Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde - Biblioteka Pedagogiczna w Toruniu

Transkrypt

1
| | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA
KWARTALNIK
ISSN 1643-8779
BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA
2(46)
ROK
2013
Komórki macierzyste: część II
Bioróżnorodność a ochrona patentowa
Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów
Angielskie narzędzia dydaktyczne
Czy warto studiować biologię?
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych
KRÓTKO
Molekularny
Dr Jekyll i Mr Hyde
SZKOŁA

NUMER
w numerze:
2/2013
1
dydaktyczne
jak uczyćnarzędziapomysły
scenariusze zajęć
NAUKAprzyroda
SZKOŁA
3
44 Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz
Komórki macierzyste. Część II – pluripotencjalne komórki macierzyste
Joanna Uchańska
Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde
33
Metody obliczeniowe w genetyce
51
Bioróżnorodność a ochrona patentowa
23 Kamil Lisiecki
Agnieszka Osówniak
Siarka i jej związki jako źródła
pierwiastka budulcowego dla bakterii
55
Krzysztof Konarzewski
Osiągnięcia przyrodnicze
trzecioklasistów
Marcin Zaród
KONSPEKT
Małe eksperymenty, wielkie odkrycia
– praktyka eksperymentalna w edukacji
przyrodniczej
Biologia Campbella – recenzja książki
79
83
Nowości ze świata nauki
XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii
– zapowiedź
Hugo Conwentz (1855–1922)
a ochrona przyrody w Polsce
W ZAŁĄCZNIKU – MATERIAŁY
Angielskie narzędzia dydaktyczne
KONSPEKT
Łańcuchy i sieci pokarmowe
na polu – zajęcia z biologii
69 Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE
e?
nim
zeni
r
a
as o d
n
y
j
w
u
e
m
ważn poinfor
u.pl
e.ed
je się
Nowe zadania PPP
73 Ryszard Kowalski
OPINIE: Czy warto studiować biologię?
NAUKA – artykuły przede wszystkim o charakterze
przeglądowym, adresowane do osób zainteresowanych
naukami przyrodniczymi – dotyczą głównie zagadnień
biologii i biochemii, ale mogą też obejmować problematykę
pozostałych dyscyplin przyrodniczych. W naszym zamierzeniu
mają zarówno dostarczyć rzetelną wiedzę, jak i skłonić do
dyskusji, jakie treści i w jakiej formie warto proponować
nauczycielom, by pomóc im w nauczaniu. Sprawia to, że dział
ten ma charakter przede wszystkim pedagogiczny.
76
78
60 Urszula Poziomek
62 Urszula Poziomek
Na okładce: struktura przestrzenna włókna amyloidowego prionu HET-s
określona metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Rysunek
wykonano w programie UCSF Chimera (www.cgl.ucsf.edu/chimera) na
podstawie danych zdeponowanych w Protein Data Bank (www.pdb.org) pod
numerem dostępu 2RNM.
informacje
KRÓTKO najnowsze
odkrycia
narzędzia w internecie
jak zainteresować zadania
SZKOŁA
12
Karolina Archacka
wydarzenia
recenzje
SZKOŁA – artykuły lub materiały przedstawiające rozmaite źródła
informacji (np. serwisy i kursy internetowe), uwarunkowania
nauczania (m.in. prawne i społeczne), a także metody pracy
z uczniami, konspekty i scenariusze lekcji. W każdym numerze
– najnowsze zadania Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE.
szyk
u
@ib
ebis
KRÓTKO – recenzje (książek, a nawet płyt z muzyką), zapowiedzi
wydarzeń i relacje z nich, depesze o nowościach ze świata nauki
oraz dyskusje i komentarze.
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013
KRÓTKO
fizyka
środowisko
badania
NAUKA
geografia
zdrowie
biologia chemia
Sekretarz redakcji: Marcin Trepczyński
Redaktorzy merytoryczni:
Urszula Poziomek, Jolanta Skorupa-Korycka
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. Wiesław Stawiński (emerytowany profesor
Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie),
dr Renata Jurkowska (Uniwersytet w Stuttgarcie, Niemcy)
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
Redakcja techniczna: Elżbieta Gątarek
Skład i łamanie: Marcin Trepczyński
czasopismo punktowane: 4 punkty,
indeksowane w bazach CEJSH i Index Copernicus
wersją referencyjną czasopisma jest wydanie elektroniczne
opublikowane na stronie: ebis.ibe.edu.pl
Takao Ishikawa
Szanowni Państwo,
oddajemy w Państwa ręce numer 2013/2 Edukacji Biologicznej
i Środowiskowej. Znajdą w nim
Państwo m.in. drugi artykuł z serii „komórki macierzyste”, autorstwa Barbary Świerczek, Damiana
Dudki i dr Karoliny Archackiej
z Wydziału Biologii Uniwersytetu
Warszawskiego. Oprócz artykułów
z biologii i chemii w dziale NAUKA publikujemy również pracę
Bioróżnorodność a ochrona patentowa mgr Joanny Uchańskiej, która
porusza zagadnienia prawne dotyczące ochrony różnorodności biologicznej. Każdy przyrodnik wie,
że jest to temat ważny, ale rzadko
rozpatruje go pod względem prawnym. Wierzę, że artykuł ten będzie
doskonałym uzupełnieniem wiedzy o różnorodności biologicznej
i jej ochronie.
Dział SZKOŁA w tym numerze jest reprezentowany m.in. przez
artykuł dr Oleńskiej i dr Stankiewicz, które przybliżą wykorzystanie umiejętności matematycznych w nauczaniu genetyki.
Z kolei z artykułu prof. Krzysztofa
Konarzewskiego dowiemy się, co
nasi trzecioklasiści mogliby osiągnąć, gdyby nie okrojony program
i anachroniczna metodyka kształcenia przyrodniczego. Nie zabrakło
również propozycji metodycznych
mgr. Marcina Zaroda, konspektu
lekcji z biologii wykorzystującego
angielskich doświadczenia w zakresie dydaktyki oraz nowych zadań opracowanych przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych
Instytutu Badań Edukacyjnych,
które obejmują nie tylko biologię,
lecz także chemię i fizykę.
Sądzę, że wielu Czytelników
EBiŚ nie raz zastanawiało się, czy
warto studiować biologię. Czy
jest to strata czasu, czy może raczej obiecująca inwestycja na
przyszłość? O tym pisze dr Ryszard
Kowalski z Instytutu Biologii Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego w Siedlcach. Publikujemy ten tekst z nadzieją, że również
Państwo podzielą się swoimi opiniami i wrażeniami na ten temat.
Oddając w Państwa ręcę ten numer
EBiŚ mam nadzieję, że kwartalnik będzie nie tylko źródłem informacji i nowości ze świata nauk
przyrodniczych, lecz także forum
osób związanych z szeroko pojętą
edukacją przyrodniczą, dla których
dalszy los uczniów i studentów nie
jest obojętny.
Właśnie rozpoczyna się okres
wakacji, dlatego życzę Państwu
przede wszystkim udanego wypoczynku. Proszę też pamiętać, że
prenumerata EBiŚ pozwoli Państwu zabrać kwartalnik na wakacje
– w tablecie albo nawet w telefonie
komórkowym!
Takao Ishikawa
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013
SZKOŁA
Redaktor naczelny: Takao Ishikawa
Od redakcji
KRÓTKO
Redakcja
NAUKA
2
Komórki macierzyste. Część II – pluripotencjalne komórki macierzyste | Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Pluripotencjalne komórki macierzyste są zdolne do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek budujących
organizm ssaka. Podczas rozwoju zarodkowego komórki
pluripotencjalne zlokalizowane są w węźle zarodkowym
blastocysty, z którego – na dalszych etapach rozwoju – wykształci się ciało zarodka. Z komórek węzła zarodkowego
blastocysty uzyskiwane są zarodkowe komórki macierzyste
(komórki ES, ang. embryonic stem cells). Innym przykładem pluripotencjalnych komórek macierzystych są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki iPS,
ang. induced pluripotent stem cells) otrzymywane w wyniku
procesu określanego jako reprogramowanie komórek. Zarówno komórki ES, jak i komórki iPS stanowią cenny model badawczy, a także rozważane są jako źródło materiału
do przeszczepu w medycynie regeneracyjnej. Uzyskanie obu
wymienionych rodzajów pluripotencjalnych komórek macierzystych jest uznawane za przełom w nauce i medycynie,
i zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. W 2007 r. otrzymali ją Brytyjczyk Martin
Evans oraz amerykańscy uczeni Mario Capecchi i Olivier
Smithies, których badania doprowadziły do uzyskania komórek ES i otrzymania przy ich wykorzystaniu modyfikowanych
genetycznie myszy. Natomiast w 2012 r. Nagrodą Nobla wyróżnieni zostali Brytyjczyk John Gurdon i Japończyk Shinya
Yamanaka za prace nad reprogramowaniem komórek.
Słowa kluczowe: Pluripotencjalne komórki macierzyste, komórki
ES, komórki iPS, reprogramowanie, wielokierunkowe różnicowanie,
medycyna regeneracyjna, terapie komórkowe
otrzymano: 18.04.2013; przyjęto: 20.05.2013; opublikowano: 28.06.2013
Barbara Świerczek: Zakład Cytologii, Wydział Biologii,
Uniwersytet Warszawski;
[email protected]
Damian Dudka: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski; [email protected]
dr Karolina Archacka: Zakład Cytologii, Wydział Biologii,
Uniwersytet Warszawski; [email protected]
Niniejszy artykuł może być pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej z biologii dla szkół ponadgimnazjalnych w zakresie
rozszerzonym: treści nauczania VI.8.6 oraz VI.8.8 – Uczeń przedstawia
sposoby i cele otrzymywania komórek macierzystych oraz dyskutuje
problemy etyczne związane z rozwojem inżynierii genetycznej i biotechnologii, w tym przedstawia kontrowersje towarzyszące badaniom
nad klonowaniem terapeutycznym człowieka i formułuje własną opinię
na ten temat.
Artykuł powstał podczas realizacji projektu „Modification of myogenic
potential of pluripotent stem cells – the role of sonic hedgehog and interleukin 4” realizowanego w ramach programu POMOST Fundacji na rzecz
Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków
Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Czy różnicowanie komórek jest procesem
nieodwracalnym?
Zapłodnienie gamety żeńskiej (oocytu) przez gametę męską (plemnik) prowadzi do powstania pierwszej komórki nowego organizmu – zygoty. Zygota jest
komórką totipotencjalną – to z niej wywodzić się będą
wszystkie tkanki i narządy rozwijającego się osobnika, a także struktury niezbędne do prawidłowego
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA | ebis.ibe.edu.pl | [email protected] | © for the article by the Authors 2013 © for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013
NAUKA
Streszczenie:
W pierwszej części materiału na temat komórek
macierzystych (Komórki macierzyste. Część I – wprowadzenie, EBIŚ 1/2013) przedstawiona została ich
wstępna charakterystyka i klasyfikacja. Jako przykład
pluripotencjalnych komórek macierzystych wymieniono zarodkowe komórki macierzyste (komórki ES, ang.
embryonic stem cells) oraz indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki iPS, ang. induced
pluripotent stem cells). Choć nie są to jedyne znane
komórki pluripotencjalne, niniejszy artykuł dotyczyć
będzie przede wszystkim komórek ES i iPS. Uzyskanie
tych komórek było bez wątpienia przełomem w nauce,
o czym najlepiej świadczy fakt, że badacze, którzy tego
dokonali, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Pluripotencjalne komórki macierzyste są zdolne do utworzenia wszystkich rodzajów komórek i tkanek budujących organizm ssaka.
W związku z tym mogłyby one stanowić uniwersalne
źródło materiału do przeszczepu w celu łagodzenia objawów lub leczenia różnych chorób. W niniejszym artykule omówimy historię badań, które doprowadziły
do uzyskania pluripotencjalnych komórek macierzystych, a także przedstawimy możliwości ich zastosowania w nauce i medycynie oraz związane z tym nadzieje
i obawy.
SZKOŁA
Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka
Wstęp
KRÓTKO
Komórki macierzyste.
Część II – pluripotencjalne komórki macierzyste
3
SZKOŁA
Ryc. 1. Doświadczenie Gurdona
W swoim pionierskim doświadczeniu John Gurdon wykorzystał oocyty płaza pozbawione – na skutek napromienienia światłem UV – własnego materiału genetycznego. Do przygotowanego w ten sposób oocytu Gurdon wprowadził jądro komórkowe pochodzące z komórki jelita
kijanki. Na podstawie informacji genetycznej zawartej w przeszczepionym do oocytu jądrze rozwinęła się kijanka. Pod względem genetycznym była ona identyczna z kijanką, od której pochodziły komórki jelita.
Wszystkie zamieszczone w artykule zdjęcia i schematy zostały wykonane przez autorów tekstu.
potwierdzających słuszność postawionej przez niego
hipotezy. Dokonał tego w II połowie XX wieku John
Gurdon, brytyjski biolog, który za swoje osiągnięcia
został uhonorowany w 2012 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Opisane przez niego
w 1962 r. doświadczenia polegały na przeniesieniu jądra komórkowego pobranego z komórki budującej jelito kijanki do oocytu pozbawionego wcześniej własnego
materiału genetycznego (ryc. 1). Z tak „skonstruowanego” oocytu Gurdon otrzymał prawidłowo rozwiniętą
kijankę (Gurdon, 1962). Oznaczało to, że na podstawie
informacji genetycznej zawartej w jądrze komórkowym
wyspecjalizowanej komórki może rozwinąć się w pełni wykształcony osobnik. Innymi słowy, różnicowanie
komórek nie prowadzi do usuwania z nich „niepotrzebnej” informacji genetycznej. Zróżnicowana komórka
nadal zawiera wszystkie informacje niezbędne do powstania wszystkich rodzajów komórek budujących zarodek, a tym samym niezbędne do jego prawidłowego
rozwoju. Kolejne badania wykazały, że specjalizacja ko-
KRÓTKO
rozwoju: błony płodowe oraz łożysko. W trakcie rozwoju zarodkowego i płodowego, a następnie w okresie
pourodzeniowym komórki stopniowo ulegają specjalizacji, w wyniku czego zmniejsza się ich potencjał do
różnicowania. Przez wiele lat uważano, że proces ten,
tj. ograniczenie potencjału do różnicowania związane
ze specjalizacją komórek, jest nieodwracalny. Na przestrzeni wieków sformułowano wiele teorii dotyczących
tego zagadnienia. W XIX wieku niemiecki biolog August Weismann przedstawił teorię, zgodnie z którą proces różnicowania się komórek miał się wiązać z utratą
części zawartego w nich materiału genetycznego. Informacja genetyczna, która nie była „potrzebna” komórce
do pełnienia przez nią określonej funkcji w organizmie,
miała być z niej „usuwana”. Komórkami, które zgodnie
z teorią Weismanna zachowywały i przekazywały kompletną informację genetyczną, były wyłącznie komórki
rozrodcze (Weismann, 1893). Warto tu przypomnieć,
że w tamtym czasie nie znano jeszcze takich pojęć, jak
np. „gen”. Nieznana była także budowa i rola DNA jako
nośnika informacji genetycznej. Teoria Weismanna została po raz pierwszy podważona przez Yvesa Delage’a,
francuskiego zoologa znanego przede wszystkim z prac
poświęconych anatomii i fizjologii bezkręgowców.
W opublikowanej w 1895 r. książce Delage stwierdził,
że zastąpienie jądra komórkowego zygoty jądrem pochodzącym z jakiejkolwiek innej komórki ciała zarodka
nie powinno wpłynąć na prawidłowy przebieg rozwoju
zarodkowego (Beetschen i Fischer, 2004). Delage oparł
swoją hipotezę na założeniu, że skoro wszystkie komórki organizmu powstają w wyniku podziałów mitotycznych zygoty, to muszą one zawierać tę samą informację
genetyczną. Mitoza jest bowiem procesem, w wyniku
którego powstają dwie komórki potomne, identyczne
pod względem genetycznym z komórką rodzicielską.
Ze względu na ówczesny stan wiedzy i techniki Delage nie był w stanie przeprowadzić eksperymentów
4
NAUKA
5
Ryc. 2. Uzyskiwanie komórek ES
Zdjęcia przedstawiają zarodek w stadium blastocysty (A), rozrost uzyskany z blastocysty (B) oraz kolonię komórek ES (C). Na schemacie (D)
przedstawiono najważniejsze etapy procedury uzyskiwania komórek ES. W prawidłowych rozrostach (B) można zaobserwować dwie grupy
komórek – większe komórki trofektodermy oraz znacznie od nich mniejsze komórki węzła zarodkowego, tworzące skupisko w środku rozrostu. T – komórki trofektodermy, WZ – komórki węzła zarodkowego. Skala odpowiada 100 µm.
niezależnie od nich przez Amerykankę Gail Martin
(Martin, 1981). Procedura otrzymywania komórek ES
jest wieloetapowa i skomplikowana (ryc. 2). Najczęściej
jej pierwszym etapem jest umieszczenie w szalce hodowlanej zarodków w stadium blastocysty uzyskanych
z dróg rodnych samic (ryc. 2A, 2D). W ciągu kilku dni
hodowli in vitro blastocysty przyklejają się do warstwy
odpowiednio przygotowanych komórek odżywczych
(fibroblastów) na dnie szalki. Komórki zarodka rozpłaszczają się na dnie szalki, tworząc tzw. rozrosty (ryc.
2B, 2D). Następnym etapem uzyskiwania komórek ES
jest izolacja z rozrostu – wyłączenie komórek pochodzących z węzła zarodkowego blastocysty i przeniesienie
ich do nowej szalki, tzw. pasażowanie. Uzyskanie jed-
norodnej grupy komórek ES najczęściej wymaga wielokrotnego pasażowania. W celu zachowania cennych
właściwości komórek pluripotencjalnych muszą one być
hodowane w ściśle określonych warunkach, najczęściej na warstwie fibroblastów, w pożywce hodowlanej
zawierającej związek określany jako czynnik przeciwbiałaczkowy (LIF, ang. leukemia inhibitory factor). Jego
obecność chroni komórki ES przed niekontrolowanym
różnicowaniem się i utratą pluripotencji – innymi słowy
utrzymuje je w stanie niezróżnicowanym.
Kilkanaście lat po otrzymaniu mysich komórek ES
uzyskano także ludzkie komórki ES (Thomson i wsp.,
1998; Shamblott i wsp., 1998), a z czasem komórki ES
różnych gatunków zwierząt, m.in. szczura (Buehr
SZKOŁA
Komórki pluripotencjalne są zdolne do przekształcenia się we wszystkie rodzaje komórek i tkanek organizmu. Podczas rozwoju zarodkowego komórki pluripotencjalne obecne są m.in. w kilkudniowym zarodku
w stadium blastocysty (ryc. 2A). W blastocyście występują dwie grupy komórek o różnym przeznaczeniu
– trofektoderma oraz węzeł zarodkowy. Komórki trofektodermy znajdują się na obwodzie blastocysty – to
z nich w dalszych etapach rozwoju zarodka powstaną
struktury pozazarodkowe, takie jak błony płodowe. Komórki węzła zarodkowego zlokalizowane są wewnątrz
blastocysty, gdzie tworzą charakterystyczne skupisko.
To z nich uformowane zostanie ciało zarodka (Filimonow i wsp., 2013). Tylko komórki węzła zarodkowego zachowują pluripotencję i to z nich można uzyskać
komórki ES (ryc. 2A–D). Komórki ES zostały po raz
pierwszy otrzymane z zarodków myszy w latach 80.
XX wieku przez dwóch Brytyjczyków: Martina Evansa
i Matthew Kaufmana (Evans i Kaufman, 1981) oraz
KRÓTKO
Jak uzyskano komórki ES?
NAUKA
mórek związana jest z włączeniem (aktywacją) genów
kluczowych dla ich różnicowania, decydujących o ich
prawidłowej budowie i funkcji. Równocześnie geny
ważne dla wczesnych etapów rozwoju zarodkowego
zostają wyłączone (uśpione). Jednak, jak wykazały pionierskie doświadczenia Gurdona, a także innych badaczy, w odpowiednich warunkach te „wczesne” geny
mogą zostać na nowo „obudzone”. Odkrycie to zapoczątkowało intensywny rozwój badań, które z czasem
pozwoliły na udoskonalenie techniki klonowania organizmów, a ostatecznie doprowadziły do uzyskania
w 2006 r. pierwszych komórek iPS (Ciemerych i Kubiak,
2013). Dużo wcześniej, tj. w latach 80. XX wieku badaczom udało się otrzymać inne pluripotencjalne komórki macierzyste – komórki ES.
6
Ryc. 3. Uzyskiwanie kul zarodkowych
W celu uzyskania EB komórki ES hodowane są w tzw. wiszących
kroplach. Krople pożywki zawierające komórki ES umieszczane są
na wieczku szalki hodowlanej (A). Po odwróceniu wieczka komórki
ES obecne w wiszących kroplach tworzą EB (B, C). Zdjęcie C przedstawia kulę zarodkową w 5 dniu hodowli. EB umieszczone w warunkach umożliwiających ich przyklejenie się do szalki rozrastają
się (D). Obecne w nich komórki migrują po szalce i w określonych
warunkach mogą przekształcić się w komórki różnych tkanek.
Skala odpowiada 100 µm.
i wsp., 2008; Li i wsp., 2008) oraz rezusa (Thomson
i wsp., 1995). Komórki ES różnych gatunków zwierząt często mają inne wymagania dotyczące warunków
hodowli, a ich optymalizacja w wielu wypadkach była
kluczowa dla uzyskania tych komórek. Bez względu na
to, z jakiego gatunku zwierząt pochodzą komórki, ich
pluripotencja musi zostać pozytywnie zweryfikowana,
zanim zostaną one określone jako komórki ES.
SZKOŁA
KRÓTKO
Pluripotencję komórek, czyli ich zdolność do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek, można
zweryfikować zarówno in vitro, jak i in vivo (Ciemerych, 2008; Ciemerych i Kubiak, 2013). Komórki ES,
które hodowane są w warunkach przeciwdziałających
ich różnicowaniu, tworzą charakterystyczne skupiska
(kolonie), zbudowane ze ściśle przylegających do siebie
komórek (ryc. 2C). Jeśli natomiast komórki te będą hodowane w warunkach uniemożliwiających ich przyklejenie się do szalki (czyli w zawiesinie) oraz w pożywce
pozbawionej czynników utrzymujących je w stanie
niezróżnicowanym (np. LIF), to rozpoczną one różnicowanie i spontanicznie utworzą trójwymiarowe agregaty określane jako kule zarodkowe (EB, ang. embryoid
bodies; Czerwińska i Ciemerych, 2012; ryc. 3). W kolejnych dniach hodowli EB powiększają się, a zachodzące
w nich procesy różnicowania komórek są analogiczne
do tych, które mają miejsce w zarodku we wczesnych
etapach jego rozwoju. Na przykład u myszy, w 8. dniu
rozwoju zarodkowego zachodzi proces gastrulacji prowadzący do powstania trzech listków zarodkowych
– ekto-, mezo- i endodermy. W kolejnych etapach rozwoju z tych trzech grup komórek będą rozwijały się
określone tkanki organizmu, np. z mezodermy powstanie tkanka mięśniowa, a z ektodermy – tkanka nerwowa. Listki zarodkowe formowane są także podczas hodowli EB. Początkowo kule zbudowane są z ektodermy
i otaczającej jej warstwy endodermy pierwotnej, natomiast 5. dnia hodowli obecne są w nich już wszystkie
trzy listki zarodkowe. Na późniejszych etapach hodowli
kul można zaobserować pojawienie się komórek takich,
jak np. kurczące się kardiomiocyty. Zastosowanie ściśle
określonych warunków hodowli EB pozwala na uzyskanie także wielu innych rodzajów wyspecjalizowanych
NAUKA
W jaki sposób można sprawdzić pluripotencję
komórek?
Jakie jest znaczenie komórek ES dla rozwoju
nauki i medycyny?
Uzyskanie komórek ES umożliwiło intensywny
rozwój badań dotyczących mechanizmów regulujących
pluripotencję i różnicowanie komórek. Wcześniej śledzenie losów komórek na wczesnych etapach rozwoju
zarodkowego było ograniczone, a w przypadku zarodków ludzkich wręcz niemożliwe ze względu na kwestie
etyczne. Podobieństwo procesów zachodzących w EB
i zarodkach dało szansę na ich lepsze poznanie i zrozumienie (Czerwińska i Ciemerych, 2012). Nie mniej
istotny jest fakt, że komórki ES można stosunkowo łatwo modyfikować genetycznie, aktywując lub wyłączając w nich wybrane geny. Daje to szansę na precyzyjne
określenie funkcji danego genu w komórce. Przykładowo badania prowadzone z wykorzystaniem komórek ES
pozbawionych funkcjonalnego genu Nanog wykazały
jego kluczową rolę w utrzymaniu pluripotencji komórek. Wcześniej funkcja tego genu była tylko częściowo
znana. Wiadomo było, że mutacja w genie Nanog prowadzi do poważnych zaburzeń we wczesnym etapie
rozwoju zarodkowego i śmierci zarodka (Mitsui i wsp.,
2003). Doświadczenia z wykorzystaniem komórek ES
pozbawionych tego genu wykazały, że jego rola polega
na hamowaniu aktywności genów odpowiedzialnych
za różnicowanie komórek i równocześnie na stymulacji
aktywności genów ważnych dla utrzymania komórek
pluripotencjalnych w stanie niezróżnicowanym, takich
jak Sox2 i Oct-4 (Loh i wsp., 2006). Innym przykładem
mogą być badania nad rolą czynników Pax3 i Pax7
w procesie postawania komórek mięśniowych. Kontrolowana aktywacja tych genów w komórkach ES umożliwiła uzyskanie z komórek pluripotencjalnych funkcjonalnych komórek mięśniowych, co potwierdziło
kluczową rolę Pax3 i Pax7 w rozwoju mięśni szkieletowych (Darabi i wsp., 2011).
Innym, niezwykle ważnym sposobem wykorzystania komórek ES w badaniach naukowych jest możliwość uzyskiwania z ich udziałem zwierząt transgenicznych. Organizmy transgeniczne to takie, których
genom został zmodyfkowany poprzez wprowadzenie
„obcego” materiału genetycznego (np. fragmentu DNA
zsyntetyzowanego w laboratorium albo genu pochodzącego z innego organizmu). Można je otrzymać w analogiczny sposób, jak myszy chimerowe, tzn. poprzez
wprowadzenie zmodyfikowanych genetycznie komórek
NAUKA
Myszy chimerowe można uzyskać przez połączenie komórek uzyskanych z jednego zarodka z komórkami innego. W praktyce komórki „dawcy” są wprowadzane do
blastocysty – „biorcy” za pomocą specjalnego urządzenia nazywanego mikromanipulatorem. Do blastocysty
– „biorcy” można wstrzyknąć także komórki testowane
pod względem pluripotencji. Uzyskane w ten sposób zarodki chimerowe przeszczepiane są do macicy samicy
myszy, gdzie mogą kontynuować rozwój. Jeśli umieszczone w blastocyście komórki rzeczywiście są komórkami pluripotencjalnymi, to wezmą one udział, razem
z „oryginalnymi” komórkami budującymi blastocystę –
„biorcę”, w powstawaniu wszystkich tkanek i narządów
rozwijającego się osobnika. W rezultacie, tkanki te zbudowane będą z dwóch rodzajów komórek różniących
się pod względem genetycznym. Jeśli organizm myszy
będzie zbudowany wyłącznie z „oryginalnych” komórek blastocysty – „biorcy” lub udział wstrzykniętych do
niej komórek będzie znikomy, to będzie to oznaczać będzie, że testowane komórki nie wykazują pluripotencji
(Ciemerych, 2008; Ciemerych i Kubiak, 2013). Niekiedy
zdarza się, że badane pod względem pluripotencji komórki formują EB, ale nie są w stanie utworzyć potworniaków czy uczestniczyć w rozwoju myszy chimerowej.
Taki wynik stawia pod znakiem zapytania ich zdolność
do wielokierukowego różnicowania.
SZKOŁA
komórek, np. neuronów (Guan i wsp., 1999). Różnicowanie komórek w EB jest najczęściej stosowaną metodą
weryfikacji ich pluripotencji in vitro. Tylko te komórki,
które okażą się zdolne do utworzenia komórek wywodzących się z trzech listków zarodkowych mogą zostać
uznane za pluripotencjalne. Ostatecznym dowodem na
pluripotencję analizowanych komórek są jednak wyniki testów in vivo, takich jak tworzenie potworniaków
oraz myszy chimerowych.
Pierwsza z metod weryfikacji pluripotencji komórek
in vivo polega na wstrzykiwaniu badanych komórek
myszom o upośledzonym układzie odpornościowym.
Takie zwierzęta nie są zdolne do usunięcia przeszczepionych komórek. Najczęściej testowane komórki
wstrzykiwane są podskórnie, gdzie po kilku tygodniach
– o ile rzeczywiście okażą się pluripotencjalne – utworzą wielotkankowe guzy określane jako potworniaki lub
teratomy (gr. teratos oznacza potwora, dziwo). Standardowa procedura obejmuje izolację potworniaka, a następnie jego analizę histologiczną. Pozwala ona określić,
czy w guzie obecne są komórki i tkanki wywodzące się
z wszystkich trzech listków zarodkowych. Jest to dowód
na to, że komórki poddane weryfikacji są zdolne do wielokierunkowego różnicowania, a zatem są komórkami
pluripotencjalnymi (Ciemerych i Kubiak, 2013).
W przypadku mysich komórek innym sposobem
weryfikacji ich pluripotencji in vivo jest sprawdzenie,
czy są one w stanie uczestniczyć w rozwoju tzw. myszy
chimerowych. W mitologii chimerą nazywano stworzenie z głową lwa, ciałem kozy i ogonem węża. Termin „myszy chimerowe” stosowany jest do określania
zwierząt zbudowanych z co najmniej dwóch rodzajów komórek różniących się pod względem genetycznym. Pierwsze myszy chimerowe uzyskał w latach 60.
XX wieku polski embriolog, profesor Andrzej Tarkowski, prowadzący badania dotyczące m.in. mechanizmów kierujących rozwojem ssaków (Tarkowski, 1961).
7
KRÓTKO
mające na celu uzyskanie komórek pluripotencjalnych
ze źródła niebudzącego kontrowesji etycznych. Badania
te doprowadziły m.in. do uzyskania w 2006 r. pierwszych komórek iPS.
Choć od momentu otrzymania pierwszych komórek
iPS minęło zaledwie kilka lat, osiagnięcie to już zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii
i medycyny. Jej laureatem w 2012 r. został – obok wspomnianego wcześniej Johna Gurdona – Shinya Yamanaka, który wraz z Kazutochi Takahashim opublikował
w 2006 r. „przepis” na komórki iPS (Takahashi i Yamanaka, 2006). Dlaczego uzyskanie tych komórek zostało uznane za osiągnięcie naukowe godne tej nagrody?
Otóż komórki iPS, podobnie jak komórki ES, są zdolne
do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek, czyli wykazują pluripotencję. W przeciwieństwie
do komórek ES ich pochodzenie nie budzi jednak kontrowersji etycznych, ponieważ mogą one być uzyskane
praktycznie z dowolnej komórki pochodzącej z dorosłego organizmu, np. fibroblastów pobranych ze skóry.
Dodatkowo, potencjalne wykorzystanie komórek ES
w medycynie regeneracyjnej związane jest z jeszcze jednym problemem, niewystępującym w przypadku komórek iPS. Liczba dostępnych rodzajów ludzkich komórek
ES jest ograniczona. Oznacza to, że dla wielu pacjentów niemożliwe okazałoby się uzyskanie z komórek ES
odpowiedniego, tj. zgodnego tkankowo, materiału do
przeszczepu. Dla odmiany wyspecjalizowane komórki
określonych tkanek i narządów można by potencjalnie
uzyskiwać z komórek iPS otrzymanych w wyniku modyfikacji komórek pochodzących od pacjenta. Innymi
słowy, dawcą i biorcą materiału do przeszczepu byłaby
ta sama osoba. W takiej sytuacji problem niezgodności
NAUKA
Ekspresowy Nobel, czyli na czym polega fenomen
komórek iPS?
SZKOŁA
daniu uczestniczyli pacjenci cierpiący na choroby oczu:
związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej oraz
chorobę Stargardta, przejawiającą się uszkodzeniem
centralnej części soczewki. Pacjentom tym wstrzyknięto komórki nabłonka pigmentowego siatkówki uzyskane z ludzkich komórek ES. Przed transplantacją komórki poddano dokładnym analizom – sprawdzono m.in.,
czy mają one prawidłową liczbę chromosomów i czy
wszystkie z nich uległy zróżnicowaniu. Należy bowiem
pamiętać o tym, że wprowadzenie do organizmu nawet
niewielkiej liczby niezróżnicowanych komórek pluripotencjalnych może doprowadzić do powstania teratom.
Schwartz i współpracownicy stwierdzili, że komórki
wstrzyknięte w pobliżu siatkówki zasiedliły ją i wzięły
udział w tworzeniu nabłonka pigmentowego, którego
rola polega na odżywianiu fotoreceptorów oka i absorpcji światła. Nie zaobserwowano żadnych skutków
ubocznych zastosowanej terapii, a co najistotniejsze,
u pacjentów odnotowano poprawę widzenia. Chociaż
długofalowe skutki tej eksperymentalnej terapii pozostają jeszcze nieznane, dotychczas zaobserwowane
efekty dają podstawę do umiarkowanego optymizmu
i pozwalają myśleć o wykorzystaniu komórek macierzystych w leczeniu m.in. chorób siatkówki.
Należy tu przypomnieć, że możliwość wykorzystania ludzkich komórek ES w medycynie regeneracyjnej
budzi kontrowersje natury etycznej ze względu na ich
pochodzenie. Komórki te zostały bowiem uzyskane
z zarodków ludzkich otrzymanych w wyniku zapłodnienia in vitro. W 2008 r. opracowano metodę, dzięki
której komórki ES mogą być uzyskiwane w sposób,
który nie zaburza dalszego rozwoju zarodka. Polega on
na pobraniu z zarodka pojedynczej komórki (Chung
i wsp., 2008). Pozostałe komórki są zdolne do wypełnienia tego „ubytku”. Mimo to „rodowód” komórek ES
nadal pozostaje kontrowersyjnym zagadanieniem. Dlatego też od wielu lat prowadzone są intensywne badania
KRÓTKO
do blastocysty-„biorcy”, a następnie przeszczepienie
uzyskanego w ten sposób transgenicznego zarodka do
macicy samicy (Bishop, 2001). Pionierem tej technologii jest Mario Capecchi, amerykański genetyk włoskiego pochodzenia, który w latach 80. XX wieku uzyskał
myszy pozbawione funkcjonalnego genu int1 (Thomas
i Capecchi, 1990). Za swoje osiagnięcia Capecchi został
uhonorowany w 2007 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie
medycyny lub fizjologii. Możliwość otrzymywania myszy pozbawionych funkcjonalnego genu daje szansę na
określenie jego roli w funkcjonowaniu organizmu (Capecchi, 2005). Na przykład u myszy pozbawionych genu
Hoxa1 wykryto nieprawidłowości w budowie układu
krążenia, m.in. w łuku aorty (Makki i Capecchi, 2012).
Zwierzęta transgeniczne stanowią także cenne zwierzęce modele ludzkich chorób. Na przykład transgeniczne
myszy, które syntetyzują nieprawidłową wersję ludzkiego białka APP wykazują podobne zmiany w układzie
nerwowym, jak te obserwowane u osób cierpiących na
chorobę Alzheimera (Games i wsp., 1995). Dostępność
zwierzęcych modeli ludzkich chorób daje możliwość
badania ich molekularnych mechanizmów, a także testowania potencjalnych terapii i leków.
Otrzymanie komórek ES było ogromnym przełomem zarówno w nauce, jak i w medycynie, dając szansę na przeprowadzenie badań wcześniej niemożliwych
oraz opracowanie potencjalnych terapii dotychczas
nieuleczalnych chorób, takich jak cukrzyca typu I czy
choroba Parkinsona. W laboratoriach na całym świecie
podjęte zostały badania mające na celu stworzenie skutecznej terapii tych i wielu innych chorób. Należy pamiętać, że żadna z nich nie jest jeszcze wykorzystywana
do leczenia ludzi. Dotychczas przeprowadzono jedynie
badania laboratoryjne, obejmujące doświadczenia in vitro oraz doświadczenia z wykorzystaniem zwierząt laboratoryjnych. Wyjątek stanowią próby kliniczne, których
wyniki opisano w 2012 r. (Schwartz i wsp., 2012). W ba-
8
tkankowej nie występuje. Choć droga do wykorzystania
komórek iPS w medycynie regeneracyjnej wydaje się
jeszcze daleka, to warto pamiętać, że komórki te zostały
uzyskane zaledwie kilka lat temu, a wiedza na ich temat
już jest imponująca (Archacka i wsp., 2010). Jakie były
początki badań nad komórkami iPS?
Reprogramowanie komórek to termin, który oznacza proces prowadzący do zmiany właściwości komórki
w sposób, który nie zachodzi w warunkach fizjologicznych. Badania prowadzone przez różne zespoły badawcze, również Yamanakę i Takahashiego, miały na celu
opracowanie metody, która pozwoliłaby na przekształcenie zróżnicowanych komórek w komórki o właściwościach zbliżonych lub identycznych z komórkami
ES. Japońscy badacze zdecydowali się na wprowadzenie do zróżnicowanych komórek czynników, które są
charakterystyczne dla komórek zarodka we wczesnych
etapach rozwoju. W ich zamyśle taka strategia miała
doprowadzić do „zwiększenia” potencjału do różnicowania zmodyfikowanych komórek. W pierwszym etapie badań naukowcy wybrali 24 geny, które umieścili
w fibroblastach myszy. W wyniku tej modyfikacji fibroblasty przekształciły się w komórki, które pod względem morfologii i właściwości przypominały komórki
ES. W kolejnych etapach badań Yamanaka i Takahashi
stopniowo ograniczali liczbę wprowadzanych genów
i ostatecznie udowodnili, że aktywność zaledwie czterech czynników wystarcza do tego, by fibroblasty przekształciły się w niezróżnicowane komórki pluripotencjalne. „Magiczny kwartet” tworzyły geny: Oct4, Sox2
i Klf4 (czynniki odgrywające kluczową rolę w zachowaniu pluripotencji komórek) oraz c-Myc (gen promujący
podziały komórkowe). Pierwsze ludzkie komórki iPS
zostały uzyskane z fibroblastów rok później, w 2007 r.
(Takahashi i wsp., 2007). Pionierskie prace Takahashiego i Yamanaki otworzyły nowy rozdział w badaniach
NAUKA
Pobranie komórek od pacjenta pozwala
na uzyskanie – na drodze reprogramowania – komórek iPS. Komórki te można
wykorzystać jako model in vitro choroby,
którą dotknięty jest pacjent. Potencjalnie, w przypadku, gdy pobrane komórki
pochodzą od pacjenta cierpiącego na
chorobę genetyczną można poddać je
korekcie genetycznej, a następnie zróżnicować w określony rodzaj komórek i przeszczepić pacjentowi.
nad komórkami macierzystymi i spowodowały lawinowy wzrost zainteresowania „technologią iPS”. Doświadczenia przeprowadzone przez różne grupy badawcze
doprowadziły do uzyskania komórek iPS z rozmaitych
rodzajów komórek, m.in. z keratynocytów (Maherali
i wsp., 2008), hepatocytów (Aoi i wsp., 2008), komórek
trzustki (Stadtfeld i wsp. 2008), limfocytów B (Hanna
i wsp., 2008), melanocytów (Utikal i wsp., 2009) oraz
komórek tkanki tłuszczowej (Sun i wsp., 2009). Zwykle największa wydajność reprogramowania osiągana
jest wówczas, gdy geny wprowadzane są do komórek za
pomocą wirusów. Jednak użycie wirusów w „technologii iPS” jest równocześnie jej największym ograniczeniem. Wirusy wykorzystywane do reprogramowania
komórek wbudowują się bowiem do ich genomu, co
może powodować uszkodzenie lub niekontrolowaną
aktywację innych genów. Duże ryzyko wystąpienia nieprzewidzianych zmian na poziomie genomu ogranicza
czy wręcz niweluje możliwość wykorzystania tak zmodyfikowanych komórek w medycynie regeneracyjnej.
W niektórych przypadkach takie zmiany mogą bowiem
prowadzić np. do niekontrolowanych podziałów komórek i, w konsekwencji, do powstania nowotworów po
transplantacji komórek do organizmu pacjenta. Wirusy
to nie jedyne ograniczenie „technologii iPS”. Naukowcy
nie potrafią jeszcze uzyskiwać komórek iPS w sposób
wydajny: proces ten zachodzi z wydajnością nie wyższą
niż kilka procent. Równie mało skuteczne są metody
uzyskiwania wybranych rodzajów wyspecjalizowanych
komórek z komórek pluripotencjalych (Drews i wsp.,
2012). Mimo tych ograniczeń komórki iPS już teraz zajmują ważne miejsce w nauce, są bowiem wykorzystywane m.in. jako modele in vitro różnych chorób. W tym
celu od osób cierpiących na różne choroby pobierane są
komórki, które następnie przekształcane są do komórek iPS, a te wykorzystywane są w badaniach mających
na celu określenie molekularnego mechanizmu danej
SZKOŁA
Ryc. 4. Przykłady wykorzystania
komórek iPS w nauce i medycynie
9
KRÓTKO
Podsumowanie
Znaczenie komórek ES i iPS dla rozwoju nauki jest
niepodważalne. Zdolność tych komórek do wielokierunkowego różnicowania budzi również zrozumiałe
nadzieje na ich wykorzystanie w medycynie regenera-
Literatura
Aoi T, Yae K, Nakagawa M, Ichisaka T, Okita K, Takahashi K, Chiba
T, Yamanaka S (2008). Generation of pluripotent stem cells from
adult mouse liver and stomach cells. Science 321, 699–702.
Archacka K, Grabowska I, Ciemerych MA (2010). Indukowane komórki pluripotencjalne – nadzieje, obawy i perspektywy. Postępy
Biologii Komórki. 37, 41-62.
Beetschen JC, Fischer JL (2004). Yves Delage (1854–1920) as a forerunner of modern nuclear transfer experiments. Int. J. Dev. Biol.
48, 607–612.
Bishop J. (2001). Ssaki transgeniczne. Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa.
Buehr M, Meek S, Blair K, Yang J, Ure J, Silva J, McLay R, Hall
J, Ying QL, Smith A (2008). Capture of authentic embryonic stem cells from rat blastocysts. Cell 135(7), 1287-1298.
Capecchi MR (2005). Gene targeting in mice: functional analysis of
the mammalian genome for the twenty-first century. Nature Reviews Genetics 6, 507-512.
Ciemerych MA (2008). Zarodkowe komórki macierzyste – w poszu
kiwaniu pluripotencji. Postępy Biologii Komórki 35, 183-205.
Ciemerych MA, Kubiak JZ (2013). Od Gurdona do Yamanaki, czyli
krótka historia reprogramowania komórek. Postępy Biochemii 59
(2).
Czerwińska A, Ciemerych MA (2012). Kule zarodkowe jako metoda różnicowania pluripotencjalnych komórek macierzystych
w mioblasty. Postępy Biologii Komórki 39, 669-684.
Chung Y, Klimanskaya I, Becker S, Li T, Maserati M, Lu SJ, Zdravkovic T, Ilic D, Genbacev O, Fisher S, Krtolica A, Lanza R (2008).
Human embryonic stem cell lines generated without embryo destruction. Cell Stem Cell 2(2), 113-117.
Darabi R, Santos FN, Filareto A, Pan W, Koene R, Rudnicki MA, Kyba
M, Perlingeiro RC (2011). Assessment of the myogenic stem cell
compartment following transplantation of Pax3/Pax7-induced embryonicstem cell-derived progenitors. Stem Cells 29(5),
777-790.
Drews K, Jozefczuk J, Prigione A, Adjaye J (2012). Human induced pluripotent stem cells -from mechanisms to clinical applications. J Mol Med 90(7), 735-745.
Ebert AD, Yu J, Rose FF Jr, Mattis VB, Lorson CL, Thomson
JA, Svendsen CN (2009). Induced pluripotent stem cells from
a spinal muscular atrophy patient. Nature 457(7227), 277-280.
Evans MJ, Kaufman MH (1981). Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 292, 154-156.
Filimonow K, Krupa M, Suwińska A (2013). Pierwsze decyzje rozwojowe – różnicowanie komórek w przedimplantacyjnym zarodku
myszy. Postępy Biochemii 59 (2).
Games D, Adams D, Alessandrini R, Barbour R, Berthelette P, Blackwell C, Carr T, Clemens J, Donaldson T, Gillespie F et al. (1995).
Alzheimer-type neuropathology in transgenic mice overexpressing V717F beta-amyloid precursor protein. Nature 373, 523-527.
Guan K, Rohwedel J, Wobus AM (1999). Embryonic stem cell differentiation models:
cardiogenesis, myogenesis, neurogenesis, epithelial and vascular
smooth muscle cell differentiation in vitro. Cytotechnology 30,
211–226.
Gurdon JB (1962). The developmental capacity of nuclei taken from
intestinal epithelium cells of feeding tadpoles. J Embryol Exp
Morphol. 10, 622-640.
Hanna J, Markoulaki S, Schorderet P, Carey BW, Beard C, Wernig
M, Creyghton MP, Steine EJ, Cassady JP, Foreman R, Lengner
CJ, Dausman JA, Jaenisch R (2008). Direct reprogramming of terminally differentiated mature B lymphocytes to pluripotency. Cel.
133(2), 250-264.
Li P, Tong C, Mehrian-Shai R, Jia L, Wu N, Yan Y, Maxson RE, Schulze EN, Song H, Hsieh CL, Pera MF, Ying QL (2008). Germline
competent embryonic stem cells derived from rat blastocysts. Cell
135(7), 1299-1310.
Loh YH, Wu Q, Chew JL, Zhang W, Chen X, Bourque G, George J,
Leong B, Liu J, Wong KY, Sung KW, Lee CW, Zhao XD, Chiu KP,
Lipovich L, Kuznetsov VA, Robson P, Stanton LW, Wei CL, Ruan
Y, Lim B, Ng HH (2006) The Oct4 and Nanog transcription network regulates
pluripotency in mouse embryonic stem cells. Nat Genet 38, 431-440.
Maherali N, Ahfeldt T, Rigamonti A, Utikal J, Cowan C, Hochedlinger K (2008). A high-efficiency system for the generation and study of human induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 3(3),
340-345.
Makki N, Capecchi MR (2012) Cardiovascular defects in a mouse
model of HOXA1 syndrome. Hum Mol Genet. 21(1), 26-31.
Martin GR. (1981). Isolation of a pluripotent cell line from early
mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 78(12), 7634-7638.
Mitsui K, Tokuzawa Y, Itoh H, Segawa K, Murakami M, Takahashi
NAUKA
cyjnej. Jednak droga do rzeczywistego wykorzystania
tych komórek w klinice jest jeszcze daleka. Alternatywą jest stosowanie terapii z wykorzystaniem komórek
macierzystych pochodzących z organizmów dorosłych.
O mocnych i słabych stronach takiego rozwiązania
traktować będzie trzeci i ostatni już artykuł o komórkach macierzystych – w numerze 3/2013 EBiŚ.
SZKOŁA
choroby czy wpływu potencjalnych leków. Przykładem
mogą być badania Eberta i współpracowników, którzy
uzyskali komórki iPS z fibroblastów pobranych od pacjenta cierpiącego na rdzeniowy zanik mięśni. Choroba
ta spowodowana jest mutacją w genie SMN1 (ang. Survival Motor Neuron 1) i dotychczas pozostaje nieuleczalna. Dzieci chore na rdzeniowy zanik mięśni najczęściej
umierają w ciągu dwóch lat z powodu zaniku mięśni
spowodowanego obumieraniem neuronów niezbędnych do ich właściwego funkcjonowania. W neuronach
otrzymanych z komórek iPS uzyskanych od chorych na
rdzeniowy zanik mięśni stwierdzono zmniejszoną ilość
białka SMN1, koniecznego dla prawidłowego działania
neuronów. Zbyt niski poziom tego białka w komórkach
prowadził do ich degeneracji. Co ważniejsze jednak,
badania przeprowadzone przez Eberta i współpracowników pozwoliły na wskazanie kilku czynników
o potencjalnym znaczeniu terapeutycznym, np. kwasu
walproinowego i tobramycyny. Ich obecność w pożywce hodowlanej doprowadziła do zwiększenia poziomu
białka SMN1 w neuronach (Ebert i wsp., 2009). Obecnie
prowadzone są badania mające na celu określenie, w jakim stopniu czynniki te mogą chronić neurony przed
degeneracją. Przykład ten pokazuje, że wykorzystanie
„technologii iPS” może pomóc w poszukiwaniu skutecznego leku na tę i inne choroby degeneracyjne. Lawinowy postęp w badaniach nad komórkami iPS daje także szansę na opracowanie skutecznych i bezpiecznych
terapii różnych chorób z wykorzystaniem tych komórek
(ryc. 4; Archacka i wsp., 2010).
10
KRÓTKO
Stem cells. Part II – pluripotent stem cells
Keywords: Pluripotent stem cells, ES cells, iPS cells, reprogramming, multidirectional differentiation, regenerative medicine, cell therapies
SZKOŁA
Pluripotent stem cells are able to differentiate into all types of cells and tissues buliding mammalian organism. During embryo
development pluripotent cells are localized in the inner cell mass of blastocyst, which serves as a source of cells for embryo body
formation. Pluripotent cells building inner cell mass can be isolated and propagated in vitro as embryonic stem cells (ES cells).
Another type of pluripotent stem cells, i.e. induced pluripotent stem cells (iPS cells), is derived as a result of the process called
cell reprogramming. Both ES cells and iPS cells serve as a valuable research tool. They could also be used as a potential source
of cells for transplantation in regenerative medicine. Derivation of both ES and iPS cells is considered as a real breakthrough
in science and medicine, and was distinguished by the Nobel Prize in physiology or medicine. In 2007 Mario Capecchi, Olivier
Smithies, and Martin Evans were awarded for development of methods which enabled derivation of ES cells and genetic modification of mice, while in 2012 John Gurdon and Shinya Yamanaka were awarded for research focused on cell reprogramming.
NAUKA
Barbara Świerczek, Damian Dudka, Karolina Archacka
KRÓTKO
K, Maruyama M, Maeda M, Yamanaka S. (2003). The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse
epiblast and ES cells. Cell 113(5), 631-642.
Shamblott MJ, Axelman J, Wang S, Bugg EM, Littlefield JW, Donovan PJ, Blumenthal PD, Huggins GR, Gearhart JD (1998). Derivation of pluripotent stem cells from cultured human primordial
germ cells. Proc Natl Acad Sci 95(23), 13726-13731.
Schwartz SD, Hubschman JP, Heilwell G, Franco-Cardenas V, Pan
CK, Ostrick RM, Mickunas E, Gay R, Klimanskaya I, Lanza R
(2012). Embryonic stem cell trials for macular degeneration:
a preliminary report. Lancet 379, 713-720.
Stadtfeld M, Brennand K, Hochedlinger K (2008). Reprogramming
of pancreatic β cells into induced pluripotent stem cells. Curr.
Biol. 18, 890–894.
Sun N, Panetta NJ, Gupta DM, Wilson KD, Lee A, Jia F, Hu S, Cherry
AM, Robbins RC, Longaker MT, Wu JC (2009). Feeder-free derivation of induced pluripotent stem cells from adult human adipose stem cells. Proc Natl Acad Sci 106(37), 15720-15725.
Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda
K, Yamanaka S (2007). Induction of pluripotent stem cells from
adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131(5), 861-872.
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.
Tarkowski AK. (1961). Mouse chimaeras developed from fused eggs.
Nature 190, 857-860.
Thomas KR, Capecchi MR. (1990) Targeted disruption of the murine
int-1 proto-oncogene resulting in severe abnormalities in midbrain and cerebellar development. Nature 346, 847-850.
Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel
JJ, Marshall VS, Jones JM (1998). Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 282(5391), 1145-1147.
Thomson JA, Kalishman J, Golos TG, Durning M, Harris CP, Becker
RA, Hearn JP (1995). Isolation of a primate embryonic stem cell
line. Proc Natl Acad Sci 92(17), 7844-7848.
Utikal J, Maherali N, Kulalert W, Hochedlinger K. (2009). Sox2 is
dispensable for the reprogramming of melanocytes and melanoma cells into induced pluripotent stem cells. J. Cell Sci. 122, 35023510.
Weismann A (1893). The Germ-Plasm: A Theory of Heredity. Walter
Scott Ltd., Londyn.
11
Streszczenie:
Bioróżnorodność stanowi niezgłębiony rezerwuar zasobów będących źródłem użytecznych w życiu człowieka
rozwiązań. Stąd konieczna jest ochrona zasobów biologicznych. Niniejszy artykuł prezentuje wybraną tematykę w przedmiocie sui generis ochrony bioróżnorodności
ustanowionej w oparciu o przepisy Konwencji o różnorodności biologicznej z 5 czerwca 1992 r. Tematyka ta
została poddana analizie przez pryzmat instrumentu,
jakim jest dostęp do zasobów genetycznych i równy podział korzyści (Access and Benefit Sharing – ABS). W tym
zakresie zaprezentowano narzędzie uprzedniej zgody na
dostęp do zasobów. Ponadto przeprowadzone obserwacje
zostały pogłębione przez analizę relacji systemu ABS do
prawa patentowego. Artykuł prezentuje dwie główne tezy
w przedmiocie zrównoważonego wykorzystania bioróżnorodności oraz możliwej niezgodności między postanowieniami Konwencji o bioróżnorodności a prawem
patentowym. Nade wszystko esej dotyka problematyki
biopiractwa i wiedzy tradycyjnej.
Słowa kluczowe: bioróżnorodność, dostęp do zasobów genetycznych i równy podział korzyści, biopiractwo, wiedza tradycyjna, uprzednia zgoda
Joanna Uchańska: doktorantka w Katedrze Prawa Własności Intelektualnej Wydziału Prawa i Administracji Uniwersytetu Jagiellońskiego, aplikantka adwokacka w Krakowskiej
Izbie Adwokackiej, członek międzynarodowego zespołu
badawczego programu „Innovation Expert System”, uhonorowana nagrodą Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi.
W 1994 r. Europejski Urząd Patentowy w Monachium (EPU) udzielił ochrony na metodę niszczenia
grzybów na roślinach przez hydrofobowy ekstrakt
z drzewa Neem (Azadirachta indica) (Nr EP 436257) na
rzecz W.R. Grace & Company i Departamentu USA ds.
Rolnictwa (Baharul, 2011). Rok później grupa rolników
z Indii, organizacje pozarządowe oraz osoby fizyczne
(m.in. Partia Zielonych przy Parlamencie Europejskim,
dr Vandana Shiva, Indyjska Fundacja ds. Nauki, Technologii i Ekologii, Międzynarodowa Fundacja ds. Ruchu na rzecz rolnictwa ekologicznego) złożyły wniosek
o unieważnienie tych patentów. Dowodzono w nim, że
grzybobójcze właściwości ekstraktu z drzewa Neem
były znane i dlatego wynalazek nie miał zdolności patentowej. Wskazywano też, że drzewo Neem rośnie na
terytorium południowej i południowo-wschodniej Azji,
a ponadto uprawiane jest w Afryce, Ameryce Środkowej, Karaibach, Hawajach i Arabii Saudyjskiej. Na tej
podstawie w 1999 r. uznano, że rozwiązanie należało
do ówczesnego stanu techniki i nie miało charakteru
wynalazczego (nie posiadało tzw. poziomu wynalazczego). Patent został więc zrewidowany w 2000 r. (Alikhan
i Mashelkar, 2004; Arihan i Gençler, 2007), zaś ostatecznie unieważniony po orzeczeniu Izby Odwoławczej
przy EPU dnia 8 marca 2005 r. (Baharul, 2011).
Kazus ten można traktować jako jedną z wielu spraw
o unieważnienie patentu, w których uprawniony z patentu dowodzi, że jego wynalazek jest nowy, posiada
Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej.
Biologia – zakres rozszerzony: VIII. Różnorodność biologiczna Ziemi.
4. Uczeń przedstawia wpływ człowieka na różnorodność biologiczną,
podaje przykłady tego wpływu (...).
Przyroda dla szkół ponadgimnazalnych: 15. Ochrona przyrody i środowiska. 6. Uczeń określa cele zrównoważonego rozwoju i przedstawia
zasady, którymi powinna kierować się gospodarka świata.
poziom wynalazczy i charakteryzuje się przemysłową
stosowalnością, zaś oponenci, wnioskujący o unieważnienie patentu, dowodzą, że wynalazek nie był patentowalny, więc ochronę przyznano mu niesłusznie. Jednak postępowanie o unieważnienie patentu na metodę
produkcji pestycydów z drzewa Neem było na tym tle
szczególne. Poza argumentami, które faktycznie stały
się ostatecznie podstawą wygaszenia patentu, wskazywano bowiem, że naruszono przepisy międzynarodowego systemu ochrony bioróżnorodności1. System
ten stanowi jeden z filarów dostępu do zasobów genetycznych i podziału płynących z nich korzyści (Access
and Benefit Sharing – ABS), a także praw podmiotów
uprawnionych do wiedzy tradycyjnej.
Czym jednak jest sama bioróżnorodność, system
ABS, czy wiedza tradycyjna? Na czym, w opinii niektórych, polega łamanie prawa w sferze bioróżnorodności?
Jak te zagadnienia wiążą się z prawem patentowym?
Dlaczego system ABS w większości krajów nie wchodzi
w skład przepisów będących podstawą przyznawanej
ochrony patentowej? Na te oraz inne pytania staram się
odpowiedzieć w niniejszym artykule, prezentując kluczowe zagadnienia z zakresu sui generis ochrony bioróżnorodności.
Bioróżnorodność i jej ochrona sui generis
„Różnorodność biologiczna”, zgodnie art. 2 Konwencji o różnorodności biologicznej, sporządzonej
w Rio de Janeiro dnia 5 czerwca 1992 r. (Convention
on Biological Diversity – CBD), oznacza zróżnicowanie
wszystkich żywych organizmów pochodzących m.in.
z ekosystemów lądowych i morskich oraz innych wodnych ekosystemów oraz zespołów ekologicznych, któ1 Jest to system sui generis (łac. swego rodzaju), czyli system szczególny, niemający bezpośredniej podstawy w innych przepisach ani żadnego odpowiednika i nie uzupełniany przez przepisy innych regulacji
(w szczególności prawa patentowego).
SZKOŁA
Joanna Uchańska
Wstęp
KRÓTKO
Bioróżnorodność a ochrona
patentowa
NAUKA
12
Bioróżnorodność a ochrona patentowa | Joanna Uchańska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
jej wraz z nawiązującą do niej wiedzą, w tym wiedzą
tradycyjną, która stanowi też różnorodność kulturową
(Brush, 2007). Wielu naukowców podnosi konieczność
ochrony wiedzy tradycyjnej, w której zasobach można
odnaleźć także recepty, instrumenty czy informacje na
temat sposobów zachowania bioróżnorodności, w tym
poprzez jej zrównoważone wykorzystanie czy ochronę
przed zanieczyszczeniami (Zent i Zent Egleé, 2007).
Różnorodność biologiczną i kulturową traktuje
się zatem obecnie jako całość (Morżoł, 2010). Podstaw
tego stwierdzenia należy poszukiwać w art. 8 lit. j CBD,
gdzie postanowiono, że „stosownie do swojego ustawodawstwa krajowego respektuje się, chroni i utrzymuje
wiedzę, innowacje oraz praktyki stosowane przez tubylcze i lokalne społeczności, prowadzące tradycyjny tryb
życia, sprzyjający ochronie i zrównoważonemu użytkowaniu różnorodności biologicznej oraz wspiera się ich
szersze stosowanie za zgodą i przy udziale osób, które
dysponują taką wiedzą, stosują innowacje i praktyki,
oraz zachęca się do równego podziału korzyści płynących z wykorzystania tej wiedzy, innowacji i praktyk”.
Czym jest jednak wiedza tradycyjna, którą chroni
się wraz z bioróżnorodnością? Sama wiedza tradycyjna
jest charakteryzowana jako pojęcie dynamiczne i zróżnicowane (Mugabe, 2001), które interesuje się przejawami ludzkiej aktywności, takimi jak rolnictwo, nauki
ścisłe, technika, ekologia, medycyna, a wreszcie wiedza
powiązana z bioróżnorodnością, wyraz folkloru (muzyka, tańce, sztuka itd.), elementy języka (np. imion i nazwisk), nazwy geograficzne, symbole, a nawet ruchome
przedmioty własności (Alikhan i Mashelkar, 2004). Są
to bowiem informacje przekazywane z pokolenia na
pokolenie zwłaszcza w sposób ustny (chociaż może być
spisana i nie wyklucza to jej tradycyjności). Charakterystycznym dla wiedzy tradycyjnej jest brak przypisania
jej elementów indywidualnemu twórcy. Stanowi ona
zatem anonimowy wynik kooperatywnych wysiłków
NAUKA
ochrony przyrody, jednak wyznacza podstawę do uregulowania ochrony sui generis bioróżnorodności (Koopman J., 2003) i nakłada różne obowiązki na państwa,
które ją podpisały. Wprowadza też takie instrumenty
jak dostęp do zasobów genetycznych oraz transfer technologii do krajów rozwijających się (Jeffries, 2007).
Jądrem postanowień CBD w przedmiocie ochrony
bioróżnorodności jest dostęp do zasobów genetycznych.
Wśród nich kluczowa jest regulacja dotycząca uprzedniej zgody na dostęp do takich zasobów, do których – na
mocy jej art. 3 w zw. z art. 15 – prawa przysługują państwu, na terytorium którego zasoby te występują.
Regulacja o dostępie do zasobów genetycznych i podziale płynących z nich korzyści (wspomiane już Access
and Benefit Sharing – ABS) związana jest z dostępem do
wiedzy tradycyjnej, która towarzyszy bioróżnorodności. Dr Thokozani Simelane (członek stałego Komitetu
Doradczego ds. Prawa Własności intelektualnej RPA)
zauważa, że CBD jest jedynym międzynarodowym aktem prawnym, który w tak szerokim stopniu przyznaje
prawa do różnorodności biologicznej społeczności tubylczej i uznaje jurysdykcję krajów, z których pochodzą
zasoby naturalne, w tym zasoby genetyczne (Arihan
i Mine, 2007).
Eksploatacja wiedzy tradycyjnej związanej z bioróżnorodnością ma charakter pozytywny, gdy dotyczy poszukiwania materiału biologicznego (materii ożywionej), modyfikowania genetycznego, opieki zdrowotnej
opartej na produktach pochodzących z natury, medycyny naturalnej. Ma też jednak wymiar negatywny, związany z tzw. biopiractwem, o którym wspomnę w dalszej
części. A zatem wiedza tradycyjna jest powiązana z bioróżnorodnością na zasadzie krzyżowania (Simelane).
O ochronie bioróżnorodności i wiedzy tradycyjnej należy więc mówić przy zachowaniu następującego rozgraniczenia. Czym innym jest dbałość o różnorodność
biologiczną jako taką, a czym innym jest zabezpieczenie
SZKOŁA
rych są one częścią. Dotyczy różnorodności w obrębie
gatunku, pomiędzy gatunkami oraz pomiędzy ekosystemami (Wilson, 1992; Torrance, 2010). Zróżnicowanie biologicznych zasobów genetycznych jest różne na
różnych obszarach Ziemi. Największe występuje w klimacie równikowym, zwłaszcza na terytorium Brazylii,
Boliwii, Peru, Kostaryki, Kongo, Indii; najmniejsze – na
biegunach (Torrance, 2010; Koopman, 2003; Alikhan
i Mashelkar, 2004).
Zgodnie z art. 2 CBD zasoby genetyczne to materiał
genetyczny mający faktyczną lub potencjalną wartość.
Z kolei materiał genetyczny to jakikolwiek materiał roślinny, zwierzęcy, mikrobiologiczny lub innego pochodzenia zawierający funkcjonalne jednostki dziedziczności. Zasoby genetyczne wchodzą zaś w skład zasobów
biologicznych rozumianych jako zasoby genetyczne, organizmy i ich części, populacje i jakiekolwiek inne żywe
elementy ekosystemu, które faktycznie lub potencjalnie
mogą być wykorzystywane lub mogą stanowić wartość
dla ludzkości.
CBD wśród swych celów wymienia: ochronę bioróżnorodności, jej zrównoważone użytkowanie oraz uczciwy i sprawiedliwy podział korzyści z wykorzystywania
zasobów genetycznych, w tym przez odpowiedni dostęp
do zasobów genetycznych i odpowiedni transfer właściwych technologii, z uwzględnieniem wszystkich praw
do tych zasobów i technologii, a także odpowiednie finansowanie. Wytyczne te są realizacją Światowej Strategii Ochrony Przyrody, która zakłada m.in., że ochrona
przyrody jest podejmowana przy udziale społeczności
lokalnych. Jej celem jest budowanie odpowiednich postaw oraz stworzenie warunków, w których ludność
lokalna będzie mogła skorzystać z obszarów objętych
ochroną (Jeffries, 2005). CBD jest uważana za pierwszy
międzynarodowy akt, w którym zawarto zobowiązania
państw do przestrzegania wymienionych postulatów.
Konwencja nie jest wprawdzie kompleksową regulacją
13
KRÓTKO
CBD przewiduje szereg działań, które wchodzą
w zakres tzw. ochrony sui generis, która opiera się na
trzech filarach: save – know – use. Pojęcia te oznaczają
odpowiednio ochronę gatunków poprzez:
1)stworzenie obszarów chronionych,
2)poznanie występujących gatunków chronionych
oraz
3)używanie ich w sposób zrównoważony dla korzyści społecznych i ekonomicznych (Gámez, 2007).
Definicję zrównoważonego użytkowania ustanawia
art. 2 CBD i oznacza użytkowanie elementów różnorodności biologicznej w taki sposób i z taką intensywnością, żeby nie prowadziło ono do jej zmniejszenia
w długim czasie i tym samym pozwoliło utrzymać jej
potencjał w stanie odpowiadającym potrzebom i aspiracjom obecnych oraz przyszłych pokoleń. W jej zakres
wchodzą: działania ogólne – takie jak przygotowanie
krajowych strategii, planów, programów, a także szczegółowe – takie jak identyfikacja elementów różnorodności biologicznej i jej monitoring. CBD wymaga także
opracowania systemu zrównoważonego użytkowania
jako dostępu do jej zasobów genetycznych. W ten sposób proponuje się ochronę bezpośrednią bioróżnorodności.
Osoby dysponujące wiedzą tradycyjną związaną
z bioróżnorodnością, szamani czy inni uzdrowiciele (znachorzy), koncentrują się na widocznych gołym
Wiedza tradycyjna wymaga ochrony, ponieważ
jednocześnie jest ona jednym z narzędzi podstawowej
ochrony in situ (tzn. „w miejscu”) wyrażonej w art. 8
lit. j CBD. Ochrona in situ przewiduje szereg instrumentów, mających na celu zachowanie gatunków
występujących naturalnie w środowisku i całych ekosystemów. Oznacza więc ochronę ekosystemów i naturalnych siedlisk oraz utrzymanie i restytucję zdolnych
do życia populacji gatunków w ich naturalnym środowisku, a w przypadku gatunków udomowionych lub
hodowlanych – w środowisku, w którym rozwinęły
swoje charakterystyczne właściwości. Pozwala też na
wprowadzenie obszarów chronionych.
Pomocniczą funkcję w stosunku do ochrony in situ
pełni ochrona ex situ. Należy ją rozumieć jako ochronę
składników różnorodności biologicznej poza ich naturalnymi siedliskami (art. 2 CBD). Polega ona na badaniu organizmów w celu przywracania naturalnych ekosystemów oraz gatunków zagrożonych wyginięciem.
Wśród praktycznych działań realizujących założenia
ochrony ex situ jest zakładanie ogrodów zoologicznych,
a także prowadzenie banków genów. J. Chen (2007)
uważa, że ochrona ex situ zachowuje jedynie niewielką
część zasobów genetycznych, a kluczowa dla ochrony
bioróżnorodności jest jednak ochrona in situ.
System stworzony w CBD został także uzupełniony o dwa znaczące akty prawne: protokół z Kartageny
(2000) oraz protokół z Nagoi (2010) – oba ratyfikowane
przez Polskę. Postanowienia tego pierwszego dotyczą
problematyki bezpieczeństwa biologicznego, zwłaszcza
transferu pomiędzy państwami organizmów modyfikowanych genetycznie. Z kolei drugi dokument ustanowił nową globalną strategię oraz instrumenty ochrony
różnorodności biologicznej na lata 2011–2020 z wizją na
rok 2050. Nowy Plan Strategiczny CBD określa 20 kluczowych celów (tzw. Aichi Targets), które mają zostać
osiągnięte do 2020 r. Przyjęty zaś Protokół z Nagoi ma
NAUKA
Eksploatacja bioróżnorodności a jej ochrona
okiem cechach organizmu. Wiele z nich jest dziedzicznych, jak np. kolor oczu, włosów, czy skłonność do
otyłości (Winter i Fletcher, 2004); jak każda cecha, widoczna lub niewidoczna na pierwszy rzut oka, wywodzi
się z konkretnego genotypu, ale w wiedzy tradycyjnej
można było zwrócić uwagę tylko na te fenotypy, które
dotyczyły zewnętrznych cech organizmu. Natomiast
biotechnologia często skupia się na aspektach biochemicznych, czyli tych fenotypach, których nie sposób
określić na podstawie obserwacji z zewnątrz (m.in.
aktywność określonych enzymów w wybranym narządzie). Z tego powodu wiedza tradycyjna nie przyczynia
się bezpośrednio do rozwoju biofarmacji. Niemniej
jednak często jest pomocna w procesie prac badawczo-rozwojowych (research and development – R&D)
w bioprzemyśle, ponieważ jej posiadacze znają medyczne zastosowanie konkretnych organizmów, co pozwala
przystąpić do właściwych badań. Wiedza tradycyjna
przydaje się więc w pierwszej fazie R&D – w fazie poszukiwania. Jest też niezbędna na kolejnym etapie –
owocnego wykorzystania organizmów lub ich komponentów, a także na etapie ich praktycznej eksploatacji
(Koopman, 2003), w tym w związku z patentowaniem.
Opracowanie strategii do identyfikacji metod gromadzenia i stosowania materiału genetycznego oraz
związanej z nim wiedzy nazwane zostało bioprospekcją. Jest ona rozumiana jako „poszukiwanie gatunków
roślin i zwierząt, z których mogą być uzyskiwane produkty lecznicze lub inne związki cenne pod względem
komercyjnym” (Compact Oxford English Dictionary,
2006). Kolejną zaletą wiedzy tradycyjnej jest to, że jest
ona niezgłębionym i niewyczerpanym źródłem informacji o ochronie środowiska i jego zrównoważonym
użytkowaniu. Podobnie R. Anriantsiferena (2007) podkreśla dwa główne elementy konstruujące pojęcie wiedzy tradycyjnej, tj. wiedzę dotyczącą wszystkich aspektów życia i środowiska naturalnego.
SZKOŁA
całej społeczności nie tylko żyjącej w konkretnej chwili, na konkretnym terytorium, ale ocenianej jako zbiór
wielowiekowy, podporządkowany lokalnemu prawu,
zwyczajom i tradycji. Dynamika rozwoju wiedzy wpływa na fakt, że „to co sprawia, że wiedza tradycyjna jest
tradycyjna, to nie jej przeszły charakter, ale sposób jej
przyswajania i użytkowania” (Mugabe, 2001).
14
KRÓTKO
15
Okazuje się, że mechanizmy dostępu do zasobów genetycznych wprowadzone przez wiele państw
(np. Brazylii, Indiach, Kostaryce i Peru) są sprzeczne
z Porozumieniem TRIPS, choć zgodne z CBD. Regulacje z zakresu prawa własności przemysłowej, w tym
porozumienie TRIPS, chroni bowiem prawo własności
uprawnionego, w tym wynalazcy. CBD skupia się zaś
na ochronie zasobów genetycznych oraz wiedzy tradycyjnej. Konflikt legislacyjny zachodzi w głównej mierze
na poziomie umów międzynarodowych. Porozumienie
TRIPS uniemożliwia pełną implementację CBD, gdyż
oparte jest na mechanizmach własności prywatnej,
podczas gdy CBD opowiada się za strukturą własności
kolektywnej.
Z punktu widzenia porozumienia TRIPS przy ubieganiu się o ochronę patentową niewłaściwe będzie wymaganie wykazania uzyskania uprzedniej zgody, chociaż niektóre ustawodawstwa krajowe taką przesłankę
wprowadziły. W Indiach uprzednią zgodę trzeba uzyskać od krajowego organu ds. bioróżnorodności przed
złożeniem aplikacji o patent. Sama CBD nie wskazuje,
jaka jest sankcja dla patentu udzielonego bez uprzedniej zgody (nieważność, bezskuteczność itp.). Mimo
to niektóre państwa ustanawiają także odpowiednie
normy karno-administracyjne w zakresie naruszenia
postanowień chroniących zasoby genetyczne i związaną z nimi wiedzę tradycyjną. Niektóre zaś wiążą
sankcje z nieważnością patentu. Takie postanowienia
są sprzeczne z art. 27 porozumienia TRIPS, jeśli brak
uzyskanej zgody ma stanowić przeszkodę w uzyskaniu
patentu lub jego unieważnienie. Jedyne możliwe ograniczenia w przyznawaniu patentów, jakie dopuszczają
postanowienia porozumienia TRIPS, zostały przewidziane w ust. 2 i ust. 3 tego przepisu. Po pierwsze,
zdolność patentowa może być ograniczona przez pań-
NAUKA
W literaturze wciąż uważa się, że ochrona zarówno
bioróżnorodności, jak i wiedzy tradycyjnej w niektórych krajach rozwijających się jest wymierzona przede
wszystkim w piractwo biologiczne oraz w narzucony,
rygorystyczny system ochrony własności intelektualnej
proponowany m.in. przez tzw. porozumienie TRIPS,
czyli Porozumienie w sprawie handlowych aspektów
praw własności intelektualnej z 15 kwietnia 1994 r. (Dz.
Urz. WE L 336 z 23.12.1994 r., s. 305). Uchwalenie CBD
ma więc związek z istniejącym systemem patentowania,
zwłaszcza nowych związków chemicznych opartych na
zasobach genetycznych wykorzystywanych w przemyśle farmaceutycznym. Zaproponowano zatem, by materiał roślinny odkryty przez duże firmy patentujące
takie właśnie wynalazki biotechnologiczne, przynosił
zyski nie tylko im, lecz także krajom, z których materiał ten pochodzi (Tritton i wsp., 2008). Na mocy CBD
wprowadzono wspominany już specjalny reżim dostępu do zasobów oparty na równym podziale korzyści
oraz przesłance uprzedniej zgody.
Zgodnie z CBD dysponentem zasobów genetycznych jest to państwo, na terytorium którego one występują. Takie stanowisko nie było jednak pierwotnie prezentowane. Początkowo uważano, że zasoby genetyczne
są dobrem wspólnym. Rosnące znaczenie praw własności intelektualnej do produktów z wykorzystaniem roślin i tym samym komercyjne wykorzystanie zasobów
genetycznych (Brush, 2007) konsekwentnie kierowało
jednak kwestie związane z ochroną zasobów genetycznych w stronę koncepcji, jakie towarzyszą własności
indywidualnej (Hamilton, 2006). Sygnatariuszy CBD
Sprzeczność z prawem patentowym
SZKOŁA
Zasoby genetyczne w prawie patentowym
zobowiązano do ułatwienia innym podmiotom dostępu
do swoich zasobów w sposób racjonalny z punktu widzenia środowiska oraz do nie wprowadzania żadnych
ograniczeń, które byłyby sprzeczne z CBD. Dostęp do
zasobów genetycznych jest możliwy po uzyskaniu odpowiedniej zgody rządu oraz po zapewnieniu podziału
korzyści uzyskanych z wykorzystania dóbr wytworzonych za pomocą lub z wykorzystaniem materiału genetycznego. Wymaganie zgody na dostęp do zasobów jest
jednak fakultatywne, na podstawie art. 3 CBD, który
przyznaje państwom suwerenne prawo do wykorzystania ich zasobów zgodnie z własną polityką środowiskową. Pomimo fakultatywnego charakteru systemu
regulowania dostępu do zasobów genetycznych w art.
15 ust. 7 CBD zobowiązano sygnatariuszy do podjęcia
odpowiednich środków ustawodawczych, administracyjnych i politycznych oraz – w razie potrzeby – poprzez mechanizm finansowy mający na celu sprawiedliwy i równy dostęp do wyników badań i rozwoju oraz
korzyści wynikających z komercyjnego lub innego wykorzystania zasobów genetycznych z państwem dostarczającym takie zasoby. Każdy sygnatariusz jest zobowiązany do ułatwienia dostępu i transferu technologii,
które mają istotne znaczenie dla ochrony i zrównoważonego użytkowania różnorodności biologicznej lub
wykorzystują zasoby genetyczne i nie powodują znacznych szkód dla środowiska. W myśl CBD sygnatariusze
muszą także zapewniać ochronę patentom lub innym
prawom własności intelektualnej, ponieważ wdrażanie
postanowień konwencji odbywa się w zgodzie z ustawodawstwem krajowym i prawem międzynarodowym,
aby patenty oraz prawa własności intelektualnej wspierały cele konwencji i nie były z nimi sprzeczne.
KRÓTKO
w pełniejszy i powszechniejszy sposób realizować postanowienia CBD o sprawiedliwym podziale korzyści
wynikających z wykorzystania zasobów genetycznych.
Próby rozwiązania
Aby rozwiązać konflikt TRIPS – CBD, podjęto prace
w ramach Światowej Organizacji Własności Intelektualnej przy ONZ (WIPO) we współpracy z Sekretariatem CBD, FAO i Agencji ONZ ds. Środowiska (UNEP).
Postanowienie paragrafu 19 Deklaracji z Doha stanowi,
że Rada TRIPS powinna zauważyć zagadnienia relacji
porozumienia TRIPS do CBD oraz ochrony wiedzy tradycyjnej i folkloru. Ponadto w 2000 r. utworzono Międzynarodowy Komitet ds. Własności Intelektualnej,
Zasobów Genetycznych, Wiedzy Tradycyjnej i Folkloru (IGC), którego przedmiotem są: zagadnienia własności intelektualnej w kontekście dostępu do zasobów
genetycznych i podziału korzyści oraz ochrona wiedzy
tradycyjnej, która może, ale nie musi być związana z zasobami genetycznymi. Prace prowadzone w ramach
komitetu IGC skupiają się na trzech zasadniczych kwestiach:
• na zapewnieniu defensywnej ochrony zasobów
genetycznych poprzez eliminowanie udzielania
patentów, którym brak nowości oraz poziomu wynalazczego;
• na wyborze właściwego modelu oraz instrumentów zapewniających realizację równego i sprawiedliwego systemu ABS;
• na wprowadzeniu wymogu ujawnienia w zgłoszeniach patentowych pochodzenia materiału genetycznego lub źródła zasobów genetycznych (Lisowska, 2012).
Obecnie trwają prace mające na celu osiągnięcie porozumienia w zakresie harmonizacji przepisów prawa
patentowego i CBD. Choć wydają się obiecujące, nie
przyniosą szybkich rezultatów, ponieważ różne państwa prezentują w tym zakresie rozbieżne stanowiska:
• UE i Szwajcaria opowiadają się za wprowadzeniem
wymogu ujawnienia, którego naruszenie nie ma
wywierać sankcji w prawie patentowym;
• kraje rozwijające się chcą, aby naruszenia wprowadzonego wymogu ujawnienia pociągało za sobą
sankcje przy udzieleniu patentu;
• USA, Japonia, Korea i Kanada oprotestowują wymóg ujawnienia (Lisowska, 2012) i optują za pozostawieniem go poza systemem patentowym
(Straus, 2008).
SZKOŁA
różnych społeczności. Oskarżenia zostały wysunięte
np. przeciwko amerykańskiemu koncernowi biotechnologicznemu Phytera. W 1996 r. koncern ten podpisał
umowę z kilkoma europejskimi ogrodami botanicznymi. Niniejsza umowa zapewniała Phytera’i dostęp do
gatunków pochodzących z ich kolekcji roślin, zaś w zamian miała gwarantować podział korzyści płynących
z wytworzonych na tej podstawie produktów. Jednak
niektóre z umów pomijały klauzulę obowiązku podziału korzyści z krajami, z których gatunki roślin pochodziły (Jeffries, 2004). Jak już wyżej wykazywano, obowiązek ten wynika z art. 15 CBD, który mówi o ABS.
Krytyczna recenzja ABS
Dotychczasowy system ABS nie jest jednak wolny
od luk i głosów krytycznych na jego temat. Po pierwsze,
wprawdzie CBD opowiada się za przyznaniem prawa
do dysponowania i decydowania o zasobach genetycznych państwu, gdzie te zasoby występują, jednak liczna
grupa przedstawicieli rządów, naukowców oraz organizacji społecznych opowiada się za wolnym dostępem do
różnorodności biologicznej, a nie jej uwłaszczeniem na
czyjąkolwiek rzecz, która zagraża w ich opinii ochronie
środowiska naturalnego. Problem dotyczący zwłaszcza
zasobów mórz i oceanów (poza wodami terytorialnymi)
czy zasobów Arktyki. Obszary te nie są bowiem objęte
KRÓTKO
stwa ze względu na szczególne wyższe cele. Takie cele
to np. ochrona porządku publicznego lub moralności,
ochrona życia lub zdrowia ludzi, zwierząt lub roślin czy
zapobieżenie poważnej szkodzie dla środowiska naturalnego. Do przypadku tego nie należy jednak ograniczenie wprowadzone tylko z tego powodu, że dany
sposób wykorzystania jest zabroniony przez prawo krajowe. Po drugie, zdolności patentowej można odmówić
diagnostycznym, terapeutycznym i chirurgicznym metodom leczenia ludzi i zwierząt. Po trzecie zaś, państwo
może nie udzielić patentu na rośliny i zwierzęta inne niż
drobnoustroje oraz, zasadniczo, na biologiczne procesy
służące do produkcji roślin i zwierząt inne niż procesy
niebiologiczne i mikrobiologiczne. Żadne inne ograniczenia nie są dopuszczalne na terytorium państw sygnatariuszy porozumienia TRIPS i dlatego dodatkowe
postanowienia o uzyskaniu uprzedniej zgody na dostęp
do zasobów genetycznych nie może być warunkiem
uzyskania patentu.
Tak samo komentowano projekt nowelizacji prawa
patentowego w Belgii, kiedy planowano implementować
wymóg wykazania uprzedniej zgody wraz z sankcją nieważności patentu. Ostatecznie projekt został wycofany.
Międzynarodowe prawo patentowe nie zawiera żadnych postanowień w sprawie ochrony zasobów genetycznych, ochrony wiedzy rdzennej i lokalnej społeczności. Wydaje się to niezrozumiałe, ponieważ Stronami
CBD są 192 państwa oraz Unia Europejska, a więc reguły w niej przyjęte można uznać bez wątpienia za powszechne. Mimo to system patentowy nie wprowadza
żadnych postanowień w sprawie równego podziału korzyści płynących z ochrony patentowej, jeśli wynalazek
korzysta z zasobów genetycznych lub związanej z nimi
wiedzy tradycyjnej (Anuradha i wsp., 1999). Mimo to
przypadki uzyskania ochrony patentowej bez uprzedniej zgody czy chociażby podziału korzyści płynących
z ochrony patentowej spotykają się ze sprzeciwem
NAUKA
16
Propozycja rozwiązania konfliktu
Proponowanym rozwiązaniem konfliktu: prawo patentowe – ABS jest m.in. wprowadzenie dodatkowych
przepisów do porozumienia TRIPS. Wnioskuje się zatem uchwalenie art. 29bis w przedmiocie wymagań
ujawnienia źródła pochodzenia zasobów biologicznych
lub wiedzy tradycyjnej. Projekt nowej regulacji zakłada
nie tylko konieczność poinformowania o źródle pochodzenia materiału genetycznego, uzyskaniu uprzedniej
zgody. Stanowi także podstawę do wprowadzenia sankcji zawieszenia postępowania patentowego lub nieprzyznania prawa w sytuacji uzasadnionych wątpliwości co
do spełniania przez wnioskodawcę wymagań o uprzedniej zgodzie (Strus, 2008). Dotychczas bowiem w postępowaniu o unieważnienie patentu można podnieść
tylko przesłanki braku zdolności patentowej: braku nowości, nieoczywistości czy przemysłowej stosowalności.
Tak stało się np. w przypadku opatentowania
w 1995 r. (Nr 540504) przez Urząd Patentowy Stanów
Zjednoczonych (USPTO) metody leczenia ran za pomocą wyciągu pochodzącego z korzenia szafranu indyjskiego (Alikhan i Mashelkhar, 2004). Szafran indyjski
był od wieków wykorzystywany w kuchni i kosmetyce
azjatyckiej, w medycynie zaś jako lek m.in. na anemię,
astmę, oparzenia, zapalenie spojówek, problemy stomatologiczne, cukrzycę, biegunkę, zwalczanie bólu (Arihan i Mine, 2007). Patent został unieważniony 20 listopada 1997 r. ze względu na brak nowości, po działaniach
podjętych przez Urząd Indii ds. Nauki i Przemysłu (The
Council of Scientific and Industrail Research in India).
Skarga na nieważność została poparta dokumentacją
pochodzącą z 32 źródeł, w zakresie wiedzy tradycyjnej, w skład której wchodziła m.in. publikacja z 1953 r.
w „The Journal of the Indian Medical Association”, inne
zaś zostały spisane w lokalnych językach, takich jak
sanskrit, urdu lub hindi. (Alikhan i Mashelkar, 2004).
Tym samym patent został unieważniony na podstawie
art. 102 i art. 103 U.S. Patent Act (Baharul, 2011).
Nie tylko jednak zmiany przepisów międzynarodowych mogą chronić przed łamaniem postanowień
CBD. Rząd Indii podjął pracę nad stworzeniem krajowej Cyfrowej Biblioteki Wiedzy Tradycyjnej (TKDL).
Ponadto WIPO prowadzi równoległe prace nad stworzeniem i wprowadzeniem instrumentów, które mają
na celu pozwolić ekspertom patentowym do wzięcia
pod uwagę zasobów wiedzy tradycyjnej przy badaniu
nowości i nieoczywistości. Stąd opracowuje się zasoby światowej TKDL, która w przyszłości miałaby być
zintegrowana z Cyfrową Biblioteką Własności Intelektualnej. Pierwsza z baz danych miałaby dostarczać
zwięzłe, skategoryzowane i standaryzowane informacje
na temat istniejącej wiedzy tradycyjnej. Niewątpliwie
pozwoli to na wzięcie pod uwagę istniejącej wiedzy tradycyjnej przy prowadzeniu badań patentowych (Wynberg, 2003). TKDL w ramach WIPO miałaby stanowić
system ogólnoświatowy. W ramach projektu, którego
celem jest stworzenia TKDL dla indyjskiego systemu
medycznego, pracuje interdyscyplinarny zespół składający się z ekspertów ds. medycyny naturalnej, ekspertów
patentowych, specjalistów ds. IT, naukowców i kadry
technicznej. Biblioteka będzie dostępna w pięciu językach: angielskim, niemieckim, francuskim, japońskim
i hiszpańskim. TKDL zawiera już ponad 34 milionów
stron i zapewnia informację na temat wiedzy tradycyjnej, by chronić przed błędnym przyznawaniem patentów. (http://www.wipo.int/pressroom/en/articles/2011/
article_0008.html). Dostęp do tej bazy został zagwarantowany dla wielu urzędów patentowych, w tym EPU
i USPTO w 2009 r.
NAUKA
dla zbadania różnorodności genetycznej na świecie
i określenia stopnia zagrożenia jej utraty.
SZKOŁA
jurysdykcją żadnego państwa. Toteż proponuje się trzy
rozwiązania:
1)traktowanie zasobów jako dziedzictwo ludzkości,
2)oparcie dostępu do tych zasobów na zasadzie wolności przysługującej wszystkim zainteresowanym,
3)„uznanie zasobów za wspólną własność ludzkości,
gdzie element «własność» będzie zobowiązywał do
ustalenia zasad korzystania z niej w ramach odrębnie ustalonego reżimu prawno międzynarodowego” (Szkarłat, 2012; Zimny, 2012). Takie zasoby
mogą być dowolnie wykorzystywane w dziedzinie
medycyny, żywienia, farmacji, przemysłu tekstylnego itp.
Po drugie, problem może wywoływać ustalanie, jakie konkretne korzyści powinny być przedmiotem podziału oraz kto powinien być ich odbiorcą – czy kraj,
z którego dany materiał pochodzi, czy społeczność lokalna, która ma wiedzę związaną z tym materiałem genetycznym.
Po trzecie, istnieją trudności z określeniem podmiotu praw i obowiązków, gdy materiał genetyczny
występuje na większej części kontynentu czy globu oraz
szerokiego rozpowszechnienia wiedzy na jego temat.
Komplikacje mogą być związane z ustaleniem sposobu
podziału korzyści.
Po czwarte, stronami CBD pozostają państwa pochodzące z różnych systemów prawnych, w których
w różny sposób uregulowane jest prawo własności,
w tym współwłasność. Ponadto nie postanowiono wyraźnie, jak należy ustalać proporcje podziału. Często
podnosi się, że posiadaczom zasobów biologicznych
i wiedzy na ich temat zostają przekazane nieproporcjonalnie niewielkie części należnych im korzyści.
Po piąte, bioprospekcja towarzysząca systemowi
ochrony bioróżnorodności przynosi w większości korzyści niepieniężne, chociaż jest to ocena jedynie semi-negatywna, gdyż można oceniać pochlebnie jej wpływ
17
KRÓTKO
Legislacja w zakresie ochrony zasobów genetycznych jest obecnie przedmiotem dyskusji na poziomie
krajowym. Jak wynika z zaprezentowanych przykładów, ochrona stanowi kombinację możności eksploatacji dóbr oraz podziału korzyści. Kraje, z których
pochodzą dane zasoby naturalne są zobligowane do
stworzenia regulacji w trzech sferach, a mianowicie do
stworzenia przepisów na temat:
1)kolekcji genetycznych, przy zachowaniu dostępności informacji oraz współpracy z lokalną ludnością,
2)
transferu technologii oraz podziału korzyści,
a także
3)utworzenia organów regulacyjnych odpowiedzialnych za przestrzeganie przewidzianych regulacji.
Dodatkowo, aby przepisy były skuteczne wskazuje
się na konieczności ustanowienia komplementarnych regulacji w państwach czerpiących z niniejszych zasobów celem właściwej egzekucji praw
(
Jeffries, 2004).
Kompleksowa regulacja ABS nie jest jednak wymagana przez CBD, ale dopiero przez Protokół z Nagoi, który wejdzie w życie po 90 dniach od złożenia
50. dokumentu ratyfikacyjnego. Polska podpisała Protokół z Nagoi, ale jeszcze go nie ratyfikowała. Protokół
z Nagoi w szczególności wymaga, by rdzenna lub lokalna społeczność dysponująca zasobami genetycznymi
towarzyszyła w podziale korzyści. Nie postanowiono
w nim jednak, aby społeczność ta miała być stroną
umów czy decyzji lub innych aktów w tym zakresie.
Społeczność lokalna lub rdzenna powinna być jednak
zaangażowana w mechanizm przekazywania dostępu
do zasobów genetycznych. Otóż w myśl art. 16 w zw.
z art. 6 ust. 2 bierze ona udział w wyrażeniu zgody lub
zatwierdzenia dostępu do zasobów genetycznych. Na
podstawie samego porozumienia nie powiedziano tak-
NAUKA
ła zmieniona z „Odmiany i ziarna ryżu Basmanti” na
„Odmiany Ryżu Bas867, RT117 i RT1121”. Zgłaszający
zaprzeczył także, aby ziarna ryżu zostały wyizolowane
ze środowiska naturalnego w Indiach czy Pakistanie,
twierdząc, że są przedmiotem transformacji linii genetycznej ryżu. Ziarna poddane transformacji genetycznej miały pochodzić ze Światowej Kolekcji Materiału
Genetycznego w Aberdeen (Idahoo), eksploatowanej
przez Serwis Badań Rolniczych przy Depertamencie
ds. Rolnictwa. Zanim trafiły do kolekcji miały być
także przedmiotem wcześniejszej 10-letniej tradycyjnej
i klasycznej uprawy. Mimo to argumentacja ta budzi
uzasadnione wątpliwości i może świadczyć o tym, że
ryż był łudząco podobny do tego uprawianego w Indiach i Pakistanie (Baharul, 2011). Na marginesie należy wskazać, że Rice Tec. Inc. przed uzyskaniem patentu starał się wprowadzić na rynki europejskie ryż
pod nazwą „Texmati”, „Jasmati”, „Kasmati”. Po uzyskaniu zaś patentu Rice Tec. postanowił wprowadzić
na rynek ryż o nazwie „Basmanti”. Jednak 9 lipca 1998
r. Federacja USA ds. Ryżu wydała komunikat, w którym zaznaczyła, że nazwa „basmanti” odnosi się do
wielu klas i gatunków aromatycznego ryżu. W konsekwencji, nazwa ta nie charakteryzuje produktu lub odmiany pochodzącej z danego kraju lub grupy krajów.
Krytycznie w literaturze wypowiedziano się także na
temat wniesienia przez Indię wniosku jedynie o rewizję niektórych zastrzeżeń patentowych. Rząd Indii
nie podniósł bowiem argumentów dotyczących naruszenia bioróżnorodności oraz wiedzy z nią powiązanej, w tym praw rolników i tym samym nie wnosił
o unieważnienie pozostałych zastrzeżeń patentowych
(
Baharul, 2011, 42, 45-47), co jednak było poprawne,
ponieważ takie argumenty nie mogły być podstawą
unieważnienia patentu, jeśli nie podważały nowości,
nieoczywistości lub przemysłowej stosowalności.
SZKOŁA
Dodatkowe wymogi oceny zdolności patentowej,
w rzeczywistości przewidziane jedynie w regulacjach
niektórych państw, są jednak niewystarczające przy
ochronie przed korzystaniem z zasobów genetycznych
danego państwa bez uzyskania uprzedniej zgody. Otóż
w wielu przypadkach prowadzonych badań R&D uzyskane próbki są wywożone do krajów, z których nie
pochodziły. Wówczas rozwiązania, które na nich bazują, spełnią inne przesłanki zdolności patentowej –
uzyskują patent. Podobnie było np. w przypadku ryżu
Basmanti. 2 września 1997 r. opatentowano ów ryż
w USA (nr US 5663484). Patent obejmował 20 zastrzeżeń, wśród których znalazł się nie tylko ryż (znacząco podobny do indyjskiego ryżu Basmanti), lecz także
znaczna liczba odmian ryżu, a także metod otrzymywania roślin i ziaren. Zastrzeżenia patentowe nr 15–17
stanowiły ziarna zbliżone cechami do ryżu Basmanti.
Zastrzeżenia te stały się główną przeszkodą eksportu
ryżu Basmantii z Indii do USA. Ryż Basmantii uprawiany tradycyjnie w prowincji Punjab rośnie u zboczy
Himalajów. Z uwagi na swą wyjątkową jakość, specjalny aromat i smak, a także długie ziarna, był sprzedawany na całym świecie. W 1993 r. przyniósł najwyższe
zyski. Indie zaś, po Chinach, są (nadal) największym
eksporterem ryżu na świecie (FAO). Ryż wykorzystywany jest w Indiach także przy modlitwach i ceremoniach religijnych, a więc ma znaczenie kulturowe.
Urząd Indii ds. Badań Rolniczych (IARI) w New Delhi
wystosował wniosek o unieważnienie patentu, podnosząc, że ziarna ryżu wchodzą od 1978 r. w skład kolekcji Wydziału ds. Badań nad Ryżem. Ziarna ryżu zaś
będące przedmiotem zastrzeżeń 15–17 zostały przebadane przez Centralny Instytut Badawczy ds. Technologii Żywności. Ze względu na przeprowadzone ponowne badanie patentowe zgłaszający (Rice Tech. Inc.)
wycofał rozwiązanie w zakresie zastrzeżeń 15–17 oraz
4 (Alikhan i Mashelkar, 2004). Nazwa patentu zosta-
18
KRÓTKO
2 Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 98/44/WE z dnia 6 lipca
1998 r. w sprawie ochrony prawnej wynalazków biotechnologicznych
(Dz. Urz. WE L 213 z 1998 r., s. 13).
Biopiractwo
Chociaż cele CBD zostały określone, nadal nie ustalono ostatecznie, jak je realizować (Straus, 2008). Brak
porozumienia generuje m.in. zjawisko biopiractwa. Pojęcie to zostało po raz pierwszy użyte na początku lat
90. XX wieku. Obecnie biopiractwo definiuje się m.in.
jako:
przywłaszczenie wiedzy i zasobów genetycznych pochodzących z upraw oraz od społeczności lokalnych przez osoby lub instytucje poszukujące wyłącznej monopolistycznej
kontroli (patentowej lub z tytułu innych praw własności
intelektualnej) wśród tej wiedzy i zasobów (Drahos i Braithwaite, 2002; Hamilton, 2003).
Dla prawa patentowego jest nieistotne, w jaki sposób doszło do zdobycia danego materiału genetycznego.
Dla ekspertów rozpatrujących zgłoszenie patentowe nie
jest zaś możliwe dotarcie do odpowiednich informacji
o znanej wiedzy tradycyjnej, co odbierałoby zgłoszeniu
przymiot nowości lub nieoczywistości. Eksperci mają
także problem z rozpoznaniem elementów wiedzy tradycyjnej w zgłoszeniu (Koopman, 2003). Może to wynikać z różnych systemów zapisu i stylu języka, jakimi
posługują się ich autorzy. Język zgłoszenia patentowego
ma często charakter techniczny, zgłoszenie jest zazwyczaj rozbudowane i stanowi sumę różnych elementów.
Jeśli miałaby pojawić się w nim wiedza tradycyjna, to
byłaby ona sprecyzowana w najmniej bezpośredni sposób, zupełnie odbiegający od jego naturalnej, potocznej
formy.
Winę za stałe istnienie biopiractwa ponosi także porozumienie TRIPS. Narzuca ono bowiem ścisły rygor
ochrony własności intelektualnej, co z kolei prowadzi
do wyeliminowania z konkurencji w dziedzinie innowacyjności krajów rozwijających się, z uwagi na ich
techniczny i ekonomiczny status.
Wszystkie dotychczas opisane przypadki prezentują
problematykę biopiractwa. Znanych jest wiele, wiele innych. Przykładowo przed EPU zarejestrowano siedem
patentów, które wykorzystują ekstrakt z rośliny zwanej potocznie Maca (Lepidium meyenii). Jest to roślina
występująca na terenach Andów i dlatego jest bardzo
odporna na ekstremalne warunki pogodowe. Może być
spożywana jako napój lub w wersji sproszkowanej. Od
wieków stosuje się ją jako suplement diety o właściwoś-
NAUKA
jący posiada taką wiedzę, a jeśli nie posiada, to powinien to zaznaczyć. Brak informacji na ten temat nie ma
jednak wpływu na postępowanie o nadanie patentu.
(van Overwalle, 2007).
Sprawa „Basmanti” pokazuje, że wymogi uzyskania
uprzedniej zgody i jej wpływu na udzielenie praw własności intelektualnej związane są z jurysdykcją państwa,
z którego pochodzi dany materiał genetyczny. Dlatego też nie ma przeszkód, aby uzyskać prawo wyłączne
np. na terytorium UE bez uzyskania zgody na dostęp
do zasobów genetycznych Brazylii, Indii, Kostaryki czy
Peru. Nie ma także konieczności, np. w UE, aby podawać, skąd materiał genetyczny pochodzi, ponieważ
przewidziana norma motywu 27 dyrektywy 98/44/WE
jest normą lex imperfecta (a więc niepodanie źródła pochodzenia materiału nie jest sankcjonowane) i taki też
ma charakter w państwach członkowskich UE, które ów
wymóg wprowadziły.
Reasumując, wśród państw-stron CBD istnieje konsensus, że powinny zostać osiągnięte następujące cele:
• dostęp do zasobów genetycznych powinien być
wynikiem autoryzacji, tj. wyrażenia uprzedniej
zgody przez uprawniony podmiot;
• równy podział korzyści płynących z wykorzystania zasobów genetycznych i związanej z nimi wiedzy tradycyjnej jest konieczny;
• wymagane jest przeciwdziałanie błędnemu wydawaniu patentów.
SZKOŁA
że, czy brak zgody rodzi konsekwencje dla uzyskania
praw własności intelektualnej.
Unia Europejska jeszcze przed szczytem w Nagoi
podkreśliła konieczność określenia zgodności protokołu z zasadą uprzedniej świadomej zgody społeczności
rdzennych i lokalnych na skorzystanie z dostępu do ich
tradycyjnej wiedzy związanej z zasobami genetycznymi
Ponadto wśród pilnych potrzeb działania wyszczególniono te w zakresie zaniepokojenia tym, że cały czas istnieje możliwość nielegalnego dostępu do zasobów genetycznych. W projekcie rezolucji z 2 lipca 2010 r. złożony
na 10. posiedzeniu Konferencji Stron Konwencji ONZ
w Nagoi oceniono system uprzedniej zgody jako narzędzie, które pozwoli zahamować ów nielegalny dostęp.
Wydaje się, że takie poglądy są odosobnione albo
pozbawione woli politycznej. Taka możliwość istnieje
bowiem, jak zaznaczono wyżej, na podstawie CBD. UE
i jej państwa członkowskie korzystają z tej możliwości
fakultatywnie w sposób nieco odmienny oraz bardzo
ograniczony. Otóż zgodnie z motywem 27 zd. 1 dyrektywy 44/98/WE2, „jeżeli wynalazek oparty jest na materiale biologicznym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub jeśli wykorzystuje taki materiał, zgłoszenie
patentowe powinno, tam gdzie to stosowne, zawierać
informację o geograficznym pochodzeniu takiego materiału, jeśli jest ono znane”. Przepisy te są jednak pozbawione sankcji, gdyż nie mają wpływu na udzielenie
prawa ochronnego. Nie określono w nich także wymogu przedstawienia potwierdzenia realizacji procedury uzyskania zgody na dostęp do zasobów. Realizację
postanowienia wyrażonego w dyrektywie 44/98/WE
na poziomie krajowym wprowadziły zaś jedynie Dania i Belgia. W Danii przewidziano wymóg informacji
o geograficznym pochodzeniu materiału, jeśli zgłasza-
19
KRÓTKO
3Zob. stronę: http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=
PTO2&Sect2=HITOFF&u=/netaht ml/search -adv.htm&r=2&p=
1&f=G&l=50&d=ptxt&S1=caapi&OS=caapi&RS=caapi.
