Rośliny w średniowiecznym Krakowie Co rośliny robią nocą? Symulacja przyszłości

Transkrypt

1 EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 1 KWARTALNIK ISSN BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA NUMER 3(47) ROK 2013 Rośliny w średniowiecznym Krakowie Co rośliny robią nocą? Symulacja przyszłości Czy chemia da się lubić? Różne widzenie świata konspekt lekcji Co to jest SciFun i igem? SZKOŁA EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the article by the Authors for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych

2 3/2013 w numerze: 1 NAUKA biologia geografia zdrowie chemia badania środowisko fizyka przyroda SZKOŁA narzędzia dydaktyczne jak uczyć pomysły scenariusze zajęć narzędzia w internecie jak zainteresować zadania recenzje wydarzenia informacje najnowsze odkrycia Marcin W. Woch Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec Co rośliny robią nocą? Weronika Gonciarz Bakterie w bioremediacji gleby Przemysław Woźniak Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Na okładce: widok z dziedzińca zewnętrznego Wawelu z fragmentami rycin przedstawiających śnieguliczkę białą, ostrokrzew i klon polny 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 Marcin Zaród Symulując przyszłość gry komputerowe w edukacji klimatologicznej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf Różne rodzaje widzenia Ilona Żeber-Dzikowska, Urszula Poziomek Dieta vs. miażdżyca? Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE Nowe zadania PPP i zapowiedź cyklu Ryszard Kowalski OPINIE: Rozmowa ważna potrzeba Katarzyna Potyrała OPINIE: Przyroda w kształceniu KONSPEKT KONSPEKT KONSPEKT 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. 105 SciFun igem: Biologiczne klocki LEGO kontra rakotwórczy akryloamid Nowości ze świata nauki Chemia między nauczycielami i naukowcami (konferencja) W ZAŁĄCZNIKU MATERIAŁY szykuje się ważne wydarzenie? poinformuj nas o nim ebis@ibe.edu.pl recenzje (książek, a nawet płyt z muzyką), zapowiedzi wydarzeń i relacje z nich, depesze o nowościach ze świata nauki oraz dyskusje i komentarze. NAUKA SZKOŁA EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013

3 2 Redakcja Redaktor naczelny: Takao Ishikawa Sekretarz redakcji: Marcin Trepczyński Od redakcji Takao Ishikawa Redaktorzy merytoryczni: Urszula Poziomek, Jolanta Korycka-Skorupa Kontakt z redakcją i propozycje tekstów: ebis@ibe.edu.pl Strona internetowa: ebis.ibe.edu.pl Adres redakcji: ul. Górczewska 8, 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, 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 Szanowni Państwo, wakacje mamy już za sobą, a zajęcia w szkole rozpoczęły się na dobre. W redakcji Edukacji Biologicznej i Środowiskowej uznaliśmy, że to doskonały moment, żeby dostarczyć Państwu kolejny numer kwartalnika, już trzeci w tym roku. Jak zwykle, znajdą Państwo w nim wiele ciekawych artykułów i materiałów. Być może część z Państwa zdziwiona była okładką numeru 2013/3 widok Krakowa to nawiązanie do artykułu dr. Marcina Wocha o roślinach towarzyszących człowiekowi w średniowiecznym Krakowie. Myślę, że miłośnicy nie tylko botaniki, ale i historii czy geografii znajdą w tym artykule coś dla siebie. W dziale NAUKA opublikowaliśmy także artykuł o aktywności metabolicznej roślin w nocy. Wielu z nas życie roślin intuicyjnie kojarzy się ze światłem, ale jak właściwie organizmy te żyją nocą? Na takie intrygujące pytania odpowiadają autorzy z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu. Część SZKOŁA otwiera praca mgr. inż. Marcina Zaroda o grach komputerowych w edukacji klimatologicznej. Jest to dość obszerne opracowanie, ale zachęcam do zapoznania się z całością znajdą w nim Państwo także propozycje przebiegu lekcji z wykorzystaniem gier przedstawionych w artykule. Szczególnie polecam również zapowiedź cyklu artykułów o trudności w uczeniu się i nauczaniu chemii autorstwa pracowników z Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE. Jestem przekonany, że będą to materiały pomocne w prowadzeniu lekcji z chemii i pozwolą spojrzeć na ten przedmiot z nieco innej perspektywy. W tym numerze znajdą Państwo także artykuł prof. Katarzyny Potyrały o roli nauczyciela w szeroko rozumianej edukacji przyrodniczej, w wychowaniu do kultury przyrodniczej i zrównoważonego rozwoju. Ostatnia część kwartalnika to dział. Jak w każdym numerze dostarczamy Państwu aktualne ciekawostki ze świata nauki, a także informacje o interesujących źródłach internetowych i przedsięwzięciach. Co to jest SciFun albo igem? Zachęcamy do lektury kwartalnika EBiŚ, a na pewno Państwo dowiedzą się, co ciekawego kryje się za tymi skrótami! Życzę roku szkolnego i akademickiego pełnego sukcesów! Takao Ishikawa NAUKA SZKOŁA EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013

4 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch Streszczenie: zgodność z PP zob. s. 9 Historia cywilizacji człowieka naznaczona jest towarzyszeniem specyficznych gatunków roślin. Ich obecność ściśle wiąże się z dawnymi procesami gospodarczymi i siedliskami przekształconymi przez człowieka. Podczas szeregu badań archeobotanicznych przeprowadzonych w latach w średniowiecznych osadach Krakowa (z wieków IX XV) odnajdywano wiele szczątków nasion i owoców. Były to głównie szczątki roślin użytkowych oraz roślin określanych jako synantropijne: kultywary, chwasty upraw, rośliny ruderalne. Najwięcej znajdywano szczątków chwastów upraw zbożowych, upraw lnu, a także upraw okopowych i ogrodowych. Drugą grupą były szczątki należące do rocznych i dwuletnich roślin siedlisk ruderalnych oraz ciepłolubnych wieloletnich zbiorowisk synantropijnych. Dzięki zastosowaniu analizy właściwości ekologicznych poszczególnych gatunków synantropijnych oraz amplitud ekologicznych tworzonych przez nie zbiorowisk jesteśmy w stanie zrekonstruować warunki panujące w dawnym środowisku człowieka oraz wskazać, gdzie lokowano poszczególne typy upraw. Słowa kluczowe: archeobotanika, rośliny synantropijne, średniowieczny Kraków, uprzednia zgoda otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: dr Marcin W. Woch: Instytut Biologii, Uniwersytet Pedagogiczny im. KEN, ul. Podchorążych 2, Kraków, jurania@o2.pl Podłoże historyczne Kraków jest starym ośrodkiem osadniczym położonym na styku kilku odwiecznych szlaków handlowych i krain geobotanicznych. Z bogatymi ponad tysiącletnimi dziejami miasta nieodłącznie związane były rośliny, które umożliwiały egzystencję jego mieszkańców i rozwój miasta. Jedne z nich były sprowadzane lub uprawiane w celach użytkowych, inne samoistnie wykorzystywały nowe środowiska stworzone przez człowieka, jak uprawy i tereny osadnicze. Przez wieki szczątki roślinne nawarstwiały się w miejscach codziennej pracy i odpoczynku człowieka, stanowiąc zapis dziejów miasta, podobnie jak słoje przyrostów rocznych życia drzewa. Interpretacja znalezisk roślinnych pochodzących z wykopalisk archeologicznych pozwala rzucić światło na codzienność świata, w jakim przyszło żyć dawnym krakowianom, jednak wymaga ona sięgnięcia do dorobku różnych dziedzin nauk, jak archeologia, botanika, ekologia, etnologia oraz historia. Archeobotaniczne rozważania nad gatunkami roślin znalezionych w materiale wykopaliskowym rozpoczyna się od określenia ich właściwości użytkowych i ekologicznych. Są to również dwa kierunki stanowiące podstawę, na której opierają się dalsze analizy, jak wnioskowanie o procesach gospodarczych, powiązaniach handlowych i warunkach środowiska panujących w średniowiecznym mieście i jego okolicach. Spoglądając na dzisiejszy Kraków trudno sobie uzmysłowić, że w okresie średniowiecza był on grupą osad luźno rozrzuconych pośród terenów bagiennych, tworzonych przez koryta i liczne rozlewiska rzek Wisły, Prądnika, Rudawy i Wilgi. Na zgrupowania osadnicze istniejące już we wczesnym średniowieczu (od ok. IX X do XII lub XII/XIII w.), które dzisiaj określamy terminem stary Kraków, składały się: gród plemienny, a następnie siedziba książęca na Wawelu, podgrodzie obronne Okół, położone u jego podnóża oraz zespół osad przygrodowych o charakterze mieszkalnym i gospodarczym usytuowanych na obu brzegach Wisły oraz między dolinami rzek (ryc. 1). Tereny wzgórza wawelskiego, gdzie ufortyfikowana osada istniała już na przełomie VII i VIII stulecia, stały się następnie ufortyfikowanym grodem plemiennym w państwie Wiślan (Zaitz, 2012). Na początku IX w., u podnóża północno- -wschodnich stoków wzgórza wawelskiego, powstało podgrodzie książęce Okół wraz z kilkoma osadami powiązanymi funkcjonalnie z grodem, których położenie pokrywa się w przybliżeniu z dzisiejszą starówką. Z tym czasem wiążą się również początki skupisk zabudowań, które dały początek dzisiejszym dzielnicom Kazimierz, Podgórze, Zakrzówek i Zwierzyniec. Po najeździe tatarskim w 1257 r. książę Bolesław V Wstydliwy nadał miastu przywilej lokacyjny na prawie magdeburskim (tzw. Lokacja Krakowa). Na terenach Wawelu, Okołu i pobliskich osad wytyczono nowe miasto o charakterystycznym, zachowanym do dziś szachownicowym, układzie ulic i zabudowań składających się na tzw. Stare Miasto (Wyrozumski, 1992). W późnym średniowieczu (od połowy XIII do końca XV w.) obok nadających się do zamieszkania i prowadzenia upraw suchych terenów, gdzie rozrastało się miasto, nadal istniały rozległe rozlewiska rzek i starorzecza (ryc. 2). Największe z nich nazywano Bagnami Żabiego Kruka oraz Stawami św. Sebastiana (Zaitz, 2012). Badania archeobotaniczne Pierwsze wykopaliska na terenie starego Krakowa, gdzie analizowano również znaleziska roślinne, przeprowadzono przed II Wojną Światową. Były to tzw. ratownicze badania archeologiczne, które prowadzi się w celu zbadania i udokumentowania obiektów archeologicznych na terenie zagrożonym ich zniszczeniem. NAUKA SZKOŁA

5 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/2013 Ryc. 1. Średniowieczny Kraków a przypuszczalne lokalizacje upraw okopowych i ogrodowych, b wzniesienia i zbocza, c osady, d rzeki i stawy SZKOŁA NAUKA Na podstawie Mueller-Bieniek, 2012; zmodyfikowane. Przeprowadzili je w 1934 r. Gabriel Leńczyk (przy budowie stacji transformatorowej na Rynku Głównym, po północno-zachodniej stronie Sukiennic) oraz Rudolf Jamka (przy kościele św. Wojciecha). Szerzej zainteresowano się szczątkami roślinnymi również przy wykopaliskach na terenie wiślanego grodu książęcego na wzgórzu wawelskim oraz wczesnośredniowiecznego podgrodzia Okół, na pl. Św. Marii Magdaleny oraz na terenie tzw. Skarpy przy Plantach przy ul. Św. Gertrudy (Zaitz, 2012). Epoka kompleksowych badań pod kątem szczątków roślinnych rozpoczęła się po II wojnie światowej wraz z szerzej zakrojonymi studiami mającymi na celu odtworzenie średniowiecznej roślinności wzgórza wawelskiego i jego otoczenia, zainicjowanymi w 1955 r. przez Władysława Szafera i Andrzeja Żakiego (Wasylikowa, 1991). W latach pracownicy Muzeum Archeologicznego w Krakowie pod kierunkiem Kazimierza Radwańskiego prowadzili wykopaliska na Rynku Głównym. Opracowano wtedy szczątki roślinne pochodzące z dwóch wykopów archeologicznych z okresów wczesnego średniowiecza, późnego średniowiecza oraz okresów późniejszych tzw. czasów nowożytnych (Wieserowa, 1979). Archeobotaniczne studia średniowiecznego Krakowa przybrały największą skalę na przełomie XX i XXI w. Prowadzono je równolegle z pracami konserwatorskimi i modernizacyjnymi kamienic, placów i ulic na obszarze Starego Miasta, Kazimierza, Kleparza i dawnych przedmieść (Zaitz, 2012). Największymi z nich były badania sondażowe i ratownicze wykonywane przy przebudowie płyty Rynku Głównego (wczesne i późne średniowiecze) i Małego Rynku (głównie późne średniowiecze) w latach (Mueller-Bieniek, 2012). W opracowywaniu uzyskanych w ich trakcie znalezisk uczestniczył również autor; niniejszy artykuł powstał w oparciu o uzyskaną wtedy wiedzę, jak również na bazie wcześniejszej literatury. 4 Znaleziska roślinne Badania archeobotaniczne średniowiecznych nawarstwień Krakowa przyniosły znalezienie szczątków wielu gatunków roślin, które dawniej towarzyszyły człowiekowi jako gatunki uprawne, jako roślinność spontanicznie rozwijająca w pobliżu jego siedzib (tzw. roślinność ruderalna) lub jako chwasty w uprawach (tzw. roślinność segetalna). Zarówno na roślinność ruderalną, jak i segetalną mogły składać się gatunki rodzime (apofity), jak i obce we florze Polski (antropofity). Rośliny te zdołały się zaadaptować do nowych dla przyrody siedlisk tworzących się wraz z rozwojem cywilizacji (tzw. siedlisk synantropijnych). Antropofity są spe- EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the article by the Authors 2013 for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013

6 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ cyficzną, ściśle związaną z rozwojem cywilizacji grupą roślin. Ich nasiona były w poszczególnych okresach dziejów Krakowa celowo lub przypadkowo zawlekane na teren Polski z różnych stron świata, zależnie od kierunków przemieszczania się ludów oraz powiązań handlowych. Ta kluczowa grupa roślin, nie tylko będąca świadkiem historii Krakowa, ale także jej współtwórcą, będzie tematem dalszej części artykułu. Archeofity Ryc. 2. Widok późnośredniowiecznego Krakowa z Kroniki świata Hartmana Scheda (1493) Źródło: Pośród antropofitów najwięcej znajdywanych jest szczątków należących do archeofitów, czyli roślin zawleczonych najdawniej, tj. od neolitu do epoki wielkich odkryć geograficznych z końca XV w. (umownego końca średniowiecza). Rośliny takie z reguły stanowią około 90% znajdywanych antropofitów (Trzcińska-Tacik i Wieserowa, 1976; Trzcińska-Tacik i Wasylikowa, 1982; Mueller-Bieniek, 2012; Woch, 2012). Większość znajdywanych szczątków z grupy archeofitów to przeważnie rośliny, które współcześnie są gatunkami ruderalnymi lub chwastami w uprawach. Znajduje się wśród nich dużo roślin ciepłolubnych, gdyż ojczyzną większości z nich są tereny położone na południe od Polski, jak Nizina Węgierska oraz rejony Morza Czarnego i Morza Śródziemnego. Z czasem rośliny te zaaklimatyzowały się również w obszarach Europy położonych bardziej na północ. Analiza właściwości użytkowych archeofitów sugeruje, że większość z nich mogła być dawnymi roślinami użytkowymi. Być może niegdyś uprawiano je lub zbierano na pokarm dla ludzi i paszę dla zwierząt lub stosowano je w medycynie i obrzędach. Na przestrzeni dziejów zaprzestano użytkowania wielu gatunków, a część reliktów dawnych upraw zaczęło się spontanicznie rozprzestrzeniać (Woch, 2012). Przykładem roślin o dużym znaczeniu dla człowieka, niegdyś uprawianych, a współcześnie występujących na siedliskach ruderalnych, mogą być różne gatunki ślazu (Malva). Były one użytkowane ze względu na lecznicze właściwości zawartych w nich śluzów i garbników, a także na pożywienie ludzi i zwierząt. Na teren Europy Środkowej mogły być najpierw importowane, a następnie zaczęto je uprawiać. Niekiedy, jak np. ślaz zygmarek (Malva alcea), mogły uciekać z upraw i rozprzestrzeniać się w ich pobliżu, z czasem rozszerzając swój areał o półnaturalne zbiorowiska ruderalno-łąkowe i murawy kserotermiczne (Celka, 1999; Woch, 2012). Inną rośliną, o której wiadomo, że była uprawiana w pradziejach, a obecnie jest pospolitym chwastem i rośliną ruderalną, jest palusznik krwawy (Digitaria sanguinalis). Jego ziarna były spożywane w postaci kasz i zup. Choć uprawa palusznika z czasem zupełnie zanikła, był on w czasie głodu zbierany ze stanu dzikiego. Przypuszczalnie podobna sytuacja miała miejsce z innymi pospolitymi chwastami, jak np. chwastnica jednostronna (Echinochloa crus-galli) lub włośnice: sina (Setaria pumila), zielona (S. viridis) i okółkowa (S. verticillata) (Mueller-Bieniek, 2012). Inne gatunki obce w naszej florze mogły do nas trafiać przypadkiem, poprzez zawleczenie z materiałem siewnym (chwasty), z transportem towarów, czy innymi sposobami, jak np. poprzez nasiona przyczepione do ubrań przemieszczających się ludzi, sierści zwierząt lub przetransportowywane w treściach przewodów pokarmowych ludzi i towarzyszących im zwierząt. W wyniku ewolucji różne gatunki roślin wykształciły przystoso- NAUKA SZKOŁA

7 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ wania umożliwiające im rozsiewanie się i przenoszenie na duże odległości. Diaspory gatunków rozsiewanych z udziałem zwierząt (zoochoria) mogą być np. przyczepione do sierści albo zjadane i później defekowane. Wśród szczególnych przystosowań nasion do takiego sposobu rozsiewania są np. haczyki przyczepiające je do sierści zwierząt, specjalne twory na nasionach z substancjami odżywczymi (tzw. elajosomami), zachęcające mrówki do zabierania nasion, albo jadalne części owocu. U gatunków rozprzestrzeniających się z udziałem człowieka (antropochoria), jak np. u chwastów towarzyszących uprawom, doszło do ewolucyjnego dostosowania cyklów życiowych i budowy nasion w taki sposób, aby mogły one być co roku zbierane razem z ziarnem i znaleźć się w materiale przeznaczonym na siew w kolejnym sezonie (speirochoria). Rośliny użytkowe Głównym czynnikiem wpływającym na jakość gromadzącego się materiału archeologicznego była działalność człowieka, szczątki roślin użytkowych stanowią ważną część znalezisk. W ogrodach i małych poletkach, które mogły znajdować się wszędzie, zarówno na Rynku, przy zabudowaniach, jak i w otoczeniu miasta, uprawiano głównie jarzyny i zioła, takie jak: kapusta warzywna (Brassica oleracea), rzepak (Brassica napus), kapusta rzepa (Brassica rapa), cebula (Allium cepa), koper ogrodowy (Anethum graveolens), groch siewny (Pisum sativum) oraz bób (Vicia faba). Z roślin o zastosowaniu leczniczym, najprawdopodobniej, gdyż nie jest wykluczone również pozyskiwanie ich ze stanowisk naturalnych, uprawiano miętę (Mentha sp.), czyścice lekarską (Calamintha officinalis), lebiodkę pospolitą oregano (Origanum vulgare) (Wieserowa, 1979; Mueller-Bieniek, 2012). Rośliny zbożowe zwożono z upraw zlokalizowanych w bliższych lub dalszych okolicach miasta. Najliczniej znajdowanym jest proso zwyczajne (Panicum miliaceum), co mogło by wskazywać, że było ono najpopularniejsze. Pospolicie uprawiane było żyto zwyczajne (Secale cereale), jęczmień zwyczajny (Hordeum vulgare) oraz owies zwyczajny (Avena sativa). Również w charakterze zboża był uprawiany szarłat siny (Amaranthus lividus), włośnica ber (Setaria italica) i pszenica samopsza (Triticum monococcum) (Mueller-Bieniek, 2012). W krakowskich wykopaliskach znajdywano także liczne orzeszki pozostałe po spożywaniu owoców figowca właściwego (Ficus carica). Świadczy to o powiązaniach handlowych mieszkańców miasta z dalej położonymi na południe krajami. Niewykluczone też, że w cieplejszych okresach średniowiecza próbowano jego uprawy. Część znalezisk archeobotanicznych z Krakowa pochodzi z warstw z okresu tzw. średniowiecznego optimum klimatycznego (wieki IX XIV). Był to okres wyjątkowo ciepłego klimatu, być może, poza importem, próbowano uprawy fig pod osłoną lub w najcieplejszych miejscach, o wystawie południowej, klasztornych winnic i ogrodów. Dawne uprawianie tego gatunku na terenie Polski sugeruje również Kluk (1788), podając jego zasady i możliwość uzyskiwania owocostanów, nawet od okazów rosnących poza szklarnią. Wiadomo też, że już na terenie Czech i Słowacji był on uprawiany w winnicach w okresie średniowiecza. Co może przynieść analiza znalezisk chwastów Analiza składu gatunkowego znalezionych chwastów z wykopalisk może dostarczyć pewnych wskazówek co do charakteru i lokalizacji dawnych upraw. Wiadomo, że poszczególnym typom upraw towarzyszą charakterystyczne dla nich gatunki chwastów. Wydziela się dwa rodzaje zbiorowisk segetalnych: występujące w uprawach okopowych i małopowierzchniowych uprawach przydomowych (rząd Polygono-Chenopodietalia) oraz chwasty towarzyszące uprawom zbożowym (z rzędu Centauretalia cyani) (Matuszkiewicz, 2008). Zbiorowiska chwastów tworzą dodatkowo specyficzną kombinację gatunków w zależności od tego, na jakiej glebie założono uprawy, m.in. kwaśnej lub zasadowej, piaszczystej lub gliniastej, albo w zależności od tego, czy uprawy zakładano na błotnistych glebach aluwiów rzecznych, czy suchych, ze względu na ich wyższe położenie. Dawni mieszkańcy dysponowali dosyć prymitywną techniką zbioru i obróbki plonów. W dodatku wiele gatunków chwastów wykształciło na drodze ewolucji nasiona, które wielkością i kształtem upodobniły się do ziarna roślin uprawnych. Wiele nasion i innych szczątków chwastów trafiało więc razem z płodami rolnymi do miasta. Wchodzące z czasem w skład warstw osadniczych szczątki roślinne umożliwiają archeobotanikom oznaczenie przybliżonego składu gatunkowego chwastów towarzyszących dawnym uprawom, wskazanie ich typu oraz prawdopodobnej ich lokalizacji. W wykopaliskach odnajduje się najwięcej gatunków chwastów zbiorowisk występujących w uprawach okopowych i małopowierzchniowych uprawach przydomowych (związek Polygono-Chenopodion). Drugą co do udziału grupę roślin stanowią chwasty zbiorowisk towarzyszące uprawom zbożowym (Woch, 2012). Roślinność ta charakterystyczna jest dla gleb żyznych, o odczynie obojętnym lub zasadowym, często wykształcających się na podłożu wapiennym. Największy był w niej udział gatunków współcześnie tworzących zespół Oxalido-Chenopodietum polyspermi zbiorowiska segetalnego szczególnego typu, związanego z gliniastymi aluwiami i madami nadrzecznymi. Mogło by to sugerować że ówczesne uprawy okopowe prowadzono głównie na terasach zalewowych Wisły i jej dopływów (ryc. 1). Miejsca te mogły być łatwiejsze do uprawy ze względu na nanoszenie żyznego materiału w trakcie wylewów rzeki oraz lepszemu utrzymywaniu się wilgoci w glebie w porach suchych. Zwłaszcza w okresie wczesnośred- NAUKA SZKOŁA

8 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ niowiecznego suchego i ciepłego klimatu, obszary te mogły okresowo stanowić ostatnie tereny nadające się jeszcze pod uprawę roślin okopowych, szczególnie wymagających wody, a uprawianych w warunkach chronicznego jej niedoboru na terenach wyżej położonych. Przemawia za tym największa koncentracja szczątków roślin z takich siedlisk przypadająca właśnie na okres wczesnego średniowiecza. Wyniki badań z różnych dziedzin archeobotaniki potwierdzają przybliżanie się w tym okresie osadnictwa do terenów zalewowych rzeki, wskazują także, że było to związane właśnie z wieloletnim utrzymywaniem się niskich stanów Wisły (Radwański, 1972; Wasylikowa, 1991). Na lokowanie upraw w bliskim sąsiedztwie rzek wskazuje dodatkowo częsty udział wśród znalezionych archeofitów roślin ze związku Chenopodion fluviatile, występujących na błotnistych, wysychających latem brzegach zbiorników wodnych, odsłoniętych łachach rzecznych i miejscach naniesienia mułu przy wylewie rzek (Trzcińska-Tacik i Wieserowa, 1976; Wasylikowa, 1991; Mueller-Bieniek, 2012; Woch, 2012). Zbiorowiska te nawiązują składem gatunkowym do zespołów roślin upraw okopowych poprzez stały udział gatunków charakterystycznych dla rzędu Polygono-Chenopodietalia. Ponadto w materiale wystąpiły wszystkie gatunki tworzące zespół Chenopodietum glauco-rubri typowy dla wysoko zeutrofizowanych wilgotnych podwórek lub miejsc spływu fekaliów. Stan sanitarny ówczesnych ulic i placów miasta sugeruje, że zespół ten mógł mieć warunki sprzyjające pospolitemu występowaniu. Wysoki udział gatunków go reprezentujących dodatkowo wskazuje, że uprawy okopowe o dużych wymaganiach nawozowych mogły znajdować się na terasach zalewowych, raczej w niedalekiej odległości od domostw, a zbiorowiska segetalne i ruderalne pod względem składu były do siebie zbliżone i mogły przestrzennie kontaktować się ze sobą. Topograficznie najbardziej takiemu opisowi właściwości siedliskowych odpowiadają obniżone terasy zalewowe przy ujściu Rudawy do Wisły, przylegające od zachodniej strony do miasta, ówcześnie stanowiąc podmokłe aluwium, poprzecinane licznymi odnogami rzek z niewielkimi zbiornikami wodnymi. Podobny charakter mogły mieć również obszary od strony południowej i wschodniej, gdzie przebiegała odnoga Wisły oraz rejon ujścia Wilgi tereny również okresowo zalewane przez rzeki (ryc. 1). Największe znajdowane nagromadzenia szczątków roślinnych należą najczęściej do takich chwastów jak czyściec roczny (Stachys annua), jasnota purpurowa (Lamium purpureum), nawrot polny (Lithospermum arvense), wilczomlecz obrotny (Euphorbia helioscopia), włośnice: sina (Setaria pumila), okółkowa (S. verticillata) i zielona (S. viridis) oraz chwastnica jednostronna (Echinochloa crus-galli). Są to chwasty reprezentujące zbiorowiska charakterystyczne dla upraw okopowych na uboższych i średnio żyznych piaskach gliniastych (ze związku Panico-Setarion). Jednakże rośliny te znane są także ze swych wartości użytkowych, dlatego niewykluczone, że duże nagromadzenia ich szczątków związane jest z ich uprawą lub zbieraniem na pożywienie. Gatunki te mogły również rosnąć wewnątrz miasta, zarówno w ciągle zaburzanych siedliskach ruderalnych, jak i drobnych uprawach przydomowych. Drugą grupę znajdywanych szczątków stanowią chwasty upraw zbożowych (ze zbiorowisk z rzędu Centauretalia cyani). Analizując amplitudy siedliskowe znajdowanych gatunków i tworzonych przez nie zbiorowisk, można określić, z jakich rejonów najczęściej zboże było transportowane do miasta, podobnie jak w przypadku opisanych wyżej chwastów upraw okopowych. Obecnie chwasty przegrywają z nowoczesnymi metodami walki z nimi i stosowaniem odmiennej agrotechniki, do której były przystosowane. Toteż niektóre z nich znajduje się już tylko w wykopaliskach. Takie rośliny, ściśle związane z uprawami lnu o dawnej agrotechnice, jak lnicznik właściwy (Camelina alyssum) czy kanianka lnowa (Cuscuta epilinum), są obecnie uznawane za wymarłe na terenie Polski (Trzcińska-Tacik i Wieserowa, 1976; Wasylikowa, 1991; Mueller-Bieniek, 2012; Woch, 2012). Rośliny ruderalne Gatunki ruderalne są, obok chwastów, najliczniejszą grupą roślin towarzyszących człowiekowi. Wykształciły one w swej strategii życiowej mechanizmy wykorzystywania wszelkich nadających się do opanowania siedlisk stworzonych przez człowieka. Siedliska te często są w różny sposób zaburzane poprzez ciągłą aktywność ludzi. Są także użyźniane ekskrementami ludzi i zwierząt gospodarskich oraz gromadzącymi się odpadkami. Do bytowania w takich miejscach szczególnie przystosowały się azotolubne gatunki, które swój cykl życiowy od wykiełkowania do wydania nasion, odbywają w jednym (terofity) do dwóch (rośliny dwuletnie) sezonach wegetacyjnych. Szczątków takich roślin znajduje się najwięcej. Wyrosły one na siedliskach bliskiego otoczenia siedzib człowieka wewnątrz miasta. Wśród najczęściej znajdowanych gatunków, które mogły rosnąć na terenie średniowiecznego Krakowa są rośliny również dzisiaj pospolicie rosnące na tym terenie. Przy drogach i innych silnie wydeptywanych miejscach, jak Rynek, powszechnie mogły rosnąć rdest ptasi (Polygonum aviculare) i babka zwyczajna (Plantago major). Na siedliskach wzbogaconych w azot, takich jak śmietniska, sąsiedztwa latryn, zabudowań i płotów, częsty mógł występować łopian większy (Arctium lappa), łoboda rozłożysta (Atriplex patula), tasznik pospolity (Capsella bursa-pastoris), komosy biała (Chenopodium album) i wielkolistna (Ch. hybridum), ślaz dziki (Malva sylvestris), szczaw tępolistny, (Rumex obtusifolius), pokrzywy: zwyczajna (Urtica dioica) i żegawka (U. urens). Wzdłuż rowów i ścieków masowo mogły się NAUKA SZKOŁA

9 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ pojawiać nitrofilne terofity, takie jak uczepy trójlistkowy (Bidens tripartita) i zwisły (B. cernua), oraz rdesty kolankowy (Polygonum lapathifolium) i ostrogorzki (P. hydropiper) (Wieserowa, 1979; Mueller-Bieniek, 2012). Spośród znajdowanych roślin ruderalnych wiele z nich to rośliny wybitnie ciepłolubne. Przyczyniły się do tego specyficzne, korzystne warunki mikroklimatyczne lokalizacji Krakowa. Znajdowano szczątki współcześnie rzadkich na terenie Małopolski roślin pochodzących z południowych rejonów Europy, takich jak lulek czarny (Hyoscyamus niger), ślaz piżmowy (Malva moschata), szanta zwyczajna (Marrubium vulgare) oraz portulaka pospolita (Portulaca oleracea subsp. oleracea) (Trzcińska-Tacik i Wieserowa, 1976; Wasylikowa, 1991; Mueller-Bieniek, 2012; Woch, 2012). Podsumowanie Z racji tego, że rozważania o średniowiecznym środowisku opiera się na informacjach uzyskanych z badań nagromadzeń miejskich, istnieją pewne ograniczenia co do zakresu wnioskowania. Decydującym czynnikiem wpływającym na skład gatunkowy flory kopalnej była działalność człowieka. Rośliny, ze względu na swoje właściwości użytkowe, były przedmiotem celowego sprowadzania lub uprawy na terenie miasta. Jednocześnie osadnictwo i rolnictwo tworzyło nowe warunki siedliskowe, sprzyjające rozwojowi charakterystycznej flory synantropijnej. Większość opisanych wyżej gatunków takiej roślinności do dzisiaj występuje na terenie Krakowa i jego okolic. Uznajemy je za elementy spontanicznie rozwijających się zbiorowisk ruderalnych i segetalnych. Jednak prawie wszystkie posiadają również właściwości użytkowe. Nasza ograniczona wiedza, na ile w różnych okresach dziejowych właściwości te były znane i wykorzystane, często utrudnia rozstrzygniecie, czy znalezione szczątki danego gatunku pochodzą z naturalnych (dzikich) stanowisk w obrębie dawnego miasta, czy z uprawy lub zbieractwa. Dlatego szczególne znaczenie ma analiza archeofitów, gdyż ta grupa roślin synantropijnych, pierwotnie nie występujących we florze Polski, towarzyszy człowiekowi już od czasów neolitycznego osadnictwa i rolnictwa. Wyśledzenie pierwotnych ojczyzn takich roślin, ich wymagań siedliskowych i możliwości użytkowania dostarczyło wielu wskazówek o warunkach życia, gospodarce i powiązaniach handlowych dawnych mieszkańców Krakowa (Mueller- -Bieniek i Woch, 2012). W wykopaliskach miejskich najwięcej znajduje się roślin o właściwościach użytkowych, gdzie na pierwsze miejsce wysuwają się cechy lecznicze. Dawne społeczeństwa posiadały rozległą wiedzę o zastosowaniach roślin przy leczeniu rozmaitych przypadłości zarówno natury fizycznej jak i duchowej, która do dzisiejszych czasów w znaczenie mierze uległa zapomnieniu (Jędrzejko, 2001; Łuczaj i Szymański, 2007). Trudno też nam sobie dziś zdać sprawę z tego, że dawniej wielkie znaczenie miały przypisywane wielu gatunkom właściwości magiczne. Każdej chorobie trapiącej ludzi odpowiadał specyficzny zestaw ziół leczniczych. Miały one również powszechne zastosowanie w rozmaitych obrzędach w celu odstraszania lub uzyskania przychylności różnych mocy. Rośliny czyniły trudne życie średniowiecznych mieszkańców Krakowa bardziej znośnym w każdym jego aspekcie. Literatura Celka Z (1999): Rośliny naczyniowe grodzisk Wielkopolski. Poznań, Bogucki Wydawnictwo Naukowe. Jędrzejko K (2001). Medicinal plants and herbal materials in use in Poland: a check list. Wykaz roślin i surowców leczniczych stosowanych w Polsce. Katowice: Śląska Akademia Medyczna. Łuczaj Ł, Szymański WM (2007). Wild vascular plants gathered for consumption in the Polish countryside: a review. J Ethnob Ethnom. 3(17):1-22. Kluk K (1808). Dykcjonarz roślinny, tom 1-3. A Z. Warszawa: Drukarnia Księży Pijarów. Matuszkiewicz W (2008). Przewodnik do oznaczania zbiorowisk roślinnych Polski. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN. Mueller-Bieniek A, Woch MW (2012). Właściwości użytkowe i ekologiczne oraz kody roślin znalezionych w warstwach archeologicznych średniowiecznego Krakowa. W: Mueller-Bieniek A, red. Rośliny w życiu codziennym mieszkańców średniowiecznego Krakowa. Kraków: Instytut Botaniki im. W. Szafera PAN; Radwański K (1972). Stosunki wodne wczesnośredniowiecznego Okołu w Krakowie, ich wpływ na topografię osadnictwa, próby powiązania tych zjawisk ze zmianami klimatycznymi. Materiały Archeologiczne 13:5-40. Trzcińska-Tacik H, Wieserowa A (1976). Flora of Cracow in the Early Medieval and Medieval periods. Folia Quaternaria 47: Trzcińska-Tacik H, Wasylikowa K (1982). History of the synanthropic changes of flora and vegetation of Poland. Mem. Zool. 37: Wasylikowa K (1991). Roślinność Wzgórza Wawelskiego we wczesnym i późnym średniowieczu na podstawie badań paleobotanicznych. Studia do Dziejów Wawelu 5: Wieserowa A (1979). Plant remains from the Early and Late Medieval Ages found in the settlement layers of the Main Market Square in Kraków. Acta Pal. 20: Woch MW (2012). Antropofity znalezione w trakcie badań archeobotanicznych średniowiecznego Krakowa. W: Mueller-Bieniek A, red. Rośliny w życiu codziennym mieszkańców średniowiecznego Krakowa. Kraków: Instytut Botaniki im. W. Szafera PAN; Wyrozumski J (1992). Dzieje Krakowa. W: Bieniarzówna J, Małecki JM, red. Dzieje Krakowa. Kraków do schyłku wieków średnich, tom 1. Kraków. Kraków: Wydawnictwo Literackie. Zaitz E (2012). Rozwój osadnictwa w średniowiecznym Krakowie na tle danych archeologicznych i paleośrodowiskowych. W: Mueller- -Bieniek A, red. Rośliny w życiu codziennym mieszkańców średniowiecznego Krakowa. Kraków: Instytut Botaniki im. W. Szafera PAN; Czytelnik szerzej zainteresowany tematyką roślin towarzyszących człowiekowi w średniowiecznym mieście więcej informacji może znaleźć w niedawno ukazanej monografii Rośliny w życiu codziennym mieszkańców średniowiecznego Krakowa (red. Mueller-Bieniek 2012). NAUKA SZKOŁA

