Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde

Transkrypt

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

2 2/2013 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 KRÓTKO recenzje wydarzenia informacje najnowsze odkrycia 3 Karolina Archacka Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Joanna Uchańska Bioróżnorodność a ochrona patentowa Kamil Lisiecki Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Agnieszka Osówniak Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Na okładce: struktura przestrzenna włókna amyloidowego prionu HET-s określona metodą jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Rysunek wykonano w programie UCSF Chimera ( na podstawie danych zdeponowanych w Protein Data Bank ( pod numerem dostępu 2RNM Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz Metody obliczeniowe w genetyce Krzysztof Konarzewski Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów Marcin Zaród Małe eksperymenty, wielkie odkrycia praktyka eksperymentalna w edukacji przyrodniczej Urszula Poziomek Angielskie narzędzia dydaktyczne Urszula Poziomek Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE Nowe zadania PPP KONSPEKT KONSPEKT Ryszard Kowalski OPINIE: Czy warto studiować biologię? Biologia Campbella recenzja książki XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii zapowiedź Nowości ze świata nauki Hugo Conwentz ( ) a ochrona przyrody w Polsce W ZAŁĄCZNIKU MATERIAŁY szykuje się ważne wydarzenie? poinformuj nas o nim ebis@ibe.edu.pl NAUKA KRÓTKO SZKOŁA 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. 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. KRÓTKO recenzje (książek, a nawet płyt z muzyką), zapowiedzi wydarzeń i relacje z nich, depesze o nowościach ze świata nauki oraz dyskusje i komentarze. EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013

3 2 Redakcja Redaktor naczelny: Takao Ishikawa Sekretarz redakcji: Marcin Trepczyński Redaktorzy merytoryczni: Urszula Poziomek, Jolanta Skorupa-Korycka 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 Od redakcji Takao Ishikawa Szanowni Państwo, oddajemy w Państwa ręce numer 2013/2 Edukacji Biologicznej i Środowiskowej. Znajdą w nim Państwo m.in. drugi artykuł z serii komórki macierzyste, autorstwa Barbary Świerczek, Damiana Dudki i dr Karoliny Archackiej z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Oprócz artykułów z biologii i chemii w dziale NA- UKA publikujemy również pracę Bioróz norodnos c a ochrona patentowa mgr Joanny Uchańskiej, która porusza zagadnienia prawne dotyczące ochrony różnorodności biologicznej. Każdy przyrodnik wie, że jest to temat ważny, ale rzadko rozpatruje go pod względem prawnym. Wierzę, że artykuł ten będzie doskonałym uzupełnieniem wiedzy o różnorodności biologicznej i jej ochronie. Dział SZKOŁA w tym numerze jest reprezentowany m.in. przez artykuł dr Oleńskiej i dr Stankiewicz, które przybliżą wykorzystanie umiejętności matematycznych w nauczaniu genetyki. Z kolei z artykułu prof. Krzysztofa Konarzewskiego dowiemy się, co nasi trzecioklasiści mogliby osiągnąć, gdyby nie okrojony program i anachroniczna metodyka kształcenia przyrodniczego. Nie zabrakło również propozycji metodycznych mgr. Marcina Zaroda, konspektu lekcji z biologii wykorzystującego angielskich doświadczenia w zakresie dydaktyki oraz nowych zadań opracowanych przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych Instytutu Badań Edukacyjnych, które obejmują nie tylko biologię, lecz także chemię i fizykę. Sądzę, że wielu Czytelników EBiŚ nie raz zastanawiało się, czy warto studiować biologię. Czy jest to strata czasu, czy może raczej obiecująca inwestycja na przyszłość? O tym pisze dr Ryszard Kowalski z Instytutu Biologii Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego w Siedlcach. Publikujemy ten tekst z nadzieją, że również Państwo podzielą się swoimi opiniami i wrażeniami na ten temat. Oddając w Państwa ręcę ten numer EBiŚ mam nadzieję, że kwartalnik będzie nie tylko źródłem informacji i nowości ze świata nauk przyrodniczych, lecz także forum osób związanych z szeroko pojętą edukacją przyrodniczą, dla których dalszy los uczniów i studentów nie jest obojętny. Właśnie rozpoczyna się okres wakacji, dlatego życzę Państwu przede wszystkim udanego wypoczynku. Proszę też pamiętać, że prenumerata EBiŚ pozwoli Państwu zabrać kwartalnik na wakacje w tablecie albo nawet w telefonie komórkowym! Takao Ishikawa NAUKA KRÓTKO SZKOŁA EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA ebis.ibe.edu.pl ebis@ibe.edu.pl for the edition by Instytut Badań Edukacyjnych 2013

4 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka Streszczenie: Pluripotencjalne komórki macierzyste są zdolne do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek budujących organizm ssaka. Podczas rozwoju zarodkowego komórki pluripotencjalne zlokalizowane są w węźle zarodkowym blastocysty, z którego na dalszych etapach rozwoju wykształci się ciało zarodka. Z komórek węzła zarodkowego blastocysty uzyskiwane są zarodkowe komórki macierzyste (komórki ES, ang. embryonic stem cells). Innym przykładem pluripotencjalnych komórek macierzystych są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki ips, ang. induced pluripotent stem cells) otrzymywane w wyniku procesu określanego jako reprogramowanie komórek. Zarówno komórki ES, jak i komórki ips stanowią cenny model badawczy, a także rozważane są jako źródło materiału Barbara Świerczek: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski; barbara.swierczek@student.uw.edu.pl Damian Dudka: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski; damian_dudka@op.pl dr Karolina Archacka: Zakład Cytologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski; kczaja@biol.uw.edu.pl do przeszczepu w medycynie regeneracyjnej. Uzyskanie obu wymienionych rodzajów pluripotencjalnych komórek macierzystych jest uznawane za przełom w nauce i medycynie, i zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. W 2007 r. otrzymali ją Brytyjczyk Martin Evans oraz amerykańscy uczeni Mario Capecchi i Olivier Smithies, których badania doprowadziły do uzyskania komórek ES i otrzymania przy ich wykorzystaniu modyfikowanych genetycznie myszy. Natomiast w 2012 r. Nagrodą Nobla wyróżnieni zostali Brytyjczyk John Gurdon i Japończyk Shinya Yamanaka za prace nad reprogramowaniem komórek. Słowa kluczowe: Pluripotencjalne komórki macierzyste, komórki ES, komórki ips, reprogramowanie, wielokierunkowe różnicowanie, medycyna regeneracyjna, terapie komórkowe otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Niniejszy artykuł może być pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej z biologii dla szkół ponadgimnazjalnych w zakresie rozszerzonym: treści nauczania VI.8.6 oraz VI.8.8 Uczeń przedstawia sposoby i cele otrzymywania komórek macierzystych oraz dyskutuje problemy etyczne związane z rozwojem inżynierii genetycznej i biotechnologii, w tym przedstawia kontrowersje towarzyszące badaniom nad klonowaniem terapeutycznym człowieka i formułuje własną opinię na ten temat. Artykuł powstał podczas realizacji projektu Modification of myogenic potential of pluripotent stem cells the role of sonic hedgehog and interleukin 4 realizowanego w ramach programu POMOST Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Wstęp W pierwszej części materiału na temat komórek macierzystych (Komórki macierzyste. Częs c I wprowadzenie, EBIŚ 1/2013) przedstawiona została ich wstępna charakterystyka i klasyfikacja. Jako przykład pluripotencjalnych komórek macierzystych wymieniono zarodkowe komórki macierzyste (komórki ES, ang. embryonic stem cells) oraz indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki ips, ang. induced pluripotent stem cells). Choć nie są to jedyne znane komórki pluripotencjalne, niniejszy artykuł dotyczyć będzie przede wszystkim komórek ES i ips. Uzyskanie tych komórek było bez wątpienia przełomem w nauce, o czym najlepiej świadczy fakt, że badacze, którzy tego dokonali, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Pluripotencjalne komórki macierzyste są zdolne do utworzenia wszystkich rodzajów komórek i tkanek budujących organizm ssaka. W związku z tym mogłyby one stanowić uniwersalne źródło materiału do przeszczepu w celu łagodzenia objawów lub leczenia różnych chorób. W niniejszym artykule omówimy historię badań, które doprowadziły do uzyskania pluripotencjalnych komórek macierzystych, a także przedstawimy możliwości ich zastosowania w nauce i medycynie oraz związane z tym nadzieje i obawy. Czy różnicowanie komórek jest procesem nieodwracalnym? Zapłodnienie gamety żeńskiej (oocytu) przez gametę męską (plemnik) prowadzi do powstania pierwszej komórki nowego organizmu zygoty. Zygota jest komórką totipotencjalną to z niej wywodzić się będą wszystkie tkanki i narządy rozwijającego się osobnika, a także struktury niezbędne do prawidłowego NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

5 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ rozwoju: błony płodowe oraz łożysko. W trakcie rozwoju zarodkowego i płodowego, a następnie w okresie pourodzeniowym komórki stopniowo ulegają specjalizacji, w wyniku czego zmniejsza się ich potencjał do różnicowania. Przez wiele lat uważano, że proces ten, tj. ograniczenie potencjału do różnicowania związane ze specjalizacją komórek, jest nieodwracalny. Na przestrzeni wieków sformułowano wiele teorii dotyczących tego zagadnienia. W XIX wieku niemiecki biolog August Weismann przedstawił teorię, zgodnie z którą proces różnicowania się komórek miał się wiązać z utratą części zawartego w nich materiału genetycznego. Informacja genetyczna, która nie była potrzebna komórce do pełnienia przez nią określonej funkcji w organizmie, miała być z niej usuwana. Komórkami, które zgodnie z teorią Weismanna zachowywały i przekazywały kompletną informację genetyczną, były wyłącznie komórki rozrodcze (Weismann, 1893). Warto tu przypomnieć, że w tamtym czasie nie znano jeszcze takich pojęć, jak np. gen. Nieznana była także budowa i rola DNA jako nośnika informacji genetycznej. Teoria Weismanna została po raz pierwszy podważona przez Yvesa Delage a, francuskiego zoologa znanego przede wszystkim z prac poświęconych anatomii i fizjologii bezkręgowców. W opublikowanej w 1895 r. książce Delage stwierdził, że zastąpienie jądra komórkowego zygoty jądrem pochodzącym z jakiejkolwiek innej komórki ciała zarodka nie powinno wpłynąć na prawidłowy przebieg rozwoju zarodkowego (Beetschen i Fischer, 2004). Delage oparł swoją hipotezę na założeniu, że skoro wszystkie komórki organizmu powstają w wyniku podziałów mitotycznych zygoty, to muszą one zawierać tę samą informację genetyczną. Mitoza jest bowiem procesem, w wyniku którego powstają dwie komórki potomne, identyczne pod względem genetycznym z komórką rodzicielską. Ze względu na ówczesny stan wiedzy i techniki Delage nie był w stanie przeprowadzić eksperymentów Ryc. 1. Doświadczenie Gurdona W swoim pionierskim doświadczeniu John Gurdon wykorzystał oocyty płaza pozbawione na skutek napromienienia światłem UV własnego materiału genetycznego. Do przygotowanego w ten sposób oocytu Gurdon wprowadził jądro komórkowe pochodzące z komórki jelita kijanki. Na podstawie informacji genetycznej zawartej w przeszczepionym do oocytu jądrze rozwinęła się kijanka. Pod względem genetycznym była ona identyczna z kijanką, od której pochodziły komórki jelita. Wszystkie zamieszczone w artykule zdjęcia i schematy zostały wykonane przez autorów tekstu. potwierdzających słuszność postawionej przez niego hipotezy. Dokonał tego w II połowie XX wieku John Gurdon, brytyjski biolog, który za swoje osiągnięcia został uhonorowany w 2012 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Opisane przez niego w 1962 r. doświadczenia polegały na przeniesieniu jądra komórkowego pobranego z komórki budującej jelito kijanki do oocytu pozbawionego wcześniej własnego materiału genetycznego (ryc. 1). Z tak skonstruowanego oocytu Gurdon otrzymał prawidłowo rozwiniętą kijankę (Gurdon, 1962). Oznaczało to, że na podstawie informacji genetycznej zawartej w jądrze komórkowym wyspecjalizowanej komórki może rozwinąć się w pełni wykształcony osobnik. Innymi słowy, różnicowanie komórek nie prowadzi do usuwania z nich niepotrzebnej informacji genetycznej. Zróżnicowana komórka nadal zawiera wszystkie informacje niezbędne do powstania wszystkich rodzajów komórek budujących zarodek, a tym samym niezbędne do jego prawidłowego rozwoju. Kolejne badania wykazały, że specjalizacja ko- NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

6 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ mórek związana jest z włączeniem (aktywacją) genów kluczowych dla ich różnicowania, decydujących o ich prawidłowej budowie i funkcji. Równocześnie geny ważne dla wczesnych etapów rozwoju zarodkowego zostają wyłączone (uśpione). Jednak, jak wykazały pionierskie doświadczenia Gurdona, a także innych badaczy, w odpowiednich warunkach te wczesne geny mogą zostać na nowo obudzone. Odkrycie to zapoczątkowało intensywny rozwój badań, które z czasem pozwoliły na udoskonalenie techniki klonowania organizmów, a ostatecznie doprowadziły do uzyskania w 2006 r. pierwszych komórek ips (Ciemerych i Kubiak, 2013). Dużo wcześniej, tj. w latach 80. XX wieku badaczom udało się otrzymać inne pluripotencjalne komórki macierzyste komórki ES. Jak uzyskano komórki ES? Komórki pluripotencjalne są zdolne do przekształcenia się we wszystkie rodzaje komórek i tkanek organizmu. Podczas rozwoju zarodkowego komórki pluripotencjalne obecne są m.in. w kilkudniowym zarodku w stadium blastocysty (ryc. 2A). W blastocyście występują dwie grupy komórek o różnym przeznaczeniu trofektoderma oraz węzeł zarodkowy. Komórki trofektodermy znajdują się na obwodzie blastocysty to z nich w dalszych etapach rozwoju zarodka powstaną struktury pozazarodkowe, takie jak błony płodowe. Komórki węzła zarodkowego zlokalizowane są wewnątrz blastocysty, gdzie tworzą charakterystyczne skupisko. To z nich uformowane zostanie ciało zarodka (Filimonow i wsp., 2013). Tylko komórki węzła zarodkowego zachowują pluripotencję i to z nich można uzyskać komórki ES (ryc. 2A D). Komórki ES zostały po raz pierwszy otrzymane z zarodków myszy w latach 80. XX wieku przez dwóch Brytyjczyków: Martina Evansa i Matthew Kaufmana (Evans i Kaufman, 1981) oraz Ryc. 2. Uzyskiwanie komórek ES Zdjęcia przedstawiają zarodek w stadium blastocysty (A), rozrost uzyskany z blastocysty (B) oraz kolonię komórek ES (C). Na schemacie (D) przedstawiono najważniejsze etapy procedury uzyskiwania komórek ES. W prawidłowych rozrostach (B) można zaobserwować dwie grupy komórek większe komórki trofektodermy oraz znacznie od nich mniejsze komórki węzła zarodkowego, tworzące skupisko w środku rozrostu. T komórki trofektodermy, WZ komórki węzła zarodkowego. Skala odpowiada 100 µm. niezależnie od nich przez Amerykankę Gail Martin (Martin, 1981). Procedura otrzymywania komórek ES jest wieloetapowa i skomplikowana (ryc. 2). Najczęściej jej pierwszym etapem jest umieszczenie w szalce hodowlanej zarodków w stadium blastocysty uzyskanych z dróg rodnych samic (ryc. 2A, 2D). W ciągu kilku dni hodowli in vitro blastocysty przyklejają się do warstwy odpowiednio przygotowanych komórek odżywczych (fibroblastów) na dnie szalki. Komórki zarodka rozpłaszczają się na dnie szalki, tworząc tzw. rozrosty (ryc. 2B, 2D). Następnym etapem uzyskiwania komórek ES jest izolacja z rozrostu wyłączenie komórek pochodzących z węzła zarodkowego blastocysty i przeniesienie ich do nowej szalki, tzw. pasażowanie. Uzyskanie jed- norodnej grupy komórek ES najczęściej wymaga wielokrotnego pasażowania. W celu zachowania cennych właściwości komórek pluripotencjalnych muszą one być hodowane w ściśle określonych warunkach, najczęściej na warstwie fibroblastów, w pożywce hodowlanej zawierającej związek określany jako czynnik przeciwbiałaczkowy (LIF, ang. leukemia inhibitory factor). Jego obecność chroni komórki ES przed niekontrolowanym różnicowaniem się i utratą pluripotencji innymi słowy utrzymuje je w stanie niezróżnicowanym. Kilkanaście lat po otrzymaniu mysich komórek ES uzyskano także ludzkie komórki ES (Thomson i wsp., 1998; Shamblott i wsp., 1998), a z czasem komórki ES różnych gatunków zwierząt, m.in. szczura (Buehr NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