Rozważania końcowe
Bioróżnorodność to niezgłębione zasoby będące
źródłem użytecznych w życiu człowieka rozwiązań.
Czerpie z niej biotechnologia, która od kilkudziesięciu
lat jest jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi nauki i przemysłu. Zasoby genetyczne są przedmiotem jurysdykcji państwa na terytorium, którego się znajdują.
Powszechnie zrezygnowano z koncepcji wolnego i do-
wolnego dostępu do zasobów genetycznych. Uznano,
że – po pierwsze – ze względu na konieczność ochrony
zasobów dostęp do nich powinien być regulowany, a po
drugie – bogactwa naturalne nieożywione (węgiel, rudy
metali, gaz, ropa itp.) i ożywione (zasoby genetyczne)
podlegają jurysdykcji państwa, na terenie którego występują.
Potencjał bioróżnorodności powinien być wykorzystywany w sposób zrównoważony oraz w granicach
prawa. Jednak w świetle przedstawionych rozważań
można postawić dwie tezy:
1)zrównoważone wykorzystanie bioróżnorodności
może stać w opozycji do innych dóbr prawnych,
chronionych w świetle prawa międzynarodowego;
2)różne regulacje prawa międzynarodowego są ze
sobą niespójne i dlatego przestrzeganie postanowień jednej z umów międzynarodowych nie
pozwala na przestrzeganie postanowień innej
umowy. Tak jest w przypadku niezgodności postanowień CBD i porozumienia TRIPS.
W opinii niektórych ochrona patentowa jest sprzeczna z przepisami prawa i niesprawiedliwa, jeśli dotyczy
ochrony leków i żywych organizmów (Gollin, 2007),
sprzyja rozwojowi biopiractwa, gdyż obecnie jest niespójna z systemem wyznaczonym przez CBD. System
patentowy wprowadzony na podstawie porozumienia
TRIPS jest kolizyjny z postanowieniami ABS. Jak wskazuje J. Koopman, na podstawie CBD i Zaleceń z Bonn4
dochodzi do błędnego wymieszania praw i obowiązków
dotyczących materialnych i niematerialnych przedmiotów intelektualnej innowacji. W konsekwencji, nie ułatwia to uzgodnienia ich przepisów z porozumieniem
TRIPS (Koopman, 2003).
Regulowany dostęp do zasobów genetycznych opiera się na warunku uzyskania uprzedniej zgody. System
4 Zalecenia z 2002 r. nt. dostępu do zasobów genetycznych i sprawiedliwego oraz równego podziału korzyści z ich użytkowania.
NAUKA
znana i wykorzystywana w medycynie przez rdzennych
mieszkańców dorzecza Amazonki. USPTO unieważnił patent 2 listopada 1999 r. Jednak 17 kwietnia 2001
r. poprzednia decyzja USPTO została podważona i tym
samym patent pozostaje w mocy (Alikhan i Meshelkar,
2005).
W orzecznictwie oraz doktrynie formułuje się kilka
poglądów na temat potencjalnych form zapobiegania
zjawisku biopiractwa. Wyróżnia się wśród nich m.in.:
1)zachowanie status quo i przyjęcie, że przepisy
własności intelektualnej, mimo że nieskuteczne, powinny pozostać w swym dotychczasowym
kształcie;
2)sformułowanie skuteczniejszych przepisów o podziale korzyści;
3)uregulowanie kwestii związanych z pojęciem własności, w tym sformułowanie jednoznacznej tezy
o zakazie patentowania życia (Koopman, 2003).
W świetle powyższych rozważań należy podnieść co
następuje. W doktrynie dominuje stanowisko, że przyjęty kształt praw własności intelektualnej nie zaspokaja
potrzeb walki z biopiractwem. Wysuwa się także tezę
o rozpatrzeniu różnych koncepcji własności, sposobów podziału dóbr, a także podjęciu decyzji, gdzie leży
granica między wynalazkiem a odkryciem, a więc produktem występującym naturalnie w przyrodzie (Posey,
1996).
SZKOŁA
ciach wzmacniających, w tym skutecznie podnoszącym płodność. Jeden z patentów został przyznany 26
lutego 2004 r. na rzecz Pureworld Botanicals (nr WO
2004/016216, Patent europejski przyznany 8 czerwca
2005 r., nr EP 1536787 (A2); patent USA nr 2004034079)
na alkaloidy imidazolu pochodzące z Lepidium Meyenii oraz sposób ich wykorzystania. W literaturze zakwestionowano jednak ważność omawianego patentu.
Podniesiono, że wynalazek nie charakteryzuje się ani
nowością, ani nieoczywistością. Nowość była kwestionowana z uwagi na występowanie rośliny w przyrodzie
przy jednoczesnym wykorzystaniu jej od wieków przez
ludność Andów. Nieoczywistość kwestionował zaś prof.
Carlos Cuirós z Uniwersytetu Kalifornii. Wskazał on,
że produkt będący przedmiotem patentu niewiele różni
się od tego występującego w przyrodzie. Usunięto bowiem z ekstraktu występującą naturalnie celulozę, co –
zdaniem tego autora – ma jedynie znaczenie estetyczne
(Argumedo i Pimbert, 2006).
Innym przykładem jest patent na rzekomą nową
odmianę rośliny Banisteriopsis caapi (B. caapi) o nazwie „Da Vine”, przyznany obywatelowi USA Lorenowi Milerowi 17 czerwca 1986 r. (Nr US5751)3. Kora
drzewa B. caapi jest wykorzystywana od wieków przez
ludy żyjące w Amazonii do wytwarzania napoju ayahuasca. Zebrano ją w lasach Amazonii i z uwagi na odmienny kolor kwiatów uznano, że to nowy gatunek.
Opatentowana roślina zmieniała kolor wraz z wiekiem,
od różowego do białego, zaś naturalnie występująca
w przyrodzie – od różowego do jasnożółtego. Organ
Koordynujący Rdzenne Organizacje Dorzecza Amazonki (The Coordinating Body of Indigenous Organisations of Amazon Bine – COICA) wniósł wniosek
o unieważnienie patentu, argumentując, że roślina była
20
KRÓTKO
Literatura:
Alikhan Sh, Mashelkar R (2004). Intellectual Property and Competitive Strategies in the 21st Century. Hague – London – New York.
Ammann K (2007). Reconciling Traditional Knowledge with Modern Agriculture: A Guide for Building Bridges. W: Krattiger A,
Mohoney RT, ed. Intellectual Property Management in Health and
Agricultural Innovation. Oxford – Davis.
Anriantsiferena R (2007). Traditional knowledge protection in the African
region. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law: Intellectual
property, biotechnology and traditional knowledge. London.
Anuradha RV, Kothari A (1999). Biodiveristy and Intellectual Property Rights: Can the Two Co-Exist? Journal of Int’l Widlife L
& Pol’y. 2:5-6.
Argumedo A, Pimbert M (2006). Protecting Indigenous Knowledge
Against Biopiracy in the Andes. Peru.
Arihan O,, Gençler Özkan AM (2007). Traditional medicine and intellectual property. Journal of Faculty of Pharmacy of Ankara. 36.
Baharul Islam KM (2011). Defending Traditional Knowledge rights.
Indians Legal Battles Against Turmeric, Basmanti Rice and Neem
Patents in USA and Europe. Saarbrücken.
Brush Stephan B (2007) The demise of ‘Common Heritage’ and protection for traditional agricultural knowledge. W: McManis ChR,
ed. Biodiversity and the law: Intellectual property, biotechnology
and traditional knowledge. London.
Compact Oxford English Dictionary (2006). Dostępny na: http://
oxforddictionaries.com/definition/bioprospecting?q=bioprospec
ting. Dostęp 29.30.2013.
Drahos P, Braithwaite J (2002). Information feudalism. New York:
The New Press
Gámez R (2007). The link between biodiversity and sustainable development: Lkessons from INBio’s bioprospecting programme
in Costa Rica. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law:
Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge.
London.
Gollin MA (2007). Answering the call: Public Interest Intellectual
Property Advisor (PIIPA). W: McManis ChR, ed. Biodiversity and
the Law: Intellectual Property, Biotechnology and Traditional knowledge. London.
Hamilton Ch (2006). Biodiversity, Biopiracy and Benefits: What allegation of biopiracy tell us about intellectual property? Developing
World Bioethics. 6.
Jeffries Michael J (2005). Biodiversity and conservation. London –
New York.
Koopman J (2003). Biotechnology, Patent Law and Piracy: Mirroring
the Interests in Resources of Life and Culture. Konferencja Ius
Commune Research School workshop on Intellectual Property.
Edinburgh University School of Law.
Lewis Walter H, Romani V (2007). Ethics and practice in ethnobiology: Analysis of the international cooperative biodiversity group
project in Peru. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law:
Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge,
London 2007.
Lisowska E (2012). Zasoby genetyczne i ich ochrona. Kwartalnik UP
RP. 1: 48.
Morżoł I. (2010). Ochrona różnorodności biologicznej i kulturalnej
na obszarach dziedzictwa kulturowego UNESCO. Dostępny na:
NAUKA
system CBD w harmonii z przepisami prawa patentowego. Nie wymaga to jednak zupełnej rezygnacji z systemu
ochrony sui generis bioróżnorodności, ale takiego jej
zrewidowania, które będzie zgodne zwłaszcza z porozumieniem TRIPS. Z pewnością konieczna byłaby rezygnacja z wymogu uprzedniej zgody, ale jedynie w takim
zakresie, w jakim ma wpływ na udzielenie ochrony patentowej. Rezygnacja z systemu ABS przynajmniej pod
względem jego obligatoryjności byłaby nieunikniona.
Fakultatywnie uprawniony z patentu mógłby dzielić się
korzyściami, ale zależałoby to tylko od przyjętego przez
niego zobowiązania w tym zakresie. Przyjęte porozumienie z Nagoi i propozycja art. 29 bis porozumienia
TRIPS wydają się jednak zmierzać w odmiennym kierunku – zaostrzenia przepisów o uzyskaniu uprzedniej
zgody na dostęp do zasobów genetycznych oraz podziale korzyści płynących z prawa własności intelektualnej
wykorzystujących bioróżnorodność. Kierunek ten wydaje się zrozumiały, oczekiwany oraz potrzebny z uwagi
na przedmiot ochrony, jakim jest bioróżnorodność. Ponieważ potrzebne jest istnienie zarówno ochrony patentowej, jak i ochrony bioróżnorodności, nie można zupełnie zrezygnować z żadnej z nich. Nie należy jednak
zapominać, że ochrona bioróżnorodności jest kluczowa
i pierwszoplanowa. Zadaniem systemu patentowego
nie jest zaś tylko wynagradzanie twórcy, lecz przede
wszystkim – motywowanie do tworzenia wynalazków
z korzyścią dla społeczeństwa.
SZKOŁA
uprzedniej zgody został przewidziany w CBD, jednak ma on charakter opcjonalny i został wprowadzony w niewielu krajach (np. Brazylia, Indie, Kostaryka,
Peru) – tam, gdzie bioróżnorodność jest najbogatsza.
Nie obowiązuje jednak na terytorium państw, w których w większości przypadków materiał biologiczny pochodzący z eksplorowanych zasobów genetycznych jest
przedmiotem wprowadzonych innowacji, prac R&D
i ubiegania się o patent. Na terytorium UE na mocy motywu 27 dyrektywy 44/98/WE wprowadzono jedynie
warunek poinformowania, skąd dany materiał genetyczny pochodzi, jeśli wynalazek oparty jest na materiale biologicznym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub jeśli wykorzystuje taki materiał. Jest to jednak
norma lex imperfecta i taką pozostaje we wszystkich
państwach UE, gdzie taką regulację wprowadzono. Nie
ma tym bardziej wpływu na udzielenie patentu. Dlatego
też wymóg uprzedniej zgody (w krajach, w których obowiązuje) sam w sobie nie jest sprzeczny z prawem patentowym. Sprzeczność taką zauważa się dopiero na etapie
ubiegania się o udzielenie patentu, kiedy brak uprzedniej zgody może zablokować uzyskanie go.
W obliczu nieskuteczności postanowień o ochronie zasobów genetycznych, państwa sygnatariusze
CBD podpisały protokół z Nagoi, na mocy którego
instrument uprzedniej zgody dostępu do zasobów genetycznych będzie obligatoryjny, jeśli protokół wejdzie
w życie. Obecnie obowiązujące regulacje należy ocenić
częściowo krytycznie. Nie chronią bowiem wystarczająco przed nieuprawnionym dostępem do zasobów genetycznych. Natomiast w państwach, w których ograniczane jest uzyskanie patentu na wynalazek z uwagi na
brak uprzedniej zgody na dostęp, narusza się postanowienia porozumienia TRIPS.
Powyższy konflikt można próbować rozwiązać
przynajmniej na dwa sposoby: 1) nowelizując prawo patentowe, które będzie spójne z CBD, lub 2) zmieniając
21
KRÓTKO
http://www.europarl.europa.eu/meetdocs/2009_2014/documents/envi/
re/821/821537/821537pl.pdf. Dostęp: 30.03.2013
http://faostat.fao.org/site/339/default.aspx. Dostęp: 30.03.2013
http://www.cbd.int. Dostęp: 29.03.2013
http://patft.uspto.gov. Dostęp: 29.03.2013
http://www.europarl.europa.eu/meetdocs/2009_2014/documents/
envi/re/821/821537/821537pl.pdf. Dostęp: 30.03.2013
http://faostat.fao.org/site/339/default.aspx. Dostęp: 30.03.2013
Biodiversity and patent protection
Key words: biodiversity, access and benefit sharing, biopiracy,
traditional knowledge, prior consent
SZKOŁA
The biodiversity is an inexhaustible reservoir of resources
which ensure useful solutions of human beings. Therefore, it is necessary to protect natural resources. This paper presents selected issues on the sui generis protection
of biodiversity established according to the Convention
of Biological Diversity of the 5 June, 1992. The problem
in-question was analyzed through the prism of the ABS
tool – The Access to genetic resources and equitable Sharing of Benefits (Access and Benefit Sharing). The prior
consent to resources was presented with reference to the
ABS. Moreover, the analyze has been broaden by the subject matter of the relationship between the ABS and the
patent law. This essay presents two main thesis in the area
if the sustainable use of the biodiversity, and the possibility of irregularity of the provisions of the Convention
on Biological Diversity and the patent law. Nevertheless,
the paper discusses the biopiracy and the traditional
knowledge.
NAUKA
Joanna Uchańska
KRÓTKO
http://www.ekoedu.uw.edu.pl/rep/pdf/07692a1d5b9e1633cbc25
740646 264c3.pdf. Dostęp 2.03.2012.
Mugabe J (2001). Intellectual Property Protection and Traditional
Knowledge. An exploration in international policy disclosure. Dostępny na: http://www.oapi.wipo.net/export/sites/www/tk/en/hr/
paneldiscussion/papers/pdf/mugabe.pdf. Dostęp. 30.03.2013.
Ohmagari K, Berkes F (1997). Transmission of Indigenous Knowledge and Bush Skills among the Western James Bay Cree Women of Subarctic Canada. Human Ecology. 25.
van Overwalle G (2007). Holder and User Perspectives in the Traditional Knowledge Debate: A European View. W: McManis ChR,
ed. Biodiversity and the Law: Intellectual Property, Biotechnology
and Traditional Knowledge. London.
Posey D (1996). Beyond Intellectual Property: Towards Traditional
Resource Rights for Indigenous Peoples and Local Communities.
Ottawa: ON IDRC.
Simelane T. Traditional Knowledge linked Biodiversity. Dostępny na:
http://pame.european-patentoffice.org/pubs/harare pdf/tk_linked_to_biodiversity.pdf. Dostęp: 29.03.2013.
Straus J (2008). How to Break the Deadlock Preventing a Fair and
Rational Use of Biodiversity. The Journal of World Intellectual Property. 11:230.
Szkarłat M (2012). Biotechnologia jako przedmiot regulacji prawno
międzynarodowych. W: Twardowski T, ed. Prawne i społeczne
aspekty biotechnologii. Warszawa.
Torrance A.W (2010). Patent Law, HIPPO, and the Biodiversity Crisis. The John Marschall Review of Intellectual Property Law. 9.
Tritton G, Davis R, Edenrorgough M, Graham J, Malynicz S, Roughton A (2008). Intellectual Property in Europe. London.
Wilson Edward O (1992). Diveristy of life.
Winter PC, Fletcher GI (2004). Krótkie wykłady. Genetyka. Warszawa.
World Conservation Strategy Living Resource Conservation for Sustainable Development z 1980 r., ONZ
Wynberg R (2003). Sharing the Crumbs with the San. Barcelona:
GRAIN. Dostępny na: http://www.grain.org/bio-ipr/?id=279. Dostęp 30.03.2013.
Zent S, Zent Egleé L (2007). On biocultural biodiversity from a Venezuela Perspective: Tracing the Interrelationships among Biodiversity, Culture Change and Legal Reform. W: McManis ChR, ed.
Biodiversity and the Law: Intellectual Property, Biotechnology and
Traditional Knowledge. London.
Zimny T (2012). Problemy moralne związane z inżynierią genetyczną. W: Twardowski T, ed. Aspekty społeczne i prawne biotechnologii, Warszawa.
Żakowska-Henzler H (2006). Wynalazek biotechnologiczny; przedmiot patentu. Warszawa.
http://www.cbd.int. Dostęp: 29.03.2013
http://patft.uspto.gov. Dostęp: 29.03.2013
22
23
Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde | Kamil Lisiecki | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Streszczenie:
Białka prionowe stanowią jak dotąd bardzo słabo poznaną rodzinę białek. Jednakże ich wyjątkowe cechy sprawiają, iż od momentu ich odkrycia (uwieńczonego nagrodą
Nobla) są intensywnie badanym obiektem. W dodatku,
zaskakująca natura białek prionowych – białek o dwóch
twarzach – powoduje, że są one niezwykle interesującą
ciekawostką biologiczną.
Słowa kluczowe: prion, choroby prionowe, PRNP, aktywność
antyprionowa, choroba Creutzfeldta-Jakoba, BSE, kurkumina,
dendrymery, drożdże
Wstęp
Wielu spośród odbiorców tego artykułu zapewne
znana jest nowela napisana w 1886 r. przez Roberta
Louisa Stevensona pt. Strange Case of Dr Jekyll and Mr
Hyde. Któż mógłby się spodziewać, że natura stworzyła
podobne „dzieło” na poziomie molekularnym. Mowa
tu o białkach prionowych – białkach, które mogą występować w dwóch jakże odmiennych postaciach: PrPC
– niegroźnej dla organizmów ssaczych oraz PrPSc – po-
Kamil Lisiecki: licencjat chemii, student IV roku Międzyobszarowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych, Uniwersytet Warszawski
Rys historyczny
Termin „prion” jest skrótem od angielskiego terminu „proteinaceous infectious particle” – „zakaźna
cząsteczka białkowa”. Został on wprowadzony w 1982
r. przez amerykańskiego biochemika i neurobiologa,
laureata Nagrody Nobla Stanley’a B. Prusiner’a (Prusiner, 1982). Warto zdać sobie sprawę, że w latach 80. XX
wieku genetyka była już nauką o silnych fundamentach.
Genetycy i biolodzy molekularni wierzyli, że nic nie jest
już w stanie ich zaskoczyć i że ich wiedza na temat kwasów nukleinowych, białek oraz dziedziczenia jest praktycznie kompletna. Jakże wielkim zaskoczeniem było
dla nich odkrycie prionu – białka, które jest w pewnym
sensie wyjątkiem od dwóch obowiązujących w biologii
molekularnej i genetyce zasad: 1) przekazywanie informacji o patogenności zachodzi przy udziale kwasów nukleinowych, 2) struktura drugorzędowa białek determinowana jest przez strukturę pierwszorzędową.
Komentarza wymaga również pochodzenie stosowanych skrótów (PrPC i PrPSc). PrP to skrót od angielskiego terminu „prion protein”, indeksy górne oznaczają
natomiast: C – Cellular, czyli komórkowy, występujący
naturalnie w komórce, oznaczający niepatogenną formę; Sc – jest to skrót od Scrapie, nazwy choroby występującej u owiec, a wywołanej przez priony, oznaczający
formę patogenną tegoż białka.
Białko prionowe (PrP) istnieje w dwóch postaciach:
fizjologicznej – PrPC, oraz patogennej – PrPSc (ryc. 1).
Podstawową cechą formy patogennej jest jej słaba rozpuszczalność w środowisku wodnym oraz brak podatności na trawienie proteazami – enzymami hydrolizującymi białka i peptydy (w przeciwieństwie do PrPC).
Formy te różnią się również strukturą drugorzędową.
W formie fizjologicznej dominuje struktura a-helisy,
natomiast w formie patologennej struktura b-kartki
(ryc. 2).
Mechanizm powstawania formy PrPSc nie jest jeszcze do końca wyjaśniony. Naukowcy zdążyli jednak
zaproponować model tłumaczący to zjawisko (ryc. 3)
(Jackson i Clarke, 2000):
1.Forma fizjologiczna może w sposób spontaniczny,
ale odwracalny zmienić się w monomeryczny prekursor PrPSc.
2.Prekursory te mogą ze sobą odwracalnie i słabo
oddziaływać, dopóki nie powstanie stabilny, infekcyjny „zalążek” (przedstawiony na ryc. 2 jako
struktura w nawiasie kwadratowym).
3.Przekroczenie ,,masy krytycznej” powoduje, że
monomeryczne prekursory PrPSc mogą być przyłączane nieodwracalnie i umożliwiany jest wzrost
cząstek PrPSc.
4.Cząstki zakaźne mogą się powielać poprzez pęknięcia na mniejsze, stabilne cząstki.
W ten sposób powstają złogi amyloidowe (nierozpuszczalne, włókniste agregaty białek), które uważane
są za przyczynę chorób prionowych. Należy również
zwrócić uwagę, że dostanie się do organizmu formy patogennej (zakażenie), działa jak swego rodzaju domino
– powoduje indukcję konwersji formy PrPC do formy
PrPSc. Nasuwa się pytanie o funkcje fizjologicznej formy białka prionowego. Funkcje te nie są jak dotąd do
NAUKA
Kamil Lisiecki
Charakterystyka białka prionowego
SZKOŁA
wodującej u ssaków liczne choroby (Prusiner, 1982).
W tym drugim przypadku nazywane są one prionami.
Pomimo tak fascynującej natury priony nie należą do
często omawianych tematów, głównie za sprawą tego, że
nasza wiedza na ich temat jest wciąż niewielka. W artykule tym postaram się przybliżyć zagadnienie prionów,
przedstawić dotychczasowy stan wiedzy w tym zakresie
oraz szczególnie skupić się na próbach farmakoterapii
w odniesieniu do chorób prionowych.
KRÓTKO
Molekularny Dr Jekyll
i Mr Hyde
24
PrP
C
PrP
Sc
rozpuszczalne w środowisku wodnym
TAK
NIE
podatne na trawienie proteazami
TAK
NIE
dominująca struktura drugorzędowa
alfa helisa
beta
kartka
Gen kodujący białko prionowe
że to białko prionowe jest bezpośrednim czynnikiem
patogennym, stało się możliwe dzięki konstruowaniu
mutantów z mutacjami w genie PRNP. Okazało się, że
niektóre mutacje uniemożliwiają białku przyjęcie niepatogennej konformacji PrPC, a choroba rozwija się
u tych osobników dużo szybciej (Prusiner, 1998).
Szczególną cechą prionów jest możliwość ich przekazywania horyzontalnie, czyli na skutek zakażenia
podczas spożywania mięsa zawierającego patogenne
priony, skarmiania bydła mączką mięsno-kostną zawierającą PrPSc, przeszczepu opon mózgowo-rdzeniowych
czy przyjmowaniu hormonu wzrostu od dawców dotkniętych chorobami prionowymi (Allison, 2009). Jednak choroby prionowe mogą być również przenoszone
poprzez odziedziczenie zmutowanego genu PRNP.
Gen kodujący białko prionowe – PRNP znajduje się
w krótkim ramieniu 20. chromosomu. Tworzy on tylko
jeden ekson, czego odkrycie obaliło nieprawidłową teorię, że różne formy przestrzenne PrP wynikają z alternatywnego składania eksonów.
Jak już wcześniej wspomniano białko prionowe w fizjologicznej postaci zakotwiczone jest w błonie komórkowej i przyłączane są do niej reszty cukrowe. Cechy te
nasunęły swego czasu badaczom ideę, że białko PrP jest
receptorem dla hipotetycznego wirusa powodującego
choroby u owiec. Obalanie tej teorii oraz wskazanie,
Chorobami najczęściej kojarzonymi z prionami są
choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD) i BSE – gąbczasta encefalopatia bydła (tzw. choroba szalonych krów).
Pierwsza z nich została opisana w latach 20. ubiegłego stulecia. Jest to tzw. choroba neurodegeneracyjna,
czyli postępujący, nieodwracalny proces zwyrodnienia komórek nerwowych (neuronów), prowadzący do
ich obumierania. Proces ten jest wynikiem tworzenia
się i agregacji nieprawidłowo zwiniętych form białka, posiadających charakterystyczną konformację
β-harmonijki. Choroby neurodegeneracyjne związane z odkładaniem się takich zdegenerowanych białek
NAUKA
5. Choroby prionowe – przykład chorób
konformacyjnych
SZKOŁA
końca poznane. Podejrzewa się, że może ona pełnić rolę
dysmutazy nadtlenkowej oraz odgrywać rolę w ochronie komórek przed stresem oksydacyjnym (Rachidi
i wsp., 2003). Inne badania wskazują natomiast na ich
udział w regulacji rytmu snu i czuwania, stabilizacji komórek nerwowych i ochronie osłonek neuronów (Bal,
2011). Forma fizjologiczna białka prionowego jest glikoproteiną zbudowaną z 253 aminokwasów, dodatkowo stabilizowaną przez jedno wiązanie disiarczkowe.
Podczas modyfikacji wewnątrz komórek, nazywanych
ogólnie modyfikacjami posttranslacyjnymi, do PrP
przyłączane są reszty cukrowe i lipidowe. Białko to zlokalizowane jest na powierzchni komórki za pomocą
GPI – glikozylofosfatydyloinozytolu, glikolipidu doczepianego do C-końca białek (Stahl i wsp., 1987).
KRÓTKO
Ryc. 1. Porównanie postaci białka prionowego
Ryc. 2. Struktury
drugorzędowe
białka prionowego;
od lewej forma
fizjologiczna, od
prawej hipotetyczny
model formy
patogennej
Źródło: http://www.
cmpharm.ucsf.edu/
cohen
Sc
Ryc. 3 Hipotetyczny model powstawania PrP (na podstawie Jackson i Clarke, 2000)
Forma PrPC została oznaczona niebieskim kółkiem, natomiast forma PrPSc czerwonym prostokątem.
Gospodarz
Mechanizm patogenezy
Kuru
Członkowie plemienia Fore
Infekcja podczas rytualnego kanibalizmu
iCJD
Ludzie
Infekcja poprzez zawierający priony hormon wzrostu, przy przeszczepie opony twardej
vCJD
Ludzie
Infekcja bydlęcymi prionami (prawdopodobnie)
FCJD
Ludzie
Germinalna mutacja w genie PrP
GSS
Ludzie
Germinalna mutacja w genie PrP
FFI
Ludzie
Germinalna mutacja w genie PrP (D178N, M129)
sCJD
Ludzie
Mutacja somatyczna lub spontaniczna konwersja PrPC w PrPSc
FSI
Ludzie
Mutacja somatyczna lub spontaniczna konwersja PrPC w PrPSc
Scrapie
Owce
Infekcja u genetycznie podatnych osobników
BSE
Bydło
Infekcja poprzez zawierającą priony mączkę mięsno-kostną
TME
Norki
Infekcja prionami od owcy lub bydła
CWD
Mulaki, łosie
Nieznany
FSE
Koty
Infekcja poprzez zawierającą priony wołowinę
Egzotyczna encefalopatia kopytnych
Kudu wielkie, niala,
oryx
Infekcja poprzez zawierającą priony mączkę mięsno-kostną
Skróty: BSE – encefalopatia gąbczasta bydła; CJD – choroba Creutzfeldta-Jakoba; sCJD – sporadyczna CJD; fCJD – rodzinna CJD; iCJD –
jatrogenna CJD; vCJD – wariant CJD; CWD – przewlekła choroba wyniszczająca; FFI – śmiertelna bezsenność rodzinna; FSE – kocia encefalopatia gąbczasta; FSI – śmiertelna sporadyczna bezsenność; GSS – zespół Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera; TME – przenośna encefalopatia norek.
SZKOŁA
Choroba
Ryc. 4. Zestawienie chorób wywoływanych przez priony
Na podstawie: Prusiner i wsp., 1998
Choroba
Błędnie zwinięte białko
Natura i umiejscowienie uszkodzeń
Choroba Alzheimera
Peptyd A-beta Hiperufosforylowane białko Tau
Zewnątrzkomórkowe blaszki starcze Splątki neurofibrylarne
Choroba Parkinsona
alfa-Synukleina
Cytoplazma neuronów
Choroba Huntingtona
Powtórzenie poliglutaminowe w huntingtynie
Jądra i cytoplazma neuronów
Cukrzyca typu II
Wysepkowy polipeptyd amyloidowy (amylina)
Agregaty w trzustce
Choroba Creutzfeldta-Jakoba
Białko prionowe
Płytki zewnątrzkomórkowe i oligomery wewnątrz
i na zewnątrz neuronów
Ryc. 5. Porównanie chorób konformacyjnych
Na podstawie: Allison, 2009
KRÓTKO
noszą nazwę amyloidoz (Allison, 2009). CJD objawia
się zanikiem pamięci, trzęsieniem się kończyn i utratą
mimiki. W konsekwencji dochodzi do śmierci chorego w ciągu 2 lat od pojawienia się pierwszych objawów
(Prusiner, 1982). Niekorzystną cechą tej choroby jest
brak odpowiedzi immunologicznej organizmu. Jest to
spowodowane tym, że przyczyną choroby jest białko
naturalnie występujące w organizmie ludzkim (Prusiner, 1998). Innymi chorobami prionowymi są: śmiertelna bezsenność rodzinna (FFI) – choroba genetyczna
powodująca śmierć chorego w ciągu 36 miesięcy od wystąpienia objawów (Schenkein, 2006) czy choroba kuru
występująca u dopuszczających się kanibalizmu członków plemienia Fore, zamieszkującego Góry Wschodnie
Papui Nowej Gwinei (Collinge, 2006). Podobne choroby
występują również u innych organizmów, m.in. owiec,
kotów lub krów. Krótką charakterystykę chorób prionowych przedstawia ryc. 4.
Podczas zakażenia patogenną formą białka prionowego wyróżnia się cztery etapy infekcji (Epstein, 2005):
1.Penetracja – przedostanie się białka prionowego
do komórek układu pokarmowego, a stamtąd do
układu limfatycznego,
2.Translokacja – wędrówka PrPSc po układzie limfatycznym i krwionośnym zakończona dostaniem
się do obwodowego, a następnie centralnego układu nerwowego (rzadziej do śledziony),
3.Namnażanie – konwersja form fizjologicznych do
form patogennych, przyłączanie kolejnych podjednostek białka,
4.Patogeneza – różnego rodzaju skutki uboczne wynikające z odkładania się złogów amyloidowych.
Choroby prionowe nie są jedynymi chorobami
związanymi z błędnym zwijaniem się białek. Wszystkie
takie schorzenia nazywa się chorobami konformacyjnymi. Na ryc. 5 przedstawione jest zestawienie najważniejszych chorób konformacyjnych.
NAUKA
25
Na podstawie podanych wyżej informacji można
sądzić, że priony są białkami stanowiącymi ogromne
zagrożenie dla organizmów. I rzeczywiście tak jest, jeśli
mamy na myśli organizmy ssacze. Okazuje się jednak,
że istnieją organizmy, u których obecność tzw. stanów
prinowych może odgrywać pozytywną rolę – chodzi
tu o drożdże piekarnicze Saccharomyces cerevisiae. Te
proste, jednokomórkowe organizmy są najlepiej poznanymi na poziomie genetyki i fizjologii komórki organizmami eukariotycznymi (Wawrzycka, 2011). Dlatego
też nazywa się je organizmami modelowymi. S. cerevisiae zawiera wiele białek, które zachowują się jak priony
(Derkatch i wsp., 2001). Dodatkowo szlaki biochemiczne kontrolujące powstawanie agregatów prionów lub
ich utrzymanie są zachowane od drożdży do człowieka
(Bach i wsp., 2006).
Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że drożdżowe
„stany prionowe” nie mają wiele wspólnego z prionami ssaczymi. Są to stany metaboliczne wywołane przez
zmiany konformacyjne białek, niewykazujących homologii sekwencyjnej do PrP. Natomiast wspólną ich cechą
jest możliwość przyjmowania dwóch różnych konfor-
NAUKA
„Stany prionowe” u drożdży
macji bez zmiany sekwencji aminokwasowej i odkładanie się w pewnych warunkach w postaci złogów
amyloidowych.
Najlepiej poznanym „stanem
prionowym” u drożdży jest ten spowodowany obecnością czynnika
[PSI+] (Cox i wsp., 1988). Komórki
posiadające ten czynnik dużo częściej pomijają kodony stop na końcu obszaru kodującego genu, przez
co powstaje dłuższe niż powinno
białko. Istotą czynnika [PSI+] jest
białko Sup35. Jest ono czynnikiem
terminacji translacji, składnikiem
złożonego kompleksu uwalniającego
rybosom od mRNA (ortolog ssaczego eRF3) (Stansfield i wsp., 1995).
Gdy dojdzie do inaktywacji Sup35,
kompleks, którego jest składnikiem,
przestaje działać poprawnie, powodując defekt w terminacji translacji.
Drożdże wykazujące tę cechę oznacza się symbolem [PSI+], natomiast
Ryc. 6. Związek Sup35 z czynnikiem [PSI+]
komórki bez takich zmian [psi-].
Na podstawie: Uptain, Lindquist, 2002
Istotę opisanego zjawiska przedstawia ryc. 6.
na wprowadzeniu czynnika [PSI+] do komórek drożIstotnym momentem w badaniach nad czynnikiem
dżowych posiadających opisaną mutację w genie ADE2.
[PSI+] było wykorzystanie mutacji w genie ADE2, któOkazało się, że komórki takie w przeciwieństwie do kory koduje jeden z enzymów niezbędnych do biosyntezy
mórek [psi-] miały normalną, białą barwę (Cox i wsp.,
adeniny. Wykorzystywana mutacja wprowadza przed1980). Tłumaczy się to tym, że czynnik [PSI+] umożliwcześnie kodon stop – przez co powstaje krótkie, niewił pominięcie mutacji (przedwczesnego kodonu stop)
funkcjonalne białko. Taki enzym nie pełni poprawnie
w genie ADE2. Dzięki temu możliwe było powstanie
swojej funkcji, a więc nie może dojść do dokończenia
funkcjonalnego enzymu i dokończenie biosyntezy adebiosyntezy adeniny. Zamiast tego dochodzi do nagroniny.
madzenia się półproduktu o czerwonej barwie (Silhankova, 1972). Przeprowadzono doświadczenie polegające
SZKOŁA
Często w literaturze można spotkać się z informacjami na temat aktywności antyprionowej związków
wykorzystywanych w leczeniu innych chorób konformacyjnych. Jest to przesłanka do twierdzenia, że być
może wszystkie choroby (lub większość z nich) związane z nieprawidłowym zwijaniem się białek mają
wspólne podłoże. Możliwe, że istnieje dodatkowe białko występujące w komórce, które pełni rolę centralnego
węzła, inicjatora chorób konformacyjnych. Być może
istnieje jeden, wspólny mechanizm błędnego zwijania
się białek. Jednak jak do tej pory nie ma jednoznacznych
informacji na ten temat.
26
KRÓTKO
27
Na poziomie molekularnym, terapeutyki potencjalnie aktywne antyprionowo działają zgodnie z jedną
z dwóch głównych strategii (Clare i wsp., 2006):
1)
stabilizacja agregatów PrPSc (uniemożliwienie
przyłączania kolejnych podjednostek) i hamowanie konwersji form PrPC do PrPSc,
2)niszczenie i usuwanie formy patogennej.
Z poznanych do tej pory związków o aktywności
antyprionowej znakomita większość działa zgodnie
z pierwszą strategią. Do związków tych należą m.in.:
kurkumina, pochodne akrydyny, 2,5-diamino-1,4-benzochinony i naturalne polifenole.
Testy na aktywność badanego związku
Istnieje kilka metod sprawdzenia, czy dany związek
jest rzeczywiście aktywny pod względem antyprionowym. Przedstawię dwie, w moim odczuciu, najprostsze
metody.
Metoda z wykorzystaniem drożdży (Cox i wsp.,
1980) – w tym przypadku wykorzystuje się opisany wyżej fakt, że „stany prionowe” u drożdży sprzyjają pomijaniu kodonu stop w obszarze kodującym genu, przez co
powstają aktywne, niezmutowane białka. Gdy w genie
ADE2, który koduje jeden z enzymów niezbędnych do
syntezy adeniny wprowadzi się przedwczesny kodon
stop uniemożliwi to powstanie enzymu o odpowiedniej długości. Synteza adeniny nie będzie wtedy możliwa i dojdzie do nagromadzenia półproduktu, który
jest czerwony. W przypadku „stanów prionowych” następuje supresja kodonu stop, gdyż czynnik terminacji
translacji Sup35 jest nieaktywny i powstaje prawidłowy enzym, a co za tym idzie – nia ma czerwonej barwy. Gdy więc badany przez nas związek jest aktywny
(związkiem tym nasącza się bibułę i umieszcza się ją na
szalce z hodowlą drożdżową) pojawia się czerwone zabarwienie „wyleczonych” komórek (ryc. 7).
NAUKA
związku w płynach ustrojowych, których głównym
składnikiem jest woda.
Najprostszym rozwiązaniem tego problemu jest synteza pochodnej danego związku, która będzie wykazywała pożądaną aktywność, ale której rozpuszczalność
w wodzie będzie dostatecznie dobra. W tym przypadku
może się jednak okazać, że zwiększona biodostępność
danego związku spowoduje skutki uboczne dla organizmu.
SZKOŁA
Strategie leczenia oraz problemy i wyzwania
związane z potencjalnymi lekami
antyprionowymi
Jednak do tej pory nie dysponujemy lekiem na choroby prionowe. Wszystkie związki, które dotąd zbadano
pod względem aktywności antyprionowej, są aktywne
jedynie in vitro. Brak aktywności in vivo podyktowany
jest głównie dwoma przeszkodami:
• brakiem możliwości pokonania przez cząsteczkę
bariery krew-mózg i dotarcia do neuronów (miejsca docelowego);
• słabą biodostępnością.
Pierwsza z tych przeszkód związana jest z występowaniem w organizmach ssaków bariery krew-mózg. Jest
to fizyczna i biochemiczna bariera pomiędzy naczyniami krwionośnymi a tkanką nerwową. Ma ona na celu
chronić układ nerwowy przed szkodliwymi czynnikami, a także umożliwić selektywny transport substancji
z krwi do płynu mózgowo-rdzeniowego. Substancje
mogą pokonać tę barierę w jeden z dwóch możliwych
sposobów: na drodze dyfuzji (głównie związki drobnocząsteczkowe) i na drodze transportu aktywnego, przy
udziale białek błonowych (peptydy i białka takie jak insulina czy oksytocyna).
W mojej opinii istnieją dwie zasadnicze drogi, które
być może ułatwią ominięcie tej przeszkody:
1)metoda biologiczna – podanie leku bezpośrednio
do rdzenia kręgowego (co wiąże się z niebezpieczeństwem jego uszkodzenia) lub w obszary, gdzie
szczelność bariery krew-mózg jest osłabiona (rejony tylnego płata przysadki mózgowej czy okolice
splotu naczyniówkowego) (Krzymowski i Przała,
2005);
2)metoda chemiczna – przyłączenie na drodze syntezy organicznej grupy zdolnej do pokonania bariery
krew-mózg do związku o pożądanej aktywności.
Drugim poważnym problemem jest ograniczona
biodostępność niektórych związków. W tym przypadku zasadniczą rolę odgrywa rozpuszczalność danego
KRÓTKO
Istnieje hipoteza o związku między czynnikiem
[PSI+] a ewolucją genomu drożdży (True i wsp., 2004).
Okazuje się bowiem, że z pewną częstością budowa
przestrzenna białka Sup35 może się spontanicznie
zmieniać i przyjmować nieaktywną formę. W zwykłych warunkach środowiska zmiana ta nie przynosi
dla komórki korzyści. Jednak nagła zmiana warunków
może spowodować, że jedyną możliwością przeżycia
będzie posiadanie czynnika [PSI+]. W tych warunkach
faworyzowane są oczywiście komórki [PSI+] i zaczynają dominować w populacji, aczkolwiek spontanicznie
powstają również komórki [psi-]. Gdy nastąpi powrót
do warunków pierwotnych, lepiej przystosowanymi
komórkami są te pozbawione czynnika [PSI+] i tym
razem to one są faworyzowane i zaczynają dominować.
Mechanizm ten umożliwia drożdżom szybkie dostosowanie się do zmieniających się warunków środowiska.
W przeciwieństwie do zmian genetycznych przejście ze
stanu [psi-] do stanu [PSI+] jest szybkie, a ponadto odwracalne.
28
Ryc. 7. Etapy testu na aktywność antyprionową
z wykorzystaniem drożdży
Na podstawie: Bach i wsp., 2003
NAUKA
Metoda z wykorzystaniem proteinazy K (Caughey
i wsp., 2003) – w metodzie tej wykorzystuje się fakt, że
forma PrPC jest podatna na trawienie, natomiast forma
PrPSc nie ulega hydrolizie pod wpływem proteinazy K
(PK). Komórki zainfekowane prionami (bardzo często
są to komórki ScN2a, czyli mysie komórki nerwiaka
płodowego) poddaje się działaniu badanego związku
w odpowiednim stężeniu, a następnie uzyskuje się lizat
komórkowy, który poddawany jest działaniu proteinazy
K. Jeśli związek jest aktywny, priony występujące w lizacie zostają strawione przez PK. Jeśli jest przeciwnie –
PK nie strawi prionów (związek jest nieaktywny).
1)polifenole – związki zawierające wiele grup fenolowych odpowiadających
za właściwości przeciwutleniające tych związków;
2)
leki antymalaryczne –
związki wykorzystywane
w leczeniu malarii – tropikalnej choroby pasożytniczej;
3)
leki antyhistaminowe –
związki opóźniające i łagodzące reakcje alergiczne poprzez blokowanie
działania receptorów odpowiadających za uwalnianie histaminy;
4)fenotiazyna i jej pochodne – związki wykorzystywane w leczeniu zaburzeń
psychicznych;
5)inne.
KRÓTKO
W części tej opiszę kilka z licznych związków wykazujących in vitro aktywność antyprionową.
Prostym i szybkim sposobem weryfikacji dużej ilości związków pod względem zdolności do hamowania
tworzenia złogów amyloidowych jest metoda opisana
w 2003 r. w Journal of Virology (Kocisko, 2003). Badania te miały na celu wyłonienie klas związków, które
mogą być rozpatrywane pod kątem farmakoterapii antyprionowej. Test został wykonany na bibliotece 2000
związków, które były już stosowane jako leki w leczeniu
innych chorób (niekoniecznie neurodegeneracyjnych)
lub były znanymi związkami naturalnymi. Metoda postępowania była zmodyfikowaną wersją metody z wykorzystaniem proteinazy K, którą opisałem w poprzednim
rozdziale. Różnica polegała na umieszczaniu zainfekowanych komórek na płytce zawierającej 96 wgłębień,
a następnie dodawaniem do każdego z wgłębień innego
związku w odpowiednim stężeniu.
Dzięki przeprowadzonym badaniom udało się wybrać 17 najbardziej aktywnych inhibitorów (ryc. 8).
Pośród wyłonionych 17 najbardziej aktywnych inhibitorów znalazły się związki należące do pięciu klas:
SZKOŁA
Poszukiwania leków antyprionowych
Ryc. 8. Schemat postępowania podczas badania biblioteki związków
Na podstawie: Kocisko, 2003
Ten niezwykle intensywnie badany związek posiada
kilka cech sprawiających, iż stał się on również interesującym obiektem badań pod kątem zastosowania jako
lek antyprionowy (Demaimay i wsp., 1998):
• Jest strukturalnie podobny do czerwieni Kongo
(ryc. 10) – najbardziej aktywnego, niskocząsteczkowego inhibitora PrPSc zbadanego do roku 2003:
obydwa są związkami płaskimi, zawierającymi
dwa pierścienie aromatyczne bądź system pierścieni aromatycznych połączonych łącznikami. Badania wykazały, iż płaska struktura pierścieni i łącznika są ważne dla aktywności inhibicyjnej.
• Kurkumina jest przeciwutleniaczem – istnieją
przesłanki mówiące, iż ta właściwość związków
może mieć korzystny wpływ na aktywność antyprionową (Kocisko, 2003).
• Kurkumina jest składnikiem ludzkiej diety. Wiele
osób spożywa kurkuminę w dużych ilościach bez
oznak jej toksyczności.
Ryc. 9. Struktura kurkuminy
Ryc. 10. Struktura czerwieni Kongo
Badanie właściwości antyprionowych kurkuminy
przeprowadzono zgodnie z metodą wykorzystującą
proteinazę K. Okazało się, iż stężenie kurkuminy potrzebne do 50% inhibicji wynosi 10 nM (jest to tzw.
współczynnik IC50). Naukowcy wykonujący opisane
badania określili działanie kurkuminy jako silne, nieodwracalne i selektywne w komórkach ScNB (komórki
nerwiaka płodowego zainfekowane prionami) (Caughey, 2003).
Wykonano również badania na chomikach (kurkumina mieszana była z pokarmem podawanym gryzoniom) mające na celu wykazanie, czy kurkumina zdolna jest do inhibicji konwersji (zmiany postaci) białek
prionowych wewnątrz organizmu żywego (więc również czy zdolna jest do pokonania bariery krew-mózg).
Niestety kurkumina nie wypadła pozytywnie w tym teście, w związku z czym nie jest ona zdolna do działania
antyprionowego in vivo (Caughey, 2003).
Dendrymery (gr. dendron – drzewo) są związkami, których
historia liczy już około 30 lat. Po raz pierwszy zostały zsyntetyzowane przez niemieckiego chemika Fritza Vögtla w 1978
roku (Buhleier i wsp., 1978). Pod względem chemicznym
dendrymery są polimerami cechującymi się budową rozgałęzioną, trójwymiarową, o kształcie zbliżonym do kuli.
W budowie strukturalnej dendrymerów można wyróżnić wielofunkcyjny rdzeń, od którego promieniście
odchodzą „gałęzie” (ramiona) dendrymerów zwane
dendronami. Na końcu dendronów znajdują się wolne
grupy funkcyjne, które mogą być zmienione przez różnego rodzaju podstawniki modyfikujące właściwości
chemiczne i fizyczne cząsteczki dendrymeru (Sękowski
i wsp., 2008).
Te fraktalopodobne, regularne struktury są stosunkowo nowymi i wysoce rozgałęzionymi polimerami,
mającymi wiele interesujących właściwości. Związki te
mogą być wykorzystane m.in. jako: przenośniki leków
i genów, czynniki kontrastujące czy wskaźniki różnych
jonów metali. Kuliste cząsteczki tych związków odznaczają się również aktywnością farmakologiczną. Obecnie dendrymery są intensywnie badane jako czynniki
antyprionowe i zabezpieczające przed formowaniem się
blaszek amyloidowych (Sękowski i wsp., 2008).
Dendrymery są jedyną, opisaną klasą związków
posiadających zdolność do usuwania istniejących pa-
NAUKA
Kurkumina (ryc. 9) jest głównym składnikiem kurkumy
– przyprawy azjatyckiej zwanej również szafranem indyjskim. Stosowana jest również jako żółto-pomarańczowy
pigment. Strukturę związku ustalili w 1910 r. Stanisław Kostanecki, Janina Miłobędzka i Wiktor Lampe (Miłobędzka
i wsp., 1910). Jest ona w kręgu zainteresowań naukowych
już od dawna ze względu na szeroką gamę aktywności biologicznych: przeciwutleniających, przeciwzapalnych, przeciwwirusowych, antybakteryjnych i przeciwgrzybiczych,
mogących przydać się w leczeniu nowotworów, cukrzycy,
reumatoidalnego zapalenia stawów, Alzheimera i innych
przewlekłych chorób.
Podsumowując tę część wykazano, iż kurkumina
hamuje akumulację złogów amyloidowych in vitro. Jest
więc jednym z najmniejszych (w sensie masy cząsteczkowej) i najbardziej aktywnych inhibitorów formowania się PrPSc. Niestety, w postaci występującej naturalnie nie jest ona zdolna do pokonania bariery krew-mózg
(na co wpływ ma też jej słaba biodostępność). W moim
przekonaniu badania nad kurkuminą powinny podążać w stronę otrzymania pochodnej, która bez utraty
aktywności antyprionowej będzie wykazywała dużo
większą biodostępność.
SZKOŁA
Faktem przemawiającym za wiarygodnością uzyskanych wyników jest to, że dwa spośród 17 wyłonionych, najaktywniejszych inhibitorów była znana już
wcześniej ze swojej aktywności antyprionowej – były to
lowastatyna i chinakryna.
29
KRÓTKO
30
Źródło: http://www.dendritech.com/pamam.html
SZKOŁA
Aby wyjaśnić w jaki sposób dendrymery zdolne są
do niszczenia i usuwania form PrPSc opiszę w pierwszej kolejności hipotetyczny mechanizm powstawania
i akumulacji PrPSc (ryc. 12).
Białka prionowe są syntetyzowane na powierzchni
siateczki endoplazmatycznej. Tam też (oraz wewnątrz
struktur aparatu Golgiego) odbywają się główne modyfikacje posttranslacyjne – glikozylacja i modyfikacja
grup glikozylowych (Otvos i wsp., 2002). Następnym
etapem jest transport do powierzchni błony komórkowej i konwersja PrPC do PrPSc. Konwersja ta może wymagać interakcji z endogennymi lipidami i polianionami, występującymi prawdopodobnie na powierzchni
błony komórkowej. Nieprawidłowo sfałdowania białko
zostaje rozpoznane przez białko 1 pokrewne receptorowi lipoprotein (LPR1) wraz z tym białkiem otoczone
częścią błony komórkowej – powstaje struktura zwana
endosomem. Endosom zostaje następnie podzielony na
dwie części: jedna zawierająca LPR1 zostaje z powrotem
połączona z błoną komórkową, natomiast druga – za-
Ryc. 11. Struktura PAMAM (po lewej) z powiększonym
dendronem (po prawej)
Ryc. 12. Hipotetyczny
mechanizm biosyntezy
białek prionowych
Na podstawie:
Supattapone i wsp., 2009
KRÓTKO
Mechanizm działania dendrymerów
NAUKA
togennych form białka prionowego z zainfekowanych
komórek (Supattapone i wsp., 2009). Wśród licznych
rodzajów dendrymerów największą aktywność antyprionową wykazują dendrymery poliamidoaminowe
(PAMAM) (ryc. 11).
Podczas badań z wykorzystaniem proteinazy K)
dendrymery PAMAM zdolne były do selektywnego
usuwania PrPSc z komórek ScN2a. Autorzy przypisują
badanym związkom następujące cechy, nadające im aktywność antyprionową:
• duża gęstość powierzchniowa ładunku (zamiana
grup aminowych na hydroksylowe powoduje zanik aktywności antyprionowej),
• rozgałęziona struktura.