10 Rośliny towarzyszące człowiekowi w średniowiecznym Krakowie Marcin W. Woch EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Plants accompanying of human in the medieval Kraków Marcin W. Woch The history of human civilization is marked by accompaniment of specific plants. Their occurrence is strictly connected with economic processes and places disturbed by human. During a few archaeobotanical studies carried out in Kraków between years 1934 and 2001, many fruits and seeds of pant species were found in medieval layers dated to the 9 15th centuries A.D. They were mainly useful and synanthropic plants: weeds, ruderals and former cultivars or cultivars. These plants were dominated by weeds of cultivated crops characteristic of cornfields and flax fields and of root crops and gardens. Second types of debris are dominated by species characteristic of annual and biennial vegetation communities in ruderal habitats also thermophilic and heavily nitrophilous ruderal communities. Thanks to application of ecological characterization of individual synanthropic species and phytosociological analyses of ecological amplitudes of assemblages forming by them, it was possible to reconstruct environmental conditions ruling in medieval Kraków and location of several types of agricultures. Key words: archaeobotanica, medieval Kraków, synanthropic plants Dr Marcin W. Woch Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej Biologia IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony: 5. Rośliny lądowe. Uczeń: 6) podaje przykłady znaczenia roślin w życiu człowieka (np. rośliny jadalne, trujące, przemysłowe, lecznicze). 8. Rośliny - rozmnażanie się. Uczeń: 4) opisuje podstawowe sposoby rozsiewania się nasion (z udziałem wiatru, wody i zwierząt), wskazując odpowiednie adaptacje w budowie owocu. NAUKA SZKOŁA

11 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec Streszczenie: zgodność z PP zob. s. 16 Życie na Ziemi jest zależne od kilku czynników. Jednym z nich jest światło i reakcje zachodzące przy jego udziale. To dzięki reakcjom fotosyntezy energia promieniowania słonecznego zamieniana jest w energię wiązań chemicznych i w tej postaci przekazywana jest od organizmów autotroficznych, czyli producentów do wszystkich organizmów. W reakcjach fotosyntezy powstaje również tlen, który jest niezbędny dla większości organizmów i wykorzystywany w reakcjach oddychania komórkowego. Skoro rośliny produkują energię i tlen w dzień, to czy w takim razie noc jest im w ogóle potrzebna. A jeśli nawet tak, to co one robią w nocy? Praca ta opisuje najważniejsze procesy fizjologiczne i biochemiczne zachodzące w organizmach roślinnych przy braku dostępu do światła, zarówno w warunkach naturalnych (noc), jak i w sytuacji sztucznego zaciemnienia roślin. Odpowiedź na pytanie postawione w tytule pracy znajduje się w omówieniu m.in. takich procesów jak: fotosynteza, oddychanie komórkowe, ruchy roślin, regulacja otwierania/zamykania aparatów szparkowych i regulacja kwitnienia. Słowa kluczowe: ciemność, fizjologia roślin, fotoperiodyzm, fotosynteza, oddychanie komórkowe otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Wieczorem, kiedy słońce chowa się za horyzontem i w szybkim tempie maleje natężenie światła, u wielu roślin można zaobserwować pewne przygotowania do nadejścia nocy. Niektóre gatunki roślin, m.in. fasola, szczawik, czułek (mimoza), opuszczają blaszki liściowe. Z kolei bodziszek i szczawik zamykają kwiaty, a inne rośliny jak bniec biały czy lepnica otwierają je z nadejściem nocy (Kopcewicz, 2002; Szweykowska, 2000). Wszystkie te ruchy są odpowiedzią na zmianę natężenia światła i noszą wspólną nazwę fotonastii. Część z tych ruchów regulowana jest nie tylko zmianami natężenia światła, ale podlega także kontroli zegara biologicznedr Łukasz Wojtyla: adiunkt w Zakładzie Fizjologii Roślin Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, wojtylal@amu.edu.pl dr Małgorzata Adamiec: adiunkt w Zakładzie Fizjologii Roślin Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Wstęp Co rośliny robią nocą? Intuicyjnie chciałoby się odpowiedzieć, że śpią, przecież w nocy brakuje światła do fotozyntezy. Ustają więc reakcje mające na celu konwersję, czyli zamianę, energii promieniowania słonecznego w energię wiązań chemicznych wykorzystywaną do asymilacji dwutlenku węgla i reakcji syntez związków organicznych. Skoro więc w nocy nie zachodzi fotosynteza, co w takim razie robią rośliny i czy noc jest im potrzebna? Na te pytanie spróbujemy odpowiedzieć poprzez ukazanie różnic w przebiegu procesów biochemicznych i fizjologicznych istotnych dla prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin pomiędzy dniem a nocą. Wspomnimy także o ruchach roślin i procesach regulowanych poprzez właściwy stosunek długości dnia i nocy, takich jak regulacja kwitnienia roślin fotoperiodycznie wrażliwych, wpływ światła na procesy fotomorfogenezy, czyli regulację pokroju roślin przez światło, oraz znaczenie światła w spoczynku roślin. Skąd rośliny wiedzą, że nadchodzi noc? Światło słoneczne odgrywa w morfogenezie i regulacji metabolizmu roślin niezwykle ważną rolę. Jest nie tylko podstawowym źródłem energii wykorzystywanym w procesie fotosyntezy, lecz także indukuje szereg procesów związanych ze wzrostem i rozwojem roślin, które określane są jako procesy morfogenetyczne (Kopcewicz i wsp., 2012). Bodźce świetlne odbierane są przez wyspecjalizowane struktury nazywane fotoreceptorami. Dzięki tym strukturom rośliny uzyskują informację zarówno o kierunku źródła światła, jak i o zmianach jego natężenia. Do najlepiej poznanych fotoreceptorów roślin należą fitochromy, kryptochromy oraz fototropiny. Fitochrom występuje w dwóch formach molekularnych, z których pierwsza (P r ) wykazuje maksimum absorbcji w zakresie światła czerwonego, natomiast druga (P fr ) pochłania światło dalekiej czerwieni. Przyjmuje się, że formą aktywną fitochromu jest P fr. Fitochrom bierze udział m.in. w regulowaniu indukowanego przez światło rozwoju chloroplastów oraz akumulacji chlorofilu i antocyjanów. Kryptochrom, będący receptorem światła niebieskiego, wspólnie z fitochromem reguluje takie procesy jak wzrost wydłużeniowy komórek, fotoperiodyzm oraz łącznie z fototropinami reguluje zależne od światła niebieskiego otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych. Kryptochrom wpływa na syntezę antocyjanin, reguluje poziom ekspresji genu syntazy chalkonowej, uczestniczy w indukcji rozwoju pędu oraz rozpoczęciu kwitnienia u rzodkiewnika. Jest także jednym z czynników odpowiedzialnych za cykl okołodobowy u roślin (Li i Yang, 2007). Obecność receptorów światła i zmiany, jakim one podlegają, wywołuje kaskadę reakcji, w wyniku których roślina reaguje na zmieniające się warunki świetlne. W ten sposób rośliny potrafią rozróżnić dzień od nocy. Nastie i nyktynastie, czyli czy rośliny układają się do snu? NAUKA SZKOŁA

12 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ go. Oznacza to, że ruchy te obserwowane są również wtedy kiedy rytm dobowy zostanie sztucznie zakłócony, np. poprzez umieszczenie rośliny w warunkach ciągłego oświetlenia. Takie podlegające zegarowi biologicznemu fotonastie określane są jako nyktynastie albo ruchy senne roślin. Ryc. 1. Ruchy senne roślin na przykładzie liści fasoli Autor: M. Adamiec wg Szweykowska Fotonastie mogą mieć charakter ruchów turgorowych lub wzrostowych (Goyal i wsp., 2013). Fotonastie o charakterze turgorowym dotyczą głównie zmian pozycji blaszki liściowej. Rośliny, u których obserwuje się fotonastie o charakterze turgorowym, charakteryzują się obecnością u nasady liścia tzw. poduszeczki. Są to zgrubienia zbudowane z tkanki miękiszowej i skupionych w środku tkanek przewodzących. Dzięki zmianom turgoru w górnej i dolnej części poduszeczki ogonek liściowy ma zdolność wykonywania ruchów podnoszących lub opuszczających blaszkę liściową (ryc. 1). Ruchy związane z otwieraniem i zamykaniem się kwiatów w cyklu dzień-noc mają natomiast charakter ruchów wzrostowych i regulowane są przez auksyny (Pedmale i wsp., 2010). Ruchy aparatów szparkowych Fotonastie obejmują jednak nie tylko ruchy całych organów, jak kwiaty i liście, lecz także ruchy mniejszych, niewidocznych gołym okiem struktur. Przykładem takich fotonastii są ruchy aparatów szparkowych. U większości roślin w ciągu dnia w warunkach dobrego uwodnienia rośliny aparaty szparkowe pozostają otwarte, w nocy natomiast są zamknięte. Wyjątkiem od tej reguły są rosnące w klimacie pustynnym i półpustynnym rośliny CAM (ang. Crassulacean Acid Metabolism), które ze względu na warunki środowiskowe muszą prowadzić niezwykle oszczędną gospodarkę wodną. U roślin tych w dzień aparaty szparkowe pozostają zamknięte, otwierają się natomiast w nocy. Mechanizm ruchu aparatów szparkowych związany jest z katalizowaną przez światło przemianą wiolaksantyny w zeaksantynę w tzw. cyklu ksantofilowym. W ciągu dnia zeaksantyna uruchamia mechanizm prowadzący do otwarcia aparatów szparkowych, podczas gdy w ciemności dochodzi do akumulacji wiolaksantyny. Wiolaksantyna, w odróżnieniu od zeaksantyny nie aktywuje seryno-treoninowej kinazy białkowej koniecznej do fosforylacji pompy protonowej H + -ATPazy, aktywnej w formie ufosforylowanej. Ograniczenie transportu protonów na zewnątrz komórki prowadzi do ograniczenia napływu jonów K + do cytoplazmy. To z kolei powoduje wzrost potencjału wody w komórkach szparkowych i prowadzi do utraty wody przez te komórki. W konsekwencji zmniejsza się wartość ciśnienia turgorowego, prowadząc do zmiany kształtu komórek budujących aparat szparkowy, co skutkuje jego zamknięciem (ryc. 2) (Taiz i Zeiger, 2010). Pobieranie jonów K + jest sprzężone z wydzielaniem protonów, który to proces jest regulowany także poprzez zmiany stężenia CO 2 wewnątrz liścia. Tak więc obniżenie stężenia CO 2 w dzień w wyniku jego asymilacji w fotosyntezie również stymuluje otwarcie aparatów szparkowych. Analogicznie wzrost stężenia CO 2 na skutek zahamowania reakcji fotosyntezy przy braku światła i zwiększeniu intensywności oddychania powoduje zamknięcie aparatów szparkowych. W mechanizmie tym pośredniczy zmiana ph powiązana ze zmianą stężenia CO 2 (Hejnowicz, 2002a). W wyniku rozpuszczania CO 2 dochodzi bowiem do obniżenia się wartości ph. Większość roślin zamyka aparaty szpakowe w nocy, przy zahamowanej fotosyntezie, w celu ograniczenia utraty wody poprzez transpirację. Fotosynteza i oddychanie komórkowe czy przebiegają nocą? Wspomniane zostało już we wstępie, że reakcje fotosyntezy nie zachodzą w nocy. Doprecyzujmy to twierdzenie. To reakcje zależne od światła, zaliczane do fotosyntezy, nie zachodzą w nocy. W istocie, reakcje fazy ciemnościowej niezależne od światła, a wymagające obecności NADPH i ATP, powstałych w fazie reakcji fotochemicznych fotosyntezy również ustają. Wyjątkiem są rośliny o metabolizmie kwasowym (CAM). Rośliny te ze względu na ekofizjologiczne adaptacje do środowisk o dużym nasłonecznieniu oraz deficycie opadowym, w celu minimalizacji utraty wody przez aparaty szparkowe, zamykają je w ciągu dnia, a wymiana gazowa i asymilacja CO 2 zachodzi u nich w ciągu nocy. Z tego powodu funkcjonujący u roślin CAM szlak wstępnego wiązania CO 2, zwany szlakiem Hatcha- -Slacka, i cykl Calvina-Bensona są oddzielone od siebie czasowo (dla porównania u roślin C4 szlak wstępnego wiązania CO 2 i cykl Calvina-Bensona zachodzą równocześnie w ciągu dnia, są jednak rozdzielone przestrzennie). Metabolizm kwasowy jest charakterystyczny dla sukulentów, m.in. z rodziny Crassulaceae, od której to pochodzi nazwa Crassulacean Acid Metabolism, okre- NAUKA SZKOŁA

13 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ ślająca ten typ reakcji (West-Eberhard i wsp., 2011). W nocy u roślin kwasowych odbywa się przyłączanie CO 2 do fosfoelonopirogronianu (PEP). W reakcji tej powstaje szczawiooctan, który przekształcany jest do jabłczanu i w tej postaci transportowany do wakuoli, gdzie jest gromadzony (ryc. 3). Jako że jabłczan jest kwasem organicznym, jego nagromadzenie się powoduje zakwaszenie soku komórkowego. Obniżenie ph soku komórkowego roślin CAM w nocy dało początek nazwie rośliny kwasowe. Wiemy już, że niektóre z roślin mogą wiązać CO 2 w nocy przyłączając go do PEP-u. Zastanówmy się zatem, skąd w nocy bierze się u roślin CAM wystarczająca ilość PEP-u, przecież jego pula nie jest odtwarzana tak jak to ma miejsce u roślin C4 w wyniku dekarboksylacji jabłczanu i fosforylacji pirogronianu. Otóż PEP powstaje w cytoplazmie z 2-fosfoglicerynianu, który jest jednym z produktów przejściowych w glikolizie (Herrera, 2009). Reakcje glikolizy zachodzące w komórkach roślin wymagają dostępności substratów, którymi w nocy są produkty pochodzące z hydrolizy skrobi, zgromadzonej w ciągu dnia w chloroplastach. W ten sposób doszliśmy do innego, bardzo istotnego procesu, jakim jest hydroliza skrobi i oddychanie komórkowe. Nadmiar powstającego w ciągu dnia aldehydu 3-fosfoglicerynowego, produktu cyklu reakcji C3, zwanego również cyklem Calvina-Bensona, gromadzony jest w chloroplastach w postaci skrobi. W nocy, kiedy ustaje aktywność cyklu C3 (zależnego od produktów fazy jasnej fotosyntezy), zachodzi rozkład skrobi. Produktami rozkładu skrobi są glukoza i glukozo-1-fosforan, które przekształcane są do glukozo-6-fosforanu i w tej postaci transportowane są z chloroplastów do cytoplazmy. Glukozo-6-fosforan może być wykorzystywany jako substrat w reakcjach glikolizy. W szlaku tym powstaje wspomniany wyżej PEP, który wykorzystywany jest w nocy przez rośliny Ryc. 2. Mechanizm otwierania i zamykania aparatów szparkowych poprzez aktywność cyklu ksantofilowego zależnego od światła. Autor: M. Adamiec na podstawie danych literaturowych (Taiz i Zeiger, 2010). NAUKA SZKOŁA

14 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ CAM jako akceptor CO 2. Jednym z produktów glikolizy jest pirogronian, który transportowany jest do matriks mitochondrialnej, gdzie po oksydacyjnej dekarboksylacji powstaje aldehyd octowy, utleniany następnie do octanu (reszty acetylowej). Reszta acetylowa zostaje przyłączona do zawierającego grupę tiolową koenzymu A i powstaje acetylo-coa, który włączany jest w cykl reakcji zwany cyklem Krebsa lub cyklem kwasów trikarboksylowych (Caemmerer i wsp., 2009). W kolejnych etapach oddychania komórkowego elektrony, pochodzące z reakcji katabolicznych, głównie z glikolizy i cyklu Krebsa, przekazywane są do mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów. W wyniku transportu elektronów zostaje uwolniona energia, która jest wykorzystywana do syntezy adenozynotrifosforanu (ATP) oraz częściowo jest rozpraszana w postaci ciepła (Jacoby i wsp., 2012). Wszystkie organizmy wymagają ciągłego i nieprzerwanego dopływu energii swobodnej do trzech głównych celów; wykonywania pracy mechanicznej w wyniku ruchów komórek i pracy mięśni, aktywnego transportu jonów i cząsteczek oraz do przebiegu reakcji syntez związków organicznych. Nośnikiem energii w większości procesów biologicznych jest ATP, z tego powodu jego produkcja jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania komórek organizmów. Głównym źródłem ATP w komórkach zielonych tkanek roślin są w ciągu dnia reakcje fotosyntezy, natomiast w nocy reakcje oddychania komórkowego. Do niedawna przeważał pogląd, że oddychanie mitochondrialne zachodzi u roślin jedynie w nocy i jest całkowicie hamowane przez światło. Sugerowano, że ATP powstający w chloroplastach w ciągu dnia jest eksportowany do cytoplazmy i całkowicie zaspokaja zapotrzebowanie energetyczne komórki. Pogląd ten obecnie uważa się za zbyt uproszczony (Gabryś, 2002). Wyniki badań wskazują, że oddychanie komórkowe zachodzi zarówno w nocy, Ryc. 3. Przemiany metaboliczne prowadzące do asymilacji CO2 zachodzące w nocy u roślin przeprowadzających fotosyntezę typu CAM. Autor: M. Adamiec na podstawie danych literaturowych (Herrera, 2009; Szweykowska, 2000). jak i w ciągu dnia. Nocą aktywność oddechowa mitochondriów w tkankach zielonych pozostaje jednak wyższa niż w ciągu dnia, kiedy to pod wpływem światła ulega obniżeniu o 16 77%, zależnie od gatunku rośliny i warunków środowiska (Atkin i wsp., 1997). Istnieje kilka teorii wyjaśniających zjawisko hamowania aktywności oddechowej mitochondriów w ciągu dnia. Po pierwsze, w ciągu dnia nadmiar ATP i wysoki stopień redukcji cząsteczek w komórce wynikający z wysokiej aktywności reakcji fotosyntezy zaspokaja zapotrzebowanie energetyczne komórki i ogranicza pulę ADP. Prowadzi to do ograniczenia intensywności reakcji utleniania i produkcji ATP w mitochondriach. W warunkach intensywnego nasłonecznienia mitochondria mogą być wykorzystywane jako elektronowy zlew, uczestnicząc w utlenianiu zredukowanych związków poprzez przenoszenie elektronów w mitochondrialnym łańcuchu transportu elektronów (metc). Proces ten z jednej NAUKA SZKOŁA

15 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ strony ogranicza wydajność fotosyntetycznej asymilacji CO 2, natomiast z drugiej strony przeciwdziała zjawisku fotoinhibicji (Buckley i Adams, 2011). Po drugie w fotooddychaniu w mitochondriach ma miejsce dekarboksylacja glicyny, w trakcie której powstaje amoniak (NH 3 ), który hamuje aktywność kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej (PDC) (Schuller i Randall, 1989). Spadek aktywności PDC oraz enzymu jabłczanowego zależnego od NAD (NAD-ME) obserwowany jest pod wpływem światła w mitochondriach wielu gatunków roślin. Dochodzi wtedy do fosforylacji PDC, która prowadzi do spadku jego aktywności. Innymi związkami ograniczającymi aktywność PDC są NADH i acetylo-coa (Xue i wsp., 1996). Spadek aktywności PDC, ważnego enzymu wprowadzającego metabolity do cyklu Krebsa, obniża jego aktywność. Cykl Krebsa, oprócz dostarczania NADH na potrzeby metc, dostarcza szkieletów węglowych do produkcji aminokwasów (Millar i wsp., 2011). Mechanizmy prowadzące do ograniczenia oddychania mitochondrialnego i zmniejszenia produkcji ATP w mitochondriach przy wysokiej produkcji ATP w chloroplastach w wyniku fotosyntezy nie są do końca poznane. Niemniej jednak nagłe zaciemnienie rośliny powoduje zatrzymanie fotosyntezy i okresowy, wzmożony wzrost aktywności oddechowej mitochondriów, mierzony jako stopień zużycia tlenu i produkcji CO 2. Zjawisko to nosi nazwę wzmożonego światłem oddychania ciemniowego (LEDR, ang. light-enhanced dark respiration), któremu towarzyszy wzrost aktywności PDC i NAD-ME (Parys i wsp., 2004). Rozważając kwestie dotyczące oddychania komórkowego i różnic w przebiegu tego procesu pomiędzy dniem a nocą, należy zwrócić uwagę na substraty utleniane w procesie glikolizy. W ciemności 100% substratów oddechowych utlenianych przez mitochondria pochodzi z materiałów zapasowych, głównie skrobi, natomiast na świetle ich udział maleje do 40 50% na korzyść związków produkowanych w fotosyntezie i fotooddychaniu: glicyny, jabłczanu, szczawiooctanu, pirogronianu i NAD(P)H (Gabryś, 2002). Czy roślinom potrzebna jest noc? Odpowiedni stosunek długości dnia do nocy jest ważnym czynnikiem indukującym kwitnienie wielu gatunków roślin. Rośliny dnia krótkiego (RDK) kwitną, kiedy długość nocy przekracza długość krytyczną charakterystyczną dla danego gatunku. Do roślin dnia krótkiego zaliczmy m.in. astry, chryzantemy, proso, ryż, tytoń i wilczomlecz nadobny (gwiazda betlejemska). Odwrotnie, rośliny dnia długiego (RDD) kwitną, kiedy długość nocy jest krótsza od długości krytycznej charakterystycznej dla danego gatunku. Do roślin dnia długiego zaliczmy m.in. hortensję, koniczynę, rudbekię, rzodkiewkę, sałatę i szpinak. Przerwanie okresu ciemności poprzez krótkotrwałe oświetlenie w środku nocy zapobiega zakwitaniu roślin RDK i indukuje zakwitanie roślin RDD (Tretyn i Kopcewicz, 2003). Związkiem odpowiedzialnym za percepcję światła jest fitochrom, będący chromoproteiną występującą w dwóch formach, z których jedna odznacza się maksymalnym pochłanianiem światła czerwonego o długości fali 660 nm (P r ), a druga absorbuje światło dalekiej czerwieni około 730 nm (P fr ). Obie te formy mogą przechodzić jedna w drugą pod wpływem światła o określonej długości fali. Przy braku światła następuje jednak powolna przemiana formy P fr w P r, która w ciemności jest trwała i nie wykazuje aktywności fizjologicznej. Zatem obecność P fr indukuje zakwitanie roślin RDD oraz hamuje zakwitanie roślin RDK (Ulijasz i wsp., 2010). Obecność i brak światła reguluje również procesy morfogenetyczne. Światło aktywne morfogenetycznie mieści się w zakresie długości fali świetlnej od 320 do 800 nm. Zależne od światła reakcje roślin i regulacja procesów fizjologicznych w odpowiedzi na zmieniające się oświetlenie zachodzą dzięki współdziałaniu wspomnianych już receptorów światła fitochromów, kryptochromów, fototropiny oraz receptorów dalekiego i bliskiego nadfioletu. Oprócz omówionej już regulacji kwitnienia roślin fotoperiodycznie wrażliwych, odpowiedni stosunek długości dnia do nocy wpływa również na pokrój roślin (Kopcewicz i wsp., 2012). Światło jest bowiem jednym z czynników inicjujących powstanie zawiązków liści, oraz ich budowę i kształt. Brak lub niedobór światła działa hamująco na proces tworzenia się nowych zawiązków liści. U niektórych gatunków drzew od stosunku długości dnia do nocy zależne jest formowanie się pąków zimowych. W okresie długiego dnia z nowo powstających zawiązków rozwijają się liście właściwe i wierzchołek pędu kontynuuje wzrost. Skrócenie dnia powoduje natomiast wytworzenie się z zawiązków łusek i formowanie się pąków zimowych, przygotowując roślinę do przejścia w stan spoczynku (Hejnowicz, 2002b). Brak światła, czyli ciemność, dla niektórych gatunków roślin jest czynnikiem niezbędnym do przerwania spoczynku nasion, czyli do kiełkowania. Nasiona takich roślin określamy jako fotoblastycznie ujemne. Oprócz nich w przyrodzie spotykamy także nasiona fotoblastycznie dodatnie oraz neutralne. Regulacja kiełkowania przez światło odbywa się, podobnie jak w opisanych powyżej przypadkach, poprzez system fitochromowy, jednak biorą w niej udział również hormony roślinne, takie jak gibereliny, cytokininy, kwas abscysynowy, czy etylen. Do gatunków wykształcających nasiona fotoblastycznie ujemne zaliczamy m.in. arbuz (Botha i Small, 1988), czarnuszkę siewną (Pamukov i Schneider, 1978), facelię (Tiryaki i Keles, 2012), jasnotę (Jones i Bailey, 1956), szarłat (Gutterman i wsp., 1992). Jednak większość gatunków wytwarza nasiona fotoblastycznie dodatnie, w przypadku których wystarcza czasem krót- NAUKA SZKOŁA

16 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ kotrwałe oświetlenie, aby pobudzić je do kiełkowania. Praktycznym wykorzystaniem tego zjawiska jest tzw. uprawa roli nocą. Wykonywanie zabiegów agrotechnicznych w nocy ma na celu zmniejszenie wschodów roślin zachwaszczających uprawy polowe poprzez ograniczenie fotostymulacji kiełkowania ich nasion (Dobrzański, 2011). Jakie są skutki zbyt długiej ciemności? Brak światła, podobnie jak jego niedobór, wpływa na pokrój roślin. Rośliny rosnące w zacienieniu mają ograniczony dostęp do światła, zmieniony jest również jego skład spektralny. Światło po przejściu przez korony drzew charakteryzuje się mniejszą zawartością czerwieni w stosunku do dalekiej czerwieni. Zmiana ta przyczynia się do zmniejszenia stężenia formy P fr fitochromu, co powoduje przyspieszony wzrost roślin rosnących w zacienieniu (Kopcewicz i wsp., 2012). Zjawisko to ma podobny mechanizm do etiolacji siewek rosnących w warunkach całkowitego braku dostępu do światła. Etiolowane siewki są blade i wiotkie, pozbawione chlorofilu o wydłużonych hipokotylach i międzywęźlach oraz zredukowanych blaszkach liściowych (Szweykowska, 2000). Oświetlenie etiolowanych roślin powoduje ich deetiolację, czyli proces dochodzenia do stanu charakterystycznego dla danego gatunku. Prowadzi to do syntezy chlorofilu, gwałtownego zahamowania wzrostu wydłużeniowego pędu i stopniowego rozwoju liści (Kopcewicz i wsp., 2012). Brak lub długotrwały niedobór światła indukuje również procesy odpowiedzialne za starzenie się liści oraz stymuluje przejście roślin w stan spoczynku. W wyniku braku światła nie dochodzi do produkcji ATP, w związku z powyższym roślina zużywa więcej cukrów do produkcji energii w procesie oddychania komórkowego. Dochodzi do sytuacji, kiedy zapotrzebowanie energetyczne liścia przewyższa zyski związane z asymilacją CO 2. Prowadzi to do wycofywania związków organicznych z liścia, rozkładu chlorofilu w celu odzyskania zgromadzonego w nim azotu i magnezu, degradacji białek i w konsekwencji do egzekucji programowanej śmierci komórek, na ogół poprzez autofagię, czyli samostrawienie. Proces ten zaangażowany jest w obrót metaboliczny i pozwala na maksymalne wycofanie z liścia substancji organicznych w postaci szkieletów węglowych i grup amonowych (Jongebloed i wsp., 2004; Howart, 2013). Sytuację taką obserwujemy jesienią, kiedy w wyniku zmniejszającej się ilości energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi oraz dużego zachmurzenia zmniejszającego ilość godzin ze słońcem dochodzi do żółknięcia liści. Daje to odpowiedź na pytanie, dlaczego jesienią liście żółkną. Spadek temperatury powietrza wraz ze zmniejszonym natężeniem światła jesienią zmniejszają produkcję asymilatów. Ich niedobór w połączeniu z coraz mniej korzystnymi warunkami środowiska powoduje przejście roślin w stan spoczynku zimowego (głębokiego) (Kopcewicz i wsp., 2012). Podsumowanie Rośliny w nocy nie przeprowadzają reakcji fotosyntezy. Zachodzą w nich jednak intensywne procesy metaboliczne. Aktywność niektórych szlaków biochemicznych, jak np. związanych z oddychaniem komórkowym, jest nawet intensywniejsza niż w ciągu dnia. Następujące po sobie okresy dnia i nocy regulują wiele procesów życiowych roślin, a odpowiedni ich wzajemny stosunek reguluje moment wejścia w fazę generatywną, indukuje wejście w stan spoczynku oraz jego przełamanie oraz wpływa na kształt roślin poprzez procesy fotomorfogenetyczne. Odpowiednia długość nocy jest zatem niezbędna do rozmnażania się wielu gatunków roślin. Niniejsza praca nie opisuje wszystkich procesów fizjologicznych i biochemicznych zachodzących w komórkach roślin w ciemności, a jedynie naświetla najważniejsze różnice w metabolizmie pomiędzy dniem, a nocą oraz ukazuje, jak ważny w prawidłowym wzroście i rozwoju roślin jest stosunek długości dnia do nocy. Praca napisana na podstawie wykładu pt. Co rośliny robią nocą? wygłoszonego na Nocy Naukowców na Wydziale Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu przez autora pracy Ł. Wojtylę. Ł. Wojtyla zebrał informacje i przygotował tekst. A. Adamiec przygotowała ilustracje do pracy i uczestniczyła w przygotowaniu tekstu. Literatura Atkin OK, Westbeek MHM, Cambridge ML, Lambers H, Pons TL (1997). Leaf respiration in light and darkness I. A comparison of slow- and fast-growing poa species. Plant Physiol. 113: Botha FC, Small JGC (1988). The germination response of the negatively photoblastic seeds of citrullus lanatus to light of different spectral compositions. J Plant Physiol. 132: Buckley TN, Adams MA (2011). An analytical model of non-photorespiratory CO 2 release in the light and dark in leaves of C3 species based on stoichiometric flux balance. Plant Cell Environ. 34: Caemmerer S, Farquhar G, Berry J (2009). Biochemical model of C 3 photosynthesis. Advances in Photosynthesis and Respiration. 29: Dobrzański A (2011). Reakcja nasion chwastów segetalnych na uprawę roli wykonywaną nocą. Postępy Nauk Rolniczych. 2:9-19. Gabryś H (2002). Procesy oddechowe. W: Kopcewicz J, Lewak S, red. Fizjologia roślin. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN; Goyal A, Szarzyńska B, Fankhauser C (2013). Phototropism: at the crossroads of light-signaling pathways. Article in press. Trends Plant Sci. xx:1-9. Gutterman Y, Corbineau F, Côme D (1992). Interrelated effects of temperature, light and oxygen on Amaranthus caudatus L. seed germination. Weed Research. 32: Hejnowicz Z (2002a). Funkcjonalne układy tkankowe i zasady ich działania. W: Hejnowicz Z. Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. Organy wegetatywne. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN; NAUKA SZKOŁA

17 Co rośliny robią nocą? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Hejnowicz Z (2002b). Periodyczność w tworzeniu liści listowia i łusek u roślin drzewiastych. W: Hejnowicz Z. Anatomia i histogeneza roślin naczyniowych. Organy wegetatywne. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN; Herrera A (2009). Crassulacean acid metabolism and fitness under water deficit stress: if not for carbon gain, what is facultative CAM good for? Ann Bot. 103: Howart T (2013). Senescence, ageing and death of the whole plant. New Phytol. 197: Jacoby RP, Li L, Huang S, Lee CP, Millar AH, Taylor NL (2012). Mitochondrial composition, function and astress response in plants. J Integr Plant Biol. 54: Jones MB, Bailey LF (1956). Light effects on the germination of seeds of henbit (Lamium amplexicaule L.). Plant Physiol. 31: Jongebloed U, Szederkényi J, Hartig K, Schobert C, Komor E (2004). Sequence of morphological and physiological events during natural ageing and senescence of a castor bean leaf: sieve tube occlusion and carbohydrate back-up precede chlorophyll. Physiol Plant. 120: Kopcewicz J (2002). Ruchy roślin. W: Kopcewicz J, Lewak S, red. Fizjologia roślin. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN; Kopcewicz J, Szmidt-Jaworska A, Kannenberg K (2012). Zarys struktury i fizjologii drzew leśnych. Toruń: Wydawnictwo Wyższej Szkoły Zarządzania Środowiskiem w Tucholi i Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Li QH, Yang HQ (2007). Cryptochrome signaling in plants. Photochem Photobiol. 83: Millar AH, Whelan J, Soole KL, Day DA (2011). Organization and regulation of mitochondrial respiration in plants. Ann Rev Plant Biol. 63: Pamukov K, Schneider MJ (1978). Light inhibition of Nigella germination: the dependence of a high irradiance reaction on 720-nm irradiance. Bot Gaz. 139: Parys E, Romanowska E, Siedlecka M (2004). Light-enhanced dark respiration in leaves and mesophyll protoplasts of pea in relation to photorespiration, respiration and some metabolites content. Acta Physiol Plant. 26: Pedmale UV, Celaya RB, Liscuma E (2010). Phototropism: mechanism and outcomes. The Arabidopsis Book. e0125:1-26. Schuller KA, Randall DD (1989). Regulation of pea mitochondrial pyruvate dehydrogenase complex. Does photorespiratory ammonium influence mitochondrial carbon metabolism? Plant Physiol. 89: Szweykowska A (2000). Fizjologia roślin. Poznań: Wydawnictwo Naukowe UAM. Taiz L, Zeiger E (2010). Plant physiology. Sinauer Associates, Inc. Tiryaki I, Keles H (2012). Reversal of the inhibitory effect of light and high temperature on germination of Phacelia tanacetifolia seeds by melatonin. Journal of Pineal Research. 52: Tretyn A, Kopcewicz J (2003). Genetyczna kontrola kwitnienia roślin okrytonasiennych. Kosmos. 53: Ulijasz AT, Cornilescu G, Cornilescu CC, Zhang J, Rivera M, Markley JL, Vierstra RD (2010). Structural basis for the photoconversion of a phytochrome to the activated Pfr form. Nature. 463: West-Eberhard MJ, Smith JAC, Winter K (2011). Photosynthesis, reorganized. Science. 332: Xue X, Gauthier DA, Turpin DH, Weger HG (1996). Interactions between photosynthesis and respiration in the green alga Chlamydomonas reinhardtii (characterization of light-enhanced dark respiration). Plant Physiol. 112: What plants do at night? Łukasz Wojtyla, Małgorzata Adamiec Life on Earth is dependent on several factors. One of them is the light and the reactions taking place with his participation. With the reactions of photosynthesis solar energy is converted into energy of chemical bonds and in this form is transmitted from autotrophic organisms (the producers) to all organisms. The reactions of photosynthesis also produce oxygen, which is necessary for most of the organisms and used in the reactions of cellular respiration. Since plants produce energy and oxygen during the day, whether in this case the night is needed at all. And if so, what are plants doing at night? This paper describes the major physiological and biochemical processes that occur in plants under no access to light, both natural conditions (night) and in the case of artificial darkness. The answer to the question posed in the title is in the description of such processes as photosynthesis, cellular respiration, tropisms, control of the stomata opening/closing and regulation of flowering. Key words: darkness, plant physiology, photoperiodism, photosynthesis, cellular respiration Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej Biologia IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony: 9. Rośliny reakcja na bodźce. Uczeń: 1) przedstawia podstawowe sposoby reakcji roślin na bodźce (ruchy tropiczne i nastyczne); podaje ich przykłady (fototropizm, geotropizm, sejsmonastia, nyktynastia); 3) wyjaśnia zjawisko fotoperiodyzmu. 2. Ogólne zasady metabolizmu. Uczeń: 1) wyjaśnia na przykładach pojęcia: szlak metaboliczny, cykl przemian metabolicznych ; 2) porównuje anabolizm i katabolizm, wskazuje powiązania między nimi; 3) charakteryzuje związki wysokoenergetyczne na przykładzie ATP; 4) porównuje zasadnicze przemiany metaboliczne komórki zwierzęcej i roślinnej; 5) wskazuje substraty i produkty głównych szlaków i cykli metabolicznych (fotosynteza, etapy oddychania tlenowego, (...) glikoliza, (...). NAUKA SZKOŁA