7 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ W jaki sposób można sprawdzić pluripotencję komórek? Ryc. 3. Uzyskiwanie kul zarodkowych W celu uzyskania EB komórki ES hodowane są w tzw. wiszących kroplach. Krople pożywki zawierające komórki ES umieszczane są na wieczku szalki hodowlanej (A). Po odwróceniu wieczka komórki ES obecne w wiszących kroplach tworzą EB (B, C). Zdjęcie C przedstawia kulę zarodkową w 5 dniu hodowli. EB umieszczone w warunkach umożliwiających ich przyklejenie się do szalki rozrastają się (D). Obecne w nich komórki migrują po szalce i w określonych warunkach mogą przekształcić się w komórki różnych tkanek. Skala odpowiada 100 µm. i wsp., 2008; Li i wsp., 2008) oraz rezusa (Thomson i wsp., 1995). Komórki ES różnych gatunków zwierząt często mają inne wymagania dotyczące warunków hodowli, a ich optymalizacja w wielu wypadkach była kluczowa dla uzyskania tych komórek. Bez względu na to, z jakiego gatunku zwierząt pochodzą komórki, ich pluripotencja musi zostać pozytywnie zweryfikowana, zanim zostaną one określone jako komórki ES. Pluripotencję komórek, czyli ich zdolność do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek, można zweryfikować zarówno in vitro, jak i in vivo (Ciemerych, 2008; Ciemerych i Kubiak, 2013). Komórki ES, które hodowane są w warunkach przeciwdziałających ich różnicowaniu, tworzą charakterystyczne skupiska (kolonie), zbudowane ze ściśle przylegających do siebie komórek (ryc. 2C). Jeśli natomiast komórki te będą hodowane w warunkach uniemożliwiających ich przyklejenie się do szalki (czyli w zawiesinie) oraz w pożywce pozbawionej czynników utrzymujących je w stanie niezróżnicowanym (np. LIF), to rozpoczną one różnicowanie i spontanicznie utworzą trójwymiarowe agregaty określane jako kule zarodkowe (EB, ang. embryoid bodies; Czerwińska i Ciemerych, 2012; ryc. 3). W kolejnych dniach hodowli EB powiększają się, a zachodzące w nich procesy różnicowania komórek są analogiczne do tych, które mają miejsce w zarodku we wczesnych etapach jego rozwoju. Na przykład u myszy, w 8. dniu rozwoju zarodkowego zachodzi proces gastrulacji prowadzący do powstania trzech listków zarodkowych ekto-, mezo- i endodermy. W kolejnych etapach rozwoju z tych trzech grup komórek będą rozwijały się określone tkanki organizmu, np. z mezodermy powstanie tkanka mięśniowa, a z ektodermy tkanka nerwowa. Listki zarodkowe formowane są także podczas hodowli EB. Początkowo kule zbudowane są z ektodermy i otaczającej jej warstwy endodermy pierwotnej, natomiast 5. dnia hodowli obecne są w nich już wszystkie trzy listki zarodkowe. Na późniejszych etapach hodowli kul można zaobserować pojawienie się komórek takich, jak np. kurczące się kardiomiocyty. Zastosowanie ściśle określonych warunków hodowli EB pozwala na uzyskanie także wielu innych rodzajów wyspecjalizowanych NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

8 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ komórek, np. neuronów (Guan i wsp., 1999). Różnicowanie komórek w EB jest najczęściej stosowaną metodą weryfikacji ich pluripotencji in vitro. Tylko te komórki, które okażą się zdolne do utworzenia komórek wywodzących się z trzech listków zarodkowych mogą zostać uznane za pluripotencjalne. Ostatecznym dowodem na pluripotencję analizowanych komórek są jednak wyniki testów in vivo, takich jak tworzenie potworniaków oraz myszy chimerowych. Pierwsza z metod weryfikacji pluripotencji komórek in vivo polega na wstrzykiwaniu badanych komórek myszom o upośledzonym układzie odpornościowym. Takie zwierzęta nie są zdolne do usunięcia przeszczepionych komórek. Najczęściej testowane komórki wstrzykiwane są podskórnie, gdzie po kilku tygodniach o ile rzeczywiście okażą się pluripotencjalne utworzą wielotkankowe guzy określane jako potworniaki lub teratomy (gr. teratos oznacza potwora, dziwo). Standardowa procedura obejmuje izolację potworniaka, a następnie jego analizę histologiczną. Pozwala ona określić, czy w guzie obecne są komórki i tkanki wywodzące się z wszystkich trzech listków zarodkowych. Jest to dowód na to, że komórki poddane weryfikacji są zdolne do wielokierunkowego różnicowania, a zatem są komórkami pluripotencjalnymi (Ciemerych i Kubiak, 2013). W przypadku mysich komórek innym sposobem weryfikacji ich pluripotencji in vivo jest sprawdzenie, czy są one w stanie uczestniczyć w rozwoju tzw. myszy chimerowych. W mitologii chimerą nazywano stworzenie z głową lwa, ciałem kozy i ogonem węża. Termin myszy chimerowe stosowany jest do określania zwierząt zbudowanych z co najmniej dwóch rodzajów komórek różniących się pod względem genetycznym. Pierwsze myszy chimerowe uzyskał w latach 60. XX wieku polski embriolog, profesor Andrzej Tarkowski, prowadzący badania dotyczące m.in. mechanizmów kierujących rozwojem ssaków (Tarkowski, 1961). Myszy chimerowe można uzyskać przez połączenie komórek uzyskanych z jednego zarodka z komórkami innego. W praktyce komórki dawcy są wprowadzane do blastocysty biorcy za pomocą specjalnego urządzenia nazywanego mikromanipulatorem. Do blastocysty biorcy można wstrzyknąć także komórki testowane pod względem pluripotencji. Uzyskane w ten sposób zarodki chimerowe przeszczepiane są do macicy samicy myszy, gdzie mogą kontynuować rozwój. Jeśli umieszczone w blastocyście komórki rzeczywiście są komórkami pluripotencjalnymi, to wezmą one udział, razem z oryginalnymi komórkami budującymi blastocystę biorcę, w powstawaniu wszystkich tkanek i narządów rozwijającego się osobnika. W rezultacie, tkanki te zbudowane będą z dwóch rodzajów komórek różniących się pod względem genetycznym. Jeśli organizm myszy będzie zbudowany wyłącznie z oryginalnych komórek blastocysty biorcy lub udział wstrzykniętych do niej komórek będzie znikomy, to będzie to oznaczać będzie, że testowane komórki nie wykazują pluripotencji (Ciemerych, 2008; Ciemerych i Kubiak, 2013). Niekiedy zdarza się, że badane pod względem pluripotencji komórki formują EB, ale nie są w stanie utworzyć potworniaków czy uczestniczyć w rozwoju myszy chimerowej. Taki wynik stawia pod znakiem zapytania ich zdolność do wielokierukowego różnicowania. Jakie jest znaczenie komórek ES dla rozwoju nauki i medycyny? Uzyskanie komórek ES umożliwiło intensywny rozwój badań dotyczących mechanizmów regulujących pluripotencję i różnicowanie komórek. Wcześniej śledzenie losów komórek na wczesnych etapach rozwoju zarodkowego było ograniczone, a w przypadku zarodków ludzkich wręcz niemożliwe ze względu na kwestie etyczne. Podobieństwo procesów zachodzących w EB i zarodkach dało szansę na ich lepsze poznanie i zrozumienie (Czerwińska i Ciemerych, 2012). Nie mniej istotny jest fakt, że komórki ES można stosunkowo łatwo modyfikować genetycznie, aktywując lub wyłączając w nich wybrane geny. Daje to szansę na precyzyjne określenie funkcji danego genu w komórce. Przykładowo badania prowadzone z wykorzystaniem komórek ES pozbawionych funkcjonalnego genu Nanog wykazały jego kluczową rolę w utrzymaniu pluripotencji komórek. Wcześniej funkcja tego genu była tylko częściowo znana. Wiadomo było, że mutacja w genie Nanog prowadzi do poważnych zaburzeń we wczesnym etapie rozwoju zarodkowego i śmierci zarodka (Mitsui i wsp., 2003). Doświadczenia z wykorzystaniem komórek ES pozbawionych tego genu wykazały, że jego rola polega na hamowaniu aktywności genów odpowiedzialnych za różnicowanie komórek i równocześnie na stymulacji aktywności genów ważnych dla utrzymania komórek pluripotencjalnych w stanie niezróżnicowanym, takich jak Sox2 i Oct-4 (Loh i wsp., 2006). Innym przykładem mogą być badania nad rolą czynników Pax3 i Pax7 w procesie postawania komórek mięśniowych. Kontrolowana aktywacja tych genów w komórkach ES umożliwiła uzyskanie z komórek pluripotencjalnych funkcjonalnych komórek mięśniowych, co potwierdziło kluczową rolę Pax3 i Pax7 w rozwoju mięśni szkieletowych (Darabi i wsp., 2011). Innym, niezwykle ważnym sposobem wykorzystania komórek ES w badaniach naukowych jest możliwość uzyskiwania z ich udziałem zwierząt transgenicznych. Organizmy transgeniczne to takie, których genom został zmodyfkowany poprzez wprowadzenie obcego materiału genetycznego (np. fragmentu DNA zsyntetyzowanego w laboratorium albo genu pochodzącego z innego organizmu). Można je otrzymać w analogiczny sposób, jak myszy chimerowe, tzn. poprzez wprowadzenie zmodyfikowanych genetycznie komórek NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

9 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ do blastocysty- biorcy, a następnie przeszczepienie uzyskanego w ten sposób transgenicznego zarodka do macicy samicy (Bishop, 2001). Pionierem tej technologii jest Mario Capecchi, amerykański genetyk włoskiego pochodzenia, który w latach 80. XX wieku uzyskał myszy pozbawione funkcjonalnego genu int1 (Thomas i Capecchi, 1990). Za swoje osiagnięcia Capecchi został uhonorowany w 2007 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii. Możliwość otrzymywania myszy pozbawionych funkcjonalnego genu daje szansę na określenie jego roli w funkcjonowaniu organizmu (Capecchi, 2005). Na przykład u myszy pozbawionych genu Hoxa1 wykryto nieprawidłowości w budowie układu krążenia, m.in. w łuku aorty (Makki i Capecchi, 2012). Zwierzęta transgeniczne stanowią także cenne zwierzęce modele ludzkich chorób. Na przykład transgeniczne myszy, które syntetyzują nieprawidłową wersję ludzkiego białka APP wykazują podobne zmiany w układzie nerwowym, jak te obserwowane u osób cierpiących na chorobę Alzheimera (Games i wsp., 1995). Dostępność zwierzęcych modeli ludzkich chorób daje możliwość badania ich molekularnych mechanizmów, a także testowania potencjalnych terapii i leków. Otrzymanie komórek ES było ogromnym przełomem zarówno w nauce, jak i w medycynie, dając szansę na przeprowadzenie badań wcześniej niemożliwych oraz opracowanie potencjalnych terapii dotychczas nieuleczalnych chorób, takich jak cukrzyca typu I czy choroba Parkinsona. W laboratoriach na całym świecie podjęte zostały badania mające na celu stworzenie skutecznej terapii tych i wielu innych chorób. Należy pamiętać, że żadna z nich nie jest jeszcze wykorzystywana do leczenia ludzi. Dotychczas przeprowadzono jedynie badania laboratoryjne, obejmujące doświadczenia in vitro oraz doświadczenia z wykorzystaniem zwierząt laboratoryjnych. Wyjątek stanowią próby kliniczne, których wyniki opisano w 2012 r. (Schwartz i wsp., 2012). W badaniu uczestniczyli pacjenci cierpiący na choroby oczu: związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej oraz chorobę Stargardta, przejawiającą się uszkodzeniem centralnej części soczewki. Pacjentom tym wstrzyknięto komórki nabłonka pigmentowego siatkówki uzyskane z ludzkich komórek ES. Przed transplantacją komórki poddano dokładnym analizom sprawdzono m.in., czy mają one prawidłową liczbę chromosomów i czy wszystkie z nich uległy zróżnicowaniu. Należy bowiem pamiętać o tym, że wprowadzenie do organizmu nawet niewielkiej liczby niezróżnicowanych komórek pluripotencjalnych może doprowadzić do powstania teratom. Schwartz i współpracownicy stwierdzili, że komórki wstrzyknięte w pobliżu siatkówki zasiedliły ją i wzięły udział w tworzeniu nabłonka pigmentowego, którego rola polega na odżywianiu fotoreceptorów oka i absorpcji światła. Nie zaobserwowano żadnych skutków ubocznych zastosowanej terapii, a co najistotniejsze, u pacjentów odnotowano poprawę widzenia. Chociaż długofalowe skutki tej eksperymentalnej terapii pozostają jeszcze nieznane, dotychczas zaobserwowane efekty dają podstawę do umiarkowanego optymizmu i pozwalają myśleć o wykorzystaniu komórek macierzystych w leczeniu m.in. chorób siatkówki. Należy tu przypomnieć, że możliwość wykorzystania ludzkich komórek ES w medycynie regeneracyjnej budzi kontrowersje natury etycznej ze względu na ich pochodzenie. Komórki te zostały bowiem uzyskane z zarodków ludzkich otrzymanych w wyniku zapłodnienia in vitro. W 2008 r. opracowano metodę, dzięki której komórki ES mogą być uzyskiwane w sposób, który nie zaburza dalszego rozwoju zarodka. Polega on na pobraniu z zarodka pojedynczej komórki (Chung i wsp., 2008). Pozostałe komórki są zdolne do wypełnienia tego ubytku. Mimo to rodowód komórek ES nadal pozostaje kontrowersyjnym zagadanieniem. Dlatego też od wielu lat prowadzone są intensywne badania mające na celu uzyskanie komórek pluripotencjalnych ze źródła niebudzącego kontrowesji etycznych. Badania te doprowadziły m.in. do uzyskania w 2006 r. pierwszych komórek ips. Ekspresowy Nobel, czyli na czym polega fenomen komórek ips? Choć od momentu otrzymania pierwszych komórek ips minęło zaledwie kilka lat, osiagnięcie to już zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Jej laureatem w 2012 r. został obok wspomnianego wcześniej Johna Gurdona Shinya Yamanaka, który wraz z Kazutochi Takahashim opublikował w 2006 r. przepis na komórki ips (Takahashi i Yamanaka, 2006). Dlaczego uzyskanie tych komórek zostało uznane za osiągnięcie naukowe godne tej nagrody? Otóż komórki ips, podobnie jak komórki ES, są zdolne do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek i tkanek, czyli wykazują pluripotencję. W przeciwieństwie do komórek ES ich pochodzenie nie budzi jednak kontrowersji etycznych, ponieważ mogą one być uzyskane praktycznie z dowolnej komórki pochodzącej z dorosłego organizmu, np. fibroblastów pobranych ze skóry. Dodatkowo, potencjalne wykorzystanie komórek ES w medycynie regeneracyjnej związane jest z jeszcze jednym problemem, niewystępującym w przypadku komórek ips. Liczba dostępnych rodzajów ludzkich komórek ES jest ograniczona. Oznacza to, że dla wielu pacjentów niemożliwe okazałoby się uzyskanie z komórek ES odpowiedniego, tj. zgodnego tkankowo, materiału do przeszczepu. Dla odmiany wyspecjalizowane komórki określonych tkanek i narządów można by potencjalnie uzyskiwać z komórek ips otrzymanych w wyniku modyfikacji komórek pochodzących od pacjenta. Innymi słowy, dawcą i biorcą materiału do przeszczepu byłaby ta sama osoba. W takiej sytuacji problem niezgodności NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

