecznym herbicydem, którego kontaktowy mechanizm działania obejmuje hamowanie jednego z podstawowych szlaków metabolicznych roślin. W ostatnich latach popularność tego herbicydu wzrosła wraz z rozpowszechnieniem upraw roślin modyfikowanych genetycznie (Maa i wsp., 2006; Kwiatkowska i wsp., 2013). Roundup® stosowany jest w formie preparatu chwastobójczego. W jego skład którego wchodzi substancja aktywna (glifosat) oraz wiele substancji pomocniczych. Dlatego tak istotne jest badanie łącznego działania substancji czynnej i pozostałych składników preparatu (w tym surfaktantów), ponieważ jest to forma, na którą środowisko naturalne jest narażone najczęściej. W przeprowadzonych badaniach wykazano, iż stężenie 0,005 g·l-1 glifosatu powodowało 28 KRÓTKO Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Artykuł przedstawia wyniki przeprowadzonego eksperymentu, badającego wpływ substancji allelopatycznych wydzielanych przez sinicę N. spumigena, jak również wpływ różnych substancji chemicznych pochodzenia antropogenicznego, na liczebność wybranego gatunku okrzemki – B. paxillifera. Artykuł porusza ważne aspekty wpływu zanieczyszczeń pochodzących z dość powszechnie stosowanych substancji chemicznych, jak również związków allelopatycznych, które przy rosnącej intensywności zakwitów sinicowych, wynikających z przeżyźnienia morza, jak i zmian klimatycznych, wkrótce trzeba będzie uznać, za kolejny rodzaj zanieczyszczeń pochodzenia naturalnego. Zasadność przeprowadzenia takich badań podyktowana była stosunkowo nielicznymi pracami podejmującymi temat porównania wpływu związków allelopatycznych i substancji pochodzenia antropogenicznego na wybrane gatunki mikroglonów w środowisku Morza Bałtyckiego. W pracy porównano stopień oddziaływania związków allelopatycznych produkowanych przez sinice N. spumigena, hodowanych w określonych warunkach natężenia światła, temperatury i dostępności składników pokarmowych na tle wybranych substancji pochodzenia antropogenicznego, takich jak imidazoliowa ciecz jonowa [BMIM]Cl, herbicyd Roundup® zawierający glifosat i chlorek miedzi, w odniesieniu do okrzemki B. paxillifera. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że związki allelopatyczne wywierają istotnie negatywny wpływ na wzrost testowanej okrzemki i oddziaływają niewiele słabiej niż substancje pochodzenia antropogenicznego. Porównanie wpływu Podziękowania: Artykuł powstał w trakcie realizacji grantu NCN PRELUDIUM 5, numer: 2013/09/N/ST10/01929. Literatura Antunes JT, Leão PN, Vasconcelos VM (2012). Influence of Biotic and Abiotic Factors on the Allelopathic Activity of the Cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii Strain LEGE 99043. Microbial Ecology. 64:584-592. Berry JP, Gantar M, Perez MH, Berry G, Noriega FG (2008). Cyanobacterial toxins as allelochemicals with potential applications as algaecides, herbicides and insecticides. Marine Drugs. 6:117-146. Brown BT, Rattigan BM (1979). Toxicity of Copper and Other Metal Ions to Laminaria digitata. Enviromental Pollution. 20:303-314. Chan AT, Andersen RJ, Le Blanc MJ, Harrison PJ (1980). Algal Plating as a Tool for Investigating Allelopathy Among Marine Microalgae. Marine Biology. 59:7-13. Dakshini KMM (1994). Algal allelopathy. Botanical Reviews. 60:182196. Fisher NS, Jones GJ, Nelson DM (1981). Effects of copper and zinc on growth, morphology, and metabolism of Asterionella japonica (Cleve). Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 51:37-56. Fistarol GO, Legrand C, Granéli E (2003). Allelopathic effect of Prymnesium parvum on a natural plankton community. Marine Ecology Progress Series. 255:115-125. Fistarol GO, Legrand C, Selander E, Hummert C, Stolte W, Granéli E (2004). Allelopathy in Alexandrium spp.: effect on a natural plankton community and on algal monocultures. Aquatic Microbial Ecology. 35:45-56. Fistarol GO, Legrand C, Granéli E (2005). Allelopathic effect on a nutrient-limited phytoplankton species. Aquatic Microbial Ecology. 41:153-161. Franz JE, Mao MK, Sikorski JA (1997). Glyphosate A Unique Global Herbicyde. ACS Monograph 189. American Chemical Society, Washington CD. Gantar M, Berry JP, Thomas S, Wang M, Perez R, Rein KS, King G (2008). Allelopathic activity among cyanobacteria and microal- gae isolated from Florida freshwater habitats. FEMS Microbiology Letters. 64:55-64. Granéli E, Hansen PJ (2006). Allelopathy in harmful algae: a mechanism to compete for resources? In: Granéli E, Turner JT, eds. Ecology of Harmful Algae, Ecological Studies. 189. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Germany: 189-201. Granéli E, Weberg M, Salomon PS (2008). Harmful algal blooms of allelopathic microalgal species: The role of eutrophication. Harmful Algae. 8:94-102. Gross EM (2003). Allelopathy of Aquatic Autotrophs. Critical Reviews in Plant Sciences. 22:313-339. Guillard RRL (1975). Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. In: Smith WL, Chanley MH, eds. Culture of Marine Invertebrate Animals. Plenum Press, New York, USA, pp. 26-60. Kabata-Pendias A, Pendias H (1999). Biogeochemia pierwiastków śladowych. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 1.4:111126. Kubanek J, Hicks MK, Naar J, Villareal TA (2005). Does the red tide dinoflagellate Karenia brevis use allelopathy to outcompete other phytoplankton? Limnology and Oceanography. 50:883-895. Kulacki KJ, Lamberti GA (2008). Toxicity of imidazolium ionic liquids to freshwater algae. Green Chemistry. 10:104-110. Kwiatkowska, M, Jarosiewicz P, Bukowska B (2013). Glifosat i jego preparaty – toksyczność, narażenie zawodowe i środowiskowe. Medycyna Pracy. 64:717-729. Latała A (2003). Autecological characteristic of some algal strains from Culture Collection of Baltic Algae (CCBA). In: Lima N, Smith D, eds. Biological Resource Centers and the Use of Microbes, Micoteca da Universidade do Minho, Braga, Portugal, pp. 323-345. Latała A, Stepnowski P, Nędzi M, Mrozik W (2005). Marine toxicity assessment of imidazolium ionic liquids: acute effects on the Baltic algae Oocystis submarina and Cyclotella meneghiniana. Aquatic Toxicology. 73:91-98. Latała A, Jodłowska S, Pniewski F (2006). Culture Collection of Baltic Algae (CCBA) and characteristic of some strains by factorial experiment approach. Archiv für Hydrobiologie 165, Algological Studies. 122:137-154. Latała A, Nędzi M, Stepnowski P (2009a). Toxicity of imidazolium and pyridinium based ionic liquids towards algae. Bacillaria paxillifer (a microphytobenthic diatom) and Geitlerinema amphibium (a microphytobenthic blue green alga). Green Chemistry. 11:1371-1376. Latała A, Nędzi M, Stepnowski P (2009b). Toxicity of imidazolium and pyridinium based ionic liquids towards algae. Chlorella vulgaris, Oocystis submarina (green algae) and Cyclotella meneghiniana, Skeletonema marinoi (diatoms). Green Chemistry. 11:580588. Latała A, Nędzi M, Stepnowski P (2010). Toxicity of imidazolium io- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Podsumowanie zadanych stężeń substancji antropogenicznych z oddziaływaniem związków allelopatycznych, których ilości w środowisku morskim pozostają w dalszym ciągu nieznane, umożliwi pełniejszy wgląd w ich rolę w środowisku wodnym na tle innych związków chemicznych. wersja PL SZKOŁA nego może wpływać na mikroglony, powodując zmiany w rozmieszczeniu poziomym i strukturze zbiorowisk fitoplanktonu. 29 KRÓTKO Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Wpływ związków allelopatycznych... | S. Śliwińska-Wilczewska, Z. Sylwestrzak, J. Maculewicz, A. Zgrundo, F. Pniewski, A. Latała | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA NAUKA Wong PK (2000). Effects of 2,4-D, glyphosate and paraquat on growth, photosynthesis and chlorophyll a synthesis of Scenedesmus quadricauda Berb 614. Chemosphere. 41:177-182. Yamasaki Y, Nagasoe S, Matsubara T, Shikata T, Shimasaki Y, Oshima Y, Honjo T (2007). Allelopathic interactions between the bacillariophyte Skeletonema costatum and the raphidophyte Heterosigma akashiwo. Marine Ecology Progress Series. 339:83-92. Yang X, Deng S, De Philippis R, Chen L, Hu C, Zhang W (2012). Chemical composition of volatile oil from Artemisia ordosica and its allelopathic effects on desert soil microalgae, Palmellococcus miniatus. Plant Physiology and Biochemistry. 51:153-158. Żak A, Musiewicz M, Kosakowska A (2012). Allelopathic activity of the Baltic cyanobacteria against microalgae. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 112:4-10. KRÓTKO nic liquids towards algae. Influence of salinity variations. Green Chemistry. 12:60-64. Lyczkowski ER, Karp-Boss L (2014). Allelopathic effects of Alexandrium fundyense (Dinophyceae) on Thalassiosira cf. gravida (Bacillariophyceae): a matter of size. Journal of Phycology. 50:376-387. Maa J, Wangc S, Wangb P, Mab L, Chena X, Xua R (2006). Toxicity assessment of 40 herbicides to the green alga Raphidocelis subcapitata. Ecotoxicology and Environmental Safety. 63:456-462. Mazur-Marzec H, Błaszczyk A, Felczykowska A, Hohlfeld N, Kobos J, Toruńska-Sitarz A, Devi P, Montalvão S, D’souza L, Tammela P, Mikosik A, Bloch S, Nejman-Faleńczyk B, Węgrzyn G (2015). Baltic cyanobacteria–a source of biologically active compounds. European Journal of Phycology. 50:343-360. Phama TPT, Choa CW, Yuna Y (2010). Environmental fate and toxicity of ionic liquids: A review. Water Research. 44:352-372. Pieniążek D, Bukowska B, Duda W (2003). Glifosat – nietoksyczny pestycyd? Medycyna Pracy. 54:579-583. Samorì C, Sciutto G, Pezzolesi L, Galletti P, Guerrini F, Mazzeo R, Tagliavini E. (2011). Effects of imidazolium ionic liquids on growth, photosynthetic efficiency, and cellular components of the diatoms Skeletonema marinoi and Phaeodactylum tricornutum. Chemical research in toxicology. 24: 392-401. Serra A, Corcoll N, Guasch H (2009). Copper accumulation and toxicity in fluvial periphyton: The influence of exposure history. Chemosphere. 74:633-641. Smayda TJ (1990). Novel and nuisance phytoplankton blooms in the sea: evidence for a global epidemic. In: Granéli S, Sundström B, Edler L, Anderson DM, eds. Toxic Marine Phytoplankton. Elsevier Science, New York, NY, USA, pp. 29-40. Stauber JL, Florence TM (1985). The influence of iron on copper toxicity to the marine diatom, Nitzschia closterium (ehrenberg) W. Smith. Aquatic Toxicology. 6:297-305. Suikkanen S, Fistarol GO, Granéli E (2004). Allelopathic effects of the Baltic cyanobacteria Nodularia spumigena, Aphanizomenon flos-aquae and Anabaena lemmermannii on algal monocultures. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 308:85-101. Valdor R, Aboal M (2007). Effects of living cyanobacteria, cyanobacterial extracts and pure microcystins on growth and ultrastructure of microalgae and bacteria. Toxicon. 49:769-779. Van Dolah FM (2000). Marine algal toxins: origins, health effects, and their increased occurrence. Environmental Health Perspectives. 108:133-141. Wardle DA, Karban R, Callaway RM (2011). The ecosystem and evolutionary contexts of allelopathy. Trends in Ecology & Evolution. 26:655-662. Wells ML, Trick CG, Cochlan WP, Hughes MP, Trainer VL (2005). Domoic acid: The synergy of iron, copper, and the toxicity of diatoms. Limnology and Oceanography. 50:1908-1917. 30 Streszczenie: Działalność człowieka ma wpływ na środowisko, w szczególności na zmiany jakości powietrza. W artykule przedstawiono główne źródła emisji zanieczyszczeń powietrza w Polsce, z uwzględnieniem emisji pyłów, SO2, CO, NOX, niemetanowych lotnych związków organicznych, amoniaku, dioksyn i furanów, PCB, WWA oraz metali ciężkich. Wskazano również przyczyny aktualnego stanu powietrza w Polsce oraz rodzaje działań w zakresie ograniczania emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. Zwrócono również uwagę na problemy zdrowotne będące efektem długotrwałej ekspozycji na zanieczyszczenia. Słowa kluczowe: emisje zanieczyszczeń, niska emisja, zdrowie człowieka otrzymano: 30.11.2015; przyjęto: 1.03.2016; opublikowano: 1.04.2016 mgr inż. Martyna Nowak: Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, ul. Zamkowa 1, 41-803 Zabrze; e-mail: [email protected] Odpowiedni stan środowiska naturalnego gwarantuje bezpieczne funkcjonowanie człowieka, a jakość poszczególnych elementów środowiska silnie wpływa na zdrowie ludzi. Znaczna część aktywności człowieka wpływa na środowisko, jego zasoby oraz stabilność ekosystemów (Albiniak 2014). Działalność człowieka skutkuje emitowaniem różnych zanieczyszczeń gazowych oraz pyłowych do powietrza. Związki te mogą reagować ze sobą, a takim reakcjom sprzyja promieniowanie słoneczne, wysoka temperatura oraz wysoka wilgotność. Kumulacja negatywnych działań może powodować nieodwracalne zmiany w otaczającym środowisku. Zanieczyszczenia powietrza, takie jak dwutlenek siarki i tlenki azotu, mogą prowadzić do zakwaszania gleb i wód oraz eutrofizacji (Toczko 2011). Zanieczyszczenia powietrza mają również bezpośredni wpływ na zdrowie człowieka – ich obecność może powodować problemy zdrowotne związane z układem oddechowym i układem krążenia (Nurul i wsp. 2014; Özkan i wsp. 2016). Niektóre związki, takie jak benzo[a]piren wykazują działanie rakotwórcze (Trojanowska i Świetlik 2013). System oceny jakości powietrza w Polsce Zgodnie z art. 89 ust. 1 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 – Prawo ochrony środowiska (Dz. U. z 2001 Nr 62, poz. 627 z późn. zm.), Wojewódzki inspektor ochrony środowiska (WIOŚ) dokonuje oceny poziomów substancji w powietrzu, na podstawie danych pochodzących ze stacji Państwowego Monitoringu Środowiska. Wojewódzkie raporty zawierające wyniki ocen publikowane są na stronach internetowych WIOŚ. Zgodnie z art. 90 prawa ochrony środowiska wyniki ocen prze- kazywane są zarządom województwa, które w przypadku przekroczenia poziomów dopuszczalnych substancji, opracowują program ochrony powietrza. Na podstawie wojewódzkich ocen rocznych Główny Inspektor Ochrony Środowiska (GIOŚ) wykonuje zbiorczą ocenę jakości powietrza, która dostępna jest stronie internetowej Portalu Jakości Powietrza: http://powietrze.gios.gov.pl. Dostępna jest również bezpłatna aplikacja na smartfony z systemem Android i iOS, w której znajdują się aktualne wyniki pomiarów, mapa stacji pomiarowych, informacje o wysokich stężeniach zanieczyszczeń oraz aktualności GIOŚ (PJP, 2016). Zanieczyszczenia objęte roczną oceną jakości powietrza pod kątem ochrony zdrowia to następujące substancje: • Dwutlenek siarki (SO2), • Dwutlenek azotu (NO2), • Tlenek węgla (CO), • Benzen (C6H6), • Ozon (O3), • Pył drobny PM10 (o średnicy do 10 μm), • Pył bardzo drobny PM2,5 (o średnicy do 2,5 μm), • Ołów (Pb), • Arsen (As), • Nikiel (Ni), • Kadm (Cd), • Benzo[a]piren. Ze względu na ochronę roślin ocenie podlegają trzy substancje: • Dwutlenek siarki (SO2), • Tlenki azotu (NOX) – suma tlenku azotu (NO) oraz dwutlenku azotu (NO2) w przeliczeniu na dwutlenek azotu, • Ozon (O3). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Martyna Nowak Wprowadzenie wersja PL SZKOŁA Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce oraz główne działania mające na celu jego poprawę 31 KRÓTKO Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 3500 3500 3000 3000 2500 2500 2000 2000 1500 1500 1000 1000 500 500 0 0 Sulfur dioxide Nitrogen oxide Sulfur dioxide Nitrogen oxide Carbon Non-methane Niemetanowe Carbon Non-methane monoxide volatile organic Dwutlenek siarki Tlenek azotu Tlenek węgla lotne związki monoxide volatile organic compounds organiczne compounds 2000 2005 2010 2012 2000 2005 2010 2012 Ammonia Ammonia Amoniak Particulate Particulate matter Pyły matter Fig.Ryc. 1. Total air emissions matter in 2000-2013, 2, NO 2, CO, 3 and particulate 1. Całkowita emisja SO2, of NOSO , CO, NMLZO, NHNMVOC, , pyłów doNH powietrza w latach 2000–2013, w tys. ton 2 3 Fig. 1. Total air emissions of SO NH 2, NO2, CO, NMVOC, 3 and particulate matter in 2000-2013, thousand tons (Source: Bochenek 2015). Źródło: Bochenek, 2015. thousand tons (Source: Bochenek 2015). 1600 1600 niejszej tabeli określono rodzaje działalności oraz ich kody klasyfikacyjne w układzie SNAP (Selected Nomenclature for Air Pollution). Układ SNAP to europejska klasyfikacja rodzajów działalności i jest wykorzystywany do celów inwentaryzacji emisji zanieczyszczeń (Bochenek, 2015). Przedstawione w tabeli 1 procesy spalania w sektorze produkcji i transformacji energii (SNAP 01) obejmują elektrownie i elektrociepłownie zawodowe (SNAP 0101), ciepłownie (0102), rafinerie (0103), układy przemian paliw stałych (0104) oraz kopalnictwo surowców energetycznych (0105). Procesy spalania poza przemysłem zachodzą w sektorze usług (0201), w gospodarstwach domowych (0202) oraz rolnictwie i leśnictwie (0203). Transport drogowy (07) obejmuje spalanie paliw napędowych w samochodach osobowych (0701), ciężarowych (0702 i 0703), motorowerach i motocyklach (0704 i 0705), a także procesy parowania benzyny z pojazdów (0706) i zużycie opon, hamulców i nawierzchni dróg (0707). Zagospodarowanie odpadów (09) to głównie spalanie odpadów (również rolniczych) (0902 i 0907), natomiast rolnictwo (10) obejmuje uprawy z zastosowaniem nawozów (1001), wypalanie ściernisk i spalanie słomy (1003) oraz gospodarkę odchodami zwierzęcymi (1005). Zgodnie z danymi przedstawionymi w tabeli 1 największym źródłem emisji zanieczyszczeń są procesy spalania poza przemysłem, głównie w gospodarstwach domowych. Emisje tlenku węgla, a także polichlorowanych bifenyli (PCB), wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (w tym benzo[a]pirenu) oraz pyłów w tym sektorze są znacznie wyższe niż w innych działalnościach. Udział emisji WWA z procesów spalania poza przemysłem wynosi ponad 92%. Emisje dioksyn i furanów (PCDD/F) wynoszą 155,3 g I-TEQ (równoważnik toksyczności), a zatem są również znacznie wyższe niż w przypadku innych działalności. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Total Total emissions emissions ofof selected selected airair pollutans, pollutans, thousand thousand tons tons Na ryc. 1 przedstawiano całkowitą emisję najważniejszych zanieczyszczeń powietrza w Polsce. W latach 2000-2013 zanieczyszczeniem, którego wyemitowano najwięcej jest tlenek węgla (ponad 2,6 mln ton w 2000 r. do ponad 2,8 mln ton w 2013 r.) Największa redukcja na przestrzeni lat 2000-2013 dotyczy dwutlenku siarki – z prawie 1,5 mln ton w 2000 r. do ok. 0,8 mln ton w 2013 r. Emisje tlenków azotu, niemetanowych lotnych związków organicznych, amoniaku oraz pyłów utrzymują się na podobnym poziomie. W tabeli 1 zestawiono wartości całkowitej emisji w 2013 r. głównych oraz organicznych zanieczyszczeń powietrza w zależności od rodzajów działalności. W ni- wersja PL SZKOŁA Główne źródła emisji zanieczyszczeń i powietrza w Polsce 32 KRÓTKO Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 1500 1000 500 0 SO2 Rodzaje działalności (kod SNAP) NO2 CO NVOC tys. ton Procesy spalania w sektorze produkcji 400,42 243,58 60,65 19,76 i transformacji energii (01) Procesy spalania poza przemysłem 284,15 93,17 1843,22 123,17 (02) Procesy spalania w przemyśle (03) 149,56 69,21 256,23 10,53 Procesy produkcyjne (04) 11,20 23,61 31,86 75,10 Wydobycie i dystrybucja paliw kopal38,57 nych (05) Zastosowanie rozpuszczalników 0,00 0,01 208,85 i innych produktów (06) Transport drogowy (07) 1,20 255,08 581,16 139,89 Inne pojazdy (08) 0,23 Non-methane 100,08 80,51Ammonia 16,72 Sulfur dioxidei urządzenia Nitrogen oxide Carbon Zagospodarowanie odpadów (09) monoxide 0,09 volatile 1,66 organic 20,50 2,94 Rolnictwo (10) 11,85 2,26 0,25 compounds Inne źródła emisji i pochłaniania 282,99 zanieczyszczeń (11) 2000 2005 2010 2012 NH3 Pyły PCDD/F g I-TEQ PCB - 35,89 12,4 135,9 215,6 0,53 163,64 155,3 511,4 135167,3 1,14 32,12 34,12 52,5 14,4 15,7 31,1 6,9 7195,9 - 14,54 - - - 0,01 1,67 0,0 - 4,3 0,71 75,88 62,2 1,0 - 2459,1 530,5 - - - 258,46 19,88 0,7 0,1 1,5 - - 0,22 14,3 0,01 9,49 Particulate 2,55 20,13 matter PAH kg 1. Całkowita głównych orazNH organicznych zanieczyszczeń powietrza według rodzajów działalności w 2013 r. Fig. 1. Total airTabela emissions of SO2,emisja NO2, CO, NMVOC, 3 and particulate matter in 2000-2013, Bochenek, 2015. thousand tonsŹródło: (Source: Bochenek 2015). Total emission of heavy metals, tons 1600 1400 1200 1000 800 Ryc. 2. Całkowita emisja metali ciężkich w tonach 600 400 Źródło: Bochenek, 2015. 200 0 Arsenic Arsen Chromium Chrom Zinc Cynk 2000 Cadmium Kadm 2005 Copper Miedź 2010 Nickel Nikiel Lead Ołów Mercury Rtęć Drugim istotnym źródłem emisji zanieczyszczeń jest transport drogowy. W tym sektorze najwyższy udział w emisjach zanieczyszczeń ma tlenek węgla (581,16 tys. ton), znaczna jest również emisja trwałych zanieczyszczeń organicznych (razem PCB i WWA – 2521,3 kg). Najmniej zanieczyszczeń wytworzono w sektorach: zagospodarowanie odpadów, gdzie łączna ilość wytworzonych zanieczyszczeń wynosiła 47,87 tys. ton oraz wydobycie i dystrybucja paliw kopalnych, gdzie łączna ilość wytworzonych zanieczyszczeń wynosiła 53,11 tys. ton. Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika również iż najwyższe emisje dwutlenku siarki pochodzą z procesów spalania w sektorze produkcji i transformacji energii (głównie elektrownie i elektrociepłownie zawodowe). Największym źródłem emisji tlenków azotu jest transport drogowy. Najwyższe emisje niemetanowych lotnych związków organicznych powstają podczas stosowania rozpuszczalników oraz z innych źródeł emisji i pochłaniania zanieczyszczeń. Rolnictwo, głównie produkcja zwierzęca, jest największym źródłem emisji amoniaku. Na ryc. 2 przedstawiono całkowitą emisję metali ciężkich – arsenu, chromu, cynku, kadmu, miedzi, niklu, ołowiu oraz rtęci. Z zestawionych danych wynika iż na przestrzeni lat 2000-2013 najwyższe poziomy emisji dotyczyły cynku (ok. 1400–1600 ton), natomiast najniższe emisje dotyczyły rtęci (10,1–10,7 ton). Emisje cynku w latach 2010 i 2013 wzrosły w stosunku do lat 2000 i 2005, podczas gdy poziom emisji pozostałych metali ciężkich nie zmieniał się znacząco. W tabeli 2 zestawiono wartości emisji zanieczyszczeń powietrza w zależności od rodzaju środku transportu drogowego w 2013 r. Największym źródłem emisji są samochody osobowe – łączna emisja wszystkich zanieczyszczeń wyniosła ponad 25 mln ton. Natomiast 2012 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Fig. 2. Total emission of heavy metals, tons (Source: Bochenek 2015) wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA 2000 33 SZKOŁA 2500 Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 KRÓTKO Total emissions of selected air pollutans, thousa 3000 N2O CO NVMOC NOX Pyły SO2 Pb tys. ton Samochody osobowe 25 231,7 2,72 1,07 456,1 43,63 98,27 7,43 0,56 0,014 Samochody inne niż osobowe, o masie całkowitej < 3,5 t 7 634,8 0,43 0,36 61,94 8,94 31,23 2,49 0,18 0,001 Samochody ciężarowe o masie całkowitej > 3,5 t 6 450,8 0,53 0,27 26,66 25,22 93,61 4,76 0,37 - 1 745 0,09 0,03 7,11 3,49 15,59 1,04 0,05 - 77 0,11 0 11,72 3,9 0,14 0 0 0 Motorowery 33,9 0,05 0 5,37 2,34 0,02 0 0 0 Ciągniki rolnicze 831,8 0,05 0,05 12,26 2,18 14,18 1,38 0,03 - Autobusy o masie całkowitej > 3,5 t Motocykle Tabela 2. Emisja zanieczyszczeń powietrza według rodzajów środku transportu drogowego w 2013 r., w tys. ton Źródło: Bochenek, 2015. 1% 5% 4% 14% 40% Węgiel kamienny Węgiel brunatny Ropa naftowa Gaz ziemny Torf i drewno opałowe OZE Paliwa odpadowe stałe i inne surowce 24% 12% Ryc. 3. Struktura zużycia nośników energii pierwotnej w Polsce w 2014 r. Źródło: Bochenek, 2015. źródłem najniższej emisji zanieczyszczeń są motorowery. Różnice pomiędzy emisjami z poszczególnych rodzajów środków transportu związane są ilością pojazdów, które poruszają się po drogach. W 2014 r. w Polsce istniało prawie 26,5 mln pojazdów, z czego ok. 20 mln to samochody osobowe (Bochenek, 2015). Najwyższe wartości emisji CO2, CH4, N2O, CO, NMLZO, NOX, SO2, Pb oraz pyłów dotyczyły właśnie samochodów osobowych. Jedynymi źródłami emisji ołowiu do powietrza były samochody osobowe oraz samochody inne niż osobowe, o masie całkowitej poniżej 3,5 ton. Analiza przyczyn aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce Struktura emisji zanieczyszczeń w Polsce zależy od stosowanego rodzaju paliwa, jego jakości oraz struktury zużycia. Czynniki te w decydującej części wpływają na wielkość większości emisji do powietrza. Duże znaczenie mają również technologie stosowane w sektorze energetyki zawodowej oraz technologie spalania paliw wykorzystywane w sektorze komunalno-mieszkaniowym (Albiniak, 2014). Na rysunku 3 przedstawiono strukturę zużycia nośników energii pierwotnej w Polsce w 2014 r. Podstawowym nośnikiem energii pierwotnej w Polsce jest węgiel kamienny (40% wszystkich nośników energii), natomiast najmniejszy udział mają odnawialne źródła energii (OZE), tj. energia wody, wiatru, słoneczna, geotermalna oraz pompy ciepła (1% wszystkich nośników energii). Podstawowym problemem związanym z jakością polskiego powietrza jest niedotrzymywanie dopuszczalnej liczby dni z przekroczeniami dopuszczalnego poziomu pyłu zawieszonego PM10, PM2,5 oraz przekroczenia poziomu docelowego benzo[a]pirenu (KPOP 2015). Przekroczenia emisji PM10 odnoszą się zarówno EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA CH4 wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA CO2 Rodzaje środków transportu wersja PL KRÓTKO 34 Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 35 Natural gas do standardu dobowego (najczęściej w okresie zimo• lokalne ciepłownie (np. osiedlowe), Peat and wood wym), jak i rocznego. Przekroczenia stężeń pyłu PM2,5 • fuel transport. dotyczą standardu rocznego (Albiniak, 2014). Niska emisja to emisja zanieczyszczeń z emitorów Analiza wyników ocen rocznych, prowadzona przez Renewables (kominów), znajdujących na wysokości nie większej niż 24% Inspekcję Ochrony Środowiska wykazała, że na obecny 40 m. W rzeczywistości zanieczyszczenia emitowane stan jakości powietrza decydujący wpływ ma tzw. niska Solidsą z głównie z emitorów waste fuels and other o wysokości ok. 10 m i są rozemisja, pochodząca przede wszystkim z sektora bytoprzestrzeniane w najbliższej okolicy. Niska emisja jest sources 12% wo-komunalnego obejmująca (KPOP, 2015): problemem dotyczącym wprowadzania do atmosfery • indywidualne źródła wytwarzania ciepła i przygoszkodliwych pyłów i gazów, które powstają w wyniku towania ciepłej wody (procesy spalania poza przenieefektywnego spalania paliw w domach, samochomysłem), dach(Source: i ciepłowniach (Sadlok, 2014). ucture of consumption of primary energy commodities in Poland in 2014 Bochenek S7 0,03% S16 1,80% S23 0,87% S1 5,83% S2 3,54% S3 2,14% S4 0,58% S1 2,6% S2 5,3% Na rysunkach 4, 5 i 6 przedstawiono przyczyny przekroczeń dopuszczalnego poziomu PM10 (stężenie 24-godz.), PM2,5 (stężenie średnie roczne) oraz udział poszczególnych sektorów (tj. procesy spalania poza przemysłem, koksownie, transport, rolnictwo, leśnictwo, rybołówstwo, produkcja aluminium, spalanie paliw w instalacjach przemysłowych oraz produkcja energii elektrycznej i ciepła) w emisji benzo[a]pirenu. Dane na rys. 4 i 5 odnoszą się do przyczyn przekroczeń dopuszczalnych poziomów pyłów PM10 i PM2,5 w powietrzu, notowanych na stacjach monitoringu jakości wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Crude oil 40% Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Legenda do rys. 4 i rys. 5: S3 2,6% S1 – oddziaływanie emisji związanej z intensywnym ruchem pojazdów w centrum miasta S2 – oddziaływanie emisji związanej z ruchem pojazdów na głównej drodze leżącej w pobliżu stacji pomiarowej SZKOŁA 14% S4 – oddziaływanie emisji z kopalni lub kamieniołomów zlokalizowanych w pobliżu stacji pomiarowej S5 – oddziaływanie emisji związanych z indywidualnym ogrzewaniem budynków S7 – awaryjna emisja ze źródeł innych niż przemysłowe S5 89,5% S16 – emisja wtórna zanieczyszczeń pyłowych z powierzchni odkrytych, np. dróg, chodników, boisk S5 85,21% S23 – emisja związana z okresowym prowadzeniem prac budowlanych i drogowych Fig. 5. Reason exceedingRyc. the5. allowable level of PM2,5 emissionspoziomu (average annual concentration) Ryc. 4. Przyczyny przekroczeń dopuszczalnego poziomu 24-godz. for stężeń Przyczyny przekroczeń dopuszczalnego PM10 w 2014 r. – udział procentowy w skali kraju PM2,5 in w powietrzu (stężenia średnie roczne) w 2014 r. 2014 (Source: Kobus et al. 2015) Źródło: Kobus 2015. Źródło: Kobus easons for exceeding thei wsp., allowable level of PM10 emissions (24h concentration) in 2014 – i wsp., 2015. percentage level in the in the national scale (Source: Kobus et al. 2015) Cokemaking plants 15% | ebis.ibe.edu.pl | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA Aluminium Agriculture, forestry, fishing, [email protected] | © for the article by the Authors 2016 working machines 1% © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO S3 – oddziaływanie emisji z zakładów przemysłowych, ciepłowni, elektrowni zlokalizowanych w pobliżu stacji pomiarowej Rolnictwo, leśnictwo, Agriculture, rybołówstwo, forestry, fishing, maszyny robocze working machines 1% 1% Transport drogowy Road transport 6%6% Produkcja energii Production of elektrycznej electricity and heat i ciepła 0,005% 0,005% Industrial Spalanie paliw combustion plants w instalacjach and construction przemysłowych 0,01% i w budownictwie Procesy spalania Non-industrial paliw poza combustion plants przemysłem 77% 77% 0,01% Ryc. 6. Udział poszczególnych sektorów w emisji benzo[a]pirenu w Polsce w 2012 r. Źródło: Kobus i wsp., 2015. Fig. 6. Share of particular sectors involved inŚrobenzo(a)pyrene in Poland in 2012głównie (Source: powietrza w ramach Państwowego Monitoringu (w tym emissions benzo[a]piren) są emitowane w wyniku et al. 2015) dowiska. Stacje monitoringu zlokalizowane Kobus są główspalania paliw stałych w gospodarstwach domowych nie na terenach zurbanizowanych. Główną przyczyną (Albiniak, 2014). Duży udział w emisji tego związku przekroczeń PM10 i PM2,5 jest oddziaływanie emisji mają koksownie – 15%. Udział transportu w emisjach związanych z indywidualnym ogrzewaniem budynków benzo[a]pirenu wynosi 6%. (S5). Innymi znaczącymi przyczynami są oddziaływaZ przeprowadzonej analizy możliwości ograniczanie emisji związanej z transportem (S1+S2) oraz oddziania niskiej emisji wynika, że w istniejących ok. 12,9 ływanie emisji z zakładów przemysłowych, ciepłowni, mln mieszkaniach czynnych jest jeszcze ok. 7,5 mln elektrowni zlokalizowanych w pobliżu stacji pomiaropieców ceramicznych i ok. 1,5 mln pieców metalowych. wych (S3). W większości przypadków, piece te są opalane węglem, Z danych przedstawionych na rysunku 6 wynia wiele z nich ma bardzo niską sprawność (Schönfelka, że największy udział w emisji benzo[a]pirenu mają der, 2011). Częstym źródłem ciepła wykorzystywanym procesy spalania paliw poza przemysłem – 77%. WWA w sektorze bytowo-komunalnym są również odpady. Stosowane odpady komunalne mają różny skład, co może negatywnie wpływać na zdrowie i życie ludzkie oraz na środowisko. W sektorze transportu na wielkość emisji wpływ mają przede wszystkim: • zapotrzebowanie na przewóz pasażerów i elementy zależne od polityk w obszarach: gospodarczym, rolnym, osadniczym, pracowniczym, edukacyjnym, turystycznym, finansowym itp., • sposób organizacji usług przewozowych (np. wykorzystanie logistyki i inteligentnych technologii), • rozwiązania techniczne zastosowane w pojazdach (napędy i paliwa) i infrastrukturze, • przeciętna długość codziennych przejazdów, • nieekonomiczny, często agresywny styl jazdy (KPOP, 2015). W miastach duży wpływ na emisję zanieczyszczeń do powietrza ma organizacja i zarządzanie ruchem. Intensywny ruch pojazdów, jego nieodpowiednia organizacja oraz niewłaściwa technika jazdy skutkują tworzeniem się zatorów drogowych, a tym samym stratami energii przy częstym zatrzymywaniu i przyśpieszaniu oraz zwiększoną emisją (KPOP, 2015). Również niekorzystne warunki meteorologiczne, takie jak stany bezwietrzne, niska temperatura oraz mgła, mają wpływ na stan jakości powietrza. Warunki meteorologiczne mają duże znaczenie w przypadku źródeł emisji, takich jak paleniska domowe, lokalne kotłownie oraz transport samochodowy. Dodatkowo, w przypadku niektórych polskich miast, znaczący wpływ na poziom zanieczyszczeń w powietrzu mają warunki topograficzne, tj. źródła emisji umieszczone np. w dolinach górskich lub nieckach rzek, co utrudnia rozpraszanie zanieczyszczeń. Dodatkowym problemem jest koncentracja przemysłu w aglomeracjach lub w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Takim przykładem jest Aglomeracja Krakowska oraz Górnośląska (KPOP, 2015). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Koksownie Cokemaking plants 15% 15% Produkcja Aluminium aluminium production 0,3% Inne 0,3% Others 0,1% 0,1% wersja PL SZKOŁA in 2014 (Source: Kobus et al. 2015) 36 KRÓTKO Przyczyny aktualnego jakości powietrza w Polsce level | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Fig. 5. Reason forstanu exceeding the allowable of PM2,5 emissions (average annual concentration) Środowisko, styl życia, geny oraz poziom opieki medycznej są podstawowymi czynnikami, które wpływają na zdrowie człowieka. Związki pomiędzy czynnikami środowiskowymi a zdrowiem są bardzo złożone. Na organizm człowieka działa jednocześnie wiele szkodliwych czynników, które w powietrzu, wodzie, glebie i żywności występują w stosunkowo niskich stężeniach. Substancja Cechy substancji Wpływ na zdrowie Ozon Gaz bezbarwny, lekko słodki zapach Działa drażniąco na drogi oddechowe, zwiększając symptomy w przypadku osób cierpiących na choroby płuc, nasila objawy astmy, powoduje szkody w komórkach układu oddechowego, powoduje kaszel, dyskomfort w klatce piersiowej, podrażnia oczy Bardzo drobne cząstki Drobne cząstki mogą być odkładane w płucach i mogą powodować zapalenie płuc oraz pogłębia choroby serca i płuc. W grupie największego ryzyka znajdują się niemowlęta, dzieci i młodzież, osoby starsze powyżej 65 roku życia, ludzie cierpiący na choroby układu oddechowego oraz choroby serca czy cukrzycę, a także osoby, które pracują na świeżym powietrzu Pyły Tlenek węgla Gaz bezbarwny, bezwonny Zmniejsza absorpcję tlenu do krwi, co prowadzi do znacznej redukcji ilości tlenu dostarczanego do serca. Powoduje zawroty głowy, omdlenia, nudności Tlenki azotu NO to gaz bezwonny, NO2 to gaz o kolorze czerwono-brązowym Może nasilać choroby układu oddechowego (ból gardła, kaszel, przekrwienie błony śluzowej nosa, gorączka), zwiększa ryzyko zapalenia oskrzeli oraz zapalenia płuc u dzieci Dwutlenek siarki Gaz bezwonny, bezbarwny Zwiększa ryzyko zapadnięcia na przewlekłe choroby układu oddechowego, powoduje duszności, zwężenie dróg oddechowych u osób z astmą Ołów Metal ciężki Dzieci stanowią grupę największego ryzyka; może powodować uszkodzenie mózgu, zaburzenia nerwowe, występują problemy z trawieniem Związkiem, który ma negatywny wpływ na zdrowie ludzi, jest benzo[a]piren. Podobnie jak pyły, benzo[a]piren charakteryzuje się negatywnym wpływem nie tylko na zdrowie ludzi, ale także na roślinność, gleby i wodę. Posiada również zdolność kumulacji w organizmie i wykazuje dużą toksyczność przewlekłą. Podobnie jak inne wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), jest czynnikiem rakotwórczym i wpływa na zmiany w DNA (KPOP 2015). Narażenie nawet na bardzo niskie stężenia benzo[a]pirenu przez długi czas może prowadzić do powstawania nowotworów. Badania epidemiologiczne wykazały silną zależność pomiędzy stężeniem benzo[a]pirenu w powietrzu, a występowaniem nowotworu płuc. W województwie śląskim stwierdzono zwiększoną zapadalność na nowotwory płuc, szczególnie w grupie mężczyzn narażonych na związki WWA (Trojanowska i Świetlik, 2013). Szkodliwe substancje znajdujące się w powietrzu mogą być bardzo groźne dla zdrowia ludzi, dlatego niezbędne jest prowadzenie działań w zakresie ochrony powietrza. Działania mające na celu poprawę stanu jakości powietrza przedstawiono w kolejnym rozdziale. wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Wpływ zanieczyszczeń na zdrowie Zwykle ich charakter jest przewlekły, trwający często przez całe lub przez większość życia. Skutki zdrowotne związane z narażeniem na szkodliwe czynniki środowiskowe są różnorodne i objawiają się w postaci przejściowych lub trwałych zaburzeń funkcjonalnych, a rzadziej w postaci ewidentnych chorób (Albiniak 2014). Według danych Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) oszacowano, że zanieczyszczenia powietrza, zarówno w miastach jak i na terenach wiejskich, były przyczyną 3,7 miliona przedwczesnych zgonów w 2012 r. Badania epidemiologiczne wykazały powiązania pomiędzy poziomami zanieczyszczeń powietrza a śmiertelnością związaną z chorobami układu oddechowego oraz chorobami sercowo-naczyniowymi w różnych częściach świata. (Özkan i wsp., 2016). Tabela 3 przedstawia wpływ wybranych zanieczyszczeń w wysokim stężeniu, na zdrowie ludzkie. wersja PL SZKOŁA Pomimo redukcji emisji wielu zanieczyszczeń w ciągu ostatnich dekad, jakość powietrza w Europie wciąż nie spełnia odpowiednich norm. Szacuje się, że około 90% mieszkańców miast europejskich jest narażonych na zanieczyszczenia powietrza, takie jak pył, dwutlenek azotu, ozon czy benzo[a]piren. Te związki mają największy wpływ na zdrowie człowieka (KPOP, 2015). 37 Działania mające na celu poprawę stanu jakości powietrza W celu ochrony zdrowia ludności oraz ochrony środowiska naturalnego w Polsce ustanowiono szereg instrumentów redukcji emisji zanieczyszczeń do powietrza, które mają pomóc w osiągnięciu odpowiedniej jakości powietrza. Najistotniejsze z nich to: • pozwolenia na wprowadzanie gazów i pyłów do powietrza, • pozwolenia zintegrowane, • standardy emisyjne z instalacji, • standardy jakości paliw, Tabela 3. Wpływ zanieczyszczeń na zdrowie ludzkie Źródło: Nurul i wsp., 2014. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Wnioski końcowe W krajach UE, w tym w Polsce, istnieje system oceny i kontroli jakości powietrza. Ocena jakości powietrza pod kątem ochrony zdrowia i ochrony roślin obejmuje: dwutlenek siarki , dwutlenek azotu, tlenek węgla, benzen, ozon, pył PM10, pył PM2,5, metale ciężkie (ołów, arsen, nikiel, kadm), benzo[a]piren oraz tlenki azotu. Na przestrzeni lat 2000-2012 zaobserwowano znaczący spadek emisji dwutlenku siarki – z prawie 1500 tys. ton do ok. 800 tys. ton. Emisje tlenków azotu, niemetanowych lotnych związków organicznych, amoniaku oraz pyłów utrzymują się na podobnym poziomie. Z analizy danych wynika iż największym źródłem emisji zanieczyszczeń są procesy spalania poza przemysłem, głównie w gospodarstwach domowych. Drugim największym źródłem emisji zanieczyszczeń jest transport drogowy – samochody osobowe. Zwiększone emisje pyłów obserwuje się przede wszystkim na obszarach dużych miast i aglomeracji. Analizy prowadzone przez Inspekcję Ochrony Środowiska wykazały, że na obecny stan jakości powietrza główny wpływ ma tzw. niska emisja, związana głównie z sektorem bytowo-komunalnym (Kobus i wsp., 2015). Pyły zawieszone oraz zawarty w nich benzo[a]piren negatywnie oddziałują na zdrowie ludzkie i środowisko. Najbardziej narażone grupy to dzieci, kobiety w ciąży, osoby starsze oraz osoby z chorobami układu oddechowego i krążenia. Akumulacja pyłów w organizmie może powodować m.in. nasilenie astmy, ostre reakcje układu oddechowego oraz osłabienie czynności płuc (Albiniak, 2014). Benzo[a]piren również posiada zdolność akumulacji w organizmie i wykazuje dużą toksyczność. Podobnie jak inne wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), jest czynnikiem rakotwórczym (KPOP, 2015). W celu ochrony zdrowia oraz ochrony środowiska wprowadzono w Polsce wiele instrumentów w zakresie redukcji emisji zanieczyszczeń do powietrza. Są to m.in. pozwolenia na wprowadzanie gazów i pyłów do powietrza, pozwolenia zintegrowane, standardy emisyjne oraz programy ochrony powietrza (Albiniak, 2014). Działania polegające na redukcji emisji pyłów oraz benzo[a]pirenu dotyczą m.in. wymiany obecnego EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Skuteczną ochroną ludzi i środowiska przed negatywnym oddziaływaniem zanieczyszczeń jest dotrzymywanie poziomów dopuszczalnych zanieczyszczeń w środowisku. Poziomy te określone są w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. 2012, poz. 1031). Ważne jest identyfikowanie obszarów, w których następują przekroczenia zanieczyszczeń, a następnie podejmowanie działań powodujących redukcję emisji tych związków do dopuszczalnego poziomu, który nie będzie powodował negatywnego wpływu na zdrowie ludzi i ekosystemy (Albiniak, 2014). Jak wspomniano wcześniej, część społeczeństwa traktuje odpady jako substytut paliwa, nie zdając sobie sprawy z konsekwencji zdrowotnych związanych z ich spalaniem w paleniskach domowych. Dlatego też bardzo ważnym elementem, który wpływa na proces poprawy jakości powietrza, jest świadomość społeczna dotycząca negatywnego oddziaływania zanieczyszczeń na zdrowie ludzkie oraz środowisko (KPOP, 2015). Dotychczasowa redukcja emisji zanieczyszczeń powietrza spowodowana była ograniczeniem emisji głównie ze źródeł przemysłowych, w tym energetycznych. Oznacza to, że regulacje prawne oraz ustanowione na ich podstawie wymagania są efektywne. Oznacza to również, że istotny potencjał redukcyjny obejmuje działania i regulacje dotyczące sektora bytowo-komunalnego oraz transportu (KPOP, 2015). wersja PL SZKOŁA • programy ochrony powietrza na obszarach, na których normy jakości powietrza zostały przekroczone (Albiniak, 2014). W najbliższych latach poprawę jakości powietrza powinny przynieść działania określone w programach ochrony powietrza, realizowane w określonych regionach. Głównym celem Krajowego Programu Ochrony Powietrza jest ochrona zdrowia ludzi i warunków życia, z uwzględnieniem ochrony środowiska, z jednoczesnym zachowaniem zasad zrównoważonego rozwoju (KPOP, 2015). Krajowy Program Ochrony Powietrza to dokument o charakterze strategicznym, wyznaczający cele i kierunki działań, jakie powinny zostać uwzględnione w szczególności na szczeblu lokalnym, w programach ochrony powietrza (KPOP, 2015). Ze względu na obecną strukturę zużycia paliw w Polsce (rys. 5) oraz wysokie zużycie paliw stałych (w tym odpadów) w ogrzewnictwie, konieczne są działania zmniejszające emisje zanieczyszczeń, zwłaszcza pyłów oraz zawartego z nim benzo[a]pirenu. Działania te obejmują między innymi (Albiniak 2014; KPOP 2015): • wymianę indywidualnych systemów ogrzewania na systemy bardziej wydajne i niskoemisyjne (zamiana na nowoczesne kotły o wysokiej sprawności lub ogrzewanie elektryczne), • podłączenie do sieci ciepłowniczych, sieci gazowych, • kompleksową termomodernizację, mającą na celu zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło, • racjonalną modyfikację technologii produkcji w sektorach, z których emitowane są zanieczyszczenia najbardziej uciążliwe i niebezpieczne dla zdrowia ludzi i ekosystemów, • standaryzacja jakości spalanego paliwa, dotycząca jego uziarnienia, wartości opałowej, zawartości wilgoci, popiołu oraz siarki. 38 KRÓTKO Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Przyczyny aktualnego stanu jakości powietrza w Polsce | Martyna Nowak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 systemu grzewczego na nowoczesne, bardziej wydajne i niskoemisyjne układy, termomodernizacji i modyfikacji technologii w określonych sektorach oraz działania zwiększające świadomość społeczną (KPOP, 2015). Duży potencjał tkwi w zastosowaniu odnawialnych źródeł energii. 39 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. 2012 poz. 1031) Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4 listopada 2014 r. w sprawie standardów emisyjnych dla niektórych rodzajów instalacji, źródeł spalania paliw oraz urządzeń spalania lub współspalania odpadów (Dz. U. z 2014 r., poz. 1546). Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 Prawo ochrony środowiska (Dz. U. z 2001 r. Nr 62, poz. 627 z późn. zm.) Krajowy Program Ochrony Powietrza do roku 2020 (z perspektywą do roku 2030) (KPOP 2015). Ministerstwo Środowiska – Departament Ochrony Powietrza. Warszawa Portal Jakości Powietrza (PJP 2016) http://powietrze.gios.gov.pl/, dostęp 29.02.2016 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA KRÓTKO Albiniak B. p. red. (2014). Stan Środowiska w Polsce Raport 2014. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Warszawa Bochenek D. p. red. (2015). Ochrona Środowiska 2015. Główny Urząd Statystyczny. Warszawa. Pozyskano z http://www.stat.gov. pl, dostęp 29.02.2016 Kobus D., Iwanek J., Kostrzewa J., Mitosek G., Parvi R. (2015). Ocena jakości powietrza w strefach w Polsce za rok 2014. Państwowy Monitoring Środowiska – Inspekcja Ochrony Środowiska. Warszawa Nurul A. B. M., Oliver L. H. L., Dasimah O. (2014). Human Health and Wellbeing: Human health effect of air pollution. Procedia – Social and Behavioral Sciences 153: 221-229 Özkan C., Bahtiyar E., Ali D. (2016). Study on the association between air pollution and mortality in Istanbul, 2007-2012. Atmospheric Pollution Research 7: 147-154 Sadlok R., p. red. (2014). Przeciwdziałanie niskiej emisji na terenach zwartej zabudowy mieszkalnej. Stowarzyszenie na rzecz efektywności energetycznej i rozwoju odnawialnych źródeł energii „HELIOS”. Bochnia. Schönfelder T. p. red. (2011). Analiza możliwości ograniczania niskiej emisji ze szczególnym uwzględnieniem sektora bytowo-komunalnego. Opole Toczko B. p. red. (2011). Zanieczyszczenie powietrza w Polsce w 2009 roku na tle wielolecia. Biblioteka Monitoringu Środowiska. Warszawa Trojanowska M., Świetlik R. (2013). Ocena ryzyka nowotworowego związanego z narażeniem inhalacyjnym na benzo(a)piren w wybranych miastach Polski. Medycyna Środowiskowa. vol. 16, No. 2: 14-22 NAUKA Literatura Streszczenie: Many fish diseases do not start with presence of highly infectious factors, but in small environmental imbalances. They tend to handicap the immunological response, and, in consequence, sentisize to infections. On the other hand, severe pH, temperature and water-soluble compound level changes may be lethal itselves. This article presents some most common cases in fish farming in Poland. Słowa kluczowe: fish, environment, disease, hygiene, toxicity, oxygen, ammonia otrzymano: 15.04.2015; przyjęto: 25.03.2015; opublikowano: 1.04.2016 Urszula Ejlak: DVM-graduated from Warsaw University of Life Sciences. Intrested in farm fish diseases, was an intern at University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Inland Fisheries Institute, Norwegian School of Veterinary Science and worked with fish veterinarians in Haugesund (Norway). Presently working as a small animal internist in a veterinary clinic in Warsaw There are few organisms such susceptible to their environment as fish. They literally soak in their surrounding, no matter how nutritious or poisonous it may be. It is important for fish farmers and veterinarians to know how to control water parameters, so they can provide their customers healthy fish products. For example, we all know about dangers of diluted pesticides flowing around, but we rarely think of hyperoxygenated water as a toxic factor. This article highlights some most common environmental illnesses in farm fish in Poland, which we can quite easily avoid by paying attention to proper farm hygiene. To properly understand the fish struggle, we need to focus on their immune system for a moment. In intensive breeding, immunocompetence might be broken by: • high density, • poor nutrition, • low water quality, • contaminated facilities or • new fish coming to the stock. It may be also influenced by genetic predispositions (both innate and acquired immunity), age and species of the fish, seasons and photoperiod. For example, cold water fish do not need to produce immunoglobulins, as bacterial growth in such temperatures is very slow. It may prolong the immune response up to 28 days as well. As in other animals, the vital role in fighting infection is played by leukocytes. They wander around the body, differentiating cells and molecules between „self” and „non-self” and trigger immune response to destroy the „non-self” ones. The first thing to realize is that fish have no bone marrow nor lymph nodes, so blood cells (including leukocytes) are produced in other tissues than in mammals. Some of them may surpise us, for example soft tissue of orbit and skull (Holocephali fish) or intestinal spiral fold in young lamprey. In Elasmobranchii (e.g. sharks), there is a noticeable Leydig’s organ under the esophageal mucosa. The most important blood-producing organs in bony fish are spleen and anterior kidney, where immunity and hematopoesis take place. Those viscera are highly influenced by cortisol, „the stress hormone”. During manipulation (vaccination, transport etc.) we can detect involution of kidney and spleen, cortisol also blocks forming leukocytes and their adhesion to damaged tissue, activity of kidney phagocytes is lowered, in blood smear we can see leukopenia (especially lymphopenia T). This effects in decreased immune response, so even weak pathogens can induce disease. When we talk about fighting pathogens, we may not forget about the first barrier-skin covered with mucus. Mucous glands, present in the medium layer of epidermis, produce substance full of lysozyme (which damages bacterial cell walls and is also present in our tears and saliva), complement compounds (essential for triggering the non-specific and specific immune response) and natural antibodies and immunoglobulins. It prevents bacteria, fungi and parasites from adhesion to skin. It also separates the skin from irritating factors (i.e. ammonia, detergents in water), so we can notice an overproduction of mucus in such cases. Temperature In Poland, freshwater temperature oscilates between 0 °C and 30 °C. In summer, heated water flows to the surface and the lowest temperature is found in the bottom. On the contrary, during winter there is a cold ice surface and warmer water below. Water in reservoirs deeper than 1 m is permanently separated into three layers. The bottom layer is called hypolimnion and pre- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Urszula Ejlak Introduction wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA Balance is everything – how environment changes affect farm fish wersja PL KRÓTKO 40 Balance is everything – how environment changes affect farm fish | Urszula Ejlak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Temperature [°C] Growth [mm] 1 1.0 2 3.0 4 6.0 6 8.0 Appropiate pH range for rainbow trout is 6.5–8.2; for carp it is 5.0–9.0. For fisheries, it is the best to keep neutral (7.0) or weak alkaline (7.0–8.5) water. Daily pH fluctuations in ponds are normal and fish tolerate it well. However, the basic rule is not to change it over 0.2–0.5 pH units per day. There are simple, portable pH meters avaliable and they are easy to use. Colorimetric tests are more expensive, but more reliable. Calcium carbonate is a natural water buffer, preventing sudden pH changes. Similar buffers exist widely in nature, for example in blood, to maintain the stable environment for chemical reactions. While the calcium carbonate level is down, more calcium hydroxide is formed, which results in increased water basicity. This may induce fish alkalosis. At pH over 9.0 we can observe skin loss, frayed fins, dilated pupils and turbid lenses. Gill tissue is swollen, reddish and covered with mucus. This leads to lower oxygen intake and hypoxia. When partial pressure of CO2 in water is lower than it is in fish blood, carbon dioxide is removed from tissues into water. This imbalance of gases in blood end up in suffocation despite the proper amount of oxygen (hypercarbia). Carbon dioxide exists in water in molecular (90%) and conjugated form (as CaCO3). High CO2 levels are typical for water from underground sources. It may also occur during transport or cloudy days. In deep reservoirs (e.g. lakes) we can observe stratification of 8 9.7 10 12.8 12 16.9 14 20.9 16 25.0 carbon dioxide concentration. Maximum level of free CO2 is 25 mg/dm-3 for carp and 20 mg/dm-3 for trout (Własow and Guziur, 2008). Transgression causes fish acidosis, with such symptoms as tremors, hyperactivity, troubled transpiration, excessive mucus production, pale gills and skin (even skin loss) and death. Chronic exposure to low pH leads to fertility problems, slower growth, spinal deformities and accumulation of heavy metals in tissues. Most commonly, too acidic pH is present after heavy rains. Humic acids are flushed from soil, especially in ponds near coniferous forests, moors, coal mines. Metabolic activity of water flora and fauna are considered a secondary source of low water pH. Photosynthesis processed by water flora has a major influence on water pH. Assimilation of carbon dioxide decreases the level of CaCO3 in water. One may not forget about increased toxicity of metals (e.g. aluminium, chrome), ammonia and other factors in low pH. NAUKA pH wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO sents a stable temperature of about 4 °C. Water at this temperature has the highest density and can dissolve the most oxygen. Fish, which are familiar with this law of physics, can survive winter staying in hypolimnion. While sudden temperature drop usually does not affect fish much, extraordinary rise may be lethal. Obviously it depends on season, age of the fish (there is zero tolerance for temperature change during fry transportation, for adult fish it is 4°C), their accommodation et caetera. For example for carpio 37 °C is fatal (28.1 °C – 40.6 °C according to Wolny, 1976), for brown bullhead it is 36 °C in summer and 29 °C in winter. For adult rainbow trout, there is singnificantly increased mortality over 21 °C. To minimalize loss, it is necessary to stop feeding. Optimal water temperature (14–18 °C) during summer can be maintained by introducing a two-source water collecting system (recruintment from surface waters as well as from hypolimnion). Temperature rise causes respiratory stress, faster breathing (shown by excessive movement of operculum) and swimming near surface with open mouth (called piping). Faster metabolism requires more nourishment, but eventually fish stop feeding. In such circumstances leukocytosis and erythropaenia occur. Dissociation and dissolution happen faster in warmer water (unfortunately, it does not apply to oxygen). Combined with increased fish metabolism in such cases, we may observe severe intoxications (especially with heavy metals and phenols) that would not happen if water was colder. wersja PL SZKOŁA 41 Balance is everything – how environment changes affect farm fish | Urszula Ejlak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 18 20.9 Table 1. Average monthly growth of rainbow trout (fry to 2-year-old fish), depending on average monthly water temperature Ryc. 1. Water carbonate buffer Źródło: Goryczko, Grudniewska, 2015. Źródło: Noga, 2010. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Animal oxygen intake is variable and hard to predict. As far as we know, the most important factors increasing oxygen demand are: young age, metabolic rate (much higher in warmer water), good nutritional status, activity and excitability. Rainbow trout is capable of using 40% of oxygen dissolved in water. Level of oxygen adaptation, as well as oxygen solubility, depend on water temperature. 60% saturation was established as a full oxygen adaptation level. Amount of avaliable oxygen is described as a subtraction between saturation level at inflow and adaptation threshold value (below this level fish are unable to uptake oxygen). According to Wieniawski (1969), it is 5 mg O2/l for rainbow trout. Hypoxia We can divide sources of hypoxia in two groups: too low oxygen delivery into water and too high use by fish and macrophytes, which are main oxygen consumers in water. First condition often happens in late winter, when ice cover is a barrier between water and atmosphere, and snow layer ceases underwater photosynthesis. Temp. [°C] Max. O2 saturation [mg/l] Adaptation treshold [mg/l] 1 2 5 10 15 20 25 14.2 13.8 12.8 11.3 10.2 9.2 8.4 8.5 8.3 7.6 6.8 6.1 5.5 5.0 Table 2. Oxygen demand according to water temperature (for fish over 25 g) Źródło: Goryczko i Grudniewska, 2015. Oxygen demand for 1 kg of fish [mg/min] 0.3 0.4 0.7 1.4 2.3 3.6 5.5 while it is quite comfortable for carps (Własow and Guziur, 2008). If oxygen saturation changes slowly, carps can even survive in 1.8 mgDO/l (Prost, 1989). To diagnose environmental hypoxia, we need to measure oxygen level in situ, as there is no way to collect water samples without disturbing gas levels. In most cases, we must rely on clinical observations and history, however, TDS meters are increasing in popularity. Fish gathering near the inflow might be the first sign of hypoxia. They tend to jump out of water, pipe near the surface, stop feeding, show increased operculum movements and finally die with flared opercula and open mouth. Smaller specimens are more likely to survive than bigger ones. Hypoxia must be differentiated from gill parasitosis and nitrite poisoning. Average yearly precipitation in Poland is 600 mm. It is not too much and leads to draughts during summer and significantly lowers the water level in ponds, lakes and rivers. Combined with high temperatures and light exposure, it causes oxygen deprivation. The most common way to deal with the problem (besides aeration and oxygenation) is to stop feeding for a few days to prevent additional oxygen loss from decayingfodder (as said before, fish will not eat anyway). Amount of oxygen, used by aerobic bacteria to oxidate organic compounds is described as Biochemical Oxygen Demand (BOD). This parameter is a widely-used surrogate of the degree of organic pollution in water. BOD5(measured for five days) for rainbow trout is <4 mg/l (Goryczko and Grudniewska, 2015) and <15 mg/l for carp (Własow and Guziur, 2008). Fasting slows down fish metabolism, lowersoxygen intake and helps purify the water.In acute cases, paddlewheels and air pumps must be used to prevent sudden fish death. As DO levels vary throughout the day, it should be measured at dusk and two to three hours later. Farmers should monitor water turbidity caused by EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Oxygen balance It can take place in summer as well, because gases are poorly soluble in warmer water. Cloudy weather may decrease aquatic flora metabolism. The second group has a lot to do with water plants. While it is desired to have a certain amount of algae in a pond to increase oxygen level, too much algae can cause wide DO (dilluted oxygen) level fluctuations. They produce oxygen during the day, but use a lot of it at night, so we can observe very low DO level just before sunrise. This is a time of day when we see the most hypoxia symptoms. Overcrowding in ponds and sudden algae crush also decrease DO, as it is absorbed by both live and decaying matter. This is one of the main reasons why it is so important to clean water from dead fish, plants and other pollution. Aerators are rarely used in Polish aquaculture. Mixing water with pure oxygen (liquid or from concentrators) is becoming more and more popular. Main source of water oxygen are photosynthesis, diffusion and water turbulence. Dissolved oxygen is one of the most important factors for all aquatic organisms. It is vital to keep balance between stock density and water macrophytes. In most fish, diluted oxygen level below 5 mg/l is highly stressful. Salmonids need as much as 8 mg/l of DO to maintain healthy and undisturbed growth (Prost, 1989). 6 mg/l is lethal for most of Salmonids, wersja PL SZKOŁA Gas level imbalances 42 KRÓTKO Balance is everything – how environment changes affect farm fish | Urszula Ejlak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Everyone has heard of divers’ decompression sickness. When they emerge too fast, little gas bubbles form emboli in their blood vessels. Similar condition may appear in fish, but is caused by supersaturated water. When partial pressure of oxygen and nitrogen is higher than in atmosphere, those gases decompress. It is common in well lightened, shallow ponds with lush macrophythe growth, or in spring water sources. Sometimes, water is overly saturated during fish transport. At first, for example when atmospheric pressure suddenly drops after a storm, microscopic bubbles form in small veins (in fins, around the eyes, in gills). Later, we may observe bigger bubbles between the skin and epidermis or in buccal mucosa. They may grow up to 7 milimeters. If they appear in lateral line, fish cannot detect signals from surrounding water, which probably increases mortality during fish migration. In farm fish pH 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 10 0.19 0.23 0.29 0.37 0.47 0.59 0.74 0.92 1.16 1.46 1.83 2.29 2.86 3.58 4.46 5.55 12 0.21 0.27 0.34 0.43 0.54 0.68 0.85 1.07 1.35 1.69 2.12 2.65 3.32 4.14 5.15 6.40 Temperature [°C] 14 16 0.25 0.29 0.32 0.37 0.40 0.46 0.51 0.58 0.64 0.73 0.80 0.92 1.00 1.16 1.26 1.45 1.58 1.82 1.98 2.29 2.48 2.86 3.11 3.58 3.88 4.46 4.84 5.55 6.01 6.89 7.45 8.52 Ammonia It is one of the parameters that should be measured regularly. We can use simple chemistry kits to check TAN (total ammonia nitrogen) in water. Ammonia is 18 0.34 0.42 0.53 0.67 0.84 1.06 1.33 1.67 2.09 2.62 3.28 4.09 5.10 6.33 7.84 9.68 20 0.40 0.50 0.63 0.79 0.99 1.24 1.56 1.96 2.45 3.06 3.83 4.77 5.94 7.36 9.09 11.20 Table 3. Percentage of toxic (non-soluble) ammonia in water, due to pH and temperature changes Total ammonia level was not changed. Źródło: Goryczko and Grudniewska, 2015. a product of fish metabolism and increased concentration is observed during intensive feeding, fish growth and high stock density. Some of ammonia comes from bacterial reduction of nitrates and nitrites, dead fish and uneaten food, industrial waste or fertilizers. Due to temperature and pH changes proportions between NH3 (unionized ammonia – UIA) and NH4+ (ammonium) vary. Water hardness and salinity also play a vital role in this balance. The non-soluble form, NH3, shows high toxicity to fish. Lethal dose (50% of fish die within 48 hours) is 1,0–1,5 mg/dm-3 of NH3 for carp and 0,5–0,8 mg/dm-3 for rainbow trout (Własow and Guziur, 2008). However, much lower concentration (0,14–0,4 mg/ dm-3) may lead to serious illness (Własow and Guziur, 2008). Ammonia shows a complex effect: haemolytic, protoplasmic and neural. It can cause branchionecrosis (severe necrotic damage of gill tissue), ammonia poisoning and autointoxication. The last symptom is observed, when ammonia is not excreted outside through the gills, but remains inside the body due to high temperature and water pH, even if ammonia concentration in water is low. The pH increase may be caused by overgrowth ofphytoplankton and confervae. Chronic exposure to ammonia slows fish growth, lowers immunocompetence against infections and worsens blood oxygen transport and distribution into tissues. Proper feeding and water cleaning can prevent autointoxication. To reduce ammonia buildup, liming and aeration is required. It rises pH and allows NH3 conversion to non-toxic NH4+ It is important to remember that formaldehyde pollution may give us false positive results in some ammonia measuring tests. Rarely, the same reasons may lead to nitrite poisoning. Nitrite oxidizing bacteria (Nitrospira and Nitrobacter) may not be sufficient enough to deal with high nitrite level after the ammonia was oxidized to nitrites. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Gas bubble disease the symptoms are: exophthalmos, corneal opacity (leading to blindness) and frayed fins. Fish staying in supersaturated water during the day may be hyperactive, disturbed, and later operculum movements are slowed down. In larvae, gases may accumulate in yolk sac, causing balance problems. Commonly, fish move fast, jump up or away from water and die with their mouths open, which may look like suffocation. In acute cases the disease may take 4 minutes from the first symptoms to death. Treatment requires eliminating excess gas from the reservoir. Aerating the water allows equilibrating gas levels, but may not be practical in use. Farmers can build wide „steps” at the inflow to enlarge the surface of contact between water and air. wersja PL SZKOŁA macrophytes. Secchi disc or a stick should be visible at least 50 cm below the water surface. 43 KRÓTKO Balance is everything – how environment changes affect farm fish | Urszula Ejlak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Iron toxicity This macroelement is present in water as kations:Fe2+ (commonly as a soluble agent) and Fe3+ (mostly non-soluble). In acid and poorly oxygenated water, iron is mostly diluted. There is no specific data on iron toxicity, as it highly depends on other factors and water parameters. In general, maximum level of iron compounds for drinking water is 1.0 mg/l, for salmonids 0.5 mg/l (Goryczko and Grudniewska, 2015) and for carps 1.5–2 mg/l (Wojda, 2006). In water polluted with ferrum, we observe severe breathing problems in fish. The iron cations form non-soluble deposit on gills, which deteriorates the gas exchange. Expansion of ferrum – reducing bacteria makes it even worse. Gill tissue darkens and turns brownish. wersją referencyjną jest wersja EN Goryczko K, Grudniewska J (2015). Chów i hodowla pstrąga tęczowego . Olsztyn: Wydawnictwo IRŚ. Wolny P (1976). Karp. Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne. Kilarski W (2012). Anatomia ryb. Poznań: Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne. Antychowicz J (1996). Choroby i zatrucia ryb. Warszawa: Wydawnictwo SGGW. What goes around, comes around Providing our fish well-balanced, clean water is essential for successful aquaculture production. However, we must not forget that outflow water affects the environment too. Low in oxygen, high in ammonia, excrements, food remains and decayed matter should be filtered thoroughly before discharging into natural water reservoirs. Careless behavior can stimulate algae overgrowth, dying of delicate species as crayfish. We should do our best not to destroy beautiful wild ecosystems around the farm. References Noga EJ (2010). Fish disease- diagnosis and treatment. Second Edition, Wiley-Blackwell. Własow T, Guziur J (2008). Higiena ryb i środowiska hodowlanego z profilaktyką chorób raków. Warszawa: Wydawnictwo Hoża. Prost M (1989). Choroby ryb. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne. Kolman R (2010). Jesiotry. Chów i hodowla. Olsztyn: Wydawnictwo IRŚ. Wojda R (2006). Karp. Chów i hodowla. Poradnik hodowcy. Olsztyn: Wydawnictwo IRŚ. Guziur J i wsp. (2003). Rybactwo stawowe. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Hoża. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Fish gather near the fresh water source and die with operculums wide open and mouths agape. In hatcheries, we must avoid iron level over 0,35 mg/l. Organinc, non- organic suspensions and ferrum compounds easily precipitate on eggs, lowering gas exchange and leading to increased mortality. For this reason, all hatcheries must be provided with efficient water filters. Copper pipes and galvanized components should be avoided, as fish embryos are highly sensitive to copper and zinc ions. wersja PL SZKOŁA Lower temperatures may lead to nitrite accumulation as well, and it usually occurs in autumn. After the nitrite passes through gills into blood, it oxidizes hemoglobin to methemoglobin (MetHb). The reaction is similar to NO toxication in humans (suffocation during fires, for example). Gills may turn chocolate brown, but MetHb level must be as high as 40% for that symptom. The farmer may observe lethargy, hypoxia, dyspnea. Any additional stress can be lethal. Kitchen salt (NaCl) is an effective remedy. Cl- ions compete with nitrite in gill cell transmitters. After measuring the nitrite level, we should achieve at least 3 mg chloride to 1 mg nitrite ratio by adding salt to water. This level is usually safe for freshwater fish (up to 50 mg NaCl per liter). It is also a good idea to supplement ascorbates in fish food (it prevents MetHb forming). Problem of the straggling water florais very common in shallow, still water reservoirs, especially close to fertilized fields. 44 KRÓTKO Balance is everything – how environment changes affect farm fish | Urszula Ejlak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Streszczenie: Wiedza o kuli ziemskiej, miejsce Ziemi w kosmosie i zjawisku dnia i nocy czy fazach Księżyca nie jest zarezerwowana tylko dla dorosłych. Dzieci stykają się z nią w telewizji, programach multimedialnych, oglądając filmy przyrodnicze, także w wielu opowiadaniach, bajkach i legendach. Próbują także wyjaśniać proste zjawiska astronomiczne np. przyczynę dnia i nocy. Świadczy to o tym, że budują w swoim umyśle dziecięcą astronomię. W artykule przedstawiam dziecięce modele umysłowe, a więc sposoby wyjaśniania zjawisk astronomicznych, a także prezentuję wyniki sprawdzianu wiadomości przeprowadzonego wśród studentów (przyszłych nauczycieli), którzy okazują się przejawiać przetrwałe teorie wyjaśniające. Słowa kluczowe: astronomia, teorie wyjaśniające, modele umysłowe, przetrwałe modele, jakość edukacji otrzymano: 15.12.2015; przyjęto: 14.02.2016; opublikowano: 1.04.2016 dr Jan Amos Jelinek: Katedra Pedagogiki Małego Dziecka, Akademia Pedagogiki Specjalnej im. Marii Grzegorzewskiej [email protected] Wszyscy, zarówno dorośli, jak i dzieci budują teorie wyjaśniające. Służą one m.in. do budowania poczucia bezpieczeństwa – lepiej czujemy się w otoczeniu, które rozumiemy (Maruszewski, 2011, 347-353). Większość z tworzonych teorii nie jest uświadamianych, to znaczy, że na pytanie, czym jest planeta, tworzymy wypowiedź „tu i teraz”. Teorie wyjaśniające nie są zwykłymi teoriami naukowymi. Są formułowane intuicyjne na podstawie posiadanych doświadczeń. Proces tworzenia się teorii wyjaśniających otaczające zjawiska wciąż jest nieznany. Próbę wyjaśnienia tego fenomenu opisuje m.in. Alison Gopnik i Susan Carey. Zdaniem Alison Gopnik (2010) pod względem sposobów budowania teorii, dzieci są podobne do naukowców. Jej zdaniem stosowanie przez dzieci metody eksperymentu i analizy statystycznej świadczy, że w podobny do naukowców sposób odkrywają prawa rządzące światem. Na ich podstawie budują teorie wyjaśniające. Inną cechą upodabniającą dzieci do naukowców jest to, że teorie wyjaśniające pełnią tę samą funkcję. Na podstawie zbudowanych teorii dzieci starają się wyjaśniać nowe (nieobserwowane dotychczas) zjawiska, na ich podstawie dokonują też klasyfikacji. Dzięki skonstruowanym teoriom dzieci (i dorośli) czują się bezpiecznie, ponieważ z ich pomocą w sposób ekonomiczny są w stanie ogarnąć umysłem poznawane zjawisko. Teoria naukowa składa się z faktów i służy wyjaśnieniu przyczyn i warunków powstawania zjawisk. To, co różni teorie dziecięce od naukowych to ilość zdobytych informacji o zjawiskach – ze względu na wiek ich doświadczenie jest mniejsze. Inną cechą różnicującą jest precyzja, z jaką dzieci wyjaśniają relację między przyczyną a skutkiem powstawania zjawisk. Dziecięce teorie cechują również słabe powiązania między teoriami. Nie tworzą one struktury – ich teorie nie są ze sobą powią- zane, a często nawet przyjmują one współistnienie teorii sprzecznych ze sobą. Fenomen ten J. Piaget nazywa dwoistością stanów i przekształceń (Piaget, 1981). Zwraca uwagę, że dzieci w pewnym okresie życia (nazywa go stadium przedoperacyjnym) nie są w stanie dokonywać na poziomie umysłu przekształceń. Dla przykładu, obserwując dwa takiej samej długości sznurki, a następnie widząc, jak dorosły zakręca jeden z nich tworząc pętlę, uważają, że ten, który został zakręcony, jest krótszy od wyprostowanego. Podobnie jest z masą przedmiotu (rozgnieciona grudka plasteliny wydaje się mieć więcej plasteliny), objętością (po przelaniu wody do wąskiej szklanki wydaje się, że jest jej więcej) itd. Piaget wskazuje, że dominujące w tym okresie są bodźce płynące ze zmysłu wzroku. Ich znaczący charakter zaburza ocenę logiczną – dzieci wiedzą, że to wciąż jest ta sama plastelina, to wciąż jest ta sama woda, która została tylko przelana... a mimo to odpowiadają, że „teraz jest jej więcej”. Zagadnienie tu omawiane jest bardzo istotne, bowiem ocena percepcyjna zjawiska może zaburzać formułowaną teorię wyjaśniającą. Ze względu na niewielkie doświadczenie życiowe pierwsze teorie wyjaśniające nie są dokładne i przez różnych badaczy określane są mianem teorii naiwnych, intuicyjnych (McClosky, 1983) czy modeli wstępnych (Vosniadou, 1994). Gdy liczba doświadczeń wzrośnie, np. gdy dzieci zaczną uwzględniać wypowiedzi dorosłych, informacje płynące z mediów, tworzone pierwotne wyjaśnienia zostaną zmodyfikowane. Piaget opisuje to zjawisko jako modyfikowanie schematu poznawczego. Jego zdaniem dokonują się tu dwa istotne procesy: akomodacja i asymilacja. Asymilacja to proces włączania nowych informacji do już stworzonego schematu poznawczego (teorii). Zmiana ta ma charakter ilościowy. Pod wpływem nowych informacji okazuje się, że zbudowana wcześniej teoria zupełnie nie pasuje do zjawiska. Na tej podstawie dziecko musi zrekonstruować EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Jan Amos Jelinek Wprowadzenie wersja PL SZKOŁA Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych 45 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Teorie o tworzeniu się teorii wyjaśniających W artykule przedstawię teorie wyjaśniające podstawowe zjawiska astronomiczne dzieci i dorosłych. Nim jednak to zrobię przedstawię jeszcze wyniki badań z zakresu mechaniki dotyczącej teorii wyjaśniających sposób poruszania się przedmiotów, chodzi o planowanie ruchu przedmiotów. Przytaczam je, ponieważ ujawniły one przetrwałe naiwne teorie wyjaśniające1 w zakresie fizyki i mogą mieć odniesienie w astronomii (ruch obiektów niebieskich). Badania te prowadził Michael McCloskey (1983, 122-130). Przeprowadzone przez niego badania polegały na określaniu ruchu obiektów w przestrzeni. Badani mieli narysować trajektorię ruchów przedmiotów, np. lotu rzuconej piłki, piłki puszczonej przez biegnącą osobę, bomby spadającej z lecącego samolotu itp. Badania prowadzone przez McCloskey’a dotyczyły zjawisk wyjaśnianych przez fizykę Newtona (popularnej od XIV do XVI w.). Jedną z założeń tego fizyka jest to, że na ciało działa siła grawitacji, która sprawia, że lecący obiekt nie będzie poruszał się w linii prostej. 1 Pod pojęciem naiwnych teorii wyjaśniających rozumiem nienaukowe przekonania tworzone w umyśle człowieka na bazie doświadczeń dla wyjaśnienia pewnych zjawisk. Ich cechą jest to, że ulegają powolnym modyfikacjom wynikającym z nowo zdobytych informacji. W literaturze zagranicznej używa się wielu terminów bliskoznacznych (różniących się w pewnych zakresach), tj. naiwne wierzenia, dziecięca nauka, ludowe teorie, intuicyjne teorie, przedkoncepcje, przesądy (misconception) czy alternatywne struktury. McCloskey ustalił, że wiele osób dorosłych ma mylne przekonania dotyczące ruchu obiektów, szczególnie ruchów po okręgu. Badacz ten ustalił, że nawet ukończenie studiów z fizyki nie gwarantuje przyjęcia właściwej teorii wyjaśniającej to zjawisko. Stwierdził on, że nawet 80% badanych absolwentów kierunków fizycznych nie potrafiło udzielić prawidłowej odpowiedzi. Wielu dorosłych osób wyjaśniało zjawiska fizyczne posługując się teorią impetu (przedmiot porusza się w linii prostej, tak jakby nie działały na niego żadne siły). Przytoczone tu badania McCloskey’a znajdują swoje odzwierciedlenie nie tylko w mechanice, lecz także w zakresie wyjaśniania zjawisk astronomicznych przez dorosłych, o czym mowa będzie w dalszej części artykułu. Rozpocząłem od przytoczenia sposobów rozumienia fizycznych doświadczeń (w tym grawitacji), ponieważ to od nich zaczyna się poznawanie otoczenia (w tym astronomii). Wskazuje na to m.in. teoria systemów ram Marvina Minsky’ego (1977), która tłumaczy sposoby tworzenia się teorii wyjaśniających zjawiska, w których obiekty się poruszają (autor jest zdania, że ludzki umysł dysponuje dwoma poziomami ram – te znajdujące się wyżej obejmują bardziej abstrakcyjne elementy zjawisk, tj. nazwy). Mogą one też wymieniać niższe ramy odpowiedzialne za szczegółowe informacje na temat obiektów. Sednem koncepcji Minsky’ego jest to, że obserwując obiekty w ruchu, umysł człowieka nie tworzy wciąż nowych ich reprezentacji (ramy na wyższych poziomach), a jedynie zmienia i modernizując niższe ramy. Dzięki temu wciąż posiada w pamięci obraz tego samego obiektu. W moich badaniach wziąłem pod uwagę astronomię, ponieważ jest to ten obszar rzeczywistości, który nie jest związany z bezpośrednim poznaniem np. kształtu Ziemi czy ruchu obiektów w przestrzeni kosmicznej. W tym względzie nie można też mówić o bezpośrednim przełożeniu teorii mechaniki na teorie wyjaśniające zja- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Uważa ona, że mechanizm ten jest wrodzony i dostępny dla małych dzieci. Zarówno Gopnik i Carey zwracają uwagę na to, że konieczne jest prowadzenie dalszych badań dla ustalenia czynników, pod wpływem których dzieci dokonują modyfikacji teorii wyjaśniających oraz przebiegu zmian teorii wyjaśniających. wersja PL SZKOŁA swoją teorię (Piaget nazywa to zjawisko akomodacją), a dopiero później przyjmować nowe informacje. Ta zmiana ma charakter jakościowy. W trakcie rozwoju dzieci precyzują swoje teorie i łączą je w większe, powiązane ze sobą struktury. Gopnik opisuje ten proces jako analogiczny do kształtowania się teorii naukowych – dochodzenie do teorii odbywa się poprzez ulepszanie teorii wcześniejszych. Jej zdaniem dzieci, podobnie jak naukowcy po sformułowaniu teorii posługują się nią do momentu aż przestanie być ona aktualna, gdy pojawią się sytuacje, w których przestaje być ona wyjaśniająca. Stanowisko to wydaje się zbieżne z opisem dochodzenia do odkrycia naukowego przedstawionego przez Karla Poppera (1977). Innego zdania jest Susan Carey (autorka koncepcji o pochodzeniu teorii; Carey 2011, 113-167), która uważa, że dzieci posiadają wrodzony mechanizm (tzw. rdzeń reprezentacji), za pomocą którego nabywają wiedzę o otaczającym świecie. Zdaniem Carey dzieci tworzą swoje teorie w odmienny sposób niż dorośli (i naukowcy). Autorka podkreśla, że różnica ta dotyczy dojrzałości procesów umysłowych. Pod tym względem Carey wydaje się stać na stanowisku podobnym do koncepcji tworzenia teorii naukowych Thomasa Kuhna (1968). Wskazuje on, że historia odkryć naukowych nie zależy tylko od poszukiwania takich zjawisk, które mają na celu obalać istniejące teorie naukowe, aby następnie przyjąć kolejną teorię. Kuhn zwraca uwagę, że w rozwoju myśli cywilizacyjnych odnotowano wiele przypadków dokonania odkryć przez zbieg okoliczności. Podkreśla, że wielu odkrywców i wynalazców poszukując rozwiązania problemu kierowało się wewnętrznym przeczuciem, intuicją czy specyficznym sposobem postrzegania zjawiska. Carey określa ten sposób jako obecny w każdym człowieku wewnętrzny mechanizm (rdzeń) za pomocą, którego budujemy swoje teorie. 46 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Dziecięca astronomia W publikacjach metodycznych opisane są doświadczenia, które prezentują naukowy model rzeczywistości. Problem w tym, że zagadnienia dotyczące astronomii są dla dzieci zbyt abstrakcyjne, zważywszy na prawidłowości rozwoju operacyjnego rozumowania i wnioskowania o skutkach zmian odwracalnych, nieodwracalnych i częściowo nieodwracalnych. Z badań Piageta (2006) o możliwościach i ograniczeniach rozwoju dziecięcego myślenia, zwłaszcza przyczynowo-skutkowego, wiemy, że dziecięce rozumowanie ma cechy magiczne. Dzieci mają tendencję do wyjaśniania zjawisk poprzez branie pod uwagę elementów zewnętrznych. Na 2 Autorka nie podaje liczby przebadanych dzieci i w całej monografii podaje dane procentowe. 3 Badania, które prowadzono nie były skierowane na ustalanie pojęć astronomicznych, tylko podobnie jak przytoczone badania Al-Khamisy niejako przy okazji dotyczyły pojęć z tego zakresu. Tak więc ustalona wiedza na ten temat nie ma charakteru całościowego tylko fragmentaryczny, cząstkowy. czasie rozumienie przez dzieci pojęć astronomicznych badano na całym świecie: w USA (Vosniadou, Brewer, 1994), Indiach (Samarapungavan, Vosniadou i Brewer, 1996), Wielkiej Brytanii (Nobes, Martin i Panagiotaki, 2005), Estonii (Hannust i Kikas, 2012), Turcji (Özsoy, 2012) i Grecji (Vosniadou i Brewer, 1994). Badania te były zakorzenione w psychologicznej koncepcji teorii modelów umysłowych, zgodnie z którą każdy człowiek równolegle do konstruowanej przez siebie wiedzy o świecie tworzy teorie wyjaśniające na temat zjawisk, które mają miejsce w otoczeniu4. Wstępne teorie wyjaśniające dzieci (modele przednaukowe, przedkoncepcje)5 muszą być brane pod uwagę na każdym etapie edukacji formalnej dla eliminowania starszych koncepcji, które mogą utrudniać nabywanie modelu naukowego (Özsoy, 2012, 407-415). Pionierką badań dotyczących ustalania wyjaśnień dzieci z zakresu astronomii jest Stella Vosniadou (1994, 123-183), która prowadziła badania w zakresie ustalania modelu umysłowego kształtu Ziemi oraz zjawiska dnia i nocy. Opisała sześć modeli umysłowych kształtu Ziemi, które okazały się być uniwersalne – występowały one w wypowiedziach dzieci z wielu krajów. Zasadnicze różnice w zakresie modeli umysłowych dzieci dotyczyły Indii oraz Stanów Zjednoczonych, w których pojawiły się modele, niewystępujące w innych krajach6. Różnice 4 Koncepcja teorii modelów umysłowych jest zgodna z poglądami konstruktywistów takich jak: J. Piaget, L. Wygotski czy J. Bruner. 5 W literaturze zagranicznej autorzy posługują się pojęciem modelu umysłowego. Pod tym pojęciem badacze rozumieją nienaukowe przekonania tworzone w umyśle człowieka na bazie doświadczeń dla wyjaśnienia pewnych zjawisk. Cechą modelów umysłowych jest to, że ulegają powolnym modyfikacjom wynikającym z nowo zdobytych informacji. W literaturze zagranicznej używa się wielu terminów bliskoznacznych (różniących się w pewnych zakresach), tj. naiwne wierzenia, dziecięca nauka, ludowe teorie, intuicyjne teorie, przedkoncepcje, przesądy (misconception) czy alternatywne struktury. 6 Dla przykładu Ziemia pływa na wielkim ocenie – model ten często pojawiał się w wyjaśnieniach dzieci Indyjskich, lub tzw. model EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA przykład kojarzą ze sobą dwa zjawiska występujące tu i teraz, chociaż nie mają ze sobą nic wspólnego (synkretyzm). Przypisują ludziom wykonanie wszystkiego w otoczeniu (artyficjalizm), twierdząc jednocześnie, że przedmioty są żywe i świadome (animizm). Apogeum takich przekonań – zdaniem J. Piageta – ma miejsce w wieku przedszkolnym i może utrzymywać się nawet do 12. roku życia dzieci. Mając na uwadze specyficzny charakter myślenia dzieci można dojść do wniosku, że równie dobrze gwiazdy, planety i inne obiekty niebieskie dzieci traktują jako ciała żywe i stworzone przez człowieka. Potwierdzają to w swoich badaniach Stefan Szuman (1939) i współcześnie Danuta Al-Khamisy (1996). W badaniach przeprowadzonych przez Al-Khamisy zostały potwierdzone najważniejsze ustalenia Piageta. Prosiła ona dzieci 6-letnie2 o wyjaśnienie takich pojęć astronomicznych, jak: Słońce, Księżyc, gwiazda i noc. Ponadto pytała: dlaczego Słońce wschodzi rano, a wieczorem zachodzi oraz dlaczego raz Księżyc jest okrągły, a raz nie. Jej ustalenia potwierdzają cechy myślenia opisane przez Piageta. Al-Khamisy ustaliła, że większość wypowiedzi dzieci sześcioletnich (65,3%) ma odniesienie do animizmu, artyficjalizmu oraz myślenia magicznego. Autorka potwierdziła ponadto, że dzieci są żywo zainteresowane zagadnieniami astronomicznymi i stwierdziła, że dysponują one dużą wiedzą na temat kosmosu. Przytoczone wyżej badania były realizowane dwadzieścia lat temu3. Od tamtego okresu dostęp dzieci do informacji o kosmosie zmienił się radykalnie. W tym wersja PL SZKOŁA wiska astronomiczne, ponieważ te ostatnie wywodzą się wyłącznie z konstruktów intuicyjnych. Poza tym dziecko tworzy w swoim umyśle teorie wyjaśniające na podstawie informacji, które nie rzadko są ze sobą sprzeczne. Przykładem jest sam kształt Ziemi – na co dzień dziecko doświadcza płaskiej ziemi, natomiast z wyjaśnień dorosłych i przekazów telewizyjnych dowiaduje się, że Ziemia ma kształt zbliżony do kuli. Pod tym względem poznawanie teorii wyjaśniających może dostarczyć interesujących informacji na temat rozwoju poznawczego dzieci. Istnieje jeszcze powód pedagogiczny. Jeśli prześledzimy podstawę programową wychowania przedszkolnego i edukacji wczesnoszkolnej okaże się, że nauczyciele są zobowiązani do wyjaśnienia dzieciom pojęć (np. planeta, gwiazda) i zjawisk z zakresu astronomii (np. przemienności dnia i nocy, pór roku, grawitacji). Z oczywistych względów nie powinni poprzestawać na wyjaśnieniu Słońce wschodzi tam (na wschodzie), na niebie wykonuje łuk (pozorny) i zachodzi tam (na zachodzie) – jest to wyjaśnienie niepełne, a więc takie, które może generować i utrwalać naiwne teorie. 47 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 podwójnej Ziemi – wskazujący, że dzieci nie łączą obrazu Ziemi widzianej z kosmosu z codziennym obrazem – linią horyzontu – model ten często pojawiał się u dzieci amerykańskich. Taki dualistyczny model wskazuje jak trudno jest dzieciom przyjąć sprzeczne ze sobą informacje dotyczące otaczającego świata. Model spłaszczonej kuli cechuje dzieci, które obrazują Ziemię jako elipsę (lub jajko) o wyraźnie spłaszczonych biegunach. Dzieci, które wskazywały na okrągły kształt Ziemi, a podczas wyboru modelu wybierały kulę, twierdziły również, że idąc przez wiele dni, można dojść do tego samego punktu, z którego się wyszło. Na rysunkach ludzie przedstawiani są tylko w górnej części kuli, gdzie zaznaczone jest spłaszczenie. Tego typu rysunki przedstawiają próbę połączenia informacji o tym, że (a) Ziemia jest kulą, (b) wszystko, co jest bez podparcia upada (grawitacja) oraz (c) linia horyzontu jest płaska. Zapytane, jak osadzona jest Ziemia w przestrzeni kosmicznej, odpowiadają, że Ziemia nie może sama „unosić się” w przestrzeni kosmicznej. Uważają, że musi być na czymś podparta. Podają przykłady kija lub dużej igły, na której Ziemia się utrzymuje. Wśród dzieci przedszkolnych można znaleźć także wyjaśnienia, które należy scharakteryzować jak naukowe (model kulistej Ziemi). Dzieci, które prezentują ten model – uznają kształt Ziemi za kulisty – spośród dostępnych modeli trójwymiarowych wybierają piłkę – uważają ją za najbardziej zbliżony kształt do Ziemi. Różnią się jednak od osób reprezentujących model spłaszczonej. Uważają bowiem, że można wrócić do tego samego miejsca, z którego się wyszło – ich wyjaśnienia wskazują, że odkryły działanie grawitacji ziemskiej. Wiedzą, że ludzie w Nowej Zelandii żyją tak samo jak w Polsce, a planeta Ziemia nie musi być niczym podtrzymywana i że „unosi się” w przestrzeni kosmicznej. Wyjaśnienia te widoczne są na rysunkach dzieci, na których przedstawiają ludzi żyjących dookoła koła. Każdy z wymienionych wyżej modeli był obecny w każdej grupie wiekowej badanych dzieci. Na podstawie przedstawionych modeli można wywnioskować, że EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA ukowego obrazu otoczenia). W rzeczywistości jednak dzieci te rysują okrągły dysk widziany z góry, co wskazuje, że ich perspektywa jest szersza względem modelu horyzontalnego, ale nadal ograniczona codziennymi doświadczeniami. Na rysunkach zaznaczają Ziemię, jako okrągłą lub prostokątną płaszczyznę, na której lokalizują też ludzi. Wśród dostępnych modeli dzieci wybierają prostokątny lub okrągły dysk. Twierdzą, że, jeśli będziesz szedł przez wiele dni, dojdziesz do końca (do krawędzi) i możesz spaść. Nie wyobrażają sobie jeszcze tego, że na półkuli południowej „życie toczy się do góry nogami”. Trzecim modelem prezentowanym przez dzieci przedszkolne i szkolne jest model wydrążonej wewnątrz kuli (z ang. hollow sphere). Dzieci te wiedząc, że Ziemia jest okrągła, i że ludzie nie mogą z niej spaść, wciąż widzą, że Ziemia jest też płaska. W swoich wyobrażeniach tworzą kształt Ziemi zbliżony do szklanego, kulistego akwarium. Taki obraz jest próbą połączenia otrzymanych informacji. Na takiej Ziemi ludzie żyją tylko w dolnej części kuli, ale za to nie można z niej spaść. Opisują Ziemię, jako okrągłą, a spośród modeli wybierają kulę. Model podwójnej Ziemi łączy w sobie model horyzontalny (a więc codzienne doświadczenia) i model płaskiej Ziemi (z informacjami otrzymanymi ze świata dorosłych). Dzieci prezentujące ten model opisują kształt Ziemi, jako okrągły, wśród modeli wybierają piłkę lub dysk. Twierdzą, że Ziemia ma krawędź, z której można spaść. Jednak, co jest charakterystyczne dla tego modelu – na rysunkach prezentują dwie Ziemie, jedną widziany, na co dzień – płaską linię horyzontu i znajdujące się na niej obiekty (drzewa, domy i ludzi) oraz Ziemię kulistą na niebie. Ta „druga” Ziemia przypomina pejzaż nieba, na którym widoczny jest rozświetlony Księżyc. Dzieci traktują „tę okrągłą” ziemię, jako planetę, o której mówią dorośli (z niej nie można spaść, jest okrągła). wersja PL SZKOŁA te przypisuje się przekazom medialnym (np. zdjęciom Ziemi widzianej z kosmosu) i dostępom do nich, a także wpływom kulturowym (szczególnie baśni i legend, np. o stworzeniu świata). Przedstawię teraz modele umysłowe kształtu Ziemi, które mogą wskazywać na teorie wyjaśniające dzieci dotyczące zjawisk astronomicznych. Zostały one sformułowane na podstawie wyników badań przez Stellę Vosniadou (1994, 123-183). Przebadała ona 60 dzieci w wieku 6–11 lat. Prosiła o narysowanie Ziemi oraz wskazanie jednego z modeli trójwymiarowych Ziemi, który najlepiej odpowiada ich wyobrażeniu kształtu planety. Najmłodsze dzieci prezentują model horyzontalny. Rysują one linię horyzontu, na której zaznaczają obiekty znajdujące się w najbliższym otoczeniu – stanowią one codzienny obraz. Dzieci te prezentują Ziemię w ograniczonym zakresie; nic zatem dziwnego, że jest ona płaska. Dzieci prezentujące model horyzontalny nie są zastanawiają się nad całym kształtem Ziemi, w swojej teorii odnoszą się tylko do najbliższego otoczenia. W kontekście tego zjawiska dzieci zapytane o przyczynę przemienności dnia i nocy wskazują, że dzień zaczyna się od pojawienia się Słońca na niebie – i tym razem wyjaśniają zjawisko przez pryzmat codziennie obserwowanych zjawisk (noc dla tych dzieci jest wynikiem pojawienia się Księżyca, jako „przeciwieństwa” Słońca). Model płaskiej Ziemi przedstawiany jest przez dzieci, które odrywają się w swoich wyjaśnieniach od tego, co najbliższe (codzienne doświadczenia) i zaczynają włączać w swoje wyjaśnienia informacje otrzymane z zewnątrz (od dorosłych, z mediów). Na pierwszy rzut oka rysunki dzieci preferujące ten model sugerują, że Ziemia widziana jest jako kula (oddają wrażenie na- 48 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 informacji projektować skuteczne sytuacje edukacyjne. Konieczne jest prowadzenie dalszych badań w tym względzie7. Wśród przedstawionych modeli Vosniadou można wymienić trzy rodzaje. Pierwszy to modele wstępne, które stanowią sumę zgromadzonych informacji i wytworzone na podstawie teorii wyjaśniających; nie wychodzą one poza codzienne doświadczenia. Drugim rodzajem są modele pośrednie (lub uproszczone pod względem naukowym – takiego określenia używa Vosniadou). Ich różne formy świadczą o wielu wyobrażeniach, jakie dzieci tworzą dla pogodzenia codziennych doświadczeń i informacji naukowych (wyjaśnień dorosłych i informacji płynących z mediów). Trzeci rodzaj to model naukowy wyjaśnienia. Najwięcej zmian dokonuje się wśród modeli pośrednich. Piaget wyjaśnia ten proces poprzez reorganizację struktury poznawczej; Gopnik i Carey mówi o tworzeniu doskonalszych teorii wyjaśniających. Teorie wyjaśniające u dorosłych Przeprowadzone przez Sibel Özsoy’ego (2012, 407415) badania wykazały, że istotne jest kontrolowanie przednaukowych teorii wyjaśniających zjawiska, ponieważ mogą one utrudniać przyjmowanie naukowych teorii. Okazuje się też, że z biegiem lat ludzie stają się odporni na zmiany w zakresie przyjętych teorii wyjaśniających. Natomiast badania McCloskey’a wskazały, że dorośli mogą przejawiać przetrwałe teorie naiwne. Za przyczynę tego zjawiska Özsoy wskazuje brak weryfikowania swoich teorii. W efekcie teorie, które nie 7 Staramy się w tej chwili o pozyskanie funduszy na badanie dotyczącego omawianego tu zagadnienia (projekt NCN), a także równolegle prowadzimy badania wraz ze studentami w ramach prac seminaryjnych, aby lepiej poznać badane zjawisko. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA za chmurę. Twierdzi, że chmury są zrobione z waty, porusza je wiatr i zawsze jest ich tyle samo. Wie przy tym, że nie można ich dotknąć, bo są za wysoko. Zdaniem dziewczynki Księżyc jest zbudowany z gumy do żucia. Wskazuje, że Księżyc jest żółty i może zmieniać kształt (rysuje rogalik i koło). Wyjaśnia, że Księżyc wygląda jak rogalik gdy idę z przedszkola, a okrągły jak jest już północ. Wybierając rogalik jako kształt Księżyca symuluje jego ruch na dziennym niebie – porusza się po kształcie znaku nieskończoności (leżącej ósemki) przy czym – zdaniem Emilii – Księżyc dodatkowo obraca się przy tym dookoła. Za przyczynę nocy dziewczynka wskazuje potrzebę odpoczynku ludzi. Charakteryzując Księżyc zauważa, że nocą też zmienia swoje miejsce (podaje tu przykłady własnych obserwacji). Uważa, że Księżyc świeci nocą dlatego, aby [nocą] było trochę światła. Chmur w nocy jest mniej i są ciemniejsze. Gwiazdy można zobaczyć tylko wtedy, gdy jest ciemno. Na nocnym niebie widać gwiazdy (ale nie potrafi wyjaśnić, dlaczego je widać, mimo że jest ciemno). Wśród przebadanych 15 dzieci 6 zbudowało z plasteliny model płaskiej Ziemi. Z wypowiedzi wynikało, że dzieci te nie potrafiły wyjść poza obszar codziennych doświadczeń. Na pytane o to, co jest pod Ziemią, wskazywały na kamienie i piasek. Gdy pytano, czy ludzie mogą mieszkać z drugiej strony Ziemi, wskazywały, że nie, bo tam nie ma powietrza, udusiliby się (miały na myśli mieszkanie wewnątrz ziemi – między piaskiem a kamieniami). Wiele wypowiedzi dziewczynki zgadza się z badaniami uzyskanymi przez Piageta (2006). Podaje on przykłady wypowiedzi dzieci, które również wskazują, że chmury są rzeczywistym przedmiotem (artyficjalizm), a Słońce świeci po to, aby było jasno (animizm). Ponieważ przeprowadzone badania nie przedstawiają dominujących modeli umysłowych, wśród dzieci przedszkolnych i szkolnych trudno jest na bazie dostępnych wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA teorie wyjaśniające tworzone przez dzieci są wynikiem różnych prób łączenia zdobytych informacji. Wiele trudności sprawia dzieciom oderwanie się od codziennego doświadczania płaskiej linii horyzontu i przyjęciem kulistego wyobrażenia Ziemi. Związany jest z tym kolejny problem – lokalizacji ludzi żyjących na Ziemi. Płaska linia horyzontu (płaska Ziemia) nie sprawiała dzieciom trudności pod tym względem, dlatego przyjęcie kulistego obrazu nastręcza dzieciom kłopotów. Te specyficzne dziecięce teorie wyjaśniające odnoszące się do astronomii nazywam dziecięcą astronomią (Jelinek, 2015). Ponieważ badania dla ustalenia sposobu wyjaśnień zjawisk astronomicznych były prowadzone w różnych kulturach, nie można z pełną stanowczością stwierdzić, że wszystkie sformułowane modele można znaleźć wśród polskich dzieci. Wstępne badania na ten temat przeprowadzone w ramach pracy seminaryjnej przez studentów Akademii Pedagogiki Specjalnej potwierdziły występowanie niektórych modeli. Badania miały charakter jakościowy i odbywały się w formie rozmowy (posłużono się przy tym pomocniczo przygotowanym planem rozmowy, który był stosowany luźno, odpowiednio do wypowiedzi dzieci). Przebadano 15 dzieci w wieku 5 lat. Plan rozmowy został oparty o trzy prace plastyczne: (1) zbudowanie obrazu dziennego, (2) zbudowanie obrazu nocnego nieba oraz (3) zbudowanie z plasteliny modelu kształtu Ziemi, na której mieszkają ludzie. Ze względu na ograniczone możliwości publikacyjne przytoczę analizę wypowiedzi jednego dziecka – 5-letniej Emilii. Dziewczynka wie, że Słońce jest żółte, ale niekiedy też pomarańczowe; wie, że porusza się na niebie i niekiedy go nie widać (na kartce papieru pokazuje ruch Słońca – z prawej na lewą wskazując przy tym, że w południe Słońce jest na środku). Na pytanie, gdzie jest Słońce w nocy, dziewczynka chowa obrazek Słońca wersja PL KRÓTKO 49 Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 chu przedmiotów w przestrzeni (mechanika ruchu). Wykorzystano te same ilustracje, z których korzystał McCloskey (1983, 122-130). W pierwszym zadaniu studenci mieli narysować trajektorię ruchu kulki, która trzymana na sznurku została wcześniej rozpędzona i poruszała się w ruchu kołowym (siłą odśrodkową). Zadaniem studentów było narysowanie strzałki określającej kierunek poruszania się kuli. Za prawidłową odpowiedź uznaje się poruszanie się po linii prostej (chodzi o prezentację ruchu kulki widzianej z góry). W efekcie: kula ma przestać poruszać się po łuku i kontynuować ruch w jednym kierunku. Na 90 uzyskanych odpowiedzi prawidłowo zadanie to wykonało jedynie 11 osób. 72 udzieliły błędnych odpowiedzi, najczęściej wskazując na kontynuowanie ruchu po okręgu (a nie w linii prostej). Dodam tutaj, że podobnie jak McCloskey za poprawną odpowiedź uwzględniono odchylenie nie większe niż 5 stopni. W kolejnym zadaniu studenci mieli przewidzieć (i narysować) trajektorię ruchu kulki, która zamocowana na sznurku poruszała się jak wahadło. Za prawdziwe uznaje się odpowiedź, w której ruch kulki zostanie zaprezentowany jako parabola – niezależnie, w którym miejsca zostanie ona puszczona. Wśród 90 uzyskanych odpowiedzi prawidłowo ruch spadającej kulki zaprojektowało 15 osób. 62 osoby wskazały na jej ruch w linii prostej, a więc odwrotnie względem kulki poruszającej się ruchem spiralnym. Sprawdzian wiadomości został przeprowadzony w ramach przedmiotu edukacja przyrodnicza. Motywem do jego przeprowadzenia było ustalenie zakresu wiedzy studentów na temat otaczających zjawisk. Wyniki przeprowadzonego sprawdzianu wskazują na obecność przetrwałych teorii wyjaśniających. Przyporządkowanie błędów zgodnie z klasyfikacją pochodzenia (przedstawioną przez Skelly, na podstawie Markowska i wsp., 2014) wskazuje, że są to w większości błędy EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA (w rzeczywistości jest dokładnie na odwrót). 12 osób nie udzieliło odpowiedzi, a 4 przyznały się do niewiedzy. Wśród odpowiedzi, znalazły się też takie, które budziły duże zaskoczenie: (przykład 1) Pory roku wynikają ze zmiany położenia Słońca względem Ziemi; (przykład 2) Pory roku wynikają z okrążenia Słońca wokół Ziemi. Wyjaśnij, dlaczego Księżyc raz oświetlony jest w całości, a raz świeci jak „rogalik”, opisz zjawisko. Ze względu na charakter pytania możliwości sformułowania odpowiedzi było wiele, oto przykładowe zaakceptowane odpowiedzi: oświetlenie różnej płaszczyzny Księżyca przez Słońce; Księżyc obiega ziemię i z różnych jej punktów jest inaczej widziany. Mimo, że Księżyc jest stosunkowo często widziany na niebie, aż 90 osób udzieliło nieprawidłowej lub niewystarczającego wyjaśnienia. 11 osób podało nazwę zjawiska (fazy Księżyca), nie wyjaśniając go. 52 osoby stwierdziły, że przyczyną zjawiska jest przyćmienie Księżyca przez Ziemię lub inne planety. Tymczasem zaćmienie Księżyca przez Ziemię jest wyjątkowe i nie występuje powszechnie. 5 osób podało niepełną odpowiedź. 16 osób nie udzieliło żadnej odpowiedzi, a 6 osób podało inną błędną odpowiedź. Trzecie zadanie polegało na narysowaniu w prostokącie pozornego ruchu Słońca na niebie w ciągu dnia (a) latem i (b) zimą, oznaczeniu narysowanych linii i zaznaczeniu strzałkami kierunek ruchu. Za prawdziwe uznaje się odpowiedź, w której pozorny ruch Słońca na letnim niebie będzie wyżej, a zimą niżej i oba ruchy będą odbywać się z lewej na prawą (ze wschodu na zachód). Wśród uzyskanych odpowiedzi: prawidłowy ruch Słońca na nieboskłonie narysowało 58 osób. Błędny rysunek przedstawiło 28 osób, myląc m.in. kierunki (z zachodu na wschód) czy rysując pętlę (tak jakby Słońce wykonywało na nieboskłonie ruch kołowy). 13 osób nie udzieliło odpowiedzi. W ramach sprawdzianu zadano także dodatkowe pytania sprawdzające umiejętność przewidywania ru- wersja PL SZKOŁA są sprawdzane „zastygają” i stają się obowiązującymi (przypominam, że są one nieuświadomione). Potwierdzają to wyniki sprawdzianu przeprowadzonego wśród 100 studentów kierunku wychowanie przedszkolne i edukacja wczesnoszkolna (kandydatów na nauczycieli) w 2014 i 2015 roku na Akademii Pedagogiki Specjalnej im. Marii Grzegorzewskiej. Celem sprawdzianu wiadomości było ustalenie jak studenci ostatniego roku studiów licencjackich wyjaśniają zjawiska astronomiczne. Sprawdzian ten został przeprowadzony w formie papier-ołówek i nie został wcześniej zapowiedziany. Studentom zadano trzy otwarte pytania dotyczące astronomii: • wyjaśnij przyczynę pór roku na Ziemi; • wyjaśnij dlaczego Księżyc raz oświetlony jest w całości, a raz świeci jak „rogalik”; • narysuj w prostokącie ruch Słońca na niebie w ciągu dnia (a) latem i (b) zimą. Formuła pierwszego i drugiego pytania została tak sformułowana, aby przypominała pytanie dziecka/ucznia. Studenci zostali zobligowani do podpisania swoich prac dla zwiększenia ich motywacji i podjęcia wysiłku na rzecz podania wyczerpujących odpowiedzi. Uzyskane odpowiedzi na pierwsze pytanie: wyjaśnij przyczynę pór roku na Ziemi. Prawidłową odpowiedzią jest: pory roku na Ziemi są wynikiem kąta padania promieni słonecznych. Wśród uzyskanych odpowiedzi: prawidłową odpowiedź podało jedynie 6 osób! 20 osób nazwało zjawisko, bez jego wyjaśnienia (używano określenia: obiegowy ruch Ziemi wokół Słońca). 24 osoby podały niepełne wyjaśnienie (np. „Ziemia się obraca, krąży wokół słońca, różna odległość od słońca”). 26 osób podało błędną odpowiedź. Odwoływano się przy tym do klimatu (który jest efektem, a nie przyczyną), do ruchu obrotowego i geocentryzmu!). 8 osób zwróciło uwagę na odległość Słońca względem Ziemi. Podawano, że zimą Ziemia jest dalej od Słońca, a latem bliżej 50 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 połówkami, a potem zrobią cały Księżyc; Piaget, s. 219). Zarówno na pierwszym, jak i drugim poziomie rozumowania dzieci nie dostrzegają relacji między poszczególnymi fazami Księżyca. Ich wyjaśnienia wskazują, że postrzegają Księżyc jako jeden obiekt, który się zmienia, ale nie znają przyczyny tego zjawiska8. Uzyskane podczas zajęć ze studentami wyniki ich sposobów rozumowania faz Księżyca oraz rozważania na temat przyczyn przetrwałych naiwnych koncepcji wskazały, że brakowało im doświadczeń, w których mogliby zobaczyć, doświadczyć i samodzielnie sprawdzić proces powstawania faz księżyca. Z tego względu po zaprezentowaniu studentom wyników sprawdzianu przeprowadziłem doświadczenia z zakresu astronomii. Skonstruowany został m.in. model pozwalający odtworzyć ruch Ziemi względem Słońca i Księżyca względem Ziemi. Przy użyciu tego modelu przeprowadzono eksperymenty myślowe, w trakcie, których studenci musieli zaprojektować, na podstawie posiadanych informacji (np. fazy Księżyca nie są najczęściej efektem przysłonięcia Ziemią), taki ruch planet, aby respektował on znane informacje o Księżycu. Po sprawdzeniu hipotez studenci mogli porównać swoje wnioski z wizualizacją ruchu planet w komputerowym programie. Po zajęciach studenci wskazywali, że po wykonaniu modelu Układu Słonecznego rozumieją, dlaczego w mediach pojawia się informacja o tym, że Ziemia przysłoni Księżyc (wiedzą, że to zjawisko to niecodzienne zjawisko). Podsumowanie Mimo tego, że dorośli ukończyli długoletnią edukację, nadal między modelami umysłowymi dzieci a dorosłych dotyczącymi zjawisk astronomicznych istnieje 8 Podobnie reagują dzieci, którym pokazuje się zdjęcia z ich młodości. Nie chcą one przyjąć do wiadomości, że są to ich zdjęcia, że tak wyglądali wcześniej (one same mówią, że to zdjęcie ich młodszego brata lub siostry). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA dzy tym, co obserwowalne na co dzień (wiedza „jak”), i tym, o czym mówią dorośli (wiedza „że”). Dzieci widzą poszczególne fazy Księżyca (wiedzą, że to ten sam obiekt), jednak nie znają przyczyny jego zmiany wyglądu. Na tej podstawie tworzą teorie wyjaśniające przyczyny zjawiska powstawania faz Księżyca, tworząc różne kombinacje interpretacji wiedzy „że” i wiedzy „jak”. W ten sposób powstają pierwsze teorie. Jak wynika z przeprowadzonego sprawdzianu, wielu dorosłych (studentów) kojarzy fazy Księżyca ze zjawiskiem zaćmienia (owal Ziemi kojarzony jest z kształtem cienia na Księżycu). Podobne proste kojarzenie (wyobrażenie) można dostrzec w kontekście pór roku i pozornego ruchu Słońca na niebie. Proste skojarzenie ciepła ze Słońcem sugeruje, że letnia pora roku jest efektem zbliżenia się Ziemi do Słońca (choć w rzeczywistości jest na odwrót). Pozorny ruch Słońca na niebie (Słońce wschodzi zawsze na wschodzie) odnosi się do sugestii, że Słońce wraca na miejsce. Przedstawione wyjaśnienia dotyczyły znacznej większości osób i dowodziły istnienia przetrwałych błędnych teorii wyjaśniających powstałych zapewne w okresie dzieciństwa. Potwierdzeniem tego mogą być wyjaśnienia dzieci, które Piaget prezentuje w swoich badaniach (2006, 216-219). Badacz zadawał dzieciom pytania dotyczące kształtu Księżyca. Młodsze dzieci wyjaśniały, że Księżyc powstaje, rodzi się, pęcznieje, podawały przy tym analogię do rozwoju dziecka. Starsze dzieci funkcjonujące – w nomenklaturze Piageta – na poziomie artyficjalizmu technicznego wskazywały jako przyczynę powstawania faz Księżyca to, że jest on zakopywany lub odkopywany (np. Jaki jest Księżyc? – Całkiem okrągły – Zawsze? – Nie, czasem jest połowa. – Dlaczego połowa? – Bo czasem go pocięto. – Wierzysz w to? – Wierzę. – Dlaczego go pocięto? – Aby był jeszcze ładniejszy. – Kto go pociął? – Panowie. – Czy Księżyc może znów stać się okrągły? – Nie. Później pójdą po inne Księżyce, które są wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA wyobrażenia, wynikające z niewłaściwych schematów rozumowania dotyczących zarówno astronomii jak i mechaniki. Wynikają one z posiadania fałszywych informacji. Przyczynę tego, że dorośli posiadają nieprawidłowe (naiwne?) koncepcje wyjaśnia teoria systemu ram Minsky’ego (1977). Wskazuje ona, że budowana w umyśle wiedza – tutaj dotycząca faz Księżyca, pór roku, pozornego ruchu Słońca na niebie i ruchu spadających obiektów (poruszających się w ruchu po łuku) – porządkowana jest na dwóch warstwach – na warstwie informacji otrzymywanych od dorosłych i przekazywanych przez media (górna rama), którą na potrzeby artykułu porównam do wiedzy „że”. Informacje płynące z codziennych obserwacji – zdaniem Minsky’ego – gromadzone są w ramach na niższym poziomie (nazywam je roboczo wiedzą „jak”). Zgodnie z teorią systemu ram nie ma jednego układu ram. W zależności od potrzeb wyjaśnienia ludzie odnosząc się do informacji ogólnych (górnej ramy) korzystają z dolnej ramy (jakby potwierdzali to, co wiedzą zaobserwowanym zdarzeniem). Ze względu na to, że niektóre wyjaśnienia dorosłych (zakodowane w górnej ramie) nie są w pełni zrozumiałe przez dzieci, dlatego tworząc wyjaśnienia wybierają te informacje, które są dla nich dogodne. W praktyce tego typu zjawisko przejawia się tolerowaniem wieloznaczności – fenomen ten Piaget (1981) nazywa, dwoistością stanów i przekształceń. Sięgnijmy zatem jeszcze raz do poznawania świata przez dzieci. Obserwując Księżyc, kategoryzują go w kategoriach wiedzy „jak” (niższa warstwa). Dostrzegają bowiem jego zmiany – fazy, chociaż ich ze sobą nie zestawiają. Jednak gdy otrzymują informacje od dorosłych (w tym z mediów), że istnieje zjawisko różnych faz Księżyca, wówczas ich wiedza „że” jest włączana do górnej ramy. Od teraz dziecięcy umysł próbuje połączyć zdobyte informacje w jedną. Pozostaje jednak pomię- wersja PL KRÓTKO 51 Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Literatura Al-Khamisy D (1996). Rozwijanie pojęć przyrody nieożywionej u dzieci sześcioletnich. Warszawa: Wydawnictwo „Żak”. Gopnik A (2010). Dzieci filozofem, Warszawa: Prószyński i S-ka. Hannust T, Kikas E (2012). Changes in Children’s Answers to Open Questions about the Earth and Gravity. Hindawi Publishing Corporation, Child Development Research [serial online] http://www. hindawi.com/journals/cdr/2012/613674/ (10/04/2012). Jelinek JA (2015). Dziecięca astronomia. In: Bliżej przedszkola. 7-8: 78-82. Kampeza M, Konstantinos R (2009). Transforming the representations of preschool-age children regarding geophysical entities and physical geography. In: Review of Science, Mathematics and Ict Education. 3: 141-158. Markowska A, Lechowicz M, Grajowski W, Chrzanowski M, Spalik K, Borgensztajn J, Ostrowska E, Musialik M (2014). Błędne prze- konania w nauczaniu przedmiotów przyrodniczych. In: Edukacja Biologiczna i Środowiskowa. 4: 56-66. McCloskey M (1983). Naive Theories of Motion. In: Gentner D, Stevens A, ed. Mental Models. New York: Psychology Press; 299-324. Maruszewski T (2011). Psychologia poznania. Umysł i świat. Gdańsk: GWP. Minsky M (1977). Frame-system theory. In: Johnson-Laird PN, Wason PC ed. Thinking: readings in cognitive science, Cambridge MA: Cambridge University Press; 355-376. Nobes G, Martin A, Panagiotaki G (2005). The development of scientific knowledge of the Earth. In: British Journal of Developmental Psychology. 23: 47-64. Nobes G, Moore DR, Martin A, Clifford B, Butterworth G, Panagiotaki G, Siegel M (2003). Children`s understanding of the earth in a multicultural community: mental models or fragments of knowledge? In: Developmental Science. 6(1): 72–85. Nobes G, Panagiotaki G (2007). Adult`s representation of the Earth: Implications for children`s acquisition of science concepts. In: British Journal of Psychology. 98: 645-665. Özsoy S (2012). Is the Earht Flat or Round? Primary School Children`s Understanding of Planet Earth: The Case of Turkish Children. In: International Electronic Journal of Elementary Education. 4(2): 407-415. Panagiotaki G, Nobes G, Banerjee R (2006). Children’s representations of the earth: A methodological comparison. In: British Journal of Developmental Psychology. 24: 353-372. Panagiotaki G, Nobes G, Banerjee R (2006). Is the world round or flat? Children’s understanding of the earth. In: European Journal of Developmental Psychology. 3(2): 124-141. Piaget J (2006). Jak sobie dziecko wyobraża świat, Warszawa: PWN. Piaget J (1981). Równoważenie struktur poznawczych, Warszawa: PWN. Samarapungavan A, Vosniadou S, Brewer W (1996). Mental Models of the Earth, Sun, and Moon: Indian Children’s Cosmologies. In: Cognitive Development 11: 491-521. Vosniadou S, Brewer W (1994). Mental Models of the Day/Night Cycle. In: Cognitive Science 18: 123-183. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA macji. Stąd budowane są naiwne, prymitywne teorie. Istotne jest, aby doświadczenie, obserwacje codziennych zjawisk, eksperymentowanie były równolegle ugruntowane w dobrze osadzonym przekazie naukowym płynącym od dorosłego. Jak wskazałem w artykule, niektóre teorie wyjaśniające są na tyle silnie zakorzenione w umysłach, że ujawniają się jeszcze w wieku dorosłym (i w przypadku szczególnych zawodów – m.in. nauczyciela – mogą zagrażać kolejnym pokoleniom). Poruszane tu zagadnienie jest o tyle ważne, że można pokusić się o hipotezę, że istnieje pewien okres w rozwoju człowieka, w którym jeśli nie zostaną nabyte podstawowe informacje o zewnętrznym świecie (w tym o zjawiska mechanicznych czy astronomicznych), wówczas w ich miejsce zbudowane zostaną naiwne, prymitywne koncepcje, które później będą utrudniały nabywanie naukowych przekonań. Podkreślam: umysł dziecięcy jest szczególnie wrażliwy na abstrakcyjne zagadnienia, a więc takie, w których trudno jest zdobyć informacje w sposób bezpośredni, a takich jest wiele w astronomii. Należy zatem podwyższyć rangę tego zakresu edukacji. wersja PL SZKOŁA duża zbieżność. Większość dorosłych wciąż posiada przetrwałe nieprawidłowe teorie wyjaśniające, które wynikają z błędnych wyobrażeń. Pod tym względem niezwykle aktualne wydaje się twierdzenie, że teorie wyjaśniające muszą być diagnozowane na każdym etapie rozwoju w celu eliminowania nienaukowych wyjaśnień, aby nie utrudniały nabywania rzeczywistego obrazu świata (w tym kosmosu). Jest to szczególnie ważne w przypadku zawodu nauczyciela (a taką rolę chcą pełnić badani studenci), ponieważ od jakości posiadanej przez nich wiedzy będzie zależało to, jak budowana będzie wiedza i wyobrażenia dzieci przedszkolnych. Budowanie naukowego obrazu zjawisk astronomicznych jest możliwe wśród dzieci przedszkolnych i szkolnych (por. Kampeza i Konstantinos, 2009, 141158). Dzieci w tym wieku potrzebują jednak nie tylko słownego wyjaśnienia, ilustracji w książce, globusa czy filmu przyrodniczego – ponieważ te środki – jak wskazały badania – są nieefektywne (np. niektóre dzieci traktują globus, jako rzeczywisty model Ziemi często jest on dla nich „drugą” Ziemią). Istotne są doświadczenia, w których odtwarzana jest skala i ruch planet w Układzie Słonecznym. Dzieci potrzebują doświadczeń związanych z obserwacją zjawisk astronomicznych, nie tylko tych, które mają miejsce w nocy. Istotne są obserwacje plam na Słońcu za pomocą niewielkiego teleskopu, notowanie codziennych obserwacji wyglądu Księżyca w kalendarzu pogody czy budowanie niewielkiego modelu planetarium (Jelinek, 2015). Budowanie teorii wyjaśniających przez dzieci może się odbywać tylko na podstawie gromadzonych przez nie informacji. Jeśli zdobywanych z zewnątrz informacji (z mediów, od dorosłych) będzie więcej niż osobistych doświadczeń, wówczas umysł dziecka powinien układać teorie zbliżone do naukowych. Ponieważ jednak informacje te nie są przystosowane do umiejętności odbiorczych dzieci, wyłapują one tylko skrawki infor- 52 KRÓTKO Teorie wyjaśniające zjawiska astronomiczne u dzieci i dorosłych | Jan Amos Jelinek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Streszczenie: Niektóre wymagania części podstawy programowej przewidzianych dla przedmiotów przyrodniczych odnoszą się do rozumowań. Aby spełnić te wymagania i zapewnić głębsze zrozumienie metod naukowych, nauczyciele powinni wyposażyć uczniów w podstawową wiedzę o różnych typach rozumowań (w tym o różnicach pomiędzy dedukcją i redukcją oraz pomiędzy różnymi odmianami indukcji) oraz ich zastosowaniach, a także ćwiczyć z nimi rozpoznawanie i używanie tych typów rozumowań w konkretnych sytuacjach. W Bazie Dobrych Praktyk Instytutu Badań Edukacyjnych znajduje się około 50 interesujących, dobrze zaprojektowanych i często wystandaryzowanych zadań, które odnoszą się do wymagań podstawy programowej dotyczących rozumowania i argumentacji. W artykule tym przedstawiono: 1) podstawową wiedzę na temat rozumowań w naukach przyrodniczych, którą w opinii autora należałoby przekazać uczniom, 2) logiczny potencjał wspomnianych zadań, 3) pogłębioną analizę trzech z nich. Wykazuje się w nim, że w różnych możliwych ścieżkach prowadzących do rozwiązań tych zadań obecne są przynajmniej proste rozumowania, aczkolwiek zadania takie powinny być bardziej wykorzystywane w celu uczenia i ćwiczenia umiejętności związanych z rozumowaniem oraz poprawnego stosowania ich w naukach przyrodniczych. Słowa kluczowe: rozumowanie, logika, metodologia nauk przyrodniczych, zadania szkolne otrzymano: 29.02.2016; przyjęto: 20.03.2016; opublikowano: 1.04.2016 Na czym polega metoda naukowa przyrodnika? W uproszeniu: przyrodnik obserwuje lub eksperymentuje i dzięki temu od czasu do czasu zdobywa nową wiedzę o przyrodzie. Do metody tej należy: stawianie pytań badawczych i wysuwanie hipotez wyjaśniających obserwowane zjawiska (co pozwala ukierunkować poszukiwania), a także sprawdzanie tych hipotez oraz innych istniejących teorii, które mogą się odnosić do tych zjawisk. To jednak za mało. Łatwo wyobrazić sobie przyrodnika, który tak właśnie postępuje, a mimo to popełnia liczne błędy metodologiczne. Aby postępował prawidłowo, musi wiedzieć, jakich używa rozumowań i na ile rozumowaniom tym może ufać. Znajomość rozumowań potrzebna jest zarówno uczniom szkół średnich (zwłaszcza ponadgimnazjalnych), jak i studentom kierunków przyrodniczych. Argumentów za tą tezą jest wiele (por. Nayak, 2009). U ich podstaw leży jednak prosta przyczyna: na pewnym etapie rozwoju, gdy mamy już pewną podstawową wiedzę, oczekuje się od nas, że będziemy ją samodzielnie stosować; wówczas potrzebujemy znać „reguły gry”, by wiedzieć: kiedy otrzymujemy wnioski, które są pewne, kiedy są one tylko prawdopodobne, ale nie są pewne, a kiedy się mylimy. Potrzebę tę dostrzegli twórcy podstaw programowych dla przedmiotów przyrodniczych. Najlepszym tego przykładem jest Theory of Knowledge (‘teoria wiedzy’) – obowiązkowy program realizowany w Wielkiej Brytanii i na Malcie w ramach międzynarodowego programu edukacyjnego International Baccalaureate (IB), kończącego się tzw. maturą międzynarodową. Również dr Marcin Trepczyński: adiunkt w Instytucie Badań Edukacyjnych w Warszawie, badacz Instytutu Filozofii Uniwersytetu Warszawskiego twórcy polskiej podstawy programowej uznali to za coś bardzo ważnego. Już na II etapie edukacyjnym jako jedne z celów edukacyjnych przedmiotu przyroda przyjęli oni stawianie i weryfikowanie hipotez, a także formułowanie wniosków na podstawie danych empirycznych. Umiejętności te, uzupełnione m.in. o uogólnianie oraz identyfikowanie związków przyczynowo-skutkowych pojawiają się również na dalszych etapach edukacyjnych, przede wszystkim na IV w ramach takich przedmiotów jak biologia, chemia i fizyka, które co do zasady – poza przedmiotem „przyroda” – nauczane są oddzielnie (choć nauczanie zintegrowane jest formalnie możliwe, stanowi raczej wyjątek – por. Grajkowski, 2013). Wagę tych umiejętności podkreślają również komentatorzy poszczególnych części podstawy (Kłos i wsp., 2008; Spalik i wsp., 2008; Szkurłat i wsp., 2008). Wydaje się, że na potrzebę podbudowy metodologicznej zaczęli zwracać uwagę również twórcy programów studiów II stopnia na kierunku biologia. Na przykład na Uniwersytecie Warszawskim realizowany jest przedmiot „Filozofia przyrody”, w ramach którego podejmuje się takie tematy jak: status praw biologicznych, problem indukcji, metoda hipotetyczno-dedukcyjna i jej ograniczenia. Natomiast na Uniwersytecie Jagiellońskim studenci biologii uczestniczą w zajęciach pt. „Metodologia nauk przyrodniczych – Filozofia przyrody”. Należy również zauważyć, że pewną motywacją do organizowania tego typu kursów są polskie Krajowe Ramy Kwalifikacji dla Szkolnictwa Wyższego przewidziane dla studiów przyrodniczych, które zawierają takie umiejętności jak poprawne wnioskowanie na podstawie danych pochodzących z różnych źródeł (dla studiów pierwszego stopnia – P1P_U07) oraz umiejętność formułowania uzasadnionych sądów na podstawie danych pochodzących z różnych źródeł (dla studiów drugiego stopnia – P2P_U07). Wspomniane wyżej propozycje dydaktyczne na wyższych uczelniach nie są jednak regułą. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Marcin Trepczyński Wprowadzenie wersja PL SZKOŁA Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych 53 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 54 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Dedukcyjne i redukcyjne – na takie dwie grupy podzielił wszystkie rozumowania słynny na całym świecie polski logik Jan Łukasiewicz; za nim podział ten przyjął równie słynny polski logik Józef Maria Bocheński (1992), który podkreślał, że te dwie grupy pokrywają cały zakres rozumowań i że żadne rozumowanie nie może należeć do obu tych grup jednocześnie (Bocheński, 1965, 2012). Nawet jeśli wyróżni się rozumowania indukcyjne czy abdukcyjne, ich przypadki podpadają ostatecznie pod dedukcję lub redukcję. Dlaczego są to dwa najogólniejsze schematy dla rozumowań? Wszystkie rozumowania, nawet te bardzo skomplikowane, oparte są bowiem na zdaniach złożonych typu: „Jeśli …, to…”, np.: „Jeśli piorun uderza w ziemię, to widać błysk”. Zdanie takie nazywa się implikacją. Jeśli użyjemy symboli i za zdania podstawimy małe litery, zapisujemy je następująco: p → q. Nawet jeśli w jakimś rozumowaniu nie widać takiego zdania na poziomie warstwy słownej, to musi ono być obecne, skoro mówimy o rozumowaniu. Aby skonstruować jakiekolwiek rozumowanie, trzeba bowiem przyjąć takie zdanie jako przesłankę, czyli założenie rozumowania. Ujmuje ona pewną regułę czy prawo, do którego odwołuje się ten, kto rozumuje. Do tej pierwszej przesłanki konieczne jest dodanie przynajmniej jeszcze jednej, która stwierdzi jakiś fakt, np. „Piorun uderzył w ziemię”. Dopiero mając przynajmniej dwie takie przesłanki, można wywnioskować: „A zatem widać było błysk”. Kierunek implikacyjnej strzałki ma znaczenie. Przykładowe zdanie nie jest równoważne zdaniu „Jeśli widać błysk, to znaczy, że piorun uderza w ziemię”. Dlatego też ma znaczenie, czy założeniem rozumowania będzie zdanie, od którego strzałka wychodzi (poprzednik implikacji), p → q p -------q (1) rozumowanie dedukcyjne (niezawodne) p → q q -------p (2) rozumowanie redukcyjne (zawodne) Rozumowania dedukcyjne są niezawodne, ponieważ właściwością schematu implikacji jest to, że gdy jest ona prawdziwa i jej poprzednik jest prawdziwy, to prawdziwy jest też jej następnik. Rozumowania redukcyjne są zawodne, bo gdy implikacja jest prawdziwa i jej następnik jest prawdziwy, to następnik może być dowolny – prawdziwy lub fałszywy. Z tego właśnie powodu znajomość tych dwóch schematów jest dla przyrodnika kluczowa. Znając je, może bowiem od razu ocenić, czy przeprowadzone przez niego rozumowanie jest niezawodne, czy też nie można mu do końca zaufać. Załóżmy, że przyrodnik ten jako prawdziwą przesłankę przyjął prawo, że gdy na ciało skieruje się promienie światła lub zaczynają one na nie padać z większym natężeniem, to temperatura tego ciała wzrasta. Jeśli zaobserwował, że na kamień zaczęło świecić słońce, i wywnioskował, że w takim razie jego temperatura wzrosła, EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Główny podział: dedukcja i redukcja czy też zdanie, do którego dochodzi (następnik implikacji). Gdy jako przesłankę przyjmuje się poprzednik – powstaje rozumowanie dedukcyjne; gdy następnik – redukcyjne. Słowo „dedukcja” znaczy bowiem tyle, co „wyprowadzanie” (konsekwencji z założonej racji), zaś słowo „redukcja” – „sprowadzenie” (konsekwencji do założonej racji) (por. van Riel i Van Gulick, 2016). Logicy przedstawiają to schematycznie w następujący sposób, zapisując nad kreską uznane za prawdziwe przesłanki wnioskowania, zaś pod kreską wniosek: SZKOŁA Rodzaje rozumowań wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Jeśli zaś chodzi o realizowanie podstawy programowej w szkołach średnich, to należy pamiętać o codziennej szkolnej rzeczywistości, która może uniemożliwiać spełnianie wszystkich wymogów, a także o tym, że wielu nauczycieli może się czuć nieprzygotowanymi, by ćwiczyć takie umiejętności u uczniów. Tymczasem pewne podstawowe reguły logiczne i metodologiczne mogą być łatwe do przekazania uczniom i przećwiczenia z nimi na przykładach, dzięki czemu mogą oni nabyć podstawowe umiejętności dotyczące rozumowań w naukach przyrodniczych. „Plan minimum”, który może się okazać bardzo owocny, to: zaprezentowanie uczniom ogólnych typów rozumowań, z odniesieniem do przykładów, przedyskutowanie z nimi tych typów, a następnie zastosowanie ich przez uczniów do rozwiązywania zadań. W tym celu należałoby zebrać i rozpowszechnić wśród nauczycieli dobrze przygotowane narzędzia, takie jak prezentacje i zadania, które mogą im w tym pomów. Niestety niełatwo jest znaleźć takie materiały. Na szczęście polscy nauczyciele mogą korzystać z wielu wystandaryzowanych zadań dostępnych online (w Bazie Dobrych Praktyk IBE), które przypisane są do poszczególnych wymagań podstawy programowej, również tych dotyczących rozumowania. Wiele z nich sprawdza u uczniów rozumowanie i krytyczne myślenie. Niestety, jak zostanie dalej pokazane, pokrywają one tylko pewną część tego, co niezbędne w tym zakresie. W artykule tym zamierzam: 1) zwięźle zaprezentować podstawową wiedzę na temat rozumowań w naukach przyrodniczych, którą powinno się przekazywać uczniom, 2) pokazać potencjał logiczny wspomnianych wyżej zadań oraz 3) przeanalizować dokładnie trzy przypadki takich zadań. Moim celem jest pokazanie, jak silnie rozumowanie może być obecne w rozwiązywaniu prostych zadań szkolnych z zakresu nauk przyrodniczych oraz czego zadaniom tym nadal brakuje, po to aby naszkicować kierunki tworzenia nowych narzędzi. wersja PL 55 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 1 Zob. ten materiał: http://www.criticalthinking.pl/sherlock-holmes-i-dr-house p → q ¬q -------¬p (3) rozumowanie dedukcyjne (niezawodne) p → q ¬p -------¬q (4) rozumowanie redukcyjne (zawodne) Z kolei jeśli przyjmiemy w danym przypadku, że zarazem p → q i q → p, wówczas p i q są równoważne (często zapisuje się to jako p⟺q). W takiej sytuacji z p⟺q możemy skutecznie wnioskować również jeśli za drugą przesłankę przyjmiemy q lub ¬p. Ze schematu dedukcji wyprowadzone są również reguły bazujące na wyciąganiu wniosków z alternatyw. Oto najpopularniejsze przykłady (używamy ˅ dla „lub”, które znaczy, że przynajmniej jedna opcja jest prawdzi- wa, tzw. OR, a także ⊻ dla „albo…, albo …”, które znaczy, że tylko jedna opcja jest prawdziwa, tzw. XOR): (5) Opuszczanie alternatywy zwykłej (rozumowanie dedukcyjne) p ⊻ q p -------¬q (6) Opuszczanie alternatywy rozłącznej (rozumowanie dedukcyjne) Schematy dedukcyjne dla powyższych rozumowań zostały dość wcześnie uporządkowane na łacińskim Zachodzie jako: • modus ponens (lub modus ponendo ponens) – „tryb twierdząc twierdzący”: (1) • modus tollens (lub modus tollendo tollens) – “tryb przecząc przeczący”: (3) • modus tollendo ponens – „tryb przecząc twierdzący”: (5) • modus ponendo tollens – „tryb twierdząc przeczący”: (6) Nazwy tych schematów odnoszą się do twierdzeń lub przeczeń, które mają miejsce w drugiej przesłance oraz we wniosku. Na przykład w schemacie (5) druga przesłanka ma charakter przeczący, zaś wniosek – twierdzący, stąd też mamy tryb „przecząc twierdzący” (tollendo ponens). Są to oczywiście jedynie podstawowe informacje na temat wnioskowania logicznego, potrzebne do dalszych rozważań. Czym jest indukcja oraz rodzaje indukcji Jest rzeczą oczywistą, że co do zasady przyrodnik opiera swoje wnioski na doświadczeniu, które składa się z wielu pojedynczych obserwacji („co do zasady”, po- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA p ˅ q ¬p -------q SZKOŁA lub praw, które wyjaśniają obserwację; temat ten będzie kontynuowany w trzeciej części tego artykułu. Pomimo to wciąż rozumowania dedukcyjne mają zastosowanie (co zostanie pokazane w analizie zadań) i wówczas znajomość tych dwóch rodzajów rozumowań jest bardzo pomocna do dokonania szybkiej oceny wiarygodności rozumowania. Co więcej, przyrodnik powinien być umieć z łatwością rozpoznać rodzaj rozumowania, aby mieć świadomość jego ewentualnych ograniczeń. Na koniec dodajmy jeszcze, że dzięki różnym logicznym operacjom przedstawione wyżej schematy można rozwinąć. Na przykład zgodnie z regułą transpozycji implikacji możemy zamienić miejscami p i q, jeśli je zaprzeczymy (przyjmijmy znak „¬” na oznaczenie „nie jest prawdą, że”), a zatem: za p → q możemy podstawić ¬q → ¬p, gdyż obie te implikacje są równoważne. Na tej podstawie otrzymujemy różne warianty obu schematów rozumowań: wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO to wystarczy, że rozpozna tu schemat rozumowania dedukcyjnego. Wie wówczas, że wniosek jest pewny. Z kolei, jeśli zaobserwuje, że temperatura kamienia wzrosła, i wywnioskuje, że w takim razie zwiększyło się natężenie padających na kamień promieni, to wystarczy, że rozpozna tu schemat redukcyjny, by wiedzieć, że wniosek ten nie jest pewny, gdyż rozumowania redukcyjne są zawodne. Zauważmy, że te logiczne struktury wydają się paralelne ze związkami przyczynowymi: nie możemy być pewni, że jeśli kamień się nagrzewa, to dzieje się tak z powodu intensywności promieni, gdyż możemy pomyśleć o jakiejś innej przyczynie. Ale gdy promienie te padają bardziej intensywnie na kamień i nie występuje żadna przeszkoda czy inna komplikacja, to jego temperatura powinna wzrosnąć. Warto tu podkreślić, że myślenie redukcyjne jest powszechne w ramach praktyki medycznej, jako często jedyna możliwa droga postępowania. Kluczowe jest jednak, aby wiedzieć, jak jej użyć. Bardzo dobrym przykładem takiego użycia jest metoda bohatera słynnego serialu telewizyjnego dr. Gregory’ego House’a. Marcin Będkowski starannie przeanalizował tę metodę na przykładzie odcinka „Doktora House’a”, pokazując, że House stosuje wiele reguł heurystycznych i 28 razy konsekwentnie rozumuje redukcyjnie, falsyfikując uprzednio przyjęte teorie tak długo, aż otrzyma ostateczny wniosek, co do którego nie będzie już wątpliwości1. Oczywiście, zawodność lub niezawodność odnosi się wyłącznie do struktury rozumowania. Zakłada się więc tutaj to, że przyjęte przesłanki są bezwzględnie prawdziwe i że możliwe jest tu podstawienie zdania wyrażającego obserwację za zdanie będące jednym z członów implikacji. Zazwyczaj jednak okazuje się, że nie jest to do końca możliwe. Co więcej, w naukach przyrodniczych często poszukujemy nie wniosków, które są prostą konsekwencją implikacji, lecz raczej owych reguł wersja PL ma większych defektów genetycznych i będzie się rozwijać bez większych zaburzeń, wówczas wytworzy się w nim mózg). Oczywiście należy wziąć pod uwagę możliwość anomaliów (na co wskazał już Arystoteles), jednak co do zasady wiemy, że w większości przypadków możemy opierać się na analizowaniu tylko niektórych przypadków. Pomimo to powinniśmy pamiętać, że bez tych dodatkowych założeń indukcja niezupełna nie jest poprawnym sposobem rozumowania. Właśnie z tym metodologicznym problemem ściśle związany jest drugi rodzaj indukcji. Jego celem jest odkrycie związków przyczynowo-skutkowych (pomiędzy warunkami i skutkami) w celu wyjaśnienia badanego zjawiska. Rozumowanie to nazywa się „indukcja eliminacyjna”, ponieważ główną operacją prowadzoną w jego ramach jest badanie, czy lub jak eliminacja (lub modyfikacja) warunków czy okoliczności wpływa na skutek czy zjawisko. Opracowanie tej metody tradycyjnie przypisuje się Francisowi Baconowi (XVII wiek), jednak przynajmniej jednak przykład takiego rozumowania możemy odnaleźć u Roberta Grosseteste w XIII wieku. Ostatecznie w XIX wieku John Stuart Mill przedstawił w postaci pięciu kanonów jasne metody tego typu indukcji: • metoda zgodności (jeśli w wielu przypadkach, w których zmieniamy okoliczności, jest tylko jedna okoliczność zjawiska, to jest ona jego przyczyną lub skutkiem); • metoda różnicy (jeśli w jednym przypadku zjawisko zachodzi, a w drugim, w którym brakuje jednej okoliczności, zjawisko nie zachodzi, to okoliczność ta jest skutkiem, przyczyną lub konieczną częścią przyczyny zjawiska); • metoda łączona zgodności i różnicy (połączenie dwóch powyższych metod dla określonego zjawiska i określonej okoliczności); • metoda reszt (jeśli wyłączymy owe powiązane okoliczności i zjawiska, o czym wiemy z poprzednich EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA ma własność P, x 2 ma własność P, …, xn ma własność P, to każdy element ze zbioru S (który składa się z x1, x 2, …, x n) ma własność P”, która to implikacja jest odwracalna, więc w rzeczywistości mamy tu równoważność. Nie mogę natomiast skutecznie wnioskować, że każdy człowiek ma blond włosy; byłby to przypadek indukcji niezupełnej, w ramach której formułuję ogólny wniosek odnoszący się do przypadków nienależących do zbioru, który zbadałem, lub odnoszący się do wszystkich przypadków danego typu. Według Bocheńskiego taki rodzaj indukcji enumeracyjnej oparty jest na schemacie redukcji; zauważmy bowiem, że użyta tu implicite implikacja wygląda następująco: “jeśli każdy element S (który składa się z x1, x 2, …, x n) ma własność P, wówczas x1 ma własność P, x 2 ma własność P, x3 ma własność P” – implikacja ta jest samo-oczywista, a zatem koniecznie prawdziwa; następnie potwierdzam poprzednik implikacji i formułuję wniosek, który jest poprzednikiem implikacji, a zatem faktycznie stosuję schemat redukcji; taki rodzaj rozumowań jest więc zawodny. Wskazana tu słabość indukcji enumeracyjnej niezupełnej została odnotowana już przez starożytnych sceptyków, a także przez średniowiecznego filozofia Ibn Sinę (Avicennę) oraz w czasach nowożytnych przez Davida Hume’a. Mimo to w naukach przyrodniczych właśnie ten rodzaj indukcji jest bardziej użyteczny niż indukcja zupełna; opiera się ona bowiem na skończonej liczbie obserwacji, a tymczasem w nauce chodzi o zbudowanie ogólnej wiedzy, która wykracza poza przebadane przypadki. Dlatego też Bocheński nazywa indukcję niezupełną jedynym autentycznym przypadkiem indukcji enumeracyjnej. Faktycznie więc „wierzymy” w indukcję niezupełną. Należy zauważyć, że pomaga nam w tym założenie o analogiczności stworzeń tego samego typu (np. każdy człowiek powinien być zbudowany w podobny sposób) oraz związane z nim założenie, zgodnie z którym w przyrodzie wszystko jest wynikiem procesów przyczynowo-skutkowych (np. jeśli ludzki płód nie wersja PL SZKOŁA nieważ jego działalność może się opierać równie dobrze na prowadzeniu symulacji, na badaniach teoretycznych, na eksperymentowaniu na organizmach modelowych lub na stosowaniu jeszcze innych metod; co więcej, zdarza się, że stosowanie takich metod następuję tuż po wstępnych obserwacjach). Było to oczywiste również dla Arystotelesa, który regułę tę uznał za podstawę swojej metodologii nauk (por. Analityki wtóre). Rodzaj rozumowania, w którym wyciąga się ogólny wniosek z pojedynczych obserwacji, nazwany przez Arystotelesa i innych filozofów starożytnych epagoge, na łacińskim Zachodzie funkcjonował jako inductio. W filozofii łacińskiej przeciwstawiano ten rodzaj rozumowania rozumowaniu o nazwie deductio, które polegało na wyciąganiu mniej ogólnego wniosku z ogólniejszych od niego przesłanek (a zatem jest to proces późniejszy, w tym sensie, że opiera się on na ogólnych prawdach, do których najpierw należy dotrzeć drogą indukcji). Jak widać, to przeciwstawienie oraz definicja dedukcji różni się od podziału oraz definicji dedukcji zaprezentowanych w poprzednim podrozdziale. Rodzajem najprostszego postępowania od poszczególnych obserwacji do ogólnego wniosku jest indukcja enumeracyjna (przez wyliczenie): widzimy, że w każdym przypadku coś zachodzi, więc wnioskujemy, że zachodzi to zawsze. Na przykład: mówimy, że każdy człowiek ma mózg, ponieważ przebadaliśmy wielu ludzi i każdy z nich miał mózg. Ktoś mógłby zaprotestować i powiedzieć: ale nie sprawdziłeś całej populacji. I z metodologicznego punktu widzenia miałby on rację. To dlatego wyróżniamy indukcję zupełną i niezupełną. Zupełna ogranicza wniosek do zbioru przypadków, które zostały sprawdzone: jeśli w całym moim życiu spotkałem tylko ludzi z mojej wioski i wszyscy oni mieli blond włosy, mogę wnioskować: wszyscy ludzie z mojej wioski mają blond włosy. Rozumowanie to jest poprawne i, jak wskazuje Bocheński, jest oparte na schemacie dedukcji; implicite używamy tu bowiem implikacji typu „jeśli x1 56 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Rzeczywiste rozumowanie w naukach przyrodniczych i jego ograniczenia Rozważmy wreszcie, jak naprawdę stosuje się rozumowanie w naukach przyrodniczych. Czy dedukujemy nowe twierdzenia, czy też aby je sformułować – stosujemy raczej indukcję enumeracyjną lub eliminacyjną? Według Arystotelesa to dzięki indukcji uchwytujemy ogólne prawa lub odkrywamy ogólne pojęcia (tzw. gatunki), dzięki którym tworzymy definicje, oraz pewne regularności, a dopiero następnie na ich podstawie generujemy bardziej szczegółowe twierdzenia, stosując rozumowania dedukcyjne w formie tzw. sylogizmów. A tymczasem, jak powiedziano na początku tego artykułu, przyrodnik formułuje hipotezy. Oznacza to, że po dokonaniu obserwacji ma on pewne wyjaśnienie dla obserwowanych zjawisk, które jednak nie jest jeszcze T → O O -------T (7) weryfikacja (rozumowanie redukcyjne) T → O ¬O -------¬T (8) falsyfikacja (rozumowanie dedukcyjne) Oznacza to, że w obszarze pozytywnych twierdzeń naukowych nigdy nie osiągamy całkowitej pewności. Oczywiście nie oznacza to, że nie powinniśmy ufać nauce. Możemy bowiem dysponować dobrze przetestowanymi, a więc prawdopodobnymi, twierdzeniami. Co więcej, w niektórych przypadkach możemy starać się stosować wynikanie statystyczne, i jeśli przeprowadzimy je poprawnie, możemy być prawie pewni prawdziwości konkluzji, z pewnym oszacowanym marginesem błędu. Jednak wciąż nie gwarantuje to całkowitej pewności. Dlatego też, aby adekwatnie badać przyrodę, łączymy w procedurach naukowych wszystkie rodzaje rozu- mowań i stosujemy raz dedukcję, innym razem indukcję enumeracyjną, następnie testujemy w ramach indukcji eliminacyjnej, wreszcie formułujemy i testujemy hipotezy itd. Na przykład: znajduję wronę i dedukuję, że jest ona ptakiem, gdyż ma pióra (stosując być może fałszywą regułę, otrzymaną dzięki uprzednio przeprowadzonej indukcji i zastosowaną do mojej obserwacji: jeśli x ma pióra, to jest ptakiem; to stworzenie ma pióra; a zatem jest ptakiem), następnie zauważam, że wszystkie takie napotkane przeze mnie ptaki mają czarne pióra oraz uzyskuję kilka dodatkowych informacji, które pozwalają mi wyodrębnić gatunek (nadaję mu nazwę „wrona”); następnie lub jednocześnie sprawdzam, czy niektóre cechy wron mogą się różnić, jeśli zmienię pewne okoliczności, na przykład gdy znajdę wronę o białych piórach; wtedy formułuję hipotezy wyjaśniające, dlaczego pewne okoliczności powodują takie zjawisko, i testuję je. (Nawiasem mówiąc, moment wyróżnienia pewnych gatunków może prowadzić do pewnego rodzaju naukowego pragmatyzmu; jeśli zauważymy, że twierdzenia naukowe lub wyróżnianie pewnych grup, takich jak wrony, w zależy tak naprawdę nie tylko od obserwacji, lecz także od definicji, bytów ontologicznych oraz reguł logicznych, to możemy argumentować, że jest to kwestia wyboru: to my wybieramy, co nam się wydaje najbardziej rozsądną opcją – dlatego też określane jest to jako pragmatyzm (por. Quine, 1951)). Kluczowe jest więc, aby wiedzieć, jakiego rodzaju rozumowania używamy na poszczególnych etapach i jakie ograniczenia mają poszczególne rodzaje rozumowań – po to, aby uniknąć przesadzonych twierdzeń lub przypisywania całkowitej pewności wnioskom, które są jedynie prawdopodobne. A zatem warto uczyć uczniów umiejętności takich jak rozpoznawanie rodzajów rozumowań oraz stwarzać im szansę ćwiczenia tych umiejętności. Zadania szkolne wydają się do tego dobrym narzędziem. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA pewne. Z tego powodu powinien przetestować to wyjaśnienie. Jeśli zostanie ono sfalsyfikowane, szuka on nowego. Jeśli zostanie potwierdzone (czyli zweryfikowane), wydaje się ono prawdziwe. Jak jednak podkreślił Karl Raimund Popper (1935; 2005), jeśli hipoteza taka ma charakter empiryczny, a więc nie ma charakteru apriorycznego, to nigdy nie mamy pewności, czy zawsze będzie ona ostatecznie potwierdzona, nawet jeśli sprawdzi się w wielu przypadkach. Źródłem tego problemu jest opieranie się tej procedury na redukcji: znajdujemy regułę, zgodnie z którą z naszej hipotezy lub teorii T wynika O; następnie na podstawie naszej obserwacji potwierdza się O i wnioskujemy, że T jest prawdziwa. Gdy natomiast znajdziemy przypadek, który falsyfikuje O, ze 100-procentową pewnością odrzucamy T jako fałszywą. Te dwie sytuacje można schematycznie przedstawić w następujący sposób: wersja PL SZKOŁA badań, okoliczności i zjawiska, które pozostaną, są powiązane przyczynowo-skutkowo); • metoda zmian towarzyszących (jeśli zmienimy coś w jednej z okoliczności i zaobserwujemy zmianę w którymś zjawisku, to być może są one powiązane przyczynowo-skutkowo). Metody te (czy też prawa) są logicznie poprawne i – jak się wydaje – mogą być z powodzeniem stosowane w ramach nauk przyrodniczych, jako że prowadzą do wiedzy o istotnych relacjach między przyczynami i skutkami. Jeśli połączymy je z indukcją niezupełną, mogą one razem przynieść zadowalające efekty: indukcja enumeracyjna niezupełna pokaże, że pewne zjawisko występuje powszechnie, indukcja eliminacyjna ujawni źródło tego zjawiska, i znowuż pierwsza z nich potwierdzi wyniki drugiej w kolejnych przypadkach. Jeśli jednak stosujemy indukcję eliminacyjną, należy to rozumowanie zaprojektować bardzo starannie i mieć pewność, że wszystkie okoliczności oraz zjawiska zostały wzięte pod uwagę. 57 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 58 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe 334, 574, 575, 781, 782, 783, 785, 786, 787, 789, 800, 801, 802, 803, 804, 806 590, 593, 594, 793, 799 597, 799, 937 578, 598, 934, 937, 952, 953 formułuje wnioski, formułuje i przedstawia opinie związane z omawianymi zagadnieniami biologicznymi, dobierając racjonalne argumenty NAUKA Zakres rozszerzony V. Rozumowanie i argumentacja Uczeń: odnosi się krytycznie do przedstawionych informacji oddziela fakty od opinii ID zadań dostrzega związki między biologią a innymi dziedzinami nauk przyrodniczych i spo łecznych rozumie znaczenie współczesnej biologii w życiu człowieka Zakres podstawowy II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń: zdobywa wiedzę chemiczną w sposób badawczy – obserwuje, sprawdza, weryfi kuje, wnios kuje i uogólnia wykazuje związek składu chemicznego, budowy i właściwości sub stancji z ich zastosowaniami; posługuje się zdobytą wiedzą chemiczną w życiu codziennym w kontekście dba łości o własne zdrowie i ochro ny środowiska naturalnego 350, 758, 759, 760, 761, 762, 763, 764, 767, 769, 775, 776, 779, 807, 808 rozumie podstawowe pojęcia, prawa i zjawiska chemiczne Zakres rozszerzony II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń: opisuje właściwości najważ niejszych pierwiastków i ich związków chemi cznych SZKOŁA ocenia i wyraża opinie na temat omawianych zagadnień współczesnej biologii, zagadnień ekologicznych i środowiskowych wersją referencyjną jest wersja EN dostrzega zależność pomiędzy budową sub stancji a jej właściwościami fizycznymi i chemicznymi stawia hipotezy dotyczące wyjaśniania problemów chemicznych i planuje eksperymenty dla ich weryfikacji na ich podstawie samodzielnie formułuje i uzasadnia opinie i sądy Zakres podstawowy II. Przeprowadzanie doświadczeń i wyciąganie wniosków z otrzymanych wyników 562, 911 Zakres rozszerzony V. Planowanie i wykonywanie prostych doświadczeń i analiza ich wyników 916, 918, 919, 928 Tabela 1. Wymagania ogólne dla biologii, chemii i fizyki na IV etapie edukacyjnym w polskiej podstawie programowej odnoszące się do rozumowania Źródło: oprac. własne oparte na tekście podstawy programowej. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Biologia Zakres podstawowy II. Rozumowanie i argumentacja Uczeń: interpretuje informacje i wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe między faktami, formułuje wnioski objaśnia i komentuje informacje Chemia Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych Instytutu Badań Edukacyjnych w Warszawie zgromadziła w Bazie Dobrych Praktyk (wcześniej: Bazie Narzędzi Dydaktycznych, dostępnej na stronie: bnd.ibe.edu.pl) zadania dopasowane do wielu ogólnych i szczegółowych wymagań polskiej podstawy programowej dla przedmiotów przyrodniczych. Wiele z nich sprawdzono na uczniach, dzięki czemu znany jest odsetek poprawnych odpowiedzi na każde pytanie, co pozwala określić poziom trudności każdego zadania. Niektóre z tych zadań przygotowano do celów badania Laboratorium Myślenia. W ramach tego badania zmierzono umiejętności uczniów w zakresie przedmiotów przyrodniczych, dodatkowo otrzymując ważną informację zwrotną na temat samych zadań; badanie dotyczyło absolwentów gimnazjum tuż po rozpoczęciu nauki w szkołach ponadgimnazjalnych; przeprowadzono je w kilku cyklach, obejmując nim w każdym roku (od 2011 do 2014 roku) ponad 7000 uczniów (Ostrowska i Spalik, 2015). Jak już wspomniano, polska podstawa programowa dla biologii, chemii i fizyki zawiera wymagania wprost odnoszące się do rozumowania lub wyciągania wniosków. Warto pod tym kątem przejrzeć część dotyczącą edukacji ponadgimnazjalnej (IV etap edukacyjny), jako że zawiera ona bardziej zaawansowane wymagania niż w przypadku części dotyczących wcześniejszych etapów edukacyjnych. Na IV etapie podstawa wyróżnia dwa zakresy: podstawowy i rozszerzony, a w każdym z nich dwa rodzaje wymagań: ogólne i szczegółowe. Wszystkie wymagania dotyczące umiejętności związanych z rozumowaniem są opisane w wymaganiach ogólnych. Zostały one przedstawione w Tabeli 1; te, które nie od- Wymagania związane z rozumowaniem Fizyka Zadania kompatybilne z polską podstawą programową wersja PL FIZYKA 1. Inżynieria genetyczna (334) 2. Działania w Pienińskim Parku Narodowym (2 items) (574) 3. Bacteroides ovatus (575) 4. Technika FISH (578) 5. Leczenie zatrucia metanolem (590) 6. Wchłanianie żelaza (593) 7. Jaka to synapsa? (594) 8. Skutki immunosupresji (597) 9. Korzeń i pantofelek (598) 10. Rodowód z poradni (781) 11. Przykłady GMO (782) 12. Inwazja GMO (783) 13. Znokautowane myszy (2 items) (785) 14. Europejska Sieć Ekologiczna (786) 15. Krowa GMO (787) 16. Zadrzewienia śródpolne (789) 17. Drapieżnik i jego ofiara (799) 18. Wizyta u lekarza (800) 19. Severe Combined Immunodeficiency (801) 20. Zielona rewolucja (802) 21. Diploidalne i haploidalne jądro (803) 22. Super rośliny (2 items) (804) 23. Czerniak a geny (806) 24. Family tree (934) 25. Drzewo rodowe (937) 26. Rodowód rodziny Ani (952) 27. Rodowody (953) 28. Tetra Pak® (359) 29. Szkło czy pleksi? (758) 30. Identyfikacja skał (759) 31. Badanie skały wapiennej (760) 32. Pożar hali fabrycznej (761) 33. Pasteryzacja mleka (762) 34. Opłaty za torebki foliowe (763) 35. Zapach kosmosu (764) 36. Bezpieczna dawka leku na przeziębienie (767) 37. Zastosowanie polietylenu (769) 38. Konserwowanie żywności (775) 39. Ile możesz zjeść sztucznego karmelu? (776) 40. Witamina C (779) 41. Otrzymywanie polietylenu (807) 42. Grafen – odmiana alotropowa węgla (808) 43. Zegarek i licznik Geigera-Müllera (562) 44. Doświadczenie z żelazkiem (911) 45. Wyznaczanie gęstości (916) 46. Wyniki pomiarów (918) 47. Koszty gotowania wody (919) 48. Obwód elektryczny (928) Tabela 2. Lista zadań z biologii, chemii i fizyki z Bazy Dobrych Praktyk przypisanych do wymagań podstawy programowej odnoszących się do rozumowania Do każdego zadania można łatwo przejść klikając w jego tytuł lub wpisując w okno przeglądarki poniższy adres uzupełniony o ID danego zadania, np.: http://bnd.ibe.edu.pl/tool-page/806 Źródło: oprac. własne. noszą się do umiejętności związanych z rozumowaniem bezpośrednio, zaznaczono kolorem szarym. W polskiej tradycji edukacyjnej do nauk przyrodniczych zalicza się również geografię. Nawet jeśli wzięłoby się ten przedmiot pod uwagę, okazuje się, że choć przypisana do niego część podstawy zawiera wymagania takie jak ko- rzystanie z informacji czy prezentowanie argumentacji, niełatwo byłoby jednak wskazać wymagania odnoszące się wprost do umiejętności związanych z rozumowaniem, może poza dość ogólnym, jakim jest „formułowanie i weryfikowanie hipotez dotyczących problemów współczesnego świata”. Do niektórych takich wymagań autorzy Bazy Dobrych Praktyk przypisali około 50 zebranych w tej bazie zadań. Każde z nich ma charakter zamknięty. Bardzo często składają się one z ryciny i krótkiego tekstu (np. fragmentu z gazety lub strony internetowej czy też krótkiego opisu jakiejś sytuacji), a także jednego lub wielu pytań. Czasem zawierają one tylko pytania, np. w schemacie: oznacz każde zdanie jako prawdziwe lub fałszywe. Numery identyfikacyjne wszystkich tych zadań podano w ostatniej kolumnie Tabeli 1 obok wymagań, do których się odnoszą (czasem do wielu z nich na raz). Pełna lista tytułów tych zadań, wraz z ich numerami, znajduje się w Tabeli 2 (ponieważ są one podlinkowane, klikając w nie można dotrzeć do treści każdego z nich na stronie BDP). Jeśli porówna się zestawione w Tabeli 1 wymagania dla trzech przedmiotów, można dostrzec, że zestawy te znacznie się od siebie różnią. Wydaje się, że podstawa dla biologii jest skoncentrowana na krytycznym myśleniu oraz radzeniu sobie z informacjami i opiniami. Odnosi się jednak również do wyjaśniania związków przyczynowo-skutkowych (zauważmy jednak, że nie wspomina się tam o ich poszukiwaniu) oraz formułowania wniosków, a zatem przynajmniej do prostych rozumowań. Tymczasem podstawa do chemii wydaje się koncentrować na działalności naukowca oraz nauczaniu właściwej metody naukowej; mówi bowiem o poszczególnych krokach takiej działalności: o stawianiu hipotez, planowaniu eksperymentów, które mogą ją zweryfikować, o uzasadnianiu, uogólnianiu i wyciąganiu wniosków. Z kolei podstawa do fizyki wydaje się wskazywać na te same cele, chociaż jej wymagania sformułowane są bardzo lakonicznie; nie jest więc jasne, jak zaawansowane i jakiego typu rozumowania są tu oczekiwane. We wszystkich jednak przypadkach uważam, że realizacja tych wymagań na zadowalającym pozio- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA CHEMIA wersja PL SZKOŁA BIOLOGIA 59 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 60 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersją referencyjną jest wersja EN Komórki nerwowe w organizmie człowieka komunikują się między sobą i z innymi komórkami za pomocą synaps. Poniżej przedstawiono schemat jednego z rodzajów synaps: Uzupełnij zdanie: (1) Na rysunku przedstawiono schemat synapsy: A)elektrycznej, B)chemicznej, (2) ponieważ: A)czynnikiem powodującym przekazanie sygnału pomiędzy komórkami jest impuls elektryczny. B) w przekazywaniu informacji biorą udział neuroprzekaźniki. C) impuls elektryczny w dendrycie jest wzbudzany przez impuls elektryczny w aksonie. NAUKA Zadanie 1: Jaka to synapsa?5 rozwiązaniach; zadanie to powinno więc funkcjonować raczej jako punkt wyjścia do dyskusji między uczniami i nauczycielem. W następnym rozdziale przedstawiam analizę trzech zadań różnego typu, uwzględniającą komentarze dodane do każdego z nich w Bazie Dobrych Praktyk. Będzie to dobra ilustracja przedstawionych wyżej ogólnych wniosków. Co więcej, pomoże to zebrać dodatkowe obserwacje na temat tych zadań. tej analizy jest sprawdzenie: 1) czy zadanie wymaga przeprowadzenia rozumowania, 2) czy może ono zostać rozwiązane bez szczegółowej uprzedniej wiedzy dzięki bardziej złożonych rozumowaniom, 3) jakiego rodzaju rozumowanie można przeprowadzić, aby rozwiązać zadanie, 4) czy uczeń powinien dysponować podstawową informacją o metodzie naukowej lub o rodzajach rozumowań, aby móc rozwiązać zadanie. Analiza zadań Wymagania ogólne przypisane do tego zadania są następujące: „Rozumowanie i argumentacja. Uczeń objaśnia i komentuje informacje”. Druga część tej frazy może sugerować, że zadanie to ma niewiele wspólnego z rozumowaniem, a wiąże się raczej z argumentowaniem. Komponent argumentacyjny jest widoczny w samej strukturze zadania: w drugiej jego części uczeń ma bowiem wybrać właściwe uzasadnienie swojej odpowiedzi z pierwszej części. Co więcej, komentator tego zadania nie umieścił w swoim komentarzu jakiejkolwiek Wszystkie przeanalizowane niżej zadania odnoszą się do zakresu biologii, po pierwsze, ponieważ jest ona głównym przedmiotem zainteresowania kwartalnika, do którego skierowano ten artykuł, po drugie, ponieważ – jak widać w Tabeli 1 – liczba zadań z biologii (których jest znacznie więcej niż zadań z chemii i fizyki) umożliwia wyselekcjonowanie zadań, w których możemy zaobserwować interesujące problemy. Celem Zadanie 1: Jaka to synapsa? EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA 5 URL: http://bnd.ibe.edu.pl/tool-page/594. KRÓTKO mie wymaga przekazania uczniom i utrwalenia im poprzez ćwiczenia wiedzy na temat rodzajów rozumowań oraz ogólnych problemów metodologicznych, o których wspomniano w poprzednim rozdziale. Jak widać w Tabeli 1, do większości wymagań dotyczących umiejętności związanych z rozumowaniem przypisano pewne zadania. Oznacza to, że mogą one być pomocne w nauczaniu albo sprawdzaniu tych umiejętności. Warto dodać, że większość z nich ma interesujące treści oraz wymaga od uczniów uważnego czytania i krytycznego myślenia. Ich analiza pokazuje też, że wymagają też one pewnych prostych rozumowań, choć nie zawsze jasno to widać. Często jest to bowiem krótkie rozumowanie dedukcyjne powiązane z eliminacją niewłaściwych odpowiedzi. W większości przypadków wymagają one nie tyle rozumowania, ile pewnej uprzedniej wiedzy. Można to wyjaśnić w ten sposób, że zaprojektowano je, dopasowując je do wymagań związanych nie tylko z rozumowaniem, lecz także ze szczegółową wiedzą. Niemniej jednak szkoda, że nie pozwalają one na ćwiczenie bardziej zaawansowanych umiejętności związanych z rozumowaniem. Co więcej, nie odnoszą się one do rozumowań indukcyjnych i nie uczą, jak postępować, gdy trzeba zastosować rozumowanie redukcyjne. Warto by było wypełnić tę lukę. Niektóre z tych zadań można rozwiązać na kilka sposobów – zdarza się, że istnieje wiele ścieżek prowadzących do tego samego rozwiązania. Możemy je otrzymać poprzez proste zastosowanie uprzedniej wiedzy, jednak możliwe to jest również bez niej, jeśli zastosuje się bardziej złożone rozumowanie. Z tego względu zadania te mogą być bardzo użyteczne do ćwiczenia tych umiejętności i mają pewien dodatkowy potencjał logiczny. Są też zadania, które wymagają przeprowadzenia rozumowania opartego na podanych informacjach. Jednak przynajmniej w jednym przypadku wydaje się, że uczeń powinien pomyśleć również o alternatywnych wersja PL Dla p – „w synapsie jest neuroprzekaźnik”, q – „jest to synapsa chemiczna”: p → q p -------q Aby mieć pewność, że odpowiedź B jest poprawna, konieczne jest powiązanie reguły „jeśli w synapsie jest neuroprzekaźnik, to jest to synapsa chemiczna” (nazwijmy ją R1), którą uczeń posiada jako uprzednią wiedzę, z informacją odczytaną z rysunku („w synapsie jest neuroprzekaźnik”), używając właśnie tego schematu logicznego (mianowicie tzw. modus ponens). Bez tego powiązania uczeń nie może „przeskoczyć” z p do q. Co więcej, zauważmy, że nie jest to jedyna droga prowadząca do właściwej odpowiedzi. Komentator o tym Dla p – „synapsa jest elektryczna”, q – „między komórkami przebiega impuls elektryczny”: p → q ¬q -------¬p (1) ¬q → ¬p(2) ¬q -------¬p Na tej podstawie uczeń może w drugim kroku wyeliminować opcję „synapsa elektryczna”, pozostaje więc „synapsa chemiczna”. W ten sposób, znów, przeprowadza rozumowanie: „jest to synapsa elektryczna lub jest to synapsa chemiczna. Nie jest to synapsa elektryczna. A zatem jest to synapsa chemiczna”. Zapisując to formalnie, wyraźnie widać, że oparte jest ono na bardzo powszechnej regule inferencji: p˅q ¬p -------q Pokazuje to, że uczeń nieposiadający wiedzy na temat neuroprzekaźników, obecnych tylko w synapsach chemicznych, może – nie zgadując – rozwiązać zadanie, co więcej przeprowadzając złożone rozumowanie, jakkolwiek powinien on być świadomy, że pewność jego głównej przesłanki (R2) jest wątpliwa, a ponadto musi mieć pewność, że przynajmniej jedna z odpowiedzi jest poprawna (zakładając, że może się zdarzyć, że żadna z odpowiedzi nie jest poprawna i wówczas wnioskowanie, jakie zaproponowano powyżej, nie jest możliwe). W drugiej części zadania od ucznia oczekuje się wskazania właściwego uzasadnienia dla odpowiedzi wybranej w części pierwszej. Jak podkreśla komentator, wszystkie podane uzasadnienia to zdania prawdziwe, ale tylko jedno z nich (B) stanowi właściwe uzasadnienie poprawnej odpowiedzi z części pierwszej. Odpowiedź B zawiera informację wyprowadzoną z diagramu przez ucznia, który rozwiązał zadanie w sposób wskazany przez komentatora jako właściwy. W tym przypadku uczeń nie przeprowadza żadnego nowego rozumowania, a jedynie wskazuje informację, którą wykorzystał w swoim rozumowaniu, chyba że ma do czynienia z zadaniem wielokrotnego wyboru, i wówczas powinien przeanalizować każdą odpowiedź jako niezależne uzasadnienie. Z kolei dla ucznia, który od- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA nie wspomniał, a tymczasem jest to szansa dla uczniów, którzy nie znają R1. Mianowicie uczeń na podstawie rysunku może wypracować inną regułę. Jeśli widzi on strzałki przedstawiające impuls elektryczny i jego kierunek, może on również zauważyć, że nie ma takich strzałek pomiędzy aksonem i dendrytem. Może więc sformułować taką regułę, jak: (1) „jeśli synapsa jest elektryczna, wówczas między komórkami przebiega impuls elektryczny” lub (2) „jeśli między komórkami nie przebiega impuls elektryczny, wówczas nie jest to synapsa elektryczna”, przy czym oczywiście (2) jest równoważne z (1), jako że może być wyprowadzone z (1) dzięki prawu transpozycji; nazwijmy tę regułę R2. Reguła ta nie opiera się na zdobytej wcześniej wiedzy i uczeń powinien mieć świadomość, że jej status może być wątpliwy, skoro sformułowana została tylko na podstawie informacji zaznaczonych na obrazku. A jednak, upewniwszy się, że między komórkami nie zaznaczono impulsu elektrycznego, może on zastosować ją w celu przeprowadzenia następującego rozumowania: (1) „Jeśli synapsa jest elektryczna, to między komórkami przebiega impuls elektryczny. Między komórkami nie przebiega impuls elektryczny. A zatem nie jest to synapsa elektryczna” lub (2) „Jeśli między komórkami nie przebiega impuls elektryczny, to nie jest to synapsa elektryczna. Między komórkami nie przebiega impuls elektryczny. A zatem nie jest to synapsa elektryczna”. Jest to przykład formalnie poprawnego (a jeśli założymy, że R2 jest prawdziwe – zupełnie poprawnego) rozumowania dedukcyjnego; formalnie można je przedstawić w następujący sposób: wersja PL SZKOŁA wzmianki na temat rozumowania. Pomimo to pokażę, że zadanie to wymaga pewnego prostego rozumowania. Jeśli chodzi o pierwszą część zadania, komentator uznał, że: „Aby udzielić prawidłowej odpowiedzi, uczeń musi jedynie zauważyć na schemacie neuroprzekaźniki oraz wiedzieć, że występują one wyłącznie w synapsach chemicznych. Nie powinien mieć wówczas wątpliwości, że w części 1 należy wybrać odpowiedź B. Jeśli uczeń zaznaczy odpowiedź A, oznacza to, że nie posiada wystarczającej wiedzy i «strzela», najprawdopodobniej bez zapoznania się ze schematem”. Opinia ta może sugerować, że od ucznia oczekuje się w tym przypadku spełnienia dwóch warunków: „zauważyć” i „wiedzieć”. Należy jednak zwrócić uwagę, że w takim razie trzeba się też zgodzić, że uczeń musi przeprowadzić następujące proste rozumowanie: „Jeśli w synapsie jest neuroprzekaźnik, to jest to synapsa chemiczna. W synapsie jest neuroprzekaźnik. A zatem jest to synapsa chemiczna”. To przykład poprawnego rozumowania dedukcyjnego, który można przedstawić formalnie w następujący sposób: 61 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 • Dla B: jeśli synapsa jest elektryczna, czy konieczne jest, że w przekazywaniu informacji biorą udział neuroprzekaźniki? Nie wydaje się to konieczne. Obrazek pokazuje, że pomiędzy dendrytem i aksonem, gdzie w tym przypadku uczeń oczekiwał impulsu elektrycznego, znajdują się neuroprzekaźniki, a więc być może nie przekazują one impulsu elektrycznego. • Dla C: jeśli synapsa jest elektryczna, czy konieczne jest, że impuls elektryczny w dendrycie jest wzbudzany przez impuls elektryczny w aksonie? Tak, jest to konieczne. Widać to na obrazku i wydaje się, że dokładnie po to są te synapsy. Tylko opcja B przechodzi test pozytywnie. Krok drugi przebiega następująco: jeśli synapsa jest chemiczna, czy możliwe jest, że w przekazanie informacji zaangażowany jest neuroprzekaźnik? Czymkolwiek są neuroprzekaźniki, obrazek pokazuje, że są one czymś, co pobudzone przez impuls elektryczny z aksonu wywołuje taki impuls w dendrycie odbiorcy. Możliwe, że zaangażowane są w ten proces jakieś zjawiska chemiczne, więc być może w taki właśnie sposób działa synapsa chemiczna. A zatem: tak, jest to możliwe. Co więcej, trudno wyobrazić sobie jakąś inną możliwość. Opcja B przechodzi test pozytywnie i jest dobrym (i zarazem jedynym) kandydatem na poprawną odpowiedź. Na podstawie tej analizy można sformułować kilka ważnych wniosków: wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Poniższe schematy przedstawiają (I) budowę skórki korzeniowej rośliny okrytonasiennej z włośnikiem oraz (II) komórkę słodkowodnego orzęska – oba organizmy znajdują się w swoim środowisku naturalnym. Funkcjonowanie zarówno włośnika jak i orzęska jest zależne od zjawiska osmozy. I. Schemat budowy skórki korzeniowej z włośnikiem w glebie: A – cytoplazma, B – roztwór glebowy. II. Orzęsek: A – cytoplazma, B – woda rzeczna. Uzupełnij poniższe zdania. (1) Na schemacie I obszar hipertoniczny oznaczono literą: A), B). (2) Na schemacie II napędzany osmozą przepływ wody jest skierowany A) z obszaru A do obszaru B. B) z obszaru B do obszaru A. (3) Osmoza zachodząca w układzie przedstawionym na schemacie: A)I, B)II. (4) musi być aktywnie równoważona, ponieważ w przeciwnym wypadku może doprowadzić do A) odwodnienia. B) rozerwania komórki. C) zbytniego zasolenia cytoplazmy. 6 URL: http://bnd.ibe.edu.pl/tool-page/598 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Zadanie 2: Korzeń i pantofelek6 KRÓTKO powiedź części pierwszej oparł na R2, część druga jest dużo trudniejsza. Musi on bowiem przeprowadzić bardzo złożoną analizę każdego z podanych uzasadnień w świetle R2 oraz dodatkowych informacji, które można wyczytać z rysunku. Najprostszą drogą, którą może on wybrać, jest zbadanie ich w formie dwustopniowego testu: w pierwszym kroku sprawdza, czy niektóre podane odpowiedzi są niespójne z niewłaściwą odpowiedzią części pierwszej, a w drugim kroku – czy reszta jest spójna z poprawną odpowiedzią części pierwszej. Test taki można skonstruować następująco: 1)nie jest koniecznie prawdziwe, że „jeśli synapsa jest elektryczna, to p”, gdzie pod p podstawia się każdą z odpowiedzi; 2)dla tych odpowiedzi, które spełniają (1): jest możliwe, że „jeśli synapsa jest chemiczna, wówczas p”. Test ten opiera się na dwóch modus ponens: dla (1): „jeśli implikacja nie jest koniecznie prawdziwa, wówczas testowana opinia może być poprawnym uzasadnieniem. Implikacja nie jest koniecznie prawdziwa. A zatem testowana opinia może być popranym uzasadnieniem”, dla (2): „jeśli implikacja jest możliwa, wówczas testowana opinia może być poprawnym uzasadnieniem. Implikacja jest prawdziwa. A zatem testowana opinia może być poprawnym uzasadnieniem”. Test ten nie daje pewności, ale eliminuje niektóre opcje i może prowadzić do ograniczenia „kandydatów” na poprawne uzasadnienie do jednej opcji. Test ten wymaga też oczywiście pewnej dodatkowej wiedzy oraz informacji wyprowadzonych z obrazka. Krok pierwszy przebiega następująco: • Dla A: jeśli synapsa jest elektryczna, czy konieczne jest, że czynnikiem powodującym przekazanie sygnału pomiędzy komórkami jest impuls elektryczny? Tak, jest to konieczne, bez impulsu elektrycznego nie będzie żadnego sygnału elektrycznego. 62 NAUKA Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 W tym przypadku wymagania ogólne podstawy programowej przypisane do tego zadania związane są zarówno z wiedzą („Poznanie świata organizmów na różnych poziomach organizacji życia. Uczeń przedstawia i wyjaśnia procesy i zjawiska biologiczne. Uczeń przedstawia i wyjaśnia zależności między organizmem a środowiskiem”), jak i z umiejętnościami związanymi z rozumowaniem („Rozumowanie i argumentacja. Uczeń wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe, formułuje wnioski”). Jak słusznie wskazał autor komentarza do tego zadania, sprawdza ono nie tylko wiedzę ucznia na temat osmozy, lecz także to, czy potrafi ją wykorzystać do opisu zjawisk, oczywiście pod warunkiem, że wcześniej nie uczył się o szczególnych przypadkach i problemach przedstawionych w tym zadaniu. Zadanie to umożliwia (i jest to wręcz rekomendowane) oparcie się na pewnej ograniczonej wiedzy i wydedukowanie reszty informacji. Uczeń powinien wiedzieć: 1) czy jest osmoza, 2) co to znaczy „hipertoniczny”, 3) to, że zarówno korzeń, jak i pantofelek gromadzą wodę poprzez osmozę. Pozostałe informacje potrzebne do rozwiązania tego zadania można uzyskać w drodze rozumowania. Jeśli student to prowadzić do rozerwania komórki”. Dla pytania 4 uczeń wybiera więc odpowiedź B. • „Albo organizm przedstawiony na schemacie I jest zagrożony rozerwaniem komórki z powodu zbyt dużej ilości wody, albo organizm przedstawiony na schemacie II jest zagrożony rozerwaniem komórki z powodu zbyt dużej ilości wody. Organizm na schemacie I nie jest zagrożony rozerwaniem komórki z powodu zbyt dużej ilości wody (przekazuje ją do innych komórek). A zatem organizm na schemacie II jest zagrożony rozerwaniem komórki z powodu zbyt dużej ilości wody”. Dla pytania 3 uczeń wybiera więc odpowiedź B. Jak widać, w ostatnim przypadku użyto schematu dedukcji opartego na alternatywie, zaprezentowanego w pierwszym rozdziale: p ˅ q, ¬p, a zatem: q. Wszystkie pozostałe przypadki oparte są na czystym modus ponens: p → q, p, a zatem: q. Z formalnego punktu widzenia wszystkie te przypadki rozumowania są doskonale poprawne. Zauważmy też, że dla pytania 4 sformułowano rozumowanie zarazem dwustopniowe i analizujące wiele opcji. Pierwszy krok dostarczył przesłankę dla drugiego kroku, w ramach którego przetestowano trzy opcje. Należy również zastrzec, że zaprezentowane powyżej formuły są jedynie skutkiem rozważań i ostateczną drogą prowadzącą do poprawnych rozwiązań. Aby ich użyć, uczeń musi wcześniej zadać sobie pytania badawcze, takie jak: Jaka jest relacja pomiędzy zasoleniem środowiska i rosnącą ilością wody? Co może się stać z komórką korzenia, gdy przyjmować będzie coraz więcej wody, a co w takiej samej sytuacji w przypadku pantofelka? Następnie może on zebrać odpowiedzi na te pytania i sformułować „prawa” (które w wymaganiach podstaw programowej przypisanych do tego zadania określono jako wyjaśnianie zależności przyczynowo-skutkowych). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Zadanie 2: Korzeń i pantofelek wie (1), (2) i (3), to zna kierunek przepływu wody na przedstawionych obrazkach i wie, że przepływa ona do środowiska hipertonicznego. Komentator krok po kroku pokazuje, jak uczeń może na tej podstawie wydedukować nowe informacje, jedna po drugiej, aby ostatecznie podać poprawne odpowiedzi. Nie warto tu tego powtarzać. Wystarczy może sformułować kolejne kroki rozumowania, aby wykazać, że są one logicznie poprawne: • „Jeśli woda na schemacie I płynie z B do A, to A jest obszarem hipertonicznym. Prawdą jest, że woda na diagramie I płynie z B do A. A zatem: A jest obszarem hipertonicznym”. Dla pytania 1 uczeń wybiera więc odpowiedź A. • „Jeśli na schemacie II przepływ wody spowodowany jest przez osmozę, to jest on skierowany od B do A. Zakłada się, że na schemacie II przepływ wody jest spowodowany przez osmozę. A zatem: skierowany on jest od B do A”. Dla pytania 2 uczeń wybiera odpowiedź B. • „Jeśli odnotujemy zachodzenie osmozy bez żadnego dodatkowego systemu równoważącego osmozę, to w obszarze, do którego napływa woda, jest coraz więcej wody. Zakładamy, że odnotowujemy zachodzenie osmozy bez takiego systemu. A zatem: w obszarze tym jest coraz więcej wody. • „Jeśli w komórce jest coraz więcej wody, należy wykluczyć odwodnienie (które jest zjawiskiem wprost przeciwnym, co wynika z sensu pojęć). A zatem: odwodnienie jest wykluczone”. • „Jeśli w komórce jest coraz więcej wody, należy wykluczyć zbytnie zasolenie cytoplazmy. A zatem: zbytnie zasolenie cytoplazmy należy wykluczyć (napływ czystej wody spowoduje raczej, że cytoplazma stanie się rzadsza)”. • „Jeśli w komórce jest coraz więcej wody, to może to prowadzić do rozerwania komórki. A zatem: może wersja PL SZKOŁA 1.Zadanie to zakłada nie tylko argumentowanie (w części drugiej), lecz także pewne rozumowanie (w części pierwszej), chociaż komentator nie zwrócił na to uwagi. 2. W świetle komentarza do zadania wydaje się, że ma ono na celu sprawdzać raczej pewną wiedzę o synapsach niż umiejętności związane z rozumowaniem. 3.Zadanie to może sprawdzać zaawansowane umiejętności związane z rozumowaniem w niesprzyjających warunkach u uczniów, którzy nie mają wiedzy na temat różnic między dwoma rodzajami synaps. 63 KRÓTKO Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 64 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 znają budowy orzęska oraz sposobów jego funkcjonowania, może zainteresować np. to, w jaki sposób równoważy on ilość wody, aby uniknąć rozerwania. W ten sposób może to być dobra inspiracja do dalszych biologicznych „poszukiwań”. Do zadania tego przypisano dwa wymagania ogólne, oba dotyczące umiejętności związanych z rozumowaniem i argumentacją: „Rozumowanie i argumentacja. Uczeń objaśnia i komentuje informacje”, „Rozumowanie i argumentacja. Uczeń odnosi się krytycznie do przedstawionych informacji”. Zadanie 3: Drapieżnik i jego ofiara7 Na pewnej tropikalnej wyspie żyją cztery gatunki drapieżników, z których każdy żeruje wyłącznie na jednym gatunku ofiary (każdy na innym). Poniższe wykresy przedstawiają współzmienności liczebności populacji tych czterech drapieżników i ich ofiar. Jeden z wykresów ilustruje błędne dane. Wskaż błędny wykres i uzasadnij swój wybór. Wykresy współzmienności liczebności populacji 4 różnych drapieżników i ich ofiar (jeden błędny). Źródło: opracowanie własne na podstawie wykresu z wikimedia.org (1) Błędny jest wykres: A), B), C), D) (2) ponieważ: A) wynika z niego, że wymierają obie populacje. B) zmiany liczebności obu populacji nie zależą od siebie liniowo. C) liczebność drapieżnika jest zbyt mała, by zachwiać liczebnością ofiary. D)najwięcej ofiar występuje dokładnie wtedy, gdy jest najwięcej drapieżników. E) przy przedstawionej liczebności ofiar powinno być znacznie więcej drapieżników. 7 URL: http://bnd.ibe.edu.pl/tool-page/799 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Zadanie 3: Drapieżnik i jego ofiara SZKOŁA go na podstawowej wiedzy i wyciągnięcie właściwego wniosku. Z wyjątkiem ostatniego, wszystkie kolejne rozumowania oparte są na schemacie modus ponens. 3.Zadanie to nie tylko sprawdza umiejętności związane z rozumowaniem, lecz także może być użyteczne do rozwijania u uczniów procesu stawiania pytań badawczych, formułowania „praw” oraz poprawnego wyciągania wniosków. 4.Zadanie to pokazuje też, jak wiele można w biologii wydedukować na podstawie podstawowej wiedzy. Ponadto, dzięki temu uczniów, którzy nie wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Na tej podstawie można wyciągnąć następujące wnioski: 1.Tym razem komentator słusznie zauważył i docenił możliwości tego zadania w zakresie rozumowania w naukach przyrodniczych i właściwie przypisał do niego wymaganie z podstawy programowej „Rozumowanie i argumentacja. Uczeń wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe, formułuje wnioski”. Zadanie to faktycznie zachęca do myślenia i przeprowadzania rozumowań. 2.Dla każdego z pytań możliwe jest przeprowadzenie poprawnego rozumowania dedukcyjnego oparte- wersja PL (3) Wreszcie, może on pomyśleć o rozsądnym modelu, który pasuje do wykresu B lub przynajmniej pokazuje, że sytuacja sugerowana w odpowiedzi D (która zgodnie z zamiarem autora zadania jest prawdziwa) w drugiej części zadania – jest możliwa. Na przykład: zarówno ofiary, jak i drapieżnicy mogą żyć bardzo długo, ale rozmnażają się bardzo szybko, jeśli chcą, to nawet w ciągu jednego dnia mogą spłodzić i urodzić nowego potomka; jeśli drapieżnik nic nie zje jednego dnia, to umiera; jeśli zje za mało, nie jest w stanie polować; powinien zjeść 3-4 ofiar dziennie; jeśli drapieżników jest więcej, ofiary nie mogą się rozmnażać tak, jak by to mogły robić w innych warunkach, ponieważ muszą się bronić lub uciekać; drapieżnicy przestają się rozmnażać, jeśli widzą, że jest za mało ofiar; gdy ofiary się rozmnażają, drapieżnicy polują, ale nie każdemu się udaje coś upolować. Sytuację obrazującą zmiany w liczebności danego dnia w stosunku do dnia poprzedniego można uogólnić poprzez następujące równania: • Liczba ofiar:x n+1 = x n + an+1 – cn+1 • Liczba drapieżników:y n+1 = y n + bn+1 – dn+1 gdzie: x n – liczba ofiar w dniu n, y n – liczba drapieżników w dniu n, an – liczba ofiar urodzonych w dniu n, bn – liczba drapieżników urodzonych w dniu n, cn – liczba ofiar zjedzonych w dniu n, dn – liczba drapieżników zmarłych w dniu n. A zatem, danego dnia do liczby jednostek z dnia poprzedniego dodajemy liczbę właśnie urodzonych jednostek i odejmujemy liczbę właśnie zmarłych (lub zjedzonych). Możemy sobie wyobrazić następujący przykład zmian w liczbie ofiar i drapieżników: Dzień 1 2 3 4 5 Ofiary x1 = 100 x2 = x1 + 60 – 40 = 120 x3 = x2 + 40 -100 = 60 x4 = x3 – 20 = 40 x5 = x4 + 60 = 100 Drapieżniki y1 = 10 y2 = y1 + 30 = 40 y3 = y2 – 10 = 30 y4 = y3 – 25 = 5 y5 = y4 + 5 = 10 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Na tej podstawieni uczeń powinien zaznaczyć odpowiedź B w pierwszej części, a w drugiej części wybrać odpowiedź D, która wprost odnosi się do postulatu co do przesunięcia między tendencjami. A jednak, odpowiedzi te mogą nie wydawać się aż tak oczywiste, jak by tego chciał komentator. Uczeń, który nie zna prawa przedstawionego powyżej będzie po prostu analizował wykresy i wyobrażał sobie możliwe relacje. Aby wykluczyć B, powinien być pewny, że sytuacja taka jest niemożliwa dla każdego przypadku, który może sobie wyobrazić. A zatem, jeśli znajdzie przypadek, który falsyfikuje twierdzenie, że taka sytuacja jest niemożliwa, może on twierdzić, że teoretycznie wykres ten może być poprawny. Można rozważyć następujące sytuacje. (1) Kreatywny uczeń może pomyśleć np. o populacji inteligentnych drapieżników, które stosują naturalne sposoby kontroli urodzin i charakteryzują się krótszym okresem ciąży niż ich ofiary. Drapieżnicy tacy będą obserwować potomstwo ofiar (a nawet liczbę aktualnych ciąż lub ich aktywność seksualną) i regulować swoje zapłodnienia na podstawie zbioru takich informacji. Hipotetycznie możliwe jest więc, że nie będzie przesunięcia pomiędzy tendencjami, ponieważ tendencja u ofiar będzie przewidywana przez mądrych drapieżników, które będą odpowiednio reagowały i: 1) nie będą się gwałtownie rozmnażały, gdy przewidywać będą spadek liczby ofiar, 2) będę rozmnażały się gwałtowniej, gdy będą przewidywały wzrost tej liczby. (2) Uczeń taki może też wymyślić jeszcze prostszy przypadek, w którym sprytne ofiary reagują na wzrastającą liczbę drapieżników i rozmnażają się gwałtowniej; ale gdy zaobserwują, że wzrost drapieżników staje się wolniejszy lub się zatrzymuje, zaprzestają tak gwałtownej reprodukcji. wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA Zadanie to wydaje się bardzo ciekawe i jasno widać, że wymaga ono wiele myślenia i głębokiej analizy. Autor komentarza do tego zadania precyzyjnie wskazuje „prawo”, które odpowiada za relacje występujące pomiędzy liczebnością populacji drapieżników i liczebnością populacji ofiar oraz wyjaśnia, dlaczego trzy wykresy są akceptowalne, a jeden – nie. Podkreśla nawet, że dodatkową zaletą zadania jest „niekonwencjonalność” ostatniego wykresu, który odnosi się do rzadkiej sytuacji, w której obie populacje wymierają. Pomimo to, samą ideę zadania można jednak uznać za konwencjonalną. Komentator przedstawia następujące prawo natury, które rządzi relacją między liczebnością populacji drapieżnika i liczebnością populacji jego ofiary, w przypadku gdy drapieżnik żywi się tylko przedstawicielami jednego gatunku: wzrost liczebności populacji ofiary po jakimś czasie powoduje wzrost liczebności populacji drapieżnika, co następnie, po jakimś czasie, powoduje spadek liczebności populacji ofiary, co – znów po jakimś czasie – powoduje spadek liczebności populacji drapieżnika. Co więcej, dla komentatora prawo to ma pewną ważną cechę: musi upłynąć pewien czas pomiędzy przyczyną i skutkiem, więc pomiędzy występującymi tu tendencjami musi istnieć pewne przesunięcie. Jeśli podąży się za tą ideą, właściwe rozumowanie powinno przedstawiać się następująco: „Jeśli wykres przedstawia takie przesunięcie, wówczas prawo działa dla sytuacji przedstawionej na wykresie. Jeśli prawo działa dla sytuacji przedstawionej na wykresie, to wykres jest poprawny”. Jednocześnie może on sformułować bliźniacze (ale nie wydedukowane z poprzedniego) rozumowanie, które może wyłączyć pewne ewentualności: „Jeśli wykres nie przedstawia takiego przesunięcia, wówczas prawo nie działa w sytuacji przedstawionej na wykresie. Jeśli prawo nie działa dla sytuacji przedstawionej na wykresie, wówczas wykres jest niepoprawny”. wersja PL KRÓTKO 65 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 a nawet metody naukowej. Zamyka ono to zadanie na zadawanie pytań oraz wymyślanie specjalnych, niekonwencjonalnych modeli, a także skłania do apriorycznego sposobu odkrywania praw natury. 3.Zadania tego nie należy podawać na sprawdzianach. Komentator lub osoby, które opublikowały zadanie, słusznie opatrzyli to zadanie informacją „Sugerowane przeznaczenie Praca na lekcji”. Umożliwia to uniknięcie niesłusznego oceniania uczniów oraz otwarcie tego zamkniętego zadania na dyskusję oraz wolną interpretację. 4.Zadanie to może być bardzo inspirującym punktem wyjścia do dyskusji o zależnościach między liczebnością ofiar i liczebnością drapieżników oraz do dalszych badań empirycznych (choć w ramach nauczania szkolnego wydawać się to może niemożliwe). Jednym z wyników takiej dyskusji może być wniosek, że istnieje tendencja związana z przesunięciem pomiędzy „falami” (co jest jasno widoczne na wykresach A i C), która w wielu przypadkach może zostać uogólniona jako prawo, jednak tendencja ta nie powinna być traktowana jako prawo absolutne. NAUKA tycznie do przedstawionych informacji”. W tym świetle uczeń nie powinien być w żaden sposób ograniczany, jeśli chodzi o możliwość stawiania pytań, jako że jest to podstawa krytycznego myślenia. Tymczasem autor i komentator zadania zdają się forsować tylko jedną standardową interpretację i tym samym są oni właśnie „konwencjonalni”. Oczywiście warto inspirować uczniów do przemyśleń nad zależnościami między liczebnością ofiar i drapieżników oraz odkrywać pewne ogólne reguły zaprezentowane przez komentatora. Jednak nie powinny być one prezentowane jako reguły absolutne, zwłaszcza gdy zdają się one wyprowadzone a priori. Byłoby to akceptowalne jedynie w przypadku modelu matematycznego, w którym założyłoby się stały wskaźnik urodzeń. Co więcej, analiza tych wykresów powinna być raczej punktem wyjścia do badań empirycznych. Uczeń powinien wiedzieć, że prawo podane przez komentatora to tylko hipoteza, którą należałoby sprawdzić w praktyce. Do tego, powinien on mieć świadomość, że – zgodnie z teorią Poppera – kolejne przypadki potwierdzające takie prawo nie gwarantują jego zupełnej pewności, lecz tylko uprawdopodabniają, „korroborują” tę hipotezę. Na podstawie powyższych rozważań dotyczących tego zadania można przedstawić następujące wnioski: 1.Bez wątpienia zadanie to wymaga rozumowania. Jeśli podążymy za intencją autora i komentatora zadania, powinniśmy zgodzić się, że uczeń powinien odkryć pewne prawo i na jego podstawie wykluczyć jedną z opcji, a następnie uzasadnić swoją decyzję, wybierając wyjaśnienie, które ma sens i odnosi się do odkrytego prawa. 