18 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz Streszczenie: nych, wód i powietrza z wykorzystaniem wybranych organizmów. Obecnie często sięga się po mikroorganizmy, a przede wszystkim po enzymy występujące w rozmaitych mikroorganizmach. Mogą one katalizować reakcje prowadzące do destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe (Glazer i Nikaido, 1995). Głównym celem tego procesu jest mineralizacja toksycznych związków organicznych, prowadząca ostatecznie do powstania nietoksycznych substancji takich, jak: CO 2, H 2 O i biomasa (Jyothi i wsp., 2012). Węglowodory, takie jak pochodne ropy naftowej, w przemianach metabolicznych drobnoustrojów stanowią ich źródło węgla lub energii albo pełnią rolę akceptora elektronów w łańcuchu oddechowym (Gadd, 2010). Bioremediację, jako technologię usuwania zanieczyszczeń, możemy podzielić na naturalną i inżynieryjną (Aggarwal i wsp., 1990). Proces naturalny zachodzi samoczynnie i związany jest z obiegiem pierwiastków w środowisku naturalnym. Dotyczy on produkowanej biomasy roślinnej, resztek obumarłych organizmów, a także ich wydalin. Proces ten przebiega w osadach dennych, glebach, wodach samooczyszczających się (Lal i wsp., 2010). Bioremediacja naturalna jest najlepiej obserwowana w wyciekach produktów ropopochodnych. Jest monitorowana poprzez śledzenie rozmieszczenia zanieczyszczenia, migracji skażenia, tempa przyrostu i aktywności mikroflory oraz obecności pierwiastków biogennych (Jorgensen, 2007). Bioremediacja inżynieryjna natomiast jest sumą zabiegów obejmującą usunięcie zanieczyszczeń przede wszystkim przez mikroorganizmy oraz rośliny. Procesy te mogą być przeprowadzone in situ (w miejscu skażenia) lub ex situ (poza miejscem skażenia, co wymaga przemieszczenia zanieczyszczonego gruntu w inne miejsce, gdzie będzie odbywał się proces usuwania zanieczyszczeń w bioreaktorach, filtrach, przy włączeniu także innych procesów fizykochemicznych) (Lal i wsp., 2010). Tempo bioremezbieżność z PP zob. s. 22 Bioremediacja to biologiczna technologia usuwania różnego rodzaju substancji chemicznych z gleb, osadów dennych, osadów czynnych, wód i powietrza za pomocą mikroorganizmów. Znajdujące się w tych mikroorganizmach enzymy katalizują reakcje prowadzące do destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe. Skażenie może wywołać każda substancja wprowadzana do środowiska powodująca zachwianie równowagi ekologicznej lub zanikanie poszczególnych poziomów troficznych łańcucha pokarmowego. W bioremediacji wykorzystywane są naturalne zdolności mikroorganizmów do rozkładu węglowodorów. Głównym celem tego procesu jest mineralizacja toksycznych związków organicznych, prowadząca ostatecznie do powstania nietoksycznych substancji, takich jak: CO 2, H 2 O i biomasa. Węglowodory, takie jak pochodne ropy naftowej, w przemianach metabolicznych drobnoustrojów stanowią ich źródło węgla lub energii albo pełnią rolę akceptora elektronów w łańcuchu oddechowym. Jednakże stopień wykorzystania tych substancji przez mikroorganizmy zależy w dużej mierze od rodzaju degradowanej substancji, a także czynników środowiskowych, które mogą stymulować lub hamować przebieg tego procesu Słowa kluczowe: bioremediacja, węglowodory, zanieczyszczenia gleby, mikroorganizmy otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Weronika Gonciarz: Instytut Biologii Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach, studentka na kierunku biotechnologia, członek Koła Naukowego Biotechnologów Mikroby Wprowadzenie Obecnie substancje ropopochodne zanieczyszczające środowisko przyrodnicze zaliczamy do kategorii tzw. odpadów niebezpiecznych, czyli takich, które są szczególnie toksyczne dla życia biologicznego i prawidłowego funkcjonowania ekosystemu (Marcano i wsp., 2003). W wyniku zanieczyszczenia gleby węglowodorami dochodzi do rozległego zniszczenia lokalnego ekosystemu (Alvarez i Vogel, 1991). Prowadzi do nagromadzenia zanieczyszczeń w tkankach zwierząt oraz roślin, które może spowodować ich śmierć. Niektóre węglowodory aromatyczne występujące w ropie (benzen, toluen, ksylen, fenol) są bardzo szkodliwe dla człowieka ze względu na toksyczne i kancerogenne działanie (Nowak, 2008; Boldrin i wsp., 1993). Jedną z przyczyn przedostawania się pochodnych ropy naftowej do środowiska jest działalności człowieka. Zanieczyszczenia te dostają się do gleb głównie w wyniku procesów wydobywczych ropy i jej przerobu w rafineriach oraz awarii podczas magazynowania paliw (Holliger i wsp., 1997; Nowak, 2008). W Polsce silnie skażone są tereny byłych baz i poligonów radzieckich (wylewano tam niegdyś zużyte oleje i smary) oraz grunty w pobliżu rafinerii, stacji benzynowych, warsztatów naprawczych taboru samochodowo- -kolejowego i lotnisk (Sztompka, 1991). W wyniku akumulacji substancji ropopochodnych w środowisku naturalnym poszukiwanie alternatywnych metod oczyszczania gleby stało się pilną potrzebą. Z tego powodu coraz więcej uwagi poświęca się metodom bioremediacji, w których wykorzystuje się zasoby samej natury (m.in. izolację mikroorganizmów występujących w zanieczyszczonej glebie) w celu zmniejszenia jej zanieczyszczenia (Wójcik i Tomaszewska, 2005; Margesin i Schinner, 2001). Bioremediacja to biologiczna technologia usuwania różnego rodzaju substancji chemicznych z gleb, osadów dennych, osadów czyn- NAUKA SZKOŁA

19 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ diacji naturalnej jest zazwyczaj wolniejsze niż inżynieryjnej. Bioremediacja inżynieryjna często obejmuje: pobudzenie mikroflory autochtonicznej do usuwania skażeń (biostymulacja) lub dodawanie namnożonej mikroflory do skażenia (bioaugmentacja), dodatkowo wspomaganej przez powietrze lub tlen (biowentylacja) (Jorgensen, 2007). Degradacja związków chemicznych podczas przeprowadzania procesu bioremediacji może odbywać się na drodze fermentacji, oddychania beztlenowego, tlenowego, a także beztlenowo-tlenowego. Metodę oddychania beztlenowo-tlenowego stosuje się w przypadku związków chloroorganicznych pierwszy etap procesu odbywa się w warunkach beztlenowych, gdzie następuje dechloracja związku, zaś etap drugi tlenowy zapewnia ostateczną degradację związku organicznego (Johnson i wsp., 2003). Rys historyczny Początki bioremediacji sięgają 1895 r., kiedy to Miyoshi wyizolował pierwszy mikroorganizm Botrytis cinerea (pleśń szara) zdolny do rozkładu parafiny (Miyoshi, 1895). W 1906 r. Rahn stwierdził, że różne formy organizmów, w tym grzyby Penicillium glaucum, oraz bakterie rozkładają parafinę i wykorzystują ją jako jedyne źródło energii (Rahn, 1906). Dwa lata później Störmer wyizolował bakterię Bacillus hexacarbovorum, która wykazywała zdolność metabolizmu toluenu i ksylenu (Störmer, 1908). Kilka lat później, bo w 1913 r. Söhngen wykazał, że parafinę i benzynę rozkłada 17 różnych gatunków bakterii glebowych (Söhngen, 1913). Następnie w 1914 r. Wagner opisał bakterię B. benzoli, która do procesów metabolicznych wykorzystywała toluen, ksylen, benzen oraz węglowodory alifatyczne (Wagner, 1914). Kolejne lata przyniosły dalszy rozwój procesu bioremediacji; już w 1930 r. Tausz przedstawił zastosowanie mikroorganizmów do oczyszczania gleby, zanieczyszczonej pochodnymi ropy naftowej (Tausz i Donath, 1930). Przełom stanowił rok 1972, kiedy to zdefiniowano pojęcie bioremediacji. W tym samym roku proces ten po raz pierwszy został zastosowany komercyjnie w Pennsylvanii, USA (Atlas, 1981). W latach 70. ubiegłego wieku Raymond zapoczątkował dalszy rozwój bioremediacji poprzez wykorzystanie organizmów tworzonych metodami bioinżynierii (Raymond i Hudson, 1976). Po roku 1993 mikroorganizmy coraz częściej wykorzystywano do usuwania substancji ropopochodnych z zanieczyszczonych gleb. Od tego czasu nastąpiło ogromne zainteresowanie tego typu technologią. Uwaga naukowców skupiła się na ulepszaniu szczepów izolowanych ze środowiska naturalnego, w których dzięki manipulacjom genetycznym można wzmocnić pożądane przez nas cechy lub wręcz wprowadzić nowe. Wydaje się, że w ten sposób procesy bioremediacji staną się jeszcze bardziej efektywne, a degradacja skażenia będzie następowała szybciej (Zobell, 1946; Atlas, 1981). Czynniki wpływające na efektywność przebiegu procesu bioremediacji Na szybkość i efektywność oczyszczania gruntów zanieczyszczonych węglowodorami przy pomocy naturalnie występujących mikroorganizmów mają wpływ następujące czynniki: toksyczność i stężenie węglowodorów (obecność takich związków jest czynnikiem opóźniającym lub całkowicie hamującym procesy mikrobiologiczne w glebie) (Antizar i Ladislao, 2010; Semple i wsp., 2001); struktura chemiczna degradowanego związku (dużo łatwiej degradowane są proste związki, np. n- -alkany, niż węglowodory posiadające w swojej budowie pierścień aromatyczny) (Mas i wsp., 2010); potencjał gleby (w środowisku glebowym mogą występować różne populacje mikroorganizmów, czasem mające na siebie nawzajem negatywny wpływ) (Adeline i wsp., 2009); parametry fizykochemiczne: tlen zbyt mała ilość może doprowadzić do powstania stref beztlenowych, w których węglowodory są słabo degradowane, a produkty procesów beztlenowych często są toksyczne dla samych mikroorganizmów (Korda i wsp., 1997; Vidali, 2001), temperatura optymalna dla przeprowadzenia procesu to 4 45 C (Carberry i Wik, 2001), odczyn optymalne dla bakterii warunki wzrostu istnieją przy ph 6,5 8,0, natomiast grzyby, jako grupa acidofili, rosną przy ph 4,0 6,9, przy którym bakterie giną (Carberry i Wik, 2001), pierwiastki biogenne fosfor i azot, których odpowiednie stężenie powoduje stymulacje wzrostu, ale przy ich niedoborach drobnoustroje giną (Boopathy, 2000; Romantschuk i wsp., 2000; Vidali, 2001), wilgotność woda umożliwia rozpuszczenie węglowodorów, w takiej formie są przyswajane przez populacje bakterii (Sikkema i wsp., 1995). Mikroorganizmy wykorzystywane w bioremediacji Liczne mikroorganizmy charakteryzują się zdolnością do degradacji substancji ropopochodnych (Adeline i wsp., 2009). Mikroorganizmy posiadające zdolność do rozkładu toksyn mogą usuwać je poprzez proces mineralizacji, biotransformacji lub immobilizacji (Carberry i Wik, 2001). Mineralizacja to całkowity rozkład związków organicznych z wytworzeniem dwutlenku węgla, metanu, wody lub innych związków w zależności od do- NAUKA SZKOŁA

20 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ stępu do tlenu. Biotransformacja obejmuje reakcje enzymatyczne przekształcające toksyczne związki w produkty mniej toksyczne (Kołwzan, 2008). Immobilizacja to unieruchomienie skażenia (Rahman, 2006). Cechą charakterystyczną mikroorganizmów wykorzystywanych w procesie bioremediacji jest to, że najczęściej ich naturalnym środowiskiem bytowania jest zanieczyszczona gleba (Korda i wsp., 1997). Szacuje się, że w 1 g gleby występuje prawdopodobnie około 4000 różnych gatunków drobnoustrojów. Aktualnie przy użyciu tradycyjnych metod laboratoryjnych do hodowli drobnoustrojów z gleby może być izolowane jedynie ok. 1% mikroorganizmów (Wassermann i Carlini, 2006). Do tej grupy możemy zaliczyć liczne bakterie, archeony, glony oraz grzyby (Korda i wsp., 1997). Z tego powodu wiąże się duże nadzieje z opracowaniem technik pozwalających na izolację i stabilną hodowlę pozostałej części, stanowiącej aż 99% mikroflory gleby. Wykazano, że w środowisku skażonym produktami naftowymi szybkość rozkładu oraz liczebność drobnoustrojów zdolnych do ich degradacji stopniowo wzrasta od momentu zaistnienia skażenia (Korda i wsp., 1997). Zjawisko to wynika z selekcji drobnoustrojów, polegającej na eliminacji gatunków wrażliwych na toksyczne oddziaływanie wprowadzonych związków i umożliwienie w ten sposób rozwoju drobnoustrojów wykorzystujących węglowodory jako substraty pokarmowe oraz wskutek stopniowej adaptacji mikroorganizmów do nowego substratu wzrostowego (Margesin i Schinner, 2001). Podstawowymi mechanizmami adaptacji są indukcja i derepresja genów kodujących wybrane enzymy oraz procesy ewolucyjne prowadzące do powstawania nowych możliwości metabolicznych (Rojo, 2009). Bakterie wykorzystywane są najczęściej do usuwania zanieczyszczeń spowodowanych obecnością węglowodorów (Korda i wsp., 1997). Posiadają one wiele pożądanych cech, m.in. zdolność do rozkładu dużej grupy węglowodorów i szybkie tempo namnażania się, zwłaszcza w porównaniu z glonami oraz grzybami, które także posiadają zdolność do wykorzystywania substancji ropopochodnych w procesach metabolicznych (Korda i wsp., 1997). Należy jednak wspomnieć, że żaden mikroorganizm nie potrafi rozkładać wszystkich rodzajów zanieczyszczeń, dlatego też w procesie tym stosuje się odpowiednie kombinacje drobnoustrojów (Korda i wsp., 1997; Abraham i wsp., 2002). U gatunków należących do rodzaju Pseudomonas wykazano obecność plazmidów, na których zakodowana jest zdolność drobnoustrojów do rozkładu naftalenu, oktanu, ksylenu i toluenu (Boboye i wsp., 2010; Dubey, 2009). Szczep HO1-N z rodzaju Acinetobacter jest zdolny do wzrostu z wykorzystaniem n-heksanu; transportuje on węglowodory w obłonionych mikropęcherzykach, które są aktywnie wprowadzane do wnętrza komórki. Nocardia, Mycobacterium sp. i wybrane szczepy Rhodococcus sp. także są zdolne do degradacji węglowodorów (Torres Pazmiño i wsp., 2010; Watkinson i Morgan, 1990). Kolejnym przykładem wykorzystania nowoczesnych technik jest immobilizacja (unieruchomienie), która prowadzi do ograniczenia możliwości ruchu mikroorganizmu poprzez związanie z nośnikiem (Das i Chandran, 2011). Zastosowanie unieruchomionych bakterii w procesie bioremediacji ułatwia oddzielenie i odzyskanie komórek bakteryjnych wykorzystywanych w procesach bioremediacji (Diaz i wsp., 2002). Jednocześnie możliwe jest wielokrotne stosowanie mikroorganizmów, które zmniejsza łączny koszt przeprowadzenia bioremediacji (Wilson i Bradley, 1996). Wykazano ponadto, że immobilizacja zwiększa także szybkość biodegradacji substancji ropopochodnych. Co więcej, nośnik z immobilizowanymi komórkami bakteryjnymi może działać ochronnie w przypadku zmian ph, temperatury, składu podłoża oraz pozwala na lepsze wykorzystanie substratu, w związku z czym proces przebiega z wyższą wydajnością (Diaz i wsp., 2002). Inżynieria genetyczna, będąca nowoczesną technologią, pozwala na projektowanie mikroorganizmów zdolnych do rozkładu określonego typu zanieczyszczeń (Liu i wsp., 2006; Shimizu, 2002). Konstruowanie genetyczne modyfikowanych mikroorganizmów na potrzeby bioremediacji jest możliwe dzięki poznaniu mechanizmów degradacji związków toksycznych (Liu i wsp., 2006; Shimizu, 2002). Zmiany genetyczne zmodyfikowanych mikroorganizmów stosowanych w bioremediacji dotyczą modyfikacji specyficzności i powinowactwa enzymów do substratów, konstrukcji i zmiany szlaków metabolicznych oraz zastosowania biosensorów w celu śledzenia procesów redukcji związków toksycznych (Pieper i Reineke, 2000). Plazmid TOL u Pseudomonas putida był obiektem licznych manipulacji genetycznych związanych ze zmianą zdolności katabolicznych różnych węglowodorów rozgałęzionych. Zmiany dotyczyły np. wykorzystywania 4-etylobenzenu, jako substratu węglowego (Pieper i Reineke, 2000). W celu zminimalizowania ryzyka wynikającego z uwolnienia genetycznie modyfikowanych mikroorganizmów do środowiska stosowane są pewne bariery biologiczne ograniczające przepływ genów. Opierają się one głównie na ograniczeniu przeżywalności rekombinantów oraz utrudnieniu transferu genów do mikroorganizmów autochtonicznych (Wasilkowski i wsp., 2012; Pandey i wsp., 2005). W celu poprawienia wydajności procesu bioremediacji często stosuje się także mutagenezę ukierunkowaną, prowadzącą do wprowadzenia mutacji w ściśle określonym miejscu genomu (może to np. spowodować większe powinowactwo substratu [zanieczyszczenia] do enzymu) (Hernandez i Fernandez- -Lafuente, 2011), a także klonowanie molekularne pozwalające na izolację i powielenie określonych genów (Pandey i wsp., 2005). NAUKA SZKOŁA

21 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Liczba mikroorganizmów występujących w glebie jest wprost proporcjonalna do łatwości, z jaką dany związek jest rozkładany. Dzieje się tak, ponieważ proces utlenienia związków o prostej budowie łańcucha nie wymaga od mikroorganizmów przeprowadzenia wielu skomplikowanych przemian metabolicznych (Meintanis i wsp., 2006; Kanaly i Harayama, 2000). Najwięcej bakterii ma zdolność do utleniania n-alkanów, ponieważ ma geny kodujące enzymy niezbędne do przeprowadzenia tych reakcji (Nowak, 2008). Źródło węgla dostarczone w tej postaci powoduje ich szybki wzrost i wpływa na dużą liczbę tych komórek w środowisku (Fredricks, 1966; Mearns, 1997). Bioremediacja w praktyce, czyli gdzie mikroorganizmy zostały wykorzystane do usuwania pochopnych ropy naftowej z gleby ska na Politechnice Warszawskiej, którzy przy współpracy z firmą Hydrogeotechnika Kielce przeprowadzili do 2003 r. skuteczną bioremediację ponad 30 tys. ton gruntu (Nowak, 2008). Miejsce skażone Zakopane Kościelniki Limanowa Olszanica Brzesko Doły Błotne Trzebinia Kawka Pochodzenie skażenia Stacja paliw Stacja benzynowa Stacja paliw Wyciek spod rurociągu w bazie paliwowej Baza Centrali Produktów Naftowych Rafineria Ziemia zawierająca osady porafineryjne Tabela 1. Przykłady zastosowania bioremediacji do oczyszczania gruntów w Polsce (Nowak, 2008; Zamorska i Papciak, 2004) logii przemysłowych (Boonchan i wsp., 2000; Bogan i wsp., 2003; Koma i wsp., 2005). Proces rozkładu węglowodorów przy pomocy mikroorganizmów staje się jednak coraz bardziej popularny. Rozwój metod biologii molekularnej i inżynierii genetycznej pozwala na coraz lepszą analizę genomów, a co za tym idzie, wyodrębnianie bakteryjnych genów kodujących enzymy odpowiedzialne za degradację rozmaitych związków organicznych, często bardzo toksycznych dla ożywionej części środowiska (Pieper i Reineke, 2000). Poprzez lepsze poznanie enzymów katalizujących reakcję utleniania węglowodorów możliwe jest pozyskanie ulepszonych szczepów bakterii, które efektywniej je degradują. Możliwe, że w przyszłości dzięki zastosowaniu takich mikroorganizmów do degradacji pochodnych ropy naftowej środowisko naturalne będzie mniej zanieczyszczone. NAUKA Na początku warto wspomnieć, że agrotechniczna metoda mikrobiologicznego oczyszczania gruntów z zanieczyszczeń przemysłu petrochemicznego opatentowana została w Polsce. Zastosowano ją z powodzeniem do usuwania zanieczyszczeń ropą, benzyną i naftą lotniczą. Średni czas oczyszczania gruntów wynosi od trzech tygodni do trzech miesięcy (Nowak, 2008). W Polsce J. Siuta z Instytutu Ochrony Środowiska w Warszawie już w latach 80. i 90. ubiegłego wieku użył mikroorganizmów do usuwania z gleby zanieczyszczeń ropopochodnych (Siuta, 1997). Natomiast w pierwszej połowie lat 90. w wielu innych ośrodkach naukowych i w firmach rozwinięto stosowanie metod biologicznych do likwidacji skażeń produktami ropopochodnymi w glebie (Nowak, 2008). Największe doświadczenie na rynku w dziedzinie oczyszczania gleb w Polsce z substancji ropopochodnych posiadają pracownicy Zakładu Biologii Środowi- Podsumowanie Bioremediacja jest jednym z wielu przykładów zastosowania biotechnologii w ochronie środowiska. Jednak jako proces technologiczny ma zarówno zalety, jak i wady (Jyothi i wsp., 2012). Jedną z najczęściej wymienianych zalet jest to, że metoda ta wykorzystuje naturalne procesy i jest przyjazna dla środowiska, ponieważ organizmy izolowane są ze środowiska naturalnego, a w wyniku tlenowego procesu degradacji końcowymi produktami są woda, CO 2 i biomasa (Jyothi i wsp., 2012). Do wad tego procesu zaliczany jest rozkład węglowodorów w warunkach beztlenowych, w wyniku którego mogą powstawać produkty odporne na rozkład oraz toksyczne dla samych mikroorganizmów glebowych (Boonchan i wsp., 2000). Kolejnym problemem jest czas rozkładu toksycznych związków, który jest zdecydowanie dłuższy niż przy zastosowaniu techno- Literatura Abraham WR i wsp. (2002). Polychlorinated biphenyl-degrading microbial communities and sediments. Current Opinion in Microbiology. 5: Adeline SY, Ting CH i wsp. (2009). Hydrocarbon degradation by isolate Pseudomonas lundensis UTAR FPE2. Malaysian Journal of Microbiology. 5: Aggarwal PK i wsp. (1990). Methods to select chemicals for in-situ biodegradation of fuel hydrocarbons. Force Engineering and Services Center. Florida: Tyndall AFB, Air. Alvarez PJJ, Vogel TM (1991). Substrate interactions of benzene, toluene, and para xylene during microbial degradation by pure cultures and mixed culture aquifer slurries. Applied and Environmental Microbiology. 57: Antizar-Ladislao B (2010). Bioremediation: working with bacteria. Element. 6: Atlas RM (1981). Microbial degradation of petroleum hydration of polyaromatic hydrocarbons by new isolates of white rot carbons: An environmental perspective. Microbiology. 58: Atlas RM, Bartha R (1998). Fundamentals and applications. Microbial Ecology Boboye B, Olukunle OF, Adetuyi FC (2010). Degradative activity of SZKOŁA

22 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ bacteria isolated from hydrocarbon-polluted site in Ilaje, Ondo State, Nigeria African. Journal of Microbiology Research. 4: Bogan BW, Lahner LM, Sullivan WR i wsp. (2003). Degradation of straight-chain aliphatic and high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbons by a strain of Mycobacterium austroafricanum. Applied and Environmental Microbiology. 94: Boldrin B, Tichm A, Eritzsche C (1993). Degradacja fenantrenu, fluoren, Fluoranten i piren przez Mycobacterium sp. Applied and Environmental Microbiology. 59: Boonchan S, Britz ML, Stanley GA (2000). Degradation and mineralization of high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbons by defined fungal-bacterial cocultures. Applied and Environmental Microbiology. 66: Boopathy R (2000). Factors limiting bioremediation technologies. Bioresource Technologes. 74: Carberry JB, Wik J (2001). Comparison of ex situ and in situ bioremediation of unsaturated soils contaminated petroleum. Journal of Environmental Science and Health. 36: Das N, Chandran P (2011). Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbon Contaminants: An Overview. SAGE-Hindawi Access to Research Biotechnology Research International. ID , 13 Diaz MP, Boyd KG i wsp. (2002). Biodegradation of crude oil across a wide range of salinitiesby an extremely halotolerant bacterial consortium MPD-M,immobilized onto polypropylene fibers. Biotechnology and Bioengineering. 79: Dubey RC (2009). A text book of Biotechnology. S. Chand and Company Ltd. Ram Nagar, New Delhi Fredricks KM (1966). Adaptation of bacteria from one type of hydrocarbon to another. Nature. 209: Gadd M (2010). Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Microbiology. 156: Glazer AN, Nikaido H (1995). Microbial biotechnology: fundamentals of applied microbiology. New York: Freeman. Hernandez K, Fernandez-Lafuente R (2011). Control of protein immobilization: Coupling immobilization and site-directed mutagenesis to improve biocatalyst or biosensor performance Enzyme and Microbial Technology. 48: Holliger C, Gaspard S i wsp. (1997). Contaminated environments in the subsurface and bioremediation: organic contaminants. FEMS Microbiology Reviews. 20: Johnson SJ i wsp. (2003). Contribution of anaerobic microbial activity to natural attenuation of benzene in groundwater. Engineering Geology.70: Jorgensen KS (2007). In situ bioremediation. Advances in Applied Microbiology. 61: Jyothi K, Surendra K, Babuk S i wsp. (2012). Identification and Isolation of Hydrocarbon Degrading Bacteria by Molecular Characterization. Helix. 2: Kanaly RA, Harayama S (2000). Biodegradation of highmolecular- -weight PAHs by bacteria. Journal of Bacteriology182: Koma D, Sakashita Y, Kubota K i wsp. (2005). Degradation pathways of cyclic alkanes in Rhodococcus sp. NDKK48. Appl. Microbioligy.and Cell Physiology. 66: Kołwzan B (2008). Ocena przydatnosci inokulantów do bioremediacji gleby zanieczyszczonej produktami ropopochodnymi. Ochrona Środowiska. 30:4. Korda A, Santas P, Tenente A i wsp. (1997). Petroleum hydrocarbon bioremediation: sampling and analytical, in situ treatments and commercial microorganism currently used. Applied. Microbial Biotechnology 48: Lal R i wsp. (2010). Biochemistry of Microbial Degradation of Hexachlorocyclohexane and Prospects for Bioremediation. Microbiology Reviews. 1: Liu Z i wsp. (2006). Construction of a genetically engineered microorganism for degrading organophosphate and carbamate pesticides. International Biodeterioration and Biodegradation. 58:65 9. Margesin R, Schinner F (2001). Bioremediation (Natural Attenuation and Biostimulation) of Diesel-Oil-Contaminated Soil in an Alpine Glacier Skiing Area. Applied and Environmental Microbiology. 67: Marcano V, Benitez P, Palacios-Pru E (2003). Acyclic hydrocarbon environmentsnn-c18 on the early terrestrial planets. Planet Space Science. 51: Mas S i wsp. (2010). Application of chemometric methods to environmental analysis of organic pollutants. A revieiews Talanta. 80: Mearns AJ (1997). Cleaning oiled shores: putting bioremediation to the test. Science and Technology Bulletin. 4: Meintanis Ch, Chalkou KI, Kormas K i wsp. (2006). Biodegradation. 17: Miyoshi M (1895). Die Durchbohrung von Membranen durch Pilzfaden. Jahrben wisens Botanca. 28: Nowak J (2008). Bioremediation of soil contaminated with petroleum products. Biotechnologia. 1: Pandey G, Paul D, Jain RK (2005). Conceptualizing suicidal genetically engineered microorganisms for bioremediation applications. Biochemical and Biophysical Research Communications. 327: Torres Pazmiño DE, Winkler M, Glieder A i wsp. (2010). Monooxygenases as biocatalysts: Classification, mechanistic aspects and biotechnological applications. Journal of Biotechnology. 146:9 24. Pieper DH, Reineke W (2000). Engineering bacteria for bioremediation. Current Opinion in Biotechnology. 11: Rahman RNZA, Ghazali FM, Salleh AB, Basri M (2006). Biodegradation of hydrocarbon contamination by immobilized bacterial cells. Journal of Microbiology. 44: Rahn O (1906). Ein Paraffin zersetzender Schimmelpilz. Zentr. Bakt. Parasitenk. Infektions. 16: Raymond RL, Hudson, JO, Jamison VW (1976). Oil degradation in soil. Appl. Environ. Microbiol. 31: Rojo F (2009). Degradation of alkanes by bacteria. Environmental Microbiology. 11: Romantschuk M, Sarand I, Petänen T i wsp. (2000). The use of Galega root systems in bioremediation. Environmental Pollutions. 107: Semple KT, Reid BJ, Fermor TR (2001). Impact of composting strategies on the treatment of soils contaminated with organic pollutants. Environmental Pollutions. 112: Shimizu H (2002). Metabolic engineering integrating methodologies of molecular breeding and bioprocess systems engineering. Journal of Bioscience and Bioengineering. 94: Sikkema J, De Bont AM, Poolman B (1995). Mechanisms of membrane toxicity of hydrocarbons. Microbiological Reviews. 59: Siuta J (1997). Podstawy biodegradacji ropopochodnych składników w glebach i odpadach. Technologie odolejania gruntów, odpadów, ścieków. Ekoinżynieria Söhngen NL (1913). Einfluss von Kolloiden auf mikrobiologische Prozesse. Zentr. Bakteria Parasitenk. Infektiones. 38: Störmer K (1908). Ueber die Wirkung des Schwefelkohlenstoffs und hnlicher Stoffe auf den Boden. Zentr. Bakteria. Parasitenk. Infektiones. II. 20: Sztompka E (1999). Biodegradation of engine oil in soil. Acta Microbiologica Polonica. 48: Tausz J, Donath P (1930). Über die Oxydation des Wasserstoffs und der Kohlewassestoffe. Mittels Bakterien. Z. Physiol. Chem. 190: Vidali M (2001). Bioremediation. An overview Pure Applied Chemistry. 73: Wassermann GE, Carlini CR (2006). Ureases display biological effects independent of enzymatic activity. Is there a connection to diseases caused by urease-producing bacteria? Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 39: Wagner R (1914). Jöer Benzol-Bakterien. Giirungsphysiol. 4: Wasilkowski D, Swędzioł Ż, Mrozik A (2012). The applicability of genetically modified microorganism in bioremediation of contaminated environments. Chemik. 66: Watkinson RJ, Morgan P (1990). Physiology of aliphatic hydrocarbon-degrading microorganism. Biodegradation. 1: Wilson N G, Bradley G (1996). The effect of immobilization on rhamnolipid production by Pseudomonas fluorescens. Journal of Applied Bacteriology. 81: Wójcik P, Tomaszewska B (2005). Biotechnologia w remediacji zanie- NAUKA SZKOŁA

23 Bakterie w bioremediacji gleby Weronika Gonciarz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ czyszczeń organicznych. Biotechnologia. 4: Zamorska J, Papciak D (2004). Usuwanie związków ropopochodnych z gruntu mikroorganizmy i warunki prowadzenia procesu. Zeszyty naukowe politechniki rzeszowskiej Zobell CE (1946). Action of microörganisms on hydrocarbons. Bacteriology Reviews. 10:1 2. Bacteria in soil bioremediation Weronika Gonciarz Bioremediation is biological technology of removing chemical substances of different kinds from soils, bottom sediments, active sediments, water, and air. It utilizes capability of living microorganisms, which can catalyze, destruct or transform various types of pollutants, into less harmful forms. Unfortunately, many substances can act as a contamination introduced into the environment causing ecological imbalance or disappearance of different trophic levels of the food chain. Bioremediation uses natural ability of microorganisms to degrade hydrocarbons. The main objective of this process is the mineralization of toxic organic compounds, leading ultimately to the formation of non-toxic substances like CO 2, H 2 O and biomass. Hydrocarbons, such as derivatives of petroleum, in metabolic transformation of microorganisms constitute their carbon and energy sources, and can act as an acceptor of electrons. However, the rate of utilization of above-mentioned substances by microorganisms depends largely on the chemical nature of substance being degraded, as well as environmental factors, which can stimulate or inhibit these processes. Key words: bioremediation, hydrocarbons, soil contamination, microorganisms Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej Chemia IV etap edukacyjny, zakres podstawowy: 4. Chemia gleby. Uczeń: 3) wymienia źródła chemicznego zanieczyszczenia gleb oraz podstawowe rodzaje zanieczyszczeń (metale ciężkie, węglowodory, pestycydy, azotany); 4) proponuje sposoby ochrony gleby przed degradacją. 5. Paliwa obecnie i w przyszłości. Uczeń: 3) wyjaśnia pojęcie liczby oktanowej (LO) i podaje sposoby zwiększania LO benzyny; tłumaczy, na czym polega kraking oraz reforming, i uzasadnia konieczność prowa dzenia tych procesów w przemyśle; 5) analizuje wpływ różnorodnych sposobów uzyskiwania energii na stan środowiska przy rod niczego. NAUKA SZKOŁA