10 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ tkankowej nie występuje. Choć droga do wykorzystania komórek ips w medycynie regeneracyjnej wydaje się jeszcze daleka, to warto pamiętać, że komórki te zostały uzyskane zaledwie kilka lat temu, a wiedza na ich temat już jest imponująca (Archacka i wsp., 2010). Jakie były początki badań nad komórkami ips? Reprogramowanie komórek to termin, który oznacza proces prowadzący do zmiany właściwości komórki w sposób, który nie zachodzi w warunkach fizjologicznych. Badania prowadzone przez różne zespoły badawcze, również Yamanakę i Takahashiego, miały na celu opracowanie metody, która pozwoliłaby na przekształcenie zróżnicowanych komórek w komórki o właściwościach zbliżonych lub identycznych z komórkami ES. Japońscy badacze zdecydowali się na wprowadzenie do zróżnicowanych komórek czynników, które są charakterystyczne dla komórek zarodka we wczesnych etapach rozwoju. W ich zamyśle taka strategia miała Ryc. 4. Przykłady wykorzystania komórek ips w nauce i medycynie Pobranie komórek od pacjenta pozwala na uzyskanie na drodze reprogramowania komórek ips. Komórki te można wykorzystać jako model in vitro choroby, którą dotknięty jest pacjent. Potencjalnie, w przypadku, gdy pobrane komórki pochodzą od pacjenta cierpiącego na chorobę genetyczną można poddać je korekcie genetycznej, a następnie zróżnicować w określony rodzaj komórek i przeszczepić pacjentowi. doprowadzić do zwiększenia potencjału do różnicowania zmodyfikowanych komórek. W pierwszym etapie badań naukowcy wybrali 24 geny, które umieścili w fibroblastach myszy. W wyniku tej modyfikacji fibroblasty przekształciły się w komórki, które pod względem morfologii i właściwości przypominały komórki ES. W kolejnych etapach badań Yamanaka i Takahashi stopniowo ograniczali liczbę wprowadzanych genów i ostatecznie udowodnili, że aktywność zaledwie czterech czynników wystarcza do tego, by fibroblasty przekształciły się w niezróżnicowane komórki pluripotencjalne. Magiczny kwartet tworzyły geny: Oct4, Sox2 i Klf4 (czynniki odgrywające kluczową rolę w zachowaniu pluripotencji komórek) oraz c-myc (gen promujący podziały komórkowe). Pierwsze ludzkie komórki ips zostały uzyskane z fibroblastów rok później, w 2007 r. (Takahashi i wsp., 2007). Pionierskie prace Takahashiego i Yamanaki otworzyły nowy rozdział w badaniach nad komórkami macierzystymi i spowodowały lawinowy wzrost zainteresowania technologią ips. Doświadczenia przeprowadzone przez różne grupy badawcze doprowadziły do uzyskania komórek ips z rozmaitych rodzajów komórek, m.in. z keratynocytów (Maherali i wsp., 2008), hepatocytów (Aoi i wsp., 2008), komórek trzustki (Stadtfeld i wsp. 2008), limfocytów B (Hanna i wsp., 2008), melanocytów (Utikal i wsp., 2009) oraz komórek tkanki tłuszczowej (Sun i wsp., 2009). Zwykle największa wydajność reprogramowania osiągana jest wówczas, gdy geny wprowadzane są do komórek za pomocą wirusów. Jednak użycie wirusów w technologii ips jest równocześnie jej największym ograniczeniem. Wirusy wykorzystywane do reprogramowania komórek wbudowują się bowiem do ich genomu, co może powodować uszkodzenie lub niekontrolowaną aktywację innych genów. Duże ryzyko wystąpienia nieprzewidzianych zmian na poziomie genomu ogranicza czy wręcz niweluje możliwość wykorzystania tak zmodyfikowanych komórek w medycynie regeneracyjnej. W niektórych przypadkach takie zmiany mogą bowiem prowadzić np. do niekontrolowanych podziałów komórek i, w konsekwencji, do powstania nowotworów po transplantacji komórek do organizmu pacjenta. Wirusy to nie jedyne ograniczenie technologii ips. Naukowcy nie potrafią jeszcze uzyskiwać komórek ips w sposób wydajny: proces ten zachodzi z wydajnością nie wyższą niż kilka procent. Równie mało skuteczne są metody uzyskiwania wybranych rodzajów wyspecjalizowanych komórek z komórek pluripotencjalych (Drews i wsp., 2012). Mimo tych ograniczeń komórki ips już teraz zajmują ważne miejsce w nauce, są bowiem wykorzystywane m.in. jako modele in vitro różnych chorób. W tym celu od osób cierpiących na różne choroby pobierane są komórki, które następnie przekształcane są do komórek ips, a te wykorzystywane są w badaniach mających na celu określenie molekularnego mechanizmu danej NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

11 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ choroby czy wpływu potencjalnych leków. Przykładem mogą być badania Eberta i współpracowników, którzy uzyskali komórki ips z fibroblastów pobranych od pacjenta cierpiącego na rdzeniowy zanik mięśni. Choroba ta spowodowana jest mutacją w genie SMN1 (ang. Survival Motor Neuron 1) i dotychczas pozostaje nieuleczalna. Dzieci chore na rdzeniowy zanik mięśni najczęściej umierają w ciągu dwóch lat z powodu zaniku mięśni spowodowanego obumieraniem neuronów niezbędnych do ich właściwego funkcjonowania. W neuronach otrzymanych z komórek ips uzyskanych od chorych na rdzeniowy zanik mięśni stwierdzono zmniejszoną ilość białka SMN1, koniecznego dla prawidłowego działania neuronów. Zbyt niski poziom tego białka w komórkach prowadził do ich degeneracji. Co ważniejsze jednak, badania przeprowadzone przez Eberta i współpracowników pozwoliły na wskazanie kilku czynników o potencjalnym znaczeniu terapeutycznym, np. kwasu walproinowego i tobramycyny. Ich obecność w pożywce hodowlanej doprowadziła do zwiększenia poziomu białka SMN1 w neuronach (Ebert i wsp., 2009). Obecnie prowadzone są badania mające na celu określenie, w jakim stopniu czynniki te mogą chronić neurony przed degeneracją. Przykład ten pokazuje, że wykorzystanie technologii ips może pomóc w poszukiwaniu skutecznego leku na tę i inne choroby degeneracyjne. Lawinowy postęp w badaniach nad komórkami ips daje także szansę na opracowanie skutecznych i bezpiecznych terapii różnych chorób z wykorzystaniem tych komórek (ryc. 4; Archacka i wsp., 2010). Podsumowanie Znaczenie komórek ES i ips dla rozwoju nauki jest niepodważalne. Zdolność tych komórek do wielokierunkowego różnicowania budzi również zrozumiałe nadzieje na ich wykorzystanie w medycynie regeneracyjnej. Jednak droga do rzeczywistego wykorzystania tych komórek w klinice jest jeszcze daleka. Alternatywą jest stosowanie terapii z wykorzystaniem komórek macierzystych pochodzących z organizmów dorosłych. O mocnych i słabych stronach takiego rozwiązania traktować będzie trzeci i ostatni już artykuł o komórkach macierzystych w numerze 3/2013 EBiŚ. Literatura Aoi T, Yae K, Nakagawa M, Ichisaka T, Okita K, Takahashi K, Chiba T, Yamanaka S (2008). Generation of pluripotent stem cells from adult mouse liver and stomach cells. Science 321, Archacka K, Grabowska I, Ciemerych MA (2010). Indukowane komórki pluripotencjalne nadzieje, obawy i perspektywy. Postępy Biologii Komórki. 37, Beetschen JC, Fischer JL (2004). Yves Delage ( ) as a forerunner of modern nuclear transfer experiments. Int. J. Dev. Biol. 48, Bishop J. (2001). Ssaki transgeniczne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Buehr M, Meek S, Blair K, Yang J, Ure J, Silva J, McLay R, Hall J, Ying QL, Smith A (2008). Capture of authentic embryonic stem cells from rat blastocysts. Cell 135(7), Capecchi MR (2005). Gene targeting in mice: functional analysis of the mammalian genome for the twenty-first century. Nature Reviews Genetics 6, Ciemerych MA (2008). Zarodkowe komórki macierzyste w poszukiwaniu pluripotencji. Postępy Biologii Komórki 35, Ciemerych MA, Kubiak JZ (2013). Od Gurdona do Yamanaki, czyli krótka historia reprogramowania komórek. Postępy Biochemii 59 (2). Czerwińska A, Ciemerych MA (2012). Kule zarodkowe jako metoda różnicowania pluripotencjalnych komórek macierzystych w mioblasty. Postępy Biologii Komórki 39, Chung Y, Klimanskaya I, Becker S, Li T, Maserati M, Lu SJ, Zdravkovic T, Ilic D, Genbacev O, Fisher S, Krtolica A, Lanza R (2008). Human embryonic stem cell lines generated without embryo destruction. Cell Stem Cell 2(2), Darabi R, Santos FN, Filareto A, Pan W, Koene R, Rudnicki MA, Kyba M, Perlingeiro RC (2011). Assessment of the myogenic stem cell compartment following transplantation of Pax3/Pax7-induced embryonicstem cell-derived progenitors. Stem Cells 29(5), Drews K, Jozefczuk J, Prigione A, Adjaye J (2012). Human induced pluripotent stem cells -from mechanisms to clinical applications. J Mol Med 90(7), Ebert AD, Yu J, Rose FF Jr, Mattis VB, Lorson CL, Thomson JA, Svendsen CN (2009). Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature 457(7227), Evans MJ, Kaufman MH (1981). Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 292, Filimonow K, Krupa M, Suwińska A (2013). Pierwsze decyzje rozwojowe różnicowanie komórek w przedimplantacyjnym zarodku myszy. Postępy Biochemii 59 (2). Games D, Adams D, Alessandrini R, Barbour R, Berthelette P, Blackwell C, Carr T, Clemens J, Donaldson T, Gillespie F et al. (1995). Alzheimer-type neuropathology in transgenic mice overexpressing V717F beta-amyloid precursor protein. Nature 373, Guan K, Rohwedel J, Wobus AM (1999). Embryonic stem cell differentiation models: cardiogenesis, myogenesis, neurogenesis, epithelial and vascular smooth muscle cell differentiation in vitro. Cytotechnology 30, Gurdon JB (1962). The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles. J Embryol Exp Morphol. 10, Hanna J, Markoulaki S, Schorderet P, Carey BW, Beard C, Wernig M, Creyghton MP, Steine EJ, Cassady JP, Foreman R, Lengner CJ, Dausman JA, Jaenisch R (2008). Direct reprogramming of terminally differentiated mature B lymphocytes to pluripotency. Cel. 133(2), Li P, Tong C, Mehrian-Shai R, Jia L, Wu N, Yan Y, Maxson RE, Schulze EN, Song H, Hsieh CL, Pera MF, Ying QL (2008). Germline competent embryonic stem cells derived from rat blastocysts. Cell 135(7), Loh YH, Wu Q, Chew JL, Zhang W, Chen X, Bourque G, George J, Leong B, Liu J, Wong KY, Sung KW, Lee CW, Zhao XD, Chiu KP, Lipovich L, Kuznetsov VA, Robson P, Stanton LW, Wei CL, Ruan Y, Lim B, Ng HH (2006) The Oct4 and Nanog transcription network regulates pluripotency in mouse embryonic stem cells. Nat Genet 38, Maherali N, Ahfeldt T, Rigamonti A, Utikal J, Cowan C, Hochedlinger K (2008). A high-efficiency system for the generation and study of human induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 3(3), Makki N, Capecchi MR (2012) Cardiovascular defects in a mouse model of HOXA1 syndrome. Hum Mol Genet. 21(1), Martin GR. (1981). Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 78(12), Mitsui K, Tokuzawa Y, Itoh H, Segawa K, Murakami M, Takahashi NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

12 Komórki macierzyste. Część II pluripotencjalne komórki macierzyste Barbara Świerczek, Daniel Dudka, Karolina Archacka EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ K, Maruyama M, Maeda M, Yamanaka S. (2003). The homeoprotein Nanog is required for maintenance of pluripotency in mouse epiblast and ES cells. Cell 113(5), Shamblott MJ, Axelman J, Wang S, Bugg EM, Littlefield JW, Donovan PJ, Blumenthal PD, Huggins GR, Gearhart JD (1998). Derivation of pluripotent stem cells from cultured human primordial germ cells. Proc Natl Acad Sci 95(23), Schwartz SD, Hubschman JP, Heilwell G, Franco-Cardenas V, Pan CK, Ostrick RM, Mickunas E, Gay R, Klimanskaya I, Lanza R (2012). Embryonic stem cell trials for macular degeneration: a preliminary report. Lancet 379, Stadtfeld M, Brennand K, Hochedlinger K (2008). Reprogramming of pancreatic β cells into induced pluripotent stem cells. Curr. Biol. 18, Sun N, Panetta NJ, Gupta DM, Wilson KD, Lee A, Jia F, Hu S, Cherry AM, Robbins RC, Longaker MT, Wu JC (2009). Feeder-free derivation of induced pluripotent stem cells from adult human adipose stem cells. Proc Natl Acad Sci 106(37), Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S (2007). Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131(5), Takahashi K, Yamanaka S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126(4), Tarkowski AK. (1961). Mouse chimaeras developed from fused eggs. Nature 190, Thomas KR, Capecchi MR. (1990) Targeted disruption of the murine int-1 proto-oncogene resulting in severe abnormalities in midbrain and cerebellar development. Nature 346, Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, Jones JM (1998). Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 282(5391), Thomson JA, Kalishman J, Golos TG, Durning M, Harris CP, Becker RA, Hearn JP (1995). Isolation of a primate embryonic stem cell line. Proc Natl Acad Sci 92(17), Utikal J, Maherali N, Kulalert W, Hochedlinger K. (2009). Sox2 is dispensable for the reprogramming of melanocytes and melanoma cells into induced pluripotent stem cells. J. Cell Sci. 122, Weismann A (1893). The Germ-Plasm: A Theory of Heredity. Walter Scott Ltd., Londyn. Stem cells. Part II pluripotent stem cells Barbara Świerczek, Damian Dudka, Karolina Archacka Pluripotent stem cells are able to differentiate into all types of cells and tissues buliding mammalian organism. During embryo development pluripotent cells are localized in the inner cell mass of blastocyst, which serves as a source of cells for embryo body formation. Pluripotent cells building inner cell mass can be isolated and propagated in vitro as embryonic stem cells (ES cells). Another type of pluripotent stem cells, i.e. induced pluripotent stem cells (ips cells), is derived as a result of the process called cell reprogramming. Both ES cells and ips cells serve as a valuable research tool. They could also be used as a potential source of cells for transplantation in regenerative medicine. Derivation of both ES and ips cells is considered as a real breakthrough in science and medicine, and was distinguished by the Nobel Prize in physiology or medicine. In 2007 Mario Capecchi, Olivier Smithies, and Martin Evans were awarded for development of methods which enabled derivation of ES cells and genetic modification of mice, while in 2012 John Gurdon and Shinya Yamanaka were awarded for research focused on cell reprogramming. Keywords: Pluripotent stem cells, ES cells, ips cells, reprogramming, multidirectional differentiation, regenerative medicine, cell therapies NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