Na podstawie:
Supattapone i wsp., 2009
wierająca błędnie zwinięte białko zostaje połączona
z lizosomem – organellum komórkowym zawierającym kwaśne enzymy hydrolityczne rozkładające białka,
kwasy nukleinowe, węglowodany i tłuszcze (Mizerski,
2004). Ponieważ jednak PrPSc nie podlegają trawieniu
przez proteazy dochodzi do ich akumulacji wewnątrz
lizosomu i tworzenia złogów amyloidalnych.
Proponowany mechanizm działania dendrymerów
zakłada ich działanie wewnątrz lizosomów (ryc. 13).
Dendrymery stają się częścią endosomu (wraz z PrPSc
i LPR1), a następnie lizosomu. Kwaśne środowisko wnętrza lizosomu powoduje „aktywację” grup aminowych
(powstają kationy) dendrymerów, które denaturują
i rozbijają złogi amyloidowe. Nie wykluczone, iż również enzymy występujące wewnątrz lizosomów pełnią
funkcję aktywatorów tego procesu.
Reasumując, dendrymery jako jedyne, dotąd opisane związki zdolne są do usuwania z komórek patogen-
nych form białka prionowego. Ich działanie umożliwia
ich akumulacja wewnątrz lizosomów (gdzie akumulują
się również PrPSc) oraz kwasowe środowisko tych organelli komórkowych.
Wyzwania jakie stoją przed naukowcami badającymi dendrymery pod względem aktywności antyprionowej to:
• sposób dostarczania leków do organizmu,
• zwiększenie ich biodostępności,
• uniknięcie potencjalnych, neurologicznych skutków ubocznych wynikających ze stosowania dendrymerów jako leku.
Podsumowanie
Podobnie jak tytułowa nowela „Strange Case of Dr
Jekyll and Mr Hyde” kojarzona jest z portretem podwój-
Literatura
Pruisner SB (1982). Novel proteinaceous infectious particles cause
scrapie. Science. 216(4542):136-44
Jackson GS, Clarke AR. (2000). Mammalian prion proteins. Curr
Opin Struct Biol. 10: 69-74
Rachidi W, Vilette D, Guiraud P, Arlotto M, Riondel J, Laude H, Lehmann S, Favier A (2003). Expression of prion protein increases
cellular copper binding and antioxidant enzyme activities but not
copper delivery. J Biol Chem. 278:9064-9072
Bal J (2011). Biologia molekularna w medycynie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN
Vanik DL, Surewicz WK (2002). Disease-associated F198S mutation
increases the propensity of the recombinant prion protein for
conformational conversion to scrapie-like form. J. Biol. Chem.
277:49065-49070
Allison LA (2009). Podstawy biologii molekularnej. Warszawa: WUW
Prusiner SB (1998). Prions. Proc Natl Acad Sci USA. 95:13363-83
Schenkein J (2006). Self Management of Fatal Familial Insomnia.
Part 1: What Is FFI? Medscape General Medicine. 8(3):65
Collinge J, Whitfield J, McKintosh E, Beck J, Mead S, Thomas DJ,
Alpers MP (2006). Kuru in the 21st century—an acquired human
SZKOŁA
Ryc. 13. Mechanizm
działania dendrymerów
KRÓTKO
nej osobowości, tak białka prionowe mogą stanowić
molekularny przykład dwoistości natury. Dodatkowo
pytanie, czy Jekyll pokonał Hyde w powieści Stevensona, w przypadku białek prionowych może brzmieć: czy
jesteśmy w stanie „pokonać” patogenną postać białka
prionowego? Jak na razie trudno jest odpowiedzieć na
to pytanie ponieważ biologia i biochemia białek prionowych, jak również aspekty fizykochemiczne związków
o aktywności antyprionowej nie są w pełni wyjaśnione.
Problemy te są zatem często poruszane w pracach naukowych z pogranicza wyżej wymienionych dziedzin
nauki i jedynie interdyscyplinarne podejście do tego
zagadnienia może zaowocować wymiernymi osiągnięciami.
Z pewnością wyjaśnienie zagadki jaką postawiła
przed nami natura – białka prionowe – przyczyni się
znacząco do rozwoju światowej nauki oraz myśli biochemicznej.
NAUKA
31
Curcumins. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft.
43(2):2163–2170
Demaimay R, Harper J, Gordon H, Weaver D, Chesebro B, Caughey B
(1998). Structural aspects of Congo red as an inhibitor of protease
resistant prion protein formation. J Neurochem. 71:2534–2541.
Buhleier E, Wehner W, Vögtl F (1978). „Cascade“ and „Nonskid-Chainlike” syntheses of molecular cavity and topologies. Synthesis. 2:155–158
Sękowski S, Miłowska K, Gabryelak T (2008). Dendrimers in biomedical sciences and nanotechnology. Postepy Hig Med Dosw.
62:725-733
Supattapone S, Piro JR, Rees JR (2009). Complex Polyamines: Unique
Prion Disaggregating Compounds. NIH. 8:323-328
Otvos L Jr, Cudic M, (2002). Post-translational modifications in
prion proteins. Curr Protein Pept Sci. 3(6):643-52.
Mizerski W (2004). Tablice biologiczne. Warszawa: Wydawnictwo
Adamantan
Molecular Dr. Jekyll and Mr. Hyde
Prion proteins are as yet very poorly known family of proteins. However, their unique characteristics make them,
since their discovery (which was rewarded with the Nobel
Prize) intensively investigated object. In addition, a surprising nature of prion proteins – proteins with two faces
– makes them an extremely interesting biological curiosity.
Key words: prion, prion diseases, PRNP, antiprion activity,
Creutzfeldt-Jacob disease, BSE, curcumin, dendrimers, yeast
SZKOŁA
Kamil Lisiecki
KRÓTKO
prion disease with very long incubation periods. Lancet. 9528
(367):2068–2074
Epstein RJ (2005). Biologia molekularna człowieka. Lublin: Wyd.
CZELEJ
Wawrzycka D (2011). Drożdże jako model w badaniach chorób
neurodegeneracyjnych. Postępy Hig Med Dosw (online). 65:328-337
Derkatch IL, Bradley ME, Hong JY, Liebman SW (2001). Prions affect the appearance of other prions: the story of [PIN(+)]. Cell.
106(2):171-82
Bach S, Tribouillard D, Talarek N, Desban N, Gug F, Galons H, Blondel M (2006). A yeast-based assay to isolate drugs active against
mammalian prions. Methods. 39: 72–77
Cox BS, Tuite MF, McLaughin CS (1988). The psi factor of yeast:
a problem in inheritance. Yeast 4:159-178
Stansfield I, Jones KM, Kushnirov VV, Dagkesamanskaya AR, Poznyakovski AI, Paushkin SV, Nierras CR, Cox BS, Ter-Avanesyan
MD, Tuite MF (1995). The products of SUP45 (cRF1) and SUP35
genes interact to mediate translation termination in Saccharomyces cerevisiae. EMBO J. 14(17):4365-4373
Uptain SM, Lindquist SL (2002). Prions as protein-based genetic elements. Annu Rev Microbiol. 56:703-741
Silhankova L (1972). Joined suppression of rough phenotype and of
red colour of ade2-1 mutants in Saccharomyces cerevisiae. Folia
Microbiol. 17(6):479-489
True HL, Berlin I, Lindquist SL (2004). Epigenetic regulation of
translation reveals hidden genetic variation to produce complex
traits. Nature 431(7005):184-187
Clare R, Trevitt and John Collinge (2006). A systematic review of
prion therapeutics in experimental models. Brain. 129:2241-2265
Krzymowski T, Przała J (2005). Fizjologia zwierząt: podręcznik dla
studentów wydziałów medycyny weterynaryjnej, wydziałów biologii i hodowli zwierząt akademii rolniczych i uniwersytetów. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne
Cox BS, Tuite MF, Mundy CJ (1980). Reversion from suppression to
nonsuppression in SUQ5 [psi+] strains of yeast: the classificaion
of mutations. Genetics. 95(3):589-609
Bach S, Talarek N, Andrieu T, Vierfond JM, Mettey Y, Galons H, Dormont D, Meijer L, Cullin C, Blonde M (2003). Isolation of drugs
active against mammalian prions using a yeast-based screening
assay. Nature Biotechnology. 21:1075 – 1081
Caughey B, Raymond LD, Raymond GJ, Maxson L, Silveira J, Baron
GS (2003). Inhibition of Protease-Resistant Prion Protein Accumulation In Vitro by Curcumin. J Virol 77: 5499-5502
Kocisko D, Baron GS, Rubenstein R, Chen J, Kuizon S, Caughey B
(2003). New Inhibitors of Scrapie-Associated Prion Ptotein Formation in a Library of 2,000 Drugs and Natural Products. J Virol.
77:10288-10294
Miłobędzka J, Kostanecki S, Lampe V (1910). Zur Kenntnis des
32
NAUKA
Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii | Agnieszka Osówniak | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Siarka jest jednym z pierwiastków niezbędnych do funkcjonowania wszystkich organizmów. W pracy opisano
właściwości fizyczne i chemiczne tego pierwiastka, a także związki pochodzenia biogennego, w skład których on
wchodzi. Następnie scharakteryzowano związki nieorganiczne (siarczki, siarczany, tiosiarczany) i organiczne (cysteina, metionina), które mogą być źródłem siarki do celów budulcowych i sposób ich asymilacji przez bakterie.
Przedstawiono też biosyntezę L-metioniny i L-cysteiny,
enzymów zawierających centra żelazo-siarkowe, biotyny,
tiaminy, kwasu liponowego, koenzymu A, molibdopteryny i S-adenozylometioniny. Na koniec omówiono pokrótce udział bakterii w obiegu siarki.
Słowa kluczowe: asymilacja, bakteria, biosynteza, cysteina,
enzym, operon, siarczan, siarka, tiosiarczan
Agnieszka Osówniak: Uniwersytet Warszawski, Kolegium
Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych
Ryc. 1. Kryształy siarki (zdjęcie: Mills, 2007)
także różnią się właściwościami fizycznymi. Obie formy stanu stałego po podgrzaniu zamieniają się w siarkę
ciekłą, bardzo ruchliwą, jasnożółtą ciecz, składającą się
z cząsteczek S8, natomiast w zależności od wyjściowej
odmiany alotropowej, topnienie przebiega w innej temperaturze. Siarka rombowa topi się już w temperaturze
380 K, podczas gdy temperatura topnienia siarki jednoskośnej jest aż o 12 K wyższa. Różnicę w tych właściwościach tłumaczy się m.in. powstającą równowagą
chemiczną pomiędzy liczbami cząsteczek cyklo-oktasiarki, a katena-oktasiarki, czyli siarki łańcuchowej.
W warunkach równowagi przyjmuje się, że około 4%
cyklo-oktasiarki jest rozrywane z wytworzeniem długich łańcuchów siarkowych, co stabilizuje jednocześnie
jej temperaturę krzepnięcia na poziomie 386 K, a stan
ten jest nazywany naturalnym punktem krzepnięcia
siarki (Bielański, 2010a).
Przy dalszym ogrzewaniu dochodzi do coraz częstszego rozrywania pierścieni siarkowych i przeważa
forma łańcuchowa cząsteczek S8. Jednak, jak już wspomniano wcześniej, siarka ma zdolność do katenacji, co
NAUKA
Streszczenie:
Siarka (ryc. 1) jest pierwiastkiem grupy 6. układu
okresowego o typowych właściwościach niemetalicznych, zajmującym 16. miejsce wśród pierwiastków
najbardziej rozpowszechnionych na Ziemi. Występuje
w skorupie ziemskiej w ilości 0,035%, zarówno w formach nierozpuszczalnych – jako blenda cynkowa (ZnS),
piryt (FeS2) czy galena ołowiana (PbS), jak i w formach
rozpuszczalnych – Na2SO4, MgSO4. W przyrodzie siarkę możemy spotkać w formie jednego z czterech stabilnych izotopów: 32S, 33S, 34S i 36S (Canfield, 2001). Przed
omówieniem właściwości chemicznych i fizycznych
tego pierwiastka należy zwrócić uwagę na jego alotropię
– czyli zdolność do występowania w różnych formach
molekularnych o tym samym stanie skupienia. Alotropię wykazuje niewiele pierwiastków, np. fosfor, selen,
tellur czy węgiel, a także, jak już wspomniano, siarka.
Cechą wspólną tych pierwiastków, pozwalającą na powstawanie ich odmian alotropowych, jest zdolność do
katenacji, czyli tworzenia łańcuchów lub pierścieni zbudowanych z bezpośrednio połączonych atomów.
Najtrwalszą i najbardziej znaną odmianą alotropową siarki jest cyklo-oktasiarka (S8), występująca makroskopowo jako kryształ molekularny, mikroskopowo
zaś w postaci ośmiu atomów związanych w pierścień.
W obrębie utworzonej cząsteczki występują wiązania
kowalencyjne, natomiast kryształ utrzymywany jest
dzięki słabszym wiązaniom van der Waalsa pomiędzy
cząsteczkami S8. W zależności od sposobu upakowania
tych cząsteczek w krysztale, wyróżniamy siarkę rombową (inaczej siarkę α) i jednoskośną (siarkę β). W temperaturze pokojowej trwała jest siarka α, występująca
w postaci jasnożółtych kryształów, która po podgrzaniu
do 368,8 K ulega przemianie w siarkę β – występującą
w formie żółtych igieł. Warto zauważyć, że te odmiany przybierają nie tylko inną postać krystaliczną, lecz
SZKOŁA
Agnieszka Osówniak
Wstęp
KRÓTKO
Siarka i jej związki
jako źródła pierwiastka
budulcowego dla bakterii
33
Znaczenie i występowanie siarki i jej związków
nieorganicznych
Związki powstałe z połączenia siarki z tlenem czy
wodorem są substancjami gazowymi, często występującymi w powietrzu. Tlenki siarki: SO2 i SO3 przedostają
się do atmosfery podczas spalania, np. węgla kamiennego czy ropy naftowej, a także wskutek wybuchów
wulkanów, powodując jej zanieczyszczenie. Produkty
ich reakcji z wodą czy parą wodną, czyli kwasy siarkowe (IV) i (VI), powodują znaczne obniżenie pH wody,
a w konsekwencji są główną przyczyną negatywnych
skutków kwaśnych deszczy. Tlenki siarki wchodzą
również w skład smogu. Siarkowodór jest gazem silnie
trującym o bardzo charakterystycznym zapachu, przedostającym się do atmosfery wskutek wybuchów wulkanów. Do jego produkcji przyczynia się także przemysł chemiczny (Bielański, 2010c) i mikroorganizmy
(np. bakterie redukujące siarczany). W określonych stężeniach jest śmiertelnie niebezpieczny dla organizmów,
bowiem inaktywując oksydazę cytochromową, hamuje
działanie łańcucha oddechowego (Cooper i wsp., 2008).
Toksyczne stężenie wynosi ok. 1000 – 2000 ppm. Przeprowadzone niedawno badania na myszach wykazały, że w mniejszych stężeniach siarkowodór powoduje
spowolnienie metabolizmu, ale nie wywołuje trwałych
uszkodzeń (Bełtowski, 2004).
Tritlenku siarki, SO3, nie da się bezpośrednio otrzymać w procesie spalania siarki w tlenie, jak to ma miejsce w przypadku SO2, powstaje on wskutek utlenienia
tlenku siarki (IV). W kontakcie z wodą tworzy kwas
siarkowy (VI) – substancję żrącą. Kwas siarkowy (IV),
zwany kwasem siarkawym, powstaje wskutek reakcji
tlenku siarki (IV) z wodą tylko w niewielkim stopniu.
Ze względu na to, że SO2 pozostaje częściowo niezwiązany z wodą (jest przez nią solwatowany), po reakcji nie
otrzymujemy wyłącznie kwasu siarkawego i produktów
jego dysocjacji, ale także SO2 i S2O52- (Bielański, 2010c).
Oprócz wyżej wymienionych związków, siarka tworzy jeszcze wiele innych, np. tlenki S2O, SO, SO4 czy
kwasy H2S2O7, H2S2O6, H2SO5, H4S2O8. Są to substancje rzadko spotykane, głównie syntetyczne, dlatego nie
będą one dalej omawiane.
Siarka występuje w środowisku nie tylko w powietrzu w formie gazów (SO2, SO3) i w środowiskach wodnych w stanie ciekłym (H2SO3, H2SO4; jako ich jony),
ale także w glebie i skałach. Można ją spotkać zarówno
w postaci rodzimej (pierwiastkowej) – jest wydobywana także w Polsce w okolicach Tarnobrzega, jak i w postaci minerałów, zarówno siarczków, jak i siarczanów
(Pajdowski, 1976). Powszechnie znane są i wydobywane
blenda cynkowa (ZnS), piryt (FeS2), chalkopiryt (CuFeS2), markasyt (FeS2) i galena ołowiana (PbS) oraz gips
(CaSO4·2H2O), anhydryt (CaSO4), baryt (BaSO4) i celestyn (SrSO4) (Chmielewski i wsp., 2003). Siarka rodzima
jest także ważną domieszką kopalnianego węgla kamiennego i brunatnego, gazu ziemnego i ropy naftowej
(Bereda, 2011), dlatego nietrudno ją znaleźć w pobliżu
kopalni. Siarka pierwiastkowa, siarczany i siarczki są
NAUKA
powstają nierozpuszczalne siarczki. Łatwo łączy się
z fluorem w różnych stosunkach stechiometrycznych,
m.in. 1:6 (SF6), a takie połączenie jest możliwe dzięki
zaangażowaniu orbitali d i hybrydyzacji sp3d2 atomu
siarki (Bielański, 2010b). Z wodorem siarka reaguje dopiero w podwyższonej temperaturze. Z azotem tworzy
m.in. poliazyle – związki o stechiometrii (SN)x, gdzie
xϵN, polimery o budowie łańcuchowej, składające się
z dwóch atomów niemetali, które, dzięki delokalizacji
elektronów pomiędzy atomami siarki i azotu w temperaturze bliskiej 4 K, przewodzą prąd elektryczny, a więc
zachowują się jak metale. Co ciekawe, po schłodzeniu
ich do temperatury 0,26 – 0,33 K nabierają właściwości
nadprzewodzących (Bielański, 2010d).
SZKOŁA
prowadzi do nadmiernego łączenia się nowopowstałych
ośmioatomowych łańcuchów siarkowych ze sobą z wytworzeniem długich łańcuchów polimerycznych, zawierających aż do 105 atomów siarki (Bielański, 2010a). Siarkowa ciecz stopniowo w trakcie tego procesu zmienia
barwę z jasnożółtej aż do brunatno-czerwonej, zwiększa się także około 2000-krotnie jej lepkość, osiągając
wartość maksymalną w temperaturze 460,15 K (Bereda,
2011). Tę odmianę siarki nazywamy siarką μ. W procesie dalszego ogrzewania, po przekroczeniu temperatury
470 K, poliłańcuchy siarki zaczynają się rozpadać, a jej
lepkość maleje.
W stanie gazowym siarka występuje w trzech trwałych odmianach alotropowych. Pierwszą z nich, powstającą w czasie zmiany stanu skupienia, są żółte pary
siarki gazowej złożonej z łańcuchowych cząsteczek S8.
Druga powstaje dopiero w temperaturze 1200 K i zawiera paramagnetyczne cząsteczki siarki dwuatomowej. Warto zauważyć, jak bardzo stabilne są połączenia
poszczególnych atomów – do rozerwania ośmioelementowych łańcuchów potrzebna jest temperatura rzędu
1200 K, a nie jest to rozerwanie całkowite, raczej fragmentacja. Dopiero w temperaturze 2500 K cząsteczki S2
ulegają rozpadowi na atomy (Bielański, 2010a).
Szereg kolejnych, nietrwałych odmian alotropowych siarki tworzonych jest podczas oziębiania jej
roztworów. Są to np. pierścienie i łańcuchy sześcio-,
siedmio-, dziesięcio-, dwunasto-, osiemnasto- czy dwudziestoczłonowe. Oprócz tego istnieje także wiele odmian metastabilnych siarki.
Siarka jest pierwiastkiem mało reaktywnym w temperaturze pokojowej. Po podgrzaniu chętnie łączy się
z tlenem tworząc ditlenek siarki SO2, a dalszej fazie
utleniania także tritlenek siarki SO3, które w kontakcie
z wodą tworzą kwasy tlenowe. Chętnie, a czasem wręcz
gwałtownie, reaguje z metalami ziem alkalicznych, tworzy także połączenia z metalami szlachetnymi – często
34
KRÓTKO
35
także obecne w osadach wód słonych, szczególnie oceanów, a S0 i S2- są kumulowane, a następnie uwalniane
w wodach gejzerów (Madsen, 2008).
Znaczenie i występowanie związków
organicznych siarki
+ 2e-
Aminokwasy
Aminokwasy są związkami organicznymi, zawierającymi grupę aminową i grupę karboksylową. Wzajemne ułożenie tych grup względem siebie określa typ
aminokwasu: jeśli zarówno grupa –NH2, jak i –COOH
są połączone z tym samym atomem węgla, mamy do
czynienia z α-aminokwasem. Dzięki obecności obu
tych grup funkcyjnych, aminokwasy klasyfikowane są
jako związki amfoteryczne – czyli zdolne zarówno do
reakcji z kwasami (poprzez grupę aminową), jak i z zasadami (poprzez grupę karboksylową). W roztworze
wodnym aminokwasy istnieją głównie w postaci zjonizowanej – jonów obojnaczych. Białka budowane są wy-
NAUKA
łącznie przez 20 aminokwasów należących do szeregu L
(McMurry, 2005).
Znane są dwa aminokwasy białkowe zawierające
siarkę – cysteina i metionina. W cysteinie występuje
ona w grupie tiolowej, natomiast w metioninie w grupie
sulfidowej (ryc. 2). Metionina jest pierwszym aminokwasem, od którego zazwyczaj rozpoczyna się synteza
nowego białka. Jest kodowana tylko przez jeden kodon
– AUG, zwany kodonem start, od którego zaczyna się
elongacja łańcucha polipeptydowego, co czyni ją bardzo
ważnym elementem w syntezie białek. Ponadto może
być donorem grupy metylowej w reakcjach biosyntezy
tłuszczy lub innych ważnych biologicznie związków
(Or-Rashid i wsp., 2001). Dwie cysteiny, poprzez utlenienie wchodzących w skład ich struktury grup tiolowych, tworzą dimer zwany cystyną (ryc. 3). Taki mostek disulfidowy, nazywany popularnie disiarczkowym,
może się tworzyć nie tylko z udziałem pary cystein, które znajdują się bezpośrednio obok siebie w łańcuchu polipeptydowym, ale także z udziałem dwóch cząsteczek
występujących w różnych łańcuchach (ryc. 4). Tak więc,
cysteina, oprócz swojej roli budulcowej, ma także inne
bardzo ważne zadanie – w stabilizacji trzecio- i czwartorzędowej struktury białek (Berg i wsp., 2007). Siarkę
zawiera także homocysteina – α,L-aminokwas niebiałkowy, strukturalnie przypominający cysteinę, od któ-
Ryc. 3. Reakcja tworzenia cystyny
Ryc. 4. Przykłady mostków disulfidowych
rej różni się obecnością dodatkowej grupy metylenowej
w łańcuchu węglowym. Związek ten może zostać wykorzystany przez bakterie do syntezy metioniny (Or-Rashid i wsp., 2001).
Kofaktory enzymów
Wskutek dekarboksylacji cysteiny powstaje cysteamina, która w dalszych przemianach prowadzi do
powstania koenzymu A (ryc. 5a). Związek ten z kolei
odgrywa bardzo ważną rolę biologiczną – jest pośrednikiem w przenoszeniu grup acylowych. Po połączeniu
koenzymu A z grupą acylową powstaje acylo-koenzym
A, który umożliwia transport grup acylowych w organizmie. Co jest bardzo istotne, połączenie to powstaje
wskutek acylowania grupy tiolowej koenzymu A, a więc
SZKOŁA
Ryc. 2. Struktury aminokwasów siarkowych: a. cysteina,
b. metionina
KRÓTKO
Siarka jest jednym z pierwiastków biogennych wchodzących w skład organizmów. Mimo, że stanowi ona jedynie ok. 1% masy komórki, jest ona bardzo ważna dla
jej prawidłowego rozwoju i funkcjonowania (Eichhorn,
2000). Atomy tego pierwiastka występują: (i) w dwóch
aminokwasach – L-metioninie i L-cysteinie (a także
w białkach zawierających te aminokwasy), (ii) kofaktorach enzymów, takich jak biotyna, tiamina, kwas liponowy, koenzym A czy molibdopteryna (iii) w S-adenozylometioninie, (iv) w tionukleozydach wchodzących
w skład zmodyfikowanego tRNA, (v) białkach zawierających centra Fe-S oraz (vi) w alifatycznych sulfonianach, np. taurynie. Ponadto bakterie potrafią syntetyzować takie związki siarki jak ergotioneina czy owotiol A,
a także disiarczek glutationu.
grupy zawierającej siarkę. Acetylo-koenzym A, czyli związek powstały w wyniku acylowania koenzymu
A kwasem bądź bezwodnikiem octowym, pełni bardzo
ważną rolę w metabolizmie – przenosi grupę acetylową na szczawiooctan, rozpoczynając tym samym cykl
kwasu cytrynowego. Bierze także udział w aktywacji
kwasów tłuszczowych i ich rozkładzie. Cząsteczki acylo-koenzymu A są substratami w reakcjach β-oksydacji
kwasów tłuszczowych (Murray i wsp., 2006a).
Innym ważnym organicznym związkiem zawierającym siarkę jest kwas liponowy (ryc. 5b) – pełniący, po
aminacji i utlenieniu, rolę kofaktora dla dehydrogenazy
pirogronianowej w reakcji dekarboksylacji oksydacyj-
nej pirogronianu. Znane są także dwie witaminy zawierające siarkę: biotyna i tiamina. Biotyna, znana także
witaminą H lub B7, jest koenzymem niektórych enzymów katalizujących reakcje karboksylacji – dołączenia
cząsteczki CO2. Tiamina, czyli witamina B1, pełni ważną rolę w przemianie węglowodanów. Jest koenzymem
kilku dekarboksylaz, a difosforan tiaminy – transketolazy w szlaku pentozofosforanowym (Murray i wsp.,
2006b).
Molidbopteryna jest niebiałkowym składnikiem
miejsc aktywnych niektórych enzymów, takich jak
na przykład reduktaza azotanowa czy dehydrogenaza
ksantyninowa, niezbędnym do prawidłowego ich działania. W jej cząsteczce obecne są dwa atomy siarki, oba
połączone są z atomem molibdenu (ryc. 6) (Hille, 2002).
Białka żelazowo-siarkowe (białka z żelazem niehemowym)
Ryc. 6. Struktura molibdopteryny
Białka żelazowo-siarkowe występują praktycznie
we wszystkich organizmach, zawierają one charakterystyczną grupę prostetyczną: centrum żelazowo-siarkowe. Najprostsze takie centrum znajduje się w rubredoksynie i ma strukturę tetraedru: żelazo połączone
jest wiązaniami koordynacyjnymi z czterema ligandami – resztami cysteiny (ryc. 7a). Najczęściej w białkach
Ryc. 7. Struktury najbardziej rozpowszechnionych centrów
żelazowo-siarkowych występujących w białkach:
a. tetraedr (rubredoksyna), b. struktura płaska rombowa
typu [2Fe-2S], c. struktura przestrzenna typu [3Fe-4S],
d. struktura sześcienna typu [4Fe-4S] (Kiley i wsp., 2003)
spotykana jest jednak płaska struktura rombowa Fe2S2.
W skład tej struktury wchodzą dwa atomy centralne –
atomy żelaza na II stopniu utlenienia – połączone dwoma mostkami siarkowymi, każdy atom centralny połączony jest także z dwiema resztami cysteiny (ryc. 7b).
Pozostałe, przedstawione w ryc. 7 oraz inne, bardziej
skomplikowane, struktury powstają wskutek połączenia płaskich „komórek” rombowych (Kiley i wsp., 2003).
Centra żelazowo-siarkowe są częścią wielu ważnych enzymów, głównie z grupy oksyreduktaz. Obecne
w nich żelazo (II) może zostać utlenione do żelaza (III),
a w reakcji odwrotnej, Fe (III) zredukowane do Fe (II).
Reakcje te umożliwiają transport elektronów. Centra
Fe-S, spotykane są także w miejscach aktywnych niektórych enzymów, gdzie pełnią kluczową rolę w wiązaniu substratu poprzez polaryzację jego grup funkcyjnych. Zaobserwowano, że centra żelazowo-siarkowe są
donorami elektronu, który może zainicjować przebieg
reakcji wolnorodnikowych w organizmach (Beinert,
SZKOŁA
Ryc. 5. Struktury koenzymów: a. koenzymu A, b. kwasu liponowego
NAUKA
36
KRÓTKO
Sulfoniany to sole kwasów sulfonowych, które zawdzięczają swój kwasowy charakter obecności dwóch
wiązań S=O, a w nieznacznym stopniu reszcie węglowodorowej. W taurynie (ryc. 8), czyli kwasie 2-aminoetanosulfonowym, atom siarki jest częścią ugrupowania
sulfonianowego, ale znane są także przypadki przyswajania przez bakterie estrów i kwasów sulfonowych oraz
kwasów sulfaminowych (Van der Ploeg i wsp., 1996).
Zarówno tauryna, jak i wiele innych alifatycznych sulfonianów, takich jak koenzym M, taurocholan
czy metanosulfonian, występuje naturalnie w środowisku. Tauryna występuje w organizmie zwierząt jako
Ryc. 8. Struktura tauryny
Wykorzystanie przez bakterie związków
nieorganicznych siarki jako źródła pierwiastka
budulcowego
Większość mikroorganizmów przyswaja siarkę do
celów budulcowych w postaci siarczanów, siarczynów
i tiosiarczanów w szlaku zwanym szlakiem biosyntezy
cysteiny, gdzie przy pomocy licznych enzymów, transportowane ze środowiska zewnętrznego nieorganiczne
związki siarki są redukowane i siarka jest wbudowywana do O-acetyloseryny z wytworzeniem L-cysteiny.
Mechanizm ten został dokładnie poznany u E. coli i Salmonella enterica sv. Typhimurium (Kredich, 1996). Cysteina jest następnie używana nie tylko do syntezy białek, ale także jest substratem do syntezy wielu ważnych
związków organicznych zawierających siarkę. Ponadto
niektóre mikroorganizmy posiadają także zdolność
asymilacji siarczków (Dick, 1992), które mogą włączyć
się w siarczanową gałąź szlaku biosyntezy cysteiny w jej
ostatnim etapie, rzadziej spotykana, ale również możliwa, jest asymilacja siarki pierwiastkowej (Kessler, 2006).
Pierwszym krokiem w każdej ścieżce asymilacji siarki jest transport jej związków ze środowiska zewnętrznego do wnętrza komórki. Komórkom niezbędne są
produkty genów cysA, cysP, cysT oraz cysW zorganizowanych w operonie cysPTWA-M (Eichhorn, 2000),
a także produktu genu sbp. Białka kodowane przez
geny cysT i cysW tworzą kanał transportowy w błonie
zewnętrznej, przez który związki siarki (siarczany i tiosiarczany) znajdujące się w środowisku zewnętrznym
mogą przedostawać się do wnętrza komórki. Białko
CysA jest wbudowywane w błonę cytoplazmatyczną,
natomiast białka Sbp oraz CysP, które wiążą odpowiednio siarczany i tiosiarczany, występują w przestrzeni peryplazmatycznej (Kredich, 1996).
Asymilacja siarczanu
Przetransportowany do cytoplazmy siarczan musi
być aktywowany przed redukcją. Produktami ekspresji
genów cysC, cysD i cysN (zorganizowanych w operonie
cysDNC), są enzymy uczestniczące w dwóch etapach
tej aktywacji: sulfurylaza ATP (cysD, cysN; E.C. 2.7.7.4)
oraz kinaza APS (cysC; E.C. 2.7.1.25) (Eichhorn, 2000).
Proces asymilacji został przedstawiony na ryc. 11a.
Początkowo siarczan jest aktywowany do 5’-fosfosiarczanu adenozyny (APS) (ryc. 9) w reakcji katalizowanej przez sulfurylazę ATP. Drugim, obok SO42-,
substratem tej reakcji jest jedna cząsteczka wysokoenergetycznego 5’-trifosforanu adenozyny (ATP). W kolejnym kroku kinaza APS katalizuje przeniesienie grupy
fosforanowej z kolejnej cząsteczki ATP na APS z utworzeniem 3’-fosfoadenozyno-5’-fosfosiarczanu (PAPS)
NAUKA
Szlak biosyntezy cysteiny
SZKOŁA
Tauryna i inne alifatyczne sulfoniany
składnik kwasu taurocholowego stanowiącego ok. 1/3
kwasów żółciowych ulegających syntezie w wątrobie.
Koenzym M jest jednym z kofaktorów metanogenezy
u archeonów metanogennych, metanosulfonian powstaje w atmosferze wyniku fotochemicznego utlenienia siarczku dimetylu (Eichhorn, 2000), a octanosulfonian jest składnikiem endospor u Bacillus subtilis
(Bonsen i wsp., 1969).
Istnieją także, głównie w środowiskach wodnych,
organiczne związki siarki pochodzenia antropogennego. Są one na przykład syntetycznymi składnikami
używanych przez ludzi detergentów, wybielaczy czy
składnikami cementu, mowa tu głównie o alifatycznych i aromatycznych sulfonianach, których obecność
stwierdzono w rzekach i osadach ściekowych (Kertesz,
1999). Niektóre bakterie wykształciły zdolność wykorzystywania tych związków jako źródła węgla, siarki
i energii.
KRÓTKO
2000). Ponadto trzy transkrypcyjne aktywatory E. coli:
SoxR, IscR oraz FNR zawierają w swojej strukturze
centra żelazowo-siarkowe, które pełnią kluczową rolę
w ich funkcji regulatorowej polegającej na uruchomieniu transkrypcji wybranych genów. SoxR w warunkach
normalnych jest nieaktywny, natomiast w obecności np. O2- lub NO aktywuje ekspresję białek ochrony
przed stresem oksydacyjnym, naprawy DNA i innych.
FNR jest globalnym regulatorem u E. coli, a IscR jest
regulatorem operonu kodującego geny biorące udział
w składaniu centrów Fe-S (Kiley i wsp., 2003). Centra
żelazowo-siarkowe występują także w zlokalizowanych
w błonach centrach reakcji fototrofów, w których energia światła jest przekształcana w energię chemiczną
w postaci ATP (Erickson, 1992).
37
(ryc. 10), a sulfotransferaza PAPS (E.C. 1.8.99.4) przenosi grupę siarczanową na akceptor, którym najczęściej
jest tioredoksyna. Związek ten zawiera dwie sąsiadujące
ze sobą cysteiny, do jednej z nich przyłącza się grupa
siarczanowa. Nowoutworzona tioredoksyna-S-SO3- jest
donorem siarczynu, a w procesie przekształcenia powstaje także utleniona tioredoksyna (reszty cysteiny
tworzą mostek disiarczkowy), która jest regenerowana
do formy zredukowanej przez reduktazę tioredoksyny
(Kredich, 1996).
Sulfotransferaza PAPS jest produktem genu cysH,
należącego do kolejnego operonu cysteinowego cysIJH.
Pozostałe dwa geny tego operonu, cysI i cysJ oraz niezależny gen cysG kodują reduktazę siarczynową (E.C.
Asymilacja tiosiarczanu
Pozyskiwany ze środowiska tiosiarczan może być
także źródłem siarki dla bakterii (ryc. 11b). Pierwszym
etapem jego asymilacji jest, podobnie jak w przypadku
asymilacji siarczanu, transport do wnętrza komórki.
Następnie, kodowana przez gen cysM syntaza cysteino-
NAUKA
SZKOŁA
Ryc. 10. Struktura 3’-fosfoadenozyno-5’-fosfosiarczanu
(PAPS)
Ryc. 11. Ścieżka biosyntezy
cysteiny u E. coli i S. enterica sv.
Typhimurium: a. biosynteza
z siarczanu, b. biosynteza
z tiosiarczanu. APS –
5’-fosfosiarczan adenozyny,
PAPS – 3’-fosfoadenozyno-5’fosfosiarczan
wa B, katalizuje syntezę S-sulfocysteiny z O-acetyloseryny i tiosiarczanu. S-sulfocysteina zostaje przekształcona
w L-cysteinę, a w reakcji tej uwalniany jest siarczyn, który bakterie mogą dalej przekształcić w siarczek i cysteinę (Eichhorn, 2000). Ta gałąź szlaku biosyntezy cysteiny jest znacznie krótsza i korzystniejsza energetycznie
– przyswajanie siarczanów wymaga obecności dwóch
cząsteczek ATP, zredukowanej tioredoksyny, NADPH
i O-acetyloseryny, natomiast do asymilacji tiosiarczanu
potrzebny jest tylko ostatni z wymienionych związków.
KRÓTKO
Ryc. 9. Struktura 5’-fosfosiarczanu adenozyny (APS)
1.8.1.2), katalizującą zależną od
NADPH redukcję SO32- do siarczku (Kredich, 1996). Enzym ten ma
budowę podjednostkową o stechiometrii α8β4, gdzie α jest flawoproteiną (cysJ), a β jest hemoproteiną (cysI). Flawoproteina – dzięki
obecności dinukleotydu (FAD)
oraz mononukleotydu (FMN) flawinoadeninowego – spełnia rolę
akceptora elektronów i przenosi je
na hemoproteinę, zawierającą centra Fe4S4 oraz charakterystyczną
dla reduktazy azotynowej i siarczynowej grupę prostetyczną, określaną w literaturze anglojęzycznej
jako siroheme. Gen cysG koduje
enzym niezbędny do syntezy tego
związku (Ostrowski i wsp., 1989).
Ostatnim etapem szlaku jest przekształcenie siarczku w cysteinę,
w którym bierze udział prekursor
cysteiny, O-acetyloseryna. Powstaje ona w reakcji przeniesienia grupy acetylowej z acetylokoenzymu
A na L-serynę katalizowanej przez
transacetylazę serynową (E.C. 2.3.1.30; cysE). Synteza
cysteiny odbywa się z udziałem syntazy cysteinowej A,
kodowanej przez gen cysK, będącej częścią kompleksu
syntaz cysteinowych (E.C. 4.2.99.8) (Kredich, 1996).
38
Asymilacja siarczynu i siarczku
Szybko zmieniające się warunki środowiska, w jakim przyszło żyć bakteriom, zmusiły je do wykształcenia bardzo precyzyjnych mechanizmów regulacji
genów odpowiedzialnych za adaptację do środowiska
i jak najlepsze wykorzystanie dostępnych metabolitów.
Biosynteza cysteiny u E. coli i S. enterica sv. Typhimurium zostaje prawie natychmiast zahamowana, gdy
bakterie zostaną przeniesione do pożywki zawierającej
ten aminokwas (Kredich, 1996). Dzieje się tak dlatego,
że wolna L-cysteina jest inhibitorem transacetylazy serynowej odpowiedzialnej za syntezę O-acetyloseryny,
która ulega przegrupowaniu do N-acetyloseryny. Za ten
i inne procesy regulacyjne szlaku biosyntezy cysteiny
odpowiedzialny jest system modulacji ekspresji genów
zwany regulonem cys (ryc. 12).
Jak już wcześniej wspomniano, dostępność cysteiny hamuje proces syntezy O-acetyloseryny, a w konsekwencji zahamowana zostaje asymilacja siarczanu i tiosiarczanu. Ponadto dostępność w komórkach siarczku
i tiosiarczanu hamuje ich transport do wnętrza komórki. Reasumując, L-cysteina, tiosiarczan lub siarczek są
negatywnymi regulatorami biosyntezy cysteiny (Kredich, 1996).
Asymilacja siarki elementarnej
Niektóre mikroorganizmy, oprócz możliwości pozyskiwania siarki do celów budulcowych z jej nieorganicznych związków, takich jak siarczany, siarczyny, tiosiarczany czy siarczki, mają także zdolność asymilacji
siarki pierwiastkowej (Kessler, 2006). Mowa tu m.in.
o Acidithiobacillus thiooxidans czy A. ferrooxidans,
które przy pomocy syntetyzowanych odpowiednich
dioksygenaz są zdolne do utleniania siarki. Uważa się,
że enzym dioksygenaza siarkowa (E.C. 1.13.11.18) katalizuje reakcję przekształcenia siarki elementarnej do
siarczynu zgodnie z równaniem reakcji:
NAUKA
L-cysteina jest inhibitorem współzawodniczącym z L-seryną o miejsce
aktywne transacetylazy serynowej (*),
tiosiarczan i siarczek są inhibitorami
aktywacji własnego transportu,
a O-acetyloseryna jest prekursorem
N-acetyloseryny odpowiedzialnej za aktywację transportu i redukcji siarczanu.
Jak wspomniano wcześniej, siarka w warunkach naturalnych występuje w postaci ośmioatomowych pierścieni, które tworzą rombowy kryształ, dlatego postuluje się, że przed zajściem powyższych reakcji siarka musi
być aktywowana przez nukleofil, na przykład glutation,
a jej pierścień musi zostać otwarty (Rohwerdert i wsp.,
2003). Glutation jest syntetyzowany praktycznie w każdej komórce, w obecności siarki elementarnej tworzy
disiarczek glutationu, a ten w reakcji następczej jest
przekształcany w siarczyn:
Jak widać z powyższych równań reakcji, glutation
nie jest zużywany w reakcji, odgrywa jedynie rolę aktywatora. Powstały w wyniku tych reakcji siarczyn jest
włączany w szlak biosyntezy cysteiny (Kessler, 2006).
SZKOŁA
Regulacja biosyntezy cysteiny
Ryc. 12. Interakcje pomiędzy
poszczególnymi etapami szlaku
biosyntezy cysteiny, regulon
cysteinowy
KRÓTKO
Pozyskiwany w trakcie asymilacji tiosiarczanu jon
SO32-, jak już wcześniej wspomniano, może także zostać
wykorzystany do biosyntezy cysteiny. Jego cząsteczki
występujące w komórkach są wychwytywane przez zależną od NADPH reduktazę siarczynową i przekształcane w siarczek, a następnie w cysteinę.
Podobnie jest w przypadku samego siarczku, który
może włączyć się w siarczanową gałąź szlaku w jej ostatnim etapie (ryc. 11a). Biosynteza cysteiny w obu tych
przypadkach jest taka sama jak ta opisana wyżej, z pominięciem etapów poprzedzających biosyntezę związków startowych – siarczynu i siarczku. Przykładowymi
mikroorganizmami zdolnymi do wykorzystania siarczków są Acidithiobacillus spp. i Acidiphilium spp. (Dick,
1992), którym specjalne systemy transportu siarczków
ze środowiska do wnętrza komórki umożliwiają asymilację S2-. Siarczki są przez Acidithiobacillus spp. (bezbarwna bakteria siarkowa) wykorzystywane również jako
źródło energii i donor elektronów.
39
40
uczestniczących w procesach transmetylacji różnych
związków chemicznych, na przykład kwasów nukleinowych i białek (Chiang i wsp., 1996).
Duża grupa ważnych biologicznie związków chemicznych zawierających siarkę jest syntetyzowana
przez mikroorganizmy z użyciem wielosiarczków, najczęściej disiarczków (ang. persulfide). Należą do nich
bez wątpienia centra żelazowo-siarkowe, tiamina, biotyna, kwas liponowy, a także tionukleozydy (ryc. 15).
W biosyntezie centrów Fe-S biorą udział enzymy,
takie jak na przykład NifS, uczestniczący w biosyntezie centrów żelazowo-siarkowych nitrogenazy, czy
też IscU, znaleziony u E. coli, scharakteryzowane jako
Ryc. 13. Przykłady
związków
syntetyzowanych
z udziałem cysteiny
NAUKA
Disiarczki jako prekursory wielu ważnych związków
organicznych
SZKOŁA
Bakterie potrafią wykorzystać cysteinę nie tylko
do budowy białek, ale także ją przekształcić lub wykorzystać jako donor siarki dla wielu innych ważnych
dla ich funkcjonowania związków chemicznych, takich
jak metionina, glutation i jego pochodne, koenzym A,
S-adenozylometionina, a także L-ergotioneina i owotiol
A (ryc. 13), których zadaniem jest inaktywacja takich
związków jak OH· czy H2O2 powstających w czasie stresu oksydacyjnego (Kessler, 2006).
Cysteina jest jednym z trzech aminokwasów budujących ważny biologicznie i odporny na degradację
enzymatyczną tripeptyd – glutation (GSH), pozostałe dwa to glicyna i glutaminian. Swoją unikatowość
glutation zawdzięcza nietypowemu dla związków
biologicznych wiązaniu izopeptydowemu, które jest
tworzone przez grupę α-aminową cysteiny z grupą
γ-karboksylową glutaminianu w obecności enzymu
syntazy γ-glutaminocysteiny (E.C. 6.3.2.2.) – jest to
pierwszy z etapów biosyntezy GSH. W kolejnym kroku, enzym syntetaza glutationu (E.C. 6.3.2.3.) katalizuje
przyłączenie glicyny do wcześniej wspomnianego dipeptydu (Anderson, 1998). W tym przypadku cysteina
nie jest jedynie donorem siarki, ale jedną ze składowych
całego tworzonego związku. Glutation pełni bardzo
ważną funkcję w asymilacji siarki pierwiastkowej – aktywuje i rozrywa jej pierścień tworząc disiarczek glutationu, który następnie jest rozkładany z wydzieleniem
siarczynu.
Podobnie jest w przypadku metioniny – szlak jej
biosyntezy również zaczyna się od cysteiny (ryc. 14).
W pierwszym etapie cysteina w reakcji z O-bursztynylo-homoseryną katalizowanej przez γ-syntazę cystationinową (E.C. 2.5.1.48) przekształca się w cystationinę, która następnie zostaje zamieniona przez enzym
β-liazę cystationinową (E.C. 4.4.1.8) w homocysteinę.
Powstały w ten sposób niebiałkowy aminokwas, który
jest bezpośrednim prekursorem metioniny, ulega metylacji w obecności syntazy metioninowej (E.C. 2.1.1.13).
Ostatni z wymienionych enzymów do swej aktywności
wymaga kofaktora, jakim jest witamina B12 (Or-Rashid
i wsp., 2001).
Istnieją gatunki, na przykład Mycobacterium tuberculosis (Wheeler i wsp., 2005) czy Pseudomonas putida (Vermeij i wsp., 1999), które potrafią wykorzystać
metioninę jako jedyne źródło siarki budulcowej. Asymilacja metioniny polega na jej przekształceniu (przy
użyciu odpowiednich enzymów) w cysteinę w procesie
odwrotnym do przedstawionego na ryc. 14 (Wheeler
i wsp., 2005). Prokariota wykorzystują metioninę także
do syntezy S-adenozylometioniny – substratu dla wielu
transferaz. Związek ten jest donorem grup metylowych
KRÓTKO
Cysteina i metionina jako prekursory wielu ważnych związków
organicznych
Ryc. 14. Szlak biosyntezy metioniny
Źródło: Grundy i wsp., 1998, zmodyf.
NAUKA
kę do syntezy tionukleozydów IscS,
w centrum katalitycznym tworzą
wielosiarczki, które są donorami
siarki w odpowiednich procesach
biologicznych.
Niektóre disiarczki mogą być
wykorzystywane przez bakterie
jako alternatywne źródła siarki budulcowej. Na przykład Acidithiobacillus spp. i Acidiphilium spp. mogą Ryc. 15. Przykłady związków syntetyzowanych z wykorzystaniem disiarczków jako
przyswajać disiarczek glutationu, źródła siarki; R-S-SH – disiarczek
a Chromatium sp. wykorzystywać
białek zewnątrzkomórkowych występujących przede
jego amid. Uważa się, że amid ten może także brać
wszystkim w warunkach utleniających. Każdy z wyżej
udział w transferze siarki pierwiastkowej ze środowiwymienionych związków pełni bardzo ważną funkcję
ska do komórek (Kessler, 2006). Disiarczki mogą być,
we wszystkich organizmach. Prokarioty nie wykorzyw razie potrzeby, wytwarzane przez niektóre bakterie,
stują jednak siarki i jej związków jedynie do celów buna przykład w obecności siarki elementarnej, szczepy
dulcowych, jak to ma miejsce u eukariotów. Niektóre
należące do rodzaju Acidithiobacillus czy Acidiphilium,
bakterie chemolitotroficzne i archeony potrafią je utlesyntetyzują disiarczek glutationu (GSSH), który może
niać, uzyskując w ten sposób energię niezbędną do synbyć wykorzystywany przez mikroorganizmy jako altertezy ATP, a inne wykorzystywać jako donor lub końconatywne źródło siarki do celów budulcowych.
wy akceptor elektronów.
Do pierwszej z wymienionych grup bez wątpienia
Inne sposoby wykorzystania siarki i jej związków
należą bezbarwne bakterie siarkowe, takie jak na przykład Beggiatoa spp., Thiobacillus spp., Halothiobacillus
Związki siarki występują w atmosferze, litosferze,
spp. czy Thiovulum majus (Kelly i wsp., 2006), które
hydrosferze oraz pedosferze i występują we wszystkich
można znaleźć praktycznie wszędzie, a szczególnie obtrzech stanach skupienia. Jak już wcześniej wspomniaficie występują w wodach morskich i gorących źródłach.
no, siarka jest jednym z budulcowych pierwiastków
Pozyskują one energię (oraz elektrony niezbędne do
biogennych, niezbędnym do prawidłowego funkcjonowiązania dwutlenku węgla) w procesie utleniania siarki
wania każdej komórki. Jest składnikiem dwóch białkopierwiastkowej, a także siarczków, siarczynów, tiosiarwych aminokwasów – cysteiny i metioniny, licznych
czanów, tetrationianów, rodanków, siarczku dimetylu
kofaktorów, takich jak biotyna, tiamina, molibdopteryczy też dwusiarczku węgla. Produktem końcowym tego
na, kwas liponowy czy koenzym A, tionukleozydów i,
utleniania jest siarczan (Dick, 1992). Siarka i jej związki
jako kluczowy składnik centrów żelazowo-siarkowych,
są też donorami elektronów w procesie asymilacji dwubuduje centra aktywne niektórych ważnych enzymów.
tlenku węgla.
Mostki disiarczkowe tworzone przez dwie reszty cysteiny stabilizują trzecio- i czwartorzędową strukturę
SZKOŁA
desulfurylazy cysteinowe. Enzym NifS, w obecności
kofaktora – fosforanu pirydoksocysteiny, odszczepia od tego kofaktora ugrupowanie tiolowe i przenosi
je na znajdującą się w jego centrum aktywnym resztę
cysteiny z wytworzeniem disiarczku (Kessler, 2006).
Disiarczki są niestabilne, ulegają spontanicznemu rozpadowi z wytworzeniem łańcuchów siarki pierwiastkowej, która, w przypadku centrów żelazowo-siarkowych,
jest substratem do ich biosyntezy (Beinert, 2000). Działanie drugiego z wymienionych enzymów jest bardzo
podobne.
Rola wielosiarczków w biosyntezie tiaminy, biotyny, kwasu liponowego i tionukleozydów jest taka sama,
jak w przypadku centrów Fe-S. Białka, takie jak biorące
udział w tworzeniu tiaminy ThiS czy aktywujący siar-
41
KRÓTKO
Literatura
Anderson ME (1998). Glutathione: an overview of biosynthesis and
modulation. Chem Biol Interact. 111-112:1-14.
Beinert H (2000). Iron-sulfur proteins: acient structures, still full of
surprises. J Biol Inorg Chem.5:2-15.