24 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak Streszczenie: Plemniki są męskimi gametami dostarczającymi podczas zapłodnienia genom ojcowski do komórki jajowej. Została opisana ich budowa cytologiczna, procesy spermatogenezy warunkowane hormonalnie i biochemicznie oraz niektóre problemy niepłodności związane z wadami ich budowy i funkcji. Słowa kluczowe: plemnik, spermatogeneza, niepłodność otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej Biologia IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony: V. Budowa i funkcjonowanie organizmu człowieka. 13. Układ rozrodczy. Uczeń: 3) analizuje przebieg procesu spermatogenezy i oogenezy; 5) przedstawia fizjologię zapłodnienia. z podziałów i różnicowania się komórek gametogenicznych, w wyniku którego powstaje dojrzała gameta męska. U ssaków ma to miejsce w kanalikach nasiennych jąder, gdzie komórki plemnikotwórcze są odżywiane i jakby otulane przez komórki tzw. podporowe czyli komórki Sertolego. W początkowych stadiach spermatogenezy komórki plemnikotwórcze znajdują się blisko błony podstawnej nabłonka kanalika nasiennego, w miarę procesu tworzenia się dojrzałych plemników przesuwają się bliżej światła kanalika, co trwa u dojrzałego mężczyzny zwykle około dni. Spermatogeneza jest procesem złożonym. Wspomniane kanaliki nasienne, które nazywa się też cewkami nasiennymi krętymi (łac. tubuli seminiferi convoluti) mają zwykle długość cm i średnicę μm. Ocenia się, że w jądrach mężczyzny łączna długość tych kanalików wynosi 250 m i, że stanowią one około 70% masy tych gruczołów. Tworzą one podobne do piramid zraziki, na szczycie których łączą się w kanaliki proste. Te uchodzą do sieci jądra, a ta wytwarza z kolei przewody wyprowadzające do specyficznego obszaru jądra zwanego najądrzem. Z najądrza dojrzałe już plemniki docierają do nasieniowodu. Nasieniowody mając anatomiczne połączenie z przewodem pęcherzyków nasiennych i tworzą przewody wytryskowe, które uchodzą do cewki moczowej. Komórki macierzyste gamet męskich stanowią do 85% komórek kanalikowych. Pozostałe ok. 13% to komórki podporowe. Komórki prekursorowe nazywają się spermatogoniami i są rozmieszczone w warstwie zewnętrznej, położonej bliżej światła kanalika. Przechodzą one specyficzne procesy rozwojowe i wielokrotnie dzielą się mitotycznie, w wyniku czego powstają spermatocyty I rzędu. Gdy spermatocyty I rzędu, objętościowo większe od spermatogoniów, dzielą się na drodze pierwszego podziału mejotycznego jednego każdego z nich powstają dwie komórki potomne zwane spermatocytami II rzęlek. med. Przemysław Wożniak: Wojewódzki Szpital Specjalistyczny im. Świętego Rafała w Czerwonej Górze Wprowadzenie Plemniki są męskimi komórkami rozrodczymi zwierząt, obdarzonymi witką zapewniającą im specyficzną ruchliwość (ruch czynny), umożliwiającą dotarcie do komórki jajowej czyli żeńskiej komórki płciowej i jej zapłodnienie. Zostały one odkryte w 1678 r. przez holenderskiego szlifierza soczewek i zarazem handlowca suknem, Antoniego van Leeuwenhoeka (odkrywcy także orzęsków, czerwonych krwinek, bakterii i drożdży). Prawie 200 lat później, w 1876 r., profesor uniwersytetu berlińskiego i członek Pruskiej Akademii Nauk, Oscar von Hertwig, pionier badań w dziedzinie embriologii, wykazał ich udział w akcie łączenia się z komórką jajową, czyli w akcie zapłodnienia (niezależnie dokonał także tego H. Fol). Plemniki są uważane za biologicznych doręczycieli genomu ojcowskiego do komórki jajowej przyszłej matki. Są one męskimi gametami powstałymi na drodze procesu spermatogenezy, jednego z najbardziej spektakularnych i znaczących w przyrodzie. Powstawanie U podstaw płodności samców różnorodnych gatunków zwierząt leżą jakościowe i ilościowe procesy wytwarzania plemników. Pierwszym klinicznym zwiastunem dojrzewania płciowego u chłopców jest zwiększenie objętości jąder w okresie między 9 a 13 rokiem życia, spowodowane zwiększeniem w tych gruczołach długości oraz średnicy kanalików plemnikotwórczych. Pierwsze plemniki mogą pojawić się już w roku życia, a wytwarzanie ich w jądrach odbywa się od okresu pokwitania do późnej starości, i to, w zasadzie, w sposób stały. Spermatogeneza, rozpoczynająca się w okresie dojrzewania osobników męskich jest procesem złożonym NAUKA SZKOŁA

25 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ryc. 1. Budowa plemnika (Kula i Słowikowska-Hilczer, 2011) du. Spermatocyty II rzędu, mające już po 23 chromosomy (a nie diploidalną ich liczbę 46), są znacznie mniejsze od spermatocytów I rzędu. Spermatocyty II rzędu dzielą się ponownie na drodze drugiego podziału mejotycznego, tak, że ostatecznie z każdego spermatocytu I rzędu powstają 4 komórki haploidalne, mające po 23 chromosomy spermatydy. Ze spermatyd w procesie spermiogenezy tworzą się dojrzałe plemniki. Spermiogeneza zachodzi w szczytowej części kanalików nasiennych a spermatydy znajdują się tam w szczytowych zagłębieniach warstwy komórek podporowych zwanych komórkami Sertolego. Podczas procesu spermiogenezy aparat Golgiego spermatydy przekształca się w akrosom, który otacza część jądra komórkowego, para centrioli przekształca się w początkowy odcinek witki plemnikowej. U podstawy witki wytwarza się pierścień z mitochondriów. Przekształca się także jądro komórkowe, gdyż białka histonowe jego nukleosomów ulegają wymianie na protaminy. Dzięki tej zmianie jakościowej objętość jądra komórkowego zmniejsza się (protaminy jako bardziej zasadowe niż histony powodują silniejsze przyleganie DNA, co zwiększa stopień jego upakowania. Wiąże się to także ze zdecydowanym zmniejszenie aktywności transkrypcyjnej. Dojrzały plemnik uwalniany jest do światła kanalika nasiennego i czeka na możliwość ejakulacji w płynie nasiennym. Czas zmian od etapu spermatogonium do dojrzałego plemnika wynosi zwykle u dojrzałych mężczyzn około 3 doby godzin. Jak widać z rysunku (ryc. 1), w tylnej części akrosomu błona komórkowa plemnika ma zagłębienie zwane pierścieniem równikowym, od strony szyjki główka jest wklęsła i tworzy wgłębienie zwane dołkiem implantacyjnym. Aparat ruchowy plemnika zlokalizowany jest w witce. W jej początkowej części szyjce znajdują się struktury łączące główkę plemnika z pozostałymi częściami witki. Zawiera ona dwie centriole, z których jedna stanowi ciałko podstawowe witki, tworzące tzw. włókno aksonemalne. Aksonema zbudowana z kompleksu mikrotubul, stanowi podstawową część aparatu ruchu plemnika. Aksonema zawiera rdzeń utworzony z 2 tubul centralnych, otoczony przez 9 par mikrotubul (Semczuk i Kurpisz, 2006). We wstawce, o grubości ok. 1 μm, długości 5 7 μm, oprócz centralnie umieszczonej aksonemy znajduje się mankiet składający się z helikalnie ułożonych mitochondriów. Część główna witki ma długość ok. 45 μm. Rola hormonów Proces wytwarzania plemników znajduje się pod kontrolą hormonalną ustroju. Zadaniem jąder jest nie tylko produkcja plemników, lecz także synteza i wydzielanie swoistych hormonów sterydowych, przede wszystkim testosteronu. Endokrynne czynności jąder pozostają pod kontrolą hormonów gonadotropowych przysadki mózgowej i liberyn specyficznych neurohormonów podwzgórza. Podwzgórze, zlokalizowane w przedniej części międzymózgowia, jest uważane za centralne ogniwo regulujące procesów procesy utrzymujące homeostazę w organizmie. Łączy się ono ze specyficznym gruczołem wewnętrznego wydzielania przysadką mózgową, zlokalizowaną anatomicznie obok niego, złożoną z trzech płatów: przedniego, środkowego i tylnego. Płaty przedni i tylny zwane są odpowiednio gruczołowym i nerwowym. Połączenia z płatem nerwowym zapewnia sobie podwzgórze przy pomocy włókien nerwowych aksonów, które biorą początek od neuronów znajdujących się właśnie w strukturze podwzgórza. Odpowiednie neurony wytwarzają (i na drodze sekrecji prze- NAUKA SZKOŁA

26 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ kazują bezpośrednio do tylnego płata przysadki) dwa specyficzne hormony, wazopresynę i oksytocynę, a do przedniego płata poprzez łączność przy pomocy naczyń krwionośnych dużą liczbę tzw. hormonów uwalniających liberyn (releasing hormones). Należą do nich m.in. hormon uwalniający gonadotropiny (GnRH), zwany luliberyną, i hormon uwalniający adrenokortykotropowy, zwany CRH. Pierwszy ma cząsteczkę zbudowaną z 10 aminokwasów, drugi z 41 aminokwasów. Przysadka pod wpływem hormonu uwalniającego gonadotropiny GnRH uwalnia z przedniego płata hormon folikulotropowy (FSH) i hormon luteinizujący (LH). Hormony te pobudzają aktywność jajników u kobiet i jąder u mężczyzn, stymulując te gruczoły płciowe do wydzielania własnych hormonów. FSH i LH stymulują jądra do wydzielania testosteronu, ale jednocześnie, gdy ich poziom znacznie się zwiększa, wywierają wpływ hamujący na podwzgórze, zmuszając je do zmniejszania tempa wydzielania GnRH. Testosteron z kolei hamuje, po osiągnięciu właściwego dla siebie poziomu we krwi, sekrecję LH-RH, a także wspomnianego już hormonu LH, a więc hamuje wydzielanie tych hormonów zarówno przez podwzgórze, jak i przysadkę. Gdy podwzgórze lub przysadka albo te obie struktury zostaną zniszczone, np. skutkiem wypadku lub uszkodzenia chorobowego, dochodzi do stopniowej atrofii jąder, połączonej z zanikiem spermatogenezy i czynności wewnątrzwydzielniczych. Jest ciekawe, że u chłopców do 10. roku życia wydzielanie LH-RH przez podwzgórze i gonadotropin przez przysadkę prawie się nie ujawnia chociaż cząsteczki tych hormonów znajdują się już fizycznie w strukturach wydzielniczych. W konsekwencji, w tym młodocianym jeszcze okresie życia nie zachodzi sekrecja testosteronu przez jadra. Aktywność tych gruczołów rozpoczyna się u chłopców dopiero w wieku około lat. GnRH wydzielany jest pulsacyjnie, co pozwala na pewną regulację aktywności jego receptorów w przysadce mózgowej (Konturek, 2000). Na zakończenie rozważań dotyczących współdziałania i relacji hormonów w odniesieniu do spermatogenezy dodajmy, że wspólne działanie FSH i LH generuje spermatogenezę. FSH procesów stymuluje procesy związane z dojrzewaniem plemników w kanalikach nasiennych, a LH przyśpiesza syntezę testosteronu w komórkach Leydiga jąder. Droga plemnika Podczas wytrysku nasienia plemniki przedostają się nasieniowodami do cewki moczowej. Nasieniowody mają długość około 45 cm, przechodzą przez powrózek nasienny i łączą się w przewód wytryskowy wewnątrz gruczołu krokowego, czyli prostaty, a potem uchodzą do cewki moczowej. FSH jest czynnikiem niezbędnym do stałego stymulowania procesu spermatogenezy. Komórki Sertolego wytwarzają specyficzne białko ABP (Androgen Binding Peptide), które wiąże androgeny. Hormon LH oddziałuje troficznie na komórki śródmiąższowe jądra, czyli komórki Leydiga i mobilizuje je do wydzielania testosteronu. Testosteron na zasadzie sprzężenia zwrotnego hamuje wydzielanie LH poprzez podwzgórze, ale stymuluje procesy spermatogenezy, wpływając zwłaszcza na ostatnie jej etapy, a mianowicie przemianę spermatyd w plemniki. Prawidłowe wartości odnoszące się do nasienia według statystyk Światowej Organizacji Zdrowia to 2 5 ml ejakulatu, około 20 milionów plemników w 1 ml tego ejakulatu, około 40 milionów plemników zawartości w całym ejakulacie, ponad 70% tych komórek jest żywych, wartość ph nasienia lekko zasadowa 7,2 8,0 neutralizująca kwaśne środowisko pochwy.. U młodego mężczyzny (ok. 20 lat) wydolność produkcji plemników jest rzędu 6,5 mln plemników/dzień/ gram jądra. Wraz z wiekiem obniża się ona i u mężczyzny pomiędzy 50 a 90 rokiem życia dochodzi do 3,8 mln. Plemniki uwalniane są do światła kanalików i transportowane do najądrzy, następnie do nasieniowodów. Gdy po ejakulacji dostaną się do dróg rodnych żeńskich mogą dotrzeć do komórki jajowej przez warstwę jej osłonki zwanej wieńcem promienistym, ale nie mogą przejść przez drugą warstwę, czyli osłonkę przejrzystą. Aby się to udało, plemnik musi poddać się procesowi kapacytacji. Dopiero wtedy jest gotowy do zapłodnienia komórki jajowej (Mitchell i wsp., 2007). Kapacytacja i rola plazmy nasiennej Na przebieg kapacytacji mają wpływ substancje zawarte w płynie, w którym plemniki są zawieszone. Plazma nasienna zawiera płyn pęcherzyków nasiennych, bogaty w aktywatory ruchu plemników, takie jak fruktoza czy kwas cytrynowy, będące głównym źródłem energii dla gamety męskiej. Znajdują się tam również prostaglandyny, tłumiące odpowiedź żeńskiego układu immunologicznego. Płyn pęcherzyków nasiennych zapewnia plemnikom odpowiednie środowisko do ich przemieszczania się do bańki jajowodu. Podczas reakcji kapacytacji dochodzi do zwiększenia aktywności ruchowej plemnika na skutek wzrostu częstości uderzenia i siły pchania witki, co prowadzi do zmiany toru ruchu gamety męskiej. Hiperaktywne plemniki poruszają się intensywnie, dzięki czemu mogą przenikać przez osłonkę przejrzystą, a jeden z nich zapładnia komórkę jajową. Spośród wielu czynników wpływających na przebieg reakcji kapacytacji, najważniejszym jest utrzymanie na odpowiednim poziomie wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapniowych Ca 2+ oraz obecności jonów K +, Mg 2+ i Zn 2+. NAUKA SZKOŁA

27 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Kapacytacja wymaga zaangażowania się w tę akcję specyficznych enzymów zlokalizowanych we wspomnianym już wcześniej akrosomie. Są to enzymy hydrolityczne, między innymi hialuronidaza, akrozyna i fosfataza kwaśna, które są niezbędne w reakcji akrosomalnej (Kula i Słowikowska-Hilczer, 2011). Reakcja ta polega na uwolnieniu zawartości akrosomu po kontakcie plemnika z osłonką przejrzystą komórki jajowej. Reakcja akrosomalna jest ostatnim etapem aktywacji gamety męskiej, ułatwiającym nie tylko późniejszą penetrację osłonki przejrzystej przez plemnik, ale przygotowującym również plemnik do fuzji z oolemmą. Może być ona indukowana przez płyn pęcherzykowy, progesteron czy jony Ca 2+ (Tesarik, 1985). Akrozyna jest serynową proteazą występującą w akrosomie plemnika w postaci enzymatycznie nieaktywnej proakrozyny, aktywowanej do formy aktywnej podczas reakcji akrosomalnej. Zaangażowana jest ona w proteolizę osłonki przejrzystej co właśnie ułatwia pokonanie jej przez plemniki. Gruczoł krokowy (łac. prostata), zwany sterczem, to nieparzysty, miąższowo-gruczołowy organ, który z pęcherzykami nasiennymi, gruczołami opuszkowo- -cewkowymi (gruczołami Cowpera, łac. glandulae bulbourethrales) i gruczołami cewki moczowej jest zaliczany do gruczołów płciowych męskich. Wytwarza on wydzielinę będącą podstawowym elementem składu ejakulatu. Jak wspomniano, nasienie składa się z plazmy nasienia, stanowiącego wydzielinę gruczołów dodatkowych, nabłonków wyścielających drogi wyprowadzające plemniki oraz plemników. Plazma nasienia jest wieloskładnikową mieszaniną umożliwiającą transport plemników w optymalnym dla nich środowisku oraz ich przygotowanie do zapłodnienia. W płynie nasiennym znajdują się liczne białka (w tym enzymy), cukry, lipidy, witaminy, hormony, elektrolity, pierwiastki śladowe, prostaglandyny, inhibitory proteaz, karnityna i inne substancje (Semczuk i Kurpisz, 2006). Karnityna jest substancją drobnocząsteczkową, która ułatwia transport niektórych kwasów tłuszczowych, m.in. przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Jest ona uważana za wskaźnik funkcji wydzielniczej najądrza, bierze udział w procesach wytwarzania energii zapewniającej ruchliwość plemników. W prawidłowej plazmie nasiennej 50% zawartej tam L-karnityny występuje w postaci acetylo-l-karnityny. Składnik ten jest niezbędny do stabilizacji błony plazmatycznej plemników (Suominen i wsp., 1971). Fruktoza jest wykorzystywana przez plemniki jako materiał energetyczny. Fruktoza i kwas cytrynowy obecne w plazmie nasiennej mogą służyć do pośredniej oceny funkcji androgennej jądra, gdyż odzwierciedlają czynność wydzielniczą pęcherzyków nasiennych i gruczołu krokowego. Zawartość fruktozy w nasieniu zmniejsza się wraz z wiekiem mężczyzny, osiągając maksimum w okresie lat jego życia (Semczuk, 1987). Biopierwiastki stanowią ważny składnik plazmy nasiennej, wśród nich istotną rolę odgrywają wapń, magnez, potas, cynk, sód, miedź i żelazo. Wapń i magnez utrzymują równowagę osmotyczną, cynk i żelazo biorą udział w procesach utleniania i redukcji, cynk i miedź wchodzą w skład koenzymów swoistego enzymu dysmutazy ponadtlenkowej. Dysmutazy ponadtlenkowe są enzymami antyoksydacyjnymi katalizującymi reakcję rozkładu anionorodnika ponadtlenkowego (jednego z rodzajów reaktywnych form tlenu) do nadtlenku wodoru i tlenu cząsteczkowego, prowadzącą do jego unieczynnienia (Kobayashi i wsp., 1991). Fosfolipidy, głównie glicerofosforylocholina i fosforylocholina, wytwarzane przez najądrze wpływają na zdolność nasienia do zapłodnienia. Plazma nasienia człowieka jest płynem bogatym w białka, między innymi transferrynę (białko z komórek Sertolego), laktoferynę czy semenogelinę. Transferyna jako białko wiążące jony żelaza i będące jego nośnikiem w osoczu krwi zmniejsza ryzyko powstawania wolnych rodników indukowanych jonami metali. Laktoferyna (białko wiążące również żelazo) jest czynnikiem bakteriostatycznym i białkiem biorącym udział w procesach immunologicznych. Semenogelina odpowiedzialna jest za koagulację nasienia po wytrysku i regulację ruchliwości plemników (Semczuk i Kurpisz, 2006). Enzym fosfataza kwaśna, obecny w plazmie nasienia, pochodzi głównie z wydzieliny komórek nabłonkowych prostaty (Zimmermann, 2009). Fosfatazie kwaśnej przypisuje się udział w prawidłowym przebiegu ejakulacji u mężczyzn, zaobserwowano bowiem istotne statystycznie obniżenie aktywności tego enzymu w nasieniu u pacjentów cierpiących na przedwczesną ejakulację (Yao i wsp., 2007). Dehydrogenaza mleczanowa, enzym ważny w procesach biochemicznych przemian glukozy we wszystkich tkankach a zawarty w plazmie nasiennej uznawany jest za wskaźnik tempa plemnikogenezy nabłonka plemnikotwórczego (Mann i Lutwak- -Mann, 1981). Zaburzenia i niepłodność Niewłaściwy przebieg spermatogenezy prowadzi do zaburzeń liczby, ruchliwości oraz morfologii plemników, stając się wielokrotnie bezpośrednią przyczyną niepłodności męskiej (Bączkowski i wsp., 2006). Diagnostyka niepłodności u mężczyzn obejmuje nie tylko ocenę parametrów ilościowych i jakościowych plemników, ale również ocenę parametrów biochemicznych plazmy nasienia, m.in. zawartości cynku czy aktywności kwaśnej fosfatazy (Lu i wsp., 2007). Do zaburzeń ilościowych zaliczamy wrodzony brak plemników w nasieniu zwany azoospermią i oligozoospermią (liczebność plemników mniejsza niż 1 mln/ml nasienia), NAUKA SZKOŁA

28 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ które związane są z niedoborem hormonów wspomnianej osi podwzgórzowo-przysadkowej (Tkaczuk-Włach i wsp., 2006). Zaburzenia jakościowe są określane jako odsetek form prawidłowych mniejszy od 50% liczby plemników (teratozoospermia) oraz form ruchomych mniejszy od 25% (asthenozoospermia) ich liczby. W nasieniu mężczyzn chorych na cukrzycę stwierdzono duży odsetek plemników z uszkodzeniami zarówno w obrębie jądrowego, jak i mitochondrialnego DNA, w porównaniu z osobami zdrowymi (Agbaje i wsp., 2007). Na funkcje komórek rozrodczych, a więc i plemników oraz gruczołów rozrodczych, oddziałują negatywnie także reaktywne formy tlenu RFT (ang. ROS, reactive oxygen species). Nadmierna ich produkcja i stres oksydacyjny obniżają płodność mężczyzny poprzez uszkodzenie błon komórkowych plemników, indukowanie uszkodzeń DNA czy przyspieszanie apoptozy (Agarwal i wsp., 2003; Li i wsp., 2012; Shira i wsp. 2011). Nasienie ssaków, ze względu na szczególną wrażliwość oksydacyjną plemników, wyposażone jest jednak w systemy ochronne antyoksydacyjne, enzymatyczne i nieenzymatyczne, których głównym zadaniem jest neutralizacja nadmiaru reaktywnych form tlenu. Poszczególne składniki tego systemu wzajemnie współdziałają ze sobą, a niedobór któregokolwiek z nich przyczynia się do obniżenia całkowitego potencjału antyoksydacyjnego męskich komórek rozrodczych. Podstawowy enzymatyczny system antyoksydacyjny w ejakulacie obejmuje takie enzymy jak dysmutazę ponadtlenkową (SOD), katalazę, peroksydazę glutationową (GPx) oraz reduktazę glutationową (GR) i został już opisany w specjalistycznym piśmiennictwie (Aitken i wsp., 1996; Alvarez i wsp., 1987; Baker i wsp., 1996; Fraczek i wsp., 2004; Gong i wsp., 2012; Grądzka,2006; Hatamoto i wsp., 2006; Koca i wsp., 2003; Li i wsp., 2000; Sahoo i wsp., 2008; Skowronek i wsp., 2012). Jak wiadomo, apoptoza, czyli zjawisko programowanej śmierci komórek jest naturalnym procesem fizjologicznym. Ma on także istotne znaczenie dla prawidłowego przebiegu spermatogenezy, gdyż ogranicza liczbę komórek gametogenicznych. Komórki Sertolego, które odpowiadają również za spermatogenezę, są odpowiedzialne za kierowanie komórek gametogenicznych na drogę apoptozy. Białko receptorowe FAS uważa się za główny czynnik regulujący proces apoptozy w gonadzie męskiej (Almeida i wsp., 2011; Rozwadowska i wsp., 2005; Skowronek i wsp., 2012). Podwyższony indeks apoptyczny w ejakulacie związany ze stresem oksydacyjnym stwierdzono w stanach zapalnych, nowotworach układu rozrodczego a także u niepłodnych mężczyzn (Aitken i wsp., 2012). Wykazano dodatnią korelację pomiędzy intensywnością apoptozy a nieprawidłowościami morfologicznymi plemników, ujemną zaś korelację związaną z ruchliwością i żywotnością plemników. Plemniki wykazujące cechy apoptyczne są liczniejsze w nasieniu osobników z oligozoospermią niż u mężczyzn z prawidłową spermatogenezą (Oosterhius i wsp., 2000). Wzrost poziomu RFT prowadzi więc do zaburzeń równowagi oksydoredukcyjnej w komórkach plemników (Agarwal i wsp., 2003). Wynikiem zachwiania homeostazy pro- i antyoksydacyjnej są zaburzenia w procesie spermatogenezy prowadzące do przedwczesnej apoptozy tych komórek. Wpływają one tym samym na liczbę i jakość plemników (Wang i wsp., 2003) a ze względu na swoją specyficzną budowę i funkcję, plemniki są szczególnie wrażliwe na działanie reaktywnych form tlenu, zwłaszcza, że błony komórek plemnikowych są bogate w wielonienasycone kwasy tłuszczowe, a te są z kolei szczególnie podatne na działanie wspomnianych rodników. Warto wspomnieć, że plemniki same wytwarzają podczas swych procesów utleniania komórkowego duże ilości RFT, które muszą później usunąć z komórki. Jedna z najpiękniejszych komórek Plemnik jest haploidalną komórką rozrodczą. Jest jedną z najciekawszych komórek w przyrodzie, doskonale zaadaptowaną do funkcji, którą wypełnia w połączeniu z komórką jajową tworzy zygotę, a więc nowe życie. Płciowy sposób się rozmnażania się organizmów, w którym m.in. uczestniczą plemniki, dał ogromne możliwości zwiększania zakresu ich zmienności a więc równocześnie większe możliwości adaptacji do różnych, także niekorzystnych środowisk. Literatura Agarwal A, Saleh RA, Bedaiwy MA (2003). Role of reactive oxygen species in the pathophysiology of human reproduction. Fertility and Sterility. 79: Agbaje IM, Rogers DA, Mcvicar CM, Mcclure N, Atkinson AB, Mallidis C, Lewis SE (2007). Insulin dependent diabetes mellitus: implications for male reproductive function. Human Reproduction. 22: Aitken RJ, Buckingham DW, Carreras A, Irvine DS (1996). Superoxide dismutase in human sperm suspension: relationship with cellular composition, oxidative stress, and sperm function. Free Radical Biology and Medicine. 21: Aitken RJ, De Iuliis GN, Gibb Z, Baker MA (2012). The Simmet lecture: New horizons on an old landscape oxidative stress, DNA damage and apoptosis in the male germ line. Reproduction in Domestic Animals. 47:7-14. Almeida C, Cunha M, Ferraz L, Silva J, Barros A, Sousa M (2011). Caspase-3 detection in human testicular spermatozoa from azoospermic and non-azoospermic patients. International Journal of Andrology. 34: Alvarez JG, Touchstone JC, Blasco L, Storey BT (1987). Spontaneous lipid peroxidation and production of hydrogen peroxide and superoxide in human spermatozoa. Superoxide dismutase as major enzyme protestant against oxygen toxicity. Journal of Andrology. 8: Baker HW, Brindle J, Irvine DS, Aitken RJ (1996). Protective effect of and antioxidants on the impairment of sperm motility by activated polymorphonuclear leukocytes. Fertility and Sterility. 65: Bączkowski T, Ciepiela P, Głąbkowski W, Kurzawa R (2006). Role of NAUKA SZKOŁA

29 Plemnik jedna z najciekawszych komórek w przyrodzie Przemysław Woźniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ general practitioner in diagnosis and treatment of infertility. Family Medicine and Primary Care Review. 8: Fraczek M, Sanocka D, Kurpisz M (2004). Interaction between leucocytes and human spermatozoa influencing reactive oxygen intermediates release. International Journal of Andrology. 27: Gong S, Gabriel MC, Zini A, Chan P, O flaherty C (2012). Low amounts and high thiol oxidation of peroxiredoxins in spermatozoa from infertile men. Journal of Andrology. 33: Grądzka I (2006). Mechanizmy i regulacja programowanej śmierci komórek. Postępy Biochemii. 52: Hatamoto LK, Baptista Sobrinho CA, Nichi M, Barnabe VH, Barnabe RC, Cortada CN (2006). Effects of dexamethasone treatment (to mimic stress) and Vitamin E oral supplementation on the spermiogram and on seminal plasma spontaneous lipid peroxidation and antioxidant enzyme activities in dogs. Theriogenology. 66: Kobayashi T, Miyazaki T, Natori M, Nozawa S (1991). Protective role of superoxide dismutase in human sperm motility: superoxide dismutase activity and lipid peroxide in human seminal plasma and spermatozoa. Human Reproduction. 6: Koca Y, Ozdal OL, Celik M, Unal S, Balaban N (2003). Antioxidant activity of seminal plasma infertile men. Advances in Reproduction. 49: Konturek S, (2000). Fizjologia człowieka. Tom 5. Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków, Kula K, Słowikowska-Hilczer J (2011). Skrypt: Medycyna rozrodu z elementami seksuologii. Wydawnictwo Uniwersytetu Medycznego, Łódź. Li Z, Zhou Y, Liu R, Lin H, Liu W, Xiao W, Lin Q (2012). Effects of semen processing on the generation of reactive oxygen species and mitochondrial membrane potential of human spermatozoa. Andrologia. 44: Lu JC, Fang Ch, Xu HR, Huang YF, Lu NQ (2007). Preliminary investigations on the standardization and quality control for the determination of acid phosphatase activity in seminal plasma. Clinica Chimica Acta. 375: Mann T, Lutwak-Mann C (1981). Male reproductive function and semen biochemistry and investigative andrology. Berlin: Springer Verlag; Mitchell LA, Nixon B, Aitken RJ (2007). Analysis of chaperone proteins associated with human spermatozoa during capacitation. Molecular Human Reproduction. 13: Oosterhuis GJ, Mulder AB, Kalsbeek-Batenburg E, Lambalk CB, Schoemaker J, Vermes I (2000). Measuring apoptosis in human spermatozoa: a biological assay for semen quality? Fertility and Sterility. 74: Rozwadowska N, Fiszer D, Kurpisz M (2005). Function of the interleukin-1 gene system in immunomodulation, apoptosis and proliferation in the male gonad. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej. 59: Sahoo DK, Roy A, Bhanja S, Chainy GB (2008). Hypothyroidism impairs antioxidant defence system and testicular physiology during development and maturation. General and Comparative Endocrinology. 156: Semczuk M (1987). Research on the fructose and citric acid content in the semen of men chronic alcoholics. Materia Medica Polona. 2: Semczuk M, Kurpisz M (2006). Andrologia. PZWL, Warszawa, Shiva M, Gautam AK, Verma Y, Shivgotra V, Doshi H, Kumar S (2011). Association between sperm quality, oxidative stress, and seminal antioxidant activity. Clinical Biochemistry. 44: Skowronek F, Casanova G, Alciaturi J, Capurro A, Cantu L, Montes JM, Sapiro R (2012). DNA sperm damage correlates with nuclear ultrastructural sperm defects in teratozoospermic men. Andrologia. 44: Suominen J, Eliasson R, Niemi M (1971). The relation of the proteolytic activity of human seminal plasma to various semen characteristics. Journal of Reproduction and Fertility. 27: Tesarik J (1985). Comparison of acrosome reaction inducing activities of human cumulus oophorus, follicular fluid and ionophore A23187 in human sperm populations of propen fertilizing ability in vitro. Journal of Reproduction and Fertility. 74: Tkaczuk-Włach J, Robak-Chołubek D, Jakiel G (2006). Male infertility. Przegląd Menopauzalny. 5: Wang X, Sharma RK, Sikka SC, Thomas AJ, Falcone T, Agarwal A (2003). Oxidative stress is associated with increased apoptosis leading to spermatozoa DNA damage in patients with male factor infertility. Fertility and Sterility. 80: Yao B, Li XY, Zhao ZM, Cai YL, Shao Y, Ge YF, Cui YX, Xia XY, Huang YF (2007). Semen biochemical markers and their significance in the patients with premature ejaculation. National Journal of Andrology. 12: Zimmermann H (2009). Prostatic acid phosphatase, a neglected ectonucleotidase. Purinergic Signalling. 5: The spermatozoon one from the strange cells in nature Przemysław Woźniak The spermatozoa are the male gametes providing a father genome to ovum. Cytological aspects of spermatozoa, spermatogenic processes conditioned by biochemical and hormonal relations and some problems of male sterility have been described. Their structural and functional abnormalities have also been discussed. Key words: spermatozoon, spermatogenetic process, sterility NAUKA SZKOŁA

30 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Symulując przyszłość Gry komputerowe w edukacji klimatologicznej Marcin Zaród Streszczenie: Artykuł przedstawia zastosowanie gier komputerowych do wspomagania dydaktyki przyrody. Przedmiotem analizy są gry: Electro City, BBC Climate Change i Fate of the World. Pokazano fundamenty naukowe tworzące modele klimatologiczno-społeczne w każdym z tych tytułów. Zaproponowano również scenariusz lekcji przyrody w szkole ponadgimnazjalnej, wykorzystującej nowe narzędzia. Artykuł zawiera również przegląd podstawowych źródeł danych o zmianach klimatycznych. Słowa kluczowe: przyroda, gry komputerowe, zmiany klimatu, IPCC, zrównoważony rozwój, klimatologia otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Artykuł zawiera: wstawkę Kontrowersje klimatyczne propozycję lekcji 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 Wprowadzenie Twórczość komputerowa stała się częścią kultury popularnej. Zgodnie z badaniami GUS z 2009 r. (Kalinowski, 2009), gry komputerowe były obecne w ok. 35% gospodarstw domowych. Znaczenie kulturotwórcze nowych mediów jest szczególnie istotne w odniesieniu do młodzieży szkolnej. Jak w przypadku innych zjawisk kultury (literatury, filmu, teatru), również w przypadku twórczości cyfrowej pojawił się postulat użycia nowych mediów (w tym gier komputerowych) do wzbogacenia dydaktyki szkolnej. Istotną rolę we wdrażaniu w Polsce technologii informacyjnych w szkołach odegrały prace Macieja M. Sysło (Sysło, 1996; Sysło, 2012), szczególnie w obszarze kształcenia informatycznego. Wpłynęły one również pośrednio na metodykę matematyki (Wójtowicz, 2010). Działania te koncentrowały się głównie na narzędziach cyfrowych wspomagających myślenie matematyczne (algorytmika, programowanie, rozwiązywanie problemów) niż na grach komputerowych. Gry komputerowe było raczej przedmiotem rozważań humanistyki (Surdyk 2008), szczególnie w ramach Polskiego Towarzystwa Badania Gier. Prace zespołów Macieja Sysło i PTBG jedynie w wąskim zakresie dotyczyły gier komputerowych w kontekście edukacji przyrodniczej. Badania zagraniczne w tym zakresie są zdecydowanie rzadsze niż w przypadku dydaktyki języków, historii lub matematyki, skupiają się też raczej na niższych etapach edukacyjnych. Propozycje użycia gier komputerowych w edukacji matematyczno-przyrodniczej pojawiły się również w dyskusjach związanych z edukacją kulturalną, kompetencjami cyfrowymi i nowymi mediami (np. Siuda i Stunża, 2012). Dotyczyły jednak prostych narzędzi (np. quizy przyrodnicze w formie gry komputerowej) i skupiały się na wcześniejszych etapach edukacyjnych. Tematyka bardziej złożona (np. zmiany klimatyczne) nie była szerzej dyskutowana. Nie mając miejsca na szczegółową analizę literatury, przywołam tylko projekt badawczy skoncentrowany wokół gry Alien Rescue, wspomagającej nauczanie przyrody (Science) na drugim etapie edukacyjnym (amer. middle schools). Projekt jest realizowany przez zespół dydaktyków z Uniwersytetu w Teksasie. W ramach projektu przygotowano od podstaw grę edukacyjną i zbadano jej efekt dydaktyczny (Liu 2013). Oczywiście ww. prace stanowią jedynie wąski wycinek szerszego pola badań związanego z nowymi mediami. Z punktu widzenia edukacji, istotną rolę odegrały prace Jane McGonigal badaczki i projektantki gier zaangażowanych (McGonigal, 2011). Gry zaangażowane (ang. serious game) stawiają sobie cele inne niż wyłącznie rozrywka. Celem może być zdobycie wiedzy lub wywołanie refleksji nad istotnym problemem społecznym lub naukowym. Klimat w grach komputerowych W 2006 r. BBC zamówiła taką właśnie grę zaangażowaną, mającą spopularyzować wiedzę o zmianach klimatu. Za realizację zamówienia była odpowiedzialna firma Red Redemption. Efektem współpracy była darmowa gra BBC Climate Challenge 1, obsługiwana przez przeglądarkę internetową. Podobny rodowód ma również gra Electro City 2, wyprodukowana w 2007 przez nowozelandzką firmę energetyczną Genesis Energy. Popularność pierwszej gry skłoniła producenta do stworzenia kontynuacji zatytułowanej Fate of the 1 Gra jest dostępna w Internecie za darmo: sn/hottopics/climatechange/climate_challenge/index_1.shtml [dostęp ]. 2 Gra jest dostępna w Internecie za darmo: co.nz/game/game.aspx [dostęp ].