13 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska Streszczenie: Bioróżnorodność stanowi niezgłębiony rezerwuar zasobów będących źródłem użytecznych w życiu człowieka rozwiązań. Stąd konieczna jest ochrona zasobów biologicznych. Niniejszy artykuł prezentuje wybraną tematykę w przedmiocie sui generis ochrony bioróżnorodności ustanowionej w oparciu o przepisy Konwencji o różnorodności biologicznej z 5 czerwca 1992 r. Tematyka ta została poddana analizie przez pryzmat instrumentu, jakim jest dostęp do zasobów genetycznych i równy podział korzyści (Access and Benefit Sharing ABS). W tym zakresie zaprezentowano narzędzie uprzedniej zgody na dostęp do zasobów. Ponadto przeprowadzone obserwacje zostały pogłębione przez analizę relacji systemu ABS do prawa patentowego. Artykuł prezentuje dwie główne tezy w przedmiocie zrównoważonego wykorzystania bioróżnorodności oraz możliwej niezgodności między postanowieniami Konwencji o bioróżnorodności a prawem patentowym. Nade wszystko esej dotyka problematyki biopiractwa i wiedzy tradycyjnej. Słowa kluczowe: bioróżnorodność, dostęp do zasobów genetycznych i równy podział korzyści, biopiractwo, wiedza tradycyjna, uprzednia zgoda otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Joanna Uchańska: doktorantka w Katedrze Prawa Własności Intelektualnej Wydziału Prawa i Administracji Uniwersytetu Jagiellońskiego, aplikantka adwokacka w Krakowskiej Izbie Adwokackiej, członek międzynarodowego zespołu badawczego programu Innovation Expert System, uhonorowana nagrodą Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi. Wstęp W 1994 r. Europejski Urząd Patentowy w Monachium (EPU) udzielił ochrony na metodę niszczenia grzybów na roślinach przez hydrofobowy ekstrakt z drzewa Neem (Azadirachta indica) (Nr EP ) na rzecz W.R. Grace & Company i Departamentu USA ds. Rolnictwa (Baharul, 2011). Rok później grupa rolników z Indii, organizacje pozarządowe oraz osoby fizyczne (m.in. Partia Zielonych przy Parlamencie Europejskim, dr Vandana Shiva, Indyjska Fundacja ds. Nauki, Technologii i Ekologii, Międzynarodowa Fundacja ds. Ruchu na rzecz rolnictwa ekologicznego) złożyły wniosek o unieważnienie tych patentów. Dowodzono w nim, że grzybobójcze właściwości ekstraktu z drzewa Neem były znane i dlatego wynalazek nie miał zdolności patentowej. Wskazywano też, że drzewo Neem rośnie na terytorium południowej i południowo-wschodniej Azji, a ponadto uprawiane jest w Afryce, Ameryce Środkowej, Karaibach, Hawajach i Arabii Saudyjskiej. Na tej podstawie w 1999 r. uznano, że rozwiązanie należało do ówczesnego stanu techniki i nie miało charakteru wynalazczego (nie posiadało tzw. poziomu wynalazczego). Patent został więc zrewidowany w 2000 r. (Alikhan i Mashelkar, 2004; Arihan i Gençler, 2007), zaś ostatecznie unieważniony po orzeczeniu Izby Odwoławczej przy EPU dnia 8 marca 2005 r. (Baharul, 2011). Kazus ten można traktować jako jedną z wielu spraw o unieważnienie patentu, w których uprawniony z patentu dowodzi, że jego wynalazek jest nowy, posiada Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej. Biologia zakres rozszerzony: VIII. Różnorodność biologiczna Ziemi. 4. Uczeń przedstawia wpływ człowieka na różnorodność biologiczną, podaje przykłady tego wpływu (...). Przyroda dla szkół ponadgimnazalnych: 15. Ochrona przyrody i środowiska. 6. Uczeń określa cele zrównoważonego rozwoju i przedstawia zasady, którymi powinna kierować się gospodarka świata. poziom wynalazczy i charakteryzuje się przemysłową stosowalnością, zaś oponenci, wnioskujący o unieważnienie patentu, dowodzą, że wynalazek nie był patentowalny, więc ochronę przyznano mu niesłusznie. Jednak postępowanie o unieważnienie patentu na metodę produkcji pestycydów z drzewa Neem było na tym tle szczególne. Poza argumentami, które faktycznie stały się ostatecznie podstawą wygaszenia patentu, wskazywano bowiem, że naruszono przepisy międzynarodowego systemu ochrony bioróżnorodności 1. System ten stanowi jeden z filarów dostępu do zasobów genetycznych i podziału płynących z nich korzyści (Access and Benefit Sharing ABS), a także praw podmiotów uprawnionych do wiedzy tradycyjnej. Czym jednak jest sama bioróżnorodność, system ABS, czy wiedza tradycyjna? Na czym, w opinii niektórych, polega łamanie prawa w sferze bioróżnorodności? Jak te zagadnienia wiążą się z prawem patentowym? Dlaczego system ABS w większości krajów nie wchodzi w skład przepisów będących podstawą przyznawanej ochrony patentowej? Na te oraz inne pytania staram się odpowiedzieć w niniejszym artykule, prezentując kluczowe zagadnienia z zakresu sui generis ochrony bioróżnorodności. Bioróżnorodność i jej ochrona sui generis Różnorodność biologiczna, zgodnie art. 2 Konwencji o różnorodności biologicznej, sporządzonej w Rio de Janeiro dnia 5 czerwca 1992 r. (Convention on Biological Diversity CBD), oznacza zróżnicowanie wszystkich żywych organizmów pochodzących m.in. z ekosystemów lądowych i morskich oraz innych wodnych ekosystemów oraz zespołów ekologicznych, któ- 1 Jest to system sui generis (łac. swego rodzaju), czyli system szczególny, niemający bezpośredniej podstawy w innych przepisach ani żadnego odpowiednika i nie uzupełniany przez przepisy innych regulacji (w szczególności prawa patentowego). NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

14 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ rych są one częścią. Dotyczy różnorodności w obrębie gatunku, pomiędzy gatunkami oraz pomiędzy ekosystemami (Wilson, 1992; Torrance, 2010). Zróżnicowanie biologicznych zasobów genetycznych jest różne na różnych obszarach Ziemi. Największe występuje w klimacie równikowym, zwłaszcza na terytorium Brazylii, Boliwii, Peru, Kostaryki, Kongo, Indii; najmniejsze na biegunach (Torrance, 2010; Koopman, 2003; Alikhan i Mashelkar, 2004). Zgodnie z art. 2 CBD zasoby genetyczne to materiał genetyczny mający faktyczną lub potencjalną wartość. Z kolei materiał genetyczny to jakikolwiek materiał roślinny, zwierzęcy, mikrobiologiczny lub innego pochodzenia zawierający funkcjonalne jednostki dziedziczności. Zasoby genetyczne wchodzą zaś w skład zasobów biologicznych rozumianych jako zasoby genetyczne, organizmy i ich części, populacje i jakiekolwiek inne żywe elementy ekosystemu, które faktycznie lub potencjalnie mogą być wykorzystywane lub mogą stanowić wartość dla ludzkości. CBD wśród swych celów wymienia: ochronę bioróżnorodności, jej zrównoważone użytkowanie oraz uczciwy i sprawiedliwy podział korzyści z wykorzystywania zasobów genetycznych, w tym przez odpowiedni dostęp do zasobów genetycznych i odpowiedni transfer właściwych technologii, z uwzględnieniem wszystkich praw do tych zasobów i technologii, a także odpowiednie finansowanie. Wytyczne te są realizacją Światowej Strategii Ochrony Przyrody, która zakłada m.in., że ochrona przyrody jest podejmowana przy udziale społeczności lokalnych. Jej celem jest budowanie odpowiednich postaw oraz stworzenie warunków, w których ludność lokalna będzie mogła skorzystać z obszarów objętych ochroną (Jeffries, 2005). CBD jest uważana za pierwszy międzynarodowy akt, w którym zawarto zobowiązania państw do przestrzegania wymienionych postulatów. Konwencja nie jest wprawdzie kompleksową regulacją ochrony przyrody, jednak wyznacza podstawę do uregulowania ochrony sui generis bioróżnorodności (Koopman J., 2003) i nakłada różne obowiązki na państwa, które ją podpisały. Wprowadza też takie instrumenty jak dostęp do zasobów genetycznych oraz transfer technologii do krajów rozwijających się (Jeffries, 2007). Jądrem postanowień CBD w przedmiocie ochrony bioróżnorodności jest dostęp do zasobów genetycznych. Wśród nich kluczowa jest regulacja dotycząca uprzedniej zgody na dostęp do takich zasobów, do których na mocy jej art. 3 w zw. z art. 15 prawa przysługują państwu, na terytorium którego zasoby te występują. Regulacja o dostępie do zasobów genetycznych i podziale płynących z nich korzyści (wspomiane już Access and Benefit Sharing ABS) związana jest z dostępem do wiedzy tradycyjnej, która towarzyszy bioróżnorodności. Dr Thokozani Simelane (członek stałego Komitetu Doradczego ds. Prawa Własności intelektualnej RPA) zauważa, że CBD jest jedynym międzynarodowym aktem prawnym, który w tak szerokim stopniu przyznaje prawa do różnorodności biologicznej społeczności tubylczej i uznaje jurysdykcję krajów, z których pochodzą zasoby naturalne, w tym zasoby genetyczne (Arihan i Mine, 2007). Eksploatacja wiedzy tradycyjnej związanej z bioróżnorodnością ma charakter pozytywny, gdy dotyczy poszukiwania materiału biologicznego (materii ożywionej), modyfikowania genetycznego, opieki zdrowotnej opartej na produktach pochodzących z natury, medycyny naturalnej. Ma też jednak wymiar negatywny, związany z tzw. biopiractwem, o którym wspomnę w dalszej części. A zatem wiedza tradycyjna jest powiązana z bioróżnorodnością na zasadzie krzyżowania (Simelane). O ochronie bioróżnorodności i wiedzy tradycyjnej należy więc mówić przy zachowaniu następującego rozgraniczenia. Czym innym jest dbałość o różnorodność biologiczną jako taką, a czym innym jest zabezpieczenie jej wraz z nawiązującą do niej wiedzą, w tym wiedzą tradycyjną, która stanowi też różnorodność kulturową (Brush, 2007). Wielu naukowców podnosi konieczność ochrony wiedzy tradycyjnej, w której zasobach można odnaleźć także recepty, instrumenty czy informacje na temat sposobów zachowania bioróżnorodności, w tym poprzez jej zrównoważone wykorzystanie czy ochronę przed zanieczyszczeniami (Zent i Zent Egleé, 2007). Różnorodność biologiczną i kulturową traktuje się zatem obecnie jako całość (Morżoł, 2010). Podstaw tego stwierdzenia należy poszukiwać w art. 8 lit. j CBD, gdzie postanowiono, że stosownie do swojego ustawodawstwa krajowego respektuje się, chroni i utrzymuje wiedzę, innowacje oraz praktyki stosowane przez tubylcze i lokalne społeczności, prowadzące tradycyjny tryb życia, sprzyjający ochronie i zrównoważonemu użytkowaniu różnorodności biologicznej oraz wspiera się ich szersze stosowanie za zgodą i przy udziale osób, które dysponują taką wiedzą, stosują innowacje i praktyki, oraz zachęca się do równego podziału korzyści płynących z wykorzystania tej wiedzy, innowacji i praktyk. Czym jest jednak wiedza tradycyjna, którą chroni się wraz z bioróżnorodnością? Sama wiedza tradycyjna jest charakteryzowana jako pojęcie dynamiczne i zróżnicowane (Mugabe, 2001), które interesuje się przejawami ludzkiej aktywności, takimi jak rolnictwo, nauki ścisłe, technika, ekologia, medycyna, a wreszcie wiedza powiązana z bioróżnorodnością, wyraz folkloru (muzyka, tańce, sztuka itd.), elementy języka (np. imion i nazwisk), nazwy geograficzne, symbole, a nawet ruchome przedmioty własności (Alikhan i Mashelkar, 2004). Są to bowiem informacje przekazywane z pokolenia na pokolenie zwłaszcza w sposób ustny (chociaż może być spisana i nie wyklucza to jej tradycyjności). Charakterystycznym dla wiedzy tradycyjnej jest brak przypisania jej elementów indywidualnemu twórcy. Stanowi ona zatem anonimowy wynik kooperatywnych wysiłków NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

15 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ całej społeczności nie tylko żyjącej w konkretnej chwili, na konkretnym terytorium, ale ocenianej jako zbiór wielowiekowy, podporządkowany lokalnemu prawu, zwyczajom i tradycji. Dynamika rozwoju wiedzy wpływa na fakt, że to co sprawia, że wiedza tradycyjna jest tradycyjna, to nie jej przeszły charakter, ale sposób jej przyswajania i użytkowania (Mugabe, 2001). Eksploatacja bioróżnorodności a jej ochrona CBD przewiduje szereg działań, które wchodzą w zakres tzw. ochrony sui generis, która opiera się na trzech filarach: save know use. Pojęcia te oznaczają odpowiednio ochronę gatunków poprzez: 1) stworzenie obszarów chronionych, 2) poznanie występujących gatunków chronionych oraz 3) używanie ich w sposób zrównoważony dla korzyści społecznych i ekonomicznych (Gámez, 2007). Definicję zrównoważonego użytkowania ustanawia art. 2 CBD i oznacza użytkowanie elementów różnorodności biologicznej w taki sposób i z taką intensywnością, żeby nie prowadziło ono do jej zmniejszenia w długim czasie i tym samym pozwoliło utrzymać jej potencjał w stanie odpowiadającym potrzebom i aspiracjom obecnych oraz przyszłych pokoleń. W jej zakres wchodzą: działania ogólne takie jak przygotowanie krajowych strategii, planów, programów, a także szczegółowe takie jak identyfikacja elementów różnorodności biologicznej i jej monitoring. CBD wymaga także opracowania systemu zrównoważonego użytkowania jako dostępu do jej zasobów genetycznych. W ten sposób proponuje się ochronę bezpośrednią bioróżnorodności. Osoby dysponujące wiedzą tradycyjną związaną z bioróżnorodnością, szamani czy inni uzdrowiciele (znachorzy), koncentrują się na widocznych gołym okiem cechach organizmu. Wiele z nich jest dziedzicznych, jak np. kolor oczu, włosów, czy skłonność do otyłości (Winter i Fletcher, 2004); jak każda cecha, widoczna lub niewidoczna na pierwszy rzut oka, wywodzi się z konkretnego genotypu, ale w wiedzy tradycyjnej można było zwrócić uwagę tylko na te fenotypy, które dotyczyły zewnętrznych cech organizmu. Natomiast biotechnologia często skupia się na aspektach biochemicznych, czyli tych fenotypach, których nie sposób określić na podstawie obserwacji z zewnątrz (m.in. aktywność określonych enzymów w wybranym narządzie). Z tego powodu wiedza tradycyjna nie przyczynia się bezpośrednio do rozwoju biofarmacji. Niemniej jednak często jest pomocna w procesie prac badawczo-rozwojowych (research and development R&D) w bioprzemyśle, ponieważ jej posiadacze znają medyczne zastosowanie konkretnych organizmów, co pozwala przystąpić do właściwych badań. Wiedza tradycyjna przydaje się więc w pierwszej fazie R&D w fazie poszukiwania. Jest też niezbędna na kolejnym etapie owocnego wykorzystania organizmów lub ich komponentów, a także na etapie ich praktycznej eksploatacji (Koopman, 2003), w tym w związku z patentowaniem. Opracowanie strategii do identyfikacji metod gromadzenia i stosowania materiału genetycznego oraz związanej z nim wiedzy nazwane zostało bioprospekcją. Jest ona rozumiana jako poszukiwanie gatunków roślin i zwierząt, z których mogą być uzyskiwane produkty lecznicze lub inne związki cenne pod względem komercyjnym (Compact Oxford English Dictionary, 2006). Kolejną zaletą wiedzy tradycyjnej jest to, że jest ona niezgłębionym i niewyczerpanym źródłem informacji o ochronie środowiska i jego zrównoważonym użytkowaniu. Podobnie R. Anriantsiferena (2007) podkreśla dwa główne elementy konstruujące pojęcie wiedzy tradycyjnej, tj. wiedzę dotyczącą wszystkich aspektów życia i środowiska naturalnego. Wiedza tradycyjna wymaga ochrony, ponieważ jednocześnie jest ona jednym z narzędzi podstawowej ochrony in situ (tzn. w miejscu ) wyrażonej w art. 8 lit. j CBD. Ochrona in situ przewiduje szereg instrumentów, mających na celu zachowanie gatunków występujących naturalnie w środowisku i całych ekosystemów. Oznacza więc ochronę ekosystemów i naturalnych siedlisk oraz utrzymanie i restytucję zdolnych do życia populacji gatunków w ich naturalnym środowisku, a w przypadku gatunków udomowionych lub hodowlanych w środowisku, w którym rozwinęły swoje charakterystyczne właściwości. Pozwala też na wprowadzenie obszarów chronionych. Pomocniczą funkcję w stosunku do ochrony in situ pełni ochrona ex situ. Należy ją rozumieć jako ochronę składników różnorodności biologicznej poza ich naturalnymi siedliskami (art. 2 CBD). Polega ona na badaniu organizmów w celu przywracania naturalnych ekosystemów oraz gatunków zagrożonych wyginięciem. Wśród praktycznych działań realizujących założenia ochrony ex situ jest zakładanie ogrodów zoologicznych, a także prowadzenie banków genów. J. Chen (2007) uważa, że ochrona ex situ zachowuje jedynie niewielką część zasobów genetycznych, a kluczowa dla ochrony bioróżnorodności jest jednak ochrona in situ. System stworzony w CBD został także uzupełniony o dwa znaczące akty prawne: protokół z Kartageny (2000) oraz protokół z Nagoi (2010) oba ratyfikowane przez Polskę. Postanowienia tego pierwszego dotyczą problematyki bezpieczeństwa biologicznego, zwłaszcza transferu pomiędzy państwami organizmów modyfikowanych genetycznie. Z kolei drugi dokument ustanowił nową globalną strategię oraz instrumenty ochrony różnorodności biologicznej na lata z wizją na rok Nowy Plan Strategiczny CBD określa 20 kluczowych celów (tzw. Aichi Targets), które mają zostać osiągnięte do 2020 r. Przyjęty zaś Protokół z Nagoi ma NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