Bełtowski J (2004). Hydrogen sulfide as a biologically active mediator
Kelly DP, Wood AP (2006). The chemolithotrophic prokaryotes. W:
The Prokaryotes, a handbook on the biology of bacteria, 3 wydanie.
Dworkin M, Falkow S, Rosenberg E, Schleifer KH, Stackebrandt E
(red.). Springer, t. 2, 441-456.
Kertesz MA (1999). Riding the sulfur cycle – metabolism of sulfonates and sulfate esters in Gram-negative bacteria. FEMS Microbiol Rev. 24, 135-175.
Kessler D (2006). Enzymatic activation of sulfur for incorporation
into biomolecules in prokaryotes. FEMS Microbiol Rev. 30, 825840.
Kiley PJ, Beinert H (2003). The role of Fe-S proteins in sensing and
regulation in bacteria. Curr Opin Microbiol. 6:181-185.
Kredich NM (1996). Biosynthesis of cysteine. W: Escherichia coli and
Salmonella, 2. wydanie. Neidhardt FC, Curtiss R, Ingraham JL,
Lin ECC, Low KB, Magasanik B, Reznikoff WS, Riley M, Schaechter M, Umbarger HE (red.). ASM Press, 514-527.
Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP (2009). Bacteria:
The Proteobacteria. W: Brock Biology of microorganisms, 399-444.
Madsen EL (2008). Selected compounds in the biosphere that participate in major microbial biogeochemical processes. W: Environmental Microbiology from genomes to biogeochemistry, Blackwell
Publishing, 296-300.
McMurry J (2005). Struktury aminokwasów. W: Chemia organiczna 4, Wydawnictwo Naukowe PWN, 986-990.
Murray RK, Granner DK, Rodwell VW (2006a). Biosynteza kwasów
tłuszczowych. W: Biochemia Harpera, PZWL, 241-256.
Murray RK, Granner DK, Rodwell VW (2006b). Mikroelementy odżywcze: witaminy i składniki mineralne. W: Biochemia Harpera,
PZWL, 588-608.
Or-Rashid M, Onodera R, Wadud S (2001). Biosynthesis of methionine from homocysteine, cystathionine and homoserine plus cysteine by mixed rumen microorganisms in vitro. Appl Microbiol
Biotechnol. 55:758-764.
Ostrowski J, Wu J-Y, Rueger DC, Miller BE, Siegel LM, Kredich NM
(1989). Characterization of the cysJIH regions of Salmonella typhimurium and Escherichia coli B. DNA sequences of cysl and
cysH and a model for the siroheme-Fe4S 4 active center of sulfite
reductase hemoprotein based on amino acid homology with spinach nitrite redutase. J Biol Chem. 264:15726-15737.
Pajdowski L (1976). Siarka. W: Chemia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, 349-355.
Rabus R, Hansen TA, Widdel F (2006). Dessimilatory sulfate- and
sulfur reducting prokaryotes. W: The Prokaryotes, a handbook on
the biology of bacteria, 3 wydanie. Dworkin M, Falkow S, Rosenberg E, Schleifer KH, Stackebrandt E (red.). Springer, 2, 659-768.
Rohwerdert T, Sand W (2003). The sulfane sulfur of persulfides is the
actual substrate of the sulfur-oxidizing enzymes from Acidithiobacillus and Acidiphilium spp. Microbiology. 149:1699-1709.
NAUKA
in the cardiovascular system. Postępy Hig Med Dośw. 58:285-291.
Bereda T (2011). Siarka. W: Bilans zasobów kopalin i wód podziemnych w Polsce, 1. wydanie. Szuflicki M, Malon A, Tymiński M,
(red.)., Argraf, 100-103.
Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2007). Struktura pierwszorzędowa: Aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi tworzą
łańcuchy polipeptydowe. W: Biochemia, Wydawnictwo Naukowe
PWN, 51-54.
Bielański A (2010a). Odmiany alotropowe siarki. W: Podstawy chemii
nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, 613617.
Bielański A (2010b). Właściwości chemiczne tlenowców oraz Związki tlenowców z fluorowcami. W: Podstawy chemii nieorganicznej,
6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, 618-619, 632-634.
Bielański A (2010c). Związki tlenowców z wodorem. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe
PWN, 619-632.
Bielański A (2010d). Związki azotowców z siarką. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN,
707-711.
Bonsen PPM, Spudich JA, Nelson DL, Kornberg A (1969). Biochemical studies of bacterial sporulation and germination. XII. A sulfonic acid as a major sulfur compound of Bacillus subtilis spores.
J Bacteriol. 98:62-68.
Canfield DE (2001). Biogeochemistry of sulfur isotopes. GeoScienceWorld. 43:607-636.
Chiang PK, Gordon RK, Tal J, Zeng GC, Doctor BP, Pardhasaradhi K, McCann PP (1996). S-adenosylmethionine and methylation.
FASEB J. 10:471-480.
Chmielewski P, Jezierski A (2003). Siarka. W: Słownik chemiczny,
1. wydanie, Warszawa, 284-286.
Cooper CE, Brown GC (2008). The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and
physiological significance. J Bioenerg Biomembr. 40:533-539.
Dick WA (1992). Sulfur cycle. W: Encyclopedia of microbiology,
1 wydanie. Lederberg, J., (Red.). Academic Press, Inc., 4, 123-133.
Eichhorn EE (2000). Sulfonate-sulfur assimilation in Escherichia coli.
Rozprawa doktorska, Zurich, Diss. ETH Nr. 13651.
Erickson JM (1992). Photosynthesis and chloroplasts. W: Encyclopedia of microbiology, 1 wydanie. Lederberg, J., (Red.). Academic
Press, Inc., 3, 371-401.
Grundy FJ, Henkin TM (1998). The S box regulon: a new global
transcription termination control system for methionine and cysteine biosynthesis genes in Gram-positive bacteria. Mol Microbiol. 30(4):737-749.
Hille R (2002). Molybdenum and tungsten in biology. Trends Biochem Sci. 27:360-367.
SZKOŁA
Druga grupa mikroorganizmów prokariotycznych
wykorzystujących siarkę i jej związki (siarczki i tiosiarczany) jako donor elektronów niezbędnych do wiązania
CO2. Są to fototrofy anoksygeniczne należące do typów
Proteobacteria, Chlorobi i Chloroflexi. Występują one
w głębszych strefach jezior i gorących źródłach, różnią
się między sobą sposobem przeprowadzania fotosyntezy, barwnikami uczestniczącymi w tym procesie oraz
miejscem w toni wodnej (głębokość), w której mogą
rosnąć (Madigan i wsp., 2009).
Ostatnią grupę tworzą bakterie redukujące siarczany, które wykorzystują siarczany jako ostateczny
akceptor elektronów (proces dysymilacyjnej redukcji
siarczanów). Należą do nich bakterie z rodzajów takich
jak Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfobulbus (typ Proteobacteria), Thermodesulfobacterium
(typ Termodesulfobacteria) czy Desulfotomaculum (typ
Firmicutes), i są najczęściej spotykane w beztlenowych
strefach gleb i wód, ściekach oraz przewodach pokarmowych ludzi i zwierząt. Znane są także bakterie, które
potrafią wykorzystać w oddychaniu siarkę pierwiastkową jako akceptor elektronów (np. Geobacter sulfurreducens) (Rabus i wsp., 2006). Wymienione wyżej
prokarioty przeprowadzają zatem unikatowe reakcje
biochemiczne w obiegu siarki, w którym uczestniczą
również mikroorganizmy wykorzystujące siarkę i jej
związki do celów budulcowych. Obieg siarki obejmuje
również procesy fizyczne i chemiczne, a najważniejszymi dla niego przemianami są utlenianie, redukcja, mineralizacja i immobilizacja związków siarki (Dick, 1992).
42
KRÓTKO
43
Sulfur is one of the chemical elements, which is necessary
for living organisms. In this work, not only the physical
and chemical properties of the element, but also biogenic
chemical compounds containing sulfur were described.
Next, the role of non-organic (sulfides, sulfates, and tiosulfates) and organic (cysteine and metionine) compounds containing sulfur was characterized. A biosynthesis
of L-metionine, L-cysteine, enzymes containing iron-sulfur clusters, biotin, tiamine, liponic acid, coenzyme A,
molybdopterin, and S-adenosylmethionine. Finally, the
role of bacteria in the sulfur circulation was described.
Słowa kluczowe: assimilation, bacteria, biosynthesis, cysteine,
enzyme, operon, sulfate, sulfur, tiosulfate
SZKOŁA
Agnieszka Osówniak
KRÓTKO
Sulfur and its compounds as a source of structural element
for bacteria
NAUKA
Van der Ploeg JR, Weiss MA, Saller E, Nashimoto H, Saito N, Kertesz
MA, Leisinger T (1996). Identification of sulfate starvation-regulated genes in Escherichia coli: a gene cluster involved in the utilization of taurine as a sulfur source. J Bacteriol. 178:5438-5446.
Vermeij P, Kertesz MA (1999). Pathways of assimilative sulfur metabolism in Pseudomonas putida. J Bacteriol. 181:5833-5837.
Wheeler PR, Coldham NG, Keating L, Gordon SV, Wooff EE, Parish T, Hewinson RG (2005). Functional demonstration of reverse
transsulfuration in the Mycobacterium tuberculosis complex reveals that methionine is the preferred sulfur source for pathogenic
mycobacteria. J Biol Chem. 280:8069-8078.
Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz
Streszczenie:
Praca, kierowana do nauczycieli biologii szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych, ukazuje zastosowanie podstawowych metod obliczeniowych, których
znajomość jest przydatna przy rozwiązywaniu zadań
genetycznych, stosowanych jako częsty sposób ewaluacji stanu wiedzy i umiejętności uczniów. Znajomość
zasad dodawania, mnożenia, permutacji, kombinacji oraz
umiejętność ich stosowania jest kluczowa przy obliczaniu prawdopodobieństwa sumy i iloczynu zdarzeń oraz
zdarzeń dwumianowych, co jest niezbędne do szacowania
szansy powstawania określonych gamet czy genotypów,
a często stanowi trudność dla uczniów. Ponadto, praca
zawiera propozycję zadania rachunkowego opartego na
omawianych w pracy zasadach matematycznych wraz
z kluczem odpowiedzi.
Słowa kluczowe: zadanie genetyczne, zasada dodawania, zasada mnożenia, permutacja, kombinacja, prawdopodobieństwo
sumy zdarzeń, prawdopodobieństwo iloczynu zdarzeń, prawdopodobieństwo zdarzeń o rozkładzie dwumianowym, trójkąt
Pascala
Postęp w badaniach biologicznych nie byłby możliwy bez zastosowania narzędzi, modeli oraz teorii z innych nauk przede wszystkim fizyki, chemii, matematyki, a także odkryć technicznych i technologicznych.
Podobnie w nauczaniu biologii, do wyjaśniania procesów, zjawisk czy zależności biologicznych wykorzystywane są narzędzia, teorie z chemii, fizyki oraz matematyki. Stosowanie działań matematycznych, w tym
rachunku prawdopodobieństwa, na lekcjach biologii
doskonale wpisuje się w kształtowanie u uczniów umiejętności myślenia matematycznego – jednej z najważniejszych umiejętności, w które powinna wyposażyć
uczniów szkoła na III i IV etapie edukacyjnym (Podstawa programowa, 2008).
Na umiejętność myślenia matematycznego składa
się szereg czynności, np. wykorzystanie narzędzi matematyki w życiu codziennym oraz formułowanie sądów
opartych na rozumowaniu matematycznym; stawianie
charakterystycznych dla matematyki pytań i wiedza, jakiego rodzaju odpowiedzi można oczekiwać; odróżnia-
Zagadnienie
Genetyka mendlowska
dr Ewa Oleńska: asystent w Zakładzie Genetyki i Ewolucjonizmu, Instytut Biologii Uniwersytetu w Białymstoku
dr Alina Stankiewicz: starszy wykładowca w Pracowni
Dydaktyki Biologii, Instytut Biologii Uniwersytetu w Białymstoku
Wymagania szczegółowe
Gimnazjum
Uczeń:
- przedstawia dziedziczenie cech
jednogenowych posługując się
podstawowymi pojęciami genetyki
(fenotyp, genotyp, gen, allel, homozygota, heterozygota, dominacja,
recesywność)
- wyjaśnia dziedziczenie grup krwi
człowieka (układ ABO, czynnik Rh)
- wyjaśnia dziedziczenie płci u człowieka i podaje przykłady cech sprzężonych z płcią (hemofilia, daltonizm)
nie rodzajów matematycznych zadań. Wykorzystanie
w nauczaniu biologii działań matematycznych sprzyja
pogłębieniu rozumowania przyrodniczego. Na rozumowanie matematyczne składają się takie czynności
jak: ocena ciągu argumentów przedstawionych przez
innych; wiedza, czym jest dowód matematyczny; odkrywanie podstawowych idei w danym rozumowaniu;
proponowanie formalnych i nieformalnych matematycznych argumentów (Niss, 1997).
W nauczaniu genetyki obok podstawowych działań
matematycznych szczególne znaczenie ma rachunek
prawdopodobieństwa. Pozwala on przewidzieć możliwości wystąpienia zdarzeń genetycznych i znajduje zastosowanie w wielu rodzajach obliczeń statystycznych.
Stosowanie rachunku prawdopodobieństwa w opracowywaniu zagadnień genetyki mendlowskiej sprzyja pogłębieniu rozumienia zasad dziedziczenia oraz
kształtowaniu u uczniów umiejętności rozumowania
i argumentacji, a szczególnie: objaśnianiu i komentowaniu informacji; wyjaśnianiu zależności przyczynowo-skutkowych, formułowaniu wniosków, dostrzeganiu
zależności między biologią a matematyką. Zagadnienia
Liceum – zakres rozszerzony
Uczeń:
- przedstawia i stosuje prawa Mendla
- zapisuje i analizuje krzyżówki jednogenowe i dwugenowe (z dominacją zupełną i niezupełną oraz allelami wielokrotnymi, posługując
się szachownicą Punnetta) oraz określa prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych genotypów i fenotypów w pokoleniach
potomnych
- przedstawia sposób dziedziczenia płci u człowieka, analizuje drzewo rodowe, w tym dotyczące występowania chorób genetycznych
człowieka
- podaje przykłady cech (nieciągłych) dziedziczących się zgodnie
z prawami Mendla
Tabela 1. Wymagania szczegółowe z genetyki na poziomie gimnazjum i liceum – zakres rozszerzony (Podstawa programowa
2008), w których stosuje się działania matematyczne
NAUKA
Matura 2012 – niezadowalające wyniki z genetyki
SZKOŁA
Metody obliczeniowe
w genetyce
44
KRÓTKO
Metody obliczeniowe w genetyce | Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
rozumienie zasad dziedziczenia było dla maturzystów
z 2012 r. trudniejsze niż dla zdających rok wcześniej.
Większość odpowiedzi osób zdających była niepełna,
np. brakowało zapisu krzyżówki genetycznej, zapisanych gamet, lub podkreślenia genotypu chorego dziecka (Centralna Komisja Egzaminacyjna, 2012).
Analiza wyników na poziomie rozszerzonym pokazuje znacznie lepsze przygotowanie maturzystów do
egzaminu na tym poziomie niż zdających na poziomie
podstawowym. Jednak umiejętność wyjaśniania związków przyczynowo-skutkowych okazała się trudna dla
maturzystów zdających egzamin na obu poziomach.
Maturzyści mieli problem z określeniem zależności
„przyczyna – skutek”, a najczęstszym błędem odpowiedzi był brak jednego z elementów tej zależności.
Trudnością okazało się rozwiązanie zadania z zakresu dziedziczenia cech u człowieka, określenie sposobu
dziedziczenia opisanej cechy (łatwość zadania: 0,42),
i określenia sposobu dziedziczenia opisanej cechy na
podstawie analizy przedstawionych danych (łatwość
zadania: 0,50).
SZKOŁA
nie jest niemożliwe, prawdopodobieństwo jego zaistnienia jest równe 0 (Łomnicki, 2007).
Informacje o przewidywaniu zdarzeń genetycznych
często pojawiają się w mediach, prasie. Mają one duże
znaczenie w diagnostyce medycznej i w planowaniu życia rodzinnego. Zdawałoby się, że zainteresowanie uczniów problemami genetyki i motywacja do uczenia się
tych zagadnień jest uzasadniona i duża. Jednak, jak wykazały badania, nauczanie genetyki wpłynęło ujemnie
na postawę uczniów względem uczenia się tych treści.
Przed rozpoczęciem cyklu lekcji poświęconych genetyce
49% uczniów wykazywało pozytywny stosunek wobec
nauki, a po ich zakończeniu tylko 29%. Nie stwierdzono dodatniej zależności między osiągnięciami uczniów
z genetyki a poziomem motywacji oraz między metodami nauczania genetyki a poziomem motywacji. Znaczy
to, że nauczanie genetyki w szkołach objętych badaniami nie wpłynęło pozytywnie na rozwój zainteresowań
tą dziedziną wiedzy (Sternicka, 1996, 1997).
Wyniki matur z 2012 r. dotyczące genetyki są niezadowalające. W arkuszu podstawowym egzaminu
maturalnego z biologii dwa zadania z genetyki wymagały zastosowania rachunku prawdopodobieństwa.
Oba zadania okazały się dla uczniów trudne. Jedno
z zadań wymagało zapisania krzyżówki genetycznej
i określenia prawdopodobieństwa wystąpienia danej cechy (łatwość zadania: 0,25), drugie zadanie wymagało
określenia sposobu dziedziczenia wskazanych chorób
genetycznych człowieka (łatwość zadania: 0,27). Zadania te sprawdzały rozumienie sposobu dziedziczenia
chorób genetycznych oraz umiejętność rozwiązywania
zadań z zakresu dziedziczenia cech u człowieka. Należało zapisać krzyżówkę genetyczną z zastosowaniem
szachownicy Punnetta i określić prawdopodobieństwo
wystąpienia danej cechy, zaś kolejne zadanie dotyczyło dziedziczenia grup krwi. Rozwiązanie krzyżówek
genetycznych sprawdzających w sposób praktyczny
Co jest przyczyną niezadowalających wyników
maturalnych z genetyki?
Niezadowalające wyniki maturalne z genetyki mogą
mieć swoje przyczyny w tym, że nie udaje się przystępnie powiązać zastosowania działań matematycznych
z rozumieniem przez uczniów zasad dziedziczenia,
czyli zastosować myślenie matematyczne w przewidywaniu zdarzeń genetycznych. Przełożenie matematyki
na zasady dziedziczenia nie jest proste i wymaga od
nauczyciela stałego doskonalenia się w tym zakresie.
Ważne jest również, by uczniowie przed rozpoczęciem
rozwiązywania krzyżówek genetycznych, na lekcjach
matematyki poznali lub przypomnieli sobie rachunek
prawdopodobieństwa. Wydaje się, że korzystna by-
KRÓTKO
z genetyki mendlowskiej, obok genetyki molekularnej,
występują zarówno na poziomie gimnazjum, jak i w liceum (Podstawa programowa, 2008).
Wymagania szczegółowe z genetyki, których spełnienie opiera się na wykonaniu działań matematycznych i zastosowaniu rachunku prawdopodobieństwa
przedstawiono w tabeli 1. Wymagania te stanowią jedyną podstawę oceniania na egzaminach zewnętrznych
(gimnazjalnym i maturalnym).
Rozwiązywanie zadań z genetyki z zastosowaniem
rachunku prawdopodobieństwa pozwala także na doskonalenie umiejętności posługiwania się terminologią
genetyczną (np. allel, homozygota, heterozygota, cechy
recesywne, cechy dominujące, fenotyp, genotyp), rozumienia zasad dziedziczenia, zapisu wytworzonych gamet, genotypów, określania fenotypów, analizowania
przyczyn i przewidywania skutków zdarzeń.
Uczniowie podczas rozwiązywania zadań z genetyki przekonują się, jak zastosowanie matematyki
wpływa na interpretację reguł dziedziczenia, jak narzędzia matematyczne ułatwiają wnioskowanie na temat
dziedziczenia. Działania matematyczne z rachunkiem
prawdopodobieństwa są niezbędne w wyjaśnianiu dziedziczenia cech przez pojedyncze osobniki, lecz także są
konieczne w wyjaśnianiu zasad genetyki populacyjnej,
zmian w puli genowej populacji. Możliwości określenia prawdopodobieństwa wystąpienia konkretnego
fenotypu ma szczególne znaczenie w odniesieniu do
ludzi, którzy posiadają niewielką liczbę potomstwa
(np. w przewidywaniu płci, wystąpienia chorób sprzężonych z płcią i innych chorób genetycznych, takich jak
np. mukowiscydoza). Do oceny prawdopodobieństwa
zajścia dowolnego zdarzenia używa się ułamków zwykłych (np. 3/4), dziesiętnych (0,75) lub procentów (75%).
Prawdopodobieństwo zdarzenia zawiera się pomiędzy
wartościami 0–1 lub 0–100%. Prawdopodobieństwo zaistnienia zdarzenia pewnego jest równe 1, jeśli zdarze-
NAUKA
45
46
Obliczenia genetyczne opierają się na czterech podstawowych zasadach matematycznych: dodawania,
mnożenia, permutacji oraz kombinacji (Elseth i Baumgardner, 1984).
Rozwiązanie:
Rozwiązanie:
• zdarzenie pierwsze (n1) – uzyskanie w potomstwie AA –
1 sposób;
• zdarzenie pierwsze (n1) – allel D segreguje tylko na
1 sposób (D);
• zdarzenie drugie (n2) – uzyskanie w potomstwie Aa – 1
sposób;
• zdarzenie drugie (n2) – allele E, e segreguje na 2 sposoby (albo E albo e);
• zdarzenie trzecie (n3) – uzyskanie w potomstwie aA – 1
sposób;
• zdarzenie trzecie (n3) – allel F segreguje tylko na 1 sposób (F);
Uzyskanie fenotypu dominującego A_, gdzie _ oznacza
dowolny allel tego genu, może wystąpić jako jedno z wykluczających się zdarzeń: AA lub Aa lub aA, gdzie każde
z nich zachodzi na 1 sposób. Zatem liczbę sposobów
uzyskania osobnika o fenotypie dominującym obliczamy
następująco:
• zdarzenie czwarte (n4) – allel g segreguje tylko na
1 sposób (g).
A_ = n1 + n2 + n3 = AA + Aa + aA = 1 + 1 + 1 = 3
Fenotyp dominujący z krzyżówki Aa × Aa można uzyskać
na 3 sposoby.
Dodawanie – zdarzenia wykluczające się
Mnożenie – zdarzenia niezależne
Zasada dodawania ma zastosowanie do obliczania
liczby sposobów zajścia zdarzeń wykluczających się,
czyli takich gdzie wynik pierwszego zdarzenia wyklucza wynik drugiego zdarzenia. Przykładem zdarzeń
wykluczających się jest jednoczesne występowanie allelu A oraz a w jednej gamecie wytwarzanej przez heterozygotę Aa. Według zasady dodawania, jeżeli zdarzenie
pierwsze zachodzi na n1 sposobów, natomiast zdarzenie
drugie na n2 sposoby i oba zdarzenia wzajemnie się wykluczają, wówczas albo zdarzenie pierwsze, albo zdarzenie drugie zachodzi na n1 + n2 sposoby.
Drugą zasadą stosowaną w obliczeniach genetycznych jest zasada mnożenia. Stosuje się ją przy obliczaniu liczby zdarzeń niezależnych, czyli takich, gdy wynik
jednego zdarzenia nie wpływa na wynik drugiego zdarzenia. Przykładem zdarzeń niezależnych jest urodzenie się pierwszego i drugiego dziecka jednakowej płci.
Urodzenie pierwszego dziecka, np. dziewczynki, nie
ma wpływu na płeć kolejnych dzieci. Jeżeli zdarzenie
pierwsze zachodzi na n1 sposobów, natomiast zdarzenie
drugie na n2 sposoby i zdarzenia te są niezależne, wówczas zdarzenie pierwsze i drugie zachodzi na n1 × n2
sposoby.
Każde z czterech zdarzeń zachodzi niezależnie, zatem
liczba rodzajów gamet wytwarzanych potencjalnie przez
tego osobnika wynosi n1 × n2 × n3 × n4 = 1 × 2 × 1 × 1 = 2.
NAUKA
Przykład 2. Ile rodzajów gamet może wytworzyć osobnik
o genotypie DDEeFFgg, przy założeniu, że wymienione
geny dziedziczą się niezależnie.
Permutacje
Trzecią zasadą stosowaną w genetyce jest zasada
permutacji. Zasada ta jest używana do obliczania liczby
sposobów, na które można uzyskać żądany wynik, jeżeli wszystkie obiekty są rozróżnialne. Liczbę permutacji
w próbie oblicza się na podstawie wzoru:
N! = N × (N – 1) × (N – 2) × (N – 3) × ... × 1,
SZKOŁA
Zasady matematyczne w obliczeniach
genetycznych
Przykład 1. Na ile sposobów można uzyskać osobnika o fenotypie dominującym, przy założeniu dominacji zupełnej
(Pisum sp.) z krzyżówki Aa × Aa?
(1)
gdzie: N – suma obiektów w próbie.
Przykład 3. W kolbie hodowlanej znajduje się 5 samców
(♂) muszki owocowej fenotypowo identycznych, lecz genetycznie różnych (♂1 – ♂5). Oblicz na ile sposobów można
wylosować owady z kolby.
Rozwiązanie:
Pierwszy sposób rozwiązania:
5! = 5 × (5 – 1) × (5 – 2) × (5 – 3) × (5 – 4) = 5 × 4 × 3 × 2 × 1
= 120
KRÓTKO
łaby także korelacja czasowa między tematami lekcji
z matematyki a tematami lekcji z genetyki. Właściwe
uprzystępnienie uczniom zastosowania działań matematycznych i rachunku prawdopodobieństwa w rozwiązywaniu krzyżówek genetycznych z pewnością
przyczyni się do podwyższenia jakości i efektywności
nauczania genetyki.
Celem pracy jest przedstawienie nauczycielom zasad matematycznych niezbędnych przy rozwiązywaniu
zadań genetycznych, stosowanych jako częsty sposób
ewaluacji stanu wiedzy i umiejętności uczniów szkół
gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych.
47
• zdarzenie trzecie (n3) – jako trzeciego osobnika można
wylosować albo ♂3 albo ♂4 albo ♂5, czyli zdarzenie zachodzi na trzy sposoby. Jako trzeciego osobnika wylosowano na przykład ♂3;
• zdarzenie czwarte (n4) – jako czwartego osobnika można wylosować albo ♂4 albo ♂5, zatem zdarzenie zachodzi na dwa sposoby. Na przykład, jako czwartego osobnika wylosowano ♂4;
• zdarzenie piąte (n5) – jako piątego osobnika losujemy
samca, który pozostał w kolbie, czyli ♂5, zatem zdarzenie piąte zachodzi na jeden sposób.
Ponieważ każde z pięciu zdarzeń jest zdarzeniem niezależnym, co należy rozumieć, że po wylosowaniu jako
pierwszego osobnika ♂1 jako drugiego osobnika można
wylosować dowolnego samca z pozostałych czterech
(♂2 – ♂5), stosuje się zasadę mnożenia i osobniki można
wylosować na n1 × n2 × n3 × n4 × n5 = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 =
120 sposobów.
6!
120
C(3♂ i 3♀) = ––– = ––– = 20 sposobów
3!3!
6
Zastosowanie zasad
Omówione zasady są stosowane do obliczania prawdopodobieństw zdarzeń. Prawdopodobieństwo sukcesu
(p), czyli oczekiwanego wyniku zdarzenia jest proporcją liczby sukcesów do sumy wszystkich możliwych wyników (Jadwiszczak, 2010).
p = (liczba sukcesów) : (suma wszystkich wyników)
(3)
Zasada mnożenia jest stosowana przy obliczaniu
prawdopodobieństwa zdarzeń, które są niezależne.
Prawdopodobieństwo zdarzeń niezależnych jest prawdopodobieństwem iloczynu zdarzeń. Jeżeli zdarzenie
pierwsze (E1) zachodzi na n1 sposobów, a zdarzenie drugie (E2) na n2 sposoby i oba zdarzenia są niezależne, to
prawdopodobieństwo, że wystąpią razem, jest iloczynem ich indywidualnych prawdopodobieństw (Watała,
2002).
p(E1 i E 2) = p(E1) × p(E2)(4)
Kombinacje
Zasada kombinacji ma zastosowanie do obliczania
liczby sposobów, na które można uzyskać wynik, gdy
obiekty są podzielone na dwie odrębne grupy. Kombinacje obliczamy ze wzoru:
N!
C = –––
, gdzie
1 2
x !x !
C – liczba kombinacji, N – suma obiektów,
x1 – liczba obiektów jednej grupy,
x2 – liczba obiektów drugiej grupy.
(2)
Przykład 5. Oblicz prawdopodobieństwo wytworzenia gamety AB przez osobnika o genotypie AaBB, przy założeniu,
że oba geny dziedziczą się niezależnie.
Rozwiązanie:
W gamecie para alleli A, a może wystąpić na 2 sposoby,
natomiast allel B na 1 sposób. Oba geny dziedziczą się
niezależnie. A zatem prawdopodobieństwo, że osobnik
o danym genotypie wytworzy gametę AB jest iloczynem
prawdopodobieństwa wytworzenia gamety z allelem
p(AB) = p(A) × p(B) = ½ × 1 = ½
Zasada dodawania jest stosowana do obliczania prawdopodobieństwa zdarzeń, które się wzajemnie wykluczają.
Gdy zdarzenie pierwsze (E1) zachodzi na n1 sposobów,
a zdarzenie drugie (E2) zachodzi na n2 sposoby i oba zdarzenia wzajemnie się wykluczają, wówczas prawdopodobieństwo albo zdarzenia pierwszego albo drugiego jest
sumą ich indywidualnych prawdopodobieństw, i jest nazywane prawdopodobieństwem sumy zdarzeń.
p(E1 lub E2) = p(E1) + p(E2)(5)
Przykład 6. Galaktozemia jest chorobą autosomalną recesywną. Oblicz prawdopodobieństwo, że pierwsze dziecko
urodzone w małżeństwie dwóch heterozygotycznych osób
będzie albo zdrową dziewczynką, albo chorym chłopcem.
NAUKA
• zdarzenie drugie (n2) – drugiego osobnika można losować już tylko z czterech możliwości: ♂2 albo ♂3 albo ♂4
albo ♂5, czyli zdarzenie drugie zachodzi na cztery sposoby. Na przykład jako drugiego osobnika wylosowano
♂2;
Rozwiązanie:
A oraz prawdopodobieństwa wytworzenia gamety z allelem B. Wobec tego, że prawdopodobieństwo powstania gamety z allelem A, czyli p(A) wynosi ½ (zgodnie ze
wzorem (3) 1 sukces do 2 możliwych wyników – albo allel
A albo allel a będzie w gamecie), natomiast prawdopodobieństwo powstania gamety z allelem B, czyli p(B) wynosi
1 (1 sukces do 1 możliwego wyniku), prawdopodobieństwo, że oba zdarzenia wystąpią razem obliczamy zgodnie ze wzorem (4) w następujący sposób:
SZKOŁA
• zdarzenie pierwsze (n1) – jako pierwszego osobnika
można wylosować ♂1 albo ♂2 albo ♂3 albo ♂4 albo ♂5,
czyli zgodnie z zasadą dodawania zdarzenie pierwsze
zachodzi na pięć sposobów. Na przykład jako pierwszego osobnika wylosowano ♂1;
Przykład 4. Na ile sposobów można uzyskać 3 samce i 3 samice muszki owocowej?
Rozwiązanie:
Galaktozemia jest determinowana allelem resesywnym
autosomalnym g, natomiast brak choroby allelem dominującym G. W potomstwie dwóch heterozygot: Gg × Gg
dzieci zdrowe do chorych urodzą się w proporcji 3:1.
Zdarzenie urodzenia się dziecka jako zdrowej dziewczynki wyklucza, że dziecko jednocześnie będzie chorym
chłopcem. A zatem prawdopodobieństwo urodzenia
dziecka, które będzie albo zdrową dziewczynką, albo
chorym chłopcem obliczamy jako sumę indywidualnych
prawdopodobieństw obu zdarzeń.
p(G_♀ lub gg♂) = p(G_♀) + p(gg♂) = (¾×½) + (¼×½)
= ⅜ + 1/8 = 4/8 = ½
KRÓTKO
Drugi sposób rozwiązania:
48
(6)
Przykład 8. Mukowiscydoza jest chorobą autosomalną recesywną. Heterozygotyczni rodzice planują założenie rodziny. Oblicz:
a) liczbę możliwych typów gamet wytwarzanych przez
ojca dzieci;
N – suma obiektów
x1 – liczba sukcesów
Ryc. 1. Schemat trójkąta Pascala rozpisanego do rzędu
liczącego 4 osobniki w próbie
p – prawdopodobieństwo sukcesu
q – prawdopodobieństwo porażki; p + q=1
Druga metoda, stosowana do obliczania prawdopodobieństwa wyłącznie zdarzeń dwumianowych zachodzących z prawdopodobieństwem ½, opiera się na konstrukcji trójkąta Pascala, co obrazuje rycina 1. Wykorzystanie
obu metod zostanie omówione na przykładzie siódmym.
Przykład 7. Oblicz prawdopodobieństwo otrzymania
dwóch samców (♂) i dwóch samic (♀) muszki owocowej
przy liczebności potomstwa cztery.
c)prawdopodobieństwo urodzenia 1 dziewczynki
i 2 chłopców, przy założeniu, że chłopcy nie różnią się
między sobą;
d)prawdopodobieństwo, że pierwszym dzieckiem będzie chłopiec, drugim dziewczynka, a trzecim chłopiec;
e)prawdopodobieństwo, że pierwsze dziecko będzie
chore;
f) prawdopodobieństwo urodzenia chorego chłopca;
g) prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego chorego chłopca, drugiego dziecka – zdrowej dziewczynki,
zaś trzeciego dziecka – zdrowego chłopca;
Rozwiązanie:
a) metoda pierwsza
NAUKA
b)na ile sposobów można uzyskać 1 dziewczynkę
i 2 chłopców, przy założeniu że chłopcy nie różnią się
między sobą;
x2 – liczba porażek; x1 + x2 = N
Ryc. 2. Schemat metody obliczania liczby sposobów
uzyskania zdarzenia: 1 dziewczynka i 2 chłopców przy
zastosowaniu trójkąta Pascala.
h)prawdopodobieństwo urodzenia trójki zdrowych
dzieci;
• zdarzenie drugie n2 = 1 sposób (w gamecie znajduje się
allel a)
b) metoda druga oparta na trójkącie Pascala (ryc. 1)
i) prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego dziecka
jako zdrowej dziewczynki lub zdrowego chłopca.
Prawdopodobieństwo uzyskania grupy złożonej z 2 samców i 2 samic oblicza się korzystając ze wzoru (3):
Rozwiązanie:
Obecność w gamecie allelu A wyklucza obecność allelu
a w tej samej gamecie (I prawo Mendla), zatem liczbę sposobów zdarzeń wykluczających się obliczamy korzystając
z zasady dodawania i uzyskujemy wynik:
4!
p(2♂ i 2♀) = ––– (½)2 (½)2 = 6 × ¼ × ¼ = 6/16 = 3/8
2!2!
Oznaczenie alleli: A – brak choroby, a – mukowiscydoza.
p(2♂ i 2♀) = 6/16 = 3/8
Krzyżówka:
Zawarte w pracy przykłady stosowania podstawowych
zasad matematycznych mogą ułatwić nauczycielom wyjaśnianie trudnych zagadnień z zakresu rachunku prawdopodobieństwa i przyczynić się do rozwoju wiedzy
P: Aa×Aa
a) Postępujemy zgodnie z zasadą dodawania:
• zdarzenie pierwsze n1 = 1 sposób (w gamecie znajduje
się allel A)
n1 + n2 = 1 + 1 = 2
b) Postępujemy zgodnie ze wzorem (2) lub korzystamy
z trójkąta Pascala (ryc. 2):
3!
C(1♀ i 2♂) = ––– = 3
1!2!
SZKOŁA
N! x1 x2
p(x1, x2) = –––
p q , gdzie
x1!x2!
genetycznej uczniów, popartej umiejętnością rozwiązywania zadań genetycznych. Przykład ósmy zawiera omówione w pracy zasady matematyczne, które nauczyciel
dowolnie może wykorzystać w obliczeniach genetycznych.
KRÓTKO
W celu obliczenia prawdopodobieństwa zdarzeń wśród
N obiektów należących do dwóch wyraźnie wyodrębnionych grup (prawdopodobieństwo zdarzeń dwumianowych), stosuje się zasadę kombinacji. Prawdopodobieństwo zdarzenia złożonego z x1 sukcesów i x2 porażek,
można obliczyć dwiema metodami. Jedna z metod opiera się na zastosowaniu wzoru (6), który zawiera wzór (2):
49
g) Urodzenie pierwszego chorego chłopca nie wpływa
na urodzenie drugiego dziecka jako zdrowej dziewczynki ani trzeciego dziecka jako zdrowego chłopca,
zatem obliczenie prawdopodobieństwa tego zdarzenia jest iloczynem indywidualnych prawdopodobieństw poszczególnych zdarzeń;
• prawdopodobieństwo urodzenia zdrowego dziecka
1 1 1 3
p(A_) = p(AA) + p(Aa) + p(aA) = – + – + – = –
4 4 4 4
• prawdopodobieństwo urodzenia chorego dziecka
Ryc. 3. Schemat metody obliczania prawdopodobieństwa
zdarzenia: 1 dziewczynka i 2 chłopców przy zastosowaniu
trójkąta Pascala.
1
p(aa) = –
4
• prawdopodobieństwo urodzenia chłopca p(♂) = ½
Rozwiązywanie zadań z genetyki przypomina rozwiązywanie łamigłówek. Aby rozwiązywanie zadań
nie sprawiało uczniom trudności i było przyjemne, powinno się przestrzegać określonego postępowania oraz
poprawnie stosować zasady matematyczne. Znajomość
zasady mnożenia jest niezbędna do oceny prawdopodobieństwa zaistnienia zdarzeń niezależnych, natomiast
zasady dodawania w celu szacowania prawdopodobieństwa zaistnienia zdarzeń, które się wykluczają. Zasada
permutacji oraz kombinacji jest przydatna przy obliczaniu prawdopodobieństwa zdarzeń zachodzących wśród
obiektów podzielonych na dwie grupy. Znajomość zasad
matematycznych oraz umiejętność ich prawidłowego
zastosowania może również przyczynić się do głębszego
zrozumienia przez uczniów procesów i praw biologicznych takich jak: mejoza, losowa segregacja chromosomów, losowe łączenie gamet czy I i II prawo Mendla.
• prawdopodobieństwo urodzenia dziewczynki (♀) = ½
d)Urodzenie pierwszego dziecka jako chłopca nie ma
wpływu na płeć drugiego i trzeciego dziecka, zatem
są to zdarzenia niezależne i korzystamy z zasady mnożenia.
1 1 1 1
p(♂,♀,♂) = p(♂) × p(♀) × p(♂) = – × – × – = –
2 2 2 8
1 1 3 1 3 1
9
p(aa♂ × A_♀ × A_♂) = – × – × – × – × – × – = ––
4 2 4 2 4 2 512
Literatura
h) W zadaniu nie ma informacji co do płci dzieci. Prawdopodobieństwo urodzenia trójki zdrowych dzieci oblicza się z na podstawie prawdopodobieństwa zdarzeń
niezależnych:
e) Prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego chorego dziecka, czyli osobnika o genotypie aa z krzyżówki
Aa×Aa obliczamy na podstawie wzoru (4), ponieważ
allel a pochodzący od ojca znajduje się w zygocie niezależnie od allelu a z gamety pochodzącej od matki:
3 3 3 27
p(A_, A_, A_ ) = – × – × – = ––
4 4 4 64
Elseth GD, Baumgardner KD (1984). Genetics. Addison-Wesley Publishing Company.
Jadwiszczak P (2010). Zrozumieć statystykę. Szczecin: Wyd. My Book.
Łomnicki A (2007). Wprowadzenie do statystyki dla przyrodników.
Warszawa: Wyd. Naukowe PWN,.
Niss M (1997). Matematyczne kompetencje. Dostępne na: www.
ap.krakow.pl/kdm/MNiss
Osiągnięcia maturzystów w 2012 roku. Sprawozdanie z egzaminu
maturalnego z 2012 roku. Centralna Komisja Egzaminacyjna. Dostępne na: www.cke.edu.pl.
Podstawa programowa kształcenia ogólnego. Rozporządzenie MEN
z dnia 23 grudnia 2008 r.
Sternicka A (1997). Czy genetyka może być dla uczniów ciekawsza
i łatwiejsza? Biologia w Szkole. 5:286-292.
Sternicka A (1996). Postawy uczniów wobec genetyki. Biologia
w Szkole. 4:198-204.
Watała C (2002) Biostatystyka – wykorzystanie metod statystycznych
w pracy badawczej w naukach biomedycznych. Bielsko-Biała:
Wyd. α-medica press.
1
1
1
p(aa) = p(a) × p(a) = – × – = –
2
4
2
f)Prawdopodobieństwo urodzenia chorego chłopca
składa się z dwóch zdarzeń: urodzenia się chorego
dziecka oraz urodzenia chłopca. Oba zdarzenia są nie-
i) Prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego dziecka
jako zdrowej dziewczynki wyklucza, że to samo dziecko będzie zdrowym chłopcem, zatem korzystamy ze
wzoru prawdopodobieństwa sumy zdarzeń (5).
3 1
3 1
6 3
p(A_♀, A_♂) = ( – × – ) + ( – × – ) = – = –
4 2
4 2
8 4
NAUKA
1 1 1
p(aa♂) = – × – = –
4 2 8
Podsumowanie
SZKOŁA
3!
1
1
1
1
3
p(1♀ i 2♂) = ––– × ( – )1 × ( – )2 = 3 × – × – = –
1!2!
2
2
2
4
8
zależne, zatem korzystamy z prawdopodobieństwa
iloczynu zdarzeń.
KRÓTKO
c) Postępujemy zgodnie ze wzorem (6) lub korzystamy
z trójkąta Pascala (ryc. 3):
50
Calculation methods in genetics
KRÓTKO
Key words: genetic exercise, addition rule, multiplication rule,
permutation formula, combination rule, addition probability, multiplication probability, binomial probability, Pascal’s
triangle
SZKOŁA
This work, dedicated to biology teachers of high and
secondary schools, presents the basic mathematic calculation rules applied in solving the solutions of genetic
exercises which are the common evaluation measure of
students’ knowledge and skills. The knowledge according
to addition and multiplication rules, permutation formula and combination rule is applied in calculating of addition, multiplication and binomial probabilities, the calculating of which is crucial in determining the chances of
production of specific gametes or genotypes which often
is difficult for students. Moreover, present work includes
proposal exercise based on presented in work mathematic
ruler with the answers attached..
NAUKA
Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz
Streszczenie:
Artykuł przedstawia wyniki pomiaru osiągnięć przyrodniczych uczniów klasy trzeciej szkoły podstawowej na tle
wyników uczniów z 49 innych krajów, a także prawdopodobne powody względnie niskiej pozycji polskich uczniów w tym pomiarze.
Słowa kluczowe: TIMSS, PIRLS, międzynarodowe badania osiągnięć szkolnych, osiągnięcia przyrodnicze, edukacja
początkowa
”
Wyniki
prof. Krzysztof Konarzewski: profesor pedagogiki i ekspert oświatowy. Pracuje w Instytucie Badań Edukacyjnych
w Warszawie i Wszechnicy Świętokrzyskiej w Kielcach.
1. Test TIMSS mierzył zasoby wiedzy przyrodniczej
o życiu, Ziemi i materii nieożywionej, uznane przez
ekspertów za niezbędne do kontynuowania edukacji
przyrodniczej w następnych latach. Na wiedzę o życiu
(biologię) złożyło się sześć zagadnień:
• organizmy ludzi, zwierząt i roślin – cechy odróżniające je od rzeczy nieożywionych, główne układy
i ich funkcje;
• rozmnażanie, dziedziczenie, cykle życiowe roślin
i zwierząt;
• cechy fizyczne, zachowanie i przystosowanie organizmów do życia w różnych środowiskach;
• stosunki w środowiskach naturalnych, np. zależności między organizmami w lesie, sadzawce, na
pustyni, proste łańcuchy pokarmowe;
• zmiany w środowisku spowodowane działalnością
człowieka, np. zanieczyszczenie środowiska i sposoby zapobiegania mu;
• zdrowie człowieka, np. symptomy zdrowia i choroby, przenoszenie chorób, zapobieganie chorobom, dieta, ruch.
Wiedza o Ziemi (geografia) obejmowała sześć zagadnień:
• woda na Ziemi (umiejscowienie, rodzaje wód,
obieg) i powietrze (dowód na istnienie powietrza,
skład, wykorzystanie w codziennym życiu);
• ukształtowanie powierzchni Ziemi (góry, równiny, pustynie, rzeki) i związki z życiem człowieka
(np. rolnictwem – nawadnianie, rozwój terenów
zielonych);
• warunki pogodowe w różnych porach roku;
• skamieniałości zwierząt i roślin (wiek, lokalizacja,
powstawanie);
• Układ Słoneczny (Słońce, planety, Księżyc);
• dzień i noc, związek cienia z obrotem Ziemi.
Wiedza o materii nieożywionej (fizyka) obejmowała
osiem zagadnień:
• stany skupienia materii (ciała stałe, płyny i gazy)
i ich własności (kształt, objętość), w tym zmiany
stanu pod wpływem ogrzewania i ochładzania;
NAUKA
w perspektywie międzynarodowej
W maju 2011 r. zespół badaczy powołany przez Centralną Komisję Egzaminacyjną przeprowadził pomiar
osiągnięć matematycznych i przyrodniczych ponad 5
tys. uczniów z losowo wybranych 257 oddziałów klasy
trzeciej w 150 szkołach podstawowych. W odrębnej sesji ci sami uczniowie wykonali ponadto test rozumienia pisanego tekstu. Pomiary odbyły się w ramach badań TIMSS (Trends in International Mathematics and
Science Study) i PIRLS (Progress in International Reading Literacy Study), które zorganizowało Międzynarodowe Towarzystwo Mierzenia Osiągnięć Szkolnych
(IEA – International Association for the Evaluation
of Educational Achievement) w 50 krajach
Nasi uczniowie
(Martin, Mullis, Foy
mogliby wypaść
i Stanco, 2012). Średni
lepiej, gdyby nie
wiek testowanych dzieokrojony program
ci wahał się od 9,7 (we
i anachroniczna
Włoszech i Norwegii)
do 11,2 lat (w Jemenie),
metodyka
a liczba lat nauki szkolkształcenia
nej – od 3 (w Polsce) do
przyrodniczego
6 lat (w Holandii i Irlandii Północnej). Badania
dają podstawę do oceny efektywności polskiej edukacji
początkowej (Konarzewski, 2012). Poniżej przedstawiam najważniejsze wyniki i wnioski odnoszące się do
osiągnięć przyrodniczych ostatniego rocznika dzieci
kształconych według podstawy programowej ministra
Mirosława Handke.
SZKOŁA
Osiągnięcia przyrodnicze
trzecioklasistów
51
KRÓTKO
Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów | Krzysztof Konarzewski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Rumunii, Hiszpanii, Nowej Zelandii i Kazachstanu –
nie różniły się istotnie od średniej międzynarodowej.
W rankingu osiągnięć przyrodniczych dzieci z Polski
zajęły 29. miejsce (ex aequo z Rumunią i Hiszpanią).
Warto dodać, że w rankingu osiągnięć matematycznych
wypadły wyraźnie gorzej (34. miejsce), a w rozumieniu
pisanego tekstu – odrobinę lepiej (28. miejsce).
3. Polscy uczniowie należeli do najmłodszych (9,9
lat) i najkrócej kształconych (3 lata) w szkole. Czterdzieści trzy, a właściwie 42 kraje, bo wyniki Jemenu odstawały tak bardzo od pozostałych, że musiały być usunięte z analizy, testowały czwartoklasistów. Dzieci te były
w różnym wieku, zależnie od momentu rozpoczynania
nauki. Jak pokazuje ryc. 2, dziesięcioletni trzecioklasiści z Polski uzyskali wynik typowy dla czwartoklasistów starszych o pół roku.
4. Cztery wartości progowe ustalone na skali międzynarodowej pozwoliły podzielić wyniki na pięć prze-
Ryc. 2. Średnie osiągnięć przyrodniczych w Polsce i 42
krajach testujących czwartoklasistów
Obliczenia własne na podstawie: Martin i wsp. (2012)
działów. Do ich nazwania wykorzystuję naszą skalę
ocen szkolnych od „jedynki” do „piątki”. Pod względem odsetka piątek listę otwiera Singapur (piątki zdo-
KRÓTKO
SZKOŁA
• klasyfikowanie przedmiotów na podstawie cech
fizycznych, np. ciężaru, objętości, przyciągania
magnetycznego;
• tworzenie i rozdzielanie mieszanin;
• typowe przemiany ciał, np. gnicie, spalanie, rdzewienie, gotowanie;
• typowe źródła energii i ich wykorzystanie w praktyce – ciepło słoneczne, elektryczność, ruch wody
lub wiatru;
• światło – źródła, zachowanie się;
• obwody elektryczne, właściwości magnesu;
• siły poruszające ciała – grawitacja, popychanie
i ciągnięcie.
2. W międzynarodowej skali osiągnięć przyrodniczych o średniej 500 i odchyleniu standardowym 100
polscy uczniowie uzyskali 505 punktów z odchyleniem
standardowym 78 (ryc. 1). Osiągnięcia małych Polaków – podobnie jak uczniów z czterech innych krajów:
NAUKA
52
Ryc. 1. Średnie osiągnięć przyrodniczych w 50 krajach
Źródło: Martin i wsp. (2012)
53
Źródło: Martin i in. (2012)
fikacje metodyczne. Na świecie za „bardzo pewnych”
w nauczaniu przyrodoznawstwa uznało się 59% nauczycieli, w Polsce – 78%.
8. Według nauczycieli postawę nauczania o przyrodzie stanowią u nas podręcznik, zeszyt ćwiczeń i karty pracy. W klasie trzeciej na lekcjach poświęconych
środowisku znacznie rzadziej niż na świecie stosuje się
demonstracje i doświadczenia (tak uczy się u nas 12%
dzieci, podczas gdy na świecie 36%) oraz aplikacje komputerowe (3% i 11%, odpowiednio). W ankiecie pytano
nauczycieli, jak często proszą swoich uczniów, by obserwowali i opisywali zjawiska naturalne (np. pogodę
lub wzrost rośliny), przyglądali się doświadczeniom
wykonywanym przez nauczyciela, obmyślali, planowali
i przeprowadzali własne doświadczenia, formułowali
wyjaśnienia zaobserwowanych zjawisk, a także by odnosili to, czego się nauczyli na lekcji, do codziennego
życia. Według nauczycieli takie działania przynajmniej
w połowie lekcji przyrody podejmuje na świecie średnio
40% uczniów. W Polsce znacznie mniej – 11%.
9. Uczniowska samoocena wiedzy przyrodniczej
okazała się wysoka – pod tym względem mali Polacy
zajęli 24. miejsce, wyprzedzając m.in. rówieśników
z siedmiu krajów będących w pierwszej dziesiątce pod
względem osiągnięć przyrodniczych (np. z Korei Południowej, Finlandii i Czech). Większość polskich
uczniów (57%) oświadczyła, że bardzo lubi uczyć się
o środowisku, co daje nam 17. miejsce wśród 50 krajów.