31 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ World 3. Gra trafiła do sprzedaży w W 2012 przygotowano materiał dodatkowy zatytułowany Tipping Point, rozwijający problemy związane z migracjami klimatycznymi, kryzysem wodnym i kontrowersjami politycznymi. Koszt gry to 10 (wersja podstawowa) lub 20 dolarów (z dodatkiem). Dla szkół przygotowano ofertę na 60 stanowisk (w wersji rozszerzonej) kosztującą 120 dolarów. Wszystkich tych zakupów można dokonać przez Internet (artykuł jest oparty na wersji prywatnej Autora). W Fate of the World symulowane są globalne zmiany klimatyczne aż do r. Twórcy BBC Climate Challenge mieli mniejsze ambicje gra koncentruje się na polityce klimatycznej Europy w perspektywie 30 lat. 3 Strona internetowa gry: [dostęp ]. Electro City jest potencjalnie najbardziej przystępne gra dotyczy rozwoju małego regionu (miasto i peryferie) w perspektywie kilku lat. Pomimo popularności i tematyki żadna z tych trzech gier nie doczekała się analizy naukowej z perspektywy edukacji przyrodniczej (również w periodykach zagranicznych). Oprócz recenzji w prasie popularnej, gry zostały dostrzeżone i docenione przez społeczność naukową. Przykładem może być recenzja gry Fate of the World umieszczona na stronach brytyjskiego centrum badań nad energetyką NERN 4. Powodem tego niecodziennego zainteresowania (ośrodki naukowe zazwyczaj nie recenzują gier komputerowych) był model naukowy będący fundamentem 4 Recenzja jest dostępna na stronie: [dostęp ]. Ryc. 1. Struktura produkcji energii elektrycznejw Chinach w 2020 roku (prognoza wg. gry Fate of the World) gry. W Fate of the World (i w mniejszym stopniu w BBC Climate Challenge) użyto bowiem naukowych modeli przyszłości klimatu Ziemi opartych na pracach Mylesa Allena, jednego z najsławniejszych klimatologów brytyjskich (Allen 2007). Oczywiście komputery osobiste dysponują mniejszą mocą obliczeniową niż ich odpowiedniki naukowe, dlatego niezbędna była adaptacja modelu i pewne uproszczenia (np. modelowanie sytuacji w odstępie 5 lat) i skupienie się jedynie na niektórych zjawiskach. Model naukowy w Fate of the World Pomimo tych ograniczeń model matematyczny zastosowany w Fate of the World zdecydowanie ma charakter naukowy. Przede wszystkim uwzględniono wielkość i specyfikę emisji CO 2 i innych gazów cieplar- Kontrowersje klimatyczne Zdaniem autora (pracującego poza klimatologią, ale mającego za sobą egzamin z fizyki atmosfery) globalne ocieplenie jest spowodowane przez działalność człowieka (rys. 6). Pełna dyskusja naukowa zagadnienia wymagałaby osobnego tekstu, pomimo to warto pamiętać o kilku rzeczach: Globalne ocieplenie jest problemem naukowym. Źródłem informacji o problemach naukowych jest literatura naukowa (periodyki recenzowane, podręczniki akademickie, raporty naukowe), a nie publicystyka, oświadczenia naukowców itp. Wiodące pisma naukowe (w sensie współczynnika wpływu tzw. impact factor) opublikowały wiele prac potwierdzających wpływ człowieka na zmiany klimatu (np. Marcott i wsp. 2013).

32 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ nianych. Innymi słowy gra odróżnia emisje związane z energetyką (spalanie węgla w elektrowniach w Chinach) od innych źródeł (np. emisja metanu w rolnictwie opartym na hodowli). W grze zawarto również informacje na temat energii, oparte na podstawie oficjalnych prognoz amerykańskiego Departamentu Energetyki. Istotną rolę w rozgrywce pełni również transport gra uwzględnia np. popularność i problemy związane z transportem samochodowym w USA. Uwzględniono również prognozy związane z zasobami paliw kopalnych (w tym źródeł niekonwencjonalnych np. gazu łupkowego). Przegląd danych globalnych prezentuje ryc. 1. Oprócz czynników antropogenicznych pokazano też rolę zmian naturalnych cykli słonecznych lub zjawiska El Nino / La Nina (prądy okresowe wpływające na klimat obu Ameryk). Istotną rolę odgrywa też topnienie pokrywy lodowej na biegunach i zaburzenie balansu Amazonii (zgodnie z prognozami badaczy biocenoz tropikalnych, wzrost temperatury może zaburzyć obieg metanu). Wszystkie zjawiska są opisane w skorowidzu zawartym w grze ryc. 2. Ponieważ problematyka zmian klimatu wykracza poza kontekst przyrodniczy, w grze analizowane są również zmienne ekonomiczne (np. Produkt Krajowy Brutto poszczególnych regionów) i społeczne (stabilność polityczna, zdrowie publiczne, nauka i edukacja). Jednym z działań jest np. podatek Tobina (dodatkowy podatek od transakcji finansowych nakładany na kraje rozwinięte). Symulacje przyszłych temperatur i rekonstrukcje historii klimatu były prowadzone przez kilka niezależnych od siebie ośrodków. Rekonstrukcje historii zmian klimatycznych na pdostawie danych instrumentalnych są badane m.in. przez brytyjskie Climatic Research Unit i Hadley Centre; amerykańskie Goddard Institute for Space Studies, National Oceanic and Atmospheric Administration, projekt BEST prowadzony przez naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory). Wszystkie te zespoły pracowały niezależnie od siebie, w oparciu o nieco inne dane źródłowe (np. odwierty lodowe, dane geologiczne, datowanie na podstawie drzew dendroklimatologię). Komputerowe modelowanie przyszłości klimatu korzysta z danych historycznych do Ryc. 2. Fragment skorowidzu (Fate of the World) Ryc. 3. Prognozy rozwoju technologii (Fate of the World)

33 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Wszystkie powyższe zmienne są przedstawione najczęściej w formie liczbowej, zarówno w postaci tabel, jak i wykresów. Analiza danych i prognoz zawartych w grze jest kluczowym elementem rozgrywki. Osoba grająca ma do dyspozycji ograniczone zasoby pieniężne i często musi wybierać np. pomiędzy powstrzymywaniem wy- lesiania w Amazonii, reformami energetyki w Indiach i zabezpieczeniami przeciwpowodziowymi w Europie. Również sposoby przeciwdziałania zmianom i łagodzenia skutków pokazane w grze są zgodne ze stanem wiedzy naukowej (patrz tabela 1). Jak widać, gra Fate of the World obejmuje wszystkie obszary zdefiniowane Obszar przeciwdziałania Wybrane działania (IPCC) Wybrane działania (Fate of the World) Zaopatrzenie w energię Przemysł Rolnictwo Leśnictwo Transport Budownictwo Odpady - zmniejszenie subsydiów do paliw kopalnych; podatki lub opłaty węglowe od paliw kopalnych - system stałych dopłat do technologii energii odnawialnych; - zbywalne uprawnienia do emisji, przepisy dotyczące wskaźników emisji; opracowanie standardów; subsydia; kredyty podatkowe - wychwyt CO 2 (CCS) - ulepszona gospodarka gruntami uprawnymi i pastwiskami w celu zwiększenia magazynowania węgla w glebie; odnowa eksploatowanych torfowisk oraz zdegradowanych gleb; - zalesianie; ponowne zalesianie; gospodarka leśna; zmniejszanie wylesiania; - wykorzystanie produktów leśnych w formie bioenergii w celu zastępowania paliw kopalnych; - więcej pojazdów o niskim zużyciu paliw; pojazdy hybrydowe; pojazdy z czystszym silnikiem diesla; biopaliwa; - zintegrowane projektowanie budynków komercyjnych angażujące technologie inteligentne - integrowanie ogniw fotowoltaicznych w budynkach - odzyskiwanie CH4 z wysypisk odpadów; spalanie odpadów z odzyskiem energii; - kompostowanie odpadów organicznych; kontrolowane oczyszczanie ścieków - subsydia dla energetyki odnawialnej - podatek Tobina - system handlu emisjami (Cap&Trade). - wychwyt CO 2 (Cappture & Store CO2) - rozwój rolnictwa niskoemisyjnego. Zmiany w charakterze produkcji rolnej. - program zapobiegania wylesianiu. Ponowne nasadzenia. - uzależnienie emisji w regionie od stanu lasów. - rozwój technologii samochodów elektrycznych - biopaliwa 2 i 3 generacji - rozwój naukowy nowych technologii budowlanych - system zachęt prawnych wspierający fotowoltaikę - rozwój technologii czystego węgla (zgazowywanie). - zakazy sektorowe (np. zakaz pozyskiwania ropy z piasków roponośnych) Tabela 1. Porównanie propozycji działań w literaturze klimatologicznej i w grze Fate of the World (na podstawie IPCC 2007) kalibracji modeli, ma jednak na celu głównie prognozowanie przyszłych zmian. Ważnym projektem jest projekt CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project), porównujący wyniki różnych modeli i analizujący przyczyny różnic. Aby to osiągnąć, konieczne jest użycie zestandaryzowanych scenariuszy (np. założeń dotyczących aktywności słońca) 1. Obecne modele klimatologiczne charakteryzują się dużą złożonością. Biorą pod uwagę m.in. cyrkulację atmosferyczną i oceaniczną, wpływ i konsekwencje dla roślinności, cykl węglowy, cykl azotowy i chemię atmosfery. Więcej o modelach klimatologicznych można przeczytać w darmowym podręczniku internetowym (Goosse i wsp., ). W 2010 r. w sprawozdaniach Amerykańskiej Akademii Nauk (National Academy of Sciences) ukazał się artykuł przeglądowy podsumowujący prace naukowe 1300 klimatologów amerykańskich. Zgodnie z tą publikacją ok. 98% publikacji recenzowanych potwierdzało hipotezę antropogenicznego globalnego ocieplenia (Anderegg i wsp., 2009). Dużą część kontrowersji klimatycznych można przypisać wpływowi przemysłu węglowego. Przemysł węglowy, stalowy, chemiczny i energetyczny opłaca ludzi, których zadaniem jest negowanie zmian klimatycznych. Szczegóły i dowody przedstawione zostały w literaturze (Oreskes i Conway, 2010). Światowe organizacje związane z ochroną przyrody mają dużo mniej pieniędzy niż lobby węglowe. 1 header=0 [dostęp ].

34 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ jako kluczowe w literaturze klimatologicznej np. w raporcie Międzynarodowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC 2007) 5. Oparcie gry na modelu naukowym oraz 5 Raport dostępny w języku polskim na stronie: ch/pdf/reports-nonun-translations/polish/report%20final%20 version.pdf [dostęp ]. zgodność problemów i rozwiązań z obecnym stanem wiedzy naukowej sprawiają, że Fate of the World ma istotne znaczenie jako potencjalna pomoc dydaktyczna. Pozostałe gry, chociaż nie mają tak rozbudowanej warstwy naukowej, mogą być przydatne jako uzupełnienie lub wprowadzenie do tematu. Pomiary temperatur, szczegóły procesów fizycznych i modeli klimatologicznych są bardzo przystępnie wyjaśnione w języku polskim w podsumowaniu raportu IPCC. Dużo dodatkowych wyjaśnień w języku angielskim można znaleźć na stronach NASA 2, amerykańskiej Akademii Nauk 3 lub brytyjskiego Royal Society 4. Do innych źródeł (internetowych, prasowych i telewizyjnych) należy podchodzić wyjątkowo ostrożnie, bo łatwo o nierzetelną informację. Uczniom zainteresowanym badaniami nad klimatem można polecić uczestnictwo w internetowym projekcie naukowym Old Weather. W ramach tego projektu wolontariusze z całego świata identyfikują i transkrybują stare dzienniki okrętowe, rozbudowując w ten sposób bazy danych meteorologicznych 5. Tematyka zmian klimatycznych pojawia się też w grze planszowej CO (dopasowanej do poziomu ostatnich klas szkoły podstawowej i gimnazjum). Bieżący przegląd aktualnych dyskusji klimatycznych można znaleźć na blogu popularnonaukowym Doskonale Szare. Ponieważ sam blog nie powinien stanowić jedynego źródła informacji, dlatego dobrze jest używać go jedynie jako wprowadzenia do tematu lub przeglądu bibliografii naukowej 6. Zanim zdecydujemy się zanegować wiarygodność źródła naukowego, warto poczekać. Przykładowo: w tzw. aferze Climategate (skandal związany z rzekomym fałszowaniem danych w brytyjskim Ryc. 4. Argumenty związane z budową elektroni atomowej (Electro City) 2 [dostęp ]. 3 panel-reports/panel-on-adapting-to-the-impacts-of-climate-change/ [dostęp ]. 4 [dostęp ]. 5 [dostęp ]. 6 [dostęp ].

35 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Specyfika rozgrywki O atrakcyjności gier w dydaktyce decyduje nie tylko użyty w nich model naukowy. Najważniejszą zaletą gier jest możliwości interakcji i sam model rozgrywki. Połączenie rozrywki i nauki (tzw. edutainment) sprawia, że medium to jest postrzegane inaczej niż literatura, grafika, film. Ryc. 5. Analiza efektów zalesiania (BBC Climate Challenge) W każdej z trzech gier rozwój akcji zależy od decyzji osoby grającej oraz od czynników losowych (np. cykle słoneczne, powodzie). Każda z nich ma zdefiniowane kryteria sukcesu i porażki, przy czym może to zależeć od konkretnego scenariusza. Electro City i BBC Climate Challenge oferują tylko jeden wariant rozgrywki. W Fate of the World zawarto serię wyzwań o stopniowo rosnącym poziomie trudności. Wszystkie gry mają też Climate Research Unit) śledztwo rządowe i procedura weryfikacji naukowej pokazały, że zarzuty były nieuzasadnione i rozdmuchane przez prasę. Samodzielne odtworzenie modeli klimatycznych jest najczęściej niemożliwe (większość z nas nie ma w domu superkomputerów i wieloosobowych zespołów badawczych), dlatego najlepsze, co pozostaje nauczycielowi, to śledzenie literatury naukowej (choćby abstraktów i prac przeglądowych). Nauczyciel przedmiotów przyrodniczych jest często pierwszą instancją rozstrzygającą dylematy naukowe uczniów. Z tego powodu konieczne jest trzymanie się źródeł naukowych, nawet jeśli oznacza to większą pracę intelektualną. samouczki czyli specjalne tryby przeznaczone dla początkujących. Wszystkie trzy gry mają charakter strategiczny. Nie ma ograniczeń czasowych w podejmowaniu decyzji, a logiczne myślenie odgrywa zdecydowanie ważniejszą rolę niż spostrzegawczość lub zręczność. Rozgrywka ma charakter turowy osoba grająca planuje komplet swoich ruchów, po czym otrzymuje informację zwrotną o ich skutkach. Czas rozgrywki waha się od 20 minut (Electro City) do ok. 8 godzin (najtrudniejsze scenariusze Fate of the World). Istnieje możliwość rozegrania wybranej części scenariusza oraz podzielenia partii na kilka mniejszych części. Wszystkie trzy gry są w języku angielskim. W każdej z nich informacje graficzne (wykresy, tabele) przeważają nad tekstem. Język użyty w grach jest stosunkowo prosty (na poziomie A2+/B1). Najwięcej problemów mogą sprawić terminy fachowe związane ze zmianami klimatycznymi. Ułatwieniem dla nauczyciela może być polski przekład raportu IPCC omawiający większość zagadnień związanych ze zmianami klimatu.

36 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Propozycja wykorzystania w szkole Electro City może stanowić formę wprowadzenia do tematu dla osób młodszych (ok. 14 lat). Problemy związane z nieznajomością języka może rozwiązać krótki słowniczek. W grze nie ma zbyt wiele tekstu, obsługa jest prosta, a czas rozgrywki niedługi (ryc. 4). Z tego powodu nadaje się jako nietypowe zadanie domowe z geografii (podsumowane w formie dyskusji lub tabeli opisującej zalety i wady różnych elektrowni). BBC Climate Challenge ma nieco większy poziom złożoności i dłuższą rozgrywkę (ryc. 5). Ze względu na nacisk na zrównoważony rozwój i kontekst europejski, może wspomagać realizację celu kształcenia nr 4 dla geografii w gimnazjum (Kształtowanie postaw). Niektóre elementy gry mogą być też przydatne jako elementy zajęć związanych z gospodarką Europy (wymaganie szczegółowe nr. 9 geografia/gimnazjum) 6. BBC Climate Challenge może też być użyta jako prostszy, darmowy substytut Fate of the World. W takim wypadku sugerowałbym ok. 20 minut rozgrywki i 20 minut dyskusji w grupach (przykładowe pytania: Jakie działania były najskuteczniejsze? Co zrobilibyście inaczej za drugim razem? Jaki zasób był najbardziej potrzebny? ). Fate of the World, jako najbardziej złożona z prezentowanych gier, nadaje się raczej do wzbogacenia dydaktyki w szkołach ponadgimnazjalnych. W połączeniu z materiałem naukowym (raportem IPCC), gra może stać się elementem niecodziennej lekcji przyrody. Wpływ człowieka na klimat Ziemi Propozycja scenariusza lekcji PRZYKŁADOWA LEKCJA Zastosowanie: Propozycja jest przeznaczona do lekcji przyrody na IV etapie edukacyjnym. Czas trwania: Dwie jednostki lekcyjne, najlepiej realizowane w minimalnym odstępie czasowym. Wątek tematyczny: Propozycja realizuje treści 15.1 (Efekt cieplarniany od strony fizycznej) i 15.4 (zrównoważony rozwój jedyną alternatywą dla przyszłości świata). Ze względu na złożoność zagadnień propozycja łączy się np. z wątkiem 7.4 (modelowanie zjawisk geograficznych), 10.4 (czy energia słoneczna stanie się rozwiązaniem problemów energetycznych na Ziemi?), 23.4 (zasoby wody na Ziemi). Ponieważ podstawa programowa nie daje możliwości swobodnego zestawiania pojedynczych modułów (konieczna jest organizacja w wątki), scenariusz został pomyślany jako fragment wątku tematycznego nr 15 Ochrona Przyrody i Środowiska. Rezultaty nauczania: Rezultatem realizacji scenariusza powinna być znajomość następujących treści nauczania (wymagania szczegółowe 15.1 i 15.6): 1) Uczeń przedstawia mechanizm efektu cieplarnianego i omawia kontrowersje dotyczące wpływu człowieka na zmiany klimatyczne; 2) Uczeń określa cele zrównoważonego rozwoju i przedstawia zasady, którymi powinna kierować się gospodarka świata. Metody: Praca z grą komputerową i tekstem naukowym (analiza raportu IPCC 2007), dyskusja w grupach. Pomoce dydaktyczne: Ideałem byłaby sytuacja jeden komputer z grą na jednego ucznia. Niezbędne minimum to jeden komputer z grą na grupę. Bardzo wskazany jest też rzutnik multimedialny. Gra powinna zostać zainstalowana i uruchomiona przed lekcją (instalacja zajmuje ok. 20 minut). Wskazana jest instalacja gry z wcześniej ściągniętych i powielonych plików źródłowych (kopiowanie jest dozwolone jeżeli ma się licencję na wystarczającą liczbę stanowisk). Ideałem byłyby trzy wydruki stron 5 13 oraz raportu IPCC w każdej grupie. Niezbędne minimum to plik w wersji elektronicznej na każdym komputerze. Przydatne mogą być też słowniki angielsko-polskie i książki dotyczące zmian klimatu (np. Cowie 2009). Podział na grupy: Grupy liczą od 4 do 6 osób. Liczba grup powinna wahać się od 4 do 6. Każda z lekcji wymaga innego podziału na grupy. Ideałem byłoby, gdyby drugi podział na grupy był zupełnie inny niż za pierwszym razem. Tak, aby w każdej grupie znaleźli się przedstawiciele różnych grup z lekcji 1. Innymi słowy: na lekcji numer 2 każda z grup powinna mieć w składzie osoby, które pracowały w różnych grupach na lekcji numer 1. 6 Szczegółowe zapisy podstawy programowej można znaleźć na stronie: _tom_5.pdf [dostęp ]. Przywoływane wymagania są zawarte na s

37 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Przebieg lekcji 1 Wprowadzenie (ok. 5 minut): Czynności administracyjne. Określenie celu lekcji (Przykładowa wypowiedź nauczyciela: Celem następnych dwóch lekcji jest rozwikłanie zagadki zmian klimatu Zobaczymy, czy uda nam się uratować Ziemię ). Podział na grupy. Praca w grupach (20 minut): Każda z grup ma zadanie znaleźć odpowiedzi na poniższe pytania i wypracować rozwiązanie podanego problemu. Odpowiedzi na pytania a i b znajdują się na stronach 5 13 raportu IPCC (głównie s. 15). Pytania te mają na celu rozwój wiedzy uczniów (da się na nie jednoznacznie odpowiedzieć). Potencjalne odpowiedzi na zadania c pokazują strony Pytanie c ma charakter otwarty, możliwych jest kilka prawdopodobnych odpowiedzi. Celem pytania c jest pobudzenie dyskusji. Podsumowanie dyskusji (20 minut): Każda z grup prezentuje odpowiedzi na swoje pytania (po 4 minuty na grupę). Odpowiedzi są nanoszone na tablicę w formie mapy myśli lub grafu, którego centrum stanowią zmiany klimatyczne. Grupa Pytania: Problem do dyskusji: A B C D E F a) Jakie gazy powodują zmiany klimatu Ziemi? b) Co się stanie z energetyką wodną w Europie Południowej jeśli klimat dalej się będzie ocieplał? a) Opisz w trzech punktach wpływ zmian klimatycznych na gospodarkę wodną b) Ilu ludzi w Afryce będzie narażonych na brak wody w związku ze zmianami klimatycznymi? a) Co to jest wymuszenie radiacyjne? b) O ile mogą się zmniejszyć plony w nienawadnianych obszarach Afryki jeśli klimat dalej się będzie ocieplał? a) Opisz w trzech punktach najważniejsze procesy słoneczne wpływające na zmianę klimatu Ziemi. b) Jakie problemy zdrowotne w Azji będą związane z ociepleniem klimatu? a) Opisz w trzech punktach wpływ zmian klimatycznych na ekosystemy? b) Co się stanie z lasami tropikalnymi Ameryki Południowej jeśli klimat dalej będzie się ocieplał? a) Opisz w trzech punktach wpływ zmian klimatycznych na wybrzeża morskie. b) Jaki wpływ na wybrzeża Japonii może mieć zmiana klimatu? Tabela 2. Zadania do pracy w grupach na pierwszej lekcji c) Jesteście zespołem doradzającym Unii Europejskiej. Jakie rozwiązania byście zaproponowali, aby zapobiec deficytowi energii w Europie? Kto byłby Waszym sojusznikiem a kto by się Wam przeciwstawiał? c) Jesteście zespołem doradzającym prezydentowi Nigerii (tropikalne państwo Afrykańskie). W jaki sposób uchronilibyście ludność Nigerii przed zmianami klimatycznymi. Kto byłby Waszym sojusznikiem a kto by się Wam przeciwstawiał? c) Jesteście zespołem doradzającym prezydentowi RPA. W jaki sposób dopasowalibyście rolnictwo do zmian klimatycznych? Kto byłby Waszym sojusznikiem a kto by się Wam przeciwstawiał? c) Jesteście zespołem ONZ doradzającym władzom Chin. Jakie główne problemy zdrowotne będą stały przed Chinami? Co można zrobić, aby je zminimalizować? c) Jesteście zespołem ONZ doradzającym władzom Brazylii. Jakie będą skutki wycinania lasów tropikalnych? Co byście doradzili władzom Brazylii, aby uratować Amazonię przed zmianami klimatu? Kto byłby Waszym sojusznikiem a kto by się Wam przeciwstawiał? c) Jesteście zespołem ONZ doradzającym władzom Japonii. W jaki sposób można zwiększyć bezpieczeństwo wybrzeży?

38 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Przebieg lekcji 2 Wprowadzenie (ok. 15 minut): Przypomnienie wiadomości z poprzedniej lekcji. Ponowny podział na grupy. Prezentacja podstaw obsługi gry komputerowej Fate of the World na ekranie (Nie ma tu powodu do obaw: dzieci zazwyczaj uczą się obsługi gier komputerowych dużo szybciej niż czegokolwiek innego) 7. Praca w grupach (ok. 30 minut, najlepiej do 40 minut): Ideałem byłoby, gdyby każdy miał egzemplarz gry. Minimum stanowi sytuacja: jeden egzemplarz / grupę. Jeśli nauczyciel obawia się, że gra będzie zbyt skomplikowana, może wybrać grupkę od czterech do sześciu pomocników, którzy nauczą się jej obsługi przed lekcją. Pomocnicy nie będą przydzieleni do grup, ich zadaniem będzie chodzenie po sali i pomaganie kolegom. Sugeruję rozegrać scenariusz Fuel Crisis ma średni poziom trudności, ale pokazuje zmiany w skali globalnej. Tabelę 3 proponuję wydrukować i rozdać poszczególnym grupom [wersje do druku w załączniku tego numeru red.]. Podsumowaniem problemów będzie zadanie domowe. Podsumowanie (w formie pracy domowej): Uzupełnij tabelę 4 (wiersz nr 1 to przykład). 7 Pomocne w nauce gry mogą być filmy na Youtube. Np. Grupa Wprowadzenie (wspólne dla wszystkich) Problem do dyskusji: I II III IV V VI Wcielacie się w rolę przywódcy specjalnego departamentu ONZ. Waszym zadaniem jest łagodzenie skutków zmian klimatu. Fundamentem Waszych działań są pracownicy (opcja ich rekrutacji jest w prawym górny rogu ekranu). Po jej kliknięciu otworzy się mapa należy nacisnąć plus przy wybranym przez Was regionie i potwierdzić przyciskiem recruit. Uwaga: rekrutacja kosztuje a musicie sobie zostawić fundusze na działanie (najlepiej ok. 60% gotów dostępnej na początku patrz w lewym górnym roku ekranu). Do ekranu głównego wracacie klikając ikonkę Ziemi w lewym górnym rogu. Jeśli udało się zrekrutować agentów, na mapie w lewym górnym roku będą dostępne regiony. Po kliknięciu w nie będziecie mogli realizować różne programy. Możecie realizować tyle programów ilu macie agentów w danym regionie. Różne programy są oznaczone kołami w różnych kolorach. Dane statystyczne znajdziecie pod ikoną kółka w prawym górnym rogu. Jeśli już zdecydujecie się na działania, naciśnijcie przycisk końca tury w lewym dolnym rogu. Zobaczycie rezultaty Waszych działań może się okazać, że stracicie wpływ w jakiś regionach albo zyskacie dodatkowe poparcie. W trakcie rozgrywki notujcie zagrania, które miały najlepszy efekt w Waszych próbach. Powodzenia! Tabela 3. Zadania do pracy w grupach na drugiej lekcji Tabela 4. Zadanie domowe Wypisz w poniższej tabeli cztery działania, które były najskuteczniejsze w Waszej rozgrywce? Jakie projekty (symbol tęczowy w grze) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Jakie działania związane z ochroną środowiska (symbol zielony) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Jakie działania związane z rozwojem techniki (symbol niebieski) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Jakie działania związane z gospodarką zasobami naturalnymi (symbol żółty) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Jakie działania związane działaniami społecznymi (symbol czerwony) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Jakie działania związane działaniami politycznymi (symbol czarny) były najskuteczniejsze w wybranych przez Was regionach? Działanie Kto wykonuje? Skutek? (Przykład) Rozwój odnawialnych źródeł energii Naukowcy i inżynierowie Mniejsza emisja gazów cieplarnianych z paliw kopalnych

39 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ryc. 6. Porównanie obserwowanych zmian temperatury przypowierzchniowej w skali kontynentalnej i globalnej modeli klimatu obejmujących albo naturalne przyczyny zmian, albo zarówno naturalne jak i antropogeniczne wymuszenia. Źródło podpisu i ilustracji: IPCC 2007

40 Symulując przyszłość Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Od Autora Wybrane gry komputerowe stanowią przykład tego, jak popularyzacja nauki łączy się z nowymi formami kultury. Poziom złożoności problemów pokazanych w Fate of the World wykracza poza horyzont jednej dziedziny. Korzystanie z gier edukacyjnych (w szczególności z gier zaangażowanych) może być istotną formą wzbogacenia dydaktyki o nowe treści. Użycie gier komputerowych w edukacji przyrodniczej jest stosunkowo trudne. Oprócz bariery sprzętowej (wystarczająca liczba komputerów i oprogramowania), trzeba też poradzić sobie z problemami językowymi i organizacyjnymi. Powyższa propozycja użycia gier komputerowych w edukacji przyrodniczej leży z pewnością poza zasięgiem możliwości wielu polskich szkół i nauczycieli, również ze względu na złożoność problemu i tekstu źródłowego. Mając świadomość tych zastrzeżeń i ograniczeń, uważam raport IPCC za dobry miernik kompetencji intelektualnych uczniów. Kto będzie umiał pracować z tym dokumentem, ten prawdopodobnie poradzi sobie też z wyszukiwaniem i analizą informacji naukowych w innych źródłach. Z podobnych powodów proponuję grę Fate of the World jako pomoc dydaktyczną kto świadomie ukończy chociaż jeden scenariusz, ten będzie rozumiał, jak czynniki naukowe splatają się z uwarunkowaniami politycznymi i społecznymi. Zestawienie tych dwóch narzędzi dydaktycznych daje najlepszą znaną mi odpowiedź na wybrane założenia podstawy programowej. Być może nie wszyscy polscy uczniowie i nauczyciele są w tej chwili zdolni do realizacji powyższego scenariusza. Wiem jednak, że warto pracować nad tym, aby pewnego dnia ta propozycja stała się codzienną praktyką. Literatura Allen MR, Piani C, Sanderson B, Giorgi F, Frame DJ, Christensen C (2007). Regional Probabilistic Climate Forecasts from a Multithousand, Multimodel Ensemble of Simulations. Journal of Geophysical Research. 112: Anderegg WRL, Prall JW, Harold J, Schneider SH (2010). Expert credibility in climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences. 27: Cowie J (2009) Zmiany klimatyczne. Przyczyny, przebieg i skutki dla człowieka. Warszawa: Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego Goosse H., Barriat PY, Lefebvre W, Loutre MF and Zunz V, ( ). Introduction to climate dynamics and climate modeling. [dostęp , podręcznik jest ciągle aktualizowany]. IPCC (2007). Zmiana klimatu 2007: Raport Syntetyczny. Wkład grup roboczych I, II i III do Czwartego Raportu Oceniającego Międzynarodowego Zespołu d/s Zmian Klimatu. Red. Pachauri RK, Resininger AJ Warszawa: IOŚ. Kalinowski P, Łysoń P, Radkowski S, Wawrzyniak K (2009). Uczestnictwo ludności w kulturze. Warszawa: GUS. Liu M, Rosenblum JA, Horton L, Kang J (2013). Using a Ludic Simulation to Make Learning of Middle School Space Science Fun. The International Journal of Gaming and Computer-Mediated Simulations 5:1-31. Marcott S, Shakun J, Clark PU, Mix AC (2013). A Reconstruction of Regional and Global Temperature for the Past 11,300 Years. Science 339: McGonigal J (2011). Reality Is Broken: Why Games Make Us Better and How They Can Change the World. New York:Penguin Books. Oreskes N, Conway NM (2010). Merchants of doubt : how a handful of scientists obscured the truth on issues from tobacco smoke to global warming. New York: Bloomsbury Press. Siuda P, Stunża G (2012). Dzieci Sieci. Kompetencje komunikacyjne najmłodszych. Gdańsk:Instytut Kultury Miejskiej dzieci-sieci.pl/raport_ikm_dzieci_sieci.pdf [dostęp ] Surdyk A (2008). Edukacyjna funkcja gier w dobie cywilizacji zabawy. Homo Comunicativus 3: Sysło MM (1996). Technologia informacyjna w edukacji. Wrocław. Dostępny na: Dostęp: Sysło MM (2012). Homo Informaticus. Warszawa: Warszawska Wyższa Szkoła Informatyki. Wójtowicz M (2010). Informatyczne przygotowanie przyszłego nauczyciela matematyki. Edukacja, Technika, Informatyka 2/2010: Simulating the future. Computer games in climate change education Marcin Zaród The paper presents use of computer games for enhancing the didactics of a science education. Subjects of the analysis are: Electro City, BBC Climate Challenge and Fate of the World. Scientific models used in those games are also discussed and evaluated. Paper also proposes high-school lesson scenario based on those new tools. The article also presents baseline knowledge on climate changes. Key words: science education, computer games, climate changes, IPCC, sustainable development, climatology