16 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ w pełniejszy i powszechniejszy sposób realizować postanowienia CBD o sprawiedliwym podziale korzyści wynikających z wykorzystania zasobów genetycznych. Zasoby genetyczne w prawie patentowym W literaturze wciąż uważa się, że ochrona zarówno bioróżnorodności, jak i wiedzy tradycyjnej w niektórych krajach rozwijających się jest wymierzona przede wszystkim w piractwo biologiczne oraz w narzucony, rygorystyczny system ochrony własności intelektualnej proponowany m.in. przez tzw. porozumienie TRIPS, czyli Porozumienie w sprawie handlowych aspektów praw własności intelektualnej z 15 kwietnia 1994 r. (Dz. Urz. WE L 336 z r., s. 305). Uchwalenie CBD ma więc związek z istniejącym systemem patentowania, zwłaszcza nowych związków chemicznych opartych na zasobach genetycznych wykorzystywanych w przemyśle farmaceutycznym. Zaproponowano zatem, by materiał roślinny odkryty przez duże firmy patentujące takie właśnie wynalazki biotechnologiczne, przynosił zyski nie tylko im, lecz także krajom, z których materiał ten pochodzi (Tritton i wsp., 2008). Na mocy CBD wprowadzono wspominany już specjalny reżim dostępu do zasobów oparty na równym podziale korzyści oraz przesłance uprzedniej zgody. Zgodnie z CBD dysponentem zasobów genetycznych jest to państwo, na terytorium którego one występują. Takie stanowisko nie było jednak pierwotnie prezentowane. Początkowo uważano, że zasoby genetyczne są dobrem wspólnym. Rosnące znaczenie praw własności intelektualnej do produktów z wykorzystaniem roślin i tym samym komercyjne wykorzystanie zasobów genetycznych (Brush, 2007) konsekwentnie kierowało jednak kwestie związane z ochroną zasobów genetycznych w stronę koncepcji, jakie towarzyszą własności indywidualnej (Hamilton, 2006). Sygnatariuszy CBD zobowiązano do ułatwienia innym podmiotom dostępu do swoich zasobów w sposób racjonalny z punktu widzenia środowiska oraz do nie wprowadzania żadnych ograniczeń, które byłyby sprzeczne z CBD. Dostęp do zasobów genetycznych jest możliwy po uzyskaniu odpowiedniej zgody rządu oraz po zapewnieniu podziału korzyści uzyskanych z wykorzystania dóbr wytworzonych za pomocą lub z wykorzystaniem materiału genetycznego. Wymaganie zgody na dostęp do zasobów jest jednak fakultatywne, na podstawie art. 3 CBD, który przyznaje państwom suwerenne prawo do wykorzystania ich zasobów zgodnie z własną polityką środowiskową. Pomimo fakultatywnego charakteru systemu regulowania dostępu do zasobów genetycznych w art. 15 ust. 7 CBD zobowiązano sygnatariuszy do podjęcia odpowiednich środków ustawodawczych, administracyjnych i politycznych oraz w razie potrzeby poprzez mechanizm finansowy mający na celu sprawiedliwy i równy dostęp do wyników badań i rozwoju oraz korzyści wynikających z komercyjnego lub innego wykorzystania zasobów genetycznych z państwem dostarczającym takie zasoby. Każdy sygnatariusz jest zobowiązany do ułatwienia dostępu i transferu technologii, które mają istotne znaczenie dla ochrony i zrównoważonego użytkowania różnorodności biologicznej lub wykorzystują zasoby genetyczne i nie powodują znacznych szkód dla środowiska. W myśl CBD sygnatariusze muszą także zapewniać ochronę patentom lub innym prawom własności intelektualnej, ponieważ wdrażanie postanowień konwencji odbywa się w zgodzie z ustawodawstwem krajowym i prawem międzynarodowym, aby patenty oraz prawa własności intelektualnej wspierały cele konwencji i nie były z nimi sprzeczne. Sprzeczność z prawem patentowym Okazuje się, że mechanizmy dostępu do zasobów genetycznych wprowadzone przez wiele państw (np. Brazylii, Indiach, Kostaryce i Peru) są sprzeczne z Porozumieniem TRIPS, choć zgodne z CBD. Regulacje z zakresu prawa własności przemysłowej, w tym porozumienie TRIPS, chroni bowiem prawo własności uprawnionego, w tym wynalazcy. CBD skupia się zaś na ochronie zasobów genetycznych oraz wiedzy tradycyjnej. Konflikt legislacyjny zachodzi w głównej mierze na poziomie umów międzynarodowych. Porozumienie TRIPS uniemożliwia pełną implementację CBD, gdyż oparte jest na mechanizmach własności prywatnej, podczas gdy CBD opowiada się za strukturą własności kolektywnej. Z punktu widzenia porozumienia TRIPS przy ubieganiu się o ochronę patentową niewłaściwe będzie wymaganie wykazania uzyskania uprzedniej zgody, chociaż niektóre ustawodawstwa krajowe taką przesłankę wprowadziły. W Indiach uprzednią zgodę trzeba uzyskać od krajowego organu ds. bioróżnorodności przed złożeniem aplikacji o patent. Sama CBD nie wskazuje, jaka jest sankcja dla patentu udzielonego bez uprzedniej zgody (nieważność, bezskuteczność itp.). Mimo to niektóre państwa ustanawiają także odpowiednie normy karno-administracyjne w zakresie naruszenia postanowień chroniących zasoby genetyczne i związaną z nimi wiedzę tradycyjną. Niektóre zaś wiążą sankcje z nieważnością patentu. Takie postanowienia są sprzeczne z art. 27 porozumienia TRIPS, jeśli brak uzyskanej zgody ma stanowić przeszkodę w uzyskaniu patentu lub jego unieważnienie. Jedyne możliwe ograniczenia w przyznawaniu patentów, jakie dopuszczają postanowienia porozumienia TRIPS, zostały przewidziane w ust. 2 i ust. 3 tego przepisu. Po pierwsze, zdolność patentowa może być ograniczona przez pań- NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

17 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ stwa ze względu na szczególne wyższe cele. Takie cele to np. ochrona porządku publicznego lub moralności, ochrona życia lub zdrowia ludzi, zwierząt lub roślin czy zapobieżenie poważnej szkodzie dla środowiska naturalnego. Do przypadku tego nie należy jednak ograniczenie wprowadzone tylko z tego powodu, że dany sposób wykorzystania jest zabroniony przez prawo krajowe. Po drugie, zdolności patentowej można odmówić diagnostycznym, terapeutycznym i chirurgicznym metodom leczenia ludzi i zwierząt. Po trzecie zaś, państwo może nie udzielić patentu na rośliny i zwierzęta inne niż drobnoustroje oraz, zasadniczo, na biologiczne procesy służące do produkcji roślin i zwierząt inne niż procesy niebiologiczne i mikrobiologiczne. Żadne inne ograniczenia nie są dopuszczalne na terytorium państw sygnatariuszy porozumienia TRIPS i dlatego dodatkowe postanowienia o uzyskaniu uprzedniej zgody na dostęp do zasobów genetycznych nie może być warunkiem uzyskania patentu. Tak samo komentowano projekt nowelizacji prawa patentowego w Belgii, kiedy planowano implementować wymóg wykazania uprzedniej zgody wraz z sankcją nieważności patentu. Ostatecznie projekt został wycofany. Międzynarodowe prawo patentowe nie zawiera żadnych postanowień w sprawie ochrony zasobów genetycznych, ochrony wiedzy rdzennej i lokalnej społeczności. Wydaje się to niezrozumiałe, ponieważ Stronami CBD są 192 państwa oraz Unia Europejska, a więc reguły w niej przyjęte można uznać bez wątpienia za powszechne. Mimo to system patentowy nie wprowadza żadnych postanowień w sprawie równego podziału korzyści płynących z ochrony patentowej, jeśli wynalazek korzysta z zasobów genetycznych lub związanej z nimi wiedzy tradycyjnej (Anuradha i wsp., 1999). Mimo to przypadki uzyskania ochrony patentowej bez uprzedniej zgody czy chociażby podziału korzyści płynących z ochrony patentowej spotykają się ze sprzeciwem różnych społeczności. Oskarżenia zostały wysunięte np. przeciwko amerykańskiemu koncernowi biotechnologicznemu Phytera. W 1996 r. koncern ten podpisał umowę z kilkoma europejskimi ogrodami botanicznymi. Niniejsza umowa zapewniała Phytera i dostęp do gatunków pochodzących z ich kolekcji roślin, zaś w zamian miała gwarantować podział korzyści płynących z wytworzonych na tej podstawie produktów. Jednak niektóre z umów pomijały klauzulę obowiązku podziału korzyści z krajami, z których gatunki roślin pochodziły (Jeffries, 2004). Jak już wyżej wykazywano, obowiązek ten wynika z art. 15 CBD, który mówi o ABS. Próby rozwiązania Aby rozwiązać konflikt TRIPS CBD, podjęto prace w ramach Światowej Organizacji Własności Intelektualnej przy ONZ (WIPO) we współpracy z Sekretariatem CBD, FAO i Agencji ONZ ds. Środowiska (UNEP). Postanowienie paragrafu 19 Deklaracji z Doha stanowi, że Rada TRIPS powinna zauważyć zagadnienia relacji porozumienia TRIPS do CBD oraz ochrony wiedzy tradycyjnej i folkloru. Ponadto w 2000 r. utworzono Międzynarodowy Komitet ds. Własności Intelektualnej, Zasobów Genetycznych, Wiedzy Tradycyjnej i Folkloru (IGC), którego przedmiotem są: zagadnienia własności intelektualnej w kontekście dostępu do zasobów genetycznych i podziału korzyści oraz ochrona wiedzy tradycyjnej, która może, ale nie musi być związana z zasobami genetycznymi. Prace prowadzone w ramach komitetu IGC skupiają się na trzech zasadniczych kwestiach: na zapewnieniu defensywnej ochrony zasobów genetycznych poprzez eliminowanie udzielania patentów, którym brak nowości oraz poziomu wynalazczego; na wyborze właściwego modelu oraz instrumentów zapewniających realizację równego i sprawiedliwego systemu ABS; na wprowadzeniu wymogu ujawnienia w zgłoszeniach patentowych pochodzenia materiału genetycznego lub źródła zasobów genetycznych (Lisowska, 2012). Obecnie trwają prace mające na celu osiągnięcie porozumienia w zakresie harmonizacji przepisów prawa patentowego i CBD. Choć wydają się obiecujące, nie przyniosą szybkich rezultatów, ponieważ różne państwa prezentują w tym zakresie rozbieżne stanowiska: UE i Szwajcaria opowiadają się za wprowadzeniem wymogu ujawnienia, którego naruszenie nie ma wywierać sankcji w prawie patentowym; kraje rozwijające się chcą, aby naruszenia wprowadzonego wymogu ujawnienia pociągało za sobą sankcje przy udzieleniu patentu; USA, Japonia, Korea i Kanada oprotestowują wymóg ujawnienia (Lisowska, 2012) i optują za pozostawieniem go poza systemem patentowym (Straus, 2008). Krytyczna recenzja ABS Dotychczasowy system ABS nie jest jednak wolny od luk i głosów krytycznych na jego temat. Po pierwsze, wprawdzie CBD opowiada się za przyznaniem prawa do dysponowania i decydowania o zasobach genetycznych państwu, gdzie te zasoby występują, jednak liczna grupa przedstawicieli rządów, naukowców oraz organizacji społecznych opowiada się za wolnym dostępem do różnorodności biologicznej, a nie jej uwłaszczeniem na czyjąkolwiek rzecz, która zagraża w ich opinii ochronie środowiska naturalnego. Problem dotyczący zwłaszcza zasobów mórz i oceanów (poza wodami terytorialnymi) czy zasobów Arktyki. Obszary te nie są bowiem objęte NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

18 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ jurysdykcją żadnego państwa. Toteż proponuje się trzy rozwiązania: 1) traktowanie zasobów jako dziedzictwo ludzkości, 2) oparcie dostępu do tych zasobów na zasadzie wolności przysługującej wszystkim zainteresowanym, 3) uznanie zasobów za wspólną własność ludzkości, gdzie element «własność» będzie zobowiązywał do ustalenia zasad korzystania z niej w ramach odrębnie ustalonego reżimu prawno międzynarodowego (Szkarłat, 2012; Zimny, 2012). Takie zasoby mogą być dowolnie wykorzystywane w dziedzinie medycyny, żywienia, farmacji, przemysłu tekstylnego itp. Po drugie, problem może wywoływać ustalanie, jakie konkretne korzyści powinny być przedmiotem podziału oraz kto powinien być ich odbiorcą czy kraj, z którego dany materiał pochodzi, czy społeczność lokalna, która ma wiedzę związaną z tym materiałem genetycznym. Po trzecie, istnieją trudności z określeniem podmiotu praw i obowiązków, gdy materiał genetyczny występuje na większej części kontynentu czy globu oraz szerokiego rozpowszechnienia wiedzy na jego temat. Komplikacje mogą być związane z ustaleniem sposobu podziału korzyści. Po czwarte, stronami CBD pozostają państwa pochodzące z różnych systemów prawnych, w których w różny sposób uregulowane jest prawo własności, w tym współwłasność. Ponadto nie postanowiono wyraźnie, jak należy ustalać proporcje podziału. Często podnosi się, że posiadaczom zasobów biologicznych i wiedzy na ich temat zostają przekazane nieproporcjonalnie niewielkie części należnych im korzyści. Po piąte, bioprospekcja towarzysząca systemowi ochrony bioróżnorodności przynosi w większości korzyści niepieniężne, chociaż jest to ocena jedynie semi- -negatywna, gdyż można oceniać pochlebnie jej wpływ dla zbadania różnorodności genetycznej na świecie i określenia stopnia zagrożenia jej utraty. Propozycja rozwiązania konfliktu Proponowanym rozwiązaniem konfliktu: prawo patentowe ABS jest m.in. wprowadzenie dodatkowych przepisów do porozumienia TRIPS. Wnioskuje się zatem uchwalenie art. 29bis w przedmiocie wymagań ujawnienia źródła pochodzenia zasobów biologicznych lub wiedzy tradycyjnej. Projekt nowej regulacji zakłada nie tylko konieczność poinformowania o źródle pochodzenia materiału genetycznego, uzyskaniu uprzedniej zgody. Stanowi także podstawę do wprowadzenia sankcji zawieszenia postępowania patentowego lub nieprzyznania prawa w sytuacji uzasadnionych wątpliwości co do spełniania przez wnioskodawcę wymagań o uprzedniej zgodzie (Strus, 2008). Dotychczas bowiem w postępowaniu o unieważnienie patentu można podnieść tylko przesłanki braku zdolności patentowej: braku nowości, nieoczywistości czy przemysłowej stosowalności. Tak stało się np. w przypadku opatentowania w 1995 r. (Nr ) przez Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych (USPTO) metody leczenia ran za pomocą wyciągu pochodzącego z korzenia szafranu indyjskiego (Alikhan i Mashelkhar, 2004). Szafran indyjski był od wieków wykorzystywany w kuchni i kosmetyce azjatyckiej, w medycynie zaś jako lek m.in. na anemię, astmę, oparzenia, zapalenie spojówek, problemy stomatologiczne, cukrzycę, biegunkę, zwalczanie bólu (Arihan i Mine, 2007). Patent został unieważniony 20 listopada 1997 r. ze względu na brak nowości, po działaniach podjętych przez Urząd Indii ds. Nauki i Przemysłu (The Council of Scientific and Industrail Research in India). Skarga na nieważność została poparta dokumentacją pochodzącą z 32 źródeł, w zakresie wiedzy tradycyjnej, w skład której wchodziła m.in. publikacja z 1953 r. w The Journal of the Indian Medical Association, inne zaś zostały spisane w lokalnych językach, takich jak sanskrit, urdu lub hindi. (Alikhan i Mashelkar, 2004). Tym samym patent został unieważniony na podstawie art. 102 i art. 103 U.S. Patent Act (Baharul, 2011). Nie tylko jednak zmiany przepisów międzynarodowych mogą chronić przed łamaniem postanowień CBD. Rząd Indii podjął pracę nad stworzeniem krajowej Cyfrowej Biblioteki Wiedzy Tradycyjnej (TKDL). Ponadto WIPO prowadzi równoległe prace nad stworzeniem i wprowadzeniem instrumentów, które mają na celu pozwolić ekspertom patentowym do wzięcia pod uwagę zasobów wiedzy tradycyjnej przy badaniu nowości i nieoczywistości. Stąd opracowuje się zasoby światowej TKDL, która w przyszłości miałaby być zintegrowana z Cyfrową Biblioteką Własności Intelektualnej. Pierwsza z baz danych miałaby dostarczać zwięzłe, skategoryzowane i standaryzowane informacje na temat istniejącej wiedzy tradycyjnej. Niewątpliwie pozwoli to na wzięcie pod uwagę istniejącej wiedzy tradycyjnej przy prowadzeniu badań patentowych (Wynberg, 2003). TKDL w ramach WIPO miałaby stanowić system ogólnoświatowy. W ramach projektu, którego celem jest stworzenia TKDL dla indyjskiego systemu medycznego, pracuje interdyscyplinarny zespół składający się z ekspertów ds. medycyny naturalnej, ekspertów patentowych, specjalistów ds. IT, naukowców i kadry technicznej. Biblioteka będzie dostępna w pięciu językach: angielskim, niemieckim, francuskim, japońskim i hiszpańskim. TKDL zawiera już ponad 34 milionów stron i zapewnia informację na temat wiedzy tradycyjnej, by chronić przed błędnym przyznawaniem patentów. ( article_0008.html). Dostęp do tej bazy został zagwarantowany dla wielu urzędów patentowych, w tym EPU i USPTO w 2009 r. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