Że nie jest to grzecznościowa deklaracja, przekonuje
porównanie z analogicznym oświadczeniem w sprawie
czytania – bardzo lubi czytać tylko 24% naszych uczniów, co sytuuje ich, wraz ze słowackimi, na dalekim
33. miejscu.
Wnioski
Główny wniosek z polskiej części badania TIMSS
2011 brzmi: Nasi uczniowie wypadli nadspodziewanie
dobrze, jak na to, czego i jak uczymy ich o przyrodzie
w okresie edukacji początkowej. Mogliby wypaść lepiej,
gdyby nie okrojony program i anachroniczna metodyka
kształcenia przyrodniczego.
Przyroda nigdy nie była bohaterką polskiej edukacji początkowej. W podstawie programowej („sta-
SZKOŁA
Ryc. 3. Rozkład procentowy osiągnięć przyrodniczych w 4 krajach
KRÓTKO
było tam 33% uczniów), a zamyka Jemen (0%). Polska,
z 5-procentową grupą prymusów, awansuje z 29. na
26. miejsce, ale ciągle nam daleko do krajów pokrewnych historycznie i kulturowo, np. Czech, Słowacji czy
Węgier. Rycina 3 pokazuje, że uczniów z najsłabszymi
i słabymi wynikami mamy więcej niż uczniów z najmocniejszymi i mocnymi, podczas gdy na Węgrzech
pierwszych jest ponad dwukrotnie mniej niż drugich.
5. W populacji międzynarodowej osiągnięcia przyrodnicze dziewczynek i chłopców praktycznie nie różniły się od siebie (średnie: 487 i 485, odpowiednio).
W 23 krajach różnica ta jest nieistotna (m.in. w Rosji,
na Litwie i Węgrzech, w Rumunii i Serbii). W 16 krajach
notuje się istotne, choć niewielkie różnice na korzyść
chłopców – największe w Czechach, Austrii, Niemczech, Holandii, Belgii, a także w Stanach Zjednoczonych Ameryki i Chile. W tej grupie znajduje się też Polska, choć u nas przewaga chłopców nad dziewczynkami
jest relatywnie mała, zaledwie sześciopunktowa. W 11
krajach to dziewczynki przewyższają chłopców w przyrodoznawstwie, z tego w ośmiu znacznie. Są to: Zjednoczone Emiraty Arabskie, Bahrajn, Tunezja, Katar,
Jemen, Oman, Arabia Saudyjska i Kuwejt.
6. Z trzech dziedzin wiedzy polscy uczniowie
względnie najlepiej opanowali zagadnienia biologiczne
(pod tym względem przesunęli się na 27. miejsce), najgorzej natomiast fizyczne (tu spadli na 30.). Test TIMSS
odrębnie mierzył poziom wykonania zadań typowych
i problemowych. Mali Polacy wypadli wyraźnie gorzej
w zastosowaniach problemowych (33. miejsce) niż w typowych (24. miejsce).
7. W polskiej szkole panuje przekonanie, że w nauczaniu przyrodoznawstwa jesteśmy potęgą. Nauczyciele badanych oddziałów wysoko ocenili własne
kompetencje przyrodnicze – pod tym względem wyprzedzili ich jedynie nauczyciele z Rumunii, Kuwejtu
i Arabii Saudyjskiej. Wysoko ocenili też swoje kwali-
NAUKA
54
daniu TIMSS. Na przeszkodzie stanie zapewne ostre
przejście od luźnej, „zintegrowanej” edukacji początkowej do sztywnego nauczania przedmiotowego. Takie
przejście zrywa ciągłość kształcenia, co musi utrudnić
dzieciom wykorzystywanie wiedzy zdobytej w klasach
początkowych. Deklarowane przez uczniów zainteresowanie przyrodą jak było, tak zapewne i będzie marnowane w polskich szkołach podstawowych.
Konarzewski K (2012). TIMSS i PIRLS 2011. Osiągnięcia szkolne
polskich trzecioklasistów w perspektywie międzynarodowej.
Warszawa: CKE.
Minner DD, Levy AJ i Century J (2009). Inquiry-based science instruction – What is it and does it matter? Results from a research
synthesis years 1984 to 2002. Journal of Research in Science
Teaching, 47(4), 474–496.
Martin MO, Mullis IVS, Foy P i Stanco GM (2012). TIMSS 2011 international results in science. Chestnut Hill: Lynch School of
Education, Boston College.
NAUKA
Literatura
SZKOŁA
Ubóstwo treści przyrodniczych i nieangażującą metodykę po części tłumaczy niska klasa, w której byli nasi
uczniowie. W pozostałych krajach badani uczniowie
byli w czwartej, piątej, a nawet szóstej klasie. Wykonanie powszechnie kontestowanej ustawy o objęciu dzieci
sześcioletnich obowiązkiem szkolnym daje nadzieję na
podniesienie osiągnięć przyrodniczych polskich dziesięciolatków – skoro bowiem dziś sporo umieją, choć
były nauczane marnie i tylko przez trzy lata, to nauczane dobrze przez całe cztery lata powinny umieć znacznie więcej. Niestety, samo obniżenie wieku rozpoczynania nauki nie wywoła przełomu.
Nową podstawę programową dla klas początkowych
nieco poszerzono – dzięki czemu pokrywa już połowę
zagadnień sprawdzanych w testach TIMSS – a także
wzbogacono o zalecenie, by uczniowie obserwowali
i prowadzi proste doświadczenia przyrodnicze i odwiedzali ogród botaniczny lub gospodarstwo rolne. Nie
zmierzono się jednak z problemem kwalifikacji nauczycieli. Od czasu wprowadzenia w latach 70. XX w. odrębnej specjalności nauczycielskiej nazwanej nauczaniem
początkowym, przyszli nauczyciele studiują filozofię
i socjologię edukacji, psychologię rozwoju, komunikację interpersonalną, diagnostykę zaburzeń uczenia się
itp., ale z przyrodoznawstwem stykają się jedynie na
krótkim i uproszczonym kursie „edukacji przyrodniczej”, z reguły niekończącym się egzaminem (na Uniwersytecie Warszawskim trwa on 30 godzin i kończy
się zaliczeniem na ocenę). W tym świetle wysoka samoocena naszych nauczycieli jawi się jako świadectwo niezrozumienia współczesnego przyrodoznawstwa i metodycznego tradycjonalizmu.
W klasie czwartej przyroda jest odrębnym przedmiotem nauczanym przez lepiej przygotowanych nauczycieli. Trudno jednak mieć nadzieję, że w ciągu
jednego roku uda się efektywnie zapoznać czwartoklasistów z drugą połową zagadnień testowanych w ba-
International assessment of elementary school students’
science achievement
The paper presents elementary school third graders’ science achievement assessed against an international background, and offers some reasons for relatively low position of the Polish students in the world rankings.
Key words: TIMSS, PIRLS, international measurement of scholastic achievement, science achievement, elementary education
KRÓTKO
rej”, z 2002 r., bo ta obowiązywała uczniów badanych
w 2011 r.) odwołania do przyrodoznawstwa są nadzwyczaj skąpe. Wśród pięciu celów edukacji początkowej
znajdziemy „rozbudzanie potrzeby kontaktu z przyrodą”, co z przyrodoznawstwem ma niewiele wspólnego,
bo trąci romantyzmem – więcej w tym Mickiewicza
niż braci Śniadeckich. W spisie zadań szkoły mamy
„uczenie właściwych zachowań w stosunku do zwierząt
i otaczającej przyrody” – tu też przyroda występuje jako
człon relacji ze światem człowieka, a nie jako autonomiczny przedmiot obserwacji „szkiełkiem i okiem”. Na
55 jednostek treści nauczania do przyrody odwołuje się
siedem. Najbliższe duchowi przyrodoznawstwa brzmi:
„obserwowanie zjawisk i procesów przyrodniczych dostępnych doświadczeniu dziecka i mówienie o nich”.
Dlaczego „mówienie”, a nie „wyjaśnianie”? Zapewne
dlatego, by powstrzymać inwazję teorii naukowych
w wykoncypowany w romantyczno-mieszczańskim
duchu świat dzieciństwa.
O okrojeniu naszych programów kształcenia przyrodniczego najlepiej świadczy fakt, że znalazło się
w nich tylko 2/5 zagadnień przyrodniczych objętych testem TIMSS. Najmniej wiadomości dostawały polskie
dzieci o materii nieożywionej. Ponieważ mało ich też
w życiu codziennym, trudno się dziwić, że w tej dziedzinie wypadły względnie najgorzej.
Względnie niską pozycję naszych uczniów w zadaniach problemowych najprościej tłumaczy dominująca, oparta na słowie i obrazku metodyka kształcenia
przyrodniczego. Najnowsza metaanaliza 138 doniesień
badawczych poświęconych nauczaniu opartemu na badaniu wykazuje, że sprzyja ono zapamiętywaniu i rozumieniu treści przyrodniczych. Szczególnie korzystna
dla zrozumienia przyrody jest aktywność umysłowa
dzieci podczas prowadzenia własnych doświadczeń
i nacisk na wyciąganie wniosków z danych (Minner,
Levy i Century, 2009).
Marcin Zaród
Streszczenie:
Artykuł przedstawia uwagi metodyczne związane
z organizacją i przebiegiem szkolnych doświadczeń fizycznych na poziomie gimnazjum i szkół ponadgimnazjalnych w ramach obecnej podstawy programowej.
Pokazane są w nim propozycje łączenia fizyki z innymi
przedmiotami przyrodniczymi, techniką i otoczeniem codziennym uczniów. Artykuł zawiera przykład
organizacji lekcji eksperymentalnej na podstawie
doświadczeń z elektrycznością na etapie gimnazjum.
Przykłady i praktyki prezentowane w artykule są oparte
na doświadczeniach edukacji pozaformalnej, takich jak
akademickie programy popularyzatorskie i działania
edukacyjne organizacji pozarządowych.
Słowa kluczowe: eksperyment uczniowski, fizyka, edukacja
pozaformalna, popularyzacja nauki, elektryczność
mgr inż. Marcin Zaród: pracownik Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN, stażysta w Pracowni
Przedmiotów Przyrodniczych IBE, edukator w programie
„Za rękę z Einsteinem”; współpracownik łódzkiej świetlicy
„Krytyki Politycznej” i Fundacji Nowoczesnej Edukacji
„SPUNK”
„Za rękę z Einsteinem” – studium przypadku
Pierwsza edycja programu „Za rękę z Einsteinem” była prowadzona w latach 2008–2012 na terenie
województw pomorskiego, kujawsko-pomorskiego
i warmińsko-mazurskiego. Organizatorem programu
była Politechnika Gdańska. Program był adresowany
do uczniów szkół w małych miejscowościach. W jednym roku szkolnym z programem współpracowało
ok. 120 szkół gimnazjalnych. Projekt był finansowany
ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. Budżet projektu to ok. 39 mln zł.
Pokazy eksperymentów i wykłady popularnonaukowe były prowadzone przez studentów i pracowników
Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
(w tym przez autora artykułu). Prowadzący nie mieli
przygotowania pedagogicznego. Byli to raczej fizycy-naukowcy niż fizycy-pedagodzy.
W przeciwieństwie do zajęć w Centrum Nauki Kopernik, eksperymenty w „Einsteinie” były dopasowane
do programu nauczania w danej szkole. Z tego powodu ich wartość jako „dobrej praktyki metodycznej” jest
większa niż w przypadku zajęć w CNK. Celem „Ein-
steina” nie była wyłącznie zabawa w fizykę, lecz także
doskonalenie mniej efektownych kompetencji (np. liga
zadaniowa, obliczenia uczniowskie w trakcie pokazów).
Głównym narzędziem dydaktycznym były dodatkowe zajęcia z fizyki i matematyki prowadzone na terenie szkół. Pojedynczy pokaz doświadczeń lub łamigłówek matematycznych trwał ok. 3 godziny lekcyjne,
po których następowała rotacja grup uczniowskich.
Część aparatury zakupiono na potrzeby projektu, ale
większość wypożyczono z politechniki lub skonstruowano samodzielnie. Większa część zajęć skupiała się na
prostych eksperymentach z mechaniki i elektryczności.
Największe zainteresowanie budziły doświadczenia
z elektrostatyki (rozładowywanie butelki lejdejskiej,
przesyłanie iskry przez dotyk dłońmi), mechaniki (efekt
żyroskopowy, rozkład sił na rolce nici, równowaga sił)
i termodynamiki (balony na ciepłe powietrze, modele
silników). Eksperymenty realizowane w centrach edukacyjnych również koncentrują się na tych dziedzinach,
ze względu na ich atrakcyjność wizualną i łatwość przełożenia wyników na życie codzienne widzów.
Podczas ferii i wakacji dla uczniów z wybranych klas
zorganizowano kolonie naukowe w Gdańsku. Uczestnicy nocowali w akademikach politechniki i mogli wykonywać eksperymenty w laboratoriach studenckich
(niewykorzystywanych w czasie wakacji). Po południu
uczniowie zwiedzali miasto lub brali udział w programie kulturalnym. Projekt przewidywał również udział
uczniów w Bałtyckim Festiwalu Nauki i innych imprezach popularyzatorskich. Laboratoria realizowane w trakcie wakacji i ferii stanowiły specjalną wersję
„Pierwszej pracowni fizycznej”, przystosowaną do potrzeb uczniów. Wykorzystanie zaplecza uczelni pozwoliło na większą liczbę eksperymentów akustycznych,
optycznych i termodynamicznych z użyciem aparatury
(np. przetwornik analogowo-cyfrowy, obieg skraplający, ciemnia optyczna).
NAUKA
Praktyka eksperymentalna w edukacji
przyrodniczej
Fizyka bez eksperymentów nie ma sensu. Co jednak
zrobić, a czego unikać, by eksperyment łączył zainteresowanie z poszerzaniem wiedzy uczniów? Ile czasu
powinien trwać? Jak liczne powinny być grupy? Czy dopuścić osoby z zewnątrz? Czy uczniowie powinni pisać
sprawozdania? Czy do wyjaśniania zjawisk warto mieszać Kubicę i Dodę? Jakie narzędzia wykorzystać i jakie
działy nauki wybrać do eksperymentu? Bardzo wiele
wniosków na ten temat można wyciągnąć obserwując
realizację programów edukacyjnych, takich jak „Za
rękę z Einsteinem”, oraz działalność dużych centrów
edukacyjnych (np. warszawskie Centrum Nauki Kopernik, gdańskie Hevelianum, łódzkie Experymentarium).
SZKOŁA
Małe eksperymenty, wielkie
odkrycia
55
KRÓTKO
Małe eksperymenty, wielkie odkrycia | Marcin Zaród | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Przenoszenie doświadczeń metodycznych między
różnymi formami edukacji przyrodniczej nie zostało dotychczas wystarczająco opisane w literaturze. Nie można więc bezpośrednio przenosić wniosków płynących
z edukacji pozaformalnej do postulatów metodycznych
dla edukacji formalnej. Jednak wnioski płynące z czterech lat pracy w kilkudziesięciu szkołach mogą stanowić
dobry punkt otwarcia takiej dyskusji na łamach EBiŚ.
Największą różnicą jest znacznie większa ilość czasu, jaki realizatorzy programów pozaszkolnych mogą
poświęcić na eksperymenty. Oprócz tego wspomniany
wcześniej projekt dysponował zasobami leżącymi poza
możliwościami wielu szkół w Polsce (6 animatorów
zajęć pracujących z uczniami 2–6 godzin przez jeden
dzień, nowe wyposażenie eksperymentalne). Nie sposób wymagać od nauczycieli eksperymentów, na które
„Einstein” miał wielokrotnie większy budżet.
Ostatni element, na który warto zwrócić uwagę, to
fakt, że „Einstein” funkcjonował poza codzienną rutyną szkolną. Nauczyciele wielokrotnie odnotowywali, że
w trakcie pokazów uczniowie byli bardziej aktywni niż
podczas zwykłych lekcji. Zdecydowanie chętniej zadawali pytania i stawiali własne hipotezy. Zgodnie z relacjami pedagogów: rozbudzenie ciekawości poznawczej
utrzymywało się przez ok. 2–4 tygodni zwykłych lekcji
fizyki w okresie powakacyjnym.
Organizacja lekcji doświadczalnej
W trakcie realizacji omawianego programu testowane były różne modele zajęć eksperymentalnych. Na
ich podstawie można sformułować następujące wnioski
dla tego typu zajęć prowadzonych w szkołach:
• Pokazy w formie wykładu, dla publiczności siedzącej na krzesłach okazały się mniej interesujące niż
zajęcia umożliwiające ruch uczniów dookoła stanowisk eksperymentalnych.
• Pojedynczy eksperyment nie powinien trwać dłużej
niż 20 minut, po których następuje rotacja uczniów.
• W jednej grupie nie powinno być więcej niż cztery osoby (optymalnie trzy), aby każdy uczeń miał
szansę osobiście dokonać pomiaru.
• Dla jednej klasy potrzeba więc 4–8 stanowisk pomiarowych.
• Optymalna długość lekcji eksperymentalnej to 90
minut bez przerwy, co jest trudne do osiągnięcia
w gimnazjum. Proste eksperymenty da się przygotować i wykonać w ciągu 45 minut, jeśli nauczyciel
przygotuje ławki i sprzęt na przerwie.
• Ponieważ jeden prowadzący to za mało, aby efektywnie koordynować lekcję laboratoryjną dla
kilku grup, wskazane jest wsparcie 2–5 uczniów
pomagających nauczycielowi (tutorów, animatorów, pomocników). Na moich zajęciach używałem
określenia „tutor/tutorka”, by podkreślić niecodzienność lekcji eksperymentalnej i wyjątkowy
status tych uczniów.
• Optymalną proporcją jest dwóch animatorów na
trzy stanowiska. Mogą być nimi stażyści, studenci z zaprzyjaźnionego koła naukowego, uczniowie
lub rodzice. Najlepszą recepcją wśród uczniów cieszyły się te zajęcia, w których tutorami byli sami
uczniowie. W praktyce można to zrealizować przy
wsparciu starszych roczników (uczenie młodszych
to dobra powtórka przed egzaminem) lub na zasadzie rotacji koleżeńskiej. Przykładowo: planując
w roku szkolnym pięć lekcji eksperymentalnych,
każdą klasę dzielimy na pięć grup. Kilka dni przed
lekcją eksperymentalną nauczyciel przygotowuje instrukcję i omawia przebieg zajęć z wybraną
grupą uczniów. W trakcie lekcji członkowie grupy
nie wykonują sami eksperymentu, ale pomagają
kolegom w jego przeprowadzeniu. Wcześniejsze
przygotowanie spotkania z pomocnikami pozwala
oszczędzić czas i ułatwia prowadzenie lekcji.
• Lekcja eksperymentalna powinna być skoncentrowana na jednym dziale fizyki. Doświadczenia na
różnych stanowiskach pomiarowych mogą się powtarzać (np. dwa stanowiska do pomiaru przyspieszenia ziemskiego i dwa stanowiska do pomiaru
siły odśrodkowej), ale łączenie dziedzin utrudnia
dyskusję wniosków.
• Zgodnie z doświadczeniem metodycznym autora:
w trakcie lekcji eksperymentalnej uczniowie muszą mieć prawo stawiania błędnych hipotez. Ponieważ popełnianie błędów jest naturalną częścią
eksperymentu (również w fizyce akademickiej),
uczniowie nie powinni być karani za błędy, złe interpretacje i mylne hipotezy.
NAUKA
Eksperyment w szkole i poza szkołą
– zasoby i oceny
Z tego powodu uważam, że rozbudzenie ciekawości
poznawczej i pasji eksperymentatora jest najważniejszą
funkcją szkolnego eksperymentu. Eksperyment, jako
lekcja niecodzienna (niestety!) i nieobarczona negatywnymi skojarzeniami poznawczymi, daje szansę na wyrwanie uczniów z monotonii.
Pamiętając o tych różnicach między dydaktyką
formalną i pozaformalną, postaram się znaleźć sposób przeniesienia tego entuzjazmu również na zwykłe
lekcje. Pamiętając o tych różnicach, spróbujmy użyć
dydaktyki nieformalnej jako „poligonu metodycznego”.
SZKOŁA
Nauczyciele ze szkół uczestniczących w projekcie
brali udział w warsztatach związanych z eksperymentami fizycznymi oraz pełnili funkcję wychowawców na
wyjazdach uczniowskich. Budżet projektu miał przewidziane dodatkowe środki na wynagrodzenia i szkolenia
dla nauczycieli.
56
KRÓTKO
57
Cel eksperymentu: Zbadanie prostych obwodów elektrycznych. Poznanie różnicy między połączeniem szeregowym i równoległym.
Etap edukacyjny: III – gimnazjum.
Podstawa programowa: Fizyka dla III etapu edukacyjnego. Wymagania
eksperymentalne 9.7, 9.8. i 9.9. Wymagania teoretyczne: 4.7, 4.8 i 4.9.
Czas realizacji: 15 min. – przygotowanie, 65 min. – pomiary i 20 min.
– dyskusja wyników i czynności administracyjne. Sugeruję wykorzystanie przerwy między lekcjami (za zgodą uczniów) na cele dydaktyczne – eksperymenty są rzadkie i warto wykorzystać cały możliwy czas.
W razie potrzeby skrócenia proponuję wykreślenie jednego z pytań
w części eksperymentalnej. W siatce godzin gimnazjum trudno o taki
zakres czasu, ale rezygnacja z dyskusji i części eksperymentów ogranicza efekt dydaktyczny lekcji eksperymentalnej.
Wyposażenie (na jedno stanowisko):
• źródło prądu: zasilacz prądu stałego o napięciu 12 V lub układ
kilku połączonych szeregowo baterii AA (przynajmniej 5 sztuk);
w tym drugim przypadku połączenie najlepiej zrobić „na stałe”
(np. doklejonymi blaszkami miedzianymi), aby nie rozpadło się
w trakcie lekcji;
• przewody do połączenia elementów (najlepiej z dołączonymi „krokodylkami”);
• 3 żarówki na napięcie 12 V (o mocy 1,5 W, najlepiej różnokolorowe), 1 żarówka o mocy 5 W, również na napięcie 12 V. Sugerowane
jest użycie żarówek mających gwinty wtykowe (m.in. typu MR16)
– np. COB5SE (prod. Lumenmax);
• 2 mierniki uniwersalne;
• (nieobowiązkowe): komputer z arkuszem kalkulacyjnym.
Kursywą podano sugerowaną narrację ćwiczenia dla uczniów. Fizyka w formie fabularyzowanej jest łatwiejsza do zrozumienia niż suche
polecenia.
2. Eksperymenty:
• Podział uczniów na grupy (sugerowany
jest podział mieszający uczniów z różnymi
wynikami w nauce, aby słabsi uczyli się od
mocniejszych).
• Wprowadzenie uczniów w tematykę ćwiczenia:
Prąd elektryczny to dla nas źródło światła i ciepła.
Elektryczność zasila nasze telefony, komputery, zabawki i dzwonki w szkole. Dzisiaj poznacie podstawy
inżynierii elektrycznej. To jest źródło prądu <wskazujemy na zasilacz lub baterię>, to są żarówki różnej mocy
<wskazujemy na żarówki>, to są przewody i mierniki
<demonstrujemy>. Co zrobić aby żarówka świeciła?
• Uczniowie podłączają żarówkę o mocy
1,5 W, tutorzy i nauczyciel pomagają w miarę potrzeby.
Świetnie, zrobiliście właśnie pierwszy krok, by zostać
inżynierami elektrotechniki. Co płynie w przewodach?
Co to jest prąd elektryczny i jak zmierzyć jego natężenie? Czy prąd płynie w otwartym obwodzie?
• Uczniowie mierzą i notują natężenie prądu,
pomocnicy asystują.
Co sprawia, że prąd płynie? Dlaczego zasilacz ma dwa
różne zaciski? Co oznacza plus, a co minus? Czym różnią się te dwa zaciski? Co wytwarza zasilacz, kiedy obwód jest otwarty?
• Uczniowie mierzą i notują napięcie na zasilaczu w układzie otwartym (ostrożnie!).
Mierzą też napięcie na żarówce 1,5 W.
Inżynierowie używają wielu urządzeń elektrycznych,
mających różne funkcje. Spróbujcie sprawdzić, czym
różnią się żarówki 1,5 W i 5 W. Czy są różnice w napięciu i natężeniu prądu płynącego przez żarówki o mocy
1,5 W w różnych kolorach?
W jaki sposób można podłączyć do prądu dwie żarówki 1,5 W? Jak to zrobić, aby obie świeciły najjaśniej?
• Uczniowie eksperymentują z połączeniami
żarówek.
Co się stanie, gdy podłączę trzecią żarówkę do dwóch
pozostałych? Co się stanie, gdy będzie to żarówka
o większej mocy?
• Pomocnicy i nauczyciel demonstrują połączenie równoległe. Uczniowie mierzą prąd
i napięcie w połączeniu równoległym na
każdej z żarówek.
Co się stanie, gdy żarówki podłączymy w inny sposób?
Jak inaczej można je połączyć? Jak połączyć 3 żarówki
o mocy 1,5 W, aby przez każdą z nich płynął taki sam
prąd?
• Uczniowie eksperymentują z różnymi konfiguracjami połączeń. Animatorzy i nauczycie asystują
Spróbujcie narysować obwody układów, które skonstruowaliście. Nanieście na schematy wyniki pomiarów napięcia i natężenia prądu.
3. Dyskusja:
Wypróbujmy różne sposoby podłączenia żarówek?
Jak wtedy mierzyć napięcia i natężenia? Jak będą
różniły się wartości pomiarów? W którym połączeniu
przez wszystkie żarówki płynie taki sam prąd?
• Uczniowie odpowiadają na pytania zadane
przez nauczyciela w trakcie lekcji, nauczyciel moderuje dyskusję. Tutorzy wprowadzają wyniki pomiarów uczniowskich do
komputera lub wypisują je na tablicy.
NAUKA
PRZYKŁADOWA LEKCJA
• ustawić ławki, rozłożyć wyposażenie stanowisk na ławkach;
• sprawdzić zasilacze i mierniki; usunąć
ewentualne usterki;
• wypróbować eksperyment z grupą animatorów, poinstruować ich o zasadach bezpieczeństwa i celach eksperymentu.
SZKOŁA
Prawo Ohma w praktyce
1. Przygotowanie (na przerwie, zanim przyjdą uczniowie):
KRÓTKO
Wnioski te uwzględniłem w scenariuszu lekcji eksperymentalnej „Prawo Ohma w praktyce”. Próbowałem
w nim po połączyć otwartość dydaktyki pozaformalnej
z wymaganiami i realiami edukacji szkolnej.
58
Autorzy programów pozaszkolnych, podobnie jak
twórcy reformy programowej, postulują odejście od matematyzacji fizyki w gimnazjum. Rezygnacja z wzorów
i zadań i zwiększenie nacisku na wyjaśnienie procesów
nie powinno jednak ograniczać się do lekcji eksperymentalnych i dyskusji teoretycznych. W „Einsteinie”
dobre wyniki odnosiliśmy przy pomocy schematycznych rysunków i dyskusji na temat fizyki życia codziennego.
Z punktu widzenia ucznia Małysz, Kubica czy Doda
są dużo bliższymi osobami niż Newton, Euler czy Hertz.
Z tego powodu zamiast tłumaczyć fizykę na poziomie
abstrakcyjnej teorii, lepiej jest odwołać się do fascynacji
uczniów. Przykładowo: w jednej ze szkół uczniowie byli
zainteresowani motoryzacją. Wykorzystanie przykładu ostatniego wyścigu Roberta Kubicy do pytań o siłę
odśrodkową i tarcia było dużo bardziej efektywne niż
pytanie wprost o abstrakcyjne pojęcia.
Fizyka szkolna nie istnieje w próżni, więc zamiast
abstrakcyjnych definicji lepiej szukać przykładów bliższych codzienności ucznia. Fizyka sportu, nagłośnienie
koncertu, silna wichura lub głośnik komórki – nauczyciel powinien przed lekcją znaleźć przykład zastosowania fizyki w otoczeniu uczniów, na którym oparta zostanie cała narracja lekcji. Zamiast teorii gazu doskonałego
lepiej pokazać zamknięte pudełko z grochem i skłonić
uczniów do zgadywania liczby ziarenek w środku. Potem porównujemy to z wielkością sali lekcyjnej i szacujemy liczbę atomów azotu w pomieszczeniu. Interesujące poznawczo jest też szacowanie wagi powietrza
w klasie.
Doświadczenia edukatorów „Einsteina” pokazały,
że uczniowie dużo chętniej uczestniczą w dyskusjach,
eksperymentach i zajęciach, jeżeli uznają ich cel za widoczny w ich życiu. Wykłady dotyczące teoretycznych
Od teorii fizycznej do praktyki uczniowskiej
Każdy z działów fizyki ma bezpośrednie przełożenie na praktykę techniczną. Konstrukcja przykładów
powinna skupiać się na przedmiotach z otoczenia uczniów, a nie na obiektach abstrakcyjnych. Wykorzystanie
obiektów materialnych do kształtowania „wyobraźni fizycznej” poprawia efektywność procesów poznawczych
i zachęca uczniów do uczestnictwa w lekcji. W poniższym rozdziale podam źródła inspiracji, z których korzystałem przy przygotowywaniu warsztatów i prelekcji
w programie „Za rękę z Einsteinem”.
Mechanikę (Podstawa programowa dla III etapu
edukacyjnego punkty: 1. i 2.1–2.5, 9.2, 9.4) najłatwiej
powiązać z wyścigami samochodowymi, konstrukcją
domów i maszyn. Wyścigi samochodowe są naturalnym punktem wyjścia do dyskusji na temat tarcia, siły
odśrodkowej, przyspieszenia i prędkości.
Fale i drgania (Podstawa programowa dla III etapu
edukacyjnego punkt 6, 9.12 i 9.13) są bardziej problematyczne, zwłaszcza że eksperymenty z dyfrakcją i interferencją są trudniejsze i mniej efektowne. Zamiast
eksperymentów z falami stojącymi (smyczek i sól) lepiej skorzystać z symulacji komputerowych dostępnych
w Internecie. Zazwyczaj film lub program komputerowy nie stanowi pełnowartościowego zamiennika żywego eksperymentu, ale dla tego działu fizyki warto zrobić
wyjątek. Można też użyć skakanki do dyskusji o falach
stojących (aut. pomysłu: Włodzimierz Natorf1).
Zajęcia z optyki (punkty 7 i 9.14) są równie trudne, chociaż łatwiej o konkretne przykłady zastosowań.
1 Nauczyciel fizyki w IX LO im. Klementyny Hoffmanowej w Warszawie, eskpert współpracujący z Pracownią Przedmiotów Przyrodniczych IBE.
NAUKA
Eksperyment bez dyskusji wyników jest dużo mniej
efektywny edukacyjnie, jednak pisemne sprawozdania
nie sprawdziły się w „Einsteinie” i – zdaniem autora –
nie powinny być stosowane w szkołach. Zamiast sprawdzania prac domowych lepiej przeznaczyć czas lekcji
na dyskusję wyników, zwłaszcza że kontakt z praktyką
daje szansę na pobudzenie ciekawości uczniów.
Nauczyciel powinien stawiać pytania otwarte, najlepiej związane z ogólnym mechanizmem (np. „Po co
nam izolacja w pomiarze ciepła właściwego wody?” zamiast „Jakie macie wyniki?”). Aby tutorzy nie zdominowali dyskusji, można przydzielić im rolę „Telefonu do
przyjaciela”, z którego grupa korzysta tylko wtedy, gdy
nie ma lepszych pomysłów. Nauczyciel staje się wtedy
raczej moderatorem niż źródłem wiedzy. Jeśli w klasie
jest komputer, to jeden z animatorów może szukać odpowiedzi na trudniejsze pytania bez konieczności przerywania dyskusji całej klasy.
Dokładny wynik eksperymentu nie powinien być
oceniany, podobnie jak przebieg procesu myślowego
uczniów. Bycie ocenianym może ograniczać pomysłowość i ciekawość poznawczą uczniów, co zmniejsza skuteczność lekcji eksperymentalnej. Oczywiście wiedza
zdobyta w trakcie lekcji eksperymentalnej może być
przedmiotem oceny w trakcie sprawdzianu z danego
działu.
Istotniejsze jest zaangażowanie w dyskusję i zrozumienie mechanizmu eksperymentu. Eksperyment nie
powinien być pierwszą lekcją z danego działu, lepiej
sprawdza się jako druga lub trzecia. Uczniowie mają
wtedy podstawową wiedzę teoretyczną i ciekawość poznania nowych rzeczy. Eksperyment na końcu cyklu
sprawdza się słabiej, ze względu na słabsze zainteresowanie uczniów, którzy już poznali całą teorię na dany
temat.
konstrukcji spotkały się w programie z mniejszych zaangażowaniem niż fizyka codzienna.
SZKOŁA
Fizyka codzienna
KRÓTKO
Dyskusja wyników eksperymentu
Jeżeli nauczyciel gimnazjum ma problemy z konstrukcją lekcji eksperymentalnej, może zwrócić się do
studenckich kół naukowych na pobliskich uczelniach.
Jest szansa, że ich członkowie dysponują wiedzą i zapleczem technicznym niezbędnym do realizacji takich
działań.
This article presents various teaching methods that include an experimental approach to the gymnasium and
high-school physics curriculum. Various methods of an
interdisciplinary approach between physics and other sciences, technology and the students’ everyday life are presented. A sample laboratory lesson focusing on electrical
circuits in the gymnasium curriculum is also included.
Cases presented in the article are based on informal education practices, such as academic science encouragement
programmes and NGO experiences.
SZKOŁA
Marcin Zaród
NAUKA
Small experiments, great discoveries. The practice
of experiential science education
Key words: experiment for students, physics, non-formal education, popularisation of science, electricity
Podsumowanie
Doświadczenia zebrane w trakcie festiwali nauki
czy realizacji programów popularyzatorskich mogą
stanowić źródło przydatnej w szkole wiedzy na temat
sposobów przeprowadzania eksperymentów. Przywrócenie w podstawie programowej do gimnazjum, fizyki
eksperymentalnej to szansa na to, by szkolna fizyka była
równie fascynująca, co jej akademicka odmiana.
KRÓTKO
Można je planować zimą, kiedy łatwiej o uzyskanie
ciemności w klasie szkolnej. Programy pozaszkolne
kładą na optykę mniejszy nacisk niż podstawa programowa. Uczniowie wykonywali doświadczenia z optyki
tylko w ramach pobytu na politechnice, gdy mieli dostęp do odpowiednich przyrządów. Eksperymenty są
dłuższe i wymagają zaciemnionych pomieszczeń.
Zmniejszona liczba eksperymentów z falami i z optyką może zostać zrekompensowana przez dodatkowe
eksperymenty z termodynamiką (2.5–2.11) i elektrycznością (9.7, 9.8, 9.9). Te działy fizyki są częściej wykorzystywane w technice, więc łatwiej o przykłady praktyczne i zainteresowanie uczniów.
Eksperymenty z elektrycznością stanowią stały
punkt pokazu fizycznego, bo taniejące mierniki uniwersalne i przyrządy elektroniczne zachęcają do tego,
aby ten dział stał się wizytówką szkolnej fizyki. Zamiast
pomiaru abstrakcyjnej mocy (9,9 W) dużo łatwiej trafić do uczniów z doświadczeniem porównującym koszt
eksploatacji dwóch żarówek. Termodynamika świetnie
splata się z chemią (reakcje spalania w naturalny sposób
łączą się z cyklami termodynamicznymi). Jeżeli nauczyciel fizyki jedzie z klasą na wycieczkę, to jezioro, góry,
las lub morze obfitują w materiał do dyskusji. Twardość
kamieni, zachowanie fal morskich, mechanizm bryzy
lub obieg wody w przyrodzie stanowią naturalny łącznik fizyki z chemią, biologią lub geografią.
59
60
Angielskie narzędzia dydaktyczne | Urszula Poziomek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Jednym z rezultatów wizyty studyjnej pracowników
Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, odbytej w 2010 r., był duży zasób narzędzi dydaktycznych,
uzyskanych od nauczycieli w wizytowanych szkołach
i ośrodkach doskonalenia nauczycieli.
Narzędzia zbierano głównie po to, by porównać
np. konstrukcję konspektu zajęć z obserwowaną przez
badaczy realizacją tych zajęć podczas lekcji. Dodatkowym, równie ważnym celem było analityczne porównanie tych narzędzi. Chodziło o ustalenie, czy są istotne różnice między narzędziami stosowanymi w Polsce
i w Anglii., a jeśli tak, to na czym te różnice polegają.
Miało to doprowadzić do uzyskania odpowiedzi na
pytanie, czy istnieje korelacja między konstruktem
narzędzia dydaktycznego a sposobem prowadzenia zajęć przyrodniczych, głównie pod kątem kształtowania
umiejętności posługiwania się metodą naukową.
Uzyskane materiały pochodzą z różnych źródeł:
niektóre zostały wydane przez angielskie wydawnictwa
oświatowe, inne są efektem pracy samych nauczycieli
lub współpracujących z nimi pracowników technicznych (narzędzia autorskie).
mgr Urszula Poziomek: specjalista ds. badań i analiz
Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, nauczycielka
dyplomowana biologii w LXXV LO im. Jana III Sobieskiego
w Warszawie; współautorka podręczników szkolnych do
nauki biologii na III i IV etapie edukacyjnym, współautorka
raportu Eurydice Science Education in Europe, 2011.
• Karty pracy ucznia, z pomocą których uczeń wykonuje pewne zadania, dokonując wcześniej wyboru poziomu, na jakim chce je zrealizować. Taki
sposób oceny przez ucznia własnych możliwości
można z powodzeniem stosować zarówno na lekcjach, jak i w pracy metodą projektową. Schemat
konstrukcyjny takiego materiału może służyć
również przygotowywaniu narzędzi dla uczniów
o specjalnych potrzebach edukacyjnych – zarówno tych wymagających wsparcia, jak i szczególnie
uzdolnionych.
• Protokoły doświadczeń lub obserwacji w formie
kart pracy ucznia i instrukcji dla nauczyciela, których cechą charakterystyczną i w pewnym stopniu
odmienną wobec polskich narzędzi dydaktycznych jest duża liczba pytań badawczych, które
stopniowo prowadzą ucznia do wniosku końcowego opartego o analizy poszczególnych materiałów
źródłowych czy danych pozyskanych z doświadczenia lub obserwacji,
• Testy General Certificate of Secondary Education
– sprawdzające poziom opanowania umiejętności prostych i złożonych zadaniami wyłącznie zamkniętymi, przy czym interesująca jest złożona
konstrukcja zadań, diagnozujących poziom umiejętności złożonych: zbudowane są one z reguły
z kilku podpunktów, które z różnych stron, w różnych aspektach sprawdzają znajomość i rozumienie jednego problemu. Większość zadań (szczególnie z poziomów wyższych) dotyczy metody
naukowej.
Wizyta studyjną odbyto w ramach realizowanego przez Instytut Badań
Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków
Europejskiego Funduszu Społecznego.
NAUKA
Urszula Poziomek
Dla poziomu ISCED2 czyli III etapu edukacyjnego
SZKOŁA
Refleksje z wizyty studyjnej
Narzędzia pozyskiwane były w różnorodny sposób: po zajęciach lekcyjnych nauczyciele proszeni byli
(po uprzednim wyjaśnieniu celu) o kopie materiałów,
narzędzi, które były używane w trakcie lekcji. Również
pracownicy techniczni proszeni byli o takie materiały,
w szczególności autorskie lub pochodzące z wydawnictw
instrukcje do doświadczeń, karty pracy ucznia itp.
Zespół zwracał się z prośbą o te materiały również do
przewodniczących zespołów przyrodniczych, którzy
chętnie dzielili się swoimi zasobami.
W rezultacie uzyskano karty pracy ucznia, kartoteki
nauczyciela, scenariusze lekcji, instrukcje doświadczeń
przeznaczonych do realizacji w ramach różnorodnych
tematów z science, biologii, chemii i fizyki dla poziomu
ISCED 2 i 3 (odpowiednio dla polskich dwóch etapów
edukacyjnych – III i IV). Dodatkowo uzyskano odtajnione testy egzaminacyjne dla III (science) i IV etapu
edukacyjnego (chemia, biologia).
Najbardziej zainteresowały badaczy autorskie narzędzia w postaci np. instrukcji dla ucznia realizującego
projekt w warunkach domowych czy karty samooceny
ucznia.
Pozyskane narzędzia dydaktyczne zostały opisane
pod względem zgodności z polską podstawą programową właściwego przedmiotu, a także pod względem ich
odmienności względem narzędzi stosowanych w polskich szkołach.
Wśród materiałów – narzędzi dydaktycznych do nauczania biologii za godne uwagi ze względu na cechy
nieobecne lub niewystarczająco reprezentowane w polskiej szkole uznano:
KRÓTKO
Angielskie narzędzia
dydaktyczne
• Seria protokołów doświadczalnych w formie kart
pracy ucznia i instrukcji dla nauczyciela, dotyczących jednego obszaru treści podstawy programowej – np. enzymów i ich działania. Jest to przykład
nauczania przez badanie – wielostronne i wieloaspektowe – jednego zagadnienia, służące rzeczywistemu pogłębianiu wiedzy przyrodniczej z wykorzystaniem metody laboratoryjnej. Tego typu
działania są realizowane przez nauczycieli biologii
w Polsce – odbywa się to jednak z reguły na zajęciach pozalekcyjnych w ramach kół zainteresowań, przygotowania do udziału w olimpiadzie biologicznej czy też w ramach realizowania projektów
grantowych z wykorzystaniem funduszy unijnych.
Nie są one natomiast wpisane w codzienną realizację podstawy programowej na zajęciach obowiązkowych głównie ze względu na nadal rozbudowane
treści nauczania.
Wśród narzędzi dydaktycznych służących do nauczania science za interesujące uznano uzyskane w The
Holt School Science Department:
Dla poziomu ISCED2 czyli gimnazjum:
• Zadania testowe sprawdzające umiejętności
złożone u uczniów, mające formę tzw. structured
questions, w których uczniowie, na podstawie
załączonego materiału źródłowego, mają za zadanie rozwiązać problemy przedstawione w formie
krótkich pytań (tzw. zadania z lukami). Ponadto
powinni się wykazać umiejętnością korzystania
z informacji i rysowania prostych schematów. Cechą wyróżniającą te zadania jest także ich odniesienie do sytuacji, które mogą wystąpić w życiu
codziennym młodego człowieka.
• Karty pracy dla uczniów1, zawierające zadania
składające się z dosyć obszernego tekstu źródłowego, wzbogaconego zdjęciami i schematami, do
którego dołączone są pytania kontrolne. Na marginesie są także wypunktowane spodziewane efekty
kształcenia, wśród których dominują kształcone
u uczniów umiejętności złożone. Załączono też
kilka kart pracy o zróżnicowanym poziomie trudności. Kształcą one umiejętności złożone. Ciekawe
są rozwiązania graficzne – począwszy od wycinanki, przy pomocy której uczniowie sami tworzą
schemat przesyłu elektryczności, po analizę „przyjemnych do percepcji” rysunków animowanych,
aż po pytanie sprawdzające umiejętność uczenia
się. Zwraca uwagę fakt, że wszystkie zadania nawiązują do rzeczywistości otaczającej ucznia.
dym poziomie uczeń ma szanse dostać ocenę z pełnej
skali w zależności od stopnia realizacji i poprawności
wykonania zadań?
Pozostawiam te pytania bez odpowiedzi i zapraszam do dyskusji na profilu EBiŚ na facebook.com.
Źródło: Przedmioty przyrodnicze w wybranych krajach – raport
z wizyty studyjnej w Anglii, http://eduentuzjasci.pl/pl/publikacje.
html?start=5
Nie chcąc ograniczać się jedynie do opisu tych narzędzi, zaprezentowano poniżej przykład konspektu
lekcji wraz z trzema kartami pracy uczniów A, B i C,
który wykorzystuje jako źródło inspiracji narzędzia angielskie. Pozwala on uczniom wybrać poziom zaawansowania, który chcą realizować w określonym temacie.
Na przykładzie tego konspektu i kart pracy w wersji A,
B i C można budować podobne materiały, tak by rozwijać nie tylko umiejętności przedmiotowe ale również
kompetencje społeczne w postaci trafnej samooceny
swoich możliwości i podejmowaniu się zadań „na własną miarę”.
Oczywiście takie podejście dydaktyczne rodzi natychmiast problem związany z ocenianiem – czy uczeń
który wybierze poziom najniższy powinien dostać dostateczny lub dopuszczający a ten który wybierze poziom najwyższy ocenę bardzo dobry? A może na każ1 Edexcel GCSE Science – Sample Material. Teaching and Learning
Resources for the New GCSE Science 2011 specifications
NAUKA
Dla poziomu ISCED3:
SZKOŁA
Dla poziomu ISCED3 czyli IV etapu edukacyjnego:
61
KRÓTKO
Angielskie narzędzia dydaktyczne | Urszula Poziomek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
62
Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu – zajęcia z biologii | Urszula Poziomek | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Typ zajęć: lekcja utrwalająca
Urszula Poziomek
Przebieg zajęć:
Faza wprowadzająca (10’)
Temat: Łańcuchy i sieci pokarmowe w polu
Adresaci: uczniowie gimnazjum, III etap edukacyjny
Czas trwania zajęć: 2 x 45 minut
Cele kształcenia:
• umiejętności (wymagania ogólne):
IV.Rozumowanie i argumentacja. Uczeń interpretuje informacje i wyjaśnia zależności przyczynowo-skutkowe między faktami, formułuje wnioski.
• wiadomości (wymagania szczegółowe):
IV.Ekologia.
8)wskazuje żywe i nieożywione elementy ekosystemu, wykazuje, że są one powiązane różnorodnymi
zależnościami,
9)opisuje zależności pokarmowe (łańcuchy i sieci pokarmowe) w ekosystemie, rozróżnia producentów,
konsumentów i destruentów oraz przedstawia ich
rolę w obiegu materii i przepływie energii przez
ekosystem.
Metody pracy: słowna (analiza materiałów źródł.)
mgr Urszula Poziomek: specjalista ds. badań i analiz
Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, nauczycielka
dyplomowana biologii w LXXV LO im. Jana III Sobieskiego
w Warszawie; współautorka podręczników szkolnych do
nauki biologii na III i IV etapie edukacyjnym, współautorka
raportu Eurydice Science Education in Europe, 2011.
a)Nauczyciel::
• przypomina strukturę łańcucha pokarmowego na
dowolnym przykładzie, pokazuje możliwe powiązania między dwoma lub trzema łańcuchami pokarmowymi z tego samego ekosystemu – pola;
• formułuje problem badawczy:
W jaki sposób naturalne relacje pokarmowe (kto kogo
zjada?) między organizmami wpływają na produktywność rolnictwa czyli ilość pokarmu, jaką można uzyskać
z pola lub sadu?
• określa „Nacobezu” (na co będę zwracać uwagę):
dokonanie wyboru poziomu realizacji zadań, rzetelność samooceny, umiejętność wykorzystania
pozyskanych z karty pracy informacji do opracowania wyników analizy;
• informuje o możliwości wyboru poziomu opracowania – od najtrudniejszego – karta A, do najłatwiejszego – karta C;
• zachęca uczniów, by podejmowali decyzję o wyborze po zastanowieniu się, na ile czują się przygotowani do tematu lekcji.
Faza realizacyjna:
a)Nauczyciel:
• rozdaje uczniom wybrane przez nich karty pracy
(A, B lub C), prosi o zapoznanie się z nimi;
•w trakcie pracy uczniów służy pomocą, pomaga
w razie potrzeby w wyborze właściwej odpowiedzi,
zadając dodatkowe pytania, pomagające zrozumieć problem;
• udziela rzeczowej informacji zwrotnej.
b)Uczniowie:
• zapoznają się z zawartością kart pracy, zadają
w miarę potrzeby dodatkowe pytania, dotyczące
realizacji zadań;
• wykorzystując informacje z karty pracy realizują
wybrany poziom zadań.
Faza podsumowująca
a)Nauczyciel:
• prosi wybranych lub chętnych uczniów o przedstawienie rezultatów pracy w taki sposób, by zostały
omówione wszystkie zadania ze wszystkich trzech
kart pracy.
b)Uczniowie:
• chętni lub wybrani przez nauczyciela uczniowie
przedstawiają rezultaty pracy.
Uwagi:
Uwzględniono trzy karty, różne dla trzech poziomów
opracowań – A, B i C.
Na podstawie Farming and food webs, Badger Publishing Ltd.
Prace U. Poziomek zostały wykonane w ramach realizowanego przez
Instytut Badań Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności
edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
NAUKA
Konspekt i karta pracy
Środki dydaktyczne:
• karta pracy ucznia, zawierająca materiały źródłowe
b)Uczniowie:
• słuchają nauczyciela, zadają pytania, wybierają poziom karty, z którą chcą pracować.
SZKOŁA
Formy pracy: indywidualna
KRÓTKO
Łańcuchy i sieci pokarmowe
na polu – zajęcia z biologii
Imię i nazwisko ucznia: .................................................
Klasa: .......................
Źródła obrazów: http://ehealthspot.blogspot.com/2007_12_01_archive.html, http://blather.net/shitegeist/2008/05/snail_allegedly_prosecuted_for_alleged_a.htm, http://www.mylot.com/w/photokeywords/greenfly.aspx, http://www.rspb.org.uk/wildlife/birdguide/name/s/
songthrush/index.aspx, http://www.rspb.org.uk/wildlife/birdguide/name/b/bluetit/index.aspx, http://blog.residesi.com/2009/02/violent-death-in-insect-world-stunning.html, http://fatfinch.wordpress.com/2008/08/27/sparrowhawks-v-pigeons
Zdjęcie/rysunek organizmu
Informacja wstępna:
Rolnik dysponuje dużym polem, na którym uprawia kapustę. Na polu, oprócz uprawianej kapusty żyją
rozmaite dzikie organizmy, żywiące się kapustą, określane powszechnie jako szkodniki. Każdego roku rolnik
stosuje opryski z pestycydów, skierowane bezpośrednio
do szkodników, które je niszczą, zabijają. Oprócz tzw.
szkodników na polu żyją organizmy, które się nimi
żywią.
Nazwa organizmu
Pokarm, którym się żywi
kapusta1
Sole mineralne, woda
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Wykorzystując informacje z tabeli nr 1 oraz własną wiedzę i rozumienie funkcjonowania łańcuchów pokarmowych i sieci pokarmowych napisz tekst, w którym
wyjaśnisz, dlaczego stosowanie pestycydów czyli substancji zabijających tzw. szkodniki może stwarzać problemy w funkcjonowaniu pola i w jego produktywności.
Zastosuj w swoim opracowaniu terminy:
biomasa, dwutlenek węgla, mięsożercy/drapieżcy, chlorofil, roślinożercy, liście, fotosynteza, konsument I i II rzędu, producent, korzenie, łodyga/pęd, woda, sole mineralne, samożywność, cudzożywność.
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
Larwy motyla bielinka
kapustnika
i mszyce
5
Uwzględnij w swoim tekście realizację poleceń (na
drugiej stronie):
SZKOŁA
Tabela 1. Lista organizmów, żyjących na polu, wraz z opisem pokarmu, którym się żywią
KRÓTKO
Karta pracy ucznia – poziom A
NAUKA
63
1.Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy (żyjące na polu). Zastosuj
w schemacie maksymalną liczbę możliwych do zbudowania łańcuchów pokarmowych.