41 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska Streszczenie: Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie, czy i w jaki sposób zrównoważony rozwój (ZR) jest uwzględniony w obowiązującej w Polsce podstawie programowej. W pracy dokonano analizy jakościowej i ilościowej omawianego dokumentu, biorąc pod uwagę obecność zagadnień związanych ze ZR na różnych etapach edukacji (edukacja wczesnoszkolna, szkoła podstawowa, gimnazjum i szkoła ponadgimnazjalna) i na różnych przedmiotach nauczanych w szkole. Lista wskaźników lingwistycznych została skonstruowana tak, aby przeanalizować dokument pod względem występowania wskaźników bezpośrednich i pośrednich ZR. Wskaźniki te zostały opracowane na podstawie Strategii Edukacji na rzecz Zrównoważonego Rozwoju Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ i doświadczeń różnych autorów. Wnioski z tego badania mogą posłużyć dalszym rozważaniom na temat uwzględniania zagadnień związanych ze ZR w pełnym jego wymiarze nie tylko w dokumentach regulujących polską oświatę, ale co ważniejsze w rzeczywistości szkolnej. Słowa kluczowe: zrównoważony rozwój, edukacja dla zrównoważonego rozwoju, podstawa programowa kształcenia ogólnego otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: mgr Małgorzata Marjampolska: Wydziałowa Pracownia Dydaktyki Biologii i Przyrody, Wydział Biologii, Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, elizaryb@gmail.com Wstęp Definicja zrównoważonego rozwoju nie jest ujęta w sztywne ramy, jest otwarta, wciąż ewoluuje i zmienia się. Na przestrzeni lat pojawiło się wiele definicji czy interpretacji tego pojęcia. Wszystkie były próbą przedstawienia tego terminu w sposób zrozumiały dla ogółu społeczeństwa i miały mniejszy lub większy wpływ na formułowanie dokumentów urzędowych (Bernaciak, 2009). W obszernej literaturze przedmiotu spotkać można takie terminy jak rozwój zrównoważony, trwały, ciągły, stabilny, samopodtrzymujący się, harmonijny, ekopolityka czy ekorozwój (Łabno, 2010; Bernaciak, 2009). W art. 3 pkt 50 ustawy z 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska (Dz. U. z 2001 r. Nr 62, poz. 627) rozwój zrównoważony zdefiniowany został jako: rozwój społeczno-gospodarczy, w którym następuje proces integrowa- źródło: Stolenberg 2007 Ryc. 1. Wymiary zrównoważonego rozwoju nia działań politycznych, gospodarczych i społecznych, z zachowaniem równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych, w celu zagwarantowania możliwości zaspokajania podstawowych potrzeb poszczególnych dr Eliza Rybska: Wydziałowa Pracownia Dydaktyki Biologii i Przyrody, Wydział Biologii, Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, malgorzatamarjampolska@op.pl społeczności lub obywateli zarówno współczesnego pokolenia, jak i przyszłych pokoleń. Definicja ta jest rozbudowana, jako że sama idea zrównoważonego rozwoju odnosi się do wielu aspektów i wymiarów działalności ludzkiej, łącząc kwestie zarówno ekologiczne, ekonomiczne oraz społeczne, jak i kulturowe (Jurczak, 2011). Interesujące podejście do wielowymiarowości pojęcia zrównoważonego rozwoju zaprezentowała Ute Stolenberg (2007) (ryc. 1). SZKOŁA SZKOŁA

42 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ W realizacji idei ZR nie chodzi wyłącznie o przestrzeganie przepisów prawa. Podstawowym warunkiem jest zmiana świadomości (konsumenckiej, społecznej, kulturowej, ekologicznej) każdego człowieka, ponieważ konieczne jest wspólne działanie w tym kierunku (Berlińska i wsp., 2010). Wśród wielu sposobów i form wdrażania idei ZR szczególną rolę odgrywa edukacja. Jest ona również jednym z podstawowych praw człowieka (Domka, 1996). Obecnie w Polsce każdy obywatel jest objęty obowiązkiem edukacyjnym od 5. do 18. roku życia (ustawa z dnia 7 września 1991 r. o systemie oświaty, tekst jedn.: Dz. U. z 2004 r. Nr 256, poz. 2572, art. 15). Jest to najważniejszy okres dla kształtowania świadomości, systemu wartości, postaw i światopoglądu człowieka. Przekazane w tym czasie wzorce postępowania stają się często modelem na całe życie (Berlińska i wsp., 2010). Edukacja jest jednym z kluczowych czynników zmian w rozwoju, zachowaniu i jakości życia człowieka, dlatego jest warunkiem wstępnym osiągnięcia zrównoważonego rozwoju oraz istotnym narzędziem właściwego zarządzania, podejmowania uzasadnionych decyzji oraz promowania demokracji (Strategia Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju, 2005). Przełomowym momentem w realizacji idei edukacji na rzecz zrównoważonego rozwoju było ogłoszenie w 2002 r. przez zgromadzenie ogólne ONZ Dekady Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju na lata (Hłobił, 2010; Lozano Garcia i wsp., 2006). Głównym celem, który przyświecał inicjatorom tego przedsięwzięcia, jest wspieranie przez edukację dążeń promujących rozwój zrównoważony we wszystkich aspektach przyrodniczym, ekonomicznym, społecznym i kulturowym (Little i Green, 2009). W odpowiedzi na pojawiające się wymagania międzynarodowe względem wdrażania idei ZR opracowano szereg dokumentów regulujących na polskim gruncie możliwości realizacji tej idei, również odnoszące się do edukacyjnych powinności. Dwa najważniejsze z nich to Narodowa strategia edukacji ekologicznej oraz Polityka ekologiczna państwa. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest jakościowa i ilościowa analiza treści Podstawy programowej wychowania przedszkolnego oraz kształcenia ogólnego w szkołach podstawowych, gimnazjach i ponadgimnazjalnych z dnia 23 grudnia 2008 r. (ponownie ogłoszona 27 sierpnia 2012 r.) w celu sprawdzenia, czy dokument ten zawiera odniesienia do ZR. Jeśli tak, to na jakich przedmiotach i etapach edukacyjnych oraz dla jakiego przedmiotu przewidziana jest największa różnorodność zagadnień dotyczących zrównoważonego rozwoju. Postawiono następujące hipotezy: W Podstawie programowej pojęcie zrównoważonego rozwoju występuje we wszystkich jego czterech aspektach. Najwięcej zagadnień ZR (różne wskaźniki lingwistyczne) poruszają takie przedmioty, jak: przyroda, biologia, geografia i wiedza o społeczeństwie. Materiały i metody Materiałem, na którym dokonano analizy treści, jest nowa Podstawa programowa wychowania przedszkolnego oraz kształcenia ogólnego dla szkół podstawowych, gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych określona rozporządzeniem MEN z dnia 23 grudnia 2008 r. (Dz. U. z 2009, Nr 4, poz. 17, uchylone) i następnie z dnia 27 sierpnia 2012 r. (Dz. U. poz. 977), zwana dalej w skrócie Podstawą programową. Aby zbadać, czy porusza ona zagadnienia zrównoważonego rozwoju, przeprowadzono wewnętrzną analizę treści (Łobocki, 2009), mającą na celu dokładne poznanie treści dokumentu pod względem postawionego problemu. Podstawą analizy były wynotowane z tekstu dokumentu wskaźniki lingwistyczne, czyli słowa-klucze, które określają różne aspekty zrównoważonego rozwoju. Ich obecność w tekście świadczy o pojawianiu się w treści Podstawy programowej zagadnień zrównoważonego rozwoju. Wskaźniki lingwistyczne określono opierając się na definicjach zrównoważonego rozwoju skonstruowanych na podstawie literatury. Stworzono dzięki temu listę wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju zaprezentowaną szczegółowo w tabeli 1. W liście wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju wyróżniono wskaźniki bezpośrednie, gdy idea została bezpośrednio nazwana, i wskaźniki pośrednie, gdy pojawiły się elementy nawiązujące kontekstem do definicji danego pojęcia. Podobną metodę z zastosowaniem wskaźników lingwistycznych przedstawiła Berlińska i wsp. (2010). Wyróżniono 33 kategorii wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju. Dwa spośród nich zaliczono do wskaźników bezpośrednich. Są to: Zrównoważony rozwój, jako bezpośrednio nazwana idea, oraz System/relacje człowiek przyroda gospodarka, jako skrócone przedstawienie głównego założenia zrównoważonego rozwoju. Pozostałe 31 wskaźników uznano za pośrednie, jako elementy nawiązujące kontekstem do definicji zrównoważonego rozwoju. Wskaźniki pośrednie podzielono ponadto na 4 grupy, odpowiadające 4 aspektom zagadnienia zrównoważonego rozwoju: ekologicznemu, ekonomicznemu, społecznemu i kulturowemu. Listę wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju poddano analizie ilościowej (Łobocki, 2009) w celu sprawdzenia, na jakich przedmiotach, według Podstawy programowej, zagadnienia te powinny być poruszane oraz który przedmiot i na jakim etapie edukacyjnym ma najwięcej wskaźników lingwistycznych. SZKOŁA SZKOŁA

43 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Wyniki Analiza Podstawy programowej Zagadnienia ZR w Podstawie programowej w układzie przedmiotowym Zrównoważony rozwój został zapisany w treści kilku przedmiotów opisanych w podstawie programowej kształcenia ogólnego. Na I etapie nauczania (edukacja wczesnoszkolna) zagadnienia zrównoważonego rozwoju wymienione są w analizowanym dokumencie w ramach etyki, edukacji przyrodniczej oraz edukacji społecznej. Na II etapie edukacyjnym (szkoła podstawowa klasy IV VI) zagadnienia zrównoważonego rozwoju poruszane są na 4 z 12 nauczanych przedmiotów (33%). Są to: historia i społeczeństwo, etyka, przyroda oraz zajęcia techniczne. W szkole gimnazjalnej, czyli na III etapie edukacyjnym, treści zamieszczone w analizowanym dokumencie są nieco bogatsze w te zagadnienia. Tematyka rozwoju zrównoważonego pojawia się na 7 z 17 nauczanych przedmiotów (41%). Są to: język obcy, historia, wiedza o społeczeństwie, etyka, biologia, chemia i geografia. Zapis treści IV etapu edukacyjnego w największym stopniu obfituje w nauczanie dla ZR. Podzielony jest na 3 obszary: zakres podstawowy, zakres rozszerzony oraz przedmioty uzupełniające. W zakresie podstawowym zagadnienia zrównoważonego rozwoju poruszane są na 8 z 16 przedmiotów (50%): język polski, język obcy, wiedza o społeczeństwie, podstawy przedsiębiorczości, etyka, biologia, chemia, geografia. W zakresie rozszerzonym IV etapu edukacyjnego pojęcia zrównoważonego rozwoju pojawiają się na 5 z 14 przedmiotów (36%). Są to: język polski, język obcy nowożytny, wiedza o społeczeństwie, biologia, geografia. Wśród przedmiotów uzupełniających IV etapu edukacyjnego zagadnienia zrównoważonego rozwoju pojawiają się na 2 z 4 przedmiotów (50%): historia i społeczeństwo oraz przyroda. Analiza wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju Jakościowej analizy treści Podstawy programowej dokonano wynotowując z tekstu wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju (tabela 1). W tabeli 1 zaznaczono również przedmioty oraz etapy edukacyjne tych przedmiotów, na których, według Podstawy programowej, dany wskaźnik lingwistyczny występuje. SZKOŁA Tabela 1. Lista wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Na podstawie: Berlińska i wsp zmodyfikowane Legenda: I, II, III, IV oznaczenia etapów edukacyjnych, na których w danym przedmiocie występuje określony wskaźnik; p zakres podstawowy przedmiotu; r zakres rozszerzony przedmiotu; u zakres uzupełniający ROZWÓJ ZRÓWNOWAŻONY, typ wskaźnika: bezpośredni SZKOŁA L.p. NAZWA WSKAŹNIKA KONTEKST POZWALAJĄCY ZAKWALIFIKOWAĆ WYRAŻENIE JAKO WSKAŹNIK ZR 1. Zrównoważony rozwój Zrównoważony rozwój taki rozwój społeczno-gospodarczy, który równoważy potrzeby społeczno-ekonomiczne z potrzebą ochrony środowiska także z myślą o przyszłych pokoleniach, aby mogły zaspokajać swoje potrzeby przynajmniej w takim stopniu jak my teraz; rozwój ekonomiczny, ekologiczny, społeczny i kulturowy; podwyższanie jakości życia ludzi na świecie, wzrost gospodarczy nie może odbywać się kosztem maksymalizacji w sposobie korzystania z zasobów naturalnych PRZEDMIOTY W KTÓRYCH WYSTĘPUJE WSKAŹNIK Etyka (IV) Przyroda (IVu) Biologia (IVr) Geografia (IVp,r) 2. System/relacje człowiek przyroda gospodarka Skrócona definicja: zrównoważenie potrzeb społecznych, ekonomicznych i środowiskowych Geografia (III, IVr)

44 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ ROZWÓJ ZRÓWNOWAŻONY, typ wskaźnika: pośredni ASPEKT EKOLOGICZNY Środowisko, środowisko przyrodnicze/naturalne, świat przyrody/ roślin/ zwierząt, rośliny, zwierzęta, klimat, krajobraz, woda, zasoby wodne, powietrze, dobra przyrody/ środowiska, różnorodność biologiczna/ genetyczna, ekosystem, organizmy żywe 4. Ekologia, równowaga ekologiczna, Stan środowiska/ środowiska przyrodniczego/ środowiska naturalnego problemy środowiska/ biologiczne/ środowiskowe, warunki środowiska przyrodniczego; uwarunkowania przyrodnicze, czynniki przyrodnicze Ochrona środowiska/ środowiska naturalnego/ przyrody, działania na rzecz ochrony przyrody, ochrona i restytucja środowiska geograficznego, działania sprzyjające środowisku przyrodniczemu Ochrona zagrożonych gatunków/ gatunków ginących/ ekosystemów/ gleby/ powietrza; formy ochrony przyrody, ochrona bierna/ czynna/ gatunkowa, obszar chroniony; zachowanie naturalnych elementów środowiska, zachowanie wybranych gatunków i ekosystemów Problemy biologiczne/ środowiskowe; klęski ekologiczne, efekt cieplarniany, zmiany klimatyczne, globalne ocieplenie klimatu, dziura ozonowa, kwaśne opady, niedobór/ nadmiar wody, nieodwracalne zmiany w środowisku naturalnym Zagrożenia dla środowiska naturalnego/ przyrodniczego, zagrożenia ze strony człowieka, zagrożenia przyrody/ gatunków rodzimych/ różnorodności biologicznej Poszczególne elementy środowiska naturalnego, o które należy dbać, szanować je i chronić przed zniszczeniem/ wytępieniem Wiedza w zakresie ekologii konieczna do efektywnych sposobów ochrony elementów środowiska naturalnego Stan środowiska naturalnego i jego problemy Ograniczanie presji cywilizacyjnej na środowisko oraz poprawa jego stanu poprzez ekologizację procesów gospodarczych i wprowadzanie systemów ochrony środowiska, co prowadzi do osiągnięcia postępu cywilizacyjnego i ekonomicznego z udziałem wszystkich grup społecznych i wielu pokoleń ludzi Ochrona poszczególnych elementów środowiska naturalnego, formy ochrony przyrody Zachowanie naturalnych elementów środowiska naturalnego w stanie niezmienionym przez działalność człowieka Skutki złego gospodarowania środowiskiem naturalnym i jego zasobami Zagrożenia dla środowiska naturalnego, którym trzeba zapobiegać Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Język obcy nowożytny (III, IVp,r) Przyroda (II, IVu) Biologia (IVp,r) Chemia (III) Geografia (III, IVr) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Geografia (IVp) Przyroda (II) Biologia (III) Chemia (IVp) Geografia (III, IVp,r) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie etyki (I) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Język obcy nowożytny (III, IVp,r) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Przyroda (II, IVu) Biologia (IVp,r) Chemia (IVp) Geografia (III,IVp,r) Przyroda (IVu) Biologia (IVp,r) Chemia (III, IVp) Geografia (IVr) Przyroda (IVu) Biologia (III) Chemia (III) Geografia (IVr) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Język obcy nowożytny (III, IVp,r) Biologia (IVp,r) Geografia (IVp) SZKOŁA SZKOŁA

45 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Wypalanie łąk i ściernisk, zatruwanie powietrza i wód, wyrzucanie odpadów, spalanie śmieci, zaśmiecanie lasów, nadmierny hałas, kłusownictwo, zanieczyszczenie najbliższego otoczenia/ powietrza/ gleby/ wody, gazy cieplarniane, nawozy sztuczne, chemiczne środki zwalczania szkodników, freony i ich wpływ na środowisko, eksploatacja, eksploatacja zasobów naturalnych/ zasobów morskich/ odnawialnych/ nieodnawialnych, nieracjonalne gospodarowanie, nieracjonalne gospodarowanie wodą, introdukcja gatunków obcych, chemiczne zanieczyszczenie gleb, rodzaje zanieczyszczeń: metale ciężkie, węglowodory, pestycydy, azotany, degradacja wód/ gleb, wylesianie, ingerencja w środowisku przyrodniczym Działania niszczące przyrodę, zagrażające środowisku naturalnemu, którym trzeba zapobiegać lub ograniczać Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Wiedza o społeczeństwie (III) Przyroda (II, IVu) Biologia (IVr) Chemia (III, IVp) Geografia (III, IVp,r) 11. Zasoby naturalne, dobro wspólne, racjonalne/nieracjonalne gospodarowanie, racjonalne gospodarowanie zasobami naturalnymi/wodą/zasobami naturalnymi wody/w środowisku, oszczędzanie wody i energii, działania ograniczające zużycie wody i energii elektrycznej, racjonalne wykorzystanie zasobów środowiska, gospodarowanie zasobami leśnymi, zalesianie, eksploatacja zasobów naturalnych, surowce energetyczne/odnawialne/nieodnawialne, wyczerpywanie się źródeł energii ZASADA SAMOPODTRZYMANIA: wykorzystywanie odnawialnych zasobów środowiska w zakresie nienaruszającym rezerw odtworzeniowych; szukanie alternatywnych źródeł energii (aby ograniczyć zużycie zasobów nieodnawialnych); racjonalne gospodarowanie zasobami naturalnymi Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Wiedza o społeczeństwie (III) Przyroda (IVu) Biologia (III) Chemia (III) Geografia (III, IVp,r) SZKOŁA Źródła energii, alternatywne źródła energii, biopaliwa, wodór, energia, energia słoneczna/ wodna/jądrowa/ geotermalna, Utylizacja szkodliwych zanieczyszczeń, unieszkodliwianie zanieczyszczeń środowiska, biologiczne oczyszczalnie ścieków, restytucja (elementów środowiska) ASPEKT EKONOMICZNY Wpływ techniki na środowisko naturalne i życie człowieka, skutki przewrotu technicznego i postępu cywilizacyjnego dla środowiska naturalnego Skutki przewrotu technicznego i postępu cywilizacyjnego dla środowiska naturalnego ASPEKT SPOŁECZNY 16. Troska o dobro wspólne, odpowiedzialność Likwidacja/ unieszkodliwianie/ zmniejszanie zanieczyszczeń środowiska Ograniczanie presji cywilizacyjnej na środowisko oraz poprawa jego stanu poprzez ekologizację procesów gospodarczych i wprowadzanie systemów ochrony środowiska, co prowadzi do osiągnięcia postępu cywilizacyjnego i ekonomicznego z udziałem wszystkich grup społecznych i wielu pokoleń ludzi Wpływ techniki i rozwoju cywilizacji na środowisko naturalne i jego negatywne skutki Ograniczanie presji cywilizacyjnej na środowisko oraz poprawa jego stanu poprzez ekologizację procesów gospodarczych i wprowadzanie systemów ochrony środowiska, co prowadzi do osiągnięcia postępu cywilizacyjnego i ekonomicznego z udziałem wszystkich grup społecznych i wielu pokoleń ludzi Przyroda (IVu) Chemia (IVp) Geografia (III) Przyroda (IVu) Geografia (IVr) Historia i społeczeństwo (II) Historia (III) Historia (III) Wiedza o społeczeństwie (IVr) SZKOŁA

46 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Problemy świata/człowieka/cywilizacji/ demograficzne/ społeczeństw/ ludzkości/gospodarcze/społeczno- -gospodarcze Nędza, nierówności społeczne/ szans życiowych, społeczne wykluczenie, dysproporcja, bezrobocie, ubóstwo, wojny, głód, nierównomierny rozdział żywności, kryzys Państwa wysoko/ słabo rozwinięte, państwa bogate/ biedne, regiony bogate i biedne (bogata Północ i biedne Południe) zróżnicowanie poziomu życia/ gospodarcze, poziom rozwoju państwa, jakość życia, sytuacja społeczności lokalnej, dysproporcja pomiędzy globalną Północą a globalnym Południem, sytuacja Polski, Europy i świata/ w państwach globalnego Południa i globalnej Północy Solidarność, pomoc, działania pomocowe, zasady pomocniczości i solidarności, pomoc humanitarna, pomoc rozwojowa, pomoc państwa i organizacji pozarządowych Gospodarka, gospodarka świata, życie gospodarcze/ społeczne, formy gospodarowania, działalność gospodarcza/ społeczna, czynniki społecznoekonomiczne, zagadnienia gospodarcze/ społeczne, ekonomia, rozwój gospodarczy/ społeczny/ społeczno- -gospodarczy, zróżnicowanie gospodarcze, sytuacja gospodarcza/ społeczna Polityka, uwarunkowania polityczne, sytuacja polityczna, zjawiska polityczne, życie polityczne, polityka społeczna 23. Model konsumpcji, konsumpcyjne społeczeństwo Globalizacja, procesy globalizacji/ globalizacyjne, ruchy alterglobalistyczne Perspektywa globalna, zasięg globalny, rozwiązania globalne, wymiar globalny, w skali globalnej Potrzeby człowieka, wolność, niepodległość, ochrona wolności, równość, równość szans, równe prawa, równoprawne zasady współpracy, sprawiedliwość, tolerancja, godność człowieka, prawo, prawa kobiet/ dziecka/ do edukacji/ humanitarne, ochrona praw Zmiana mentalności ludzi rezygnacja z konsumpcyjnego stylu życia i globalizacji procesów z myślą o środowisku naturalnym i przyszłych pokoleniach ZASADA TRWAŁOŚCI: sprawiedliwy podział szans życiowych, dostępu do środowiska i jego zasobów; pomoc rozwojowa dla państw słabo rozwiniętych, ponieważ zacofana gospodarka nie sprzyja dbałości o środowisko i myśleniu o przyszłych pokoleniach Międzynarodowa współpraca w wyrównywaniu szans życiowych i sytuacji gospodarczej na świecie Zmiana polityki, sposobu gospodarowania i rozwoju gospodarczego na proekologiczny z myślą o środowisku i przyszłych pokoleniach Zmiana mentalności ludzi rezygnacja z konsumpcyjnego stylu życia i globalizacji procesów z myślą o środowisku naturalnym i przyszłych pokoleniach Działania lokalne, regionalne i globalne dla Zrównoważonego rozwoju Poszanowanie potrzeb człowieka, wolności, równości, tolerancji, godności; poszanowanie praw człowieka Język polski (IVp,r) Historia i społeczeństwo (II) Geografia (IVr) Historia i społeczeństwo (II) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Podstawy przedsiębiorczości(iv) Geografia (IVp) Wiedza o społeczeństwie (III, IVp,r) Geografia (IVp,r) Język polski (IVp,r) Historia i społeczeństwo (II) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Geografia (IVp) Język obcy nowożytny (IVr) Historia i społeczeństwo (IVu) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Podstawy przedsiębiorczości(iv) Etyka (III) Przyroda(IVu) Geografia (III, IVp,r) Język obcy nowożytny (IVr) Historia i społeczeństwo (IVu) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Etyka (III) Geografia (IVp) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Podstawy przedsiębiorczości (IV) Geografia (IVp) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Podstawy przedsiębiorczości (IV) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Geografia (IVp,r) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji społecznej (I) Język polski (IVp,r) Historia i społeczeństwo (II) Wiedza o społeczeństwie (IVp,r) Etyka (II) Geografia (IVr) SZKOŁA SZKOŁA

47 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ ASPEKT KULTUROWY Tradycja kulturowa/ historyczno-kulturowa, kultura, dorobek kulturowy, uwarunkowania kulturowe i społeczne, sytuacja kulturowa, zjawiska kulturowe/ społeczne, problemy kultury, środowisko kulturowe regionu, problemy kultury Rozwiązania regionalne, w skali regionalnej, rozwiązania lokalne, w skali lokalnej Integracja europejska, współpraca międzynarodowa, stosunki międzynarodowe Współdziałanie ze środowiskiem społecznym i przyrodniczym, harmonijne współistnienie, relacje człowiek środowisko przyrodnicze 31. Edukacja przyrodnicza, ruchy ekologiczne Rozumienie i poszanowanie przyrody, nie niszczy otoczenia, szanuje rośliny, zachowuje ciszę, pomaga zwierzętom, moralne aspekty stosunku człowieka do świata przyrody Nie zaśmiecanie, segregowanie śmieci/ odpadów, opakowania ekologiczne, działania ograniczające wytwarzanie odpadów, zagospodarowanie odpadów, zasady segregowania i możliwości przetwarzania odpadów, gospodarowanie surowcami wtórnymi Procentowy udział wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju w poszczególnych przedmiotach z uwzględnieniem etapu edukacyjnego przedstawiono na rycinie 2. Największą różnorodność wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju można znaleźć w przedmiocie geografia: 9 (27%) na III etapie edukacyjnym oraz 16 (48%) na IV etapie w zakresie podstawowym i 17 (52%) na IV etapie w zakresie rozszerzonym. Duża rozmaitość wskaźników występuje również w opisie przedmiotu wiedza o społeczeństwie: 9 wskaźników (27%) na III etapie edukacyjnym oraz 2 (6%) na IV etapie w zakresie podstawowym i 15 (45%) Poszanowanie spuścizny kulturowej i narodowej, tradycji lokalnych i regionalnych społeczeństwa, często związanych z elementami przyrody Działania lokalne, regionalne i globalne dla Zrównoważonego rozwoju Międzynarodowa współpraca w wyrównywaniu szans życiowych i sytuacji gospodarczej na świecie Ograniczanie presji cywilizacyjnej na środowisko oraz poprawa jego stanu poprzez ekologizację procesów gospodarczych i wprowadzanie systemów ochrony środowiska, co prowadzi do osiągnięcia postępu cywilizacyjnego i ekonomicznego z udziałem wszystkich grup społecznych i wielu pokoleń ludzi Edukacja o środowisku naturalnym i jego ochronie Rozumienie i poszanowanie przyrody Gospodarowanie odpadami, działania ograniczające wytwarzanie odpadów, możliwość przetwarzania, ponownego wykorzystania na IV etapie w zakresie rozszerzonym. W tekście analizowanego dokumentu dla przyrody występuje 39% spośród zanotowanych w całej Podstawie programowej wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju. Przy czym 6 wskaźników (co stanowi 18%) zanotowano w przypadku przyrody realizowanej na II etapie edukacyjnym zaś 10 (30%) na IV etapie. W przypadku biologii 4 wskaźniki (12%) zanotowano w treści podstawy programowej dla III etapu edukacyjnego, podobnie jak w przypadku zakresu podstawowego dla IV etapu edukacyjnego. W przypadku treści przeznaczonych dla biologii nauczanej w zakresie rozszerzonym na IV etapie edukacyjnym wynotowano 7 wskaźników ZR, co Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji społecznej (I) Historia i społeczeństwo (II, IVu) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Przyroda (II) Geografia (III, IVp) Geografia (IVp,r) Wiedza o społeczeństwie (III, IVr) Geografia (IVr) Etyka (III) Geografia (IVp) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Wiedza o społeczeństwie (IVr) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie etyki (I) Etyka (III, IV) Przyroda (II) Biologia (IVr) Edukacja wczesnoszkolna w zakresie edukacji przyrodniczej (I) Biologia (III) Chemia (IVp) Zajęcia techniczne (II) stanowi 21% spośród wszystkich wyszczególnionych wskaźników dla całego dokumentu. Znikomy odsetek (3%) wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju poruszany jest na zajęciach technicznych II etap edukacyjny. Analizując dane przedstawione na rycinie 2 można zauważyć, że w większości przedmiotów najwięcej zagadnień zrównoważonego rozwoju (większa różnorodność wskaźników lingwistycznych) poruszana jest na IV etapie edukacyjnym. Wyjątek stanowią historia i społeczeństwo oraz etyka, a także przedmioty, w których wskaźniki zrównoważonego rozwoju występują tylko na jednym etapie edukacyjnym histo- SZKOŁA SZKOŁA

48 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ ria (III etap edukacyjny) i zajęcia techniczne (II etap edukacyjny). Rycina 3 przedstawia udział zarówno bezpośrednich wskaźników, jak i analizowanych czterech aspektów zrównoważonego rozwoju poruszanych według Podstawy programowej na poszczególnych przedmiotach. Najwięcej przedmiotów (po 8) porusza aspekty: społeczny i kulturowy. Aspekt ekologiczny poruszany jest na sześciu przedmiotach, a aspekt ekonomiczny na dwóch. Bezpośredni wskaźnik lingwistyczny zrównoważonego rozwoju (Zrównoważony rozwój; System/ relacje człowiek przyroda gospodarka) występuje na czterech przedmiotach. Żaden przedmiot nie porusza wszystkich czterech aspektów zrównoważonego rozwoju. Trzy aspekty po- SZKOŁA SZKOŁA Ryc. 2. Udział procentowy wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju w przedmiotach na poszczególnych etapach edukacyjnych Źródło: oprac. własne Ryc. 3. Procentowy udział bezpośrednich wskaźników ZR oraz czterech aspektów wskaźników pośrednich w poszczególnych przedmiotach nauczania Źródło: oprac. własne

49 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ ruszają przedmioty takie jak: historia i społeczeństwo, wiedza o społeczeństwie, przyroda i geografia. Dwa aspekty poruszane są na języku obcym, etyce, biologii i chemii. Pozostałe przedmioty: język polski, historia, podstawy przedsiębiorczości i zajęcia techniczne poruszają jeden aspekt zrównoważonego rozwoju. Dyskusja Zrównoważony rozwój jest wyzwaniem dla współczesnego społeczeństwa, które powinno być w stanie zaprojektować takie scenariusze działania, gdzie rozwój społeczno-gospodarczy odbywa się w zgodzie ze środowiskiem naturalnym (Luppi, 2011). Jest to działanie, które trzeba podjąć w celu spełnienia fundamentalnego założenia koncepcji zrównoważonego rozwoju, czyli zaspokajania potrzeb obecnego pokolenia bez narażania zdolności przyszłych pokoleń do zaspokojenia ich własnych potrzeb (Arba at i wsp., 2010). Podstawą sukcesu zrównoważonego rozwoju jest szeroko pojęta edukacja społeczeństwa (Cieszyńska, 2007), dlatego powinna być ona ważnym elementem polityki na rzecz ochrony i zarządzania środowiskiem (Srbinovski i in., 2010). Badania Berlińskiej (2010) potwierdzają, że pojęcie zrównoważonego rozwoju nie jest jeszcze wystarczająco reprezentowane w polskim systemie edukacyjnym. Według przeprowadzonej przez nią analizy dwóch Podstaw programowych z 2002 i 2008 r. dla trzech przedmiotów: przyrody, biologii i geografii, kluczowe zagadnienia zrównoważonego rozwoju pojawiają się w obu dokumentach rzadko, a niektóre, takie jak ekorozwój, nie występują wcale. Szczególną uwagę zwraca fakt, że podczas gdy jedne tematy są podkreślane: tożsamość, tradycja, współdziałanie oraz aktywność społeczna, inne są omawiane powierzchownie lub pomijane najrzadziej pojawiło się hasło: partycypacja (Berlińska i wsp., 2010). Z przeprowadzonej analizy Podstawy programowej wynika, że nie traktuje się zrównoważonego rozwoju w sposób holistyczny. Aspekt społeczny jest tu wyraźnie akcentowany, natomiast aspekt ekonomiczny oraz bezpośrednie wskaźniki idei ZR są w niedowadze. W obecnie obowiązującej Podstawie programowej z 2008 r. można jednak zauważyć niewielki krok w kierunku zmian na lepsze. Dokument ten prezentuje szerszy zakres wskaźników lingwistycznych zrównoważonego rozwoju (więcej wskaźników i częściej się pojawiają) w porównaniu z poprzednią podstawą programową (2002) (Berlińska i wsp., 2010). Niestety w nowej Podstawie programowej (2008) nie przewidziano, tak jak to miało miejsce w poprzednim dokumencie, żadnych ścieżek międzyprzedmiotowych, w tym ścieżki Edukacja ekologiczna, która miała na celu pogłębienie wiedzy i kształtowanie postaw również w zakresie ZR (Hłobił, 2010; Ogrodnik i wsp., 2010). Z przeprowadzonej analizy wynika również, że nie we wszystkich przedmiotach nauczanych w szkole idea ZR znajduje swoje odzwierciedlenie. Brak odniesień do idei ZR w podstawie programowej można zauważyć w przypadku: plastyki, muzyki, czy matematyki. Stosunkowo niewiele wskaźników zostało wynotowanych również w przypadku etyki, co już może budzić pewne obawy. Najwięcej różnorodnych zagadnień ZR poruszają takie przedmioty jak: biologia, przyroda, geografia i wiedza o społeczeństwie. Być może wynika to z faktu połączenia językowego terminu ekorozwój, jako synonimu ZR, z przedmiotami nauk przyrodniczych. Wyniki niektórych badań (Arba at i wsp., 2010; Srbinovski i wsp., 2010) ukazują, że świadomość ekologiczna uczniów kierunków przyrodniczych jest wyższa niż uczniów kierunków artystycznych czy humanistycznych. Edukacja ekologiczna jest więc określana głównie w kategorii nauk przyrodniczych (Hłobił, 2010), co jest błędnym podejściem. Powinna być w równym stopniu lub nawet bardziej realizowana w zakresie nauk humanistycznych (Perilova i Alizade, 2011). Kluczową rolę w realizacji podstawy programowej, w tym idei ZR, odgrywają nauczyciele. Z badań przeprowadzonych dla Ośrodka Działań Ekologicznych Źródła (Wychowałek i Świderek, 2011) wynika, że nauczyciele często (31% ankietowanych, którzy odpowiedzieli, że nie uczą o zrównoważonym rozwoju) nie uczą o zrównoważonym rozwoju ze względu na brak odpowiedniej wiedzy. Wydaje się zatem zasadnym przeprowadzane specjalnych kursów i szkoleń dla nauczycieli tych przedmiotów, gdzie zagadnienie zrównoważonego rozwoju byłoby objaśnione przez specjalistę, który mógłby rozwiać wątpliwości i wyprowadzić z błędu. Badanie Varanci Uzuna i Kelesa (2012), przeprowadzone na 25 studentach specjalności nauczycielskiej, wykazało istotną statystycznie różnicę między świadomością ekologiczną przed i po zajęciach edukacji ekologicznej odbywającej się podczas obozów letnich. Zajęcia te znacznie podniosły świadomość ekologiczną uczestników i wpłynęły na ich zachowania środowiskowe. W badaniach przeprowadzonych przez Cieszyńską (2007) na studentach przyszłych nauczycielach okazało się, że 72% z nich po analizie różnych artykułów na temat ZR wyraziło swój entuzjazm do postulatów idei. Negatywne opinie 26% studentów były spowodowane głównie tym, że nie wierzyli w powodzenie tej koncepcji w świecie, w którym ludzie patrzą na ilość, a nie na jakość i każdy goni za pieniądzem. Respondenci często podkreślali, że działanie w ramach zrównoważonego rozwoju ma sens tylko wtedy, gdy całe społeczeństwo zostanie w to zaangażowane, że pociąga to za sobą wychowanie dzieci w duchu zrównoważonego rozwoju, bo dopiero w ich pokoleniu będzie możliwe osiągnięcie zakładanej równowagi. Z badań przeprowadzonych dla Ośrodka Działań Ekologicznych Źródła (Wychowałek i Świderek, 2011) SZKOŁA SZKOŁA