19 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Dodatkowe wymogi oceny zdolności patentowej, w rzeczywistości przewidziane jedynie w regulacjach niektórych państw, są jednak niewystarczające przy ochronie przed korzystaniem z zasobów genetycznych danego państwa bez uzyskania uprzedniej zgody. Otóż w wielu przypadkach prowadzonych badań R&D uzyskane próbki są wywożone do krajów, z których nie pochodziły. Wówczas rozwiązania, które na nich bazują, spełnią inne przesłanki zdolności patentowej uzyskują patent. Podobnie było np. w przypadku ryżu Basmanti. 2 września 1997 r. opatentowano ów ryż w USA (nr US ). Patent obejmował 20 zastrzeżeń, wśród których znalazł się nie tylko ryż (znacząco podobny do indyjskiego ryżu Basmanti), lecz także znaczna liczba odmian ryżu, a także metod otrzymywania roślin i ziaren. Zastrzeżenia patentowe nr stanowiły ziarna zbliżone cechami do ryżu Basmanti. Zastrzeżenia te stały się główną przeszkodą eksportu ryżu Basmantii z Indii do USA. Ryż Basmantii uprawiany tradycyjnie w prowincji Punjab rośnie u zboczy Himalajów. Z uwagi na swą wyjątkową jakość, specjalny aromat i smak, a także długie ziarna, był sprzedawany na całym świecie. W 1993 r. przyniósł najwyższe zyski. Indie zaś, po Chinach, są (nadal) największym eksporterem ryżu na świecie (FAO). Ryż wykorzystywany jest w Indiach także przy modlitwach i ceremoniach religijnych, a więc ma znaczenie kulturowe. Urząd Indii ds. Badań Rolniczych (IARI) w New Delhi wystosował wniosek o unieważnienie patentu, podnosząc, że ziarna ryżu wchodzą od 1978 r. w skład kolekcji Wydziału ds. Badań nad Ryżem. Ziarna ryżu zaś będące przedmiotem zastrzeżeń zostały przebadane przez Centralny Instytut Badawczy ds. Technologii Żywności. Ze względu na przeprowadzone ponowne badanie patentowe zgłaszający (Rice Tech. Inc.) wycofał rozwiązanie w zakresie zastrzeżeń oraz 4 (Alikhan i Mashelkar, 2004). Nazwa patentu zosta- Legislacja w zakresie ochrony zasobów genetycznych jest obecnie przedmiotem dyskusji na poziomie krajowym. Jak wynika z zaprezentowanych przykładów, ochrona stanowi kombinację możności eksploatacji dóbr oraz podziału korzyści. Kraje, z których pochodzą dane zasoby naturalne są zobligowane do stworzenia regulacji w trzech sferach, a mianowicie do stworzenia przepisów na temat: 1) kolekcji genetycznych, przy zachowaniu dostępności informacji oraz współpracy z lokalną ludnością, 2) transferu technologii oraz podziału korzyści, a także 3) utworzenia organów regulacyjnych odpowiedzialnych za przestrzeganie przewidzianych regulacji. Dodatkowo, aby przepisy były skuteczne wskazuje się na konieczności ustanowienia komplementarnych regulacji w państwach czerpiących z niniejszych zasobów celem właściwej egzekucji praw ( Jeffries, 2004). Kompleksowa regulacja ABS nie jest jednak wymagana przez CBD, ale dopiero przez Protokół z Nagoi, który wejdzie w życie po 90 dniach od złożenia 50. dokumentu ratyfikacyjnego. Polska podpisała Protokół z Nagoi, ale jeszcze go nie ratyfikowała. Protokół z Nagoi w szczególności wymaga, by rdzenna lub lokalna społeczność dysponująca zasobami genetycznymi towarzyszyła w podziale korzyści. Nie postanowiono w nim jednak, aby społeczność ta miała być stroną umów czy decyzji lub innych aktów w tym zakresie. Społeczność lokalna lub rdzenna powinna być jednak zaangażowana w mechanizm przekazywania dostępu do zasobów genetycznych. Otóż w myśl art. 16 w zw. z art. 6 ust. 2 bierze ona udział w wyrażeniu zgody lub zatwierdzenia dostępu do zasobów genetycznych. Na podstawie samego porozumienia nie powiedziano takła zmieniona z Odmiany i ziarna ryżu Basmanti na Odmiany Ryżu Bas867, RT117 i RT1121. Zgłaszający zaprzeczył także, aby ziarna ryżu zostały wyizolowane ze środowiska naturalnego w Indiach czy Pakistanie, twierdząc, że są przedmiotem transformacji linii genetycznej ryżu. Ziarna poddane transformacji genetycznej miały pochodzić ze Światowej Kolekcji Materiału Genetycznego w Aberdeen (Idahoo), eksploatowanej przez Serwis Badań Rolniczych przy Depertamencie ds. Rolnictwa. Zanim trafiły do kolekcji miały być także przedmiotem wcześniejszej 10-letniej tradycyjnej i klasycznej uprawy. Mimo to argumentacja ta budzi uzasadnione wątpliwości i może świadczyć o tym, że ryż był łudząco podobny do tego uprawianego w Indiach i Pakistanie (Baharul, 2011). Na marginesie należy wskazać, że Rice Tec. Inc. przed uzyskaniem patentu starał się wprowadzić na rynki europejskie ryż pod nazwą Texmati, Jasmati, Kasmati. Po uzyskaniu zaś patentu Rice Tec. postanowił wprowadzić na rynek ryż o nazwie Basmanti. Jednak 9 lipca 1998 r. Federacja USA ds. Ryżu wydała komunikat, w którym zaznaczyła, że nazwa basmanti odnosi się do wielu klas i gatunków aromatycznego ryżu. W konsekwencji, nazwa ta nie charakteryzuje produktu lub odmiany pochodzącej z danego kraju lub grupy krajów. Krytycznie w literaturze wypowiedziano się także na temat wniesienia przez Indię wniosku jedynie o rewizję niektórych zastrzeżeń patentowych. Rząd Indii nie podniósł bowiem argumentów dotyczących naruszenia bioróżnorodności oraz wiedzy z nią powiązanej, w tym praw rolników i tym samym nie wnosił o unieważnienie pozostałych zastrzeżeń patentowych ( Baharul, 2011, 42, 45-47), co jednak było poprawne, ponieważ takie argumenty nie mogły być podstawą unieważnienia patentu, jeśli nie podważały nowości, nieoczywistości lub przemysłowej stosowalności. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

20 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ że, czy brak zgody rodzi konsekwencje dla uzyskania praw własności intelektualnej. Unia Europejska jeszcze przed szczytem w Nagoi podkreśliła konieczność określenia zgodności protokołu z zasadą uprzedniej świadomej zgody społeczności rdzennych i lokalnych na skorzystanie z dostępu do ich tradycyjnej wiedzy związanej z zasobami genetycznymi Ponadto wśród pilnych potrzeb działania wyszczególniono te w zakresie zaniepokojenia tym, że cały czas istnieje możliwość nielegalnego dostępu do zasobów genetycznych. W projekcie rezolucji z 2 lipca 2010 r. złożony na 10. posiedzeniu Konferencji Stron Konwencji ONZ w Nagoi oceniono system uprzedniej zgody jako narzędzie, które pozwoli zahamować ów nielegalny dostęp. Wydaje się, że takie poglądy są odosobnione albo pozbawione woli politycznej. Taka możliwość istnieje bowiem, jak zaznaczono wyżej, na podstawie CBD. UE i jej państwa członkowskie korzystają z tej możliwości fakultatywnie w sposób nieco odmienny oraz bardzo ograniczony. Otóż zgodnie z motywem 27 zd. 1 dyrektywy 44/98/WE 2, jeżeli wynalazek oparty jest na materiale biologicznym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub jeśli wykorzystuje taki materiał, zgłoszenie patentowe powinno, tam gdzie to stosowne, zawierać informację o geograficznym pochodzeniu takiego materiału, jeśli jest ono znane. Przepisy te są jednak pozbawione sankcji, gdyż nie mają wpływu na udzielenie prawa ochronnego. Nie określono w nich także wymogu przedstawienia potwierdzenia realizacji procedury uzyskania zgody na dostęp do zasobów. Realizację postanowienia wyrażonego w dyrektywie 44/98/WE na poziomie krajowym wprowadziły zaś jedynie Dania i Belgia. W Danii przewidziano wymóg informacji o geograficznym pochodzeniu materiału, jeśli zgłasza- 2 Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 98/44/WE z dnia 6 lipca 1998 r. w sprawie ochrony prawnej wynalazków biotechnologicznych (Dz. Urz. WE L 213 z 1998 r., s. 13). jący posiada taką wiedzę, a jeśli nie posiada, to powinien to zaznaczyć. Brak informacji na ten temat nie ma jednak wpływu na postępowanie o nadanie patentu. (van Overwalle, 2007). Sprawa Basmanti pokazuje, że wymogi uzyskania uprzedniej zgody i jej wpływu na udzielenie praw własności intelektualnej związane są z jurysdykcją państwa, z którego pochodzi dany materiał genetyczny. Dlatego też nie ma przeszkód, aby uzyskać prawo wyłączne np. na terytorium UE bez uzyskania zgody na dostęp do zasobów genetycznych Brazylii, Indii, Kostaryki czy Peru. Nie ma także konieczności, np. w UE, aby podawać, skąd materiał genetyczny pochodzi, ponieważ przewidziana norma motywu 27 dyrektywy 98/44/WE jest normą lex imperfecta (a więc niepodanie źródła pochodzenia materiału nie jest sankcjonowane) i taki też ma charakter w państwach członkowskich UE, które ów wymóg wprowadziły. Reasumując, wśród państw-stron CBD istnieje konsensus, że powinny zostać osiągnięte następujące cele: dostęp do zasobów genetycznych powinien być wynikiem autoryzacji, tj. wyrażenia uprzedniej zgody przez uprawniony podmiot; równy podział korzyści płynących z wykorzystania zasobów genetycznych i związanej z nimi wiedzy tradycyjnej jest konieczny; wymagane jest przeciwdziałanie błędnemu wydawaniu patentów. Biopiractwo Chociaż cele CBD zostały określone, nadal nie ustalono ostatecznie, jak je realizować (Straus, 2008). Brak porozumienia generuje m.in. zjawisko biopiractwa. Pojęcie to zostało po raz pierwszy użyte na początku lat 90. XX wieku. Obecnie biopiractwo definiuje się m.in. jako: przywłaszczenie wiedzy i zasobów genetycznych pochodzących z upraw oraz od społeczności lokalnych przez osoby lub instytucje poszukujące wyłącznej monopolistycznej kontroli (patentowej lub z tytułu innych praw własności intelektualnej) wśród tej wiedzy i zasobów (Drahos i Braithwaite, 2002; Hamilton, 2003). Dla prawa patentowego jest nieistotne, w jaki sposób doszło do zdobycia danego materiału genetycznego. Dla ekspertów rozpatrujących zgłoszenie patentowe nie jest zaś możliwe dotarcie do odpowiednich informacji o znanej wiedzy tradycyjnej, co odbierałoby zgłoszeniu przymiot nowości lub nieoczywistości. Eksperci mają także problem z rozpoznaniem elementów wiedzy tradycyjnej w zgłoszeniu (Koopman, 2003). Może to wynikać z różnych systemów zapisu i stylu języka, jakimi posługują się ich autorzy. Język zgłoszenia patentowego ma często charakter techniczny, zgłoszenie jest zazwyczaj rozbudowane i stanowi sumę różnych elementów. Jeśli miałaby pojawić się w nim wiedza tradycyjna, to byłaby ona sprecyzowana w najmniej bezpośredni sposób, zupełnie odbiegający od jego naturalnej, potocznej formy. Winę za stałe istnienie biopiractwa ponosi także porozumienie TRIPS. Narzuca ono bowiem ścisły rygor ochrony własności intelektualnej, co z kolei prowadzi do wyeliminowania z konkurencji w dziedzinie innowacyjności krajów rozwijających się, z uwagi na ich techniczny i ekonomiczny status. Wszystkie dotychczas opisane przypadki prezentują problematykę biopiractwa. Znanych jest wiele, wiele innych. Przykładowo przed EPU zarejestrowano siedem patentów, które wykorzystują ekstrakt z rośliny zwanej potocznie Maca (Lepidium meyenii). Jest to roślina występująca na terenach Andów i dlatego jest bardzo odporna na ekstremalne warunki pogodowe. Może być spożywana jako napój lub w wersji sproszkowanej. Od wieków stosuje się ją jako suplement diety o właściwoś- NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

21 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ ciach wzmacniających, w tym skutecznie podnoszącym płodność. Jeden z patentów został przyznany 26 lutego 2004 r. na rzecz Pureworld Botanicals (nr WO 2004/016216, Patent europejski przyznany 8 czerwca 2005 r., nr EP (A2); patent USA nr ) na alkaloidy imidazolu pochodzące z Lepidium Meyenii oraz sposób ich wykorzystania. W literaturze zakwestionowano jednak ważność omawianego patentu. Podniesiono, że wynalazek nie charakteryzuje się ani nowością, ani nieoczywistością. Nowość była kwestionowana z uwagi na występowanie rośliny w przyrodzie przy jednoczesnym wykorzystaniu jej od wieków przez ludność Andów. Nieoczywistość kwestionował zaś prof. Carlos Cuirós z Uniwersytetu Kalifornii. Wskazał on, że produkt będący przedmiotem patentu niewiele różni się od tego występującego w przyrodzie. Usunięto bowiem z ekstraktu występującą naturalnie celulozę, co zdaniem tego autora ma jedynie znaczenie estetyczne (Argumedo i Pimbert, 2006). Innym przykładem jest patent na rzekomą nową odmianę rośliny Banisteriopsis caapi (B. caapi) o nazwie Da Vine, przyznany obywatelowi USA Lorenowi Milerowi 17 czerwca 1986 r. (Nr US5751) 3. Kora drzewa B. caapi jest wykorzystywana od wieków przez ludy żyjące w Amazonii do wytwarzania napoju ayahuasca. Zebrano ją w lasach Amazonii i z uwagi na odmienny kolor kwiatów uznano, że to nowy gatunek. Opatentowana roślina zmieniała kolor wraz z wiekiem, od różowego do białego, zaś naturalnie występująca w przyrodzie od różowego do jasnożółtego. Organ Koordynujący Rdzenne Organizacje Dorzecza Amazonki (The Coordinating Body of Indigenous Organisations of Amazon Bine COICA) wniósł wniosek o unieważnienie patentu, argumentując, że roślina była 3 Zob. stronę: PTO2&Sect2=HITOFF&u=/netaht ml/search -adv.htm&r=2&p= 1&f=G&l=50&d=ptxt&S1=caapi&OS=caapi&RS=caapi. znana i wykorzystywana w medycynie przez rdzennych mieszkańców dorzecza Amazonki. USPTO unieważnił patent 2 listopada 1999 r. Jednak 17 kwietnia 2001 r. poprzednia decyzja USPTO została podważona i tym samym patent pozostaje w mocy (Alikhan i Meshelkar, 2005). W orzecznictwie oraz doktrynie formułuje się kilka poglądów na temat potencjalnych form zapobiegania zjawisku biopiractwa. Wyróżnia się wśród nich m.in.: 1) zachowanie status quo i przyjęcie, że przepisy własności intelektualnej, mimo że nieskuteczne, powinny pozostać w swym dotychczasowym kształcie; 2) sformułowanie skuteczniejszych przepisów o podziale korzyści; 3) uregulowanie kwestii związanych z pojęciem własności, w tym sformułowanie jednoznacznej tezy o zakazie patentowania życia (Koopman, 2003). W świetle powyższych rozważań należy podnieść co następuje. W doktrynie dominuje stanowisko, że przyjęty kształt praw własności intelektualnej nie zaspokaja potrzeb walki z biopiractwem. Wysuwa się także tezę o rozpatrzeniu różnych koncepcji własności, sposobów podziału dóbr, a także podjęciu decyzji, gdzie leży granica między wynalazkiem a odkryciem, a więc produktem występującym naturalnie w przyrodzie (Posey, 1996). Rozważania końcowe Bioróżnorodność to niezgłębione zasoby będące źródłem użytecznych w życiu człowieka rozwiązań. Czerpie z niej biotechnologia, która od kilkudziesięciu lat jest jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi nauki i przemysłu. Zasoby genetyczne są przedmiotem jurysdykcji państwa na terytorium, którego się znajdują. Powszechnie zrezygnowano z koncepcji wolnego i dowolnego dostępu do zasobów genetycznych. Uznano, że po pierwsze ze względu na konieczność ochrony zasobów dostęp do nich powinien być regulowany, a po drugie bogactwa naturalne nieożywione (węgiel, rudy metali, gaz, ropa itp.) i ożywione (zasoby genetyczne) podlegają jurysdykcji państwa, na terenie którego występują. Potencjał bioróżnorodności powinien być wykorzystywany w sposób zrównoważony oraz w granicach prawa. Jednak w świetle przedstawionych rozważań można postawić dwie tezy: 1) zrównoważone wykorzystanie bioróżnorodności może stać w opozycji do innych dóbr prawnych, chronionych w świetle prawa międzynarodowego; 2) różne regulacje prawa międzynarodowego są ze sobą niespójne i dlatego przestrzeganie postanowień jednej z umów międzynarodowych nie pozwala na przestrzeganie postanowień innej umowy. Tak jest w przypadku niezgodności postanowień CBD i porozumienia TRIPS. W opinii niektórych ochrona patentowa jest sprzeczna z przepisami prawa i niesprawiedliwa, jeśli dotyczy ochrony leków i żywych organizmów (Gollin, 2007), sprzyja rozwojowi biopiractwa, gdyż obecnie jest niespójna z systemem wyznaczonym przez CBD. System patentowy wprowadzony na podstawie porozumienia TRIPS jest kolizyjny z postanowieniami ABS. Jak wskazuje J. Koopman, na podstawie CBD i Zaleceń z Bonn 4 dochodzi do błędnego wymieszania praw i obowiązków dotyczących materialnych i niematerialnych przedmiotów intelektualnej innowacji. W konsekwencji, nie ułatwia to uzgodnienia ich przepisów z porozumieniem TRIPS (Koopman, 2003). Regulowany dostęp do zasobów genetycznych opiera się na warunku uzyskania uprzedniej zgody. System 4 Zalecenia z 2002 r. nt. dostępu do zasobów genetycznych i sprawiedliwego oraz równego podziału korzyści z ich użytkowania. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