2.Chociaż do tego zadania przypisano wymaganie ogólne z podstawy programowej „Uczeń odnosi się krytycznie do przedstawionych informacji”, w rzeczywistości podejście autora i komentatora wydaje się sprzeciwiać idei krytycznego myślenia, wersją referencyjną jest wersja EN Podsumowanie Należy docenić, że polska podstawa programowa dla przedmiotów przyrodniczych na IV etapie edukacyjnym zawiera wymagania odnoszące się do rozumowania. Aby spełnić te oczekiwania, nauczyciele powinni zapewnić uczniom podstawową wiedzę o rodzajach rozumowań oraz ich stosowaniu w ramach procedur naukowych, a także ćwiczyć z nimi umiejętności rozpoznawania poszczególnych typów rozumowań i ich stosowania (np. w zakresie planowania eksperymentu). Dobrze zaprojektowane zadania mogą być bardzo pomocne w osiąganiu tego celu. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Wszystkie trzy omówione wyżej przypadki dostarczają możliwego wyjaśnienia dla pominięcia wspomnianego przesunięcia, które jest obecne w standardowej relacji między liczebnością ofiary i liczebnością drapieżnika. Ponadto, dla kreatywnego ucznia wykres D może być podejrzany. Uczeń taki może pytać, czy jest możliwe, że przez długi czas liczebność drapieżnika i ofiary jest w miarę stała, lecz nagle liczba ofiar gwałtownie spada? Może on zakładać, że wystąpiły jakieś czynniki zewnętrzne (niezwiązane z populacją drapieżnika), które spowodowały ten spadek. Jeśli tak, to ma on prawo założyć, że w każdej sytuacji przedstawionej na wykresach może wystąpić taki czynnik. Wówczas może on wymyślić wiele dodatkowych czynników, które wyjaśnią brak przesunięcia na wykresie B. Co więcej, może on zauważyć, że nie jest sprzeczne z założeniami zadania przyjęcie możliwości, że ofiara występująca na wyspie jest zarazem drapieżnikiem, który żywi się jakąś inną ofiarą. Liczebność takiej ofiary-drapieżcy będzie zależała zarazem od liczebności jej ofiary oraz od liczebności żywiącego się nią drapieżnika. Uczeń może się więc zastanawiać, czy istnieją funkcje, które mogłyby opisać taką zależność i ostatecznie podać jako wynik to, co przedstawiono na wykresie B. Przedstawione powyżej możliwości ujawniają, że kreatywny uczeń może mieć wiele pytań do tego zadania. Jeśli je ma, może wybrać jedną z dwóch opcji. Może się poddać i dopasować do intencji autora zadania (może odgadnąć tę intencję lub po prostu wiedzieć, że wykres B uznaje się za niepoprawny) lub „walczyć”: wówczas np. nie zaznacza żadnej odpowiedzi i pisze obok, że wszystkie wykresy mogą być poprawne, pomimo że formalnie nie ma miejsca na taką dodatkową odpowiedź czy dodatkowe uzasadnienie. Przypomnijmy, że jedno z wymagań ogólnych przypisanych do tego zadania brzmi: „Uczeń odnosi się kry- wersja PL SZKOŁA 66 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Rozumowania w naukach przyrodniczych na tle zadań szkolnych | Marcin Trepczyński | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 ce stwierdzenia: „Żaba jest płazem z jednym płucem”, „Każda z tych pięciu żab ma tylko jedno płuco” i inne. Można by też wymyślić inne pytania, np. dotyczące kolejnych kroków (obserwacja, eksperyment), które można podjąć, by ustalić, jak daleko idąca generalizacja dotycząca żab jest możliwa z metodologicznego punktu widzenia. Sądzę, że praca taka byłaby bardzo wartościowa. wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN W: Podstawa programowa z komentarzami. Tom 5. Edukacja przyrodnicza w szkole podstawowej, gimnazjum i liceum przyroda, geografia, biologia, chemia, fizyka. Warszawa: Ministerstwo Edukacji Narodowej. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Bocheński JM (1965, 2012), The Methods of Contemporary Thought. Springer. Kłos E, Bukowska D, Polańska E, Kowalczyk P (2008). Komentarz do podstawy programowej przedmiotu przyroda w szkole podstawowej. W: Podstawa programowa z komentarzami. Tom 5. Edukacja przyrodnicza w szkole podstawowej, gimnazjum i liceum przyroda, geografia, biologia, chemia, fizyka. Warszawa: Ministerstwo Edukacji Narodowej. Grajkowski W (2013). Opinie nauczycieli, dyrektorów szkół i uczniów na temat nauczania blokowego przedmiotów przyrodniczych w gimnazjum. Edukacja, 1(121): 89–98. John Stuart Mill (1843). A System of Logic. Vol. 1. Nayak BL (2009). Why learn research methodology? Indian J Ophthalmol. May-Jun; 57(3): 173–174. Ostrowska EB, Spalik K (2015). Laboratorium myślenia. Diagnoza nauczania przedmiotów przyrodniczych w Polsce 2011–2014. Warszawa: Instytut Badań Edukacyjnych. Popper, K (1935; 2005). The Logic of Scientific Discovery. London: Routledge. Quine WVO (1951). Main Trends in Recent Philosophy: Two Dogmas of Empiricism. The Philosophical Review, 1(60):20-43 van Riel R, Van Gulick R (2016). Scientific Reduction. W: Zalta EN (red.). The Stanford Encyclopedia of Philosophy. URL: http://plato. stanford.edu/archives/spr2016/entries/scientific-reduction Spalik K, Jagiełło M, Skirmuntt G, Kofta W (2008). Komentarz do podstawy programowej przedmiotu biologia, 1. Gimnazjum – III etap edukacyjny. W: Podstawa programowa z komentarzami. Tom 5. Edukacja przyrodnicza w szkole podstawowej, gimnazjum i liceum przyroda, geografia, biologia, chemia, fizyka. Warszawa: Ministerstwo Edukacji Narodowej. Szkurłat E (2008). Geografia w gimnazjum. W: Czerny M, Szkurłat E. Komentarz do podstawy programowej przedmiotu geografia. NAUKA Literatura KRÓTKO W Bazie Dobrych Praktyk IBE istnieje około 50 ciekawych, dobrze zaprojektowanych i często standaryzowanych zadań, które odnoszą się do rozumowania i argumentacji. Mogą być one bardzo przydatne w ćwiczeniu rozumowania, jak to wynika przynajmniej z powyższej analizy, choć zdarza się, że ich autorzy i komentatorzy zdają się nie dostrzegać całego ich logicznego potencjału. Niektóre z tych zadań mogą być też inspiracją do krytycznego myślenia na zaawansowanym poziomie. Ścieżki, które prowadzą do właściwych rozwiązań tych zadań zakładają przeprowadzenie przynajmniej prostych rozumowań. Zarazem jednak zadania te często mają na celu sprawdzenie określonej wiedzy i z tego powodu nie koncentrują się bardzo na samym rozumowaniu, w tym na mocy i poprawności poszczególnych rodzajów rozumowań. Żadne z nich nie odwołuje się do różnicy pomiędzy rozumowaniami dedukcyjnymi a rozumowaniami redukcyjnymi ani pomiędzy zawodnymi a niezawodnymi rodzajami indukcji. Aby z powodzeniem nauczyć i wyćwiczyć uczniów w zakresie poprawnego rozumowania w naukach przyrodniczych, powinno się stworzyć więcej zadań, a następnie wdrożyć je do nauczania szkolnego. W takich nowych zadaniach do właściwej odpowiedzi powinno prowadzić świadomie wybrane przez ucznia rozumowanie. Zadania te powinny też uzupełnić lukę w zakresie używania różnych rodzajów indukcji, rozpoznawania rozumowań redukcyjnych oraz wskazywania konsekwencji stosowania takich narzędzi myślenia w określonych sytuacjach. Uczeń mógłby być na przykład poproszony o wskazanie stwierdzeń na temat żaby, które można niezawodnie wywnioskować z pięciu obrazów przedstawiających przekroje pięciu żab. Wszystkie te żaby miałyby niestandardową cechę w postaci posiadania tylko jednego płuca. Mogłyby to być następują- 67 Natalia Bartoszek, Eliza Rybska Streszczenie: Celem badań było wykazanie związku między środowiskiem życia dziecka a kształtowaniem się jego wiedzy osobistej na temat zwierząt gospodarskich i domowych. Grupę 93 uczniów klas 1–3 szkoły podstawowej poproszono o wykonanie jednego z dwóch rysunków: „Zwierzęta domowe” lub „Zwierzęta gospodarskie”. 69 uczniów klas 4–6 wypełniło ankietę sprawdzającą ich wiedzę i skojarzenia na temat tychże zwierząt. Ankietowani pochodzili z terenu miejskiego (miasto Poznań) lub wiejskiego (gmina Gołańcz w województwie wielkopolskim). Ankiety i rysunki poddano analizie ilościowej i jakościowej. Otrzymane wyniki wskazują na istnienie pewnych różnic w wiedzy osobistej i sposobach jej komunikowania przez dzieci z różnych środowisk: odpowiedzi ankietowanych otrzymano: 25.11.2015; przyjęto: 18.02.2016; opublikowano: 1.04.2016 Natalia Bartoszek: Wydziałowa Pracownia Dydaktyki Biologii i Przyrody, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu dr Eliza Rybska: Wydziałowa Pracownia Dydaktyki Biologii i Przyrody, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu z terenów wiejskich były bardziej konkretne, charakteryzujące się praktycznym podejściem do tematu zwierząt gospodarskich i domowych, natomiast dzieci z miast zwracały większą uwagę na względy estetyczne i emocjonalne. Badania wskazują również na możliwość istnienia związku między tym, jak często uczniowie widują dane zwierzę na żywo, a liczbą poprawnych informacji, jakie potrafią o nim podać. Dodatkowym walorem pracy jest ukazanie możliwości zastosowania rysunku jako narzędzia diagnozowania wiedzy przyrodniczej uczniów. Słowa kluczowe: wiedza, wiedza osobista, środowisko życia, zwierzęta domowe, zwierzęta gospodarskie Wstęp Zagadnienia wiedzy i poznania są tematem rozważań już od starożytności. Można przytoczyć tu choćby rozważania Platona na temat wiedzy. Miał on ją ujmować jako prawdziwe, uzasadnione przekonanie (za: Witwicki, 2002). Dominującym obecnie paradygmatem w pedagogice, a zatem i w edukacji, jest konstruktywizm. Mimo, że jest on głównie odczytywany jako teoria wiedzy i poznania, a zatem teoria uczenia się, EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Wpływ środowiska życia ucznia na kształtowanie się jego wiedzy na temat zwierząt gospodarskich i domowych. Analiza rysunków i ankiet uczniów szkół podstawowych często jest wplatany do teorii nauczania i stanowi ich „rusztowanie” (Michalak, 2011). Za twórców, którzy – choć nie pracowali razem – istotnie przyczynili się do rozwoju tej teorii (w odwołaniu do koncepcji rozwoju poznawczego) uważa się J. Piageta, L.S. Wygotskiego i J. Brunera. W myśl konstruktywizmu, wiedza zdobyta w wyniku własnej aktywności staje się osobista, znacząca i trwała (Rosalska i Zamorska 2002, s. 85). Ponadto zakłada się w odniesieniu do pojęć potocznych Wygotskiego, że każdy uczeń ma bogatą wiedzę wstępną zdobytą w kontakcie z najbliższymi, społeczeństwem, przyrodą i środkami masowego przekazu. Każdy uczeń tworzy swoją wiedzę indywidualnie, zaś sam proces uczenia się i nauczania zależy od posiadanej wiedzy i wyobrażeń dziecka (Śniadek 1997, s. 43-46). Według Klus-Stańskiej (2000) wiedza to zarówno konstrukt społeczny utożsamiany z nauką, jak i indywidualny konstrukt myślowy. Stąd też „wiedzieć” znaczyć będzie, zdaniem Klus-Stańskiej, zarówno „doświadczać”, „być nauczonym”, „posiadać informacje”, jak również „rozumieć”. Wielu autorów dokonywało już podziałów typów wiedzy, niemniej jednak z punktu widzenia procesów dydaktycznych istotne jest zagadnienie wiedzy potocznej czy wiedzy osobistej. Najprostsza definicja wiedzy potocznej określa ją jako tę wiedzę, którą posługujemy się w życiu codziennym (Szydłowski, 1991). Bywa ona czasem utożsamiana z osobistym doświadczeniem dziecka, nazwanego w tym kontekście „badaczem z ulicy” (Majcher i Suska-Wróbel, 2005). Wiedza potoczna uważana jest za fundamentalną życiowo, trwałą i najpowszechniejszą, a mimo to, przez swoje słabe usystematyzowane i nienaukowy charakter, bywa obarczona błędami, co może alarmująco zmniejszyć skuteczność nauczania (Szydłowski, 1991). Choć błędy w wiedzy potocznej są zjawiskiem powszechnym, w ich powtarzalności i typowości można doszukać się szansy ich skutecznej eliminacji. Skoro istnieją błędy wersja PL SZKOŁA Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? 68 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Oloumi ze współpracownikami (2011) odnotowali, że zajęcia prowadzone w środowisku naturalnym pomagają rozwijać zdolność komunikacji, pracy w zespole i samodyscypliny. W przeprowadzonych na szeroką skalę badaniach wpływu lokalizacji szkoły na nauczanie Randhawa i Michayluk (1975) stwierdzili wyraźne różnice w wyposażeniu i atmosferze panującej w klasach zlokalizowanych w środowiskach miejskich i wiejskich, z wyraźną przewagą na korzyść tych pierwszych. Wpływ środowiska na konstruowanie wiedzy osobistej, a także osobowości dziecka, może więc być różny, jednak z całą pewnością odgrywa on istotną rolę podczas rozwoju człowieka. Sama nauka, odpowiadająca angielskiej science, oraz edukacja przyrodnicza (science education) są wytworem kulturowym i elementem kulturowego dziedzictwa (Osborne i Dillon, 2008). Już w 1981 roku Maddock zwracał uwagę na to, że science i science education tworzą przynajmniej część szerszej kultury społeczeństw i że względy dydaktyczne edukacji przyrodniczej powinny być rozpatrywane z szerokiej perspektywy, w tym z perspektywy społecznej (Maddock, 1981). Nauka i edukacja przyrodnicza są o tyle ważne i fascynujące, że pozwalają nam wyjaśniać otaczający świat i go interpretować. Ponadto rozwój nauki i jej osiągnięcia sprawiają, że jest ona użyteczna dla rozwiązywania wielu problemów, przed którymi stają liczne społeczeństwa (Osborne i Dillon, 2008). Nauka ma oczywiście swoje ograniczenia. Einstein miał powiedzieć, że „Cała nasza nauka, w porównaniu z rzeczywistością, jest prymitywna i dziecinna, ale nadal jest to najcenniejsza rzecz, jaką posiadamy”. Celem niniejszej pracy była wstępna diagnoza wiedzy dzieci na temat zwierząt gospodarskich i domowych oraz zbadanie, czy środowisko życia ucznia (wiejskie lub miejskie) ma wpływ na zasób jego wiedzy osobistej na temat tychże organizmów. Ze względu na ogranicze- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA dydaktycznej, oprócz testów osiągnięć szkolnych, najczęściej używanymi narzędziami są wywiady indywidualne, ankiety, kwestionariusze czy obserwacje (m.in. Treagust, 2012; Mintzes i wsp., 2005). W ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem cieszą się także metody oparte na wykorzystaniu rysunku jako narzędzia diagnozy koncepcji, jak i wiedzy osobistej uczniów (Barraza, 1999; Reiss i Tunniciffe, 2001; Ehrlén, 2009). Bogactwo otoczenia jest szczególnie istotne, jeśli mowa o zdobywaniu wiedzy przyrodniczej, czyli dotyczącej praktycznie wszystkiego, co znajduje się wokół nas. Choć niektórzy utrzymują, że dzieci mogą posiąść wiedzę przyrodniczą, nigdy bezpośrednio nie obcując z obiektem zainteresowania (Godley, 2008), to jednak istnieje niekwestionowana różnica pomiędzy taką wiedzą a wiedzą płynącą z osobistego doświadczenia natury. Obcowanie z naturą może zaowocować wzrostem świadomości uczniów, kształtowaniem postaw pozytywnych względem środowiska przyrodniczego (Ürey i wsp., 2009). Dzieci ze środowisk wiejskich zatem powinny być bardziej świadome zależności panujących w otaczającym je świecie organizmów żywych niż ich rówieśnicy z miasta. Aby sprawdzić powyższe przypuszczenie, przeprowadzono badania, których wyniki zostały omówione w dalszej części tego artykułu. O ile samo pochodzenie nie jest kluczowym czynnikiem wpływającym na kształtowanie wiedzy w umysłach młodych ludzi, to jeśli weźmiemy pod uwagę środowisko życia jako całość, możemy już dopatrzeć się istotnego związku. Wielu badaczy potwierdziło wpływ środowiska życia lub środowiska zajęć na uczenie się, a nawet zachowanie ucznia (Abbas i Othman, 2011; Ürey i wsp., 2009; Oloumi i wsp., 2011; Mirrahimi, 2011). Według Abbas i Othman (2011) dzieci uczęszczające do przedszkoli położonych poza obszarem miejskim częściej brały udział w kłótniach, były mniej towarzyskie i niechętnie współpracowały. Z kolei wersja PL SZKOŁA popełniane przez większość uczniów, „można szukać dróg naprawy sytuacji, dróg wspólnych dla dużych grup uczniów, a może dla całej szkoły. (…) Można tak pokierować procesem nauczania, by usunąć przyczyny tworzenia się lub utrwalania błędów lub skutecznie eliminować już istniejące” (Szydłowski, 1991). W tym kontekście wiedza osobista byłaby złożona z konstruktów myślowych jednostki, powstałych w wyniku doświadczeń jednostki, co nie oznacza dokładnego odzwierciedlenia rzeczywistości, a jedynie jej interpretację, swoiste przekształcenie przez posiadane już osobiste zasoby informacji. Jak podają Klus-Stańska i Nowicka, do owego osobistego konstruktu myślowego (czyli szeroko rozumianej wiedzy) dochodzi się indywidualnie, poprzez własne doświadczenia, poprzez negocjowanie znaczeń z innymi osobami lub mentalnie oswojoną wiedzę publiczną (Klus-Stańska i Nowicka, 2005, s. 127). Szczególnie istotne powinno być zatem nabycie umiejętności diagnozowania wiedzy osobistej uczniów przez nauczycieli. Diagnozowanie cech uczniów, efektów ich pracy czy diagnozowanie cech środowiska rodzinnego uczniów jest jednym z głównych celów w procesie aktywności poznawczej nauczyciela. Kolejnym celem jest wyjaśnianie przyczyn i uwarunkowań nie tylko zachowań uczniów, lecz także efektów procesu dydaktyczno-wychowawczego (Palka, 2011). Analiza odpowiedzi uczniowskich, w tym popełnianych przez nich błędów, jest nie tylko ważnym narzędziem dydaktyk szczegółowych, ale przede wszystkim dostarcza wielu cennych informacji o samym uczniu, o jego wiedzy i niespodziewanych efektach procesu kształcenia, czyli konstruowania wiedzy osobistej ucznia (Dąbrowski, 2011). Wśród narzędzi diagnostycznych w pedagogice wymieniane są: metoda sondażu diagnostycznego, metoda indywidualnych przypadków oraz techniki takie jak obserwacja, wywiad, ankieta, kwestionariusze czy techniki projekcyjne (Skałbania, 2011). Na potrzeby diagnozy 69 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Materiał Badania przeprowadzone zostały w pierwszej połowie 2013 roku na grupie 162 uczniów szkół podstawowych. Badaniu poddane zostały zarówno dziewczynki, jak i chłopcy. Część dzieci (86) pochodziła ze środowisk wiejskich, natomiast pozostałe (76) ze środowisk miejskich. Spośród dzieci wiejskich 11 zadeklarowało, że wychowało się w gospodarstwie rolnym. Szkoły, w których przeprowadzono badania, znajdują się na terenie miasta Poznań oraz gminy Gołańcz w województwie Wielkopolskim. Na potrzeby badania uczestników podzielono na dwie grupy: w pierwszym etapie udział wzięli tylko uczniowie klas 1–3 szkoły podstawowej (93, w tym 51 z gminy Gołańcz i 42 z miasta Poznania), w drugim natomiast uczniowie klas 4–6 (69, w tym 35 z gminy Gołańcz i 34 z miasta Poznania). Wszyscy uczestnicy, zarówno ci wykonujący rysunek, jak i wypełniający ankietę, pracowali samodzielnie w klasie szkolnej w obecności nauczyciela. Wybór uczniów ze skrajnych środowisk (duże miasto i małe wioski) był zamierzony i niezbędny do osiągnięcia odpowiedniego kontrastu, w celu zbadania rzeczywistego wpływu środowiska na zasób wiedzy osobistej dziecka. Niemniej niniejszą pracę należy traktować ra- Metody Zgromadzone w czasie badań wyniki (w postaci rysunków i wypełnionych ankiet) zostały poddane analizie ilościowej i jakościowej opisanej przez Babbie (2009). Analiza ilościowa jest stosowana do danych liczbowych. Zakłada przyjęcie większej próby badawczej oraz wyciąganie wniosków w oparciu o statystyczną analizę danych. Stosuje się w tym wypadku głównie pytania zamknięte, a wpływ osoby przeprowadzającej badania na uzyskiwane odpowiedzi jest niewielki. Analiza jakościowa, w odróżnieniu od ilościowej, opiera się przede wszystkim na interpretacji i porównywaniu odpowiedzi ankietowanych. Są to głównie odpowiedzi na pytania otwarte, udzielone na piśmie, w innej formie graficznej lub wypowiedziane i nagrane. Ze względu na czasochłonny charakter tej metody grupa badawcza jest przeważnie niewielka, za to wpływ ankietera na uzyskiwane dane znacznie większy niż w przypadku analizy ilościowej. W niniejszych badaniach wykorzystano dwie metody: analizę rysunków (jakościową i ilościową) oraz analizę ankiet (ilościową i jakościową). Metodę rysunku wykorzystano w młodszych klasach, które zaznajomione są z rysowaniem i znacznie częściej wykorzystują rysunek w praktyce szkolnej niż starsi uczniowie. Analiza rysunku jest często wykorzystywana do badania wiedzy potocznej i zawartych w niej błędów, zarówno wśród uczniów (Sözen i Bolat, 2011), jak i osób dorosłych (Broadbent i wsp., 2004). W niniejszych badaniach analiza rysunku posłużyła do zbadania wiedzy potocznej/osobistej uczniów klas 1–3 szkoły podstawowej. Aby zbadać wiedzę uczniów, zarówno na temat zwierząt gospodarskich, jak i domowych, dzieci podzielono na dwie grupy. Część z nich (21 uczniów ze środowisk miejskich i 33 ze środowisk wiejskich) otrzymało polecenie „Narysuj zwierzęta domowe i wszystko, co ci się z nimi kojarzy”, a polecenie dla drugiej grupy (21 uczniów ze środowisk miejskich i 18 ze środowisk wiejskich) brzmiało „Narysuj zwierzęta gospodarskie i wszystko, co ci się z nimi kojarzy”. Zebrany materiał poddano analizie jakościowej i ilościowej, dzięki czemu możliwe było określenie nie tylko tego, jakie zwierzęta pojawiały się na rysunkach i z jaką częstością, lecz także na jakie inne obiekty poza samymi organizmami zwracali uwagę badani uczniowie. Do oceny istotności statystycznej różnic pomiędzy analizowanymi rysunkami zastosowano dokładny test Fishera (http://www. langsrud.com/stat/fisher.htm). Do przeprowadzenia dodatkowych badań na poziomie klas 4–6 wykorzystano narzędzie w postaci ankiety. Ankieta ta, pod względem formy, jest zbliżona do testów szkolnych często przeprowadzanych na tym etapie edukacji w celu diagnozowania wiedzy uczniów. Autorzy niniejszej pracy pragną zaznaczyć, że prezentowane badania są jedynie wstępnymi danymi. W przypadku prezentowanych badań w komponencie ilościowym próba nie jest wystarczająco duża, by wyniki uznać za reprezentatywne i aby wnioskować statystycznie o szerszej grupie. Niemniej jednak wyniki badań zarówno przeprowadzonych techniką rysunku, jak i badań kwestionariuszowych wyglądają dość interesująco i są dodatkowym, ciekawym źródłem informacji o wiedzy osobistej uczniów i o zdiagnozowanych błędnych przekonaniach. Sprawdzono w ankiecie m.in. wiedzę ogólną na temat zwierząt gospodarskich (pytanie 2), po czym za pomocą testu χ2 (nieparametryczny test U Manna-Whitneya, przeprowadzony przy pomocy programu komputerowego Statistica) sprawdzono, czy różnice EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Materiał i metody czej jako przyczynek do badań niż zakrojone na szeroką skalę charakterystykę różnic międzyśrodowiskowych. Wydaje się, że problem jest wart zaangażowania większej liczby badaczy i głębszego potraktowania. wersja PL SZKOŁA nia wynikające z niereprezentatywności próby i sposobu jej doboru, wniosków płynących z poniższyh analiz nie można uogólnić na całość populacji; niniejsza praca służyć może jednak jako źródło poznanych błędnych mniemań związanych z analizowanym zagadnieniem oraz jako przykład możliwości wykorzystania zaproponowanych przez autorów metod badania wiedzy osobistej uczniów. 70 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 71 Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Rysunki stworzone na polecenie „Narysuj zwierzęta domowe i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” Zwierzę Dzieci z obszarów wiejskich Dzieci z obszarów miejskich Łącznie Liczba zwierząt na rysunkach % Liczba zwierząt na rysunkach % Liczba zwierząt na rysunkach % Kot 21 64 18 86 39 72 Ryby 19 58 14 67 33 61 Pies 17 52 14 67 31 57 Ptak 10 30 14 67 24 44 Chomik 7 21 5 24 12 22 Królik * 0 0 9 43 9 Świnka morska * 3 9 0 0 Jeż * 2 6 0 Mysz * 0 0 2 Pająk * 0 0 2 Wąż * 0 0 Żółw * 2 Jaszczurka 0 Kangur Tabela 1. Porównanie częstości pojawiania się poszczególnych zwierząt domowych na rysunkach uczniów wiejskich i miejskich klas 1–3 szkoły podstawowej Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Przy pojedynczych wskazaniach obliczenia nie były wykonywane. Rysunki stworzone na polecenie „Narysuj zwierzęta gospodarskie i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” Zwierzę Dzieci z obszarów wiejskich Dzieci z obszarów miejskich Łącznie Liczba zwierząt na rysunkach % Liczba zwierząt na rysunkach % Liczba zwierząt na rysunkach % Świnia 14 78 17 81 31 79 Owca/baran 13 72 12 57 25 64 Koń 12 67 10 48 22 56 Kura/kogut * 8 44 13 62 21 54 Krowa/byk * 6 33 12 57 18 46 17 Pies 8 44 9 43 17 44 3 6 Kot * 4 22 10 48 14 36 0 2 4 Kaczka * 9 50 3 14 12 31 10 2 4 8 44 0 0 8 21 10 2 4 Osioł * 2 11 0 0 2 5 2 10 2 4 Bażant 1 6 0 0 1 3 6 0 0 2 4 Indyk 1 6 0 0 1 3 0 1 5 1 2 Bocian 0 0 1 5 1 3 1 3 0 0 1 2 Tabela 2. Porównanie częstości pojawiania się poszczególnych zwierząt gospodarskich na rysunkach uczniów wiejskich i miejskich klas 1–3 szkoły podstawowej Królik * Gęś 0 0 1 5 1 3 Motyl 1 3 0 0 1 2 Jaszczurka 0 0 1 5 1 3 Patyczak 0 0 1 5 1 2 Koza 0 0 1 5 1 3 Wiewiórka 1 3 0 0 1 2 Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). 18 100 21 100 39 100 Łączna liczba rysunków Łączna liczba rysunków 33 100 21 100 54 100 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA W tabeli 1 przedstawiono porównanie częstości pojawiania się poszczególnych rodzajów zwierząt domowych na rysunkach dzieci klas 1–3 obu badanych środowisk. Zauważyć można, że najczęściej rysowanym zwierzęciem domowym, zarówno przez uczniów z te- renów wiejskich, jak i miejskich, był kot (łącznie 72% rysunków). Dość często pojawiały się na rysunkach obu grup również ryby (61%), pies (57%) i ptaki (44%). Niektóre zwierzęta były rysowane tylko przez uczniów z jednego z badanych środowisk. Dzieci miejskie jako zwierzę domowe wskazały królika, mysz, pająka, węża, jaszczurkę i patyczaka, czego nie zrobiło żadne z dzieci wiejskich. Odwrotnie sytuacja wygląda z jeżem, świnką morską, żółwiem, motylem, kangurem i wiewiórką. SZKOŁA Analiza rysunków uczniów klas 1–3 szkoły podstawowej wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Wyniki w odpowiedziach pomiędzy dziećmi ze środowisk wiejskich a dziećmi ze środowisk miejskich są istotne statystycznie. Pozostałe odpowiedzi były analizowane przy zastosowaniu dokładnego testu Fishera. Do analizy jakościowej pytań otwartych niezbędne było utworzenie kategorii (Babbie, 2009), a dzięki umieszczonej w ankiecie metryczce możliwe było określenie, ilu badanych wychowuje się w gospodarstwach rolnych. wersja PL 72 Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Dzieci ze środowisk wiejskich Dzieci ze środowisk miejskich Liczba rysunków % Liczba rysunków Akwarium/terrarium/klatka 19 58 Przedstawienie zwierząt we wnętrzu domu * 5 Pokarm dla zwierząt * Dzieci ze środowisk wiejskich Łącznie wersją referencyjną jest wersja EN Łącznie % % Liczba wskazań % Liczba wskazań % Liczba wskazań % 17 81 36 67 Budynki gospodarcze * 0 0 11 52 11 28 15 13 62 18 33 Świnia kąpiąca się w błocie * 0 0 6 29 6 15 12 36 5 24 17 31 Pokarm dla zwierząt * 0 0 5 24 5 13 Potomstwo * 5 28 1 5 6 Człowiek w otoczeniu zwierząt * 15 0 0 4 19 4 7 Kaczki pływające po wodzie * 0 0 3 14 3 8 Potomstwo 1 3 2 10 3 6 Pies na łańcuchu * 0 0 2 10 2 5 0 0 1 5 1 3 Zabawki dla zwierząt/sprzęt do pielęgnacji 2 6 0 0 2 4 Odgłosy wydawane przez zwierzęta Pies na łańcuchu * 2 6 0 0 2 4 Kolczykowanie zwierząt 0 0 1 5 1 3 Weterynarz 1 3 0 0 1 2 Człowiek jadący konno 0 0 1 5 1 3 Odchody 0 0 1 5 1 2 Tabela 3a. Pojawiające się na rysunkach skojarzenia uczniów klas 1-3 szkoły podstawowej związane ze zwierzętami domowymi Symbol * przy nazwie skojarzenia (elementu pojawiającego się na rysunku) oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). KRÓTKO Symbol * przy nazwie skojarzenia (elementu pojawiającego się na rysunku) oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Tabela 3b. Pojawiające się na rysunkach skojarzenia uczniów klas 1-3 szkoły podstawowej związane ze zwierzętami gospodarskimi NAUKA Skojarzenie Liczba rysunków SZKOŁA Skojarzenie Dzieci ze środowisk miejskich wersja PL Ryc. 2. Przykładowa odpowiedź ucznia ze środowiska wiejskiego na polecenie „Narysuj zwierzęta domowe i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” Ryc. 1. Przykładowa odpowiedź ucznia ze środowiska miejskiego na polecenie „Narysuj zwierzęta domowe i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” Ryc. 3. Przykładowa odpowiedź ucznia ze środowiska miejskiego na polecenie „Narysuj zwierzęta gospodarskie i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Zwierzę Zdzieci z obszarów wiejskich Dzieci z obszarów miejskich Razem liczba odpowiedzi w obu grupach Świnia 34 32 66 Krowa 35 28 63 Kura 31 32 63 Koń 18 23 41 Pies 14 17 31 Kot 11 15 26 Kaczka 13 11 24 Owca * 21 13 34 Koza 13 11 24 Gęś * 6 11 17 Zwierzę Dzieci ze środowisk wiejskich Dzieci ze środowisk miejskich Królik 5 5 10 O koniu 6 8 O kocie * 26 15 O żyrafie * 1 5 O żadnym * 2 7 Tabela 4. Częstość odpowiedzi uczniów na pytanie „Jakie znasz zwierzęta gospodarskie?“ Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Dzieci ze środowisk wiejskich (liczba wskazań) Zwierzę Dzieci ze środowisk miejskich (liczba wskazań) widuję nigdy często raz kilka razy widuję często 0 0 21 13 34 0 0 0 34 0 4 9 20 0 nigdy raz kilka razy Koń 0 2 20 13 Kot 0 0 1 Żyrafa 14 18 3 wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA Oprócz samych zwierząt w pracach pojawiały się również inne obiekty odzwierciedlające skojarzenia dzieci związane z tematem rysunku. Częstość ich występowania w obu grupach ilustrują tabele 3a i 3b. W przypadku rysunków dotyczących zwierząt domowych dzieci ze środowisk wiejskich częściej przedstawiały je we wnętrzu domu, zaś dzieci ze środowisk wiejskich częściej rysowały w tym wypadku pokarm dla zwierząt. Różnice te są istotne statystycznie. Natomiast na rysunkach przedstawiających zwierzęta gospodarskie różnic istotnych statystycznie było więcej. Dzieci ze środowisk wiejskich przedstawiały w tym wypadku jedynie potomstwo, zaś dzieci ze środowisk miejskich umieszczały na swoich wytworach budynki gospodarcze, pokarm dla zwierząt, czy ich zachowania, jak świnie kąpiące się w błocie czy kaczki pływające w stawie. Przykładowe rysunki poddawane analizie zamieszczone są na rycinach 1–4. wersja PL Tabela 5a. Rozkład odpowiedzi na pytanie: Jak często widujesz na żywo wymienione w tabeli zwierzęta? KRÓTKO Ryc. 4. Przykładowa odpowiedź ucznia ze środowiska wiejskiego na polecenie „Narysuj zwierzęta gospodarskie i wszystko, co ci się z nimi kojarzy” Tych zwierząt nie wskazał żaden z uczniów miejskich, podczas gdy pojawiały się one na rysunkach uczniów wiejskich. Różnice istotne statystycznie dotyczyły kategorii mniej licznych i największa zauważalna jest w przypadku królika, który dla dzieci ze środowisk miejskich był zwierzęciem domowym. W przypadku pytania o zwierzęta gospodarskie (Tabela 2) najczęściej wymienianym zwierzęciem była świnia (łącznie aż 79% rysunków) następnie owca lub baran (64%) i koń (56%). W tabeli 2 przedstawiono porównanie częstości pojawiania się poszczególnych rodzajów zwierząt gospodarskich na rysunkach dzieci klas 1–3 obu badanych środowisk. Różnice istotne statystycznie zauważyć można w przypadku kury/koguta, krowy/byka i kota, które to zwierzęta były znacznie częściej rysowane przez dzieci z obszarów miejskich. Zwierzęta takie jak kaczka i królik częściej pojawiały się na rysunkach dzieci z obszarów wiejskich i jest to również różnica istotna statystycznie. 73 NAUKA Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Tabela 5b. Rozkład odpowiedzi na pytanie „O którym z tych zwierząt możesz napisać najwięcej informacji?” Oznacza on również liczbę poprawnych informacji przekazanych przez uczniów na temat danego zwierzęcia. Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 74 Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Dzieci z obszarów wiejskich (liczba wskazań) Są trzymane w domu 6 5 Są oswojone, nie boją się ludzi 5 6 Są przyjaciółmi człowieka 4 5 Pies 21 19 40 Kot 22 17 39 Można się z nimi bawić * 2 6 Chomik 9 8 17 Są przywiązane do opiekuna 4 4 Rybki * 7 4 11 Trzeba się nimi opiekować, karmić je 4 4 Mają małe rozmiary 4 3 Mają bardziej zadbany wygląd 4 3 Zachowują się specyficznie 4 1 Są trzymane w klatce 2 2 Są spokojne, niegroźne 3 1 Świnka morska 5 4 9 Królik * 2 4 6 Tabela 6a. Przykłady najczęściej wymienianych zwierząt domowych według uczniów klas 4–6 Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Dzieci z obszarów wiejskich (liczba odpowiedzi) Dzieci z obszarów miejskich (liczba odpowiedzi) Pies 18 13 Kot 9 6 Rybki 7 8 Królik * 5 3 Chomik * 1 Żółw Nic Zwierzę NAUKA Zwierzę Dzieci z obszarów wiejskich (liczba wskazań) Cecha Tabela 6b. Charakterystyka zwierząt domowych według uczniów klas 4–6 Symbol * przy cesze zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Powód Dzieci z obsza- Dzieci z obszarów wiejskich rów miejskich (liczba odpo- (liczna odpowiedzi) wiedzi) Własne zamiłowanie (bo lubię/kocham te zwierzęta) (pies, kot, królik, chomik, rybki) 11 9 Przywiązuje się do właściciela (pies, kot) * 2 6 Łatwe w opiece (rybki, kot) * 2 5 3 Względy estetyczne (bo jest ładne/słodkie) (kot, rybki, królik, kanarek, papuga) 4 4 1 2 Można się z nim bawić (pies, kot, królik, chomik) 3 3 10 8 Ze względu na jego charakter (pies, kot) * 0 5 3 2 1 1 Mogą się rozmnażać (królik) 2 0 Do obrony (pies) 0 2 Tabela 7a. Najczęściej podawane odpowiedzi uczniów na pytanie „Jakie zwierzęta hodujesz?” Symbol * przy nazwie zwierzęcia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). Dostałem/am w prezencie (pies, rybki, chomik, świnka morska, żółw) Znalazłem/am i przygarnąłem/am (pies, chomik) Tabela 7b. Najczęściej podawane odpowiedzi uczniów na pytanie „Dlaczego hodujesz akurat to zwierzę?” Wraz z podaniem zwierzęcia, które jest w danej kategorii hodowane przez uczniów. Symbol * przy argumencie podawanym przez ucznia oznacza, że wynik był istotny statystycznie (p<0,05). EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA W tabeli 4. przedstawiono rozkład częstości najczęstszych odpowiedzi na pytanie pierwsze kwestionariusza „Jakie znasz zwierzęta gospodarskie? Wypisz ich nazwy” (nie uwzględniano tych zwierząt, których liczba była równa lub mniejsza niż 3). Najczęściej wymienianym zwierzęciem gospodarskim była świnia (34 wskazania wśród dzieci z obszarów wiejskich i 32 wśród dzieci z obszarów miejskich). Jednak różnica ta nie jest istotna statystycznie. Istotne statystycznie różnice dotyczyły jedynie owcy, która była częściej wymieniana przez dzieci ze środowisk wiejskich i gęsi, które były częściej wymieniane przez uczniów ze środowisk miejskich. Pojawiły się również odpowiedzi niespodziewane, jak perkoz (1 wskazanie; uczeń z obszarów wiejskich) czy papużka (1 wskazanie; uczeń miejski). Uczniowie wymieniali różną liczbę gatunków (od 3 do 13), jednak wartość modalnej w obu przypadkach wynosi 5. W zadaniu drugim uczniowie zostali poproszeni o wybranie najbardziej według nich odpowiedniego zakończenia dla pięciu zdań. Pytanie to sprawdzało wiedzę potoczną na temat zwierząt gospodarczych. Dla każdego z pięciu podpunktów porównano rozkład odpowiedzi dzieci ze środowisk wiejskich i miejskich, wykonując w tym celu test χ2. Wyniki testu przedstawiają się następująco: • dla podpunktu pierwszego („Zaznacz poprawne dokończenie zdania: Jeśli w stadzie kur nie ma koguta…) i czwartego („Zaznacz poprawne dokończenie zdania: Na młode świnie mówimy prosięta, a na ich rodziców…) różnica w rozkładzie odpowiedzi dzieci z obszarów miejskich i wiejskich okazała się istotna statystycznie (kolejno: p1= 0,004; p4=0,032). Częściej poprawnej odpowiedzi udzieliły dzieci ze środowisk wiejskich. • dla podpunktów: drugiego („Zaznacz poprawne dokończenie zdania: Aby krowa zaczęła dawać mleko musi…), trzeciego („Zaznacz poprawne Dzieci Dzieci Razem z obszarów z obszarów liczba odwiejskich miejskich powiedzi (liczba (liczba w obu wskazań) wskazań) grupach wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Analiza ankiet uczniów klas 4-6 szkoły podstawowej wersja PL Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA d NAUKA a b KRÓTKO dokończenie zdania: Małe kaczątka niedługo po wykluciu…) i piątego („Zaznacz poprawne dokończenie zdania: Kocica czasami przynosi kociętom żywe myszy. Robi to…) różnica w rozkładzie odpowiedzi dzieci z obszarów miejskich i wiejskich okazała się nieistotna statystycznie (p2=0,70; p3=0,70; p5=0,75). Zestawienie odpowiedzi na pytanie 3. kwestionariusza (Zaznacz (X) jak często widujesz na żywo wymienione w tabeli zwierzęta. O którym z tych zwierząt możesz napisać najwięcej informacji?) ilustrują tabele 5a i 5b. Uczniowie z obu środowisk zadeklarowali, że najczęściej widują kota. Również w drugiej części pytania najczęściej wskazywano kota, jako zwierzę, o którym ankietowani są w stanie podać najwięcej informacji. Tabela 6a. przedstawia podane przez ankietowanych uczniów przykłady zwierząt domowych. Najczęściej wymieniany był pies, kot i chomik. Różnice te nie są jednak istotne statystycznie. Natomiast istotne statystycznie różnice pojawiają się w przypadku rybek, które częściej były wymieniane przez dzieci ze środowisk wiejskich i królików wymienianych częściej przez dzieci ze środowisk wiejskich. Z wypowiedzi uczniów wyłania się również charakterystyka zwierząt domowych. Odpowiedzi zostały skategoryzowane, a ich rozkład przedstawiono poniżej (tabela 6b). Jak widać zarówno dzieci z obszarów wiejskich, jak i miejskich wskazywały przede wszystkim na dwie cechy; zwierzęta domowe to takie, które są trzymane w domu oraz nie boją się ludzi. Jedyną odnotowaną różnicą w odpowiedziach udzielanych przez dzieci z obu środowisk była możliwość zabawy ze zwierzęciem domowym wskazywana częściej przez dzieci miejskie. Ostatnie pytanie dotyczyło tego, jakie zwierzęta hodują ankietowani i z jakich powodów. Najwięcej osób zadeklarowało posiadanie psa, kota i rybek. 18 uczniów odpowiedziało, że nie hoduje żadnego zwierzęcia (tabela 7a). 75 e Ryc. 5. Błędy w przedstawianiu zwierząt (a–e) c Uczniowie przedstawiają ptaka z dziobem i dodatkową „buzią” oprócz niego, lub z samą „buzią”, bez dzioba; (e) królik został ukazany w pozycji stojącej, którą często można zobaczyć w kreskówkach. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Dyskusja Choć niniejsze badania nie były przeprowadzone na dostatecznie licznej grupie i nie mogą być uznane za reprezentatywne, to jako diagnoza różnic w postrzeganiu zwierząt domowych i gospodarskich pomiędzy uczniami z dwóch środowisk dostarczają ciekawych informacji. Dostępne w słowniku języka polskiego definicje zwierząt domowych i gospodarskich podają, że: • zwierzęta gospodarskie to zwierzęta chowane w gospodarstwie rolnym w celu uzyskania produkcji towarowej lub siły pociągowej; • zwierzęta domowe to zwierzęta tradycyjnie przebywające wraz z człowiekiem w jego domu lub innym odpowiednim pomieszczeniu, utrzymywane przez człowieka w charakterze jego towarzysza. Analiza uzyskanych wyników nie wykazała drastycznych różnic w wiedzy uczniów na temat zwierząt domowych. Zarówno na rysunkach, jak i w kwestionariuszach w obu środowiskach zamieszkania, najczęściej wymienianym zwierzęciem domowym był kot i pies (tabele 1, 6a). Dzieci ze środowisk miejskich znacznie częściej wskazywały królika jako zwierzę domowe niż dzieci ze środowisk wiejskich. W grupach zamieszkujących dwa analizowane środowiska najczęściej wymienianą cechą zwierząt domowych był fakt trzymania ich w domu. Ponadto dzieci ze środowisk miejskich częściej przedstawiały na rycinach wnętrze domu (tabela 3a) lub wskazywały fakt możliwości bawienia się z takim zwierzęciem (tabela 6b). W świetle przeprowadzonych badań królik zwraca uwagę, ponieważ w zależności od środowiska życia i formuły pytania dzieci ze środowisk wiejskich zaliczają go albo do zwierząt gospodarskich albo do zwierząt domowych. Podobna sytuacja jest z kotem i jego postrzeganiem przez dzieci ze środowisk miejskich, które przedstawiają kota jako zwierzę domowe (tabele 1, 6a) lub gospodarskie (tabele 2, 4). Wskazywanie kota jako zwierzęcia gospodarskiego odbiega od ogólnie przyjętej definicji takowego organizmu. Analizując informacje przedstawione przez badaną grupę dotyczące zwierząt gospodarskich zauważyć można większe różnice przedstawiane przez dzieci pochodzące z różnych środowisk. Rysunki dzieci ze środowisk wiejskich były bardziej surowe, uboższe w liczbę skojarzeń, przedstawiały najczęściej dane zwierzę. Do tego zwierzęta często były podpisane. Ciekawy jest również fakt, że żadne z dzieci wiejskich nie zwróciło uwagi na budynki gospodarcze (tabela 3b), a jedynym skojarzeniem, jakie pojawiało się na pracach tych uczniów, była zdolność zwierząt do wydawania na świat potomstwa. Dzieci ze środowisk miejskich chętniej przedstawiały zwierzęta wraz z całą „infrastrukturą”, czyli zagrodami, paśnikami, budynkami. Jednak to na ich rysunkach częściej pojawiły się przykłady błędnych przekonań dotyczących zwierząt. Różnice w postrzeganiu zwierząt przez dzieci ze środowisk wiejskich i miejskich przejawiają się nie tylko w ich wiedzy osobistej i istniejących w niej błędnych przekonaniach. Najczęściej wymienianym zwierzęciem gospodarskim we wszystkich grupach była świnia (tabele 2, 4). Dzieci ze środowisk wiejskich wymieniały większą liczbę zwierząt gospodarskich (tabela 4) i generalnie przedstawiane przez nich informacje na temat zwierząt były częściej EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA • Są różne rasy koni np. kasztan. (uczeń z miasta) Analiza rysunków ukazała jedynie dwa oczywiste błędy, z których jeden powtórzył się aż 4 razy na różnych rysunkach. Uczniowie przedstawiali ptaka z dziobem i dodatkową „buzią” oprócz niego, lub z samą „buzią”, bez dzioba. Drugim zaobserwowanym przykładem błędnego mniemania był rysunek królika, który został ukazany w pozycji stojącej, a takową pozycję często można zobaczyć w kreskówkach. Autorami wszystkich tych prac były dzieci z miasta. wersja PL SZKOŁA Wśród powodów, dla których uczniowie hodują zwierzęta, najczęściej był podawany w obu grupach ten, że cieszą się one sympatią danego ucznia. Różnice nie były istotne statystycznie. Uczniowie ze środowisk miejskich częściej wymieniali takie argumenty jak przywiązywanie się do właściciela, łatwość w opiece czy charakter zwierzęcia i w wypadku tych argumentów różnice między środowiskami były istotne statystycznie. Podczas analizy rysunków i ankiet udało się również znaleźć przykłady alternatywnych koncepcji egzystujących w wiedzy osobistej badanych uczniów. Przykładowe odpowiedzi uczniów zawierające swoiste luki i niedopowiedzenia przytoczono poniżej: • Czy hodujesz jakieś zwierzęta? Nie, ale mam psa i rybki, a nie wiem czy je hoduję. (uczeń ze wsi) • Żyrafa: ma długą szyję, jest pod ochroną, mieszka w ZOO. (uczeń ze wsi) • Żyrafa żywi się trawą i liśćmi z drzew. (uczeń ze wsi) • Kot ma cztery kończyny, ma wąsy po to, aby czuć zapach. (uczeń ze wsi) • Koty: małe i słodkie zwierzęta. Po urodzeniu matka i ojciec opiekują się nimi. (uczeń ze wsi) • Kot gdy jest mały ma duże oczy i pyszczek i gdy rośnie, tej wielkości zostają. (uczeń ze wsi) • Kot pije najczęściej mleko, ponieważ nie lubi wody. (uczeń z miasta) • Koń żeby dawał mleko musi jeść dużo trawy i siana. (uczeń z miasta) • Konie były hodowane głównie dlatego, że nie było traktorów. (uczeń z miasta) • Koty nie lubią za bardzo łapać myszy ale czasami muszą. Lubią nie robić nic tylko chodzić. (uczeń z miasta) • Kot chodzi po całym podwórku, śpi i nie wie co ma ze sobą zrobić. Ciągle miauczy, bo nigdy nie jest najedzony. (uczeń z miasta) 76 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 „Kot (…), ma wąsy po to, aby czuć zapach”1. Czasem błędne mniemania mogą wynikać z potocznego postrzegania kota (stereotypu czy symbolu). Kopaliński (2007) wśród symboli przypisywanych kotu wymienia: upodobanie w wygodzie i luksusie, lenistwo, swobodę czy niezależność. Trudno nie zauważyć związku między takim stereotypowym, społecznym postrzeganiem kota a takimi odpowiedziami uczniów jak: „Koty nie lubią za bardzo łapać myszy ale czasami muszą. Lubią nie robić nic tylko chodzić” czy też „Kot chodzi po całym podwórku, śpi i nie wie co ma ze sobą zrobić. Ciągle miałczy, bo nigdy nie jest najedzony”. Błędne przekonania i alternatywne koncepcje występują niezależnie od płci, w każdych grupach wiekowych, klasach społecznych czy kręgach kulturowych (Prokop i wsp., 2008). Na co dzień pełnią użyteczną rolę pozwalając się orientować w świecie, poukładać go niejako „na swój sposób”. Z drugiej strony są one bardzo odporne na zmiany. Źródłem takich koncepcji może być osoba, która je przekazała (rodzic albo nauczyciel) lub błędne rozumienie zagadnienia. Mogą one powstawać w umysłach ludzkich w drodze doświadczenia i niejako „naiwnego” wyjaśniania złożonych nieraz zagadnień lub przedstawiania abstrakcyjnych zjawisk osobie, która nie ma osobistego doświadczenia z nimi (Yip, 1998). Na przykład, jak wytłumaczyć komuś, kto nigdy nie widział zimy, czym jest śnieg? Maj (2011) opisując włoskie doświadczenia w zakresie elastycznego planowania procesu edukacyjnego i wdrażania strategii progettazione zwraca uwagę m.in. na to, że wszelkie wątpliwości, niepewności i błędy, jakie pojawiają się w trakcie zajęć szkolnych, są tam traktowane jako zasoby. Autorka ta podkreśla również rolę diagnozy wiedzy wyjściowej uczniów przeprowadzonej przez nauczycieli w planowaniu zajęć edukacyjnych. 