50 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ wynika, że większość nauczycieli (92%), którzy wypełnili ankietę, podejmuje w swojej pracy z dziećmi i młodzieżą tematykę ekologiczną, w tym zrównoważonego rozwoju. Tak wysoki wynik może częściowo wynikać z faktu, że większość ankiet została przeprowadzona wśród nauczycieli podczas szkoleń ODE Źródła. Spośród tych, którzy nie podejmują tematyki ekologicznej, jedynie nieliczni nie są zainteresowani podjęciem jej w przyszłości. Osoby, które nie podejmują w pracy z dziećmi i młodzieżą tematyki ekologicznej, podają najczęściej następujące powody takiej sytuacji: temat ten nie jest uwzględniony w realizowanych przeze mnie programach nauczania (40%); brakuje mi niezbędnej wiedzy do prowadzenia zajęć z tego tematu (31%); temat ten świadomie pomijam ze względu na brak czasu i konieczność realizacji ważniejszych treści programowych (18%). Ci sami autorzy podają, że rozwój zrównoważony budzi małe zainteresowanie zarówno wśród uczniów, jak i nauczycieli, choć w szkołach gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych jest to temat często poruszany (wynika tak z podstawy programowej i zawartości podręczników). Być może zagadnienie zrównoważonego rozwoju jest jak sugerują Wychowałek i Świderek (2011) oraz Arba at i współpracownicy (2010) niełatwe do zrozumienia, a jego podręcznikowe ujęcie jest trudne i nieatrakcyjne dla młodzieży. Pewne zastrzeżenia może budzić również wybierana metoda nauczania. Nauczyciele najczęściej stosują w edukacji ekologicznej metody słowne wykład lub pogadankę, które są najmniej atrakcyjna dla uczniów, a jednocześnie zdaniem samych nauczycieli, najmniej skuteczna (Wychowałek i Świderek, 2011). Coraz mniej natomiast prowadzi się zajęć w terenie, zwłaszcza na dalszych etapach edukacyjnych. Wyjście poza teren szkoły pozwala korzystać z otaczającego środowiska jako środka dydaktycznego czy jako źródła wiedzy. Znaczenie zajęć terenowych podkreśla m.in. Compiani (1991, za de Barros i wsp., 2012): W praktyce teren reprezentuje zarówno miejsce, z którego pobieramy informację dla budowania teorii, jak i miejsce, gdzie te teorie są testowane. Zajęcia takie są nie tylko bardziej satysfakcjonujące dla uczniów, lecz przynoszą także pozytywne efekty, poprzez pobudzanie większej liczby zmysłów niż w sali lekcyjnej, pobudzanie kreatywnego myślenia, pokazanie zjawisk o których mowa (Hutchinson i Herborn, 2012). Wnioski Analizując Podstawę programową, potwierdzono założoną wcześniej hipotezę, że w dokumencie tym występują zagadnienia zrównoważonego rozwoju, co potwierdziła wcześniej też Berlińska i wsp. (2010). Jest to zgodne z ogólnie przyjętą przez Europejską Komisję Gospodarczą ONZ w 2005 r. w Wilnie Strategią Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju, która miała ułatwić wprowadzenie i promocję Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju (Education for Sustainable Development). Niemniej jednak idea ZR nie jest przedstawiana kompleksowo. Żaden przedmiot nie porusza wszystkich czterech aspektów zrównoważonego rozwoju, co zdaje się potwierdzać szerszy problem istniejący w polskiej edukacji, jakim jest brak kształcenia holistycznego. Pewną próbą odpowiedzi na ten problem może być wprowadzenie na III etapie edukacyjnym prac metodą projektu. Skuteczność tych działań powinna stać się przedmiotem dalszych badań. Ponadto idea ZR powinna przenikać wszystkie, albo prawie wszystkie, przedmioty nauczane w szkole zgodnie z wykładanymi na nich treściami. Tymczasem zagadnienia zrównoważonego rozwoju nie pojawiają się w Podstawie programowej na wszystkich przedmiotach i są tam obecne w różnym stopniu. Potwierdzona została również druga hipoteza, zakładająca, że najwięcej różnorodnych zagadnień ekorozwoju poruszają takie przedmioty jak: biologia, przyroda, geografia i wiedza o społeczeństwie. Wyniki takie mogą wskazać na potrzebę dokonania zmian w Podstawie programowej i w programach nauczania, a może przede wszystkim w świadomości i sposobie kształcenia nauczycieli. Nie budzi wątpliwości fakt, że od zaangażowania nauczycieli we własną pracę zależy w dużym stopniu sukces ich podopiecznych. Warto zatem w taki sposób kształcić przyszłych nauczycieli, by chcieli oni w sposób atrakcyjny zgodnie z wewnętrznym przekonaniem realizować w swojej pracy ideę ZR. W odpowiedzi na te problemy pojawia się nie tylko potrzeba wprowadzenia zmian ustawowych, lecz także stworzenia kompleksowego programu edukacji dla zrównoważonego rozwoju, który powinien być wprowadzony do cyklu kształcenia, zwłaszcza w programie kształcenia nauczycieli (Perilova i Alizade, 2011; Yasin i Rahman, 2011; Ogrodnik i wsp., 2010; Cieszyńska, 2007). Literatura Arba at H., Tajul A.N., Suriati S., The status on the level of environmental awareness in the concept of sustainable development amongst secondary school students, (2010), [w:] Procedia Social and Behavioral Sciences 2 (2010) Berlińska A., Kozłowska-Rajewicz A., Czapla M., Zrównoważony rozwój upowszechnianie zagadnienia w podstawie programowej kształcenia ogólnego, [w:] Edukacja środowiskowa w społeczeństwie wiedzy, Tuszyńska L. (red.), Wyd. Biologii UW, Warszawa Bernaciak A., Ograniczanie antropogenicznych obciążeń środowiska jako czynnik trwałego i zrównoważonego rozwoju, Wyd. Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu, Poznań Compiani M The relevance of fieldwork in the teaching of Geology in the training of science teachers [po portugalsku] Cadernos do IG/UNICAMP, 1: Cieszyńska A., Kształcenie nauczycieli na rzecz zrównoważonego roz- SZKOŁA SZKOŁA

51 Wskaźniki lingwistyczne zrównoważonego rozwoju w Podstawie programowej Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ woju. Modelowe seminarium w ramach kształcenia nauczycieli na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza, [w:] Tradycja i innowacja, Region i edukacja w kontekście zrównoważonego rozwoju, VAS Verlag für Akademische Schriften, Germany de Barros J. F., Almeida P. A., Cruz N Fieldwork in geology: teachers conceptions and practices. Social and Behavioral Sciences 47: Domka L., Kryzys środowiska a edukacja dla ekorozwoju, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań Hłobił A., Teoria i praktyka edukacji ekologicznej na rzecz zrównoważonego rozwoju, Politechnika Koszalińska, Koszalin Hutchinson F.P., Herborn P.J., Landscapes for peace: A case study of active learning about urban environments and the future, (2012), [w:] Futures 44 (2012) Jurczak A., Zrównoważony rozwój, [w:] ZRÓWNOWAŻONY ROZ- WÓJ DEBIUT NAUKOWY2010, Jemczura T., Kretek H. (red. naukowa), Racibórz Little A.W., Green A., Successful globalization, education and sustainable development, (2009), [w:] International Journal of Educational Development 29 (2009) Lozano Garcia F.J., Kevany K., Huisingh D., Sustainability in higher education: what is happening?, (2006), [w:] Journal of Cleaner Production 14 (2006) Luppi E., Training to Education for Sustainable Development throughlearning, (2011), [w:] Procedia Social and Behavioral Sciences 15 (2011) Łabno G., EKOLOGIA. Słownik encyklopedyczny, Wyd. IBIS, Poznań Łobocki M., Metody i techniki badań pedagogicznych, Oficyna Wydawnicza Impuls, Kraków Ogrodnik B., Kulik R., Skubała P., Filozofia, psychologia i ekologia w edukacji dla zrównoważonego rozwoju, Wyd. Śląski Ogród Botaniczny, Mikołow Perilova O., Alizade Y., The role of ecological competence in manager s professional education, (2011), [w:] Procedia Social and Behavioral Sciences 15 (2011) Srbinovski M., Erdogan M., Ismaili M., Environmental literacy in the science education curriculum in Macedonia and Turkey, (2010), [w:] Procedia Social and Behavioral Sciences 2 (2010) Stolenberg U. Edukacja na rzecz zrównoważonego rozwoju jako lokalne przedsięwzięcie, [w:] Tradycja i innowacja, Region i edukacja w kontekście zrównoważonego rozwoju, VAS Verlag für Akademische Schriften, Germany Wychowałek K., Świderek G., Kto ma czas na ekologię? Raport z badania edukacji ekologicznej w edukacji formalnej, analiza i opracowanie raportu, Wydawca: Ośrodek Działań Ekologicznych Źródła, Łódź Yasin R. M., Rahman S., Problem Oriented Project Based Learning (POP- BL) in Promoting Education for Sustainable Development, (2011), [w:] Procedia Social and Behavioral Sciences 15 (2011) Materiały źródłowe Podstawa programowa wychowania przedszkolnego oraz kształcenia ogólnego dla szkół podstawowych, gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych z dnia 23 grudnia 2008 r. Rozporządzenie Ministra Edukacji Narodowej z dnia 23 grudnia 2008 r. w sprawie podstawy programowej wychowania przedszkolnego oraz kształcenia ogólnego w poszczególnych typach szkół (Dz. U. z 2009, Nr 4, poz. 17). Strategia Edukacji dla Zrównoważonego Rozwoju przyjęta na spotkaniu wysokiego szczebla przedstawicieli Ministerstw ds. Środowiska oraz Edukacji; Wilno, marca 2005r. Przez edukację do Zrównoważonego Rozwoju. Narodowa Strategia Edukacji Ekologicznej. Dokument opracowany w ramach porozumienia zawartego pomiędzy ówczesnym Ministerstwem Edukacji Narodowej a Ministerstwem Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa w 1995 r., zatwierdzony przez sejmową i senacką komisję ochrony środowiska w 1998 r. z późniejszymi zmianami. Warszawa Polityka ekologiczna państwa w latach z perspektywą do roku Przyjęta uchwałą sejmu RP z dnia 8 maja 2003 r. (M.P. z 2003 r. Nr 33, poz. 433). Ustawa z 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska. (Dz.U Nr 62 poz. 627). Linguistic indicators of sustainable development in the Core Curriculum Małgorzata Marjampolska, Eliza Rybska The aim of this article is to discover if or how sustainable development (SD) is present in the current National Curriculum in Poland. We present the qualitative and quantitative analysis of core curriculum, taking into account the presence of issues connected with SD on different education levels (early childhood education, primary school, middle school and high school) and on various subjects. The list of linguistic indicators was constructed in order to analyze mentioned document in terms of the occurrence of SD and its components. The indicators were created on the basis of UNECE Strategy of Education for Sustainable Development, literature and authors personal knowledge. The conclusions of this study may serve further consideration on how important sustainable development is and how it is represented not only in Core Curriculum but also in school reality. Key words: sustainable development, climatology sustainable development, education for sustainable development, curriculum framework SZKOŁA SZKOŁA

52 Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów w odniesieniu do zaleceń podstawy programowej kształcenia ogólnego Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska Streszczenie: Słusznym założeniem podstawy programowej kształcenia ogólnego było włączenie edukacji zdrowotnej do przedmiotów przyrodniczych i wychowania fizycznego. Problematyka zdrowia, która stanowi ważną część programu nauczania przyrody i biologii uwzględnia zagrożenia zdrowotne młodego pokolenia, do których zaliczane jest ryzyko wystąpienia chorób zakaźnych oraz chorób przenoszonych drogą kontaktów seksualnych. Zagadnienia te są zbyt mało znane uczniom i często pomijane przez nauczycieli. Wydaje się, że pomiędzy edukacją zdrowotną w szkole a poziomem umiejętności młodzieży powinna istnieć korelacja. Ze względu na wzrastające zainteresowanie długofalową inwestycją w zdrowie społeczeństwa rola edukacji w zakresie profilaktyki tych chorób jest istotna. Słowa kluczowe: edukacja zdrowotna, choroby zakaźne, profilaktyka, podstawa programowa kształcenia ogólnego otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Wstęp Przekonanie o spójności zdrowia i edukacji narastało w czasie rozwoju współczesnej nauki ostatniego stulecia, w którym nagromadzono dowody na nierozłączność tych elementów (Woynarowska, 2000). Zdrowie, jako dynamicznie zmieniający się stan, jest w dużej mierze zależne od czynników środowiskowych, tak naturalnych, jak i wynikających z działalności człowieka. Dodatkowo tematyka zdrowia zawarta w treści podstawy programowej dla przyrody i biologii w szkołach obejmuje wiele wspólnych obszarów. Argumentem przemawiającym za związkiem dydaktyki przyrodniczej i zdrowia jest problematyka nauk medycznych, dla których biologia stanowi podłoże i zaplecze dla nowych osiągnięć. Odzwierciedleniem prawidłowości takiego założenia jest powierzenie nauczycielom biologii w szkołach ponadgimnazjalnych opieki merytorycznej nad osobami przygotowującymi się do rozpoczęcia studiów w zakresie nauk medycznych czy nauk o zdrowiu. Powyższe motywy potwierdzają, że zagadnienia związane ze zdrowiem człowieka są ściśle powiązane z naukami przyrodniczymi. Duże znaczenie dla skuteczności edukacji zdrowotnej ma fakt, że nabywanie i kształtowanie umiejętności w zakresie prozdrowotnego stylu życia następuje w okresie edukacji gimnazjalnej oraz na etapie szkół ponadgimnazjalnych (Sokołowska, 2012). Podstawa programowa kształcenia ogólnego na III etapie edukacyjnym nawiązuje do problemu nadmiernego stosowania leków, kierując uwagę na konieczność konsultacji lekarskiej przed zastosowaniem leków takich, jak antybiotyk. Realizacja treści w tym zakresie obliguje do nauczania o chorobach bakteryjnych i wirusowych, a więc również o różnicach w ich etiologii. Dodatkowym argumentem przemawiającym za koniecznością wprowadzania treści tego rodzaju jest fakt, że wiele zakażeń przenoszonych jest przez dłonie (rotawirus, norowirus, bakterie kałowe) (badanie Reckitt Benckiser, 2012). Częsty kontakt rąk wśród młodzieży w środowisku szkolnym może sprzyjać rozprzestrzenianiu się wielu chorób, jednak przeważnie nie stanowi to wskazania do leczenia antybiotykiem. Wskazywanym przez podstawę programową problemem są również choroby przenoszone drogą kontaktów seksualnych dokument zakłada zapoznanie uczniów z profilaktyką chorób należących do tej grupy. Na ogół podręczniki biologii w gimnazjum, uwzględniają problem zakażenia rzeżączką, kiłą, HIV. W roku 2006 zaobserwowano wzrost zapadalności na kiłę odnotowanych zostało znacznie więcej przypadków zachorowań, niż w latach Szacuje się, że liczba badań serologicznych w kierunku kiły jest znacznie mniejsza, co wiąże się ze spadkiem wykrywalności zakażeń bezobjawowych. Obecnie kiłę u kobiet ciężarnych stwierdza się podobnie często, jak w czasach, gdy liczba porodów była 4-krotnie wyższa. Ponadto kiła wrodzona odnotowywana jest dwukrotnie częściej (na żywych urodzeń, w porównaniu z latami 90. XX w.) (Majewski, 2009). Ryzyko zapadalności na choroby przenoszone drogą płciową jest znacznie wyższe wśród młodzieży niż osób dorosłych, co wynikać może z niedostatecznej wiedzy, a także kojarzenia tych zakażeń z określonymi społecznościami, głównie osób uzależnionych od różnych sub- SZKOŁA SZKOŁA mgr Beata Gawrońska: Uniwersytet Warszawski, Wydział Biologii, ul. I. Miecznikowa 1, Warszawa prof. Ligia Tuszyńska: Uniwersytet Warszawski, Wydział Biologii, ul. I. Miecznikowa 1, Warszawa Praca powstała/badania przeprowadzono w ramach projektu pt. Transformacja wiedzy biologicznej i środowiskowej na poziom szkolny, finansowanego przez WB UW Badania statutowe. Kierownik projektu: dr hab. Ligia Tuszyńska, mgr Beata Gawrońska, Pracownia Dydaktyki Biologii, Wydział Biologii UW.

53 Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ stancji czy trudniących się prostytucją (Ponczek i wsp., 2012), podczas gdy ekspansja tych chorób nie pomija również pozostałej części społeczeństwa. W artykule skoncentrowano się na dwóch problemach badawczych: Jakie są kompetencje uczniów absolwentów szkół gimnazjalnych w zakresie znajomości metod profilaktyki wybranych chorób przenoszonych drogą płciową? Ryc. 1. Kompetencje badanych uczniów w odniesieniu do sposobów profilaktyki HIV w transmisji drogą kontaktów seksualnych. Jakie są opinie uczniów na temat profilaktyki zakażeń wirusem grypy? Przeprowadzono analizę subiektywnej oceny uczniów w odniesieniu do ich kompetencji w zakresie zapobiegania chorobom przenoszonym drogą kontaktów seksualnych oraz drogą powietrzno-kropelkową. Materiał i metody badań Badanie przeprowadzono w trzech liceach ogólnokształcących na terenie Warszawy, w których studenci Wydziału Biologii UW odbywają praktyki pedagogiczne. Grupę badaną stanowiło 113 uczniów klas pierwszych wskazanych szkół, co dawało pewność, że osoby te zrealizowały zakres treści określony dla przedmiotu biologia w gimnazjum. Wśród uczestników badania znalazło się 71 dziewcząt oraz 42 chłopców. Wiek uczniów, którzy wzięli udział w badaniu, mieścił się w przedziale wiekowym lat. W celu określenia poziomu kompetencji uczniów w badaniu zastosowano kwestionariusz ankiety zawierający pytania zarówno otwarte (po dwa sposoby profilaktyki grypy i rzeżączki), jak i zamknięte jednokrotnego wyboru (kojarzenie terminów związanych z chorobami zakaźnymi). Zbadano poziom kompetencji uczniów w zakresie profilaktyki chorób zakaźnych, w tym chorób przenoszonych drogą kontaktów seksualnych i drogą powietrzno-kropelkową. Oceniono poziom świadomość na temat zależności pomiędzy zakażeniem wirusem HIV a stanem trwałego obniżenia odporności.. Dyskusja Profilaktyka chorób przenoszonych drogą płciową Populacja osób zakażonych wirusem HIV w Polsce jest relatywnie mało liczna (od pocz r. do kwietnia 2013 r. zarejestrowano osób) (aids.gov.pl), jednak ze względu na tempo rozprzestrzeniania się tego wirusa edukacja w zakresie profilaktyki AIDS jest ważna. Wśród uczniów gimnazjum występują różnice w stopniu zaawansowania dojrzałości płciowej. Wiek, w którym dziewczęta osiągają pełną dojrzałość fizyczną, jest na ogół momentem, w którym chłopcy dopiero rozpoczynają dojrzewanie płciowe. Intensywne przemiany biologiczne nie idą w parze z rozwojem emocjonalnym i społecznym. Ta złożona sytuacja ma ogromny wpływ na samopoczucie, relacje z rówieśnikami i zachowania młodych ludzi, stąd duże zapotrzebowanie na zdobywanie wiedzy na temat zachowań prozdrowotnych poprzez edukację. W badaniu ustalono, jaki jest poziom samooceny kompetencji uczniów w zakresie profilaktyki chorób przenoszonych drogą płciową. Z badań wynika, że jedynie 5% uczniów nie czuje się kompetentna w tym zakresie. Oznacza to, że zdecydowana większość osób ocenia swoje umiejętności w tym zakresie jako odpowiednie. Badani uczniowie zostali poproszeni o wskazanie sposobów profilaktyki, które pozwolą im uchronić zdrowie przed ewentualnym zakażeniem HIV. Kategorie odpowiedzi przedstawia ryc. 1. Ponad 70% badanych uczniów uważa, że sposobem zapobiegania zakażeniom HIV jest zastosowanie prezerwatywy, co wskazuje na dość wysoki poziom wiedzy. Jednakże po 2% wskazało na antykoncepcję hormonalną i chemiczne środki plemnikobójcze jako sposób zapobiegania zakażeniu HIV. Niebezpieczna natomiast jest niewiedza, jaka cechuje aż 26% badanych uczniów, którzy twierdzą, że każdy środek antykoncepcyjny chroni przed zakażeniem HIV, jeżeli jest prawidłowo zastosowany. Taka sytuacja wskazuje, co prawda, na pożądaną postawę młodzieży wobec respektowania zaleceń dołączanych do produktów, tym niemniej w kontekście kompetencji związanych z antykoncepcją wyklucza ona powodzenie działań profilaktyki chorób zakaźnych. Na potwierdzenie można odnieść się do badań prowadzonych przez studentkę APS (Radomska, 2013), z których wynika, że 100% badanych przez nią uczniów szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych uważa słusznie,

54 Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ iż kontakt płciowy bez użycia prezerwatywy zwiększa ryzyko zakażenia wirusem HIV, ale 22,2% tych samych uczniów gimnazjum uważa, że podczas pierwszego stosunku nie może dojść do zakażenia wirusem HIV. Podobne wyniki badań opublikowała Agnieszka Dyk (2008), która wskazała, że badana przez nią młodzież jest zdolna do krytycznego i obiektywnego ustosunkowania się do rzeczywistych zagrożeń HIV/AIDS, jednak jej wiedza na ten temat jest w wielu aspektach niekompletna. Na przykład w grupie pytań dotyczących wiedzy o HIV/AIDS badani uzyskali aż 84,3% poprawnych odpowiedzi. Najwięcej (37,1%) błędnych odpowiedzi badani udzielili na pytanie: Czy wirus HIV może być przenoszony przez komary i inne owady?. Najwięcej odpowiedzi nie wiem (35,7%) udzielono na pytanie: Czy można się zakazić wirusem HIV korzystając z publicznej toalety?, co świadczyć może niewystarczającym poziomie umiejętności w aspekcie życia codziennego. Podstawa programowa kształcenia ogólnego w treściach przedmiotu biologia zakłada, że osiągnięciem ucznia po zakończeniu III etapu edukacyjnego jest znajomość m.in. podstawowych chorób bakteryjnych, w tym chorób przenoszonych drogą kontaktów seksualnych, uwzględniając profilaktykę i drogi szerzenia się zakażeń. Podręczniki dostępne na rynku najczęściej prezentują treści dotyczące takich jednostek chorobowych, jak kiła i rzeżączka. W celu dokonania oceny umiejętności uczniów w zakresie profilaktyki tych zakażeń poproszono o zapisanie dwóch sposobów ochrony zdrowia przed zakażeniem bakterią rzeżączki. Spośród wszystkich badanych blisko 1/3 nie podjęła próby odpowiedzi. Około 50% grupy badanej jako przykład podała różne sposoby antykoncepcji. Tylko 36% ankietowanych wskazało na prezerwatywę jako sposób, który zapobiega zakażeniom rzeżączką. Pozostałe 14 osób wstrzymało się od sprecyzowania, jaką metodę antykoncepcyjną proponują, jedna zaś twierdzi, że doustna antykoncepcja hormonalna również zapobiega zakażeniu bakterią rzeżączki. Często wskazywanym przez uczniów sposobem było zachowanie wstrzemięźliwości jest to metoda ograniczenia ryzyka wystąpienia rzeżączki według 23% badanych osób. Nieco rzadziej wymienianym sposobem było unikanie kontaktów seksualnych z nieznanym partnerem taką odpowiedź wskazało 16% badanych. W kontekście podstawy programowej pożądanym osiągnięciem wydaje się przypisanie przez uczniów większej wagi unikaniu kontaktu seksualnego z przypadkową osobą niż zachowaniu wstrzemięźliwości. Rozkład odpowiedzi uczniów przedstawia ryc 2. Choroby przenoszone drogą płciową, zwane dawniej chorobami wenerycznymi, są chorobami, w przypadku których stosunek płciowy jest jednym ze sposobów zakażenia. Podejmowanie przez nastolatków ryzykownych zachowań seksualnych wiąże się z coraz częstszym występowaniem chorób przenoszonych drogą płciową szczególnie u dziewcząt poniżej 15. roku życia aktywnych seksualnie. Młodzi ludzie nie mają jednak świadomości zagrożeń, jakie wynikają ze zbyt wczesnej inicjacji seksualnej (Zbierska, 2013). Ryc. 2. Sposoby ochrony zdrowia przed rzeżączką według odpowiedzi badanych uczniów Respondenci, zapytani o znajomość metod zapobiegania rzeżączce w 50% wskazali antykoncepcję, natomiast 31% nie udzieliło żadnej odpowiedzi. Zapytani z kolei o znajomość metod antykoncepcyjnych chroniących przed tą chorobą w 73% wskazali na prezerwatywę. Potwierdza to brak wiedzy o profilaktyce chorób zakaźnych wśród blisko 1/3 badanych (ryc. 3). Ryc. 3. Metody antykoncepcji zapobiegające zakażeniu rzeżączką według badanych

55 Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Profilaktyka zakażeń wirusem grypy Do jednych z najczęściej występujących zakażeń w populacji ludzkiej należą zakażenia wywołane wirusami grypy. Grypa jest chorobą sezonową i w Polsce najczęściej występuje pomiędzy listopadem a marcem. Ograniczenie zachorowalności na grypę jest możliwe dzięki szeroko zakrojonej akcji informacyjnej dotyczącej skuteczności szczepień profilaktycznych (Kalinowski 2005). Odpowiedzi badanych uczniów dotyczące infekcji grypowych rozłożyły się następująco: 1/5 badanych osób stwierdziła, że do zakażenia wirusem grypy może dojść w wyniku kontaktu z bielizną osoby zakażonej, co może wskazywać na niski poziom wiedzy w zakresie transmisji tego wirusa. Najczęściej wymienianymi sposobami profilaktyki zachorowań na grypę było wskazanie na stosowne ubieranie się do pogody (27%) oraz szczepienia (26% wskazań), a także zażywanie witamin i innych postaci suplementów diety (17% wskazań). Na higienę rąk, jako sposób zapobiegania narażeniu, wskazało 12% osób, jedna dodatkowo odniosła się do dezynfekcji. Dość często wskazywano również na konieczność unikania lub brak kontaktu z osobą chorą takie zdanie ma 20% uczniów. Na konieczność wykluczenia kontaktu z przedmiotami osoby chorej (kubek, butelka) wskazało 5% badanych. Unikanie zatłoczonych miejsc publicznych zalecają jedynie 3 osoby. Stosowanie innych środków zapobiegawczych wymienia 5 osób, a do środków tych należy picie herbat ziołowych i stosowanie masek ochronnych. Czynnościami niesłusznie uznawanymi za profilaktyczne są, według badanych, przyjmowanie leków, w tym nawet antybiotyków (5%), które przypadkiem znajdują się w apteczce domowej, co wydaje się szczególnie niepokojące. Ponadto stosowanie antybiotyków nie jest to działaniem profilaktycznym. Sposoby profilaktyki oparte na prozdrowotnym stylu życia, które wymienili badani to niepalenie papierosów, prawidłowy sposób odżywiania, suplementacja kwasami tłuszczowymi omega 3 (tran), jednak odpowiedzi takich udzielił znikomy odsetek badanych (6% łącznie), co rozmija się z osiągnięciami ucznia, które zakłada podstawa programowa kształcenia ogólnego. Wiedza w zakresie leczenia antybiotykoterapią wydaje się być zbyt niska w społeczeństwie. Badania przeprowadzone wśród studentów I roku Akademii Medycznej w Lublinie wykazały, że w badanej grupie 30% ankietowanych (w tym 17% studentów Wydziału Lekarskiego i 42% studentów Wydziału Chemii) uważało, że antybiotyki są lekami skutecznymi w leczeniu grypy (Kalinowski, 2005). Z powyższej sytuacji wynika, że działania edukacyjne m.in. o szkodliwości nieuzasadnionego zażywania leków powinny dotyczyć młodzieży w wieku szkolnym niezależnie od etapu edukacyjnego. Podsumowanie i wnioski Ryc. 4. Procentowy rozkład odpowiedzi badanej grupy na pytanie dotyczące profilaktyki zakażeń wirusem grypy. Wydaje się, że pomiędzy edukacją zdrowotną w szkole a poziomem umiejętności młodzieży powinna istnieć korelacja. Ze względu na charakter treści zdrowotnych w nauczaniu biologii w szkole gimnazjalnej tematyka stylu życia i zdrowia powinna być i zapewne jest poruszana nie tylko w kontekście teoretycznej wiedzy, ale również w kontekście zdobywania przydatnych w życiu codziennym umiejętności. Kompetencje takie stanowią o potencjale zdrowotnym ucznia i całego społeczeństwa, gdyż nabycie świadomości dotyczącej zdrowia sprzyja utrzymaniu zdrowia kolejnych pokoleń i przyczynia się do zrównoważonego rozwoju społeczeństwa. Program realizowany na lekcjach biologii obliguje zarówno uczniów, jak i nauczycieli do zwrócenia uwagi na pewne zagadnienia dotyczące zdrowia. Poziom wiedzy uczniów absolwentów szkół gimnazjalnych w zakresie znajomości zasad profilaktyki wybranych chorób wirusowych i bakteryjnych jest średni. W kontekście wymagań stawianych przez autorów podstawy programowej poziom wiedzy uczniów wydaje się być niezadowalający, a kompetencje zbyt niskie. Ważne jest zwrócenie uwagi nauczycieli biologii i innych przedmiotów na rolę edukacji zdrowotnej i uświadomienie uczniom skutków zachowań antyzdrowotnych w życiu codziennym. Wprowadzenie do

56 Wiedza o zdrowiu u absolwentów warszawskich gimnazjów Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ podstawy programowej obligatoryjnych doświadczeń, eksperymentów i zajęć terenowych na lekcjach biologii w gimnazjum powinno być równie ważnym elementem skutecznej edukacji zdrowotnej wśród uczniów. Knowledge about health in the Warsaw middle school graduates in view of the general education core curriculum Beata Gawrońska, Ligia Tuszyńska Literatura: Dyk A (2008). Świadomość zagrożeń HIV/AIDS wśród młodzieży. Problemy Higieny i Epidemiologii. 89(2): Kalinowski P, Piechnik B, Pocińska K, Szarek K, Karwat ID (2005). Wiedza na temat metod zapobiegania i leczenia grypy oraz powikłań pogrypowych wśród studentów pierwszego roku. Przegląd epidemiologiczny. 59: Majewski S, Rudnicka I (2009). Choroby przenoszone drogą płciową w Polsce w 2007 roku. Przegląd Epidemiologiczny. 63: Ponczek D, Olszowy I (2012). Styl życia młodzieży i jego wpływ na zdrowie. Problemy Higieny i Epidemiologii. 93(2): Reckitt Benckiser (Poland) S.A. (2012). Dzień z życia człowieka w kontakcie z zarazkami. Światowy Dzień Mycia Rąk. Radomska M (2013), Profilaktyka szkolna w zakresie AIDS i chorób przenoszonych drogą płciową, Praca magisterska, APS, Warszawa. Sokołowska M (2012). Rozwój psychospołeczny w okresie dorastania i wynikające z niego potrzeby zakresie edukacji zdrowotnej.w: Woynarowska B, red. Edukacja zdrowotna. Poradnik dla nauczycieli wychowania fizycznego w gimnazjach i szkołach ponadgimnazjalnych, Kielce: Wydawnictwo Pedagogiczne ZNP. Woynarowska B (2012), Związki między zdrowiem a edukacją.w: Woynarowska B, red. Zdrowie i szkoła, Warszawa: Wydawnictwo PZWL. 15. Zbierska M (2013). Ocena wiedzy uczniów gimnazjum w Gromadce na temat chorób przenoszonych drogą płciową, Legnica: Wyższa Szkoła Medyczna w Legnicy, Wydział Pielęgniarstwa, Praca magisterska. Netografia: [dostęp: ] An objective of general education core curriculum to include health education to the science subjects and physical education seemed to be reasonable. Health issue, which is an important part of the curriculum of life science and biology mentions about the health hazard of the young people, which include the risk of infectious diseases and diseases transmitted by sexual intercourse. These issues are known by students too little and often overlooked by teachers. It seems that between the health education in schools and the level of competencies of young people, there should be a correlation. Due to the growing interest in long-term investment in the health public, the role of education in the prevention of these diseases is significant. Key words: health education, contagious diseases, prevention, core curriculum of general education

57 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Różne rodzaje widzenia Konspekt i karta pracy Wstęp Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf biolog + fizyk = ciekawa lekcja przyrody 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 mgr Włodzimierz Natorf: wieloletni nauczyciel fizyki w IX LO im. Klementyny Hoffmanowej, ekspert Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, współautor repetytorium do fizyki dla maturyzstów i kandydatów na studia 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. Proponujemy materiał dydaktyczny skierowany do nauczycieli przyrody w szkole ponadgimnazjalnej, poświęcony różnym sposobom widzenia w świecie zwierząt i człowieka 1. Materiał składa się z: tekstu przybliżającego problem różnorodnego wykorzystania przez organizmy światła docierającego do Ziemi i ewolucji widzenia; tekst ten jest przeznaczony dla nauczyciela uczącego przyrody, zarówno biologa jak i fizyka, chemika czy geografa, może też służyć uczniom jako podsumowanie proponowanych zajęć; konspektu zajęć zawierającego propozycje różnych wariantów ich realizacji; dwóch wersji kart pracy dla ucznia (jedna w konwencji guided inquiry 2, druga w konwencji scripted inquiry 3 ); kartoteki dla nauczyciela zawierającej m.in. elementy składające się na oczekiwane odpowiedzi i propozycje punktacji za poszczególne zadania, które mogą służyć jako podstawa oceniania uczniów za ich pracę na lekcji. Zdjęcia i filmy będące ilustracją zestawów obserwacyjnych i przebiegu obserwacji zostały wykonane przez autorów w IX Liceum Ogólnokształcącym im. Klementyny Hoffmanowej w Warszawie z wykorzystaniem sprzętu i pomieszczeń pracowni fizycznej. Zachęcamy nauczycieli do samodzielnego eksperymentowania przy przygotowywaniu proponowanych lekcji. Życzymy wszystkim powodzenia i zadowolenia w realizacji tego fragmentu zajęć z przyrody! Autorzy 1 Dział B Nauka i technologia, wątek 11 Światło i obraz. Uczeń 4) porównuje budowę fotoreceptorów i narządów wzroku wybranych grup zwierząt; 5) ocenia biologiczne znaczenie widzenia barwnego i stereoskopowego; 6) omawia mechanizm powstawania obrazu na siatkówce oka człowieka i udział mózgu w jego interpretacji. 2 Guided inquiry ukierunkowane dociekanie, badanie metodą naukową określonego problemu. 3 Scripted inquiry dociekanie, badanie metodą naukową w oparciu o instrukcję postępowania.