22 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ uprzedniej zgody został przewidziany w CBD, jednak ma on charakter opcjonalny i został wprowadzony w niewielu krajach (np. Brazylia, Indie, Kostaryka, Peru) tam, gdzie bioróżnorodność jest najbogatsza. Nie obowiązuje jednak na terytorium państw, w których w większości przypadków materiał biologiczny pochodzący z eksplorowanych zasobów genetycznych jest przedmiotem wprowadzonych innowacji, prac R&D i ubiegania się o patent. Na terytorium UE na mocy motywu 27 dyrektywy 44/98/WE wprowadzono jedynie warunek poinformowania, skąd dany materiał genetyczny pochodzi, jeśli wynalazek oparty jest na materiale biologicznym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub jeśli wykorzystuje taki materiał. Jest to jednak norma lex imperfecta i taką pozostaje we wszystkich państwach UE, gdzie taką regulację wprowadzono. Nie ma tym bardziej wpływu na udzielenie patentu. Dlatego też wymóg uprzedniej zgody (w krajach, w których obowiązuje) sam w sobie nie jest sprzeczny z prawem patentowym. Sprzeczność taką zauważa się dopiero na etapie ubiegania się o udzielenie patentu, kiedy brak uprzedniej zgody może zablokować uzyskanie go. W obliczu nieskuteczności postanowień o ochronie zasobów genetycznych, państwa sygnatariusze CBD podpisały protokół z Nagoi, na mocy którego instrument uprzedniej zgody dostępu do zasobów genetycznych będzie obligatoryjny, jeśli protokół wejdzie w życie. Obecnie obowiązujące regulacje należy ocenić częściowo krytycznie. Nie chronią bowiem wystarczająco przed nieuprawnionym dostępem do zasobów genetycznych. Natomiast w państwach, w których ograniczane jest uzyskanie patentu na wynalazek z uwagi na brak uprzedniej zgody na dostęp, narusza się postanowienia porozumienia TRIPS. Powyższy konflikt można próbować rozwiązać przynajmniej na dwa sposoby: 1) nowelizując prawo patentowe, które będzie spójne z CBD, lub 2) zmieniając system CBD w harmonii z przepisami prawa patentowego. Nie wymaga to jednak zupełnej rezygnacji z systemu ochrony sui generis bioróżnorodności, ale takiego jej zrewidowania, które będzie zgodne zwłaszcza z porozumieniem TRIPS. Z pewnością konieczna byłaby rezygnacja z wymogu uprzedniej zgody, ale jedynie w takim zakresie, w jakim ma wpływ na udzielenie ochrony patentowej. Rezygnacja z systemu ABS przynajmniej pod względem jego obligatoryjności byłaby nieunikniona. Fakultatywnie uprawniony z patentu mógłby dzielić się korzyściami, ale zależałoby to tylko od przyjętego przez niego zobowiązania w tym zakresie. Przyjęte porozumienie z Nagoi i propozycja art. 29 bis porozumienia TRIPS wydają się jednak zmierzać w odmiennym kierunku zaostrzenia przepisów o uzyskaniu uprzedniej zgody na dostęp do zasobów genetycznych oraz podziale korzyści płynących z prawa własności intelektualnej wykorzystujących bioróżnorodność. Kierunek ten wydaje się zrozumiały, oczekiwany oraz potrzebny z uwagi na przedmiot ochrony, jakim jest bioróżnorodność. Ponieważ potrzebne jest istnienie zarówno ochrony patentowej, jak i ochrony bioróżnorodności, nie można zupełnie zrezygnować z żadnej z nich. Nie należy jednak zapominać, że ochrona bioróżnorodności jest kluczowa i pierwszoplanowa. Zadaniem systemu patentowego nie jest zaś tylko wynagradzanie twórcy, lecz przede wszystkim motywowanie do tworzenia wynalazków z korzyścią dla społeczeństwa. Literatura: Alikhan Sh, Mashelkar R (2004). Intellectual Property and Competitive Strategies in the 21st Century. Hague London New York. Ammann K (2007). Reconciling Traditional Knowledge with Modern Agriculture: A Guide for Building Bridges. W: Krattiger A, Mohoney RT, ed. Intellectual Property Management in Health and Agricultural Innovation. Oxford Davis. Anriantsiferena R (2007). Traditional knowledge protection in the African region. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law: Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge. London. Anuradha RV, Kothari A (1999). Biodiveristy and Intellectual Property Rights: Can the Two Co-Exist? Journal of Int l Widlife L & Pol y. 2:5-6. Argumedo A, Pimbert M (2006). Protecting Indigenous Knowledge Against Biopiracy in the Andes. Peru. Arihan O,, Gençler Özkan AM (2007). Traditional medicine and intellectual property. Journal of Faculty of Pharmacy of Ankara. 36. Baharul Islam KM (2011). Defending Traditional Knowledge rights. Indians Legal Battles Against Turmeric, Basmanti Rice and Neem Patents in USA and Europe. Saarbrücken. Brush Stephan B (2007) The demise of Common Heritage and protection for traditional agricultural knowledge. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law: Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge. London. Compact Oxford English Dictionary (2006). Dostępny na: oxforddictionaries.com/definition/bioprospecting?q=bioprospec ting. Dostęp Drahos P, Braithwaite J (2002). Information feudalism. New York: The New Press Gámez R (2007). The link between biodiversity and sustainable development: Lkessons from INBio s bioprospecting programme in Costa Rica. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law: Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge. London. Gollin MA (2007). Answering the call: Public Interest Intellectual Property Advisor (PIIPA). W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the Law: Intellectual Property, Biotechnology and Traditional knowledge. London. Hamilton Ch (2006). Biodiversity, Biopiracy and Benefits: What allegation of biopiracy tell us about intellectual property? Developing World Bioethics. 6. Jeffries Michael J (2005). Biodiversity and conservation. London New York. Koopman J (2003). Biotechnology, Patent Law and Piracy: Mirroring the Interests in Resources of Life and Culture. Konferencja Ius Commune Research School workshop on Intellectual Property. Edinburgh University School of Law. Lewis Walter H, Romani V (2007). Ethics and practice in ethnobiology: Analysis of the international cooperative biodiversity group project in Peru. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the law: Intellectual property, biotechnology and traditional knowledge, London Lisowska E (2012). Zasoby genetyczne i ich ochrona. Kwartalnik UP RP. 1: 48. Morżoł I. (2010). Ochrona róz norodnos ci biologicznej i kulturalnej na obszarach dziedzictwa kulturowego UNESCO. Dostępny na: NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

23 Bioróżnorodność a ochrona patentowa Joanna Uchańska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ c3.pdf. Dostęp Mugabe J (2001). Intellectual Property Protection and Traditional Knowledge. An exploration in international policy disclosure. Dostępny na: paneldiscussion/papers/pdf/mugabe.pdf. Dostęp Ohmagari K, Berkes F (1997). Transmission of Indigenous Knowledge and Bush Skills among the Western James Bay Cree Women of Subarctic Canada. Human Ecology. 25. van Overwalle G (2007). Holder and User Perspectives in the Traditional Knowledge Debate: A European View. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the Law: Intellectual Property, Biotechnology and Traditional Knowledge. London. Posey D (1996). Beyond Intellectual Property: Towards Traditional Resource Rights for Indigenous Peoples and Local Communities. Ottawa: ON IDRC. Simelane T. Traditional Knowledge linked Biodiversity. Dostępny na: pdf/tk_linked_to_biodiversity.pdf. Dostęp: Straus J (2008). How to Break the Deadlock Preventing a Fair and Rational Use of Biodiversity. The Journal of World Intellectual Property. 11:230. Szkarłat M (2012). Biotechnologia jako przedmiot regulacji prawno międzynarodowych. W: Twardowski T, ed. Prawne i społeczne aspekty biotechnologii. Warszawa. Torrance A.W (2010). Patent Law, HIPPO, and the Biodiversity Crisis. The John Marschall Review of Intellectual Property Law. 9. Tritton G, Davis R, Edenrorgough M, Graham J, Malynicz S, Roughton A (2008). Intellectual Property in Europe. London. Wilson Edward O (1992). Diveristy of life. Winter PC, Fletcher GI (2004). Krótkie wykłady. Genetyka. Warszawa. World Conservation Strategy Living Resource Conservation for Sustainable Development z 1980 r., ONZ Wynberg R (2003). Sharing the Crumbs with the San. Barcelona: GRAIN. Dostępny na: Dostęp Zent S, Zent Egleé L (2007). On biocultural biodiversity from a Venezuela Perspective: Tracing the Interrelationships among Biodiversity, Culture Change and Legal Reform. W: McManis ChR, ed. Biodiversity and the Law: Intellectual Property, Biotechnology and Traditional Knowledge. London. Zimny T (2012). Problemy moralne związane z inżynierią genetyczną. W: Twardowski T, ed. Aspekty społeczne i prawne biotechnologii, Warszawa. Żakowska-Henzler H (2006). Wynalazek biotechnologiczny; przedmiot patentu. Warszawa. Dostęp: Dostęp: re/821/821537/821537pl.pdf. Dostęp: Dostęp: Dostęp: Dostęp: envi/re/821/821537/821537pl.pdf. Dostęp: Dostęp: Biodiversity and patent protection Joanna Uchańska The biodiversity is an inexhaustible reservoir of resources which ensure useful solutions of human beings. Therefore, it is necessary to protect natural resources. This paper presents selected issues on the sui generis protection of biodiversity established according to the Convention of Biological Diversity of the 5 June, The problem in-question was analyzed through the prism of the ABS tool The Access to genetic resources and equitable Sharing of Benefits (Access and Benefit Sharing). The prior consent to resources was presented with reference to the ABS. Moreover, the analyze has been broaden by the subject matter of the relationship between the ABS and the patent law. This essay presents two main thesis in the area if the sustainable use of the biodiversity, and the possibility of irregularity of the provisions of the Convention on Biological Diversity and the patent law. Nevertheless, the paper discusses the biopiracy and the traditional knowledge. Key words: biodiversity, access and benefit sharing, biopiracy, traditional knowledge, prior consent NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

24 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki Streszczenie: Białka prionowe stanowią jak dotąd bardzo słabo poznaną rodzinę białek. Jednakże ich wyjątkowe cechy sprawiają, iż od momentu ich odkrycia (uwieńczonego nagrodą Nobla) są intensywnie badanym obiektem. W dodatku, zaskakująca natura białek prionowych białek o dwóch twarzach powoduje, że są one niezwykle interesującą ciekawostką biologiczną. Słowa kluczowe: prion, choroby prionowe, PRNP, aktywność antyprionowa, choroba Creutzfeldta-Jakoba, BSE, kurkumina, dendrymery, drożdże otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Wstęp Wielu spośród odbiorców tego artykułu zapewne znana jest nowela napisana w 1886 r. przez Roberta Louisa Stevensona pt. Strange Case of Dr Jekyll and Mr Hyde. Któż mógłby się spodziewać, że natura stworzyła podobne dzieło na poziomie molekularnym. Mowa tu o białkach prionowych białkach, które mogą występować w dwóch jakże odmiennych postaciach: PrP C niegroźnej dla organizmów ssaczych oraz PrP Sc po- Kamil Lisiecki: licencjat chemii, student IV roku Międzyobszarowych Indywidualnych Studiów Matematyczno- -Przyrodniczych, Uniwersytet Warszawski wodującej u ssaków liczne choroby (Prusiner, 1982). W tym drugim przypadku nazywane są one prionami. Pomimo tak fascynującej natury priony nie należą do często omawianych tematów, głównie za sprawą tego, że nasza wiedza na ich temat jest wciąż niewielka. W artykule tym postaram się przybliżyć zagadnienie prionów, przedstawić dotychczasowy stan wiedzy w tym zakresie oraz szczególnie skupić się na próbach farmakoterapii w odniesieniu do chorób prionowych. Rys historyczny Termin prion jest skrótem od angielskiego terminu proteinaceous infectious particle zakaźna cząsteczka białkowa. Został on wprowadzony w 1982 r. przez amerykańskiego biochemika i neurobiologa, laureata Nagrody Nobla Stanley a B. Prusiner a (Prusiner, 1982). Warto zdać sobie sprawę, że w latach 80. XX wieku genetyka była już nauką o silnych fundamentach. Genetycy i biolodzy molekularni wierzyli, że nic nie jest już w stanie ich zaskoczyć i że ich wiedza na temat kwasów nukleinowych, białek oraz dziedziczenia jest praktycznie kompletna. Jakże wielkim zaskoczeniem było dla nich odkrycie prionu białka, które jest w pewnym sensie wyjątkiem od dwóch obowiązujących w biologii molekularnej i genetyce zasad: 1) przekazywanie informacji o patogenności zachodzi przy udziale kwasów nukleinowych, 2) struktura drugorzędowa białek determinowana jest przez strukturę pierwszorzędową. Komentarza wymaga również pochodzenie stosowanych skrótów (PrP C i PrP Sc ). PrP to skrót od angielskiego terminu prion protein, indeksy górne oznaczają natomiast: C Cellular, czyli komórkowy, występujący naturalnie w komórce, oznaczający niepatogenną formę; Sc jest to skrót od Scrapie, nazwy choroby występującej u owiec, a wywołanej przez priony, oznaczający formę patogenną tegoż białka. Charakterystyka białka prionowego Białko prionowe (PrP) istnieje w dwóch postaciach: fizjologicznej PrP C, oraz patogennej PrP Sc (ryc. 1). Podstawową cechą formy patogennej jest jej słaba rozpuszczalność w środowisku wodnym oraz brak podatności na trawienie proteazami enzymami hydrolizującymi białka i peptydy (w przeciwieństwie do PrP C ). Formy te różnią się również strukturą drugorzędową. W formie fizjologicznej dominuje struktura a-helisy, natomiast w formie patologennej struktura b-kartki (ryc. 2). Mechanizm powstawania formy PrP Sc nie jest jeszcze do końca wyjaśniony. Naukowcy zdążyli jednak zaproponować model tłumaczący to zjawisko (ryc. 3) (Jackson i Clarke, 2000): 1. Forma fizjologiczna może w sposób spontaniczny, ale odwracalny zmienić się w monomeryczny prekursor PrP Sc. 2. Prekursory te mogą ze sobą odwracalnie i słabo oddziaływać, dopóki nie powstanie stabilny, infekcyjny zalążek (przedstawiony na ryc. 2 jako struktura w nawiasie kwadratowym). 3. Przekroczenie,,masy krytycznej powoduje, że monomeryczne prekursory PrP Sc mogą być przyłączane nieodwracalnie i umożliwiany jest wzrost cząstek PrP Sc. 4. Cząstki zakaźne mogą się powielać poprzez pęknięcia na mniejsze, stabilne cząstki. W ten sposób powstają złogi amyloidowe (nierozpuszczalne, włókniste agregaty białek), które uważane są za przyczynę chorób prionowych. Należy również zwrócić uwagę, że dostanie się do organizmu formy patogennej (zakażenie), działa jak swego rodzaju domino powoduje indukcję konwersji formy PrP C do formy PrP Sc. Nasuwa się pytanie o funkcje fizjologicznej formy białka prionowego. Funkcje te nie są jak dotąd do NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