64
5.Na schemacie sieci pokarmowej, sporządzonej
przez Ciebie w punkcie 1 narysuj źródło energii
i oznacz strzałkami kierunki jej przepływu przez
ekosystem pola.
6.Wyjaśnij szczegółowo, jak użycie przez rolnika pestycydów na polu może wpłynąć na funkcjonowanie krogulców.
...............................................................................................
2.Określ każdy z organizmów pod kątem rodzaju pokarmu, którym się żywi, używając terminów z treści zadania
(zob. poprzednia strona). Użyj do opisu organizmu maksymalną liczbę pasujących do niego terminów.
Termin opisujący grupę do której zalicza się organizm ze względu na pokarm, którym się żywi
kapusta
...............................................................................................
...............................................................................................
larwy motyla bielinka kapustnika
...............................................................................................
mszyce
7.Sformułuj i zapisz kilka problemów, które mogą
pojawić się w funkcjonowaniu ekosystemu pola po
zastosowaniu na nim pestycydów oraz zaproponuj
co najmniej 3 rozwiązania alternatywne, które pomogą chronić uprawę kapusty przed szkodnikami.
drozdy
sikorki
biedronki
krogulce
3. Wyjaśnij, w jaki sposób roślinożercy – np. mszyce – wpływają na funkcjonowanie kapusty jako organizmu i dlaczego – w związku z tym – farmer decyduje się na stosowanie oprysków. Użyj terminów z treści zadania.
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
4. Opisz wpływ pestycydów na każdą z grup organizmów, uwzględnionych w sieci pokarmowej, narysowanej przez
Ciebie w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
SZKOŁA
...............................................................................................
ślimaki
KRÓTKO
Organizm
...............................................................................................
NAUKA
...............................................................................................
Klasa: .......................
żywią.
Nazwa organizmu
kapusta1
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
kapustnika
i mszyce
5
drugiej stronie):
SZKOŁA
KRÓTKO
Karta pracy ucznia – poziom B
NAUKA
65
1. Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy żyjące na opisanym polu). W sieci powinno być uwzględnionych minimum 3 łańcuchy pokarmowe (może być ich więcej).
66
ekosystem pola.
(zob. poprzednia strona). Powinieneś użyć więcej niż jednego terminu do opisu organizmu.
kapusta
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
ślimaki
...............................................................................................
mszyce
drozdy
...............................................................................................
sikorki
SZKOŁA
Organizm
...............................................................................................
NAUKA
...............................................................................................
...............................................................................................
biedronki
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Ciebie w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
KRÓTKO
krogulce
Klasa: .......................
żywią.
Nazwa organizmu
kapusta1
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
kapustnika
i mszyce
5
drugiej stronie):
SZKOŁA
KRÓTKO
Karta pracy ucznia – poziom C
NAUKA
67
1. Narysuj prostą sieć pokarmową, łączącą trzy różne łańcuchy pokarmowe z opisanego pola, uwzględniając w nich
organizmy na nim żyjące.
68
5.Sformułuj i zapisz jeden problem, który może pojawić się w związku ze stosowaniem pestycydów
na polu i zaproponuj jedno alternatywne rozwiązanie, które pomoże chronić uprawę kapusty przed
szkodnikami.
...............................................................................................
...............................................................................................
(zob. poprzednia strona). Możesz użyć kilku terminów opisując jeden organizm.
kapusta
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
ślimaki
...............................................................................................
mszyce
drozdy
sikorki
SZKOŁA
Organizm
...............................................................................................
NAUKA
...............................................................................................
biedronki
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
4. Opisz efekty stosowania pestycydów na pozostałe organizmy tworzące sieć pokarmową, narysowaną przez Ciebie
w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
KRÓTKO
krogulce
Materiał przygotowują pracownicy Pracowni Przedmiotów
Przyrodniczych IBE oraz eksperci zewnętrzni
Prezentowane tu zadania pochodzą z testów wykorzystywanych w badaniu Laboratorium Myślenia.
Diagnoza nauczania przedmiotów przyrodniczych
w Polsce, realizowanym przez Pracownię Przedmiotów
Przyrodniczych IBE. Po każdym cyklu badania (odbyły
się już dwa takie cykle – w roku 2011 i 2012) część zadań
jest odtajniana i są one publikowane na stronie Bazy
Narzędzi Dydaktycznych IBE – bnd.ibe.edu.pl. Intencją
takiego działania jest prezentacja środowisku nauczycielskiemu, uczniom, ich rodzicom, a wreszcie twórcom
narzędzi diagnostycznych zadań, które mierzą umiejętności ujęte w podstawie programowej przedmiotów
przyrodniczych, w tym umiejętność rozumowania
naukowego, posługiwania się metodą naukową w codziennym życiu, analizy danych, wnioskowania czy
identyfikacji związków przyczynowo-skutkowych.
Więcej o badaniu Laboratorium Myślenia na stronie: http://eduentuzjasci.pl/pl/badania.html?id=409
Pewien cukiernik postanowił sprawdzić, które
z jego ciastek jest smaczniejsze: kremówka za 6 zł czy
napoleonka za 8 zł. Do badania zaprosił zaprzyjaźnioną wielopokoleniową rodzinę. Każda z uczestniczących
w badaniu osób zjadła najpierw napoleonkę, a potem
kremówkę, po czym oceniała ich smak w skali od 1 do
10. Czy wszystkie elementy tego doświadczenia zostały
poprawnie zaplanowane?
1.
2.
3.
4.
Sposób przeprowadzenia doświadczenia
Czy jest to poprawne?
Badani byli w różnym wieku.
 Tak /  Nie
Badani byli ze sobą spokrewnieni.
Wszyscy otrzymywali napoleonkę jako pierwszą.
Badani nie znali cen ciastek i nie
musieli za nie płacić.
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
Komentarz
Autorzy:
BIOLOGIA – komentarz i pomysl na zadanie: Wojciech Grajkowski
CHEMIA – komentarz: Małgorzata Musialik, pomysł na zadanie:
Marcin Chrzanowski
FIZYKA – komentarz: Maciej Wiśniewski, Krzysztof Horodecki,
pomysl na zadanie: Maciej Wiśniewski
Zadania powstały w ramach realizowanego przez Instytut Badań
Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji
oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego
ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki,
Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski
Zadanie
Projektowanie eksperymentów jest umiejętnością
ponadprzedmiotową, a zagadnienia dotyczące formułowania pytania badawczego, ustalania warunków doświadczenia czy doboru odpowiedniej próby kontrolnej są uniwersalne i mają zastosowanie we wszystkich
naukach eksperymentalnych. Opisane doświadczenie
nie jest związane z konkretnymi treściami nauczania
i trudno je nawet jednoznacznie przypisać do określonego przedmiotu. Realny, „życiowy” kontekst zadania
pozwala natomiast pokazać, że zasady projektowania
eksperymentów są takie same dla badań naukowych
i dla sytuacji z życia codziennego.
Pierwszym zagadnieniem poruszanym w zadaniu
jest dobór właściwej próby. Ze wstępu uczeń dowiaduje
się, że próbę tę stanowi „zaprzyjaźniona wielopokoleniowa rodzina”, a zasadność takiego doboru badanych
ocenia, udzielając odpowiedzi w dwóch pierwszych
wierszach tabeli. Pierwszy „element doświadczenia” –
różny wiek badanych – jest pożądany dla rzetelności
badania. Gust dzieci często bardzo wyraźnie różni się
od gustu osób dorosłych, dlatego jeśli cukiernik chciał
uzyskać możliwie pełną odpowiedź na pytanie, które
ciastko jego potencjalni klienci uważają za smaczniejsze, powinien przetestować osoby w różnym wieku.
W punkcie pierwszym właściwa jest zatem odpowiedź
„Tak” i zdecydowana większość (87,1%) absolwentów
gimnazjum, którzy rozwiązywali to zadanie, tak właśnie odpowiedziała.
W punkcie drugim należało odnieść się do informacji mówiącej, że wszyscy badani byli ze sobą spokrewnieni. Jest to okoliczność obniżająca wiarygodność
badania, należało zatem zaznaczyć odpowiedź „Nie”.
Członkowie jednej rodziny mogą bowiem teoretycznie wynosić z domu, czy wręcz dziedziczyć, określone
preferencje żywieniowe. Grupa bliskich krewnych jest
zresztą złą reprezentacją populacji w niemal każdym
badaniu. Łatwo możemy na przykład wyobrazić sobie
polską rodzinę, której niemal wszyscy członkowie są
wysocy, utalentowani muzycznie i mają predyspozycje
genetyczne do rozwoju choroby nowotworowej. Ograniczając badania do tej jednej rodziny, wyciągnęlibyśmy
nieprawdziwe wnioski na temat Polaków w ogóle. Zagadnienie reprezentatywności próby było najwyraźniej
obce znacznej części badanych uczniów – właściwej odpowiedzi udzieliło zaledwie 49,9% z nich. Dokładniejsza analiza wyników pokazuje jednak, że o ile uczniowie słabsi (tzn. uzyskujący niższy wynik w całym teście)
NAUKA
Biologia – które ciastko
jest smaczniejsze?
SZKOŁA
Nowe zadania PPP
69
KRÓTKO
Nowe zadania PPP | Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Chemia – naturalny plastik
Aby wytworzyć „naturalny plastik” domowym sposobem,
można użyć mleka i octu. Należy w tym celu do litra wrzącego mleka dodać 40 ml octu. Tę mieszaninę dalej ogrzewa się, mieszając aż do momentu, kiedy pojawią się w niej
białożółte bryłki, a sama zrobi się przejrzysta. Wtedy należy
wyłączyć palnik, a po ostygnięciu przepłukać grudki pod
bieżącą wodą. Otrzymaną masę można łatwo formować,
a następnie należy odstawić na kilka dni, aż stwardnieje.
Tekst na podstawie: Skamieniałość z chomika. Zrób to sam!, Mick
O’Hare, Insignis Media, Kraków 2011, s. 60–62
(1) Jaki proces spowodował pojawienie się białożółtych grudek?
 A. Denaturacja.
 B. Zobojętnienie.
(2) Opisany wyżej proces wywołały dwa czynniki.
Jednym z nich była zmiana pH, a drugim zmiana:
 A. temperatury.
 B. ciśnienia.
Komentarz
Denaturacja białka jest to nieodwracalny proces polegający na zniszczeniu przestrzennej struktury białka
pod wpływem czynników fizycznych bądź chemicznych. Czynniki te powodują rozerwanie wiązań chemicznych i oddziaływań międzycząsteczkowych stabilizujących strukturę łańcuchów polipeptydowych. Na
skutek denaturacji, białka tracą swoje właściwości biologiczne, fizyczne i chemiczne. Zmiana właściwości fizykochemicznych jest przyczyną agregacji i wytrącania
białek z roztworów. Do najważniejszych czynników fi-
NAUKA
Zadanie
SZKOŁA
uczniów, przy czym prawdopodobieństwo udzielenia
właściwej odpowiedzi silnie korelowało z wynikiem
ucznia w całym teście (od 53,2% wśród uczniów z grupy
najsłabszej, aż po 95,2% w grupie najlepszej).
Całe zadanie prawidłowo rozwiązało zaledwie 21,1%
uczniów, co pokazuje, jak skomplikowanym zagadnieniem jest projektowanie doświadczeń z udziałem ludzi.
Warto jednak zwrócić uwagę, że wyniki takich właśnie badań są najwyraźniej obecne w mediach. Niemal
codziennie spotykamy się z informacjami o „naukowo
potwierdzonej” skuteczności jakiegoś leku, kosmetyku
czy diety. Dobrze, aby uczeń umiał wówczas podejść
do takich informacji krytycznie i miał świadomość, jak
niewłaściwy dobór próby czy sposób przeprowadzenia
badania może wpływać na jego wyniki.
KRÓTKO
wyraźnie częściej zaznaczali odpowiedź błędną, o tyle
w grupie uczniów najlepszych odsetek prawidłowych
odpowiedzi wynosił aż 84,4%.
W podpunkcie trzecim pytano uczniów o to, czy podawanie każdemu badanemu napoleonki jako pierwszej
jest poprawne z metodologicznego punktu widzenia.
Większość (64,8%) uczniów odpowiedziała „Tak”. Być
może uznali oni, że zachowanie stałej kolejności oznacza lepszą kontrolę warunków eksperymentu. Prawidłową odpowiedzią jest jednak „Nie”, ponieważ zjedzenie
pierwszego ciastka może bardzo istotnie wpływać na
ocenę smaku drugiego – po zjedzeniu napoleonki część
uczestników mogła być już najedzona lub nawet mogło
ich zemdlić. W dobrze zaplanowanym doświadczeniu
połowa badanych powinna otrzymać jako pierwszą napoleonkę, a druga połowa – kremówkę, aby oba ciastka
miały „równe szanse”.
Czwarty podpunkt zadania odnosi się do zagadnienia charakterystycznego wyłącznie dla eksperymentów z udziałem ludzi, czyli do nastawienia badanego.
Testując wpływ różnych czynników na kiełkowanie
nasion czy rdzewienie żelaza, nie musimy przejmować
się nastawieniem badanych obiektów. Ludzie jednak
często ulegają sugestii, co może mieć istotny wpływ
na uzyskane wyniki – dlatego chociażby w badaniach
medycznych nie informuje się pacjentów, czy przyjmują
prawdziwy lek, czy placebo. Siła sugestii jest szczególnie
istotna w sytuacji, gdy nie mierzymy pewnych obiektywnie istniejących zmiennych, takich jak masa, prędkość czy liczba kiełkujących nasion, ale prosimy badanych o opisanie ich subiektywnych odczuć, dotyczących
na przykład smaku ciastka. W opisanym doświadczeniu świadomość, że napoleonka kosztuje więcej niż kremówka mogła sprawić, że jedno ciastko podświadomie
było odbierane jako bardziej „wartościowe”, a zatem
smaczniejsze. Właściwa odpowiedź dla tego podpunktu
brzmi zatem „Tak”. Prawidłowo odpowiedziało 72,2%
70
nie to pokazuje, że o białkach naprawdę można uczyć
w sposób nieszablonowy i interesujący dla uczniów.
Zadanie jest zgodne z następującymi wymaganiami
zawartymi w podstawie programowej dla III etapu edukacyjnego:
Cele kształcenia – wymagania ogólne:
I. Pozyskiwanie, przetwarzanie i tworzenie informacji.
1.1.Uczeń pozyskuje i przetwarza informacje z różnorodnych źródeł z wykorzystaniem technologii
informacyjno-komunikacyjnych.
II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do
rozwiązywania problemów.
2.1.Uczeń opisuje właściwości substancji i wyjaśnia
przebieg prostych procesów chemicznych.
Treści nauczania – wymagania szczegółowe:
9.5. Uczeń (...) opisuje właściwości kwasu octowego
(...).
9.13.Uczeń bada zachowanie się białka pod wpływem ogrzewania, (...) kwasów (...); opisuje różnice w przebiegu denaturacji i koagulacji białek;
wylicza czynniki, które wywołują te procesy;
wykrywa obecność białka w różnych produktach spożywczych.
Zadanie to można wykorzystać także przy realizacji
treści nauczania obecnych na dalszym etapie kształcenia, gdyż jest ono zgodne z następującymi podpunktami z podstawy programowej dla przedmiotu chemia na
IV etapie edukacyjnym (poziom podstawowy):
3.3. Uczeń wyszukuje informacje na temat składników napojów dnia codziennego (mleko)
w aspekcie ich działania na organizm ludzki
(…).
NAUKA
Dużo lepiej wypadły wyniki dla pytania drugiego
– poradziło sobie z nim 84% uczniów. Uczniowie, którzy wybrali błędną odpowiedź, nie przeczytali uważnie
treści zadania (mowa jest w nim wyłącznie o wysokich
temperaturach) bądź nie zauważyli, że w opisanym doświadczeniu ciśnienie nie ulega zmianie. W sumie całe
zadanie prawidłowo rozwiązało 42% badanych uczniów.
Wyniki, które osiągnęli uczniowie w prezentowanym zadaniu, skłaniają do refleksji nad posługiwaniem
się terminologią chemiczną w zadaniach. Analiza statystyczna wyników wykazała bowiem, że dla uczniów
biorących udział w badaniu podstawowym problemem
w zadaniu wcale nie było wskazanie przyczyn zachodzącego procesu, lecz jego nazwanie. Płynie z tego
wniosek, że uczniowie mogą mieć problemy z podstawową terminologią chemiczną, która jest rozbudowana,
a słowa są często nieznane z życia codziennego, niezrozumiałe i podobnie brzmiące (np. dysocjacja, dekantacja, destylacja, denaturacja, itd.). Nawet jeśli uczniowie prawidłowo rozumują i potrafią rozpoznać proces,
np. denaturacji, to często zwyczajnie nie pamiętają terminu chemicznego, który go opisuje. Należy więc mieć
zawsze świadomość tego, co się w danym zadaniu chce
zmierzyć – znajomość definicji czy umiejętność wnioskowania. Warto też zwrócić uwagę na fakt, że problemy
uczniów z opanowaniem specjalistycznej terminologii
mogą pojawiać się na każdym etapie kształcenia (także
w szkole ponadgimnazjalnej) i dotyczyć nie tylko chemii, ale także innych przedmiotów szkolnych.
Z wywiadów przeprowadzonych z uczniami wynika, że pomimo stosunkowo długiego wstępu uczniowie
czytali go wnikliwie, a większości z nich zarówno sam
kontekst zadania, jak i tekst wstępny bardzo się podobały. Uczniowie deklarowali, że chcieliby przeprowadzić
takie doświadczenie samodzielnie w domu (starali się
więc jak najdokładniej zapamiętać przepis na plastik),
uważali także, że zadanie uczy czegoś ciekawego. Zada-
SZKOŁA
zycznych prowadzących do denaturacji można zaliczyć:
ogrzewanie, silne mieszanie, naświetlanie promieniowaniem ultrafioletowym, rentgenowskim i jonizującym
lub działanie ultradźwiękami. Denaturację mogą wywołać także czynniki chemiczne, m.in. kwasy, zasady,
sole metali ciężkich, enzymy, alkohol i mocznik.
Zadanie to sprawdza umiejętność prostą – uczeń
wnioskuje na podstawie własnych wiadomości i analizy
tekstu jakie zjawisko zostało wykorzystane do wytworzenia naturalnego plastiku. Aby rozwiązać prawidłowo to zadanie uczeń powinien wiedzieć, że w mleku
znajduje się białko, dokładnie przeanalizować tekst
wstępny oraz rozumieć jak przebiega proces denaturacji
i jakie czynniki go wywołują. Uczeń powinien się też
orientować, że podczas denaturacji można zaobserwować procesy agregacji i wytrącania, związane ze zmianą
właściwości chemicznych białek, a więc niejako „zmianę stanu skupienia” białek.
Zadanie zbadano na grupie około1900 uczniów
w trakcie badania „Laboratorium myślenia” prowadzonego przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych.
Z grupą 15 wybranych uczniów przeprowadzono także
wywiady (cognitive laby), w trakcie których poproszono
o ocenę tego zadania.
Pierwsze pytanie okazało się dla uczniów bardzo
trudne – 53% z nich udzieliło poprawnej odpowiedzi
(prawdopodobieństwo przypadkowego udzielenia prawidłowej odpowiedzi wynosiło 50%). Większość uczniów udzielała odpowiedzi w sposób przypadkowy,
a tylko wśród uczniów o najwyższych umiejętnościach
odsetek odpowiedzi poprawnych był wyższy. Wyniki
wskazują, że badana grupa uczniów nie znała bądź nie
pamiętała terminu „denaturacja”. Co więcej, uczniowie,
którzy wybrali prawidłową odpowiedź, często wybierali
ją drogą eliminacji, wiedząc że opisany w zadaniu proces nie był reakcją zobojętniania.
71
KRÓTKO
W badaniu Laboratorium Myślenia, realizowanym
przez PPP IBE staramy się wykorzystywać możliwie
szeroko zadania, dotyczące zjawisk zachodzących w bliskim dla ucznia świecie. Jedno z takich, odtajnionych
i przeznaczonych do publikacji zadań prezentujemy
niżej. Dotyczy ono istotnych z punktu widzenia użytkownika rozmaitych urządzeń, m.in. AGD, a także fundamentalnych w fizyce pojęć mocy i energii.
Udzielone przez badanych uczniów odpowiedzi
wskazują, że edukacja szkolna w pewnych aspektach
nadal jednak przegrywa ze stereotypami lub błędną intuicją.
Wykres nr 1
Zadanie
Marek wybrał się z rodzicami do sklepu, by kupić
czajnik elektryczny. Spodobały im się dwa czajniki o tej
samej pojemności, ale różnej mocy: 1500 W i 2300 W.
W dyskusji na temat wyboru czajnika padały różne
argumenty.
Rozstrzygnij, które z nich są słuszne z punktu widzenia fizyki.
1.
2.
Stwierdzenie
„Czajnik o większej mocy szybciej
zagotuje tę samą ilość wody.”
„W czajniku o mniejszej mocy zagotowanie litra wody będzie tańsze.”
Wykres nr 2
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
Przedłużając rozumowanie z pierwszego wiersza
uczeń powinien bez wysiłku stwierdzić, że czajnik
o mniejszej mocy będzie musiał dłużej pracować, aby
zagotować litr wody. W tym kontekście uznanie za poprawną odpowiedź, że koszt takiego dłuższego gotowania może być mniejszy jest zaskakujące.
Niezależnie od mocy czajnika energia potrzebna
do zagotowania litra wody jest taka sama. Nawet jeśli
uwzględnić straty energii, to niewątpliwie będą one
większe przy powolnym grzaniu niż przy szybkim, co
tym bardziej powinno prowadzić do odrzucenia hipotezy o zmniejszeniu kosztów poprzez gotowanie wody
w czajniku o mniejszej mocy.
Jak widać stereotyp prostego kojarzenia: mała moc –
małe zużycie energii jest silniejszy niż podstawy szkolnej wiedzy uzyskanej na lekcjach fizyki.
Zadanie diagnozuje poziom umiejętności opisanych
wymaganiami ogólnymi i szczegółowymi podstawy
programowej fizyki dla III etapu edukacyjnego:
Cele kształcenia:
III.Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości
przykładów zjawisk opisywanych za pomocą
poznanych praw i zależności fizycznych.
Treści nauczania:
4.10.Uczeń posługuje się pojęciem pracy i mocy prądu elektrycznego.
8.2. Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia.
Komentarz
Pierwszy wiersz okazał się banalnie łatwy. Nawet
w najsłabszej grupie uczniów poprawna odpowiedź zdecydowanie dominowała. Widać to na wykresie nr 1. wykres nr 2 pokazuje natomiast, iż drugi wiersz stanowił
Wydawałoby się, że skoro uczeń ma świadomość, że
większa moc czajnika oznacza szybsze gotowanie, to ma
również przynajmniej intuicyjnie poprawne wyczucie
pojęcia mocy.
NAUKA
dla uczniów zupełną zagadkę, a udzielana odpowiedź
była praktycznie przypadkowa.
SZKOŁA
Fizyka – jaki kupić czajnik?
72
KRÓTKO
Ryszard Kowalski
Jesteśmy społeczeństwem akcyjnym i pewnie dlatego lubimy obchodzić różnorodne jubileusze. W tym
tekście, łamiąc zasadę okrągłych rocznic, chciałbym
przywołać pamięć o Komisji Edukacji Narodowej.
Szczególny powód do przypomnienia tego pierwszego
w Polsce, a może nawet w Europie, świeckiego ministerstwa oświaty, przypadnie za lat dziesięć. Może wtedy,
z okazji 250-lecia od chwili jej ustanowienia, polski
parlament uchwali rok KEN, a jeśli się tak nie stanie, to
z pewnością przynajmniej 14 października 2023 r. będzie się o tym dużo mówiło. Które z ówczesnych osiągnięć KEN będą wtedy nagłośnione – tego nie sposób
dziś przewidzieć. Oby nie trzeba było formułować postulatów o przywrócenie w szkołach nauczania ojczystej historii i przedmiotów przyrodniczych, gdyż jak na
razie trwa ich konsekwentna redukcja.
Przyznaję, że świadomie popełniam falstart i przywołuję czasy KEN, choć nie ma do tego specjalnej okazji. Czynię to, gdyż chcę przypomnieć, że wprowadziła
ona do szkół ojczysty język, nauczanie historii Polski
i historii naturalnej – inaczej mówiąc przyrodoznawstwa, i to w bardzo trudnym okresie zniewolenia naszej
ojczyzny. Cenimy ją za to, że zreformowała szkolnictwo
dr Ryszard Kowalski: zastępca dyrektora Instytutu Biologii Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistyczny w Siedlcach
przyrody. Sytuacja jest niepokojąca, gdyż licea, w swojej nazwie i naturze ogólnokształcące, nie zapewniają
ogólnego wykształcenia na poziomie średnim w zakresie podstawowych przedmiotów. Ewoluują w wąskie
specjalności już od pierwszej klasy, co należy uznać za
zbyt wczesne. Zaniedbują kształcenie w zakresie historii, uważanej za podstawę kształcenia patriotycznego,
ale i biologii, która jako nauka o życiu i jego różnorodności ma także związek z patriotyzmem i obywatelskim
wychowaniem, chociażby poprzez zawarte w niej treści ekologiczne i sozologiczne. Poprzez minimalizację
godzinowego wymiaru wiele ważnych przedmiotów
zaliczanych tradycyjnie do przyrodoznawstwa straciło
na znaczeniu i znalazło się na marginesie współczesnej
edukacji. Jakże trudno w tych warunkach wziąć odpowiedzialność za efekty nauczania i wychowania młodego pokolenia, w tym kształtowanie prośrodowiskowych
postaw. Niewielki przydział godzin przeznaczonych na
przedmiot, przegęszczone klasy pomimo demograficznego niżu (bo tak jest taniej), ubóstwo w wyposażeniu
pracowni przedmiotowych, jako rezultat niedoinwestowania szkół, niby państwowych, ale jednak oddanych
pod opiekę samorządom gminnym i powiatowym – to
wybrane czynniki degradujące polską oświatę. Efekt
tego jest taki, że szkoły ponadgimnazjalne opuszczają
absolwenci, którzy nie są przygotowani do świadomego i odpowiedzialnego wyboru kierunku studiów. Podejmując życiową decyzję o tym, co studiować, młodzi
ludzie patrzą przede wszystkim na marketingowe opakowanie treści w nośny w swoim wydźwięku slogan.
Trudne czasy przeżywają kierunki o tradycyjnych nazwach, np. biologia, chemia, geografia, fizyka. I nie jest
to problem lokalny, lecz ogólnopolski. Niewielka grupa
młodzieży chce je studiować. Większość zapisuje się na
różne „biopochodne” i „biozmanipulowane” kierunki,
co skrzętnie wykorzystują uczelnie, niemające już dziś
obowiązku przestrzegania zatwierdzonej przez mini-
NAUKA
Czy warto studiować biologię?
Strata czasu, a może dobra inwestycja
na przyszłość?
średnie i wyższe i zajęła się kształceniem świeckiej kadry nauczycielskiej, gdyż takiej w tamtych czasach brakowało. Poprzez wprowadzenie do szkół wychowania
patriotycznego przyczyniła się do kształtowania świadomości obywatelskiej i narodowej polskiej młodzieży.
To, co w tamtych czasach intelektualne elity uznawały
za wartość – można dodać: ponadczasową – dziś niestety traci na znaczeniu. Dlatego też należy włączyć ostrzegawczy alarm, informując społeczeństwo o tym, że źle
dzieje się w naszej oświacie.
Trudno dopatrzyć się w działaniach współczesnych
władz oświatowych rozwijania szkół zgodnie z duchem,
ideą i wartościami określonymi przez Komisję. Udowodniły to ubiegłoroczne protesty, które przetoczyły
się przez nasz kraj z postulatami przywrócenia należnej
rangi nauczaniu historii. W obronie ograniczanej wciąż
biologii, stanowiącej już drobny margines w ogólnym
wykształceniu młodzieży na poziomie średnim, na razie nie protestowano, ale warto się o ten przedmiot upomnieć. Bios znaczy wszakże życie! Przydzielenie jednej
godziny tygodniowo w pierwszej klasie szkoły ponadgimnazjalnej, na ten podstawowy w wykształceniu
ogólnym przedmiot, jest niepokojące, a jednocześnie
wskazuje, jak niewiele dla współczesnych oświatowych
decydentów znaczy nauka o życiu. Nie zastąpi tego
przedmiotu zlepek różnych przypadkowych zagadnień
opisanych w nowej podstawie programowej kształcenia ogólnego pod nazwą „przyroda”. Wejdzie ona do
liceów dopiero w następnym roku szkolnym i będzie
obowiązywała wszystkich uczniów, którzy nie wybiorą
biologii w zakresie rozszerzonym, ale już dziś podzieliła
ona i skonfliktowała nauczycieli biologii, chemii, fizyki
i geografii. Powodem jest konkurencja o godziny liczone
do pensum dydaktycznego, gwarantującego przetrwanie w nauczycielskiej profesji. Skoro ucząc tylko biologii nauczyciel nie uzbiera tyle godzin, aby wystarczyło
na etat, to musi rywalizować z pozostałymi o lekcje
SZKOŁA
Opinie
73
KRÓTKO
Opinie | Ryszard Kowalski | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Jest to kierunek ciekawy, lecz na pewno bardzo skomplikowany. W gimnazjum może wydawać się co prawda prosty,
ale po wejściu w trudniejsze tematy, raczej taki nie jest.
Jednak jeżeli nie masz z tym przedmiotem problemu, to
tak, oczywiście, że warto. Można po nim znaleźć pracę dużo
łatwiej niż po studiach humanistycznych.
Jeżeli chcesz się zająć człowiekiem, idź na medycynę. Jeśli
biologią molekularną, idź na biotechnologię, a jeśli ekologia
i te wszystkie dłubania w glebie, to na biologię.
W UE jest bardzo duży nacisk na środowisko. W zasadzie
każda większa inwestycja musi przejść przez urząd zajmujący się środowiskiem. Myślę, że przez najbliższe lata ta działka trochę się rozbuduje ze względu na wymagania i praca
się znajdzie.
Zaczerpnięte z Internetu posty zostały w niewielkim stopniu zmienione, tak aby nie zdradzać nazw
uczelni i poprawić interpunkcję, która w internetowych
wypowiedziach nie odgrywa żadnej roli.
Jeszcze raz zatem warto powtórzyć pytanie – czy
warto obecnie studiować biologię? Odpowiedzi powinien udzielić sobie każdy młody człowiek kończący
kształcenie na poziomie średnim i szukający kierunku
związanego z zainteresowaniami, marzeniami, przyszłą
pracą, gdyż każdy indywidualnie jest odpowiedzialny
za swoje życie i swój zawodowy rozwój. Jako biolog,
podsumowujący już powolutku swoje zawodowe życie,
udzielam odpowiedzi twierdzącej i mam na to oczywiście uzasadnienie.
Stara giełdowa zasada, którą w jakimś sensie można odnieść do szkolnictwa wyższego i biologii jako
kierunku studiów, poucza, aby akcje kupować na dołku, a sprzedawać na górce, a wszystko po to, żeby jak
najwięcej zarobić. Wybór kierunku studiów to także
inwestycja i to najczęściej jedna w ciągu całego życia.
Zjawiska w przyrodzie, a także w społeczeństwie podlegają ciągłym i dynamicznym zmianom. Dla przykładu,
liczebność osobników należących do określonej populacji przedstawiona na osi upływającego czasu układa
się zazwyczaj w dość regularną sinusoidę, raz osiągając
minimum, aby znów po jakimś czasie osiągnąć wartość
maksymalną. Jeśli dziś biologów z wyższym wykształceniem wydaje się być ponad potrzeby i nie mogą znaleźć pracy, to nie oznacza, że jest to tendencja trwała
i że absolwenci innych kierunków nie mają problemów
z zatrudnieniem. Za parę lat sytuacja może się zmienić i biolog będzie pilnie poszukiwany. Zdaje się, że
dobrze rozumie ten mechanizm jeden z internautów,
pisząc w przytoczonym powyżej poście o opiniowaniu
przez specjalistów przyrodników różnych projektów
inwestycyjnych w Unii Europejskiej. Tę pracę powinni
wykonywać biolodzy z przygotowaniem do pracy w terenie. Trzy lata temu, na międzynarodowej konferencji
w Brodnicy, zorganizowanej pod hasłem „Zielone ponad granicami”, prezentowany był referat o wdrażaniu
Natury 2000 – unijnego programu ochrony przyrodniczego środowiska, w jednej z holenderskich gmin.
Uczestnicy konferencji z Polski byli zaskoczeni tym,
że w holenderskim odpowiedniku naszego samorządu gminnego ochroną środowiska zajmuje się 10 osób,
a bywa że i więcej. U nas w przeciętnej gminie, nawet
tej funkcjonującej na obszarach Natura 2000, środowiskiem zajmuje się najczęściej jeden urzędnik, któremu
jeszcze na dodatek zleca się inne zadania, np. z zakresu budownictwa lub utrzymania dróg. Ale to się musi
zmienić, gdyż w zjednoczonej Europie problemy środowiskowe będą wciąż zyskiwały na znaczeniu. Biolog
z wyższym wykształceniem o specjalności środowiskowej, z umiejętnościami w zakresie waloryzacji przyrody
czy zarządzania środowiskiem powinien zatem znaleźć
zatrudnienie. Takich specjalistów potrzeba będzie coraz
więcej w obsłudze gospodarstw rolnych, starających się
NAUKA
Studiuję 3 rok biologii. Roboty jest full ciągle. W zasadzie,
żeby do czegoś dojść trzeba się uczyć cały czas. Pierwsze 1,5
roku to kompletna strata czasu i energii. Same bzdury jak
dla mnie – to samo, co w LO, tylko że trochę poszerzone. Rośliny, pierwotniaki – to była dla mnie masakra. Dopiero od
tego roku jestem na specjalizacji, molekularnej i przedmioty są ciekawe, choć musimy teraz opanować to wszystko, co
miała biotechnologia przez trzy lata w jeden rok. I znowu
harówa.
SZKOŁA
sterstwo centralnej listy kierunków, kreujące w swej autonomii bogatą ofertę kształcenia obejmującą zarówno
kierunki, jak i specjalności z przedrostkiem „bio-”.
Mając wieloletnie doświadczenie w kształceniu studentów biologii, także w zakresie ich nauczycielskiego
przygotowania, zastanawiam się nad współczesnym
kryzysem oświaty i szkolnictwa wyższego, sztucznie
rozdzielonych przez polityków na dwa ministerialne
resorty. Pytanie „czy warto dziś studiować biologię?”
często zadaję sam sobie. Wpisałem je także z ciekawości do internetowej przeglądarki, wszechwiedzącego
instrumentu, z którego szczególnie chętnie korzysta
współczesna młodzież. W ułamku sekundy uzyskałem
dostęp do wielu stron, które zawierały w tytule dokładnie takie samo pytanie. Część z nich to fora internetowe, na których młodzi ludzie dyskutują, zadają pytania,
spierają się, podpowiadają, wymieniają się poglądami
o warunkach nauki, programach i treściach nauczania,
uczelniach, wykładowcach.
Czy warto zatem studiować biologię? Wątpiący
w sens podejmowania takich studiów najczęściej podawali argument braku pracy dla biologów z wyższym
wykształceniem. Trudny, wymagający wiele nauki kierunek – a przecież studiowanie nie musi przypominać
codziennego zajęcia dzięcioła. Wyższe wykształcenie
można zdobyć niewielkim nakładem własnej pracy,
studiować łatwo, korzystać z przyjemności, a ponieważ
ukończenie studiów, niezależnie od kierunku i tak nie
gwarantuje otrzymania pracy, to po co się przemęczać.
Czy warto zatem studiować biologię? Oddajmy
głos internautom przytaczając parę zróżnicowanych
opinii.
74
KRÓTKO
NAUKA
Wybierając uczelnię, warto sprawdzić jakie ma ona
tradycje kształcenia na tym kierunku. Trzeba unikać
„edukacyjnych jętek”, które pojawiają się znienacka
w uczelniach prywatnych i państwowych, są niestabilne
kadrowo i nie gwarantują odpowiedniej jakości kształcenia. Sympatycznie studiuje się biologię w mniejszych
ośrodkach akademickich zlokalizowanych poza dużymi aglomeracjami miejskimi, gdyż z reguły organizuje
się tam atrakcyjne z punktu widzenia przyszłej pracy
zajęcia terenowe. Ponadto warto sprawdzić, czy poza
zajęciami obowiązkowymi istnieje rozbudowana oferta
przedmiotów do wyboru, czy w uczelni można rozwijać
indywidualne zainteresowania w studenckich kołach
naukowych. Warto zapytać też o możliwości wyjazdu
za granicę w ramach wymiany studentów, o obowiązkowe praktyki, o kadrę nauczycieli akademickich, aby
potem nie wyrażać swojego rozczarowania tak, jak to
zrobiła w Internecie jedna z wypowiadających się osób:
„Poza tym powiem, że profesorowie mają nas wszystkich gdzieś, chcą nam tylko dokopać przy każdej okazji
i udowodnić że nic nie umiemy”. Cieszę się, że ten przypadek nie dotyczy mojego Uniwersytetu. Młodzieży
z gorzej sytuowanych rodzin radzę, aby zapoznała się
wcześniej z systemem pomocy materialnej dla studentów. I jeszcze jedna ważna rada dla kandydatów na studia: „Nie szukaj daleko tego, co masz w zasięgu ręki”.
Czy warto studiować biologię – naukę o życiu,
stanowiącą podstawę wielu gospodarczych dziedzin
i współczesnej ochrony przyrodniczego środowiska?
Z pełnym przekonaniem, że jest to inwestycja z przyszłością rekomenduję ten kierunek ambitnym maturzystom.
SZKOŁA
o wdrażanie programów rolno-środowiskowych, gdyż
przy niektórych pakietach istnieje potrzeba wykonania przyrodniczej waloryzacji gospodarstwa. To ważny
i rozwojowy kierunek wspólnotowego rolnictwa. Miejsc
dla absolwentów uczelni z biologicznym wykształceniem powinno przybywać zatem w gminach, w rolnictwie i jego otoczeniu, w różnego typu laboratoriach
i tych medycznych, gdyż starzejące się społeczeństwo
będzie potrzebowało intensywniejszej opieki medycznej, i tych środowiskowych, świadczących usługi dla
służb ochrony środowiska. Należy wierzyć, że zielone
światło dla biologów starających się o pracę zaświeci
się także w oświacie, gdy władze przekonają się o popełnieniu błędu polegającego na ograniczeniu kształcenia biologicznego i – ogólnie mówiąc – przyrodniczego
w szkołach. Teraz jest właśnie dobry czas na podejmowanie decyzji o studiowaniu biologii.
Na pytanie, w której uczelni podjąć studia, nie
chciałbym się bezpośrednio wypowiadać, aby nie być
posądzonym o autoreklamę. Kierunek biologia jest
prowadzony w wielu uczelniach, a w jego ramach istnieją rozbudowane oferty specjalnościowe, aby każdy
student mógł zaspokoić potrzeby wynikające z indywidualnych zainteresowań i życiowych planów. Można także studiować w innych krajach, gdyż granice są
dziś otwarte i istnieją specjalne programy stypendialne.
W Uniwersytecie, w którym pracuję, studenci biologii
mogą kształcić się w specjalności analitycznej, środowiskowej, eksperymentalnej z biotechnologią, zarządzania środowiskiem, a także biologii w połączeniu z kulturą fizyczną. Studiując każdą z wyżej wymienionych
specjalności można bezpłatnie uzyskać dodatkowe
uprawnienia do wykonywania zawodu nauczyciela, co
umożliwia podjęcie pracy w szkole, lecz także w pozaszkolnych instytucjach zajmujących się edukacją przyrodniczą, np. w domach kultury, opieki społecznej czy
w nadleśnictwach.
75
KRÓTKO
76
Recenzja książki | Weronika Wronowska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
Recenzja książki
Kiedy zobaczyłam Biologię Campbella na półce
księgarni, przestraszyłam się – 5 kg papieru, 5 kg informacji. Nie jest to książka, którą spakujesz do bagażu
podręcznego, aby mieć co czytać w podróży. To dzieło
„stacjonarne” – na półkę, noszenie go w torbie gwarantuje skoliozę.
2. Po co książka, kiedy wszystko jest w Wikipedii?
Campbell z pewnością nie jest tak poręczny jak tablet, ale w przeciwieństwie do Wikipedii wskazuje zagadnienia najistotniejsze dla zrozumienia podstaw biologii, określa ramy. Jeśli jakieś zagadnienie zainteresuje
cię szczególnie, znajdziesz więcej na ten temat w sieci.
Dzięki podręcznikowi nie ominiesz jednak tematów,
które mogłyby umknąć podczas samodzielnego eksplorowania Internetu.
3. Książki nie nadążają za postępami nauki
Podręcznik przestaje być aktualny zanim jeszcze
wydawca zdąży go wydrukować. Takie czasy, chociaż
spośród dostępnych ten jest jednym z najbardziej aktualnych1. Obszernie omówiono w nim główne techniki
1
Ósme wydanie jest nowością na polskim rynku, tymczasem
wydawnictwo Pearson już w 2011 roku wydało kolejną, dziewiątą
edycję podręcznika.
Biologia
Neil A. Campbell, Jane B. Reece i wsp.
Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2012,
ss. 1416
stosowane we współczesnej biotechnologii, przeanalizowano zjawisko transpozycji, przedstawiono również
podstawowe fakty związane z epigenetycznymi mechanizmami dziedziczenia.
4. Tylko, czy to aby książka dla Ciebie?
O tym musisz przekonać się sam. Polecałabym ją
przede wszystkim:
• licealistom – chociaż książka znacznie wykracza
ponad podstawę programową realizowaną w polskich liceach, to wszystkie treści przedstawione są
w przystępny sposób; każde nowe pojęcie jest na
bieżąco wyjaśniane (wytłuszczenie kluczowych
terminów pomaga w ich zapamiętywaniu);
• olimpijczykom – książka ta jest jedynym podręcznikiem polecanym przez Komitet Główny Olimpiady Biologicznej;
NAUKA
1. Ciężka lektura?
spis treści i szczegółowe informacje na:
biologiacampbella.pl
• nauczycielom – skoro polecam uczniom i studentom, trudno nie polecić nauczycielom. Większość
z nich nie będzie miała żadnych wątpliwości co do
przydatności tego podręcznika w nauczaniu biologii. To źródło doskonałych ilustracji do lekcji, tekstów i ciekawostek uzupełniających zajęcia;
• studentom – nie nauczysz się z tej książki do egzaminu z immunologii, genetyki czy botaniki, ale
jeśli po jakimś czasie nie będzie ci już tak bardzo
zależeć na detalach, ten podręcznik pozwoli ci odzyskać ogólne pojęcie o temacie.
• na koniec – wszystkim tym, którzy zajmują się popularyzacją nauki, tak aby widzieli, co popularyzują.
SZKOŁA
Weronika Wronowska
JA
LEKKA RECENZ
KI
CIĘŻKIEJ KSIĄŻ
KRÓTKO
Biologia
Neila A. Campbella, Jane B. Reece i wsp.
6. Campbell kontra Villee
W szkolnej bibliotece obowiązkowo powinny się
znaleźć oba dzieła. Biologia Campbella zawiera nieco
więcej informacji szczegółowych. Dokładniej omówione zostały: wybrane przemiany metaboliczne, szlaki
sygnalizacji komórkowej czy regulacja ekspresji genów.
Zarazem ogromnym walorem Biologii Solomon, Berg
i Martin (wciąż często zwanej „Villee”) jest „odwieczna”
obecność tej książki na rynku.
7. Szukanie dziury w całym
Książka jest naprawdę świetna. Jeśli jednak koniecznie będziemy chcieli znaleźć jakieś minusy, oto moje
propozycje.
• Organizacja książki – podział materiału na rozdziały dla wielu czytelników wychowanych na
polskich podręcznikach może być zaskakujący.
Przyzwyczailiśmy się wrzucać mitozę i mejozę do
jednego worka. Tu mitozę znajdziemy w rozdziale
omawiającym cykl komórkowy, zaś mejoza opisana jest w całkiem innym dziale – genetyka, jako
przyczyna zmienności genetycznej. Również w genetyce trzeba szukać rozdziału o wirusach. Jeżeli
zaś chcemy przestudiować anatomię człowieka,
8. Bilans końcowy
Znakomity podręcznik – esencja wiedzy biologicznej, dobrze napisany, ładnie wydany i jeśli w ogóle myślisz o kupieniu książki całościowo ujmującej biologię,
„Campbell” jest doskonałym wyborem.
NAUKA
Szczęśliwie: jedno i drugie. Pod względem edytorskim – świetna. Solidnie zszyte 1416 stron nie powinno wypadać nawet po wielu latach używania. Zdjęcia
i schematy doskonale ilustrują prezentowane treści. Nie
jest to jednak kolorowy album ze zdawkowymi opisami. Książka przede wszystkim zawiera obszerny, bogaty
merytorycznie tekst.
musimy ją wyłuskać z części o budowie i funkcjach
zwierząt.
• Zgodność z wymaganiami programowymi dla liceum – w Biologii Campbella brakuje opisu chorób. Profilaktyka, drogi infekcji czy metody leczenia są omawiane raczej zdawkowo. Nie za wiele
dowiemy się też o ukochanych przez polską edukację cyklach rozwojowych pasożytów.
• Nasz system klasyfikacyjny a reszta świata – system klasyfikacji organizmów w Biologii Campbella jest bezpośrednio tłumaczony z języka angielskiego. Znajdujemy tu więc podział na jednakowe
taksony, czy to dla roślin, czy zwierząt (królestwo,
typ, gromada, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek). Niestety nasz rodzimy system klasyfikacyjny przez
wiele lat rządził się nieco odmiennymi prawidłami
(np. gromada u roślin odpowiada typowi u zwierząt). Warto o tym wiedzieć czytając rozdział „Filogeneza i drzewo życia”.
• Przypisy – autorzy nie podają materiałów źródłowych, zapewne z powodu braku miejsca. Brakuje
też wskazówek dla czytelników chcących pogłębić
wiedze w danym temacie oraz odniesień do literatury szczegółowo omawiającej wybrane zagadnienie.
SZKOŁA
5. Treść czy forma?
77
KRÓTKO
Recenzja książki | Weronika Wronowska | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii | Redakcja | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
78
„Edukacja przyrodnicza w obliczu przemian cywilizacyjnych i kulturowych” – pod takim hasłem
w dniach 24–26 września 2013 r. odbędzie się
w Poznaniu XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii Szkół Wyższych i Nauczycieli Przedmiotów
Przyrodniczych.
Organizatorzy podali cztery główne grupy problemów,
które zostaną podjęte na konferencji:
NAUKA
XVIII Konferencja
Dydaktyków Biologii
• edukacja przyrodnicza wobec potrzeb ochrony środowi• edukacja przyrodnicza i zdrowotna w kontekście zmian
kulturowych oraz cywilizacyjnych;
• przygotowanie nauczycieli do prowadzenia edukacji
SZKOŁA
ska i edukacji zdrowotnej;
przyrodniczej i zdrowotnej na różnych poziomach kształcenia;
• dydaktyka biologii i ochrony środowiska wobec zmian
Będziemy monitorować to wydarzenie. Zainteresowanych zapraszamy na stronę: kdb.amu.edu.pl
Redakcja
KRÓTKO
programowych, cywilizacyjnych i środowiskowych.
Nowości ze świata nauki | Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE | EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013
RP jest chorobą dziedziczną, polegającą na odkładania
się cząsteczek barwnika wzrokowego w postaci skupisk
w komórkach receptorowych. Skutkiem tego może być
osłabienie widzenia wieczorem, zaburzenie tzw. widzenia obwodowego (czyli widzenia nie tylko „na wprost”),
prowadzące do widzenia lunetowego, a w konsekwencji
do całkowitej utraty wzroku. Uszkodzeń wynikających
z rozwoju RP w siatkówce i nerwie wzrokowym nie da
się skorygować typowymi okularami. Dotąd nie poznano skutecznych metod zatrzymania postępu choroby
ani jej leczenia.
W zdrowym oku fotoreceptory w siatkówce przekształcają bodźce świetlne na impulsy elektrochemiczne, które przesyłane są przez nerw wzrokowy do mózgu, gdzie
następnie sygnały te ulegają dekodowaniu. Jeżeli dzia-
łanie fotoreceptorów nie jest poprawne ze względu na
RP, cały proces ulega przerwaniu.
Siatkówkowy system protezowy Argus® II [2] został
stworzony w celu elektrycznego stymulowania pozostałych, działających jeszcze prawidłowo, fotoreceptorów
w siatkówce oka chorego na retinopatię barwnikową
Na przenośny moduł zewnętrzny, pokazany poniżej [4],
składają się: okulary zaopatrzone w miniaturową kamerę i antenę bezprzewodową, jednostka przetwarzająca obraz (VPU) oraz kabel, łączący ze sobą elementy
modułu.
W jaki sposób działa proteza? Składa się ona z dwóch
części – implantu, który wszczepia się chirurgicznie
do wnętrzna oraz na powierzchnię gałki ocznej oraz
przenośnego modułu zewnętrznego. W skład implantu,
pokazanego na rysunku [3] wchodzą: a) układ elektroniczny, b) elektroda szeregowa, przekazująca impulsy
do fotoreceptorów oraz c) antena.
KRÓTKO
Amerykańska Agencja do Spraw Żywności i Leków
(FDA) 14 lutego 2013 r. zaaprobowała system Argus® II do stosowania jako urządzenie przywracające wzrok osobom niewidzącym cierpiącym na
zaawansowaną postać retinopatii barwnikowej
(RP) [1].
SZKOŁA
Bioniczne oko – nadzieja dla chorych na
retinopatię barwnikową
NAUKA
Depesze przygotowały:
Redakcja i Pracownia Przedmiotów
Przyrodniczych IBE
Nowości ze świata nauki
79
Proces tworzenia obrazu z udziałem implantu realizowany jest następująco: obraz z kamery video przesyłany jest do mikrokomputera (VPU), który przetwarza
go, a następnie wysyła za pomocą kabla z powrotem do
okularów. Sygnał w postaci odpowiednich, instrukcji
jest następnie przesyłany bezprzewodowo (przez nadajnik) i odbierany przez antenę implantu we wnętrzu oka
i kierowany do elektrody. Elektroda z kolei przesyła syg-
80
Pacjenci, po wszczepieniu implantu, muszą na nowo
nauczyć się interpretować obrazy, jako że widzenie z systemem Argus® II bardzo różni się od widzenia, którego
doświadczali zanim stracili wzrok. Po pewnym czasie
od zabiegu są jednak w stanie czytać nagłówki z gazet,
znajdować źródło światła, lokalizować i identyfikować
obiekty czy orientować się w przestrzeni. Na portalu
YouTube.com można obejrzeć krótki wywiad (w języku
angielskim z napisami) [5] przeprowadzony z pacjentem używającym systemu Argus® II. Pacjent odzyskał
wzrok po 25 latach i opowiada, w jaki sposób wszczepiony implant odmienił jego życie.
Grafen doczekał się konkurencji w kategorii „najbardziej
obiecująca nowa substancja”.
Naukowcy z Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze odkryli nanomateriał
o tak wszechstronnych właściwościach, że nazwali go wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu
(ang. Multi-use Titanium Dioxide). Wynalazek może być przełomem w takich kwestiach jak
uzdatnianie wody i przekształcanie ścieków w odnawialne
źródła energii i wodoru (Liu
i wsp., 2013).
Marcin M. Chrzanowski, PPP
Literatura
[1]URL: http://www.accessdata.fda.gov/cdrh_docs/pdf11/
H110002a.pdf.