58 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Kilka informacji o widzeniu Rys. 1. Model budowy ropalium Na podstawie Encyclopedia Britannica rys. 1 i rys. 2 wykonała Antonina Nowacka. Życie rozwijało się na naszej planecie w obecności światła dokładniej fal elektromagnetycznych o określonym zakresie częstotliwości. Dziś wiemy, że z całego, dość szerokiego widma fal elektromagnetycznych docierających ze Słońca na Ziemię, ogromna część jest pochłaniana przez ziemską atmosferę. Do powierzchni Ziemi (a także na kilkadziesiąt metrów w głąb wód) dociera pewien niewielki fragment tego widma, zwany widmem widzialnym albo światłem widzialnym. Od czasu, gdy w skład ziemskiej atmosfery wchodzą azot, tlen (zarówno O 2 jak i O 3 ) oraz mniejsza lub większa domieszka dwutlenku węgla, skład widmowy światła widzialnego praktycznie się nie zmienia. Tak więc ewolucja wykształciła narządy czułe na fale elektromagnetyczne z tego właśnie zakresu długości fali. Tylko niektóre zwierzęta są w stanie rejestrować intensywność promieniowania elektromagnetycznego spoza tego zakresu: w ultrafiolecie (UV) lub podczerwieni (IR). Światło widzialne zostało wykorzystane przez organizmy żywe i to na dwa, w zasadzie różne sposoby. Jeden z nich (dotyczy on tzw. organizmów autotroficznych, głownie roślin), polega na pochłanianiu energii niesionej przez światło w procesie fotosyntezy, służącej do wytwarzania związków będących źródłem energii i budulca. Drugi, nieco bardziej wysublimowany, polega na rejestrowaniu przez organizm informacji ze środowiska zewnętrznego, niesionych przez światło. Na lekcjach przyrody, których przeprowadzenie proponujemy w tym materiale, zajmiemy się wybranymi aspektami tego drugiego sposobu wykorzystywania światła przez organizmy żywe: rejestrowaniem ruchu w otoczeniu organizmu oraz tworzeniem geometrycznego obrazu otoczenia. Będziemy przy tym rozpatrywać światło widzialne pochodzenia słonecznego, obecne w atmosferze (także w wodzie), odbite od przedmiotów znajdujących się i poruszających się w otoczeniu organizmu żywego. Analizując możliwości rejestrowania informacji niesionych przez światło przez organizmy można zauważyć, że są one zróżnicowane. 1. Najprostsze z nich to rejestracja informacji o obecności lub braku światła, ewentualnie o zmianie natężenia światła. By odebrać taką informację potrzebna jest substancja światłoczuła, w której światło powoduje określone zmiany chemiczne wzbudza, zmienia Rys. 2. Model budowy oka wypławka białego, zdolnego do rozróżniania kierunku padania światła przebieg lub hamuje określone reakcje 1. Związki takie mogą występować w pojedynczych komórkach lub ich grupach czy wręcz w tkankach, stanowiących zalążek narządu wzroku. Przykładem takiej struktury, rejestrującej jedynie światło lub jego brak mogą być ropalia parzydełkowców np. chełbii bałtyckiej. 1 Przydatne może być zapoznanie się z pojęciami: fotochemia, reakcje fotochemiczne, np. w Wikipedii.

59 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Kolejną umiejętnością dotyczącą zbierania informacji niesionych przez światło jest rejestrowanie zmiany kierunku padania światła. Wiąże się to z zagłębieniem warstwy światłoczułych komórek i powstaniem tzw. eye cup. Przykładem tego może być struktura obecna u wolnożyjących wirków zagłębienia w części głowowej wyścielone nabłonkiem zmysłowym, rejestrującym światło lub jego brak, a także pośrednio kierunek, z którego dochodzi światło. Wklęsła powierzchnia warstwy komórek światłoczułych umożliwia w tym przypadku rejestrowanie kierunku padania światła (patrz też film: youtube.com/ watch?v=ddcplh7kcok) Innym sposobem rejestrowania kierunku, z którego przychodzi bodziec świetlny jest rozmieszczenie na powierzchni ciała wielu struktur światłoczułych. Tak jest m.in. u meduz, których ropalium stanowi przykład najbardziej pierwotnej wersji narządu zmysłu wzroku. Rozmieszczenie kilku ropaliów na brzegu dzwonu pozwala każdemu z nich rejestrować bodźce świetlne pochodzące z różnych źródeł, docierające z różnych kierunków. 3. Od rejestrowania kierunku, z którego przychodzi bodziec świetlny już tylko mały krok do rejestrowania informacji o ruchu w otoczeniu. W rejestrowaniu ruchu bardzo przydatne jest wyposażenie każdego z wielu struktur światłoczułych w mechanizm precyzujący (ograniczający) kierunek, z którego przychodzi światło. Dodatkowo, każda ze struktur powinna być wycelowana w nieco innym kierunku. Dobrym przykładem narządu zmysłu wzroku doskonale rejestrującego ruch jest oko złożone (fasetkowe) owada. W oku owada efekt ten uzyskany jest dzięki specyficznej, wypukłej powierzchni samego oka oraz dzięki wyposażeniu każdego ommatidium (pojedynczego oczka) w jego własny układ soczewka-stożek; ścianki boczne tego ostatniego są izolowane komórkami barwnikowymi od sąsiednich ommatidiów. Do każdego ommatidium trafia więc światło Rys. 3. Budowa oka złożonego owada Źródło: blog.bezokularow.pl/niesamowite-oczy-owadow-jak-to-dziala z bardzo wąskiego wycinka otoczenia, leżącego niejako na wprost. Co ważne każde ommatidium rejestruje światło i zmiany jego natężenia oraz kąta padania niezależnie od innych ommatidiów. 4. Pozyskanie informacji o barwie obiektów znajdujących się w otoczeniu organizmu czyli o składzie widmowym (barwie) światła jest możliwe dzięki obecności różnych związków światłoczułych, reagujących na różne zakresy światła widzialnego lub też niereagujących na poszczególne jego zakresy. Zdolność do rozróżniania barw jest trudna do zdiagnozowania, ale doniesienia naukowe mówią, że istnieje już ona u owadów (przynajmniej w stosunku do niektórych barw), a u skorupiaków morskich osiągnęła bardzo wysoki stopień zaawansowania (ich oczy zawierają dziesiątki różnych barwników światłoczułych) Należy przy tym pamiętać, że istotnym warunkiem korzystania z pozyskanych informacji niesionych przez światło jest ewolucyjny rozwój możliwości ich analizy przez inne części organizmu przez wysoko wyspecja- Rys. 4 Budowa pojedynczego ommatidium Źródło: org/wiki/omatidium A soczewka, B stożek krystaliczny, C i D izolacja pigmentowa, E rabdom, F komórka receptorowa, G wypustka nerwowa (opis zmieniony)

60 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ lizowaną tkankę nerwową, budującą układ nerwowy, w tym ośrodki wzroku w centrach nerwowych zwojach głowowych (np. owady) czy mózgowiu (np. człowiek). 5. Kolejna, bardziej zaawansowana ewolucyjnie zdolnością, to możliwość zbierania informacji o geometrycznych kształtach występujących w otoczeniu organizmu (obraz geometryczny). Do ich rejestrowania nie jest potrzebna dalsza komplikacja budowy narządu wzroku wystarczą komórki światłoczułe w odpowiednim układzie oraz element skupiający i ogniskujący światło (soczewka), ewentualnie elementy antyodblaskowe (komórki barwnikowe). Natomiast konieczna jest zaawansowana analiza zebranych danych, prowadząca do utworzenie na ich podstawie obrazu geometrycznego otoczenia. Wiadomo, że zwój głowowy owada posiada tę umiejętność w zakresie ograniczonym. Wynika to, między innymi, z braku całościowego ogniskowania obrazu otoczenia w poszczególnych ommatidiach centrum nerwowe owada musiałoby uzupełniać sporo brakujących informacji. Można też domniemywać, że taka umiejętność nie jest niezbędna w życiu owada jest on nastawiony głównie na unikanie drapieżników czyli obiektów poruszających się, zaś źródło pokarmu rozpoznaje po barwie czy też po zapachu, a niekoniecznie po kształcie. U człowieka umiejętność tworzenia w mózgu pełnego, geometrycznego obrazu otoczenia jest możliwa dzięki zaawansowanym czynnościom mózgowia. Jest ona kształtowana w pierwszych tygodniach, a nawet miesiącach życia, we współpracy narządu zmysłu wzroku z narządami zmysłu dotyku, słuchu i smaku (stąd znana tendencja niemowlaka do dotykania i brania do buzi! wszystkiego, co znajdzie się w zasięgu jego rączek i oczu). Obraz geometryczny otoczenia pozwala na podejmowanie precyzyjnych działań zarówno ruchowych jak i intelektualnych, umożliwia też tworzenie się pamięci wzrokowej, podstawowej w poznawaniu nowych, nieznanych obiektów. 6. Wydaje się, że szczytem zaawansowania ewolucyjnego narządu wzroku jest zdolność widzenia stereoskopowego (trójwymiarowego). Narządy wzroku (oczy), w powiązaniu z ośrodkami nerwowymi w mózgu, nie tylko rejestrują i analizują kształt i ruch ale są także w stanie ocenić odległość pomiędzy obserwatorem a obserwowanym obiektem. Widzenie stereoskopowe szczególnie dobrze rozwinęło się u zwierząt które muszą precyzyjnie oceniać odległości w środowisku np. u drapieżników (m.in. u kotów i sów) oraz zwierząt nadrzewnych (m.in. małp, niektórych gryzoni). Niezależnie od możliwości, jakie stwarza zdolność do tworzenia trójwymiarowego geometrycznego obrazu otoczenia, należy raczej uznać, że najistotniejszą funkcją narządu wzroku jest rejestrowanie ruchu, związanego z zagrożeniem lub też obecnością źródła pokarmu czy partnera seksualnego. Tezę te potwierdza zjawisko różnych rodzajów ruchów gałki ocznej u człowieka wodzących, sakadycznych czy drgających. Większość z nich ma za zadanie odświeżyć obraz otaczającego nas świata. Znieczulenie mięśni oka i wpatrywanie się w ten sam punkt powoduje dość szybkie zanikanie obrazu co dowodzi, że widzimy tylko wtedy, gdy obiekt jest ruchomy, nawet jeśli ten ruch wynika z ruchów naszych oczu. Ciekawy tekst źródłowy: pl.wikipedia.org/wiki/oko

61 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Opisy i komentarze do poszczególnych zdjęć i filmów do wykorzystania na zajęciach 1. Do doświadczenia w części A potrzebna jest jedna skupiająca soczewka o ogniskowej rzędu cm, ustawiona na stole; może być także trzymana przez ucznia, choć jest to mniej korzystne rozwiązanie. Za ekran może służyć biała ściana, a nawet kartka papieru Na soczewkę pada światło tutaj przez okno na szkolnym korytarzu. Pełne zaciemnienie pomieszczenia nie jest wymagane, choć dobrze jest pozbyć się niepotrzebnych źródeł światła pozasłaniać inne okna, wyłączyć górne oświetlenie Dobieramy odległość pomiędzy soczewką a ekranem, by uzyskać ostry obraz przedmiotu, jakim w tym przypadku jest widok za oknem Zbliżenie na widok z poprzedniego zdjęcia. Zwracamy uwagę, że obraz jest odwrócony [film] Osoba przechodzi w pobliżu okna. Na ekranie jest ona widoczna w miarę ostro. Widać także, że osoba idzie do góry nogami [film] Kij trzymany stosunkowo blisko soczewki (w odległości ok. jednego metra) nie jest odwzorowany ostro na ekranie. Jest to efekt spodziewany, gdyż ostrość tego układu jest ustawiona na odległość rzędu 10 metrów taka jest długość korytarza. Jednak gdy kij jest poruszany, to oko ludzkie koncentruje się na wychwyceniu tego ruchu i na śledzeniu kija. Efektem tego jest pozorne polepszenie ostrości obrazu kija tym lepsze, im szybciej poruszamy kijem. To pozorne polepszenie jest bardziej zauważalne, gdy doświadczenie obserwujemy bezpośrednio, w rzeczywistości, a nie na filmie Do doświadczenia (lub pokazu) w części B przygotowujemy stół, na którym ustawiamy świeczkę oraz kilka soczewek skupiających, najlepiej o jednakowych ogniskowych rzędu cm. Za soczewkami, w odległości o kilka centymetrów większej niż ogniskowe soczewek, ustawiamy ekran Soczewki ustawiamy wzdłuż wygiętej nieco linii jest to model (w jednym wymiarze) wypukłej powierzchni oka złożonego owada. Każda soczewka obrazuje pojedyncze ommatidium Świeczkę umieszczamy na wprost środkowej soczewki w takiej odległości, by ta właśnie soczewka dawała ostry obraz na ekranie. Zwracamy uwagę, że obrazy w pozostałych soczewkach są nie tylko nieostre, ale też zniekształcone tym mocniej, im soczewka jest dalej od soczewki centralnej. Można zauważyć nawet, że jedna ze skrajnych soczewek w ogóle nie skupiła światła na ekranie To samo ustawienie, co na poprzednim zdjęciu, lecz w zaciemnionej pracowni i sfotografowane pod innym kątem. Nauczyciel powinien zdecydować, uzależniając to od warunków oraz od przyjętej formy zajęć (doświadczenie uczniowskie w grupach albo pokaz dla całej klasy), czy w tej części doświadczenia całkowicie zaciemnić salę, czy tylko zmniejszyć jej oświetlenie [film] Świeczkę przemieszczamy przed zestawem soczewek, w przybliżeniu po linii prostej. Stwierdzamy, że ruch ten wywołuje ruch obrazów na ekranie. Istotne jest, że tylko jedna soczewka, za każdym razem inna, daje obraz ostry [film] Obserwujemy skutki podobnego ruchu świeczki, jak w poprzednim filmie, tym razem w zaciemnionej pracowni. Teraz łatwiej zauważamy, że obrazy pochodzące od soczewek peryferyjnych są nie tylko nieostre i zniekształcone, ale niekiedy wręcz znikają Pomysł na ulepszenie modelu oka złożonego. Lepszy model ommatidium uzyskamy, jeśli soczewkę wyposażymy w papierową osłonę w kształcie stożka z odciętym wierzchołkiem. Wysokość stożka winna być nieco krótsza od ogniskowej soczewki, a sam stożek należy nasadzić na soczewkę możliwie dokładnie na wprost tak, by jego oś symetrii pokrywała się z osią optyczną soczewki. Takie przygotowanie kilku soczewek jest czaso- i pracochłonne może warto namówić do pomocy grupę zmotywowanych uczniów Uzbrojona w stożek soczewka pokazuje, że każde ommatidium rejestruje tylko niewielki fragment obrazu, który zarejestrowałaby soczewka nieuzbrojona. Układ soczewek uzbrojonych pozwoliłby stwierdzić, że obraz ruchomego źródła światła pojawiałby się w polu widzenia jednej soczewki, po czym znikałby i przechodziłby w pole widzenia następnej.

62 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Pomysł na zajęcia z przyrody w szkole ponadgimnazjalnej materiał dla nauczyciela Temat: Różne widzenie świata Adresaci: uczniowie klasy II (lub III) szkoły ponadgimnazjalnej Czas trwania zajęć: 2 x 45 minut 1 lub 4x45 minut 2. Odniesienie do podstawy programowej przedmiotu uzupełniającego przyroda: Cele kształcenia: Rozumienie metody naukowej, polegającej na stawianiu hipotez i ich weryfikowaniu za pomocą obserwacji i eksperymentów Przykładowe treści nauczania: B. Nauka i technologia. Wątek tematyczny 11. Światło i obraz. Uczeń: 4) porównuje budowę fotoreceptorów i narządów wzroku wybranych grup zwierząt; 5) ocenia biologiczne znaczenie widzenia barwnego i stereoskopowego; 6) omawia mechanizm powstawania obrazu na siatkówce oka człowieka ( ). Cele zajęć: Uczeń: analizuje różnice w budowie i działaniu narządów wzroku owada i człowieka; charakteryzuje obrazy powstające w oku złożonym owada i oku człowieka; analizuje możliwe drogi ewolucji narządów wzroku i sposobu widzenia otaczającego świata przez zwierzęta i człowieka; planuje, realizuje i dokumentuje obserwacje, analizuje wyniki obserwacji i wnioskuje na podstawie analizy; tworzy informację tekstową. Metody pracy: laboratoryjna (alternatywnie pokaz nauczycielski), słowna praca z materiałem źródłowym. Formy pracy: indywidualna, grupowa, zbiorowa. Środki dydaktyczne: karta pracy ucznia (dwie wersje do wyboru guided i scripted inquiry), zawierające schematy budowy oka człowieka i oka owada; zestawy do obserwacji składające się z (w przeliczeniu na grupę uczniów): dużej soczewki skupiającej, o ogniskowej rzędu 10-30cm; zestawu 7-9 małych soczewek skupiających, o ogniskowych rzędu cm; ekranu (biały sztywny karton, kartka grubszego białego papieru lub fragment ściany lub drzwi), świeczka kominkowa, zapałki lub zapalniczka (lub inne źródło światła o niewielkich rozmiarach, które można łatwo przemieszczać, np. niewielka latarka). ewentualnie prezentacja multimedialna przygotowana przez nauczyciela 3. Typ zajęć: poszerzające wiedzę przyrodniczą Uwaga: przed lekcją nauczyciel przygotowuje zestawy do obserwacji w grupach (lub do pokazu). Można od razu przygotować wszystkie potrzebne sprzęty lub też po wykonaniu części A przygotować zestawy do części B (patrz karty pracy ucznia). 1 Wersja scripted inquiry karty pracy ucznia 2 Wersja guided inquiry karty pracy ucznia. 3 Ten środek dydaktyczny jest przydatny w sytuacji gdy nauczyciel będzie chciał rozpocząć zajęcia od części teoretycznej, co nie jest obligatoryjne.

63 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Przebieg zajęć: Faza wprowadzająca czas ok. 15 minut Nauczyciel: formułuje temat zajęć i krótko przedstawia problem badawczy, jaki będzie rozwiązywany na zajęciach metodą obserwacji naukowej; opisuje, na co będzie zwracał uwagę przy ocenianiu informuje, że w karcie pracy każdemu ćwiczeniu i poleceniu przypisana jest określona punktacja, która będzie podstawą wystawienia oceny za pracę na lekcji; rozdaje karty pracy po jednej dla każdego ucznia. Uczniowie: zapisują temat lekcji; dzielą się na grupy; zapoznają się z zestawami do obserwacji oraz z zawartością kart pracy. Faza realizacji wersja I 4 ok. 50 minut: Uczniowie realizują ćwiczenia z karty pracy zarówno z części A jak B. Nauczyciel jest obecny, wspomaga uczniów, zadając pytania otwierające, ewentualnie komentuje pomysły uczniów ale ich nie krytykuje, pozwala realizować każde, nawet chybione pomysły na obserwacje. Faza realizacji wersja II ok minut. Uczniowie realizują ćwiczenia z karty pracy w części A. Nauczyciel realizuje w formie pokazu obserwacje z części B, uczniowie realizują polecenia z części B karty pracy. Faza podsumowująca ok. 25 minut: Nauczyciel zależnie od przyjętych zasad oceniania pozostawia uczniom ich karty pracy lub je zbiera i zaprasza do prezentacji rezultatów pracy w grupie. Uczniowie wybrani przez nauczyciela lub chętni prezentują rezultaty pracy grupy. Niezależnie od przyjętych zasad oceniania, prezentujący dysponują swoimi kartami pracy. Pozostali uczniowie komentują prezentowane wyniki; w dyskusji przedstawiają własne pomysły i rozwiązania. Mogą także, jeśli dysponują swoimi kartami pracy, modyfikować je w związku z przebiegiem dyskusji; możliwość takiej modyfikacji nauczyciel zapewnia także uczniom prezentującym. Uczniowie z udziałem nauczyciela formułują wspólne stanowisko w odniesieniu do problemu ewolucji narządów wzroku i sposobów widzenia. Uczniowie dokonują ewaluacji swojej pracy, oceniają, czy przestrzegali procedur pracy badawczej i czy miało to znaczenie dla jakości uzyskanych wyników. Ocenianie Podstawą oceny pracy są zebrane przez nauczyciela karty pracy uczniów oraz obserwacje z lekcji. Każde z proponowanych zadań zostało uzupełnione o komentarz, zawierający punktację i oczekiwane elementy wypowiedzi uczniów (patrz kartoteka nauczyciela); nie wyklucza to, oczywiście, by nauczyciel wprowadził i stosował własne kryteria przy ocenianiu kart zadań. Literatura w języku polskim: Karol Sabath Nowe spojrzenie na ewolucję oczu, Archiwum Wiedzy i Życia, nr 1, 1996 rok Jak powstały oczy? ciekawostki/178-jak-powstay-oczy Fragment filmu Davida Attenborough na temat ewolucji oczu z polskimi napisami embedded&v=yb32v3yaaqq Chrostowski Jarosław, Fantastyczne światło, Wiedza i Życie nr 4, kwiecień 2009, Adamscy Anna i Zbigniew, Gra w kolory, Wiedza i Życie nr 2, luty w języku angielskim: animacja o budowie oczu złożonych owadów dziennych i nocnych com/watch?v=tu6bgqnti18 4 Wersja I polega na realizacji wszystkich obserwacji przez uczniów w grupach lub indywidualnie.

64 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Różne sposoby widzenia świata materiał dla ucznia, wersja guided inquiry CZĘŚĆ A CZŁOWIEK Pytania badawcze: Czy obraz świata jaki rejestrujemy naszym okiem jest zgodny z rzeczywistością? Jaki obraz otoczenia powstaje w naszym oku? Czy z jednakową dokładnością rejestrujemy obraz geometryczny nieruchomego obiektu i ruch obiektu? Rys. 1. Budowa oka człowieka Źródło Polecenie wstępne Sformułuj, na podstawie powyższych pytań badawczych, dwie hipotezy, które zweryfikujesz (potwierdzisz lub odrzucisz) po zrealizowaniu ćwiczeń z części A karty pracy. H H Wstęp Przypomnij sobie budowę i działanie oka człowieka wykorzystaj przy tym schemat poniżej.

65 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ćwiczenie A1 Mając do dyspozycji linijkę (lub inny, bezpieczny przedmiot) zaplanuj i przeprowadź obserwację, która wykaże, że oko człowieka widzi ostro (rejestruje obraz o dobrych parametrach jakości) tylko część otoczenia, znajdującą się na wprost oka, natomiast ruch rejestrowany jest w całym polu widzenia. Zapisz plan i przebieg obserwacji. Ćwiczenie A2 Masz do dyspozycji soczewkę skupiającą, biały ekran (może być biała kartka papieru lub biała ściana lub drzwi) i stosunkoiwo odległe (co najmniej 2-3 metry) źródło światła (mogą to być dowolne jasne obiekty, np. znajdujące się za oknem pracowni). Zaplanuj i przeprowadź obserwację, która pozwoli Ci uzyskać ostry obraz otoczenia na ekranie. Zapisz plan i przebieg obserwacji. Dokumentacja obserwacji 1 Sformułuj różnice w cechach rejestrowanego obrazu obiektu nieruchomego leżącego naprzeciwko oczu i obiektu poruszającego się na skraju pola widzenia. Dokumentacja obserwacji 1. Sporządź schemat układu obserwacyjnego, z którego korzystasz w ćwiczeniu A2, jeśli nie został on umieszczony w ramach planu obserwacji. 2. Zapisz cechy obrazu powstałego na ekranie. 3. Nazwij tę część oka człowieka, która spełnia rolę ekranu. 4. Uzyskiwanie możliwie ostrego obrazu w oku nazywa się akomodacją. Rozstrzygnij, czy zastosowany przez Ciebie w tym ćwiczeniu sposób uzyskiwania ostrego obrazu jest właściwym modelem dla akomodacji oka u człowieka. Uzasadnij swoje rozstrzygnięcie. 1 Dokumentacja obserwacji powinna przyjąć formę notatki ilustrowanej schematem. Dodatkowo uczniowie mogą wykonać zdjęcia lub nagrać krótki film np. za pomocą telefonu komórkowego. W każdym przypadku dokumentacja powinna zawierać opis wyników i ich wstępną analizę.

66 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ćwiczenie A3 Wykorzystując linijkę (lub inny bezpieczny przedmiot) z ćwiczenia A1 oraz sprzęt z ćwiczenia A2 zaplanuj i przeprowadź obserwację, której celem będzie sprawdzenie, czy szybkość ruchu obiektu ma wpływ na ostrość jego widzenia/jakość obrazu tego obiektu. Zapisz plan i przebieg obserwacji. Polecenia podsumowujące 1. Odnieś się do hipotez postawionych przez siebie na początku tej części zajęć. W krótkiej wypowiedzi powołaj się tam gdzie uznasz to za stosowne na wyniki swoich obserwacji. 1a. H1: Dokumentacja obserwacji 1. Rozstrzygnij, czy obraz nieruchomej linijki na ekranie jest tak samo ostry jak obraz źródła światła. 2. Podaj teoretyczny powód dla swojego rozstrzygnięcia z poprzedniej obserwacji. 3. Rozstrzygnij, czy szybkość ruchu linijki wpływa na Twoje postrzeganie ostrości jej obrazu. 1b. H2: 2. Która z umiejętności wynikających z działania narządu wzroku człowieka widzenie obiektu nieruchomego czy rejestracja ruchu wydaje się być starsza ewolucyjnie, bardziej pierwotna? Uzasadnij swoje stanowisko.

67 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ CZĘŚĆ B OWAD Pytania badawcze: Czy obraz świata jaki rejestrują oczami złożonymi owady jest zgodny z obrazem rejestrowanym przez oko człowieka? Jaki obraz otoczenia powstaje w oku owada, a jaki w pojedynczym ommatidium oka owada? Czy owad z jednakową dokładnością rejestruje obraz geometryczny nieruchomego obiektu i ruch obiektu? Rys. 1 Budowa oka złożonego i pojedynczego ommatidium owada Źródło com/2013_03_01_archive.html) Polecenie wstępne Sformułuj, na podstawie powyższych pytań badawczych, trzy hipotezy, które zweryfikujesz (potwierdzisz lub odrzucisz) po wykonaniu ćwiczeń z części B karty pracy. H H H Wstęp Zapoznaj się ze schematem opisującym budowę oka złożonego owada oraz pojedynczego ommatidium.

68 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ćwiczenie B1. Mając do dyspozycji zestaw soczewek skupiających, biały ekran (może być kartka białego papieru) oraz źródło światła (np. świeczka kominkowa) zaplanuj i przeprowadź obserwację, która pozwoli Ci na uzyskanie obrazu zbliżonego do tego, który powstaje w oku złożonym owada (soczewki spełniać będą rolę ommatidiów). W celu przeprowadzenia takiej obserwacji niezbędne jest zaciemnienie pomieszczenia. Zapisz plan i przebieg obserwacji; przedstaw także schemat układu obserwacyjnego. Ćwiczenie B2 Wykorzystaj zestaw z ćwiczenia B1 i sprawdź, jak zmieniał się będzie obraz na ekranie jeśli obiekt będzie się przemieszczać. W tym celu przesuwaj świeczkę, w obu kierunkach, równolegle do ekranu. Dokumentacja obserwacji W tym doświadczeniu każda soczewka jest modelem jednego ommatidium. Podaj powód, dla którego zaproponowałeś(łaś) ustawienie zestawu soczewek wzdłuż w taki właśnie sposób. Sformułuj różnice pomiędzy obrazami na ekranie powstałymi w poszczególnych soczewkach. Sformułuj różnice pomiędzy obrazem (jako całością) powstałym na ekranie w tym doświadczeniu a obrazem otrzymanym w ćwiczeniu A2. Dokumentacja obserwacji Opisz zmiany, jakie podczas ruchu świeczki następowały w obrazie uzyskanym na ekranie. Uwzględnij w swoim opisie obrazy uzyskane we wszystkich soczewkach. Zwróć uwagę na specyficzną cechę budowy pojedynczego ommatidium: elementy światłoczułe są w nim umieszczone niemal wyłącznie na głównej osi optycznej jego soczewki. Oznacza to, że każde ommatidium rejestruje niewielki wycinek otoczenia oka złożonego. Skorzystaj z tej informacji oraz z efektów zaobserwowanych w tym ćwiczeniu i opisz w jaki sposób oko owada rejestruje ruch w swoim otoczeniu.

69 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Polecenia podsumowujące 1. Odnieś się do hipotez postawionych przez siebie na początku tej części zajęć. W krótkiej wypowiedzi powołaj się tam gdzie uznasz to za stosowne na wyniki swoich obserwacji. 1a. H1: 1b. H2: 1c. H3: 2. Czy możliwe jest Twoim zdaniem by na podstawie analizy wyników przeprowadzonych obserwacji, wnioskować o ewolucji procesu widzenia w jednym z jego aspektów? Chodzi tu o kolejność kształtowania się dwóch umiejętności: rejestrowania ruchu obiektu w otoczeniu organizmu i tworzenia obrazu geometrycznego (ostrego widzenia nieruchomego obiektu). Zapisz swoje refleksje na ten temat. 3. Przygotuj sie do przedstawienia wyników pracy na zajęciach i dyskusji na forum klasy.

70 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Różne sposoby widzenia świata materiał dla ucznia, wersja z instrukcją (scripted inquiry) CZĘŚĆ A CZŁOWIEK Pytania badawcze: Czy obraz świata jaki rejestrujemy naszym okiem jest zgodny z rzeczywistością? Jaki obraz otoczenia powstaje w naszym oku? Czy z jednakową dokładnością rejestrujemy obraz geometryczny nieruchomego obiektu i ruch obiektu? Rys. 1. Budowa oka człowieka Źródło Polecenie wstępne Sformułuj, na podstawie powyższych pytań badawczych, dwie hipotezy, które zweryfikujesz (potwierdzisz lub odrzucisz) po zrealizowaniu ćwiczeń z części A karty pracy. H H Wstęp Przypomnij sobie budowę i działanie oka człowieka wykorzystaj przy tym schemat poniżej.

71 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ćwiczenie A1 Mając do dyspozycji linijkę (lub inny, bezpieczny przedmiot) przeprowadź w parze obserwację według następującej instrukcji: 1. I osoba staje i kieruje wzrok w dowolny obiekt znajdujący się na wprost jej oczu. 2. II osoba staje za osobą I i powoli porusza linijką (lub innym bezpiecznym przedmiotem) po lewej lub prawej strony głowy osoby I, uważając by jej nie uderzyć. 3. I osoba nadal patrząc w punkt (obiekt) przed sobą stara się świadomie zarejestrować różnice w obrazie nieruchomego obiektu, który widzi na wprost i poruszającego się obiektu z boku. Dokumentacja obserwacji 1 Sformułuj różnice w cechach rejestrowanego obrazu obiektu nieruchomego leżącego naprzeciwko oczu i obiektu poruszającego się obok głowy. Ćwiczenie A2 Masz do dyspozycji soczewkę skupiającą, biały ekran (może być biała kartka papieru lub biała ściana lub drzwi) i stosunkoiwo odległe (co najmniej 2-3 metry) źródło światła (mogą to być dowolne jasne obiekty, np. znajdujące się za oknem pracowni). Przeprowadź obserwację według następującej instrukcji: 1. Ustaw soczewkę między źródłem światła a ekranem 2. Dobierz odległość między soczewką a ekranem tak, by otrzymać optymalną ostrość powstałego na nim obrazu. 3. Przyjrzyj się powstałemu obrazowi i przedstaw, w ramach dokumentacji, jego charakterystykę w odniesieniu do obiektu. Dokumentacja obserwacji 1. Sporządź schemat układu obserwacyjnego, z której korzystasz w ćwiczeniu A2. 2. Zapisz cechy obrazu powstałego na ekranie. 3. Nazwij tę część oka człowieka, która spełnia rolę ekranu. 4. Uzyskiwanie możliwie ostrego obrazu w oku nazywa się akomodacją. Rozstrzygnij, czy zastosowany przez Ciebie w tym ćwiczeniu sposób uzyskiwania ostrego obrazu jest właściwym modelem dla akomodacji oka u człowieka. Uzasadnij swoje rozstrzygnięcie. 1 Dokumentacja obserwacji powinna przyjąć formę notatki ilustrowanej schematem. Dodatkowo uczniowie mogą wykonać zdjęcia lub nagrać krótki film np. za pomocą telefonu komórkowego. W każdym przypadku dokumentacja powinna zawierać opis wyników i ich wstępną analizę.

72 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ Ćwiczenie A3 Wykorzystując linijkę (lub inny bezpieczny przedmiot) z zadania 1 oraz sprzęt z zadania 2 przeprowadź obserwację według następującej instrukcji: 1. Ustaw soczewkę między źródłem światła a ekranem i, podobnie jak w ćwiczeniu A2, dobierz odległość między soczewką a ekranem tak, by otrzymać optymalną ostrość powstałego na nim obrazu. 2. Trzymaj linijkę nieruchomo w odległości ok. 1 metra od soczewki, na linii światła przychodzącego od źródła. Zaobserwuj jej obraz na ekranie. 3. Poruszaj linijką, z różną prędkością, w kierunku prostopadłym do linii światła przychodzącego od źródła; staraj się utrzymywać stałą odległość linijki od soczewki. 4. Obserwuj zmiany w obrazie na ekranie, zwracając uwagę na ostrość obrazu obiektów nieruchomych i obiektu poruszanego w zależności od szybkości jego poruszania. Dokumentacja obserwacji 1. Rozstrzygnij, czy obraz nieruchomej linijki na ekranie jest tak samo ostry jak obraz źródła światła. 2. Podaj teoretyczny powód dla swojego rozstrzygnięcia z poprzedniej obserwacji. 3. Rozstrzygnij, czy szybkość ruchu linijki wpływa na Twoje postrzeganie ostrości jej obrazu. Polecenia podsumowujące Odnieś się do hipotez postawionych przez siebie na początku tej części zajęć. W krótkiej wypowiedzi powołaj się tam gdzie uznasz to za stosowne na wyniki swoich obserwacji. 1a. H1: 1b. H2: Która z umiejętności wynikających z działania narządu wzroku człowieka widzenie obiektu nieruchomego czy rejestracja ruchu wydaje się być starsza ewolucyjnie, bardziej pierwotna? Uzasadnij swoje stanowisko.

73 Różne rodzaje widzenia Urszula Poziomek, Włodzimierz Natorf EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 3/ CZĘŚĆ B OWAD Pytania badawcze: Czy obraz świata jaki rejestrują oczami złożonymi owady jest zgodny z obrazem rejestrowanym przez oko człowieka? Jaki obraz otoczenia powstaje w oku owada, a jaki w pojedynczym ommatidium oka owada? Czy owad z jednakową dokładnością rejestruje obraz geometryczny nieruchomego obiektu i ruch obiektu? Rys. 1 Budowa oka złożonego i pojedynczego ommatidium owada Źródło com/2013_03_01_archive.html) Polecenie wstępne Sformułuj, na podstawie powyższych pytań badawczych, trzy hipotezy, które zweryfikujesz (potwierdzisz lub odrzucisz) po wykonaniu cwiczeń z części B karty pracy. H H H Wstęp Zapoznaj się ze schematem opisującym budowę oka złożonego owada oraz pojedynczego ommatidium.