1 Wibrysy, potocznie nazywane wąsami, pełnią funkcje narządów czuciowych EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA (2008) utrzymuje, że dzieci mogą posiąść wiedzę przyrodniczą, nigdy bezpośrednio nie obcując z obiektem zainteresowania, to jednak istnieje pewna różnica pomiędzy taką wiedzą a wiedzą płynącą z osobistego doświadczenia natury. Ürey (2009) twierdzi, że obcowanie z naturą może zaowocować wzrostem świadomości uczniów względem środowiska przyrodniczego. Wśród analizowanej grupy najczęściej hodowanym zwierzęciem jest pies, kot i rybki. Ponadto dzieci ze środowisk wiejskich częściej wskazują tu królika, a dzieci ze środowisk miejskich chomika (tabela 7a). Pewne różnice w zależności od środowiska zamieszkania uczniów można zaobserwować analizując motywy hodowli zwierząt domowych (tabela 7b). Choć niektóre kategorie odpowiedzi były reprezentowane z równą częstością (np. przywiązanie do właściciela czy po prostu względy estetyczne), były też pewne istotne różnice. Ankietowani ze wsi zwracali uwagę na takie aspekty jak hodowanie zwierząt dla pieniędzy lub w celach spożywczych, możliwość ich kojarzenia i powiększania hodowli oraz długość życia zwierzęcia. Mniej istotne było dla nich przywiązanie, łatwość hodowli, charakter zwierzęcia, czy też możliwość zabawy z pupilem, na co z kolei nacisk kładli ankietowani z miasta. Błędne przekonania, jakie zdiagnozowano pośród uczestników badania, częściej ujawniły się w grupie starszych dzieci, która też miała trudniejsze zadanie i udzielała bardziej złożonych odpowiedzi. Dzieci wiejskie częściej podawały błędne informacje na temat żyrafy. To wysokie zwierzę miałoby najczęściej żywić się trawą lub mieć szyję „mocno narażoną na złamanie i gibką” (co, jak wspomniano wcześniej, może mieć związek z ograniczoną możliwością kontaktu z tym zwierzęciem). Pojawiały się też błędy, które dotyczą zwierząt często spotykanych w otoczeniu dzieci; wypowiedź ucznia miejskiego „Koń żeby dawał mleko, musi jeść dużo trawy i siana” lub jednego z uczniów wiejskich wersja PL SZKOŁA poprawne niż informacje przekazywane przez dzieci ze środowisk miejskich (analiza pyt. 2. kwestionariusza). Wyraźnie można zauważyć różnice w postrzeganiu, wynikające z tego, jaką rolę w otoczeniu dziecka pełni dane zwierzę. Kot, który na wsi jest przeznaczony głównie do łapania myszy, w mieście zostaje niejako „zdegradowany” do roli zwierzęcia domowego. Strommen (1995) badając uczniów szkół podstawowych mieszkających w środowiskach leśnych i miejskich zauważył wyraźną korelację pomiędzy wiedzą o leśnych zwierzętach a miejscem zamieszkania. Przedstawione przez niego wyniki wskazują, że dzieci zamieszkałe w lasach i mające możliwość bezpośrednich kontaktów ze zwierzętami nie tylko mają większy zasób wiedzy na temat tych zwierząt, ale i cechują się lepszym rozumieniem zjawisk i procesów przyrodniczych. Podobnie przedstawiają to zagadnienie Tunnicliffe i Reiss (1999), wykazując, że podstawowa wiedza uczniów o zwierzętach pochodzi głównie z domu rodzinnego i bezpośrednich obserwacji. Tarłowski (2006) wykazał również wpływ bezpośrednich kontaktów z przyrodą (głównie w różnych środowiskach, wiejskim i miejskim) oraz wiedzy biologicznej rodziców na ogólne pojmowanie i koncepcje dzieci czteroletnich na temat człowieka, innych ssaków oraz owadów. W prezentowanych badaniach udało się wykazać wzajemną relację pomiędzy tym, jak często uczniowie widują dane zwierzę, a liczbą informacji, jakie mogą o nim podać. Obie grupy zadeklarowały, że najczęściej widują kota (pytanie 2. oraz tabele 5a i 5b). To właśnie o kocie podawano najwięcej informacji, choć w tym wypadku dzieci ze środowisk wiejskich udzielały tych odpowiedzi częściej niż dzieci ze środowisk miejskich. Dzieci z miasta widywały żyrafę znacznie częściej niż ich koledzy z wiosek i udzielały większej liczby informacji na temat tego zwierzęcia. W tym wypadku również była to różnica istotna statystycznie (tabela 5b). Choć Godley 77 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Uzyskane wyniki zachęcają do kontynuowania badań dotyczących wpływu środowiska życia na wiedzę osobistą uczniów (lepsza znajomość zwierząt gospodarskich przez uczniów pochodzących ze szkół wiejskich). Nie do przecenienia jest rola bezpośredniego kontaktu z naturą (również poprzez hodowlę zwierząt w domu i opiekę nad zwierzęciem domowym, lub hodowlę i opiekę na zwierzętami w pracowni biologicznej) celem kształtowania wiedzy i postaw uczniów. Wiedza osobista uczniów zawiera często błędne przekonania, które nie zawszę są weryfikowane nawet przez bezpośrednie doświadczenia z przyrodą lub naturą. Stąd pojawiające się zalecenie zwłaszcza dla nauczycieli edukacji wczesnoszkolnej i przyrody dotyczące diagnozowania wiedzy wstępnej i częstszego planowania zajęć umożliwiających zastąpienie błędnych przekonań wiedzą naukową. Rysunki stanowią ciekawe narzędzie poznania koncepcji uczniów na temat zwierząt. Mogą stanowić one dla nauczycieli źródło cennych informacji o sposobie postrzegania przyrody przez ich podopiecznych. Bibliografia: Abbas MY, Othman M (2011). Social behaviours between urban and non-urban pre-school children. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 30, 2001-2009. Babbie E (2009). Podstawy badań społecznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Barraza L (1999). Children’s drawings about the environment. Environmental Education Research, 5 (1), 49-66. Broadbent E, Petrie KJ, Ellis C J, Ying J, Gamble G (2004). A picture of health—myocardial infarction patients’ drawings of their hearts and subsequent disability: a longitudinal study. Journal of psychosomatic research,57 (6), 583-587. Dąbrowski M (2011) Dziecko potrafi, czyli o rozwijaniu zdolności matematycznych uczniów, str. 129 – 152 [w] red. Buła A., and Bonar J. Poznać–Zrozumieć–Doświadczyć Teoretyczne podstawy praktycznego kształcenia nauczycieli wczesnej edukacji. Oficyna Wydawnicza „Impuls”, 2011. Ehrlén, K (2009). Drawings as representations of children’s conceptions. International Journal of Science Education, 31 (1), 41-57. Godley B (2008). Children’s Perceptions of Rainforest Biodiversity: Which Animals Have the Lion’s Share of Environmental Awareness? PLoS ONE 3(7): e2579. doi:10.1371/journal.pone.0002579, United Kingdom Klus-Stańska D (2000). Konstruowanie wiedzy w szkole, Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Olsztyn Klus-Stańska D, Nowicka M (2005). Sensy i bezsensy edukacji wczesnoszkolnej. Warszawa. Kopaliński W. (2007) Słownik symboli. Oficyna Wydawnicza RYTM. Warszawa. Maddock MN (1981). Science education: An anthropological viewpoint. Studies in Science Education, 8, 1-26 Maj A (2011) Emergent curriculum i progettazione – elastyczne planowanie w edukacji elementarnej str. 115 – 128 [w] red. Buła A., and Bonar J. Poznać–Zrozumieć–Doświadczyć Teoretyczne podstawy praktycznego kształcenia nauczycieli wczesnej edukacji. Oficyna Wydawnicza „Impuls”, 2011. Majcher I, Suska-Wróbel R (2005). Zasób osobistej wiedzy przyrodniczej dzieci dziewięcioletnich, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk Michalak R (2011) Konstruktywizm i neurobiologia w edukacji dziecka. Od teorii do praktyki. Str. 95-114. [w] red. Buła A., and Bonar J. Poznać–Zrozumieć–Doświadczyć Teoretyczne podstawy praktycznego kształcenia nauczycieli wczesnej edukacji. Oficyna Wydawnicza „Impuls”, 2011. Mintzes JJ., Wandersee, JH, & Novak, J. D. (Eds.). (2005). Assessing science understanding: A human constructivist view. Academic Press. Mirrahmi S (2011). Comparison how outdoor learning enhances EQ skills between Australia and Singapore education. In PROCEEDINGS OF 1 ST INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CONDUCIVE LEARNING ENVIRONMENT FOR SMART SCHOOL (CLES) 2011 (p. 82 – 88). Oloumi S, Mahdavinejad M, Namvarrad A (2011). Evaluation of outdoor environment from the viewpoint of children. Procedia – Social and Behavioral Sciences, 35, 431-439 Osborne J, Dillon J (2008). Science education in Europe: Critical reflections (Vol. 13). London: The Nuffield Foundation. Palka K. (2011) Rozpoznawanie, wyjaśnianie i rozumienie w pracy dydaktyczno-wychowawczej nauczycieli klas początkowych, str. 31-38 [w] red. Buła A., and Bonar J. Poznać–Zrozumieć– Doświadczyć Teoretyczne podstawy praktycznego kształcenia nauczycieli wczesnej edukacji. Oficyna Wydawnicza „Impuls”, 2011. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Wnioski wersja PL SZKOŁA Wśród zwierząt wymienianych w kwestionariuszach zaliczanych do grupy domowych nikt z badanych uczniów nie wskazał zwierząt bezkręgowych, najliczniej reprezentowane były ssaki, potem ptaki i pojedynczo gady (żółw i wąż), oraz ryby (traktowane są w kategoriach ogólnych jako grupa zwierząt). Nieliczne wskazania zwierząt bezkręgowych pojawiały się jedynie na rysunkach uczniów w klasach 1–3. Ogólna tendencja do pomijania zwierząt innych niż kręgowce w typowym myśleniu o zwierzętach pozostaje w zgodzie z badaniami Prokopa i wsp. (2008), którzy piszą wręcz o pomijaniu bezkręgowców przez dzieci biorących udział w badanich. Dzieci z różnych środowisk zwracają uwagę na różne aspekty otaczającego je świata. To z kolei może mieć istotny wpływ na kształtowanie się w ich umysłach wiedzy i na popełniane w przyszłości błędy. Majcher i Suska-Wróbel (2005) zasygnalizowały, że „na bogactwo dziecięcych doświadczeń przyrodniczych wpływ wywiera środowisko lokalne i rodzinne”. Jednak według ich badań, dzieci ze środowisk miejskich miały tych doświadczeń znacznie więcej. W przypadku niniejszych badań można raczej mówić o różnicach jakościowych w zgromadzonym doświadczeniu. Przeprowadzona na potrzeby niniejszej pracy analiza wypowiedzi uczniów pozwoliła na wsparcie założonej hipotezy – środowisko życia ucznia ma wpływ na jego wiedzę osobistą o zwierzętach gospodarskich i domowych. Ponadto wiedza potoczna na temat zwierząt gospodarskich jest bogatsza w przypadku uczniów ze środowisk wiejskich. Niemniej zaznaczyć trzeba, że ze względu m.in. na wielkość grupy badanej są to wstępne wyniki wymagające dalszej analizy, która mogłaby ostatecznie potwierdzić wpływ środowiska na kształtowanie się wiedzy potocznej. 78 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Prokop P, Prokop M, Tunnicliffe S D (2008). Effects of keeping animals as pets on children’s concepts of vertebrates and invertebrates. International Journal of Science Education, 30(4), 431-449. Randhawa B S, Michayluk J O (1975). Learning environment in rural and urban classrooms. American Educational Research Journal, 12(3), 265-279. Reiss, MJ., & Tunnicliffe, S. D. (2001). Students’ understandings of human organs and organ systems. Research in Science Education, 31 (3), 383-399 Rosalska M., Zamorska B. (2002). Konstruktywistyczna koncepcja uczenia się. [W:] Uczenie metoda projektów. Pod red. B.D. Gołębniak. Warszawa: WSiP, s.82-85. Skałbania B. (2011). Diagnostyka pedagogiczna. Oficyna Wydawnicza Impuls. Sözen M, Bolat M (2011). Determining the misconceptions of primary school students related to sound transmission through drawing, [in:] Procedia Social and Behavioral Sciences 15. Strommen E (1995). Lions and tigers and bears, oh my! Children’s conceptions on forests and their inhabitants. Journal of Research in Science Teaching, 32(7), 683–689. Szydłowski H (1991). Nauczanie fizyki a wiedza potoczna uczniów, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Poznań Śniadek B. (1997). Konstruktywistyczne podejście do nauczania o świetle i jego właściwościach. [W:] Przyroda, badania, język, pod red. S. Dylaka. Warszawa: CODN, s. 43-57. Tarłowski A (2006). If it’s an animal it has axons: Experience and culture in preschool children’s reasoning about animates. Cognitive Development 21(3), 249–265 Treagust DF (2012, October). Diagnostic assessment in science as a means to improving teaching, learning and retention. In Proceedings of The Australian Conference on Science and Mathematics Education (formerly UniServe Science Conference). Tunnicliffe SD, Reiss M J (1999). Building a model of the new environment: How do children see animals? Journal of Biological Education, 33(3), 142–148. Ürey M, Çolak K, Okur M (2009). Regional differences in environment education of primary education in terms of teacher conceptions. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 1(1), 795-799. Witwicki W. (2002) (przekład), Platon – Parmenides Teajtet, Wydawnictwo ANTYK, Kęty Yip DY (1998). Identification of misconceptions in novice biology teachers and remedial strategies for improving biology learning. International Journal of Science Education, 20(4), 461–477. wersja PL SZKOŁA 79 KRÓTKO Dlaczego na wsi żyrafa skubie trawę, a koty w mieście nie piją wody? | Natalia Bartoszek, Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Eliza Rybska Streszczenie: Jednym z celów prezentowanej pracy jest zaproponowanie podziału wytworów graficznych ucznia (choć podział ten nie jest ograniczony do sytuacji tylko szkolnych), w zależności od stopnia zaangażowania umysłowego autora. Zaproponowany trójpodział obejmuje: 1) schematy – które oznaczają przedstawianie tego, co uczeń widzi, 2) rysunki – w których uczeń przedstawia wytwór graficzny ze zrozumieniem istoty zagadnienia oraz 3) szkice – w których uczeń na podstawie swojej wiedzy, umiejętności i zrozumienia zagadnienia rozwiązuje problemy biologiczne, tworzy nowe, nieistniejące lub jeszcze nieodkryte reprezentacje, jako wyraz własnej kreatywności. Podział taki odnosi się zatem przede wszystkim do trzech wymiarów rysowania jako aktywności podmiotu, w efekcie której powstają 3 typy wytworów graficznych. Wydaje się, że w praktyce dydaktycznej najczęściej wykorzystywany jest typ pierwszy – co może ograniczać rozwój kreatywności wśród uczniów polskiej szkoły. Dodatkowym celem jest zatem zachęcenie wszystkich osób zajmujących się szeroko rozumianym nauczaniem do wdrażania rysowania i szkicowania do praktyki edukacyjnej. Zwłaszcza, że zastosowanie metody rysowania może wspierać rozumienie zjawisk przyrodniczych. Słowa kluczowe: schemat, rysunek, szkic, kreatywność, twórczość, nauczanie problemowe otrzymano: 17.02.2015; przyjęto: 29.03.2016; opublikowano: 1.04.2016 dr Eliza Rybska: Wydziałowa Pracownia Dydaktyki Biologii i Przyrody, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Wytwory graficzne powstające przy użyciu kredek czy ołówków często określane są wspólnym mianem rysunków1 bez względu na to, jakie było zaangażowanie w jego wykonanie samego autora. W słownikach rysunek opisywany bywa najczęściej jako kombinacja linii na płaszczyźnie. Co zatem sprawia, że niektóre z tych kombinacji wywołują emocje tłumu, inne zaś co najwyżej uśmiech na twarzy rodzica? Zainteresowanie rysunkami dzieci jako narzędziami mogącymi posłużyć do zrozumienia ich koncepcji otaczającego świata miał już wykazywać Darwin (Łobocki, 2000). Najczęściej ów wytwór działalności ludzkiej omawiany był w literaturze przedmiotu jako narzędzie wykorzystywane w badaniach psychologicznych lub ogólnie pedagogicznych, zwłaszcza w pedagogice twórczości. W Polsce zagadnieniem twórczości, w ramach którego mieści się rysowanie, badało szerokie grono osób, m.in. Zbigniew Pietrasiński, Krzysztof Szmidt, Wiesława Limont, Katarzyna Krasoń, Janina Uszyńska‑Jarmoc, Hanna Krause‑Sikorska, Urszula Szuścik, Jolanta Bonar, Dorota Czelakowska i Edward Nęcka. Jako typowe narzędzie w badaniach dydaktycznych czy narzędzie umożliwiające poznanie koncepcji dzieci o otaczającym je świecie i o nich samych na szerszą skalę zaczęto wykorzystywać rysunki w latach 80. ubiegłego wieku, zaś ich popularność do dziś nie słabnie, o czym świadczą liczne publikacje (Driver i wsp., 1985; Tunnicliffe i Reiss, 2001; Prokop i Fančovičova, 2006; Ehrlén, 2009). W środowisku polskim jego wykorzystanie jako narzędzia diagnostycznego na polu dydaktycznym jest minimalne. 1 W pierwszej części artykułu termin „rysunek” będzie używany w szerszym znaczeniu. W dalszej części autor tekstu zaproponuje podział wytworów graficznych, w którym znaczenie terminu „rysunek” zostanie w pewien sposób ograniczone. Wykorzystanie rysunku jako narzędzia, dzięki któremu dziecko reprezentuje naukowe obserwacje, było wykazane m.in. przez Hayes i Symington już w roku 1984 (Rennie i Jarvis, 1995). W roku 1983 Chambers opracował „Draw-a-Scientist-Test”, który z powodzeniem jest wykorzystywany do dziś jako narzędzie do zbierania informacji o tym, jaki stereotypowy obraz naukowca posiadają dzieci (Finson, 2002). Rysowanie jest dla małych dzieci narzędziem pozwalającym im na odzwierciedlenie tego, co zaobserwowały, doświadczyły, do czego dociekały lub o czym myślą (Katz, 1998; Chang, 2005). Nauczycielom analizującym takie wytwory graficzne swoich podopiecznych dają one cenne informacje o stopniu rozumienia danego zagadnienia (Chang, 2005). Wówczas rysunki są źródłem informacji m.in. o błędnych przekonaniach (ang. misconceptions), które włączone są w osobiste struktury wiedzy uczniowskiej. Badanie owych błędnych przekonań, również przy użyciu rysunku jako narzędzia, ma już dość rozbudowane tradycje w badaniach z zakresu edukacji przyrodniczej (Köse, 2008; Prokop i Fančovičova, 2006; Ehrlén, 2009). Rysunek bywa postrzegany jako swoiste „okno” do świata dziecięcych reprezentacji umysłowych (Cherney i wsp., 2006). Dewey (1897) zwracał uwagę na rolę kształtowania wyobrażeń w procesach uczenia się i z takiej perspektywy rysunek jako osobista i metaforyczna reprezentacja świata odgrywa znaczącą rolę (Kąkolewicz, 2011). Jako graficzne przedstawienie świata w edukacji stanowi on coś więcej niż zadośćuczynienie głoszonej przez Komeńskiego zasadzie poglądowości – jest narzędziem tworzenia wiedzy osobistej. Choć trzeba oddać Komeńskiemu, że w swojej księdze Wielka dydaktyka zalecał on posługiwanie się obrazami, rysunkami czy modelami głównie w przypadku braku możliwości bezpośredniego obcowania z przyrodą, hołdując przy tym staremu hasłu empirystów, że nie ma w umyśle niczego, czego by wpierw nie było w zmysłach. Odnosząc się do EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Czym jest „rysunek” w edukacji? wersja PL SZKOŁA Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji 80 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 81 Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Rysunki mogą być skuteczne w zapewnianiu studentom możliwości rozwijania własnych umiejętności obserwacyjnych, pozwalając im jednocześnie zrozumieć świat przyrody. Obserwacja i interpretowanie zjawisk przyrodniczych należą do kluczowych elementów w procesach naukowych i obie te umiejętności mogą zostać utracone, jeśli nie poświęcimy więcej czasu na rozwijanie zdolności rysowania na lekcjach z szeroko rozumianej przyrody (Dempsey i Betz, 2001). Ponadto rysunki pomagają w ujawnianiu wiedzy i przekonań uczniowskich, które pozostają ukryte dla innych operacji lub metod przy jednoczesnym braku werbalnych ograniczeń (Ören, 2012). Podawane i opisywane są w literaturze również przypadki zastosowania rysunków w strategii problemowej (Góra, 1974). Rysunki były i są wykorzystywane jako narzędzie służące poznawaniu dziecięcych koncepcji i rozumienia zagadnień typowo biologicznych. Przykładowo Reiss i Tunnicliffe (2001) czy Prokop i Fančovičova (2006) używali rysunków jako narzędzia do zbierania informacji na temat rozumienia przez uczniów budowy anatomicznej człowieka. Podobnie badane były koncepcje dzieci na temat budowy anatomicznej zwierząt bezkręgowych. W takich badaniach Prokop i wsp. (2008) opisali na podstawie analizy rysunków dziecięcych, że najczęściej uczniowie mają problem z rozumiem budowy układu służącego do wymiany gazowej, kiedy zarówno u raka, jak i u chrząszcza wszyscy rysowali płuca typowe dla ssaków. Dikmenli (2009) analizując rysunki uczniowskie opisał niemałą liczbę błędnych przekonań, które istnieją w umysłach uczniów, a dotyczą podziałów komórkowych. Barraza (1999) porównywała ry- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Dotychczas opisane zalety wykorzystania wytworów graficznych (określanych mianem rysunków) w edukacji SZKOŁA graficznych dzieci może być użytecznym narzędziem zbierania informacji o koncepcjach dziecięcych, ale tylko pod warunkiem, że badacz pozna znaczenie, jakie poszczególnym elementom rysunku nadają ich autorzy. Pisząc o znaczeniu nauczania rysunku, Mrożkiewicz (1961) zwracał uwagę na to, że umożliwia on: 1) zdobywanie przez uczniów wiedzy o formie otaczającej rzeczywistości poprzez jej obserwację, 2) praktyczne ćwiczenia grafomotoryczne, 3) wyrabianie kultury estetycznej i 4) wpływanie na rozwój psychiczny, głównie emocjonalny. Kąkolewicz (2011) zwraca uwagę na możliwość wykorzystania rysowania jako formy „osobistych notatek obrazujących i stymulujących myślenie, procesy uwagowe i własną ekspresję oddającą m.in. emocje” rysującego w stosunku do obiektu rysowanego. W ostatnich latach na rolę rysowania w edukacji i zaniedbanie jego obecności w rzeczywistości szkolnej zwraca uwagę Mirosław Orzechowski (2015). Autor ten pisze o metodzie nauczania rysunku dla architektów, która traktuje rysunek jako „narzędzie poznawcze i służące do zapisu twórczej myśli projektowej”. Zwraca on uwagę na to, że rysunek pozwala dziecku na samodzielne odkrywanie świata. Nie jest często spotykanym podejściem traktowanie rysowania jako metody nauczania. Z tego punktu widzenia podejście Orzechowskiego nie znajduje odzwierciedlenia w wielu podręcznikach klasycznej dydaktyki. Być może jest to z jednej strony spowodowane rozwojem technologii informatycznych i zawężeniem postrzegania rysowania metody pracy do edukacji wczesnoszkolnej. Niemniej jednak warto zastanowić się, czy odchodząc od rysowania w tradycyjnym nauczaniu, przypadkiem nie kształcimy społeczeństwa, które rysować nie będzie potrafiło i wszystkie wytwory graficzne będzie tworzyć przed ekranem komputera. wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO zasady poglądowości, Rykow (1956) stwierdził, że „poglądowość” wywodzi się od „oglądania”, co miałoby m.in. oznaczać oddziaływanie wrażeń wzrokowych na świadomość. Wyróżnił on trzy postaci poglądowości: 1) bezpośrednią (naturalną) – w której środkiem oddziaływania na fotoreceptory mają być naturalne obiekty lub zjawiska; 2) pośrednią (warunkującą) – w której pojęcie biologiczne jest kształtowane w sposób pośredni – za pomocą jakiegoś zamiennika (jak tablica, obraz, rysunek) i 3) teoretyczną (słowną) – przy której uczniowie odtwarzają obrazy z wyobraźni. Rozumienie rysunku jako komunikatu rozważa m.in. M. Karczmarzyk (2010). Poruszając zagadnienie nadawania znaczeń rysunkowi dziecięcemu zauważa ona trzy schematy, których zastosowanie zależy od tego, kto znaczenie nadaje. W pierwszym rysunek jest formą dialogu – porozumiewania się dziecka (autora rysunku) z innymi (odbiorcami) za pomocą tegoż wytworu. Według drugiego schematu odczytywanie rysunku jest monologiem z samym sobą, poprzez rysunek odbiorca poznaje istotę swojego jestestwa. Poprzez rysunek oglądający go „inny” odnajduje siebie. W trzecim zaproponowanym schemacie rysunek jest komunikatem symbolicznym, zastępującym język, który jest niezbędny, aby zdać sobie sprawę z własnego istnienia i wejść w kontakt ze społeczeństwem. Rysunki mają też tę zaletę, że umożliwiają dokonywanie porównań wyników międzynarodowych badań przeprowadzonych przy zastosowaniu rysowania jako metody badawczej, omijając wówczas pojawiający się często problem lingwistyczny (Prokop i Fančovičova, 2006). Pomimo niewątpliwych zalet rysunków dzieci jako źródła informacji o wiedzy osobistej autorów, w ostatnich latach pojawiły się prace stosujące mieszane metody graficzno-słowne. Zwłaszcza Ehrlén (2009) zwróciła szczególną uwagę na to, że analiza wytworów wersja PL rysowanie jest bardzo przydatnym narzędziem podczas lekcji z mikroskopowania, zajęć laboratoryjnych, lekcji anatomii czy nawet zajęć terenowych. Ci sami autorzy przyznają jednak, że chociaż nauczyciele dostrzegają rolę rysowania, nie przykładają do samej aktywności większej uwagi, nie dokonują również oceny wytworów graficznych swoich podopiecznych. Taka postawa doprowadza do sytuacji, w której uczniowie nie doceniają rysowania i najczęściej kopiują gotowe schematy z opisów ćwiczeń czy z podręczników. Kazimierz Sośnicki w swojej książce pt. Zarys dydaktyki z 1925 r. wśród zalet rysunku wymienia swoistą właściwość do pewnej modyfikacji jego w celach dydaktycznych, która miałaby polegać na uwydatnianiu najbardziej charakterystycznych cech przedmiotu. Wśród innych zalet rysowania na tablicy wymienione są m.in. możliwość przedstawiania stadiów rozwojowych za pomocą sekwencji pojawiających się rysunków oraz umożliwienie „schematyzowania”, czyli upraszczania treści. Ponadto autor ten zaleca, by metodę rysunku stosować nie tylko do przedmiotów dla dedykowanych, jak rachunki czy geometria, lecz także dla takich, dla których „zdawałoby się pozornie, że słowo nauczyciela wystarczy bez posługiwania się grafiką, a więc przy nauce języków, historii, przyrody, geografii, fizyki”. McLean, Henson i Hiles (2003) zastosowali metodę rysowania do jakościowej ewaluacji wprowadzonej strategii nauczania problemowego na studiach medycznych. Założyli oni przy tym, że rysunek jest swoistą metaforą, zaś tę definiowali jako „bazujący na zasobach wyobraźni sposób opisywania czegoś odwołując się do czegoś innego, posiadającego cechy, które chcemy wyrazić” (definicja zaczerpnięta ze słownika Sinclair J, ed. Collins Cobuild English Language Dictionary. London: Harper Collins Publishers 1993). Sfard (1998) zwraca uwagę na to, że sam akt tworzenia metafory musi być poprzedzony refleksją, zatem przedstawiając graficzną EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA • zwiększenie zaangażowania – gdyż rysowanie zmienia pozycję ucznia od pasywnego odbiorcy do twórcy, jednocześnie wskazując na indywidualne różnice między poszczególnymi uczniami; • nauczanie uczniów jak przedstawiać idee naukowe – tworzenie własnych reprezentacji może pogłębić uczniowskie rozumienie specyficznych dla nauk przyrodniczych konwencji reprezentacji (np. wykresów), ich zastosowań, lub nawet całościowego rozumienia omawianych zagadnień; • pomoc w rozwijaniu rozumowania naukowego – aby wykazać się konceptualnym rozumieniem uczniowie powinni nauczyć się wnioskować i analizować dane przedstawiane w różnych formach – często w postaci wizualnych modeli; • rysunek jako strategię uczenia się – jeśli strategia efektywnego uczenia się obejmuje takie elementy jak niesienie pomocy uczącym się, aby mogli pokonać własne ograniczenia w omawianych zagadnieniach, przeorganizować swoją wiedzę bardziej efektywnie oraz zintegrować nowo napływające informacje z istniejącym już w umysłach rozumieniem tych zagadnień, to rysowanie spełnia kryteria takiej strategii; • rysunek jako formę komunikacji – podobnie jak naukowcy rysują schematy i wykresy, by umożliwić zrozumienie wyników własnych badań i zaprezentować je kolegom czy szerokiej społeczności, tak samo rysunek jest formą komunikacji nadawcy z odbiorcą. O rysunkach w nauczaniu przedmiotów przyrodniczych w Polsce pisało kilku autorów, m.in. Barbara Góra (1974) czy Jan Winklewski (1969). W praktyce dydaktycznej również wspomniany już wcześniej Rykow (1956) zachęcał do wykorzystywania rysunków podczas nauczania zoologii. Prawie każdy nauczyciel biologii może potwierdzić to, co opisują Dempsey i Betz (2001), że wersja PL SZKOŁA sunki dzieci z Meksyku i Wielkiej Brytanii dotyczące ich postrzegania środowiska oraz wyobrażeń jak będzie to środowisko wyglądać w przyszłości. Dove, Everett i Preece (1999) badali dziecięce wyobrażenia dotyczące basenów rzecznych i obiegu wody w przyrodzie. Na rolę rysunków w tekstach zwrócili uwagę również Levie i Lentz (1982), przeglądając 55 różnych eksperymentów dokonanych przez innych naukowców. Wskazali oni, że zwykła ilustracja może zainteresować czytelnika, wpływać na jego postawy względem tematu (przedmiotu), o którym jest mowa, lub wzbudzać emocjonalne reakcje. Szczególne jednak znaczenie przypisali oni rysunkowi jako możliwości przestrzennej wizualizacji treści, które trudno przekazać za pomocą słów. Korzyści wynikające z wykorzystania rysunku podczas edukacji związanej z przedmiotami przyrodniczymi wymienili m.in. autorzy pracy „Drawing to learn in science” – Ainsworth, Prain i Tytler (2011), która ukazała się na łamach Science. Zwracając uwagę na to, że wizualizacja jest integralną częścią myślenia naukowego, wymienili dodatkowe korzyści, jakie wynikają z zastosowania rysowania na przedmiotach przyrodniczych. Niepokojącym zjawiskiem, zdaniem tych autorów, jest fakt, że w szkole uczniowie podczas zajęć przyrodniczych najczęściej interpretują obrazy przedstawiane im przez prowadzącego, ale sami nie dokonują wizualizacji procesu czy omawianego zjawiska. Wymienili oni również pięć powodów, dla których nauka rysowania powinna być traktowana w edukacji na równi z nauką pisania, czytania czy prowadzenia rozmów jako kluczowy element edukacji przyrodniczej. Uważam, że w tego rodzaju edukacji niezbędna jest również nauka liczenia, gdyż zastosowanie metod statystycznych, jak i modeli matematycznych w naukach przyrodniczych jest w dzisiejszych badaniach ważnym elementem. Wśród powodów wprowadzania nauki rysowania wspierającej edukację przyrodniczą Ainsworth i wsp. (2011) wymieniają: 82 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 83 Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 1. Przykłady schematów wykorzystywanych podczas zajęć przyrodniczych a) schemat wykonany podczas obserwacji mikroskopowej preparatu z łuski liścia spichrzowego cebuli; NAUKA W tej części artykułu zaprezentowana zostanie autorska propozycja trójpodziału wytworów graficznych oparta na zróżnicowanym zaangażowaniu umysłowym autorów rysunków. Orzechowski (2015) prezentuje stanowisko, w świetle którego rysowanie, jako aktywność ucznia, powinno stać się jedną z metod nauczania, a nie tylko środkiem dydaktycznym. Podobnego zdania jest również autor niniejszej pracy. Od tego miejsca termin „rysunek” jest używany w konkretnym znaczeniu, które zostało poniżej opisane. Zaproponowany podział oparty jest nie na ogólnie przyjętych taksonomiach wytworów graficznych, lecz na stopniu zaangażowania umysłowego autora wytworu. W tym ujęciu proces rysowania można traktować z perspektywy trzech wytworów. Trójpodział ten obejmuje: • schemat – który oznacza wizualizację, odwzorowanie, kopiowanie, imitację (tu też mieści się przerysowywanie obiektu spod mikroskopu); uczeń rysuje to, co widzi; • rysunek – który oznacza przedstawienie graficzne ze zrozumieniem treści, taki rysunek wpisuje się w zasadę uczenia się przez działanie (ang. learning by doing) – tu wpisane mogą być mapy mentalne, tworzenie wykresów, modeli, czy graficznych notatek; uczeń rysuje to, co rozumie; nież na lekcjach przyrody i biologii. Obejmuje on kopiowanie gotowego schematu jak przerysowanie grafiki przedstawianej przez nauczyciela kiedyś na tablicy – obecnie częściej na ekranie rzutnika multimedialnego, rysowanie obserwowanego obiektu spod mikroskopu itp. Często nawet tworzenie wykresów czy diagramów, jeśli nie angażuje ucznia w sposób rzeczywisty, a jedynie pozorny, jest tylko tworzeniem schematu. W tej sferze publikuje i komunikuje się z innymi większość naukowców z zakresu Science education. Przedstawiając czytel- b) schemat obserwacji makroskopowej szarotki alpejskiej. a Źródła rycin: zeszyty uczniów, którzy chcą pozostać anonimowi, a uczęszczali na lekcje biologii prowadzone przez autora pracy. b Fosforylacja niecykliczna Ferredoksyna X1 NADP + H2O NADPH2 H+ + OH- fotodysocjacja wody e- e- światło O2 – do atmosfery - e Chlorofil A cyt. F cyt.b SZKOŁA Trzy wymiary rysowania • szkic – który oznacza graficzne rozwiązywanie problemów, zewnętrznie może mieć różne postaci, ale wyróżnia go fakt innowacji, szkic umożliwia przechodzenie z obrazu na tekst, dochodzenie do innowacji tekstowych przez szkic; uczeń rysując, tworzy. Schemat jest ujmowany jako prosta wizualizacja. Zakłada on kopiowanie, imitację gotowych, obecnych w podręcznikach lub innych źródłach schematów. W szkole ten typ rysunku występuje najczęściej, rów- wersją referencyjną jest wersja EN X2 Chlorofil A (680 nm) Ryc. 2. Schemat fosforylacji cyklicznej zachodzącej w fotosyntezie Podobny schemat jest często przedstawiany uczniom do przerysowania, bez konieczności umysłowego przetwarzania danych, czy dostarczanych informacji. Źródło: opracowanie własne. PS I (700 nm) ATP ADP + Pi Światło EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO reprezentację zmiany, jaka dokonała się w postrzeganiu siebie samych przez studentów 1. roku medycyny, jest swoistą metaforą. Wśród nieanalizowanej dogłębnie, a zauważonej przez McLean, Henson i Hiles (2003) właściwości zastosowania takiego typu ewaluacji warto podkreślić fakt „żywego, emocjonalnego zaangażowania” studentów w jego wykonanie. Zauważyli oni, że rysunki dostarczają informacji o odczuciach, emocjach i refleksjach ich autorów. wersja PL Ryc. 3. Przykład rysunku Zadaniem uczniów było zobrazowanie prawa tolerancji Shelforda, którego do tej pory uczniowie nie znali. Ryc. 4. Przykład rysunku wykonanego przez uczennicę obrazującego funkcje wybranych witamin w organizmie człowieka Źródła rycin: zeszyt ucznia, który chce pozostać anonimowy, a uczęszczał na lekcje biologii prowadzone przez autora pracy. Źródła rycin: praca uczennicy, która chce pozostać anonimowa, a uczęszczała na lekcje biologii prowadzone przez autora pracy. się nad możliwościami przedstawienia tekstu w sposób graficzny, wymaga odrzucenia zbędnych informacji podanych w tekście i przedstawienie istoty rzeczy. Takie umiejętności pobudzają myślenie syntetyczne i analityczne. Problemy (pytania) są znane, a uczeń szuka odpowiedzi na te problemy przetwarzając słowa na obrazy, np. jak graficznie przedstawić prawo tolerancji Shelforda? (przykład takiego rysunku wykonanego podczas lekcji biologii jest zamieszczony na ryc. 3). Takie rysowanie zaproponował również zespół Ainsworth i wsp. (2011). Autorzy wielu artykułów i publikacji naukowych chcąc przybliżyć wyniki swoich badań odbiorcom stosują ten typ rysowania dla samych siebie, jako ich autorzy – przechodzą od słów do obrazów – dokonują transformacji idei do symbolu graficznego. Rysunek w takim znaczeniu jest kształtowany przez istniejące lub powstające w trakcie rysowania pomysły i idee, które uczeń posiada. Tworzony jest on również zgodnie z jego wiedzą o wizualnych konwencjach (Ainsworth i wsp., 2011). Warto zwrócić uwagę, że o konieczności wiązania obrazów ze słowami w procesie edukacyjnym, o czerpaniu przez dzieci większej przyjemności z nauki, pisał już Erazm z Rotterdamu (za: Góra, 1974). Rysowanie zatem byłoby klasyfikowane również jako metoda oparta na obserwacji (Zborowski, 1974), ale jako metoda samodzielnego dochodzenia do wiedzy (Okoń, 1987). Szkic – Szkicowanie umożliwia przechodzenie od obrazu do słów. Uczniowie szkicując formułują prawa, stawiają pytania i graficznie na nie odpowiadają. Szkic w takim ujęciu jest hipotezą, próbą odpowiedzi na pytanie zadane w głowie jego twórcy. Regularne szkicowanie umożliwia wprowadzenie systematycznej kreatywności na lekcjach szkolnych. Wprowadzając do procesu dydaktycznego jakiś prototyp, nawet kategorię z poziomu podstawowego pojęć, i zezwalając na modyfikację prototypu, ale według określonej listy praw modyfikacji, umożliwiamy nie tylko dochodzenie do „rozwiązań” EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA przedstawianie tego, co uczeń już rozumie, może wpisywać się w ideę uczenia się przez działanie (ang. learning by doing). Rysunek daje możliwość przejścia z obszaru językowego na obszar graficzny, z tekstu na obraz. Uczniowie rysując udzielają odpowiedzi na postawione przez nauczyciela gotowe pytanie. Rysowanie pobudza wyobraźnię, ale jeszcze nie promuje kreatywności, gdyż uczeń działa w obrębie znanych algorytmów. Zaś kreatywność czy twórczość rozumiana jest tu w sposób zaproponowany przez Pietrasińskiego (1969) jako „aktywność przynosząca wytwory dotąd nieznane, a zarazem społecznie wartościowe”. Konieczność poddania wytworu twórczego ocenie uwypuklał też Stein (1963). Rysowanie, jak wspomniano powyżej, umożliwia szukanie odpowiedzi i aby wykonać taki rysunek uczeń musi przejść przez stan kontemplacji, zastanowienia wersja PL SZKOŁA nikom gotowy schemat jako wizualizację zebranych danych. Schemat w przedstawianym ujęciu jest swoistym przechodzeniem z obrazu do obrazu, bez konieczności obróbki myślowej podejmowanych czynności, umożliwia odbiorcom skupienie się na detalach, a nie na holistycznym ujęciu. Zachęca do wiernego kopiowania, ale nie do poszukiwania pytań czy odpowiedzi. Daje możliwość aktywizacji odtwórczej, w której – jak pisze Cieszyńska (2010) – nowe informacje są zaledwie rejestrowane. Przykład typowego schematu zamieszczono na rycinie 1. i 2. Rysowanie schematyczne zatem byłoby klasyfikowane jako metoda oparta na obserwacji (Zborowski, 1974) lub metoda asymilacji wiedzy oparta na aktywnoś Rysunek – powinien być narzędziem aktywizacji twórczej, a nie odtwórczej. Rysowanie, które umożliwia 84 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 5. Przykład szkicu wykonanego podczas zajęć z zakresu ekologii obrazujący pomysł ucznia na zaklasyfikowanie mechanizmów obrony czynnej zwierząt przed drapieżnikami Źródła rycin: praca ucznia, który chce pozostać anonimowy, a uczęszczał na lekcje biologii prowadzone przez autora pracy. wersją referencyjną jest wersja EN kacji Okonia (1974) szkicowanie byłoby jedną z metod samodzielnego dochodzenia do wiedzy polegającą na rozwiązywaniu problemów lub nawet metodą praktyczną, w której uczeń podejmuje aktywność o charakterze praktyczno-technicznym i zmierza do zmiany otoczenia lub stwarza nowe jego formy (Okoń, 1987). Przesłanki świadczące za przyjęciem zastosowanego podziału wytworów graficznych na zajęciach z biologii W zaproponowanym w przedstawionej pracy podziale wytworów graficznych jako kryterium przyjęte zostało zaangażowanie umysłowe ich autorów. Zatem podział taki odnosi się bardziej do czynności i wskazuje na trzy wymiary rysowania jako aktywności podmiotu. Schematy są generalnie najczęściej wykorzystywanym wytworem graficznym w szkołach. Coraz częściej obserwować można sytuacje, w których uczniowie nawet nie przerysowują ich do zeszytu, otrzymując gotowe notatki z lekcji od nauczyciela w postaci pliku PDF. Pomijanie lub nawet nieobecność dwóch kolejnych form wytworów graficznych budzi niepokój. Rysunki są reprezentacjami idei, a więc graficzną formą uściślenia odpowiedzi na wcześniej postawione pytanie. Szkice natomiast są generatorami idei, za pomocą których graficznie zadajemy pytania i na nie odpowiadamy. W swej naturze szkice stanowią odzwierciedlenie pierwszych etapów metody naukowej, w których stawia się problemy badawcze – pytania i na podstawie naukowo uzasadnionych przypuszczeń formułuje na nie odpowiedzi w postaci hipotez. Wydaje się, że zaproponowany podział wytworów graficznych może również służyć jako model dochodzenia do twórczego rozwiązywania problemów poprzez rysowanie. Rozpoczynając od schematów prezentujących szczegóły i oddających to, co uczeń widzi przez rysunki, które powstają jako EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA transformację modelu tworzą nowe byty, zadają pytania i szukają na nie odpowiedzi. Propozycja szkicowania oznacza weryfikację tezy o możliwości zaprogramowanego procesu kreatywnego rozwiązywania problemów przez rysunek. De facto nie jest ona całkowicie nowym ujęciem, gdyż pomysł ten jest swoistym zaadoptowaniem rozwiązań zaproponowanych przez Altshuller i Shulyak (1996) dla przemysłu. Przykład szkicu jest zaprezentowany na ryc. 5. Szkicowanie byłoby klasyfikowane jako metoda oparta na działaniu (Zborowski, 1974) lub jako metoda poszukująca (Zborowski wyróżnił taki typ metod w 1966 roku). Według klasyfi- wersja PL SZKOŁA przez szkicowanie, lecz także zadawanie kolejnych pytań wywodzących się z rozwiązanego problemu. Nawet jeśli te prawa, które uczniowie odkrywają, są już dawno poznane i opisane w naukowym świecie, to dla dziecka są wciąż nowe. Mamy wówczas do czynienia z twórczością wtórną. Twórczością taką może parać się już małe dziecko, uzupełniając luki w informacjach przekazywanych mu przez dorosłych i rozwijając własną sprawność intelektualną (Pietrasiński, 1969). Ten typ aktywności graficznej promuje kreatywność, uczniowie tworzą wyjściowy model (prototyp, jako pojęcie podstawowe) i przez dodawanie lub odejmowanie elementów, przez 85 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Konkluzja Zagadnienie twórczości jest przedmiotem zainteresowania psychologów, pedagogów, dydaktyków, kognitywistów i wielu przedstawicieli innych dziedzin nauki i sztuki, ale rzadko twórczość łączona jest z nauczaniem przedmiotów przyrodniczych. Świadome i systematyczne wprowadzanie do procesu edukacyjnego zaproponowanego modelu (od schematów przez rysunki do szkiców) na przedmiotach przyrodniczych otwiera ścieżkę systematycznego dochodzenia do kreatywności. Aktywizacja może być twórcza i odtwórcza, wytwory graficzne powstające na lekcjach przyrodniczych powinny być narzędziem aktywizacji twórczej – w duchu konstruktywizmu i wbrew tradycyjnemu nauczaniu biologii lub przedmiotów przyrodniczych. W czasach, w których kreatywność w kulturze zachodniej wydaje się cenioną wartością, kształcenie umożliwiające czy nawet wspierające jej doskonalenie powinno być promowane. Edukacja „przez twórczość” może być i powinna być realizowana również podczas zajęć przyrodniczych. Bibliografia: Ainsworth S, Prain V, Tytler R (2011). Drawing to learn in science. Science, 333(6046):, 1096-1079. Altshuller G, Shulyak L (1996). And suddenly the inventor appeared: TRIZ, the theory of inventive problem solving. Technical Innovation Center, Inc. Barraza, L. (1999) Children’s Drawings About the Environment. Environmental Education Research, 5: 49-66. Chambers DW (1983). Stereotypic Images of the Scientist: The Draw a Scientist Test. Science Education, 67(2): 255–265. doi:10.1002/ sce.3730670213 Chang N (2005). Children’s drawings: Science inquiry and beyond. Contemporary Issues in Early Childhood, 6(1): 104-106. Cherney ID, Seiwert CS, Dickey TM, Flichtbeil JD (2006). Children’s drawings: A mirror to their minds. Educational Psychology, 26(1): 127-142. Cieszyńska A (2010). Aktywizacja twórcza i odtwórcza w edukacji przyrodniczej – czyli pomiędzy konstruktywizmem a behawioryzmem. W: Rola i zadania dydaktyk szczegółowych w kształceniu nauczycieli, red. Kwatera A, Cieśla P. Kraków Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie. Dempsey BC, Betz BJ (2001). Biological drawing: A scientific tool for learning. The American Biology Teacher, 63(4): 271-279. Dewey J (1897, wyd. 2005), Moje pedagogiczne credo (tłum. J. Pieter), Warszawa: Wydawnictwo Akademickie „Żak”. Dikmenli M (2010). Misconceptions of cell division held by student teachers in biology: A drawing analysis. Scientific Research and Essay, 5(2): 235-247 Dove JE, Everett LA, Preece PFW (1999). Exploring a hydrological concept through children’s drawings, International Journal of Science Education, 21:5, 485-497 Driver R, Guesne E, Tiberghein A (1985). Children’s ideas and the learning of science. W: Children’s ideas in science. McGraw-Hill Education (UK), 1-9. Edens KM, Potter E (2003). Using descriptive drawings as a conceptual change strategy in elementary science. School science and mathematics, 103(3): 135-144. Ehrlén K (2009). Drawings as representations of children’s conceptions. International Journal of Science Education, 31(1): 41-57. doi: 10.1080/09500690701630455 Finson KD (2002). Drawing a scientist: What we do and do not know after fifty years of drawings. School science and mathematics, 102.7: 335-345. Góra B (1974). Graficzne pomoce dydaktyczne a zasady nauczania biologii. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne. Kąkolewicz M (2011). Uczenie się jako konstruowanie wiedzy. Świadomość, qualia i technologie informacyjne. Poznań: Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza. Karczmarzyk M (2010). Znaczenia nadawane rysunkowi dziecka przez „innych”. Rozważania na temat komunikacji dziecko-dorośli. Forum Oświatowe, 2(43): 79-83. Katz GL (1998). What Can We Learn from Reggio Emilia? W: Edwards C, Gandini L, Forman G (red.). The Hundred Languages of Children: the Reggio Emilia approach to early childhood education. Greenwich: Ablex, 19-40. Komeński JA (1956). Wielka dydaktyka (tłum. K. Remerowa), Wrocław: Wydawnictwo PAN. Köse S (2008). Diagnosing student misconceptions: Using drawings as a research method. World Applied Sciences Journal, 3(2): 283293. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA ści szkolnej (zwłaszcza wczesnoszkolnej) jest polecenie „pokoloruj”, które szkoli grafomotorykę ręki dziecka, ale z twórczością ma niewiele wspólnego. wersja PL SZKOŁA swoisty dowód zrozumienia przez nich omawianego zagadnienia do szkiców, które służyć będą jako narzędzie do twórczego rozwiązywania problemów biologicznych. Przebywanie całej zaprezentowanej drogi, która angażuje wszystkie trzy wymiary rysowania pozwala nauczycielom nie tylko wspierać jego podopiecznych w lepszym zrozumieniu omawianych zagadnień, ale także daje narzędzie twórczego rozwiązywania problemów. Eddens i Potter (2003) postanowili sprawdzić, czy zastosowanie rysunku tworzonego przez ucznia ułatwia mu zmianę koncepcyjną i zrozumienie prawa zachowania energii. Wyodrębnili oni losowo wybrane trzy grupy badane: pierwszą, w której uczniowie mieli tworzyć rysunki opisowe (ang. descriptive drawings), drugą w której uczniowie kopiowali gotowe schematy i trzecią, która robiła notatki. Otrzymane przez badaczy wyniki wykazały istotne statystycznie różnice pomiędzy pierwszą grupą a pozostałymi dwoma (na korzyść tej pierwszej). Różnice pomiędzy grupą, która przekopiowywała schematy, a tą, która robiła notatki, były na korzyść wykorzystujących kopiowanie, choć w tym wypadku nie była to różnica istotna statystycznie. Na problemy z wykorzystaniem twórczości w edukacji zwraca uwagę m.in. Uszyńska-Jarmoz (2011), pisząc o twórczości reaktywnej dominującej w naszych szkołach nad twórczością proaktywną, czyli taką, która z założenia jest podejmowana przez twórcę spontanicznie, np. w wyniku potrzeb poznawczych, biologicznych czy społecznych. W następstwie tego, jeśli w szkołach pojawia się taka edukacja twórczości, to jest zazwyczaj motywowana zewnętrznie, a nie wewnętrznie. Na podstawie obserwacji rzeczywistości edukacyjnej można wysunąć kolejną hipotezę, którą warto zweryfikować w badaniach, a mianowicie: poza opisywaną przez wspomnianą autorkę „infantylizacją treści” wytworów graficznych, to najczęstsze w dzisiejszej rzeczywisto- 86 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Levie WH, Lentz R (1982). Effects of text illustrations: A review of research. ECTJ, 30(4): 195-232. Łobocki M. (2000). Metody i techniki badań pedagogicznych. Impuls. McLean M, Henson Q, Hiles L (2003). The possible contribution of student drawings to evaluation in a new problem‐based learning medical programme: a pilot study. Medical education, 37(10): 895-906. Mrożkiewicz J (1961). Nauczanie rysunku w klasach I-IV. Warszawa: „Wspólna sprawa” Wydawnictwa Oświatowe. Okoń W (1998). Wprowadzenie do dydaktyki ogólnej. Warszawa: Wydawnictwo Akademickie Żak. Ören FŞ (2012). An analysis of pre-service teachers’ drawings about the digestive system in terms of their gender, grade levels, and opinions about the method and subject. International Journal of Biology Education, 1(1). Pietrasiński Z (1969). Myślenie twórcze. Warszawa: PZWS. Prokop P, Fančovičova J (2006), Students’ Ideas About Human Body: Do They Really Draw What They Know? Journal of Baltic Science Education, 2(10): 86–95. Prokop P, Prokop M, Tunnicliffe SD (2008). Effects of keeping animals as pets on children’s conceptions of vertebrates and invertebrates. International Journal of Science Education, 30(4): 431-449. Reiss MJ, Tunnicliffe SD (2001). Students’ understandings of human organs and organ systems. Research in Science Education, 31(3): 383-399. Rennie LJ, Jarvis T (1995). Children’s choice of drawings to communicate their ideas about technology. Research in Science Education, 25.3: 239-252. Rykow N (1956). Metodyka nauczania zoologii (tłum. Michajłow W), Warszawa: PZWS. Sfard A (1998). On two metaphors for learning and the dangers of choosing just one. Educ Res, 27:4–13. Sośnicki K (1925). Zarys dydaktyki. Podręcznik dla użytku seminarjów nauczycielskich i nauczycieli. Lwów: Wydawnictwo Książek Szkolnych. Stein MI (1963). A Transactional Approach to Creativity. W: Scientific Creativity:Its Recognition and Development, red. Taylor CW, Barron F, 217-227. Uszyńska-Jarmoc J (2011). Czego nie wiemy o twórczości w szkole? Obszary zdeformowane, ignorowane i/lub zaniedbane. Chowanna, 1(36): 13-24. Winklewski J (1969). Rysunek w nauczani geografii. Warszawa: PZWS. Zborowski J (1966). Unowocześnienie metod nauczania. Warszawa: Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych. wersja PL SZKOŁA 87 KRÓTKO Rysowanie w edukacji biologicznej – model konceptualizacji | Eliza Rybska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Nauczyciele powinni zwiększać zainteresowanie uczniów ochroną środowiska i przyrody, pokazując im wartości i korzyści płynące z utrzymywania wysokiej różnorodności biologicznej. Ponieważ stale doświadczamy konfliktów między urbanizacją a ochroną naturalnych stanowisk w obrębie granic miejskich, kluczowe stało się, aby wychowywać dzieci i młodzież w poszanowaniu przyrody i zrównoważonego rozwoju. Dlatego też proponujemy prowadzenie długoterminowego projektu przez gimnazja i szkoły średnie, rozpoczynającego się w klasie pierwszej. Podsumowanie koncepcji projektu przedstawia ryc. 1. Czas realizacji: 3 lata. Rozpoczęcie we wrześniu lub październiku*; jeden miesiąc obserwacji, powtarzany corocznie. Otrzymany obszar powinien zostać opracowany pod względem występujących na nim form i aktywności służących ochronie środowiska i przyrody. Oznacza to odnotowanie np. parków, lasów, łąk, zbiorników wodnych, a także liczby i rodzajów kontenerów służących do segregacji odpadów i skrzynek lęgowych. Będziemy je nazywać odtąd „formami ochrony”. Projekt służy realizacji kilku celów: • Porównanie odnotowanych form ochrony między latami. Edukacja w gimnazjum lub szkole średniej trwa co najmniej trzy lata, co pozwala na tworzenie baz danych dla takiego okresu czasu. • Porównanie poszczególnych części miasta lub osiedli. • Po latach, zgromadzona baza danych może posłużyć do porównań między okresami badań. Wartość edukacyjna takiej pracy jest nie do przecenienia. • Uczniowie proszeni są o: • współpracę, • kontakt z biologicznymi aspektami miasta wyrażonymi jako m.in. fauna i flora miasta, • analizę skuteczności i różnorodności form ochrony, • zaproponowanie nowych rozwiązań, • użycie narzędzi dostępnych w Internecie w nieco inny sposób niż dotychczas, • analizę danych, wyszukanie mocnych i słabych stron, analizę dynamiki zmian pod względem stosowanych form ochrony w czasie, • wysuwanie wniosków. Projekt angażuje uczniów do pracy jako amatorskich ochroniarzy przyrody i dziennikarzy. Praca tych drugich opiera się na: • wyszukiwaniu informacji w mediach, szczególnie Internecie, lokalnej prasie i stacjach radiowych, dotyczących działalności sprzyjających i niesprzyjających środowisku, dokumentowaniu bioróżno- wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka I. Opis projektu wersja PL Ryc. 1. Graficzne podsumowanie projektu * Zaleca się rozpoczęcie realizacji projektu z początkiem roku szkolnego, gdyż wówczas kończy się lato i wiele gatunków roślin oraz zwierząt jest nadal aktywnych (choć część ptaków opuściło już kraj). Zbiór danych w dalszych miesiącach będzie cenny i użyteczny, niemniej obserwacje prowadzone późnym latem w klasach trzecich mogą okazać się bardzo trudne lub niemożliwe z uwagi na egzaminy końcowe. mgr Sebastian Pilichowski: Wydział Nauk Biologicznych, Uniwersytet Zielonogórski; Żywa Edukacja – Sebastian Pilichowski, an edukator mgr inż. Agnieszka Tokarska-Osyczka: Wydział Nauk Biologicznych, Uniwersytet Zielonogórski; Zielony Adres Agnieszka Tokarska-Osyczka; architekt krajobrazu EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas 88 SZKOŁA Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 1)Nauczyciel dzieli wieś, miasteczko lub miasto na obszary o porównywalnej powierzchni. 2)Nauczyciel daje uczniowi lub grupie jedną część miejscowości do opracowania (w zależności od liczby uczniów w klasie, powierzchni miejscowości itd.). 3)Nauczyciel proponuje formę zbierania danych. 4)Nauczyciel zakłada bloga lub konto na wybranej platformie społecznościowej (ewentualnie prosi szkolnego administratora lub informatyka o pomoc). 5)Po miesiącu obserwacji oraz zbierania danych, uczniowie publikują swoje analizy na stronie internetowej. 6)Nauczyciel planuje spotkanie podsumowujące. Zadaniem nauczyciela jest prezentacja całości zebranych danych oraz zachęcenie uczniów do dyskusji na temat różnic między badanymi obszarami. Wynik dyskusji powinien zostać opublikowany na stronie internetowej. Jesteśmy świadomi, że wielu nauczycieli jest skłonnych powiedzieć, że z punktu widzenia obciążenia czasowego niniejszy projekt jest absurdalny, niemożliwy do zrealizowania. Przy naszym współczesnym systemie edukacji problemem staje się zorganizowanie pojedynczego wyjścia w teren z powodu braku czasu. Jednak z łatwością znajdziemy wielu nauczycieli, którzy w sobie znany sposób są zdolni przeprowadzić doskonałą lekcję w terenie, ogrodzie zoologicznym czy botanicznym. Oczywiście, często poświęcają tym samym swój wolny czas. Mimo tego właśnie to poświęcenie nierozerwalnie związane jest z byciem nauczycielem lub edukatorem. Niniejszy projekt angażuje uczniów do pracy indywidualnej, przez co bardzo ważne staje się opracowanie właściwego systemu nagradzania. Uczniowie powinni mieć powód i cel. Dobre oceny mogą stanowić powód podjęcia się realizacji założeń projektu, zaś kontakt z zagadnieniami związanymi z ochroną środowiska i przyrody może służyć za cel. Zachęcanie uczniów do takiej pracy jest bardzo trudne, ponieważ znajdują oni wiele innych rozrywek, m.in. w Internecie. Dlatego nauczyciel powinien to wykorzystać i zachęcić ich do korzystania z Internetu jako źródła użytecznych informacji, tym samym zapewniając im dodatkową edukację. Jak ustalić powierzchnię badanego obszaru miasta? Można na przykład użyć: Google Earth, Google Maps lub Geoportalu. Do oszacowania powierzchni można użyć również darmowego oprogramowania: ImageJ. Można ustalić tam skalę, narysować wielokąt na obra- zie i zmierzyć jego powierzchnię. To samo dotyczy powierzchni parków, stawów, łąk itp. Można również użyć narzędzi wbudowanych w Geoportal, umożliwiających łatwy pomiar powierzchni lub długości na ortofotomapie. IV. Wzorcowa organizacja notatek podczas pierwszego roku 1)Opis części miasta. • Lokalizacja (można użyć współrzędnych lub stron świata). • Rodzaj zabudowy (wieżowce, kamienice, domy jednorodzinne, zabudowa szeregowa itp.). • Wykaz miejskich terenów zieleni i ich powierzchnia. • Wykaz oczek i cieków wodnych. • Wykaz i usytuowanie sklepów ogrodniczych i plantacji z otwartymi przestrzeniami (które mogą być odwiedzane przez owady i inne małe zwierzęta) i pasiek. • Wykaz instytucji takich jak: ogrody botaniczne i zoologiczne, prywatne ogródki (o szczególnych walorach) itp. • Lasy, łąki itp. 2)Obiekty indywidualne. • Wykaz starych drzew, alei (ich długość), pomników przyrody [patrz Załącznik I]. • Zazielenione balkony, roślinność w pojemnikach w mieście itp. • Wykaz budek lęgowych dla ptaków i nietoperzy na drzewach i budynkach (zaleca się je wskazać na mapie). • Wykaz hoteli dla owadów i ich usytuowanie. • Wykaz i usytuowanie karmników i innych obiektów, które mogą zapewnić wodę dla ptaków i owadów. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA III. Trudności związane z projektem wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA II. Prowadzenie projektu 7)Po trzech latach uczniowie analizują różnice z perspektywy czasu. 8)Nauczyciel podsumowuje trzy lata badań. 9)Nauczyciel nagradza uczniów. wersja PL KRÓTKO rodności (kwitnące łąki, owady, ptaki, porosty, mchy na drzewach i skałach itd.) przy użyciu aparatu lub innego urządzenia (np. smartphone lub tablet), • przedstawieniu zebranych wiadomości w formie foto- lub wideobloga na stronie internetowej szkoły lub przy użyciu mediów społecznościowych (Twitter, Facebook, YouTube, WordPress i inne). Może to pomóc rozpowszechnić: • lokalną potrzebę ochrony środowiska i przyrody, • informacje o dobrych praktykach w powyższych aspektach, • dobry wizerunek szkoły (jako dodatkowa korzyść). 89 Obserwacje powinny być wykonane na bazie dokumentacji w pierwszym roku. Powinny one podkreślać nowe rozwiązania, rozwój i zanik istniejących form ochrony. Jeśli pojemniki na surowce wtórne zostały gdzieś usunięte należy o tym wspomnieć. To samo dotyczy zdewastowanych budek lęgowych dla ptaków i nietoperzy, zieleni miejskiej itp. VI. Przykładowe zadania związane z projektem 4) Nazwy gatunków ptaków występujących w twojej części miasta. Co sprawia, że mogą one tam bytować? 5) Opracuj wykres (w MS Excel, OpenOffice Calc itp.) pokazujący: • odsetek rodzimych gatunków drzew względem gatunków obcego pochodzenia rosnących w twojej części miasta, • odsetek rodzimych i obcego pochodzenia drzew rosnących w twojej części miasta (liczba pojedynczych drzew) (ryc. 2.). 1) Narysuj sieć pokarmową i sieć ekologiczną istniejącą w twojej części miasta. 2)Napisz naukowe nazwy drzew występujące w twojej części miasta. Które z nich są: a) rodzime, b) obce, c) inwazyjne? 3) Znajdź informacje w literaturze i Internecie dlaczego należy unikać wprowadzania gatunków inwazyjnych? wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA V. Dokumentacja podczas drugiego roku i trzeciego roku wersja PL KRÓTKO • Niezabudowane otwory wentylacyjne w budynkach, umożliwiające gniazdowanie ptaków. • Liczba kontenerów na odpady podlegające segregacji. 3)Złe praktyki: • Brak zróżnicowanych pojemników na surowce wtórne. • Nowoczesna termoizolacja budynków (brak lub zamknięte otwory wentylacyjne). • Śmieci na ulicach, nieopróżnione kosze. • Ścieki odprowadzane do oczek i cieków wodnych. • Wycinanie drzew, które nie zagrażają zdrowiu i życiu ludzi. • Palenie śmieci w piecach centralnego ogrzewania i przez ogrodników. • Wypalanie łąk. • Korzystanie z niewłaściwych pułapek na owady oraz środków owadobójczych szkodliwych dla pszczół. 4)Dobre praktyki: przeciwieństwa punktu 3. oraz przykłady wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, w szczególności energii słonecznej, pozostawianie próchniejącego drewna w parkach wspomagającego rozwój różnych organizmów. 5)Dokumentacja – lista zdjęć oraz filmów z datami i informacjami o autorach. Na przykład wykaz ptaków, wiewiórek, bezkręgowców, roślin kwitnących i owocujących, porostów na drzewach (ważnych jako bioindykatory jakości powietrza), wystaw i imprez związanych z zachowaniem i ochroną środowiska. 90 SZKOŁA Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 2. Porównanie liczby gatunków drzew i osobników reprezentujących te gatunki w świetle ich pochodzenia (przykład) EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 VII. Przydatna literatura Eisenreich W, Handel A, Zimmer UE (2000). Przewodnik do rozpoznawania roślin i zwierząt na wycieczce. MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa. Johnson O (2009). Przewodnik Collinsa. Drzewa. Wyd. Multico Oficyna Wydawnicza, Warszawa. Linford J (2009). Drzewa. Kieszonkowy przewodnik. Wyd. Parragon, UK. McGavin GC (2005). Kieszonkowy atlas owadów i pajęczaków. Dorling Kindersley, Warszawa. Pirc H (2006). Drzewa od A do Z. Wyd. KDC, Warszawa. wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA NAUKA VIII. Rysunki i przykładowa dokumentacja fotograficzna Ryc. 3. Pomnik przyrody w mieście: cypryśnik błotny (Taxodium distichum) [Zielona Góra]. (S. Pilichowski) Ryc. 4. Zielony balkon. (A. Tokarska-Osyczka) Pulin AS (2013). Biologiczne podstawy ochrony przyrody. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Reichholf J (1999). Żyją wśród nas. Leksykon przyrodniczy. Bertelsmann Publishing, Warszawa. Reichholf-Riehm H (1997). Owady. Leksykon przyrodniczy. Bertelsmann Publishing, Warszawa. Rutkowski L (2007). Klucz do oznaczania roślin naczyniowych Polski niżowej. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Sauer F (1996). Ptaki lądowe. Leksykon przyrodniczy. Geocenter International, Warszawa. Sauer F (1996). Ptaki wodne. Leksykon przyrodniczy. Geocenter International, Warszawa. Seneta W, Dolatowski J (2015). Dendrologia. Wyd. czwarte. PWN, Warszawa. Solomon EP, Berg LR, Martin DW (2013). Biologia. MULTICO. Vermeulen N (2006). Encyklopedia drzew i krzewów. Wyd. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO 6) Opisz podstawową morfologię porostów występujących na różnych gatunkach drzew i skał. 7)Jakie warunki muszą być tworzone w danym obszarze miasta w celu zwiększania bioróżnorodności zwierząt, np. owadów lub ptaków? 8) Wybierz jedną z form ochrony ze swojej części miasta i opisz ją ukazując jej wszystkie zalety, aby przekonać innych, że jest ona bardzo ważna z punktu widzenia zachowania i ochrony środowiska. Dodaj zdjęcie wybranego przez siebie obszaru. 9) W przypadku, gdy w twojej części miasta obecne są cieki wodne, stawy itp., zbierz obfity materiał fotograficzny przedstawiający organizmy tam żyjące. Przygotuj prezentację multimedialną, która zostanie przesłana na stroną internetową projektu. Pokaż, że woda jest niezbędna dla różnych form życia, nawet w strefie miejskiej. 10)Zorganizuj imprezę w szkole, gdzie ty i twoi koledzy zaprezentujecie wyniki swojej pracy. 11)Wybierz i sklasyfikuj pięć gatunków roślin i zwierząt, zaczynając od królestwa i kończąc na gatunku. Zaprezentuj ich relacje filogenetyczne (4. poziom, wariant rozszerzony). 91 92 Ryc. 7. Skrzynki lęgowe pomagają ptakom w rozrodzie. (S. Pilichowski) wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO SZKOŁA Ryc. 5. Aleja lip w Łagowie Lubuskim. (A. Tokarska-Osyczka) wersja PL NAUKA Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Ryc. 8. Różnorodność porostów mocno zależy od jakości powietrza... (S. Pilichowski) Ryc. 6. Przykład złej pielęgnacji drzewa. (A. TokarskaOsyczka) Ryc. 9. ...i różnorodności gatunkowej drzew. (S. Pilichowski) EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 93 Długoterminowy projekt środowiskowy dla klas | Sebastian Pilichowski, Agnieszka Tokarska-Osyczka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Załącznik I. Przykładowa dokumentacja Tabela 1. Przykładowa metoda, jak inwentaryzować pojedyncze drzewa. 1. Nazwa polska [gatunek] Olsza Walor [np. wiek, rozmiar, pomnik przyrody] - 2. Dąb size/age Lp. Lokalizacja ul. Reja N 50°2’27” E 21°59’56” Lp. Dominujący gatunek drzewa 1. Klon Przebieg [skąd - dokąd] ul. Poznańska – ul. Reja Długość [m] 1250 Ryc. 10. Cieki wodne w miastach zwiększają bioróżnorodność. (S. Pilichowski) NAUKA Tabela 2. Przykładowa metoda inwentaryzacji alei. KRÓTKO • Google Earth, pobierz: http://www.google.pl/intl/pl/earth/download/ge/agree.html [8.02.2016] • Geoportal – http://www.geoportal.gov.pl/ • ImageJ, pobierz: http://imagej.nih.gov/ij/download.html [8.02.2016] SZKOŁA Załącznik II. Przydatne narzędzia i oprogramowanie Ryc. 11. Lepy często są nieefektywne względem wybranych szkodników. Zamiast tego powodują śmierć wielu nieszkodliwych i pożytecznych owadów. (S. Pilichowski) EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 94 Nowe zadanie PPP | Specialists from Science Section ERI and their experts | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Chemia – Metan z bagna Materiał przygotowują pracownicy Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE oraz eksperci zewnętrzni Zadanie Zadania przyrodnicze przygotowane przez przyrodników z Zespołu Dydaktyki Przedmiotów Szkolnych IBE. Niektóre z nich skonstruowano na potrzeby badania LM realizowanego w ramach projektu Entuzjaści Edukacji i odtajniono po II jego cyklu. Nigdy wcześniej nie były publikowane. Prezentowane zadania mają silny kontekst praktyczny i poruszają realne problemy, z którymi uczniowie mogą się zetknąć w życiu codziennym. Więcej o badaniu Laboratorium Myślenia na stronie: eduentuzjasci.pl/pl/badania.html?id=409 Czy na podstawie tego doświadczenia można wyciągnąć następujące wnioski? Czy można wywnioskować z doświadczenia? Stwierdzenia Adam przeczytał, że metan mogą wytwarzać bakterie w procesie rozkładu materii organicznej. Proces ten można zaobserwować np. na bagnach – pęcherzyki gazu, które wydobywają się na powierzchnię, zawierają metan. W celu potwierdzenia tej informacji Adam przygotował układ przedstawiony na rysunku. Umieścił w kolbie stożkowej glebę bagienną. Kolba połączona była rurką szklaną z cylindrem wypełnionym wodą. Po kilkunastu godzinach cylinder wypełnił się bezbarwnym gazem, wypierając z niego wodę Autorzy: wersją referencyjną jest wersja EN 1. 2. 3. Gaz w cylindrze ma mniejszą gęstość niż woda. Gaz w cylindrze słabo rozpuszcza się w wodzie. Gaz w cylindrze jest palny. Tak / o Nie Tak / o Nie o Tak / Nie Komentarz Umiejętnością mierzoną w tym zadaniu jest wnioskowanie na podstawie wyników doświadczenia. Jest to jedna z najważniejszych, a zarazem najtrudniejszych KRÓTKO SZKOŁA autor zadania: Magdalena Czugała; autor komentarza: Małgorzata Musialik NAUKA Nowe zadanie PPP wersja PL na początku eksperymentu Specialists from Science Section ERI and their experts po kilkunastu godzinach EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 Nowe zadanie PPP | Specialists from Science Section ERI and their experts | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Stwierdzenia 1. 2. 3. Gaz w cylindrze ma mniejszą gęstość niż woda. Gaz w cylindrze słabo rozpuszcza się w wodzie. Gaz w cylindrze jest palny. Procent odpowiedzi [%] Tak (71,2%) / Nie (28,0%) Tak (72,0%) / Nie (27,1%) Tak (43,2%) / Nie (55,9%) wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Wymagania szczegółowe: 1. Substancje i ich właściwości. Uczeń: 1)opisuje właściwości substancji będących głównymi składnikami stosowanych na co dzień produktów np. soli kamiennej, cukru, mąki, wody, miedzi, żelaza; wykonuje doświadczenia, w których bada właściwości wybranych substancji; 8.Węgiel i jego związki z wodorem. Uczeń: 4)obserwuje i opisuje właściwości fizyczne i chemiczne (reakcje spalania) alkanów na przykładzie metanu i etanu; Całe zadanie zostało poprawnie rozwiązane przez 39% uczniów biorących udział w badaniu. Trzy czwarte uczniów nie miało większych problemów z oceną 1 i 2 stwierdzenia, natomiast tylko 56% uczniów wskazało prawidłową odpowiedź w przypadku stwierdzenia 3, co oznacza, że nie potrafili zinterpretować wyników do- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Wymagania ogólne: II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. 2.1. Uczeń opisuje właściwości substancji i wyjaśnia przebieg prostych procesów chemicznych; III. Opanowanie czynności praktycznych. 3.2.Uczeń projektuje i przeprowadza proste doświadczenia chemiczne. NAUKA świadczenia lub nie zauważyli, że dowody na to stwierdzenie mają znaleźć w opisie doświadczenia. Zadanie było dla uczniów trudne i raczej słabo różnicowało ich pod względem poziomu umiejętności, tj. ogólnego wyniku uzyskanego przez ucznia w całym teście. Zadanie jest zgodne z następującymi wymaganiami zawartymi w podstawie programowej dla chemii dla III etapu edukacyjnego: KRÓTKO umiejętności, jakie powinien nabyć uczeń w toku nauczania chemii. Aby poprawnie rozwiązać zadanie, należy zauważyć, że na początku doświadczenia odwrócony do góry dnem cylinder był całkowicie wypełniony wodą, a po kilkunastu godzinach wypełnił się u góry gazem, który wyparł z niego częściowo wodę. Następnie wywnioskować, że gaz ten – metan – musi się słabo rozpuszczać w wodzie, skoro zgromadził się nad jej powierzchnią (stwierdzenie 2) oraz że ma on od wody mniejszą gęstość, dlatego wypłynął na jej powierzchnię (stwierdzenie 1). Po zebraniu gazu do cylindra nie przeprowadzono doświadczenia weryfikującego jego palność, np. poprzez włożenie zapalonego łuczywka do cylindra, a więc chociaż metan jest gazem palnym, to nie dowiedziono go w tym konkretnym doświadczeniu. Zadanie zostało zbadane na grupie 118 absolwentów gimnazjum. W poniższej tabeli przedstawiono rozkład procentowy ich odpowiedzi (pogrubioną czcionką zaznaczono odpowiedź poprawną, odsetki nie sumują się do 100%, ponieważ część uczniów nie zaznaczyła żadnej odpowiedzi). 95 Recenzja książki z dyskusją Książka składa się ze Wstępu oraz rozdziałów: 1. Teoria ewolucji – spór o dowody, 2. Informacja w biologii – życie to nie tylko chemia, 3. Sprzeciw wobec teorii ewolucji, 4. Teoria ewolucji a etyka, 5. Teoria ewolucji a religie świata, 6. Dewolucja. Na końcu znajdują się dwie pozytywne recenzje autorstwa prof. Władysława Chałupki (Instytut Dendrologii PAN) oraz prof. Marka Jerzego (profesor emerytowany). Niniejsza recenzja zawiera także dyskusję z zagadnieniami poruszonymi w książce z właściwymi cytatami, które dobrano wybiórczo, m.in. dlatego, że nie sposób dyskutować z wiarą, religią i przekonaniami na polu próby naukowego podważenia teorii ewolucji. Ewolucja, dewolucja, nauka Sebastian Pilichowski wersją referencyjną jest wersja EN Maciej Giertych Ewolucja, dewolucja, nauka Wydawca: Fronda, Wydawnictwo Giertych Warszawa 2016 ISBN: 978-83-80790-27-8 jest ze swoich poglądów już od lat. Jego list do prestiżowego czasopisma Nature (Giertych 2006) pt. „Creationism, evolution: nothing has been proved” wywołał falę krytyki, również wobec redakcji czasopisma, która postanowiła opublikować ten list. Maciej Giertych postrzegany jest często jako ikona ruchu antyewolucjonistycznego w Polsce i Europie. Stosując nazwy gatunkowe, czy rodzajowe należy unikać odmieniania nazw łacińskich. Autor recenzowanej pracy używa nazw rodzajowych pisząc je z wielkiej litery i czcionką prostą, ponadto deklinując, np.: „Archeopteryxa” – strona 40. (prawidłowa pisownia rodzajowa Archaeopteryx, po polsku archeopteryks), czy „Latimerii” – strona 40 (wielka litera). Z drugiej strony używa prawidłowych spolszczeń, mimo istnienia polskiego odpowiednika: „skamieniałości nautilusa” (Nautilus = łodzik, nazwa rodzajowa reliktowych głowonogów, kilka współczesnych gatunków). Na stronie 38. znajdujemy często prezentowaną rycinę ukazującą w zamyśle przejścia od wczesnych form hominidów do człowieka współczesnego, wyposażonego we włócznię. Rycina podsumowana została w te słowa: „To propaganda ewolucyjna, a nie nauka”. Niemożliwym jest nie oddać racji temu stwierdzeniu (choćby z powodu wieku ryciny), niemniej utwierdzanie czytelnika w przekonaniu, że druga postać za formą nazwaną EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA Błędy merytoryczne i uchybienia. KRÓTKO Książka powstała na podstawie seminarium, które odbyło się 11 listopada 2006 r. w Parlamencie Europejskim w sprawie nauczania teorii ewolucji w europejskich szkołach („Teaching evolutionary theory in Europe. Is your child being indoctrinated in the classroom?”). Autor recenzowanej książki był organizatorem i moderatorem seminarium tłumaczonego na cztery języki (angielski, francuski, niemiecki i polski). Wśród prelegentów znaleźli się: 1)Dr Hans Zillmier, niemiecki paleontolog, który utwierdzał słuchaczy w przekonaniu o współistnieniu ludzi i dinozaurów. 2)Guy Berthault, francuski sedymentolog kwestionujący datowanie stratygraficzne (oparte na warstwach geologicznych). 3)Prof. Joseph Mastropaolo, specjalista w fizjologii człowieka, który wypiera nauczanie ewolucji na rzecz dewolucji. Maciej Giertych jako naukowiec zajmujący się biologią populacyjną postanowił zakwestionować nauczanie teorii ewolucji w szkołach z, jak twierdzi, punktu widzenia swojej specjalności, powołując się również w książce na ubożenie cech i alleli w obrębie ras (podsumowanie konferencji: Giertych 2007). Autor znany wersja PL NAUKA 96 Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Dzieje się tak, ponieważ teoria ewolucji o tym nie mówi. Mówi o specjacji, powstawaniu gatunków i przemianach różnorodności życia. Wśród przytoczonych wypowiedzi dwudziestu noblistów (rozdział „Nobliści przeciw ewolucji”) większość odnosi się do inteligentnego projektu, wiary i stwórcy oraz genezy życia (w kontekście falsyfikacji, wspomnianej w książce, jednak bliżej ewolucjonizmowi do nauki). Jedynie kilka cytatów zaznacza trudności związane z wyjaśnieniem ewolucji na drodze mutacji oraz samoistnej organizacji aparatu translacyjnego. Zauważmy też, że większość wypowiedzi pochodzi z XX wieku, zaś ewolucjonizm stale się rozwija, uściśla założenia, znajduje nowe pola działań i oczywiście nowe trudności. Słowa Dennisa Gabora „Po prostu nie potrafię uwierzyć, że wszystko rozwinęło się poprzez przypadkowe mutacje” nie są naukowym argumentem i niczego nie wnoszą do dyskusji nad tym czy ewolucja jest faktem czy nie. Wiara jest kwestią osobistą. Nauka to nie wiara, nauka to stawianie pytań, odpowiadanie na nie i ustalanie faktów przy użyciu całego arsenału metod. Z kolei ze sławnym cytatem o tym, że przypadkowe powstanie życia to tak, jakby tornado przeszło przez złomowisko i złożyło Boeinga 747 (Fred Hoyle, 1983) rozprawił się zdemonizowany w omawianej książce Richard Dawkins (1998, rozdział 3.). W swej książce Dawkins napisał: „[...] darwinizm nie jest teorią losowego przypadku. Jest teorią losowych zmian i nielosowego kumulatywnego doboru naturalnego” (strona 93.) oraz „[...] nazywam ją makromutacją typu Boeing 747. Mutacja taka nie istnieje w rzeczywistości i nie ma nic wspólnego z teorią Darwina” (strona 122.). Recenzja i dyskusja. „[...] czaszka Neandertalczyka chroni mózg średnio większy od mózgu człowieka współczesnego o 100%. Mimo tej informacji [...] portretuje się Neandertalczy- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA (Cichocki i in. 2015). Ponadto wykształcenie fałszywego kciuka u pandy i pandki to jeden z najznamienitszych przykładów konwergencji wśród ssaków (Salesa i wsp. 2006). W omawianym rozdziale autor niekonsekwentnie podaje nazwy organizmów z ich odpowiednikiem angielskim, naprzemiennie stawiając nazwę obcą przed rodzimą i odwrotnie (poniżej pisownia oryginalna), np.: • „MANTIS SHRIMP (Krewetka modliszkowa)”, • „MITSUKURINA (Goblin Shark)”, • „AARDVARK, Prosię ZIEMNE, (Orycteropus AFER)” (AFER zostało napisane wielkimi literami). Nieco konfundujące może być przytaczanie, mimo wszystko prawidłowego, synonimu mrównika (prosię ziemne), gdy raptem trzy strony wcześniej przy opisie ryjkonosa autor pisze „Ryjkonosy spokrewnione mogą być z [...] mrówniki [...]”. Czemu służy zatem stosowanie nazwy prosię ziemne? Z pewnością nie spójności tekstu. Na stronie 92. czytamy „Każda gameta (ziarno pyłku, plemnik, komórka jajowa) […]”. Pamiętajmy, że ziarno pyłku to nie gameta. Ziarno pyłku to pierwotnie mikrospora, w obrębie której wykształca się gametofit produkujący dwa jądra plemnikowe. Cztery strony dalej pada stwierdzenie: „To samo dotyczy haploidalnych organizmów, które z gamety wyrastają, czyli gametofitów [...]”, podczas gdy to gametofity produkują gamety. Ciężko również zgodzić się z wypowiedzią: „[w wyniku mutacji] w odczycie alfabetem łacińskim, czy białkowym będzie błąd. Czytelność tekstu zmaleje. To będzie defekt tekstu. Tak działają mutacje – psują to, co dobre” (strona 86.). Rozważmy zdanie: „Dosyp mi proszę.” i wyobraźmy sobie mutację powodującą podstawienie litery ‘d’ literą ‘p’. Otrzymamy zdanie „Posyp mi proszę.”. Czytelność nie zmalała, zmienił się sens. Na gorsze, czy na lepsze? Typowym błędem w literaturze antyewolucyjnej jest zarzut, że nie tłumaczy powstania życia na Ziemi. wersją referencyjną jest wersja EN SZKOŁA „szympansem” to „goryl” jest równie dobrze propagandą. Wspomniana sylwetka nijak nie przypomina goryla. Wymienianie po kolei: szympans, goryl, Australopitek (dlaczego z wielkiej litery?), Neandertalczyk i Skandynaw świadczy o ciągłym niezrozumieniu istoty procesu ewolucji. Klasyczny błąd to powtarzanie, że człowiek pochodzi od małpy, podczas gdy człowiek i małpy człekokształtne mają jedynie wspólnego, hipotetycznego przodka. Ponadto goryl nie wywodzi się od szympansa (ani szympans od goryla) – linie rodowe Homo (człowiek) i Pan (szympans) są liniami siostrzanymi. Z kolei rodzaj Gorilla (goryl) jest siostrzany do grupy obejmującej Homo i Pan (Israfil i in. 2011). Ryszkiewicz (1995, strona 43): „Neandertalczyk zaliczony został z czasem wprost do gatunku Homo sapiens (nie może być więc brakującym ogniwem między czymkolwiek a człowiekiem)”. W rozdziale poświęconym przykładowym organizmom uważanym za żywe skamieliny autor wymienia krewetkę modliszkową. Wśród złych praktyk polskiej literatury przyrodniczej należy wymienić bezpośrednie tłumaczenie nazw z języka obcego na rodzimy. Dotyczy to „mantis shrimp”. Autor podaje obok siebie obie nazwy, angielską jako pierwszą i polską. Polski odpowiednik mantis shrimp to ustonogie (Stomatopoda) (rząd skorupiaków), wśród nich znajdziemy m.in. gatunki rawek reprezentujących różne rodzaje. W tym samym rozdziale umieszczono pandę mniejszą pod rzadziej używaną nazwą pandy czerwonej oraz krótki opis o jej pokrewieństwie do szopów, a nie pandy wielkiej. Nie do końca zrozumiałe jest poruszanie tego, dawno rozwiązanego, problemu. Czytamy: „to tylko dalecy krewniacy rodziny pandowatych”. Obecnie wyróżniamy rodzinę niedźwiedziowatych, do której należy panda wielka (Ailuropoda melanoleuca) oraz rodzinę szopowatych, do której należy panda mniejsza (czerwona) (Ailurus fulgens) o nowo wprowadzonej nazwie pandka ruda wersja PL KRÓTKO 97 Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 sowania się do zmian w zbiorowiskach roślinnych, które zamieszkiwały, czyli w odpowiedzi na stepowienie krajobrazu leśnego towarzyszącemu zmianom klimatu i powstawaniu formacji trawiastych. Nie bez znaczenia są analizy uzębienia u ssaków roślinożernych i komplikacje w ich morfologii u grup wymarłych przy porównaniu do współczesnych (Bowling i Ruvinsky 2000, Ryszkiewicz 2000). Wystarczy wspomnieć raz jeszcze koniowate, które osiągnęły wysokie korony (hypsodontia) o typie lofodontycznym, zaczynając w swej historii rodowej od koron niskich (brachiodontia) (Bowling i Ruvinksy 2000, Poplewski 1948). Doskonalenie aparatu ruchu i żucia zostało osiągnięte w odniesieniu do otwartego typu terenu i twardych traw jako pokarmu (zamiast miękkich liści). 2)Strategie rozrodcze roślin. Kwiaty, owoce, nasiona, pyłek – możemy je obserwować i porównywać zarówno u współcześnie żyjących, jak i wymarłych grup roślin. Dostrzeżemy zastąpienie homosporii (jednakozarodnikowość) [mszaki, większość paprotników] heterosporią (różnozarodnikowość) [część paprotników, nasienne]. Podobnie dominacja gametofitu (mszaki) wyparta na korzyść sporofitu (naczyniowe) okazała się kluczem do sukcesu na lądzie. Nie należy przy tym zapomnieć o arcy-zdobyczy ewolucyjnej, jaką jest zarodek ukryty w łupinie nasiennej (nasienne), a dalej chroniony przez owoc (okrytozalążkowe / okrytonasienne) (Barett 2008, Karpowicz 1972, Langdale i Harrison 2008). Powyższe dwa przykłady mogą okazać się niewystarczające wobec zarzutu autora. Wszystko z uwagi na czas towarzyszący przemianom, toteż podam przykłady, które mogą być obserwowane dziś: 3)Żołądek ssaka o zaczątkach wielokomorowości. Pekari obrożne (Pecari tajacu; Tayassuidae) (wg EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA powinien się znaleźć, jednakże jest kilka powodów, dla których mógł zostać zidentyfikowany w trakcie badań. Najbardziej oczywistym jest kontaminacja próbek w laboratorium, jednak zakładamy, że badania te (i) zostały przeprowadzone prawidłowo, (ii) wyniki nie zostały sfałszowane (bo nie tylko ewolucjoniści są zdolni do fałszerstw). Materia organiczna podlegająca fosylizacji ulega mineralizacji, a oznacza to, że dochodzi do wymiany pierwiastków, zmian we wzajemnych proporcjach ilościowych i jakościowych. Nie wyklucza to migracji węgla obcego pochodzenia po utracie przez próbkę autochtonicznego węgla. Po wtóre nie bez znaczenia może być aktywność mikroorganizmów, w tym bakterii i grzybów, które mogą zasiedlać wolne przestrzenie, a po obumarciu deponować w próbce węgiel. Ponadto datowanie próbek nigdy nie może odbywać się na podstawie jednej metody. Należy używać kilku metod, dotyczy to również badań składu różnych izotopów. O tym, niestety, często się zapomina. Za współistnieniem ludzi i dinozaurów przemawiają dzieła sztuki znajdowane w różnych częściach świata z wizerunkami zwierząt interpretowanych jako dinozaury (strona 43.). Szczególne wrażenie na zwolennikach tego poglądu robią znaleziska z Ameryki Południowej i Azji. Upatrują w nich bowiem wizerunki m.in. triceratopsa i stegozaura. Akceptując taką metodę interpretacji należy uznać za realne pierzaste węże, cyklopy, jednorożce, gryfy i pegazy. Rozmaite egzotyczne kultury inspirowały się przyrodą tworząc swe wierzenia i nie do przeceniania jest otaczające je bogactwo gatunkowe m.in. gadów. Strona 80. „Nigdzie nie znajdujemy organów czy funkcji w procesie doskonalenia. Ewolucjoniści wolą nie pamiętać o tej trudności”. Oto kilka przeczących przykładów: 1)Szereg wymarłych przedstawicieli drzewa rodowego koniowatych, u których wspaniale widać redukcję palców i wykształcenie kopyt na rzecz przysto- wersja PL SZKOŁA ków jako owłosione, prymitywne małpoludy” (strona 38.). Podążając tym tokiem rozumowania ssaki o większych czaszkach od człowieka powinny odznaczać się niesamowitą inteligencją. Nie jest tak, ponieważ nie wielkość mózgu stanowi o inteligencji, a jego skomplikowana architektura. Na stronie 69. autor podaje tzw. skamieliny wielostrefowe (w geologii zwane pionowymi) jako przykład przeczący stosowaniu stratygrafii we współczesnym ujęciu, podczas gdy na koniec pada konkluzja „W sposób oczywisty były zasypane w ramach jakiejś pojedynczej katastrofy”. W rzeczywistości jedno drugiemu nie przeczy, zaś prac poświęconych takim skamieniałościom, szczególnie drzew, szacowanych na setki milionów lat nie brakuje: Brzyski i in. 1976, Falcon-Lang 2003, 2005, 2006, czy Rygel 2004. Autorzy tych prac tłumaczą podłoże gwałtownych sedymentacji, dyskutują nad wielokrotnym odkładaniu się osadów, jak również częstokroć zwracają uwagę na znaczny wpływ wody w procesie sedymentacji. Tu w zgodzie z przytoczoną historią o erupcji wulkanu w USA w 1980 roku i powstaniem w przeciągu kilkudziesięciu godzin warstw osadów przypominających te o wiele starsze geologicznie. Wszystko przy pomocy wody. Podsumowując, zarzuty wobec tablic stratygraficznych przedstawione w książce są klasycznymi prezentowanymi w licznych pracach kreacjonistów i przypuszczalnie wszystkie, a na pewno większość z nich, zostało już odpartych. O nawiązaniu do dzieł kreacjonistycznych świadczy używanie terminu polystrate fossils (skamieniałości wielowarstwowe). Kolejnym, dość świeżym, „dowodem” na zaniżenie wieku Ziemi jest kontrowersyjne doniesienie o badaniach nad zawartością węgla 14C w kościach dinozaurów. Wyniki zostały zaprezentowane w 2012 roku w Singapurze po uprzednim odrzuceniu ich przez organizatorów konferencji w San Francisco. Prawdą jest, że w kościach dinozaurów izotop węgla 14C nie 98 KRÓTKO Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 fotosyntezy. Rośliny te są zwyczajnie żywotniejsze i odnoszą większy sukces reprodukcyjny. Wyobraźmy sobie sytuację, w której na łące rosną rośliny X i Y. Załóżmy, że: • roślina X wydziela do gleby związki chemiczne toksyczne dla rośliny Y (allelopatia), • roślina Y nabyła, w podobny sposób jak szarłat, oporność na te związki, kosztem efektywności fotosyntezy. Naturalnym oczekiwaniem jest, że w sytuacji zniknięcia rośliny X (np. w wyniku gradacji jakiegoś owada roślinożernego) na łące pojawi się z czasem więcej roślin Y o wyższej efektywności fotosyntezy, ale o braku oporności na toksyczne związki pochodzące z rośliny X. W książce padają liczne zdania o darwinizmie socjalnym, walce klas i eugenice. Rzeczywiście nadinterpretacja założeń darwinizmu i tzw. walki o byt doprowadziła do powstania rozmaitych systemów postępowania i myślenia, które śmiało można określić okrucieństwem. Niemniej należy pamiętać, że są to nadinterpretacje, pomijające pewne założenia na rzecz innych. W rozdziale „Etyka czy brak etyki?” autor porusza problem powiązań eugeniki (darwinowskiej, faszystowskiej i komunistycznej) i ewolucjonizmu (strona 112. „Marksizm, freudyzm i ewolucjonizm to ideologie, które aspirują do rangi naukowości”; strona 120. „Eugenika jako nauka pojawiła się jako konsekwencja przyjęcia teorii ewolucji Darwina”). Jednoznacznie daje do zrozumienia, że akceptowanie ewolucji daje przyzwolenie na odrzucenie zasad etyki, wręcz do tego zachęca. Zaznaczmy, że zasady etyki to pojęcie bardzo plastyczne, które można idealnie modelować na gruncie wyznaniowym, naukowym, kulturowym i społecznym. Mówiąc o ewolucji jako źródle ogólnie pojętego zła w postaci m.in. eugeniki, a zapominając o chrześcijańskich stosach, islamskiej agresji wobec chrześcijan, eksterminacji kultur „pogańskich” (mających również EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA noi), które korzystają z pęcherza pławnego niczym my z naszych płuc. Zaznacza się również komplikacja wymiany gazowej. Ryby dwudyszne należą do ryb mięśniopłetwych (Sarcopterygii), podobnie jak omawiana dalej latimeria. Z doskonaleniem jest jeszcze jeden problem. Ewolucja to nie proces doskonalenia, a proces zmian. Zmiana nie zawsze jest doskonalsza. Cecha pierwotniejsza nie oznacza, że jest prymitywniejsza, niekiedy prostota rozwiązań jest promowana ponad wysokie skomplikowanie budowy i funkcji. Dobrym podsumowaniem tego zagadnienia są słowa Ryszkiewicza (2000): „Choć dla wielu ludzi ewolucja jest synonimem postępu, dziś uważa się, że jedynym kryterium, wedle którego dokonuje się selekcja w przyrodzie, jest zdolność do pozostawiania po sobie potomstwa, a nie [...] «wyższość» czy «doskonałość»”; „dobór faworyzuje tylko skuteczność, a nie złożoność budowy, większą inteligencję lub wielkość ciała zwierzęcia” (strona 62.). W rozdziale „Mutacje” autor podkreśla szkodliwy wpływ mutacji na przeżywalność organizmów oraz to, że mutacja zmienia jedynie funkcję. Podaje on przykład mutacji polegającej na zamianie adeniny na guaninę w kodonie pierwotnie kodującym serynę (AGT), w wyniku której kodowana jest glicyna (GGT). Na skutek mutacji, kodowane przez ten gen białko nadaje organizmowi oporność na herbicyd – atrazynę. Towarzyszy temu jednak spadek efektywność fotosyntezy. Autor podsumowuje: „Jak tylko wycofuje się używanie atrazyny, dzika forma szarłatu powraca. Tak więc naturalna selekcja preferuje formę dziką, a nie zmutowaną” (strona 27.). Zdanie to wskazuje, jak wiele nieporozumień wynika z interpretacji mechanizmu naturalnej selekcji. Otóż, po pierwsze dobór nie preferuje, a promuje i przede wszystkim eliminuje. Po drugie, co istotniejsze, nie ma nic dziwnego, że w wyniku zniknięcia presji (herbicyd) dominuje forma dzika o wyższej efektywności wersja PL SZKOŁA nowego nazewnictwa pekariowiec obrożny), południowoamerykański gatunek ssaka jest zwierzęciem wszystkożernym. Niemniej badania anatomiczne i histologiczne żołądka wykazały, że narząd ten składa się z: worków przedniego i tylnego oraz komory trawiennej (Pilichowski i Zawada 2011, Schwarm i wsp. 2010). Niniejsze przystosowania, obok innych, świadczą o podobieństwach do blisko spokrewnionych z pekari świniowatych (Suidae) oraz dalszych krewnych, jakimi są przeżuwacze (Ruminantia). Można śmiało oczekiwać, że w sytuacji wysokiej presji środowiskowej na zdominowanie diety pokarmem roślinnym, pekari przybliży się przystosowaniami cech układu trawiennego do tych wykazywanych przez przeżuwacze. Póki co efektywność trawienia względem wyspecjalizowanych roślinożerców, jakimi są przeżuwacze pozostawia wiele do życzenia, ale właśnie między innymi to odróżnia pekari od swych świniowatych krewnych. Nie dotyczy to babirussy srebrnej (Babyrousa babyrussa) (świniowate) przejawiającej skomplikowanie budowy żołądka, dając obraz konwergencji z przeżuwaczami w kierunku żołądkowej fermentacji pokarmu roślinnego (Leus i wsp. 1999). 