[2]URL: http://2-sight.eu/en/how-is-argus-r-ii-designed-to-produce-sight-en.
[3]URL: http://2-sight.eu/images/stories/2-sight/Eye.png, zmodyfikowany.
[4]URL: http://2-sight.eu/images/stories/2-sight/external-components_ee.png, zmodyfikowany.
[5]URL: http://www.youtube.com/watch?feature=player_
embedded&v=8AWIJdayKow.
Prof. Darren Sun z próbką wielofunkcyjnego ditlenku tytanu zanim zostanie on
przerobiony na membranę.
Oba zdjęcia pochodzą ze strony:
http://www.gizmag.com/multi-use-titanium-dioxide/26756
Ditlenek tytanu jest substancją chemiczną powszechnie występującą w przyrodzie i stosowaną od dawna
w przemyśle jako pigment (biel tytanowa) do produkcji
żywności, kosmetyków, leków, past do zębów, papieru,
tworzyw sztucznych, porcelany, farb i emalii oraz jako
filtr przeciw promieniowaniu UV i stabilizator koloru szkliw. W latach 70. XX wieku odkryto, że ma on
wspaniałe właściwości fotokatalityczne, tzn. zdolność
do przyspieszania reakcji chemicznych pod wpływem
światła. Ze względu na niską cenę, trwałość i wydajność
ditlenek tytanu znalazł zastosowanie jako fotokatalizator do oczyszczania wody, ścieków i powietrza, a nawet
jako środek dezynfekcyjny zdolny do zabicia bakterii
Escherichia coli oraz inaktywacji wirusa grypy. Rozwój
nanotechnologii w ostatnich latach sprawił, że zaczęto wykorzystywać ditlenek tytanu do otrzymywania
nanomateriałów, które w odróżnieniu od „klasycznego” materiału posiadają wiele unikalnych właściwości
i jeszcze lepsze zdolności katalityczne dzięki dużemu
polu powierzchni nanostruktur w stosunku do zajmowanej przez nie objętości.
Profesorowi Darrenowi Sunowi i jego współpracownikom z NTU’s School of Civil and Environmental Engineering udało się otrzymać z kryształów ditlenku tytanu
nanomateriał, którego lista zastosowań jest naprawdę
długa. Dzięki silnym właściwościom fotokatalitycznym
może być wykorzystany jako fotoanoda do rozkładu
wody na wodór i tlen pod wpływem promieniowania
UV, jako fotokatalizator do rozkładu związków organicznych w wodzie oraz innych zanieczyszczeń środowiska (NOx), a także do odzysku i usuwania metali
ciężkich ze ścieków. Użyty jako fotokatalizator, w pro-
SZKOŁA
Wielofunkcyjny ditlenek
tytanu ratunkiem
dla środowiska?
KRÓTKO
nał w postaci serii impulsów elektrycznych do pozostałych, zdrowych receptorów, które przesyłają informację
o obrazie do mózgu.
NAUKA
Swe unikalne właściwości wielofunkcyjny ditlenek tytanu zawdzięcza opatentowanej strukturze nanowłókien,
które w zależności od późniejszego przeznaczenia mogą
być wzbogacane węglem, miedzią, cynkiem lub cyną.
Membrana
filtracyjna
w ykonana
z nanocząstek
.
ditlenku ty tanu
Zdaniem prof. Suna, niskie koszty i łatwość wytwarzania nanomateriału z ditlenku tytanu dają mu niesamowity potencjał w rozwiązaniu najbardziej naglących problemów związanych z ochroną środowiska,
a zwłaszcza z zanieczyszczeniem wód, kurczących
się zasobów wody pitnej i paliw kopalnych oraz wciąż
wzrastającym zapotrzebowaniem na czyste źródła energii, takie jak wodór.
Nakano R i wsp. (2012). Photocatalytic inactivation of influenza
virus by titanium dioxide thin film. Photochem. Photobiol. Sci.
11:1293-1298. DOI: 10.1039/C2PP05414K.
Liu L, Liu Z, Bai H, Sun DD (2012). Concurrent filtration and solar
photocatalytic disinfection/degradation using high-performance
Ag/TiO2 nanofiber membrane. Water Research. 46(4):1101-1112.
http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2011.12.009.
Liu Z, Bai H, Lee J, Sun DD (2011). A low-energy forward osmosis
process to produce drinking water. Energy and Environmental
Science. 4(7):2582-2585. DOI: 10.1039/C1EE01186C. Bai H, Liu Z, Sun DD (2012). A lithium-ion anode with micro-scale
mixed hierarchical carbon coated single crystal TiO2 nanorod
spheres and carbon spheres. Journal of Materials Chemistry.
22(47):24552-24557. DOI: 10.1039/C2JM34142E.
W ciągu pięciu lat badań nad wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu zespół prof. Suna opublikował ponad
70 prac naukowych w czasopismach takich jak Separation and Purification Technology, Water Research,
Energy and Environmental Science oraz Journal of Materials Chemistry.
NAUKA
Obecnie zespół prof. Suna pracuje nad opracowaniem
nanomateriału z czarnego ditlenku tytanu, który ma
posłużyć do produkcji baterii litowo-jonowych. Wyniki
wstępnych analiz wskazują, że użycie anody zrobionej
ze sferycznych nanocząstek ditlenku tytanu modyfikowanych węglem może podwoić pojemność baterii. Wydłuża to znacząco żywotność takich baterii w porównaniu z ich standardowymi odpowiednikami
Małgorzata Musialik, PPP
Literatura
http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?
news=14e3b618-c71c-4f20-935c-2a566af5a298.
Liu Z, Bai H, Sun DD (2013). A general method for the fabrication of
hierarchically-nanostructured membranes with multifunctional
environmental applications. Separation and Purification Technology 107:324-330. http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2012.12.032.
Nakata K, Fujishima A (2012). TiO2 photocatalysis: Design and
applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C:
Photochemistry Reviews. 13 (3):169-189. DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001.
KRÓTKO
cesie przetwarzania ścieków w wodór i czystą wodę
pod wpływem światła, jest trzykrotnie wydajniejszy od
trudno dostępnej i drogiej platyny. Materiał ten nadaje
się doskonale do wytwarzania wydajnych i tanich baterii słonecznych, membran filtracyjnych pozwalających
odsalać wodę za pomocą wysokoprzepływowej wymuszonej osmozy (ang. high-flux forward osmosis), a także
membran do separacji gazów. Może posłużyć do wytwarzania powłok samoczyszczących, antystatycznych,
hydrofilowych, chroniących przed promieniowaniem
UV i neutralizujących zapachy. Z kolei dzięki właściwościom przeciwbakteryjnym może być z powodzeniem wykorzystywany do produkcji filtrów antybakteryjnych, a nawet elastycznych bandaży zapobiegających
infekcjom i przyspieszającym leczenie ran ze względu
na dobrą przepuszczalność tlenu.
81
SZKOŁA
82
Wyhodują całe narządy?
Zespół prof. Shoji Takeuchi zauważył, że wiele przedmiotów można łatwo stworzyć z włókien; można je
spleść ze sobą i doprowadzić do powstania grubego
włókna, ale można też utkać w płaską tkaninę. Dlaczego nie zrobić tego samego z komórkami hodowanymi
w laboratorium? To był właśnie punkt wyjścia do badań
japońskiego zespołu badaczy.
Zadanie wydaje się trudne, ale nic bardziej błędnego!
Uczeni z Tokio wykorzystali alginian sodu – substancję,
która po zetknięciu się z chlorkiem wapnia zmienia się
w żel. Zresztą jest ona szeroko wykorzystywana w medycynie, m.in. jako nić do zszywania ran. Japońscy naukowcy zaprojektowali jednak specjalną „wyciskarkę”,
dzięki której potrafili stworzyć osłonkę żelową przypominającą spaghetti. W środku umieścili niewielką
Uczeni spróbowali też zastosować tę nową metodę
w leczeniu cukrzycy. Wykorzystali jako model myszy
laboratoryjne z uszkodzoną trzustką, która nie wydzielała insuliny. Co ciekawe, gdy owinęli oni nerkę myszy
włóknem zbudowanym z komórek B trzustki, które
wydzielają insulinę, poziom glukozy we krwi badanych
myszy wrócił całkowicie do normy. Takiego efektu nie
dawało umieszczenie komórek B znajdujących się w zawiesinie w tym samym miejscu organizmu myszy. Badania te wskazują więc na to, że nie tylko rodzaj komórek ma znaczenie, ale ich struktura może mieć wręcz
decydujący wpływ na to, czy będą one funkcjonować
po przeszczepieniu tak samo, jak w narządzie, z którego
zostały wyodrębnione.
Swoboda tworzenia rozmaitych struktur przestrzennych, jaką dają włókna komórkowe, pozwala sądzić,
że znowu zbliżyliśmy się o jeden krok do przyszłości,
w której będzie można „wyhodować” w laboratorium
upragniony narząd.
Takao Ishikawa
NAUKA
Metodę wypróbowano na różnych rodzajach komórek.
Okazało się, że włókna komórek nerwowych przekazywały impuls nerwowy, komórki mięśniowe uształtowane w ten sposób potrafiły się kurczyć, a komórki
nabłonkowe naczyń krwionośnych tworzyły struktury
przypominające właśnie naczynia krwionośne.
KRÓTKO
Proste tkanki człowieka – takie jak elementy skóry,
mięśnia sercowego, czy rogówka – wyhodowane w laboratorium, coraz częściej wykorzystywane są do przeszczepów. Taki sposób postępowania ma duże zalety,
ponieważ tkanki można wyhodować z komórek operowanego pacjenta, dzięki czemu można zminimalizować
ryzyko odrzucenia przeszczepionej tkanki. Wciąż jednak mamy duży problem z ukształtowaniem narządu,
który jest bardziej skomplikowany pod względem budowy niż warstwa tkanki. Być może przełamanie tych
trudności zbliża się dużymi krokami dzięki niedawnemu odkryciu japońskich naukowców z Uniwersytetu
Tokijskiego (Onoe i wsp., 2013).
liczbę komórek razem z macierzą zewnątrzkomórkową
(siecią rozmaitych białek otaczającą komórki znajdujące
się w ogramizmie) i hodowali w laboratorium, tak samo
jak hoduje się inne komórki. Po pewnym czasie ich liczba w żelu alginianowym na tyle wzrastała, że komórki
tworzyły zwarte włókno. Ostatnim krokiem było rozpuszczenie żelu, w wyniku czego zespół prof. Takeuchi
otrzymał włókna komórkowe.
Abstrak t artykułu, w którym zespół
prof. Takeuchi
prezentuje swoje osiągnięcie.
Dostępny na: http://ww w.nature.com
/nmat/journal/v12/n6/full/
nmat3606.html#contrib-auth
Literatura
Onoe H, Okitsu T, Itou A, Kato-Negishi M, Gojo R, Kiriya D, Sato K,
Miura S, Iwanaga S, Kuribayashi-Shigetomi K, Matsunaga YT, Shimoyama Y, Takeuchi S (2013). Metre-long cell-laden microfibres
exhibit tissue morphologies and functions. Nat Mater. 12:584-590.
KRÓTKO
Japońscy naukowcy są coraz bliżej wyhodowania
w warunkach laboratoryjnych całego narządu.
Dzięki wykorzystaniu specjalnej osłony żelowej
udało im się już wyprodukować dobrze funkcjonujące włókna komórkowe.
Prof. Shoji Takeuc
hi
z Center for
International
Research on
MicroMechatro
nics
(CIRMM)
12 maja 2013 r. minęła 91. rocznica śmierci wybitnego niemieckiego uczonego Hugo Conwentza, światowej
sławy paleobotanika, archeologa, humanisty, twórcy
nowoczesnych podstaw ochrony przyrody w Europie.
Jego aktywność na tak wielu płaszczyznach, była przykładem rzadko spotykanego zarówno na przełomie
XIX i XX wieku, jak i dziś holistycznego podejścia do
nauki. Wywarła ona duży wpływ na ochronę przyrody
w Europie, w tym w będącej jeszcze pod zaborami Polsce, choć można polemizować z autorami podającymi,
że działalność Conwentza stanowiła fundament ochrony przyrody w naszym kraju. Współpracował z kilkoma
polskimi uczonymi m.in. z Ferdynandem Chłapowskim, Marianem Raciborskim, Władysławem Szaferem.
Podkreślał ścisły związek kultury z przyrodą. Postulował połączenie edukacji przyrodniczej i historycznej,
uznając, że jest to podstawa edukacji patriotycznej. Ściśle współpracował ze szkołami. Uważał, że tylko świadome społeczeństwo może skutecznie chronić przyrodę i kulturę. Jego stosunek do edukacji i nauki do dziś
uznać można za nowatorski.
Dr inż. Adam Kowalak: adiunkt w Pracowni Dydaktyki
Geografii i Ochrony Środowiska, Instytut Geografii i Studiów Regionalnych, Akademia Pomorska w Słupsku
Hugo Wilhelm Conwentz urodził się 20 stycznia
1855 r. we wsi Święty Wojciech, położonej w pobliżu
Gdańska (obecnie dzielnica Gdańska), w menonickiej
rodzinie rolniczej jako jeden z siedmiorga rodzeństwa. Jego rodzice (Albert Wilhelm i Augusta Dyck
z domu Saalfeld), byli potomkami Holendrów, którzy
osiedlili się na Żuławach uciekając przed prześladowaniami religijnymi. Wzmianki o jego rodzinie pojawiają się po raz pierwszy w dokumentach wsi Stare
Szkoty (Altschottland)1 w 1673 r.2 Zgodnie z tradycją
menonicką (anabaptystów) otrzymał surowe wychowanie moralne. Podstawę wychowania stanowiła uczciwość, pracowitość, wytrwałość, umiłowanie porządku
i oszczędność. Tymi zasadami kierował się przez całe
życie. Gdy miał kilkanaście lat, ojciec sprzedał gospodarstwo i przeprowadził się do Gdańska na Frauengasse
28 (obecnie ul. Mariacka), gdzie zajął się handlem węglem i drzewem. Hugo uczęszczał m.in. do gimnazjum
realnego przy kościele świętego Jana. Olbrzymi wpływ
na jego rozwój wywarł profesor Carl Th. Bail, rozwijając jego zainteresowania naukami przyrodniczymi,
a w szczególności botaniką.
Studiował we Wrocławiu i Getyndze. Mając 21 lat
(w 1876 r.), rozpoczął pracę asystenta we wrocławskim
ogrodzie botanicznym. W tym samym roku napisał
i obronił pracę doktorską na temat Skamieniałe drzewa północnoniemieckiego dyluwium3 (Die versteinerten
Hölzer aus dem norddeutschen Diluwium). Promotorem
1 Stare Szkoty to osada na gruntach darowanych przez księcia
gdańskiego Mestwina II (Mściwoja II) biskupowi kujawskiemu;
zamieszkana była przez Menonitów, Żydów i Szkotów.
2 Vogel S (1957). Conventz, Hugo Wilhelm. W: Neue Deutsche Biographie. 3:347. Dostępny na: http://www.deutsche-biographie.de/
pnd118676806.html.
3 Dyluwium – plejstocen.
pracy był prof. Heinrich
Göppert4.
Tytuł profesora otrzymał już w 35. roku życia.
Przyczynił się do tego jego
olbrzymi dorobek z paleobotaniki (z tej dziedziny był już specjalistą światowej sławy) i florystyki.
Jego zainteresowania naukowe były jednak znacznie szersze. Cechowało go
holistyczne podejście do nauki. Postrzegał ją jako sieć
wzajemnych powiązań. Prowadził szeroko zakrojone
prace badawcze nie tylko z paleobotaniki i florystyki ale
również geologii, fitogeografii, archeologii i etnologii.
W 1878 r. powrócił do Gdańska. W 1879 r. władze
pruskie powierzyły mu kierownictwo Muzeum Prowincji Zachodniopruskiej (Das Westpreußische Provinzial-Museum für Naturgeschichte, Gewebe und Kunst),
którego siedzibę stanowiła Zielona Brama. Oficjalne
otwarcie muzeum nastąpiło w 1880 r.5 Zaraz po objęciu
stanowiska dyrektora przystąpił do przeglądu i inwentaryzacji zbiorów. W ich wyniku stwierdził, że są one
zbyt mało reprezentatywne dla Prus Zachodnich. Mając
do dyspozycji ograniczone środki finansowe, postanowił pozyskiwać eksponaty głównie podczas badań terenowych, prowadzonych przez specjalnie przygotowanych wolontariuszy. Korzystając z pomocy działającego
w Gdańsku Towarzystwa Przyrodniczego rozwinął szeroko zakrojoną działalność szkoleniową i popularyzatorską. Wygłosił dziesiątki odczytów w wielu miastach,
4 Kąmpfert H. Conwentz Hugo. Botaniker. W: Ostdeutsche Biogrephie. Personlichkeiten des historischen deutschen Ostens. Dostępny na: http://www.ostdeutsche-biographie.de.
5 Lippky G (1980). Das Westpreusiche Provinzial-Muzeum in
Danzig 1880-1945 und seine vier Direktoren. Westpreusen Jahrb.
Münster, s. 30, 105–115.
NAUKA
Adam Kowalak
Edukacja i kariera
SZKOŁA
Hugo Conwentz (1855–1922)
a ochrona przyrody w Polsce
83
KRÓTKO
6 Szafer W (1965). Zarys historii ochrony przyrody w Polsce. W:
Ochrona przyrody i jej zasobów. Problemy i metody. Kraków,
s. 71–72.
7 Conwenz H (1892). Die Eibe in Westpreussen, ein aussterbender
Waldbaum, Danzig.
Podróże zagraniczne i ich rezultaty
Działalność Conwentza wraz z całą wszechstronnością jego poglądów na ochronę przyrody miała
ogromny wpływ na rozwój tej idei w Europie. Był on
propagatorem szeroko pojętej ochrony przyrody na
forum międzynarodowym. Przez odczyty wygłaszane
w różnych miastach europejskich, kontakty ze światem
nauki i władzami wielu państw przyczynił się w dużej
8 Conwentz H (1890). Monographie der baltischen Bernsteinböume.
Gdańsk. 151 stron.
9 Zbiory Muzeum Przyrodniczego zaginęły lub uległy zniszczeniu
podczas II wojny światowej w latach 1942–1944 i w czasie przemieszczania na Żuławy Wiślane w latach 1941–1945, gdzie miały zostać ukryte. Najlepiej zachowała się stosunkowo niewielka
część zbiorów wywieziona do Kaczynosa koło Starego Pola.
mierze do zaszczepienia lub rozwoju tej idei zarówno
w swojej ojczyźnie, jak i w krajach sąsiednich. Wymowa jego argumentacji i wysoka ocena uzyskanych
osiągnięć naukowych zjednały mu powszechne uznanie
w świecie. I tak np. był dwukrotnie w Wiedniu w 1903
i w 1907 r. na Kongresie Gospodarki Rolnej i Leśnej.
Po wizycie w 1903 r., austriackie ministerstwo oświaty wydało polecenie zbierania, w krajach wchodzących
w skład monarchii, wiadomości o obiektach przyrodniczych zasługujących na ochronę. Niestety w całej monarchii austriackiej (a więc także w polskiej Galicji) dokonana inwentaryzacja poszła na marne, ponieważ jej
wyniki ugrzęzły w urzędach centralnych i nikt się nimi
ze strony władz nie interesował.
Znacznie trwalsze efekty przyniosły podróże Conwentza do Danii, Holandii i Szwecji. Jego wykłady
i liczne docierające tam publikacje przyczyniły się do
znacznego ożywienia ruchu ochrony przyrody w tych
krajach inspirując do działania wielu naukowców, działaczy społecznych i polityków.
Jego działalność została doceniona także w winnych
krajach m.in. we Francji, gdzie został zaproszony na
I Kongres Ochrony Krajobrazu, który odbył się w Paryżu w 1909 r., oraz w Rosji – został on zaproszony na 13
Konferencję Przyrodników i Lekarzy w Tbilisi (1913).
Poglądy na edukację
Zaangażowanie Conwentza w edukację stanowiło bardzo ważny element jego działalności naukowej.
Podniesienie świadomości związku z przyrodą i kulturą oraz obudzenie lokalnego patriotyzmu uznał on
za podstawową metodę przygotowania rejonu badań.
Aktywizację społeczności lokalnej uważał za klucz do
zachowania dziedzictwa przyrodniczego i kulturowego.
Jak już wspomniałem, gromadzenie materiałów i eksponatów do muzeum rozpoczął od kształcenia wolonta-
SZKOŁA
w 1904 r., jest uważana za osobisty manifest ochrony
przyrody.
Z dziedziny paleobotaniki na uwagę zasługuje jego
praca Monographie der baltischen Burnsteinbaume
(1890)8. Zgromadził również zbiory bursztynów. Część
tych zbiorów, uratowana od zniszczenia po drugiej wojnie światowej9 wchodzi w skład stałej wystawy Muzeum
Archeologicznego w Gdańsku „Z bursztynem przez tysiąclecia”.
W swoich publikacjach poruszał także konieczność
ochrony zwierząt (bobra, żółwia, wilka). Spis jego publikacji obejmował 262 pozycje. Niektóre z nich ukazały się w przekładach w większości krajów Zachodniej
i północnej Europy a nawet w Ameryce.
Dzięki staraniom Conwentza w październiku
1906 r. utworzony został w pierwszy w Prusach urząd
konserwatora przyrody działający w ramach administracji rządowej. Urząd ten czasowo, ze względu na
miejsce zamieszkania jego projektodawcy i kierownika,
miał siedzibę w Gdańsku. W 1910 r. przeniesiono go do
Berlina, gdzie przeprowadził się również Conwentz.
KRÓTKO
organizacjach i szkołach Prus zachodnich. Ich wynikiem było wyzwolenie dużej aktywności społecznej. Do
muzeum zaczęły napływać liczne eksponaty od różnych
instytucji, szkół, leśniczych, księży i rolników6. Szczególnie aktywni okazali się nauczyciele. Conwentz regularnie uczestniczył w konferencjach nauczycielskich, na
których zapoznawał słuchaczy z przyrodą, prehistorią
i kulturą regionu. Przekonywał o konieczności możliwie szybkiego informowania muzeum o niszczeniu
cennych obiektów przyrodniczych i stanowisk archeologicznych.
Z pomocą tak dużego zaplecza społecznego Hugo
Conwentz wzorowo przeprowadził inwentaryzację zabytków natury na obszarze Pomorza Gdańskiego. Wyniki swoich badań opublikował w książce Forstbotanisches Markbuch fur Westpreussen (Pamiętniki drzew
Prus Zachodnich) wydanej w 1900 r. Książka ta zgodnie
z rozporządzeniem ministra rolnictwa uznana została
za wzór dla innych regionów Prus.
Był botanikiem, toteż szczególnie dużo uwagi poświęcał rzadkim roślinom takim m.in. jak cis, kotewka,
brzęk czy limba. W wydanej w 1892 r. książce Die Eibe
in Westpreussen, elner austerbender Waldbaum7 (Cis
w Prusach Zachodnich, drzewo leśne zagrożone wymarciem) autor omawia zasięg i występowanie tego gatunku
w Niemczech (także na terenach polskich). Szczególnie
ciekawe są fragmenty opisujące miejsce tego drzewa
w kulturze ludowej.
Sformułował pierwsze naukowe zasady klasyfikacji
drzew i innych obiektów przyrodniczych na pomniki
przyrody. Jego praca Die Gefahrung der Naturdenkmaler und Vorschlage zu irer Erhaltung (Zagrożenia pomników przyrody i propozycje ich utrzymania), wydana
NAUKA
84
10Deutsches Biographies Jahrbuch. Hersusgegeben vom Verbande der
Deutschen Akademien Band IV das Jadr 1922. Stuttgart, Berlin
und Leipzig 1929, s. 21–25.
Hugo Conwentz wobec idei tworzenia parków
narodowych
Conwentz, wbrew opinii prezentowanej przez wielu
autorów jego biografii uznających go za „ojca parków
narodowych”11, nigdy nie popierał zakładania parków
narodowych. Przypisywanie mu udziału w utworzeniu
w Szwecji pierwszych parków narodowych w Europie
bądź też zainspirowania utworzenia parków w Danii,
Norwegii czy też Białowieskiego Parku Narodowego
w Polsce jest nadinterpretacją. Wprawdzie niewątpliwie
jego działalność przyczyniła się do zaktywizowania
ruchu ochrony przyrody na naszym kontynencie oraz
rozwoju naukowych metod badawczych obiektów
i terenów cennych przyrodniczo, co pośrednio przyczyniło się do utworzenia (niejako wbrew intencjom
Conwentza) wielkoobszarowych form ochrony, jakimi
są parki narodowe.
Wpływ działalności Hugo Conwentza na ochronę
przyrody w Polsce
W pierwszym okresie działalności Conwentza Polska nie istniała jako samodzielny organizm państwowy
– była pod zaborami, możemy więc mówić o ziemiach
Polski a nie o państwie polskim. Jak wiadomo Con11 Gdańszczanie światu – Wydział Postaciologii. Hugo Conwentz.
Dostępny na: http://rzygacz.pl/index.php?id=43,432,0,0,1,0.
wentz, zanim zyskał sławę światową jako pionier nowoczesnej ochrony przyrody, pracował w Gdańsku i na
Pomorzu, a więc w zaborze pruskim. Zasadnicze znaczenie dla ziem polskich miało uznanie przez pruskie
ministerstwo rolnictwa wspomnianej już książki Forstbotanisches Merkbuch fur Westpreussen za instrukcję
i wzór dla pozostałych dzielnic pruskich. Publikacja ta
zainspirowała opracowanie podobnych wydawnictw na
terenie ziem polskich zajętych przez Prusy. W 1904 r.
poznański nauczyciel gimnazjalny i kustosz niemieckiego muzeum F. Pfuhl wydał Pamiętnik drzew i krzewów Księstwa Poznańskiego (Walder und Baume der
Provintz Posen), a w 1906 r. T. Schube swój Pamiętnik
lasów śląskich (Waldbuch von Schlesien). W wydawnictwach towarzystw naukowych działających w zniemczałych miastach zaboru pruskiego: Toruniu, Bydgoszczy, Grudziądzu i innych, w pismach codziennych
i periodykach pojawiły się liczne informacje na temat
osobliwości przyrodniczych, które należałoby chronić.
Prowadzony przez Conwentza centralny organ rządu
pruskiego dla ochrony przyrody w Berlinie (Staatliche
Stelle fur Naturdenkamalpflege) objął w 1906 r. kierownictwo tego potężnego ruchu. Dziesiątki tysięcy odezw
i z niemiecką pedanterią ułożonych kwestionariuszy
(w samym Księstwie Poznańskim zebrano ich ponad
12.000) krążyło po całym kraju. Zgromadzony materiał pozwolił na objęcie ustawową ochroną kilka tysięcy
obiektów przyrodniczych w prowincji pruskiej. Obok
licznych nazwisk niemieckich w realizację idei ochrony przyrody w Księstwie Poznańskim włączyli się także Polacy. Czołowa postacią był tu dyrektor Muzeum
Wielkopolskiego Ferdynand Chłapowski, który prowadził ożywiona korespondencją z profesorem Raciborskim. Obok Chłapowskiego duży wkład w dokumentowanie walorów przyrodniczych Wielkopolski wnieśli
Józef Rivoli – wybitny leśnik i Jerzy W. Szulczewski –
przyrodnik.
NAUKA
z założenia można było uznać za mało realne ze względu na brak możliwości pozyskania dostatecznej ilości
eksponatów. W zamian opracował on zestaw ściennych
tablic poglądowych i przekonał władze o celowości rozpowszechnienia ich jako pomocy dydaktycznych. Było
to na owe czasy rozwiązanie nowatorskie. Tablice te
doczekały się trzech wydań i używane były w szkołach
różnych szczebli w tym w szkołach ludowych.
SZKOŁA
riuszy spośród członków towarzystw regionalnych, nauczycieli i uczniów różnych typów szkół. Uczestniczył
w dziesiątkach spotkań i szkoleń. Edukował zarówno
dorosłych jak i młodzież szkolną. Od początku swojej
działalności ściśle współpracował ze szkołami zarówno w dziedzinie nauk przyrodniczych jak i humanistycznych, utrzymując stałe kontakty z nauczycielami.
Swoją działalnością przyczynił się w dużym stopniu do
podniesienia kwalifikacji nauczycieli oraz wzrostu zainteresowania szkół tą problematyką. Nie były mu obce
problemy prowincjonalnych placówek oświatowych.
Wskazywał na konieczność przetransponowania wiedzy z ośrodków naukowych do szkół.
Conwentz uczestniczył aktywnie zarówno w opracowywaniu przepisów prawnych dotyczących ochrony
przyrody i zabytków jak i opracowywaniu i wprowadzaniu do programów szkolonych treści związanych
z ta tematyką. Uważał on, że u podstaw skutecznej
ochrony przyrody leży edukacja. Prezentował holistyczne podejście do edukacji – postulował połączenie
edukacji przyrodniczej (biologicznej, geograficznej)
z historyczną. Wskazywał na ścisłe wzajemne powiązania przyrody z kulturą. Swoje stanowisko prezentował także na wielu spotkaniach poza granicami kraju
m.in. w Szwecji i Austrii10. Uznawał pomniki przyrody
(zabytki przyrody) za ważny element historii kraju i regionu. Prowadząc badania archeologiczne starał się ich
wyniki szeroko popularyzować w kontaktach z placówkami naukowymi i oświatowymi oraz stowarzyszeniami regionalnymi.
W 1889 r. pruskie władze oświatowe zaleciły Conwentzowi przygotowanie zestawów eksponatów muzealnych dla szkół, które mogłyby być wykorzystywane
dla celów edukacyjnych. Wykonanie tego postulatu już
85
KRÓTKO
86
12Już w 1867 r. Sejm Krajowy Królestwa Galicji i Lodomerii uchwalił ustawę chroniącą zwierzęta alpejskie występujące w Tatrach
(ustawa uzyskała moc obowiązującą w 1869 r.). Równocześnie Sejm Lwowski przyjął drugą analogiczna ustawę ochronną „o ochronie pożytecznych ptaków i innych zwierząt”, ale ta
ustawa nigdy nie zyskała sankcji cesarskiej – władze centralne
w Wiedniu uniemożliwiły jej wejście w życie.
13Szafer W (1965). Zarys historii ochrony przyrody w Polsce. W:
Ochrona przyrody i jej zasobów. Problemy i metody. PAN, Zakład
Ochrony Przyrody, Kraków, s. 67.
W świetle powyższych faktów można stwierdzić, że działalność Conwentza wywarła bardzo duży
wpływ na rozwój koncepcji ochrony przyrody w Polsce. Można jednak polemizować z Eugeniuszem Nowakiem z Bundesforschungsanstalt für Naturschutz
und Landschaftsökologie, że jego działalność stanowiła
fundament organizacji systemu ochrony zasobów przyrodniczych w naszym kraju14. Należy tu zaakcentować,
że to argumentacja naukowa polskich uczonych skłoniła Galicyjski Sejm Krajowy do uchwalenia unikalnych
w skali Europy ustaw ochroniarskich w 1867 r., a więc
na kilka lat przed rozpoczęciem przez Conwentza pracy
naukowej. Ponadto niewyobrażalne wręcz były różnice
w warunkach działalności i możliwościach realizacji
koncepcji badawczych polskich uczonych (Janoty, Raciborskiego, Pawlikowskiego i innych) działających w byłej Galicji – kraju biednym i zacofanym, a prof. Conwentza – kierownika państwowego urzędu w bogatym
kraju, jakim były Prusy. Realizacja koncepcji ochrony
przyrody w na ziemiach Polskich (poza zaborem pruskim) wymagała zastosowania metod odbiegających
znacznie od tych stosowanych przez Connwentza na Pomorzu, np. na terenie Galicji, poszukiwanie partnerów
do współpracy w trzyletnich szkołach trywialnych było
ze względu na ich poziom w zasadzie niemożliwe. Szafer
wyprzedził również Conwentza w dążeniu do tworzenia parków narodowych, z których ideą niemiecki uczony do końca życia polemizował. Nie umniejsza to oczywiście zasług prof. Conwentza, słusznie uważanego za
jednego z czołowych twórców konserwatorskiej ochrony przyrody w Europie, a więc także w Polsce.
14Nowak E. O dziedzictwie Państwowej Placówki Zachowania Zabytków Przyrody w Gdańsku oraz wpływie jej kierownika profesora Hugo Conwentza na ochronę przyrody w Polsce. W: Przyroda Polska, Forum, Dostępny na: http://www.iop.krakow.pl.
NAUKA
Ocena działalności
SZKOŁA
ochronę i zaproponowało utworzenie kilku większych
rezerwatów górskich w Karpatach (Tatry, Pieniny, Karpaty Wschodnie) i stepowych na Podolu, w okolicy Borszczowa. Zbliżone żądania wysunął Wydział Filozoficzny Uniwersytetu Jagiellońskiego. Niestety, podobnie
jak w pozostałych częściach Cesarstwa Austriackiego,
wyniki podjętej z inspiracji Conwentza akcji zostały zaprzepaszczone. Namiestnictwo w byłej Galicji okazało
się godne swojej władzy zwierzchniej. Memoriały, plany
i sporządzona inwentaryzacja obiektów i terenów cennych przyrodniczo złożona ad acta zaginęła.
Na szczęście znalazło się wówczas w społeczeństwie
byłego zaboru austriackiego dość energii żeby zaprzepaszczoną przez rząd centralny akcję dalej prowadzić.
Wiodąca rolę przejęło Towarzystwo Przyrodników
im. Kopernika, które pod kierunkiem prof. Mariana
Raciborskiego opracowało w latach 1906–1907 plan
działalności na tym polu. W swoich działaniach Raciborski ściśle współpracował z wybitnym geografem
polskim Ludomirem Sawickim13. Conwentz wysoko
oceniał osiągnięcia Raciborskiego – obaj uczeni prowadzili ożywioną korespondencję wymieniając się swoimi
doświadczeniami naukowymi i organizacyjnymi. Po
przedwczesnej śmierci prof. Raciborskiego współpracę
z Conwentzem kontynuował jego student, współpracownik i następca prof. Władysław Szafer, projektodawca i pierwszy przewodniczący utworzonej przez rząd II
Rzeczpospolitej Tymczasowej Komisji Ochrony Przyrody, która w 1926 r. przekształcona została w Państwową
Radę Ochrony Przyrody.
KRÓTKO
Conwentz wywarł widoczny wpływ na ochronę przyrody także w dwóch pozostałych zaborach.
W 1916 r. zwiedził Puszczę Białowieską i przyczynił się
do utworzenia tzw. parku natury – fragmentu puszczy
położonego w widłach Hwoźnej i Narewki, gdzie odtąd
nie prowadzono wyrębu drzew. W 1921 r. utworzono
tam rezerwat (obecnie rezerwat ścisły w obrębie Białowieskiego Parku Narodowego). Jego działalność przyczyniła się do, niestety krótkotrwałej, ochrony żubrów.
W zaborze austriackim, gdzie tradycje czynnej
ochrony przyrody wyprzedzały o kilkanaście lat działalność Conwentza, inicjatywa lokalnych władz polskich napotykała jednak na opór ze strony centralnych
władz austriackich12. Dopiero podróże tego wybitnego uczonego do Wiednia spowodowały, czasową jak
się później okazało, zmianę podejścia rządu austriackiego do tej problematyki. Wspomniany już reskrypt
ministerstwa oświaty w Wiedniu (z 30 listopada 1903
r.), wydany po wizycie Conwentza, polecający czynnikom rządowym zajęcie się sprawą ochrony przyrody,
wymusił reakcję przedstawiciela rządowego w Galicji. Namiestnictwo we Lwowie zwróciło się w lutym
1904 r. do instytucji i osób prywatnych w Galicji i Lodomerii, a także w Księstwie Krakowskim, z wezwaniem do przekazywania mu informacje o wszelkich
zabytkach przyrody, które zasługują na ochronę. Na
apel odpowiedziało wiele organizacji i duża liczba osób
prywatnych przesyłając opisy rozmaitych osobliwości
natury. Najaktywniejszą organizacją było Towarzystwo
Przyrodników im. Kopernika, które przedstawiło spis
kilkudziesięciu osobliwości przyrody zasługujących na
Niespotykana aktywność zawodowa i społeczna
oraz pasja dobrej pracy nie pozostawiała Conwentzowi zbyt wiele czasu na sprawy prywatne. Ponadto jego
skrupulatność i wysokie wymagania wobec siebie i innych, wyniesione z menonickiego domu, sprawiały, że
przez swoich współpracowników uważany był często za
człowieka trudnego we współżyciu. Zarzucano mu nadmierny upór i bezkompromisowość. Ożenił się mając
64 lata z Grete Ekelöf – bibliotekarką Szwedzkiej Biblioteki Narodowej, która wkrótce stała się jego najbliższą
współpracownicą. Zmarł bezpotomnie w Berlinie 12
maja 1922 r. W 1940 r. ukazała się powieść biograficzna
opisująca życie tego wybitnego uczonego autorstwa jego
wsółpracownicy Mergarete Boie15. Jego nagrobek na
cmentarzu Sűdwestkirchhof Stahnsdorf został uchwałą Senatu Berlina w 1952 r. uznany za pomnik. 7 maja
1996 r., ustanowiony został przez ministra ochrony środowiska Landu Schleswig-Holstein, medal im Hugona
Conwentza (Hugo Conwentz-Medaille), wręczany za
zasługi w dziedzinie ochrony przyrody16. Do jego licznych zasług w dziedzinie konserwatorskiej ochrony
przyrody i archeologii należałoby dodać jeszcze jedną,
na ogół przez biografów pomijaną – Conwentz w ciągu
całej swojej działalności podkreślał rolę edukacji przyrodniczej, historycznej i humanistycznej w zachowaniu
zabytków przyrody i kultury. Podkreślał ścisły związek
przyrody i kultury. Wskazywał na olbrzymie znaczenie
świadomości społecznej i poziomu edukacji dla rozwoju nauki, a co za tym idzie dla rozwoju społeczeństwa
i kraju. Jego holistyczne podejście do edukacji wykraczało znacznie poza epokę w której żył.
Boie M (1940). Hugo Conwentz und seine Heimat, Stuttgart 1940.
Conwentz H (1890). Monographie der baltischen Bernsteinbäume.
Gdańsk.
Conwentz H (1892). Die Eibe in Westpreussen, ein aussterbender
Waldbaum. Danzig.
Deutsches Biographisches Jahrbuch. Herausgegeben vom Verbande
der deutschen Akademien. Band IV. Daz Jahr 1922. Stutgart, Berlin und Leipzig 1929.
Gdańszczanie światu – Wydział Postaciologii, Hugo Conwentz.
Dostępny na: http:// rzygacz.webd.pl. Dostęp 2.09.2012.
Kampfert H. Hugo Conwentz. Botaniker. W: Ostdeutsche Biogrephie.
Personlichkeiten des historischen deutschen Ostens. Dostępny na:
http:// www: ostdeutsche-biographie.de (dostęp 26.09.2012)
Krzemińska E, Krzemiński W, Haenni JP, Dfour Ch (1993). W bursztynowej pułapce. Kraków.
Leńkowa A (1986). Ochrona przyrody w świecie. W: Człowiek przeciwko sobie. Warszawa: PAX.
Nowak E (2006). O dziedzictwie Państwowej Placówki Zachowania
Zabytków Przyrody w Gdańsku oraz wpływie jej kierownika
profesora Hugo Conwentza, na ochronę przyrody w Polcse. W:
Przyroda Polska. FORUM. Dostępny na: http://www.iop.krakow.
pl. Dostępny na: 2.09.2012.
Szafer W (1965). Zarys historii ochrony przyrody w Polsce. W:
Ochrona przyrody i jej zasobów. Problemy i metody. Kraków: PAN,
Zakład Ochrony Przyrody.
Vogel S (1957). Conwentz Hugo Wilhelm. W: Neue Deutsche Biographie 3:347. Dostępny na: http:www.deutsche-biographie.de/
pnd118676806.html. Dostęp: 25.08.2012.
15Boie M (1940). Hugo Conwentz und seine Heimat. Stutgard.
16Kämpfert H. Ostdeutsche Biogrephie. Personlichkeiten des historischen deutschen Ostens. Conwentz Hugo. http://www: ostdeutsche-biographie.de s. 4.
NAUKA
Literatura
SZKOŁA
Zamiast zakończenia
87
KRÓTKO
Scenariusz lekcji doświadczalnej (M. Zaród)
Prawo Ohma w praktyce
Cel eksperymentu: Zbadanie prostych obwodów elektrycznych. Poznanie różnicy między połączeniem szeregowym i równoległym.
Etap edukacyjny: III – gimnazjum.
Podstawa programowa: Fizyka dla III etapu edukacyjnego. Wymagania eksperymentalne 9.7, 9.8. i 9.9. Wymagania teoretyczne: 4.7, 4.8 i 4.9.
Czas realizacji: 15 min. – przygotowanie, 65 min. –
pomiary i 20 min. – dyskusja wyników i czynności
administracyjne. Sugeruję wykorzystanie przerwy między lekcjami (za zgodą uczniów) na cele dydaktyczne
– eksperymenty są rzadkie i warto wykorzystać cały
możliwy czas. W razie potrzeby skrócenia proponuję
wykreślenie jednego z pytań w części eksperymentalnej. W siatce godzin gimnazjum trudno o taki zakres
czasu, ale rezygnacja z dyskusji i części eksperymentów
ogranicza efekt dydaktyczny lekcji eksperymentalnej.
Wyposażenie (na jedno stanowisko):
• źródło prądu: zasilacz prądu stałego o napięciu
12 V lub układ kilku połączonych szeregowo baterii AA (przynajmniej 5 sztuk); w tym drugim
przypadku połączenie najlepiej zrobić „na stałe”
(np. doklejonymi blaszkami miedzianymi), aby nie
rozpadło się w trakcie lekcji;
• przewody do połączenia elementów (najlepiej z dołączonymi „krokodylkami”);
• 3 żarówki na napięcie 12 V (o mocy 1,5 W, najlepiej
różnokolorowe), 1 żarówka o mocy 5 W, również
na napięcie 12 V. Sugerowane jest użycie żarówek
mających gwinty wtykowe (m.in. typu MR16) –
np. COB5SE (prod. Lumenmax);
• 2 mierniki uniwersalne;
• (nieobowiązkowe): komputer z arkuszem kalkulacyjnym.
Kursywą podano sugerowaną narrację ćwiczenia
dla uczniów. Fizyka w formie fabularyzowanej jest łatwiejsza do zrozumienia niż suche polecenia.
1. Przygotowanie (na przerwie, zanim przyjdą uczniowie):
• ustawić ławki, rozłożyć wyposażenie stanowisk na
ławkach;
• sprawdzić zasilacze i mierniki; usunąć ewentualne
usterki;
• wypróbować eksperyment z grupą animatorów,
poinstruować ich o zasadach bezpieczeństwa i celach eksperymentu.
2. Eksperymenty:
• Podział uczniów na grupy (sugerowany jest podział
mieszający uczniów z różnymi wynikami w nauce,
aby słabsi uczyli się od mocniejszych).
• Wprowadzenie uczniów w tematykę ćwiczenia:
Prąd elektryczny to dla nas źródło światła i ciepła. Elektryczność zasila nasze telefony, komputery, zabawki i dzwonki
w szkole. Dzisiaj poznacie podstawy inżynierii elektrycznej. To
jest źródło prądu <wskazujemy na zasilacz lub baterię>, to są
żarówki różnej mocy <wskazujemy na żarówki>, to są przewody i mierniki <demonstrujemy>. Co zrobić aby żarówka świeciła?
• Uczniowie podłączają żarówkę o mocy 1,5 W, tutorzy i nauczyciel pomagają w miarę potrzeby.
Świetnie, zrobiliście właśnie pierwszy krok, by zostać inżynierami elektrotechniki. Co płynie w przewodach? Co to jest prąd
elektryczny i jak zmierzyć jego natężenie? Czy prąd płynie w otwartym obwodzie?
• Uczniowie mierzą i notują natężenie prądu, pomocnicy asystują.
Co sprawia, że prąd płynie? Dlaczego zasilacz ma dwa różne
zaciski? Co oznacza plus, a co minus? Czym różnią się te dwa
zaciski? Co wytwarza zasilacz, kiedy obwód jest otwarty?
• Uczniowie mierzą i notują napięcie na zasilaczu
w układzie otwartym (ostrożnie!). Mierzą też napięcie na żarówce 1,5 W.
Inżynierowie używają wielu urządzeń elektrycznych, mających
różne funkcje. Spróbujcie sprawdzić, czym różnią się żarówki
1,5 W i 5 W. Czy są różnice w napięciu i natężeniu prądu płynącego przez żarówki o mocy 1,5 W w różnych kolorach?
W jaki sposób można podłączyć do prądu dwie żarówki 1,5 W?
Jak to zrobić, aby obie świeciły najjaśniej?
• Uczniowie eksperymentują z połączeniami żarówek.
Co się stanie, gdy podłączę trzecią żarówkę do dwóch pozostałych? Co się stanie, gdy będzie to żarówka o większej mocy?
• Pomocnicy i nauczyciel demonstrują połączenie
równoległe. Uczniowie mierzą prąd i napięcie
w połączeniu równoległym na każdej z żarówek.
Co się stanie, gdy żarówki podłączymy w inny sposób? Jak inaczej można je połączyć? Jak połączyć 3 żarówki o mocy 1,5 W,
aby przez każdą z nich płynął taki sam prąd?
• Uczniowie eksperymentują z różnymi konfiguracjami połączeń. Animatorzy i nauczycie asystują
Spróbujcie narysować obwody układów, które skonstruowaliście. Nanieście na schematy wyniki pomiarów napięcia i natężenia prądu.
3. Dyskusja:
Wypróbujmy różne sposoby podłączenia żarówek? Jak wtedy
mierzyć napięcia i natężenia? Jak będą różniły się wartości pomiarów? W którym połączeniu przez wszystkie żarówki płynie
taki sam prąd?
• Uczniowie odpowiadają na pytania zadane przez
nauczyciela w trakcie lekcji, nauczyciel moderuje
dyskusję. Tutorzy wprowadzają wyniki pomiarów
uczniowskich do komputera lub wypisują je na
tablicy.
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013, załącznik | © for the by the Authors and Instytut Badań Edukacyjnych 2013
Karta pracy ucznia – poziom A
Klasa: .......................
żywią.
Nazwa organizmu
kapusta1
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
kapustnika
i mszyce
5
drugiej stronie):
Karta pracy autorstwa Urszuli Poziomek powstała w ramach realizowanego przez Instytut Badań Edukacyjnych
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
jakości i efektywności edukacji
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza badawczego,
współfinansowanego
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/2013, załącznik
1.Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy (żyjące na polu). Zastosuj
w schemacie maksymalną liczbę możliwych do zbudowania łańcuchów pokarmowych.
ekosystem pola.
6.Wyjaśnij szczegółowo, jak użycie przez rolnika pestycydów na polu może wpłynąć na funkcjonowanie krogulców.
...............................................................................................
...............................................................................................
(zob. poprzednia strona). Użyj do opisu organizmu maksymalną liczbę pasujących do niego terminów.
Organizm
kapusta
ślimaki
mszyce
drozdy
sikorki
biedronki
krogulce
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Ciebie w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
Karta pracy ucznia – poziom B
Klasa: .......................
żywią.
Nazwa organizmu
kapusta1
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
kapustnika
i mszyce
5
drugiej stronie):
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
1. Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy żyjące na opisanym polu). W sieci powinno być uwzględnionych minimum 3 łańcuchy pokarmowe (może być ich więcej).
ekosystem pola.
...............................................................................................
(zob. poprzednia strona). Powinieneś użyć więcej niż jednego terminu do opisu organizmu.
Organizm
kapusta
ślimaki
mszyce
drozdy
sikorki
biedronki
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
krogulce
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Ciebie w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
Karta pracy ucznia – poziom C
Klasa: .......................
żywią.
Nazwa organizmu
kapusta1
z podłoża/
gleby
ślimaki2
Liście kapusty,
liście innych
roślin
Larwy motyla
bielinka kapustnika
Liście kapusty
biedronki6
mszyce
mszyce3
Sok z tkanek
łodyg i liści
kapusty
krogulec7
Drozdy i sikorki
Zadanie
Nazwa organizmu
drozdy4
Ślimaki, inne
drobne zwierzęta
sikorki
kapustnika
i mszyce
5
drugiej stronie):
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
1. Narysuj prostą sieć pokarmową, łączącą trzy różne łańcuchy pokarmowe z opisanego pola, uwzględniając w nich
organizmy na nim żyjące.
5.Sformułuj i zapisz jeden problem, który może pojawić się w związku ze stosowaniem pestycydów
na polu i zaproponuj jedno alternatywne rozwiązanie, które pomoże chronić uprawę kapusty przed
szkodnikami.
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
(zob. poprzednia strona). Możesz użyć kilku terminów opisując jeden organizm.
Organizm
kapusta
ślimaki
mszyce
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
...............................................................................................
drozdy
sikorki
biedronki
krogulce
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
4. Opisz efekty stosowania pestycydów na pozostałe organizmy tworzące sieć pokarmową, narysowaną przez Ciebie
w punkcie 1.
.....................................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................................
Zadanie
w ramach
realizowanego
przez
Instytut
Badań Edukacyjnych
projektu Badanie
projektupowstało
Badanie jakości
i efektywności
edukacji
oraz
instytucjonalizacja
oraz
instytucjonalizacja
zaplecza
badawczego,
ze
środków
Europejskiego
Funduszu
Społecznego.
Biologia – które ciastko jest smaczniejsze?
Zadanie
Zadanie
Zadanie
1.
2.
3.
4.
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
 Tak /  Nie
3.
 Tak /  Nie
4.
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
 Tak /  Nie
3.
 Tak /  Nie
4.
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
Zadanie
Zadanie
Zadanie
1.
2.
3.
4.
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
 Tak /  Nie
3.
 Tak /  Nie
4.
 Tak /  Nie
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.
1.
 Tak /  Nie
2.
 Tak /  Nie
3.
 Tak /  Nie
4.
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
Chemia – naturalny plastik
Zadanie
Aby wytworzyć „naturalny plastik” domowym
sposobem, można użyć mleka i octu. Należy
w tym celu do litra wrzącego mleka dodać 40 ml
octu. Tę mieszaninę dalej ogrzewa się, mieszając
aż do momentu, kiedy pojawią się w niej białożółte bryłki, a sama zrobi się przejrzysta. Wtedy
należy wyłączyć palnik, a po ostygnięciu przepłukać grudki pod bieżącą wodą. Otrzymaną
masę można łatwo formować, a następnie należy odstawić na kilka dni, aż stwardnieje.
Zadanie
Zadanie
 A. Denaturacja.
 A. temperatury.
 B. ciśnienia.
 A. Denaturacja.
 A. temperatury.
 B. ciśnienia.
 A. Denaturacja.
 A. temperatury.
 B. ciśnienia.
Fizyka – jaki kupić czajnik?
Zadanie
Zadanie
Zadanie
argumenty.
argumenty.
argumenty.
1.
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie
Zadanie
Zadanie
Zadanie
argumenty.
argumenty.
argumenty.
1.
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
1.
 Tak /  Nie
2.
Stwierdzenie
Czy jest słuszne?
 Tak /  Nie
 Tak /  Nie

Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde - Biblioteka Pedagogiczna w Toruniu

Transkrypt

Podobne dokumenty

Dlaczego koala jest cool? Komórki macierzyste w medycynie regeneracyjnej PL

postępowania i źródeł w części praktycznej finału Olimpiady

Kord z Henrykowa koło Szprotawy / Falchion artefact from Henryków