4)Narządy oddechowe ryb. W książce czytamy: „gdyby etap «skrzeli» był pośrednim etapem w rozwoju embrionalnym człowieka, to bruzdy „podobne do skrzeli” przekształcałyby się w płuca, co w przyrodzie nie zachodzi” (strona 60.). Otóż nie ma potrzeby, by zalążki skrzeli przekształcały się w płuca, bowiem narządy oddechowe kręgowców lądowych – płuca – są homologiczne z pęcherzem pławnym ryb. Do dziś istnieją gatunki ryb korzystające z pęcherza pławnego jako narządu pomocniczego w wymianie gazowej. Znamy również żyjące współcześnie ryby – dwudyszne (Dip- 99 KRÓTKO Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 o trybie życia. Nie wspomina zaś słowem, że stanowi ogniwo pośrednie ryb i płazów, również w części poświęconej pochodzeniu płazów. Badania molekularne, paleontologiczne i z zakresu anatomii porównawczej pokazują, że niczym dziwnym byłoby, gdyby rzeczywiście od ryby do żaby i od żaby do człowieka było równie daleko, skoro Lissamphibia, grupa obejmująca m.in. żaby (Ranidae) znajduje się na zupełnie innym oraz dalekim odgałęzieniu na drzewie filogenetycznym kręgowców. Zwyczajnie droga rozwojowa prowadząca do człowieka dawno zeszła z kursu prowadzącego do żab (Hinchliff i wsp. 2015). „Na przykład, jak miałaby wyglądać istota pośrednia między myszą a nietoperzem, by móc ją uznać za poszukiwane «brakujące ogniwo»?” (strona 38). Niestety, kolejne nieporozumienie, klasyczne wśród argumentów antyewolucyjnych. Nietoperze mają znacznie bliżej ewolucyjnie do drapieżnych (Carnivora) i kopytnych (Ungulata), niż do gryzoni (Rodentia) (Murphy i wsp. 2007, Hinchliff i wsp. 2015). Stąd nie ma mowy o ogniwie pośrednim, podobnie jak z żabą i rybą w kontekście człowieka. Z zagadnieniem ogniw pośrednich jest ten problem, że antyewolucjoniści upatrują w nich pojedyncze organizmy, które najlepiej by były wyposażone w cechy pierwotne i te nowe lub zmienione. Otóż, ogniwem pośrednim może być cała sekwencja organizmów, w których upatruje się stopniowych przekształceń cech. Polecam zapoznać się z anatomią czaszki ssaków i gadów, również tych wymarłych i przeanalizować podręcznikowy przykład pochodzenia kosteczek słuchowych – kowadełka i młoteczka. W tym miejscu należy również wspomnieć dwa nurty dzielące wielu ewolucjonistów – saltacjonizm i gradualizm. Według pierwszego z nich zmiany dokonują się skokowo, zaś drugi zakłada stopniowe przemiany. Nie jest wykluczone, że w przyrodzie oba mają miejsce, zatem spór może okazać się zbędny. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA nowania nie-niemieckich i nie-rosyjskich ludów”. Z łatwością można odnaleźć alternatywne oznaki terroru studiując feudalizm kościelny średniowiecznej i późniejszej Europy. Wszystko jest kwestią tego jak daleko można wypaczyć interpretację. Autor przytacza w swej książce kilka istotnych aspektów dotyczących ryb: 1)„Latimeria, którą uważano za wymarły gatunek, stanowiący ogniwo pomiędzy rybami a zwierzętami lądowymi [...] badanie tkanek miękkich Latimerii wykluczyło, by mogła być prapłazem” (strona 40.), 2)„od ryby do żaby jest tak samo daleko jak od ryby do człowieka” (strona 60.), 3) „organy wewnętrzne latimerii nie wykazują oznak przystosowania do środowiska lądowego i nie dają wskazówek, jak ryba mogła stać się płazem” (strona 61.). Latimeria jest rybą – to fakt. Płazem nigdy nie była. Dwa współcześnie żyjące gatunki reprezentują ryby celakantokształtne (trzonopłetwokształtne; Coelacanthiformes) i wyżej należą do ryb mięśniopłetwych. Wśród nich, nie w latimerii, należy upatrywać hipotetycznego przodka czworonogów (Tetrapoda). Tym bardziej, że latimeria nie była brana przez wielu ewolucjonistów i paleontologów za ogniwo pośrednie między rybami i płazami. Ryziewicz i wsp. (1953) pisali: „Przy rozpatrywaniu pochodzenia płazów bierze się pod uwagę tylko Choanichthyes [...] Choanichthyes obejmują dwie grupy: ryby dwudyszne – Dipnoi i ryby trzonopłetwe Crossopterygii”. Ani słowa o latimerii w kwestii pochodzenia płazów. Jedyna wzmianka o latimerii: „w okolicach Afryki Wschodniej złowiono w ostatnich czasach w morzu dwa osobniki należące do tej archaicznej grupy. Jest to Latimeria i Malania”. Szarski (1982) w swej popularnej książce „Historia zwierząt kręgowych” podaje opis latimerii, jej adaptacji i snuje przypuszczenia wersja PL SZKOŁA miejsce dziś za pomocą misji, gdzie niesienie pomocy jest równoznaczne z nauczaniem nowej, słusznej wiary), wzajemnych wojnach na tle religijnym, trwających od tysiącleci, jest dalece idącym wypaczeniem. Wypaczeniem niestety stale pojawiającym się w literaturze antyewolucyjonistycznej. Co ciekawe, w podsumowaniu seminarium z 2006 roku czytamy (Giertych 2007): „Mastropaolo trochę osłabił siłę swojej prezentacji obwiniając przyjęcie teorii ewolucji odpowiedzialnością za „rzeki krwi” zorganizowane w 20 wieku przez ideologie komunistyczne i nazistowskie. Ta ekstrapolacja ma pewne uzasadnienie […], ale stanowiła oczywistą przesadę”. Na stronie 12. autor pisze: „Rośnie obciążenie genetyczne, czyli liczba defektów genetycznych w populacjach organizmów żywych. Przedstawił [Joseph Mastropaolo] zastraszające dane o geometrycznym wzroście chorób genetycznych u człowieka, zagrażających istnieniu naszego gatunku.”, po czym w omawianym rozdziale krytykuje głosy przemawiające za świadomym dobieraniem gamet u człowieka, mających na celu unikanie niniejszych obciążeń genetycznych. Oczywiście, każde narzędzie daje możliwość nadużycia. Nożyczkami też można zabić. Absolutnie niezrozumiałe, z punktu widzenia próby naukowego podważenia ewolucji, jest przytaczanie informacji o tym, że celebryci handlują komórkami rozrodczymi. „Naturalna selekcja to wybieranie zdrowych i pięknych genów” wg cytowanego Rona Harrisa (strona 135) to żaden dowód naukowy na ewolucję ani przeciw ewolucji. To jedynie zdanie, które ktoś gdzieś wypowiedział. Nie jako pierwszy, nie jako ostatni. To, jak łatwo można manipulować założeniami ewolucji pokazuje m.in. książka Fryderyka Engelsa „Dialektyka przyrody”. Na stronie 136. recenzowanej książki czytamy: „pozostaje faktem, że używano darwinizmu do usprawiedliwiania barbarzyństwa, które towarzyszyło niemieckim i rosyjskim próbom zdomi- 100 KRÓTKO Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 ko dewolucja. [...] Wszyscy wiemy, że mutacje niszczą informację genetyczną. Mogą też zniszczyć skrzydła. W pewnych warunkach takie bezskrzydłe owady mogą okazać się bardziej zdolne do życia niż uskrzydlone, ale nie są to przykłady pojawiania się nowej informacji genetycznej, tylko [...] utraty. Nie wspiera to teorii ewolucji” (strona 167.). Paradoksem jest dualizm tej wypowiedzi. Utrata skrzydeł nie musi oznaczać utraty genu związanego z wykształcaniem skrzydeł, a zmiany w jego zapisie i np. zablokowanie jego ekspresji. Po drugie utrata skrzydeł może mieć daleko idące konsekwencje odzwierciedlone zmianą zasiedlanej niszy ekologicznej, przy dalszej działalności doboru naturalnego. Skutkiem może być postępująca komplikacja lub redukcja istniejących rozwiązań na rzecz uzyskania nowych funkcji. Innymi słowy wspomniana dewolucja przyczyni się ewolucji. Dodajmy, że śledząc historię ewolucyjną wybranych grup owadów dostrzega się utratę skrzydeł, następnie przywrócenie skrzydeł w liniach potomnych. Jak widać, nie zawsze informacja jest utracona na zawsze. W kontekście uskrzydlenia w rzędzie straszyków pisali Whiting i wsp. (2003). Omawiając dewolucję autor uwypukla wymierania gatunków zachodzące współcześnie słusznie wskazując na duży wpływ człowieka w tym procesie. Z drugiej strony wzbrania się przed jednoznacznym osądem człowieka i jego głównej roli w eksterminacji bioróżnorodności. Czynnik ludzki to przypuszczalnie niespotykany dotychczas czynnik biologiczny odpowiedzialny za tak znaczne i szybkie wymierania w skali globu. Z kolei samej dewolucji przeczą szacunki bioróżnorodności w geologicznej przeszłości Ziemi przeprowadzone przez Johna Phillipsa (opublikowane w 1860) i Johna Sepkoskiego (opublikowane w 1984) (Ward 1995). Na zakończenie podsumujmy specjację, czyli tworzenie się gatunków. Największym zarzutem przeciwników teorii ewolucji, nawet jeżeli akceptują istnienie EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA pomagać przetrwać. Stale pojawiające się w książce tłumaczenie, że nie świadczy to o pojawieniu się nowej informacji czy funkcji, a jedynie o modyfikacji istniejącej jest nadużyciem. Badania genetyczne i embriologiczne wskazują na powiązania piór ptasich i gadzich łusek (Chuong i wsp. 2000, Greenwold i wsp. 2014). Z punktu widzenia pokrywy ciała funkcja może być rzeczywiście jedynie częściowo zmodyfikowana. Natomiast z punktu widzenia uzyskania powierzchni nośnej, jaką zapewniają pióra, należy mówić o nowej funkcji względem pierwotnej. „W każdym z trzech przypadków (koniugacja, transformacja, transdukcja) mamy do czynienia nie z ewolucją nowej funkcji, a tylko z pozapłciowym przenoszeniem już istniejącej [...]” (strona 95.). Na dzień dzisiejszy wiadomo, że genom różnych gatunków błonkówek posiada materiał genetyczny wirusowego pochodzenia. Używają go m.in. parazytoidy do osłabiania układu odpornościowego ofiar (Rizki i Rizki 1990). Niewykluczone, że błonkówki zdolne do indukcji rozwoju galasów również korzystają z wirusowego materiału genetycznego celem podporządkowania fizjologii i aparatu genetycznego gospodarza roślinnego. Na tę chwilę to jedynie hipoteza (Cornell 1983, Stone i wsp. 2010). Gdyby okazała się prawdziwa, wówczas wirus nie tylko wykorzystałby istniejącą już cechę, ale owad korzystając z niej osiągnąłby nową jakość – galas służący rozwojowi owadziego potomstwa w pierwszym rzędzie. Korzyść płynąca dla elementu pochodzenia wirusowego jest jednoznaczna – przetrwanie informacji genetycznej w obrębie genomu błonkówki. Weryfikacja wspomnianej hipotezy w najbliższej przyszłości to jeden z kierunków badań cecidologicznych (nauka o galasach). W rozdziale poświęconym dewolucji autor przytacza przykład chrząszczy zamieszkujących wyspy, u których dobór naturalny promował osobniki bezskrzydłe. Pisze: „Utrata czy redukcja skrzydeł to nie ewolucja tyl- wersja PL SZKOŁA Wśród zarzutów wobec nieprzejrzystości ewolucji wymienione zostały żebropławy (Ctenophora) z unikalnym układem nerwowym. „Skąd więc miałyby wyewoluować? Zmienność w przyrodzie nie ma granic” – pyta autor. Jékely i wsp. (2015) dyskutują nad pozycją filogenetyczną żebropławów. Najnowsze analizy sugerują, że żebropławy stanowią grupę siostrzaną do całej reszty Metazoa (zwierzęta). Rodzi to dwa scenariusze ewolucji układu nerwowego. W pierwszym z nich układ nerwowy wyodrębnił się u wspólnego przodka wszystkich zwierząt i uległ redukcji m.in. u gąbek. Drugi scenariusz sugeruje niezależne powstanie układu nerwowego u żebropławów i w obrębie kladu wspólnego dla zwierząt o symetrii dwubocznej (Bilateralia) i parzydełkowców (Cnidaria). Czy jest to tak wysoce nieprawdopodobne, skoro znamy tyle przykładów konwergencji w świecie organizmów żywych? Układ nerwowy jest pochodzenia ektodermalnego, gdyby był mezodermalnego czyniłoby to rzeczywiście trudnym do wyobrażenia, że nagle powstaje z innych listków zarodkowych. Na stronie 89. autor prezentuje czytelną tabelę o trzech kolumnach: informacja zredukowana, wymieszana, zwiększona. W pierwszej kolumnie znajdziemy m.in. izolację, dryf genetyczny, selekcję, zaś w drugiej m.in. panmiksję, hybrydyzację, czy troskę o bioróżnorodność. W trzeciej kolumnie nie znajdziemy niczego, zatem nie istnieje proces zwiększający zasób informacji. Leży to u podłoża próby obalenia ewolucji, a promocji dewolucji. Po czym czytamy: „Nowi przybysze [...] stają się źródłem zwiększenia genetycznej różnorodności”. Dostrzegam tu niespójność, gdyż autor postrzega informacje pod postacią genów jako stałe w czasie lub wymierające. Pojawienie się każdego nowego allelu, niezależnie, czy w wyniku losowej mutacji, czy w obrębie populacji na skutek imigracji powoduje zwiększenie informacji - co najmniej na szczeblu lokalnym. Niniejszy allel w zestawieniu z innym może okazać się letalny lub 101 KRÓTKO Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Podsumowanie Książka „Ewolucja, dewolucja, nauka” przysparza problemów w ocenie. Po przeczytaniu wstępu czytelnik może odnieść wrażenie, że na rynku polskim pojawiła się pozycja literatury mogąca stać się powodem poważnej dyskusji na temat teorii ewolucji. Z każdym rozdziałem niestety pozytywne wrażenie niknie, ponieważ czytelnik nie wie, czy czyta o rzekomych wadach ewolucjonizmu, etyce, elementach współczesnego kreacjonizmu, opinii kościoła, tytułowej dewolucji, czy o ochronie bioróżnorodności. Liczne błędy, odmłodzone zarzuty rodem z XIX i XX wieku czynią książkę niemerytoryczną we współczesnej dyskusji na temat teorii ewolucji. Książka nie wzbogaca puli klasycznych zarzutów wobec typowych „dowodów” na rzekomą niemoc ewolucjonistów do tłumaczenia np. powstania oka (Dawkins 1998, rozdział „Czterdzieści dróg do oświecenia” doskonale podejmuje ten problem). Recenzowana praca nie posiada spisu literatury, który byłby wskaźnikiem jakości dobieranych argumentów. W tekście, w poszczególnych rozdziałach, przytaczane są wybrane pozycje z literatury, głównie kreacjonistycznej i antyewolucjonistycznej. Stanowi to kolejny dowód na niską jakość dyskusji autora z założeniami teorii ewolucji. Omawiana książka to kolejny element ruchu antyewolucjonistycznego w Polsce w ostatnich latach, co dobrze omówił Borczyk (2010). Wśród pozytywnych cech książki znajduję: a)Od strony technicznej przejrzystość i wzorową oprawę graficzną, liczne zdjęcia i grafiki, ponadto dużą czcionkę. Treść jest prosta w odbiorze. Książkę czyta się szybko, co jest też ukrytą wadą, ponie- waż w rzeczywistości na ok. 160 stronach znajduje się mało tekstu. A mało tekstu oznacza mało zarzutów, szczególnie przy rozbudowanych wyjaśnieniach procesów i zjawisk oraz definicjach. b)Uwrażliwia na ochronę przyrody i zasobów biosfery w czasach ich wymierania. Niniejsza książka dostarcza przykładów, gdzie wciąż edukacja z zakresu ewolucjonizmu i dziedzin przyrodniczych i biologicznych jest niedostateczna. Jest to również książka, którą powinno omawiać się korygując błędy merytoryczne oraz nieaktualne poglądy na temat teorii ewolucji. Przykłady wskazane w dyskusji mogą śmiało być użyte na lekcjach przyrody i biologii jako ćwiczenie zrozumienia trudnego działu, jakim jest ewolucjonizm. Literatura Amorim MCP, Simoes JM, Fonseca PJ, Turner GF (2008). Species differences in courtship acoustic signals among five Lake Malawi cichlid species (Pseudotropheus spp.). Journal of Fish Biology 72: 1355-1368. Barret SCH (2008). Major evolutionary transitions in flowering plants reproduction: an overview. Int. J. Plant Sci. 169(1): 1-5. Borczyk B (2010). Creationism and the Teaching of Evolution in Poland. Evo Edu Outreach 3: 614-620. Bowling AT, Ruvinsky A (2000). The Genetics of the Horse. CAB International. Wallingford. Brzyski B, Gradziński R, Krzanowska R (1976). Stojące pnie kalamitów w odsłonięciu cegielni Brynów i warunki ich pogrzebania. Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego 46: 159-182. Cichocki W, Ważna A, Cichocki J, Rajska E, Jasiński A, Bogdanowicz W (2015). Polskie nazewnictwo ssaków świata. Warszawa: Muzeum i Instytut Zoologii PAN. Cornell VH (1983). The secondary chemistry and complex morphology of galls formed by the Cynipinae (Hymenoptera): Why and how? American Midland Naturalist 110: 225-234. Chuong C-M, Chodankar R, Widelitz RB, Jiang T-X (2000). Evo-Devo of feathers and scales: building complex epithelial appendages. Current Opinion in Genetics & Development 10: 449-456. Dawkins R (1998). Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa. Prószyński i S-ka. Warszawa. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA cierników zamieszkujących strumienie i jezioro. Badania te wspomagają nasze rozumienie mechanizmów odpowiadających za proces specjacji. wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO doboru naturalnego i mechanizmy jego działania, jest to, że specjacja to proces niemożliwy do obserwacji w trakcie życia badacza. Za Mayrem (1974) wyróżniamy specjację allopatryczną i sympatryczną. Pierwsza z nich zdaje się prostsza do wyjaśnienia, ponieważ zakłada, że gatunki potomne powstają na skutek rozdzielenia zasięgu populacji macierzystej poprzez barierę, np. pasmo górskie. A zatem gatunki potomne mają różną ojczyznę (allos – różny, patris – ojczyzna). Przez długi czas specjacja sympatryczna była kwestionowana, wielu zwolenników teorii ewolucji odrzucało założenie, jakoby specjacja zachodziła w obrębie populacji zlokalizowanej w jednej „ojczyźnie” (syn – razem). A jednak, wśród różnych grup organizmów znajdujemy dziś dowody na to, że specjacja sympatryczna jest realna. Najlepszego dowodu dostarczają ryby, szczególnie pielęgnicowate (Cichlidae). Swoistym laboratorium ewolucyjnym stało się jezioro Malawi (Niasa) w Afryce, gdzie naukowcy badający pielęgnice traktują je za przykład dynamicznej radiacji. Najprawdopodobniej doszło do niej dzięki samicom, które ulegały samcom wykazujących różne cechy (barwy, sygnały chemiczne i dźwiękowe) (Amorim i wsp. 2008). O ile pielęgnice to od lat powtarzany przykład, to stale pojawiają się nowe doniesienia w temacie specjacji. Spektakularnym doniesieniem jest praca opublikowana 29 lutego 2016 r. w PLoS Genetics przez Marques i wsp. (2016). Badania dotyczyły populacji ciernika (Gasterosteus aculeatus), małej ryby, zamieszkującej Jezioro Bodeńskie (Niemcy, Szwajcaria) i udających się na tarło do strumieni oraz populacji zamieszkujących te strumienie. Wobec powyższego obie populacje mają możliwość wymiany genów podczas tarła. Okazuje się jednak, że na przestrzeni ok. 150 lat doszło do wyraźnego wykształcenia się odmiennych morfologicznie ekotypów, wykazujących również różnice w okresie rozrodu czy diecie. Marques i wsp. (2016) przedstawili dowody na lokalne różnice w genomach wersja PL NAUKA 102 Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Sympatric Threespine Stickleback. PLOS Genetics, 34 strony. Mayr E (1974). Populacje, gatunki i ewolucja. PW „Wiedza Powszechna”. Warszawa. Murphy WJ, Pringle TH, Crider TA, Springer MS, Miller W (2007). Using genomic data to unravel the root of the placental mammal phylogeny. Genome Research 17(4): 413-421. Pilichowski S, Zawada Z (2011). Możliwości adaptacyjne pekari obrożnego (Pecari tajacu). XII Toruńskie Seminarium Ekologiczne – Ewolucja strategii reprodukcyjnych i życiowych. Toruń. Poplewski R (1948). Anatomia ssaków. Tom IV. SW „Czytelnik”. Sztokholm. Strony: 15-30. Rizki RM, Rizki TM (1990). Parasitoid virus-like particles destroy Drosophila cellular immunity. Proceedings of the National Academy of Science 87: 8388-8392. Rygel MC, Gibling MR, Calder JH (2004). Vegetation-induced sedimentary structures from fossil forests in the Pennsylvanian Joggins Formation, Nova Scotia. Sedimentology 51(3): 531-552. Ryszkiewicz M (1995). Ziemia i życie. Rozważania o ewolucji i ekologii. Prószyński i S-ka. Warszawa. Ryszkiewicz M (2000). Ewolucja. Od Wielkiego Wybuchu do Homo sapiens. Prószyński i S-ka. Warszawa. Ryziewicz Z, Czyżewska T, Wolańska H (1953). Paleozoologia. Część II. Kręgowce. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Poznań, Wrocław. Salesa MJ, Antón M, Peigné S, Morales J (2006). Evidence of a false thumb in a fossil carnivore clarifies the evolution of pandas. PNAS 103(2): 379-382. Schwarm A, Ortmann S, Rietschel W, Kuhne R, Wibbelt G, Clauss M (2010). Function, size and form of gastrointestinal tract of the collared Pecari tajacu (Linnaeus 1758) and white- lipped peccary Tajassu pecari (Link 1795). European Journal of Wildlife Research 56(4): 569-576. Stone G, Schönrogge K, Csóka G (2010). Three person views of the future of gall research. Cecidology 25(2): 58-67. Szarski H (1982). Historia zwierząt kręgowych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa. Ward P (1995). Kres ewolucji. Dinozaury, wielkie wymierania i bioróżnorodność. Prószyński i S-ka. Warszawa. Whiting MF, Bradler S, Maxwell T (2003). Loss and recovery of wings in stick insects. Nature 421: 264-267. wersja PL SZKOŁA Engels F (1952). Dialektyka przyrody. Książka i Wiedza. Warszawa. Falcon-Lang HJ (2003). Early Mississippian lycopsid forests in a delta-plain setting at Norton, near Sussex, New Brunswick, Canada. Journal of the Geological Society 161(6): 969-981. Falcon-Lang HJ (2005). Small cordaitalean trees in a marine-influenced coastal habitat in the Pennsylvanian Joggins Formation, Nova Scotia. Journal of the Geological Society 162: 485-500. Falcon-Lang HJ (2006). Latest Mid-Pennsylvanian tree-fern forests in retrograding coastal plain deposits, Sydney Mines Formation, Nova Scotia, Canada. Journal of the Geological Society 163(1): 8193. Giertych M (2006). Creationism, evolution: nothing has been proved. Nature 444, 265. Giertych M (2007). O ewolucji w szkołach europejskich. Tłumaczenie „On evolution in the European Parliament”. Plik pdf, polski: http://opoka.giertych.pl/evolution.pdf , angielski: http://opoka. giertych.pl/evolution_en.pdf (dostęp 14 III 2016). Greenwold MJ, Bao W, Jarvis ED, Hu H, Li C, Gilbert MTP, Zhang G, Sawyer RH (2014). Dynamic evolution of the alpha (α) and beta (β) keratins has accompanied integument diversification and the adaptation of birds into novel lifestyles. BMC Evolutionary Biology 14: 249. Hinchliff CE, Smith SA, Allman JF, Burleigh JG, Chaudhary R, Coghill LM, Crandal KA, Deng J, Drew BT, Gazis R, Gude K, Hibbett DS, Katz LA, Laughinghouse IV HD, McTavish EJ, Midford PE, Owen CL, Ree RH, Rees JA, Soltis DE, Williams T, Cranston KA (2015). Synthesis of phylogeny and taxonomy into a comprehensive tree of life. Proceedings of the National Academy of Sciences 112(41): 12764-12769. Israfil H, Zehr SM, Mootnick AR, Ruvolo M, Steiper ME (2011). Unresolved molecular phylogenies of gibbons and siamangs (Family: Hylobatidae) based on mitochondrial, Y-linked, and X-linked loci indicate a rapid Miocene radiation or sudden vicariance event. Mol Phylogenet Evol 58(3): 447-455. Jékely G, Paps J, Nielsen C (2015). The phylogenetic position of ctenophores and the origin(s) of nervous systems. EvoDevo 6:1. Karpowicz W (1972). Z ewolucji roślin. Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych. Warszawa. Langdale JA, Harrison CJ (2008). Chapter 16. Developmental transitions during the evolution of plant form. W: Evolving pathways: key themes in evolutionary developmental biology, strony 299316. Leus K, Goodall GP, Macdonald AA (1999). Anatomy and histology of the babirusa(Babyrousa babyrussa) stomach. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences - Series III - Sciences de la Vie 322(12): 1081-1092. Marques DA, Lucek K, Meier JI, Mwaiko S, Wagner CE, Excoffer L, Seehausen O (2016). Genomics of Rapid Incipient Speciation in 103 KRÓTKO Recenzja książki z dyskusją | Sebastian Pilichowski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Recenzja książki Wiesława Stawińskiego W nurcie życia Ilona Żeber-Dzikowska Opublikowana niedawno książka Wiesława Stawińskiego, dotycząca opracowania aspektów dotyczących edukacji dla dydaktyki w kontekście teorii, praktyki oraz badań, stanowi bardzo cenny i wartościowy merytorycznie materiał rzeczowy. Pozycja ta jest pomocą naukową oraz metodyczną; odpowiada na oczekiwania szkół wyższych, związane z możliwością rozwijania wszechstronnego zakresu dydaktyki. Jest również znaczącą publikacją, która pozwala na uzmysłowienie czytelnikowi roli i rangi rozwoju dydaktyki biologii i ochrony środowiska. Refleksje biograficzne Pana Profesora, jego wspomnienia, opisane podróże naukowe i krajoznawcze popularyzują wyniki badań w obszarach edukacji dla rozwoju dydaktyki. Autor także dzieli się z odbiorcą doświadczeniami polskiej szkoły wyższej na arenie międzynarodowej. Książka adresowana jest do szerokiego grona osób zainteresowanych problematyką, działających w obszarze edukacji dotyczącej dydaktyki z zakresu biologii i ochrony środowiska. Ponadto umożliwia zapoznanie się z obserwacjami, wnioskami oraz proponowanymi postulatami Autora, inspiruje środowisko naukowe do zaangażowania w realizację zapisów Dekady Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju, celem zapobiegania Wiesław Stawiński W nurcie życia In the Stream of Life Published by: Airo Studio, Mariola Bylicka Bielsko-Biała 2014 ISBN: 978-83-936577-3-5 dalszej dewastacji przyrody naszej planety, jak i na dalszą przyszłość realizacji powyższej problematyki poprzez działalność IUCN i innych międzynarodowych instytucji. Społeczeństwo w procesie globalizacji powinno charakteryzować się wysoką aktywnością proekologiczną, samorządnością i zdolnością do współpracy dla dobra wspólnoty. W Polsce zjawisko budowania takiego spo- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA Warto przeczytać... godne polecenia.... chwila refleksji... łeczeństwa wymaga stymulacji. Istnieje potrzeba podejmowania inicjatyw i odpowiedzialności, przekładającej się na współdecydowanie o funkcjonowaniu rzeczywistej edukacji, a także w sferze relacji człowiek – środowisko. Prowadzone od lat działania na rzecz podwyższenia świadomości ekologicznej społeczeństwa przynoszą efekt, jednak poziom tej świadomości trudno uznać dzisiaj za wystarczający. Szkoły wszystkich stopni i placówki oświatowe realizują edukację środowiskową w sposób formalny. Jej niezbędnym uzupełnieniem jest edukacja nieformalna, niosąca wiedzę, której przenikanie do świadomości społecznej skutkuje zmianą niewłaściwych postaw i wartości, na rzecz nawyków i postaw proekologicznych. Zapoznając się z bardzo wartościowymi refleksjami i przemyśleniami Autora, warto też podkreślić udokumentowanie poprzez zdjęcia bliskich osób, znajomych, przyjaciół, pracowników naukowych, dydaktycznych uczestniczących w twórczych konferencjach, wyjazdach, sympozjach, seminariach oraz niezapomniane fotografie z wypraw. Książka napisana przez Profesora W. Stawińskiego wzbudza pewien sentyment i zapoznaje z historią wydarzeń wojennych, które przeżyła Jego rodzina oraz udziałem ojca Autora w walkach toczonych na wschodzie z armią radziecką, jego niewolą w obozie w Starobielsku, uzmysławia osobie czytającej zdystansować się do przeżyć psychicznych całej rodziny. Czytając dogłębnie refleksje biograficzne Autora, można skonfrontować z przemyślanym i dedykowanym przeze mnie Szanownemu Panu Profesorowi mottem – „Przedmioty nie są istotne ani drogocenne. Za to szczęście, umiłowanie piękna, poszanowanie wartości, przyjaźń między ludźmi, dialog, komunikacja interpersonalna, chęć pomocy drugiemu człowiekowi – to jest istota prawdziwego, radosnego i optymistycznego życia, które wpływa na własną osobowość”. Profesor dedyku- wersja PL SZKOŁA Recenzja książki 104 KRÓTKO Recenzja książki | Ilona Żeber-Dzikowska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Zachęcam i gorąco polecam, aby pochylić się nad refleksyjną lekturą autorstwa Profesora Wiesława Stawińskiego pt. „W nurcie życia”. Kontakt bezpośrednio z Autorem lub Wydawcą – Airo Studio, Mariola Bylicka pl. M. Lutra 3/2 w Bielsku Białej; strona internetowa Wydawcy: www.airostudio.pl lub kontakt z Ośrodkiem Wydawniczym „Augustana”, adres: pl. ks. M. Lutra 3, 43-300 Bielsko-Biała; strona internetowa Ośrodka Wydawniczego „Augustana” : www.augustana.com.pl. Ponadto warto podkreślić, że przygotowana publikacja, zasługuje na niewymierzalną ocenę, ze względu na cenne wartości merytoryczne, a także uwypuklenie aspektów praktycznych, niezbędnych w przygotowaniu człowieka do odpowiedzialnego, świadomego i refleksyjnego funkcjonowania w zmieniającym się świecie z poczuciem czynienia Dobra. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 wersją referencyjną jest wersja EN NAUKA z osobami w wielu przemierzonych krajach, stolicach, miastach, miasteczkach i wioskach. W programach międzynarodowych konferencji były organizowane zajęcia terenowe związane z problemami ochrony przyrody i ochrony środowiska oraz poznaniem kultury danego kraju poprzez poznanie miejscowych obyczajów, tradycyjnych potraw i przysmaków. Profesor Wiesław Stawiński przedstawia poszczególne wyjazdy, ukazując Hiszpanię, Indie, Izrael, Kostarykę, Hawanę, Australię, miasto Singapur, Rosję, Kenię, USA, Portugalię, Argentynę, Kanadę, Republikę Południowej Afryki, Finlandię, Norwegię, Szwecję, Danię, Słowenię, Estonię. Ponadto ukazuje kontakty naukowo-dydaktyczne z ośrodkami naukowymi w Niemczech z podziałem na Niemcy Wschodnie – NRD, Niemcy Zachodnie – Republikę Federalną Niemiec, wskazując współpracę z Uniwersytetem w Halle, Wyższą Szkołą Pedagogiczną w Güstrow, Uniwersytetem w Greifswaldzie, Uniwersytetem w Kilonii oraz pobyt w Austrii na stażu naukowym w Uniwersytecie w Salzburgu. W książce zostały pominięte wędrówki po Holandii, Francji, Szwajcarii, Włoszech i innych krajach europejskich. Zostały tylko zasygnalizowane problemy ówczesnych warunków życia w Polsce i w innych krajach europejskich i na całym świecie. Warto zachęcić Autora do napisania następnej książki – kolejnej części wspomnień, w której opowiedziałby o innych, niescharakteryzowanych wyżej wymienionych krajach oraz omówił zagadnienia związane z dziejami dydaktyki biologii, dydaktyki przyrody oraz edukacji przyrodniczej w Polsce na przestrzeni XX i XXI wieku. Ponadto można życzyć Profesorowi, aby Jego marzenie spełniło się i zostało w pełni zrealizowane, by mógł wyruszyć w wymarzony zakątek świata i opisać wędrówki po Chinach, w tym Tybecie. wersja PL SZKOŁA je książkę swoim Rodzicom, Rodzeństwu, Krewnym, Przyjaciołom, Współpracownikom, Znajomym, Nauczycielom, Profesorom i Studentom oraz innym Osobom w kraju i zagranicą, jako wyraz swojej wdzięczności za wszelkie wyświadczone dla Autora dobro... Publikacja autorstwa Wiesława Stawińskiego pt.: „W nurcie życia” składa się z wprowadzenia, wstępu, zakończenia i dwóch głównych części. W pierwszej z nich, zatytułowanej „Moja biografia. Moje wspomnienia”, Autor zamieścił rozważania na temat swojej rodziny, życia w przedwojennej Polsce, czas wojny, pierwsze powojenne lata, wspomina siebie jako człowieka klasowo obcego, który wybiera się na studia, początki pracy nauczycielskiej, przedstawia własną Osobę jako nauczyciela i wychowawcę, swoją rolę w doskonaleniu nauczycieli oraz prace naukowo – dydaktyczną. W drugiej części, pt. „Podróże naukowe i krajoznawcze”, Autor przedstawia różne historie, zdarzenia, spotkania z interesującymi osobowościami, z którymi spotkał się podczas licznych zagranicznych podróży i uczestniczenia w międzynarodowych konferencjach. Podróże naukowe oraz konferencje dały Profesorowi możliwość zaznajomienia się i zbliżenie merytoryczne ze światowymi tendencjami w rozwoju edukacji biologicznej i środowiskowej oraz naukowych badań biologiczno-dydaktycznych, podjęcie naukowych badań z zagranicznymi ośrodkami. Ponadto porównanie działalności naukowej prowadzonej w kraju z osiągnięciami w placówkach poza Polską. Obecnie kontakty naukowe, które pozostały, są nadal utrzymywane i poszerzane, zdobyte doświadczenia rekompensują wzmacniając rozwój naukowy pracowników Pana Profesora Wiesława Stawińskiego i ich kompetencje biologiczno-dydaktyczne. W rozdziale tym Autor dokładnie charakteryzuje wieloletnią swoją pracę nauczycielską i naukową poprzez ukazanie wspomnień przeżytych w różnych sytuacjach 105 KRÓTKO Recenzja książki | Ilona Żeber-Dzikowska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 106 Nowe wydanie słynnego podręcznika: Biologia Campbella | Redakcja | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Nowe wydanie słynnego podręcznika: Biologia Campbella Drugie polskie wydanie „Biologii” jest tłumaczeniem 10. wydania oryginału opublikowanego w 2014 r. Warto podkreślić, że 10. wydanie angielskie jest wciąż najbardziej aktualną wersją podręcznika. Kupując wydanie polskie mamy więc pewność, że dostajemy aktualny podręcznik zawierający treści odpowiadające aktualnemu stanowi wiedzy z prężnie rozwijającej się gałęzi nauki, jaką jest biologia. Przetłumaczenie książki liczącej ponad tysiąc stron w tak krótkim czasie (od wydania oryginału) to naprawdę duże wyzwanie. Tym bardziej biorąc ten podręcznik do rąk powinniśmy docenić zawarty w niej ciężar wiedzy. Podręcznik rzeczywiście nie jest lekki, ale to dotyczy jedynie jego masy; treść jest podana w sposób przejrzysty, a tekst czyta się z dużą przyjemnością. Dla osób zainteresowanych bio- SZKOŁA Najbardziej aktualny podręcznik do biologii Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson Biologia Campbella wydawca: Dom Wydawniczy REBIS Warsaw 2015 ISBN 978-83-7818-716-5 logią to będzie naprawdę przyjemna lektura. Zresztą, być może najbardziej wiarygodną rekomendacją książki będą słowa nauczyciela akademickiego pracującego na jednym z wydziałów humanistycznych na Uniwersytecie Warszawskim. Wyznał on redaktorowi naczelnemu EBiŚ, że „przeczytał książkę jednym tchem (choć ze względu na objętość podręcznika niewątpliwie musiał mieć przerwy w lekturze – red.), wie o biologii zdecydowanie więcej, a lektura była czystą przyjemnością”. Biologia Campbella bez Campbella? Być może to jest największa różnica między pierwszym a drugim wydaniem polskim podręcznika. Neil A. Campbell zmarł w 2004 r. O ile miał on wpływ, jak autorzy piszą w części „O autorach”, na koncepcję i treść poprzedniego wydania podręcznika (8. wydania w języku angielskim), to wydaje się, że aktualne wydanie powstało głównie za sprawą pozostałych autorów: EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Nie tak dawno temu, bo od tego czasu minęły zaledwie 3 lata, na łamach kwartalnika EBiŚ umieściliśmy recenzję pierwszego polskiego wydania podręcznika „Biologia” (EBiŚ 2013/2, s. 76). Wysoce pozytywna ocena to nie jedyna rzecz, która towarzyszy nowemu wydaniu, choć pewne zmiany między aktualnym a poprzednim wydaniem można oczywiście zauważyć. Nie ma sensu powielać tego, co o podręczniku „Biologia” powiedziano na łamach EBiŚ już 3 lata temu; skupimy się więc głównie na różnicach, które można zauważyć, gdy porówna się oba wydania „Biologii”. NAUKA Redakcja 107 Nowe wydanie słynnego podręcznika: Biologia Campbella | Redakcja | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 Genomika W podręczniku można znaleźć wiele części, w których autorzy starają się przekazać czytelnikom wpływ genomiki na pozostałe dziedziny biologii. Takie podejście wydaje się w pełni uzasadnione, ponieważ koszty sekwencjonowania genomów maleją z roku na rok i zapewne technologia ta w niedalekiej przyszłości stanie się naprawdę powszechnie dostępna, podobnie jak dzisiaj sekwencjonowanie DNA metodą Sangera. Zresztą wiele ćwiczeń umiejętności naukowych, w tym wcześniej wspomniane opracowanie logo sekwencyjnego, dotyczy badań z dziedziny genomiki. Czytając podręcznik daje się odczuć, że autorzy wybrali genomikę i jej owoce jako pewien drogowskaz przy opracowywaniu aktualnego wydania „Biologii Campbella”. Wydaje się, że to dobry pomysł – przecież dzięki temu każde kolejne wydanie podręcznika ma szansę się nieco różnić od poprzedniego, a czytelnik zawsze będzie miał poczucie, że obcuje z dziełem zawsze aktualnym. Aż chciałoby się teraz wiedzieć, która dziedzina biologii zostanie wybrana na Leitmotiv następnego wydania „Biologii Campbella”. Mając w ręku „Biologię Campbella” niektórzy na pewno krzyknęliby – jaka ciężka! Rzeczywiście, książka nie jest przeznaczona do codziennego noszenia w torbie czy plecaku. Ale posiadanie tej książki to czysta przyjemność! To książka przeznaczona raczej do użytku domowego, gdzie możemy ją położyć na solidnym blacie i oddać się poznawaniu kolejnych dziedzin biologii. Jednym z ważnych atutów podręcznika jest jego, można by powiedzieć, uniwersalność. Dotyczy to zarówno języka, jak i informacji przedstawionych w książce. Jest ona napisana w taki sposób, że zadowoli zarówno osobę rozpoczynającą przygodę z biologią, jak i studenta czy pracownika naukowego, który chciałby poznać obcy sobie dział biologii. Podobnie, książka jest znakomitym wyborem dla osób, które chciałby się „zorientować” co ciekawego dzieje się we współczesnej (i nie tylko) biologii, ale także dla tych, którzy chcieliby głębiej poznać wybraną dziedzinę nauki o ożywionej części przyrody. Gorąco polecamy „Biologię Campbella”! EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 NAUKA Tak nazywają się części podręcznika znajdujące się w każdym rozdziale. To nowość, która pojawiła się w aktualnym wydaniu podręcznika. W ćwiczeniach umiejętności naukowych czytelnik otrzymuje informacje na temat aktualnych problemów naukowych, opis przebiegu rzeczywistego doświadczenia wraz z danymi, które zostały opublikowane w czasopismach naukowych. Wśród cytowanych prac można znaleźć naprawdę nowe, jak na uwzględnione w tak obszernym podręczniku, jakim jest „Biologia Campbella”, opracowanie z 2011 r. dotyczące drzewa filogenetycznego szczepów wirusa grypy H1N1 (rozdział 19., str. 404). Pytania podane w części „Zinterpretuj dane” mogą być wyzwaniem dla ucznia szkoły ponadgimnazjalnej, a nawet niektórych studentów, ale z pewnością stanowią wartościowy punkt wyjścia np. do dyskusji w grupie wraz z nauczycielem. Nie ulega wątpliwości, że poruszenie tak aktualnego problemu badawczego w oparciu o rzeczywiste publikacje jest atutem podręcznika, ponieważ dzięki takiemu podejściu czytelnik ma poczucie, że biologia jest nauką, która zajmuje się aktualnymi i ważnymi problemami. Innym przykładem ćwiczenia umiejętności naukowych jest publikacja dotycząca opracowania logo sekwencyjnego, czyli sposobu zapisu wielu sekwencji nukleotydowych w czytelny sposób z wykorzystaniem elementów graficznych (rozdział 17., str. 349). Wprawdzie publikacja źródłowa pochodzi z 1990 r., ale ta metoda zapisu obecnie znajduje bardzo Podsumowanie SZKOŁA Ćwiczenia umiejętności naukowych szerokie zastosowanie i to bardzo dobrze, że czytelnicy „Biologii Campbella” mają szansę zapoznać się z samym sposobem zapisu logo sekwencyjnego, ale także dowiedzieć się w jaki sposób naukowcy opracowali tę metodę zapisu. Wydaje się jednak, że autorzy mogli dostosować numerację pozycji w sekwencji nukleotydowej do najczęściej obecnie stosowanego zapisu, w którym pierwszy ulegający translacji nukleotyd oznacza się jako +1, a nie jako pozycję 0. Niezależnie od drobnych uwag, które wymieniliśmy wyżej, wprowadzenie ćwiczenia umiejętności naukowych do każdego rozdziału podręcznika to znakomity pomysł, który podnosi atrakcyjność i tak atrakcyjnego podręcznika do biologii. wersją referencyjną jest wersja EN KRÓTKO Jane B. Reece, Lisy A. Urry, Michaela L. Caina, Stevena A. Wassermana, Petera V. Minorsky’ego i Roberta B. Jacksona. Od tego momentu książka nosi tytuł „Biologia Campbella”. Pięknym gestem autorów obecnego wydania jest wzmianka o dokonaniach Campbella w części „O autorach”. W końcu bez Campbella, nie mielibyśmy podręcznika „Biologia Campbella”! wersja PL 108 Recenzja książki | Redakcja | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Recenzja książki Guzik w tarapatach Guzik w tarapatach (Guzik in trouble) SZKOŁA Małgorzata Kaczorowska Published by: Quercus Chrzanów 2015 ISBN: 978-83-64084-11-9 Available at: http://www.bajkowy-las.pl Może się wydawać, że opowieść przedstawiona w pierwszej części była bardziej interesująca i złożona. Należy jednak podkreślić, że również ta druga napisana jest bardzo dobrze i jest atrakcyjna zarazem dla rodziców i przedszkolaków. Z pewnością wiele dzieci odkryje, że ma wiele wspólnego z Guzikiem, który wciąż chce doświadczyć czegoś nowego, który zadaje podstawowe pytania na temat życia i który lubi się przechwalać, mówiąc np. „Ale ze mnie sprytny koziołek”. Guzik w tarapatach uczy, że śmieci zostawione w lesie lub jego otoczeniu mogą być poważnym zagrożeniem dla żyjących tam zwierząt. Książka ta pokazuje też w bardzo prosty sposób poszczególne stadia życia saren i tłumaczy ich zachowania. Należy też dodać, że druga część, podobnie jak pierwsza, zawiera przepiękne ilustracje, zapewniające podczas lektury dodatkową przyjemność. Ze wszystkich tych powodów warto polecać tę książkę, zwłaszcza wszystkim rodzicom, którzy czytają książki dzieciom w wieku przedszkolnym. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 KRÓTKO Guzik, koziołek sarny, to bohater edukacyjnej serii książkowej wydawanej przez wydawnicwo Quercus, które zachęca Czytelników do poznania dzikiego świata zwierząt z ich własnej perspektywy. W pierwszej części opowieści o Guziku, opublikowanej w 2014 roku, mogliśmy go poznać jako młodziutkiego koziołka, który zgubił się podczas polowania i starał się odnaleźć swoj mamę. Jednak poza nią szukał on czegoś jeszcze: informacji, kim właściwie jest. Jego przygody pozwoliły mu poznać wiele gatunków zwierząt, w tym jelenie, do których – jak się okazało – nie zaliczał się, i wreszcie odnaleźć swą własną tożsamość. Głównym celem edukacyjnym tej książki było pokazanie różnic między jeleniami i sarnami, nauczenie właściwych nazw samców i samic w obrębie obu tych gatunków oraz jasne podkreślenie, że sarna to nie samica jelenia. Tym razem Guzik jest znacznie starszy. Jest już prawie niezależny i ma na głowie parostki, pokryte na razie skórą, co powoduje straszne swędzenie. Z tego powodu musi on szukać właściwych drzew, o które może się drapać, kojąc swędzenie. Niestety podczas jednej z jego wypraw do jego parostków przyczepia się coś dziwnego i powoduje nieznośny hałas. Guzik jest przerażony. To, co nam może się wydawać zabawne, dla niego jest ogromnym kłopotem. Historia kończy się jednak dobrze. Guzik wraca do swojej mamy i jej nowych dzieci, które przyszły na świat, gdy odkrywał nowe zakątki lasu. Jednak nie wraca na długo. Czuje, że musi wyruszyć znowu, po kolene przygody. NAUKA Redakcja XX Krajowa Konferencja Dydaktyków Przedmiotów Przyrodniczych – ogłoszenie | Alicja Walosik | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016 109 wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN „Edukacja przyrodnicza drogą do kształcenia zrównoważonego społeczeństwa” Alicja Walosik XX Krajową Konferencję Dydaktyków Przedmiotów Przyrodniczych 30 czerwca 2016 roku – czwartek • 11.00 – 12.00 – Rejestracja uczestników • 12.00 – Otwarcie konferencji – powitanie przez Władze Uczelni • 12.30 – 14.45 – Obrady plenarne, wystąpienia uczestników konferencji • 14.45 – 15.30 – Sesja posterowa + kawa • 15.30 – 17.30 – Gra terenowa • 18.30 – Obiadokolacja 1 lipca 2016 roku – piątek • • • • 8.30 – 12.00 – Wystąpienia uczestników, przerwa kawowa 12.00 – 12.45 – Obiad 12.45 – 14.45 – Panel dyskusyjny – kształcenie nauczycieli 15.00 – 19.00 – Zajęcia terenowe, ognisko 2 lipca 2016 roku – sobota • 8.30 – 11.45 – Wystąpienia uczestników konferencji • 12.00 – 12.45 – Obiad • 13.00 – 15.00 – Obrady plenarne, zakończenie konferencji EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2016 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2016 SZKOŁA organizują WSTĘPNY PROGRAM KONFERENCJI KRÓTKO Grupa Dydaktyków Nauk Przyrodniczych Instytutu Biologii, Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie, oraz Sekcja Dydaktyków Biologii Polskiego Towarzystwa Przyrodniczego Kopernika Konferencja odbędzie się w dniach 30.06. – 2.07.2016 na Uniwersytecie Pedagogicznym w Krakowie Celem konferencji będzie prezentacja wyników badań z zakresu różnych dziedzin nauk przyrodniczych dotyczących aktualnego stanu i perspektyw kształcenia przyrodniczego. Problematyka konferencji koncentrować się będzie wokół następujących problemów: • Strategie w edukacji przyrodniczej, • Nauczanie przedmiotów przyrodniczych, • Przygotowanie nauczycieli przedmiotów przyrodniczych do kształcenia dla zrównoważonego rozwoju • Ewaluacja efektów kształcenia przyrodniczego, • Kształcenie przyrodnicze w edukacji formalnej i pozaformalnej, • Technologia informacyjno – komunikacyjna w edukacji przyrodniczej. Szczegółowe informacje dotyczące konferencji znajdują się na stronie: http://dydaktyka20.up.krakow.pl NAUKA XX Krajowa Konferencja Dydaktyków Przedmiotów Przyrodniczych – ogłoszenie załącznik wersja PL wersją referencyjną jest wersja EN Chemia – Metan z bagna Zadanie Adam przeczytał, że metan mogą wytwarzać bakterie w procesie rozkładu materii organicznej. Proces ten można zaobserwować np. na bagnach – pęcherzyki gazu, które wydobywają się na powierzchnię, zawierają metan. W celu potwierdzenia tej informacji Adam przygotował układ przedstawiony na rysunku. Umieścił w kolbie stożkowej glebę bagienną. Kolba połączona była rurką szklaną z cylindrem wypełnionym wodą. Po kilkunastu godzinach cylinder wypełnił się bezbarwnym gazem, wypierając z niego wodę Czy na podstawie tego doświadczenia można wyciągnąć następujące wnioski? Stwierdzenia 1. 2. 3. na początku eksperymentu Zadanie Adam przeczytał, że metan mogą wytwarzać bakterie w procesie rozkładu materii organicznej. Proces ten można zaobserwować np. na bagnach – pęcherzyki gazu, które wydobywają się na powierzchnię, zawierają metan. Gaz w cylindrze jest palny. o Tak / o Nie o Tak / o Nie o Tak / o Nie po kilkunastu godzinach W celu potwierdzenia tej informacji Adam przygotował układ przedstawiony na rysunku. Umieścił w kolbie stożkowej glebę bagienną. Kolba połączona była rurką szklaną z cylindrem wypełnionym wodą. Po kilkunastu godzinach cylinder wypełnił się bezbarwnym gazem, wypierając z niego wodę Czy na podstawie tego doświadczenia można wyciągnąć następujące wnioski? Stwierdzenia 1. 2. 3. na początku eksperymentu Gaz w cylindrze ma mniejszą gęstość niż woda. Gaz w cylindrze słabo rozpuszcza się w wodzie. Czy można wywnioskować z doświadczenia? Gaz w cylindrze ma mniejszą gęstość niż woda. Gaz w cylindrze słabo rozpuszcza się w wodzie. Gaz w cylindrze jest palny. Czy można wywnioskować z doświadczenia? o Tak / o Nie o Tak / o Nie o Tak / o Nie po kilkunastu godzinach Zadanie powstało w ramach realizowanego przez Instytut Badań Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1/2016, załącznik