25 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ końca poznane. Podejrzewa się, że może ona pełnić rolę dysmutazy nadtlenkowej oraz odgrywać rolę w ochronie komórek przed stresem oksydacyjnym (Rachidi i wsp., 2003). Inne badania wskazują natomiast na ich udział w regulacji rytmu snu i czuwania, stabilizacji komórek nerwowych i ochronie osłonek neuronów (Bal, 2011). Forma fizjologiczna białka prionowego jest glikoproteiną zbudowaną z 253 aminokwasów, dodatkowo stabilizowaną przez jedno wiązanie disiarczkowe. Podczas modyfikacji wewnątrz komórek, nazywanych ogólnie modyfikacjami posttranslacyjnymi, do PrP przyłączane są reszty cukrowe i lipidowe. Białko to zlokalizowane jest na powierzchni komórki za pomocą GPI glikozylofosfatydyloinozytolu, glikolipidu doczepianego do C-końca białek (Stahl i wsp., 1987). PrP C PrP Sc rozpuszczalne w środowisku wodnym TAK NIE podatne na trawienie proteazami TAK NIE dominująca struktura drugorzędowa alfa helisa beta kartka Ryc. 1. Porównanie postaci białka prionowego Ryc. 2. Struktury drugorzędowe białka prionowego; od lewej forma fizjologiczna, od prawej hipotetyczny model formy patogennej Źródło: cmpharm.ucsf.edu/ cohen Gen kodujący białko prionowe Szczególną cechą prionów jest możliwość ich przekazywania horyzontalnie, czyli na skutek zakażenia podczas spożywania mięsa zawierającego patogenne priony, skarmiania bydła mączką mięsno-kostną zawierającą PrP Sc, przeszczepu opon mózgowo-rdzeniowych czy przyjmowaniu hormonu wzrostu od dawców dotkniętych chorobami prionowymi (Allison, 2009). Jednak choroby prionowe mogą być również przenoszone poprzez odziedziczenie zmutowanego genu PRNP. Gen kodujący białko prionowe PRNP znajduje się w krótkim ramieniu 20. chromosomu. Tworzy on tylko jeden ekson, czego odkrycie obaliło nieprawidłową teorię, że różne formy przestrzenne PrP wynikają z alternatywnego składania eksonów. Jak już wcześniej wspomniano białko prionowe w fizjologicznej postaci zakotwiczone jest w błonie komórkowej i przyłączane są do niej reszty cukrowe. Cechy te nasunęły swego czasu badaczom ideę, że białko PrP jest receptorem dla hipotetycznego wirusa powodującego choroby u owiec. Obalanie tej teorii oraz wskazanie, że to białko prionowe jest bezpośrednim czynnikiem patogennym, stało się możliwe dzięki konstruowaniu mutantów z mutacjami w genie PRNP. Okazało się, że niektóre mutacje uniemożliwiają białku przyjęcie niepatogennej konformacji PrP C, a choroba rozwija się u tych osobników dużo szybciej (Prusiner, 1998). 5. Choroby prionowe przykład chorób konformacyjnych Chorobami najczęściej kojarzonymi z prionami są choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD) i BSE gąbczasta encefalopatia bydła (tzw. choroba szalonych krów). Pierwsza z nich została opisana w latach 20. ubiegłego stulecia. Jest to tzw. choroba neurodegeneracyjna, czyli postępujący, nieodwracalny proces zwyrodnienia komórek nerwowych (neuronów), prowadzący do ich obumierania. Proces ten jest wynikiem tworzenia się i agregacji nieprawidłowo zwiniętych form białka, posiadających charakterystyczną konformację β-harmonijki. Choroby neurodegeneracyjne związane z odkładaniem się takich zdegenerowanych białek Ryc. 3 Hipotetyczny model powstawania PrP Sc (na podstawie Jackson i Clarke, 2000) Forma PrP C została oznaczona niebieskim kółkiem, natomiast forma PrP Sc czerwonym prostokątem. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

26 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ noszą nazwę amyloidoz (Allison, 2009). CJD objawia się zanikiem pamięci, trzęsieniem się kończyn i utratą mimiki. W konsekwencji dochodzi do śmierci chorego w ciągu 2 lat od pojawienia się pierwszych objawów (Prusiner, 1982). Niekorzystną cechą tej choroby jest brak odpowiedzi immunologicznej organizmu. Jest to spowodowane tym, że przyczyną choroby jest białko naturalnie występujące w organizmie ludzkim (Prusiner, 1998). Innymi chorobami prionowymi są: śmiertelna bezsenność rodzinna (FFI) choroba genetyczna powodująca śmierć chorego w ciągu 36 miesięcy od wystąpienia objawów (Schenkein, 2006) czy choroba kuru występująca u dopuszczających się kanibalizmu członków plemienia Fore, zamieszkującego Góry Wschodnie Papui Nowej Gwinei (Collinge, 2006). Podobne choroby występują również u innych organizmów, m.in. owiec, kotów lub krów. Krótką charakterystykę chorób prionowych przedstawia ryc. 4. Podczas zakażenia patogenną formą białka prionowego wyróżnia się cztery etapy infekcji (Epstein, 2005): 1. Penetracja przedostanie się białka prionowego do komórek układu pokarmowego, a stamtąd do układu limfatycznego, 2. Translokacja wędrówka PrP Sc po układzie limfatycznym i krwionośnym zakończona dostaniem się do obwodowego, a następnie centralnego układu nerwowego (rzadziej do śledziony), 3. Namnażanie konwersja form fizjologicznych do form patogennych, przyłączanie kolejnych podjednostek białka, 4. Patogeneza różnego rodzaju skutki uboczne wynikające z odkładania się złogów amyloidowych. Choroby prionowe nie są jedynymi chorobami związanymi z błędnym zwijaniem się białek. Wszystkie takie schorzenia nazywa się chorobami konformacyjnymi. Na ryc. 5 przedstawione jest zestawienie najważniejszych chorób konformacyjnych. Choroba Gospodarz Mechanizm patogenezy Kuru Członkowie plemienia Fore Infekcja podczas rytualnego kanibalizmu icjd Ludzie Infekcja poprzez zawierający priony hormon wzrostu, przy przeszczepie opony twardej vcjd Ludzie Infekcja bydlęcymi prionami (prawdopodobnie) FCJD Ludzie Germinalna mutacja w genie PrP GSS Ludzie Germinalna mutacja w genie PrP FFI Ludzie Germinalna mutacja w genie PrP (D178N, M129) scjd Ludzie Mutacja somatyczna lub spontaniczna konwersja PrPC w PrPSc FSI Ludzie Mutacja somatyczna lub spontaniczna konwersja PrP C w PrP Sc Scrapie Owce Infekcja u genetycznie podatnych osobników BSE Bydło Infekcja poprzez zawierającą priony mączkę mięsno-kostną TME Norki Infekcja prionami od owcy lub bydła CWD Mulaki, łosie Nieznany FSE Koty Infekcja poprzez zawierającą priony wołowinę Egzotyczna encefalopatia kopytnych Kudu wielkie, niala, oryx Infekcja poprzez zawierającą priony mączkę mięsno-kostną Skróty: BSE encefalopatia gąbczasta bydła; CJD choroba Creutzfeldta-Jakoba; scjd sporadyczna CJD; fcjd rodzinna CJD; icjd jatrogenna CJD; vcjd wariant CJD; CWD przewlekła choroba wyniszczająca; FFI śmiertelna bezsenność rodzinna; FSE kocia encefalopatia gąbczasta; FSI śmiertelna sporadyczna bezsenność; GSS zespół Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera; TME przenośna encefalopatia norek. Ryc. 4. Zestawienie chorób wywoływanych przez priony Na podstawie: Prusiner i wsp., 1998 Choroba Błędnie zwinięte białko Natura i umiejscowienie uszkodzeń Choroba Alzheimera Peptyd A-beta Hiperufosforylowane białko Tau Choroba Parkinsona alfa-synukleina Cytoplazma neuronów Zewnątrzkomórkowe blaszki starcze Splątki neurofibrylarne Choroba Huntingtona Powtórzenie poliglutaminowe w huntingtynie Jądra i cytoplazma neuronów Cukrzyca typu II Wysepkowy polipeptyd amyloidowy (amylina) Agregaty w trzustce Choroba Creutzfeldta-Jakoba Białko prionowe Ryc. 5. Porównanie chorób konformacyjnych Na podstawie: Allison, 2009 Płytki zewnątrzkomórkowe i oligomery wewnątrz i na zewnątrz neuronów NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

27 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Często w literaturze można spotkać się z informacjami na temat aktywności antyprionowej związków wykorzystywanych w leczeniu innych chorób konformacyjnych. Jest to przesłanka do twierdzenia, że być może wszystkie choroby (lub większość z nich) związane z nieprawidłowym zwijaniem się białek mają wspólne podłoże. Możliwe, że istnieje dodatkowe białko występujące w komórce, które pełni rolę centralnego węzła, inicjatora chorób konformacyjnych. Być może istnieje jeden, wspólny mechanizm błędnego zwijania się białek. Jednak jak do tej pory nie ma jednoznacznych informacji na ten temat. Stany prionowe u drożdży Na podstawie podanych wyżej informacji można sądzić, że priony są białkami stanowiącymi ogromne zagrożenie dla organizmów. I rzeczywiście tak jest, jeśli mamy na myśli organizmy ssacze. Okazuje się jednak, że istnieją organizmy, u których obecność tzw. stanów prinowych może odgrywać pozytywną rolę chodzi tu o drożdże piekarnicze Saccharomyces cerevisiae. Te proste, jednokomórkowe organizmy są najlepiej poznanymi na poziomie genetyki i fizjologii komórki organizmami eukariotycznymi (Wawrzycka, 2011). Dlatego też nazywa się je organizmami modelowymi. S. cerevisiae zawiera wiele białek, które zachowują się jak priony (Derkatch i wsp., 2001). Dodatkowo szlaki biochemiczne kontrolujące powstawanie agregatów prionów lub ich utrzymanie są zachowane od drożdży do człowieka (Bach i wsp., 2006). Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że drożdżowe stany prionowe nie mają wiele wspólnego z prionami ssaczymi. Są to stany metaboliczne wywołane przez zmiany konformacyjne białek, niewykazujących homologii sekwencyjnej do PrP. Natomiast wspólną ich cechą jest możliwość przyjmowania dwóch różnych konformacji bez zmiany sekwencji aminokwasowej i odkładanie się w pewnych warunkach w postaci złogów amyloidowych. Najlepiej poznanym stanem prionowym u drożdży jest ten spowodowany obecnością czynnika [PSI+] (Cox i wsp., 1988). Komórki posiadające ten czynnik dużo częściej pomijają kodony stop na końcu obszaru kodującego genu, przez co powstaje dłuższe niż powinno białko. Istotą czynnika [PSI+] jest białko Sup35. Jest ono czynnikiem terminacji translacji, składnikiem złożonego kompleksu uwalniającego rybosom od mrna (ortolog ssaczego erf3) (Stansfield i wsp., 1995). Gdy dojdzie do inaktywacji Sup35, kompleks, którego jest składnikiem, przestaje działać poprawnie, powodując defekt w terminacji translacji. Drożdże wykazujące tę cechę oznacza się symbolem [PSI+], natomiast komórki bez takich zmian [psi-]. Istotę opisanego zjawiska przedstawia ryc. 6. Istotnym momentem w badaniach nad czynnikiem [PSI+] było wykorzystanie mutacji w genie ADE2, który koduje jeden z enzymów niezbędnych do biosyntezy adeniny. Wykorzystywana mutacja wprowadza przedwcześnie kodon stop przez co powstaje krótkie, niefunkcjonalne białko. Taki enzym nie pełni poprawnie swojej funkcji, a więc nie może dojść do dokończenia biosyntezy adeniny. Zamiast tego dochodzi do nagromadzenia się półproduktu o czerwonej barwie (Silhankova, 1972). Przeprowadzono doświadczenie polegające Ryc. 6. Związek Sup35 z czynnikiem [PSI+] Na podstawie: Uptain, Lindquist, 2002 na wprowadzeniu czynnika [PSI+] do komórek drożdżowych posiadających opisaną mutację w genie ADE2. Okazało się, że komórki takie w przeciwieństwie do komórek [psi-] miały normalną, białą barwę (Cox i wsp., 1980). Tłumaczy się to tym, że czynnik [PSI+] umożliwił pominięcie mutacji (przedwczesnego kodonu stop) w genie ADE2. Dzięki temu możliwe było powstanie funkcjonalnego enzymu i dokończenie biosyntezy adeniny. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

28 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Istnieje hipoteza o związku między czynnikiem [PSI+] a ewolucją genomu drożdży (True i wsp., 2004). Okazuje się bowiem, że z pewną częstością budowa przestrzenna białka Sup35 może się spontanicznie zmieniać i przyjmować nieaktywną formę. W zwykłych warunkach środowiska zmiana ta nie przynosi dla komórki korzyści. Jednak nagła zmiana warunków może spowodować, że jedyną możliwością przeżycia będzie posiadanie czynnika [PSI+]. W tych warunkach faworyzowane są oczywiście komórki [PSI+] i zaczynają dominować w populacji, aczkolwiek spontanicznie powstają również komórki [psi-]. Gdy nastąpi powrót do warunków pierwotnych, lepiej przystosowanymi komórkami są te pozbawione czynnika [PSI+] i tym razem to one są faworyzowane i zaczynają dominować. Mechanizm ten umożliwia drożdżom szybkie dostosowanie się do zmieniających się warunków środowiska. W przeciwieństwie do zmian genetycznych przejście ze stanu [psi-] do stanu [PSI+] jest szybkie, a ponadto odwracalne. Strategie leczenia oraz problemy i wyzwania związane z potencjalnymi lekami antyprionowymi Na poziomie molekularnym, terapeutyki potencjalnie aktywne antyprionowo działają zgodnie z jedną z dwóch głównych strategii (Clare i wsp., 2006): 1) stabilizacja agregatów PrP Sc (uniemożliwienie przyłączania kolejnych podjednostek) i hamowanie konwersji form PrP C do PrP Sc, 2) niszczenie i usuwanie formy patogennej. Z poznanych do tej pory związków o aktywności antyprionowej znakomita większość działa zgodnie z pierwszą strategią. Do związków tych należą m.in.: kurkumina, pochodne akrydyny, 2,5-diamino-1,4-benzochinony i naturalne polifenole. Jednak do tej pory nie dysponujemy lekiem na choroby prionowe. Wszystkie związki, które dotąd zbadano pod względem aktywności antyprionowej, są aktywne jedynie in vitro. Brak aktywności in vivo podyktowany jest głównie dwoma przeszkodami: brakiem możliwości pokonania przez cząsteczkę bariery krew-mózg i dotarcia do neuronów (miejsca docelowego); słabą biodostępnością. Pierwsza z tych przeszkód związana jest z występowaniem w organizmach ssaków bariery krew-mózg. Jest to fizyczna i biochemiczna bariera pomiędzy naczyniami krwionośnymi a tkanką nerwową. Ma ona na celu chronić układ nerwowy przed szkodliwymi czynnikami, a także umożliwić selektywny transport substancji z krwi do płynu mózgowo-rdzeniowego. Substancje mogą pokonać tę barierę w jeden z dwóch możliwych sposobów: na drodze dyfuzji (głównie związki drobnocząsteczkowe) i na drodze transportu aktywnego, przy udziale białek błonowych (peptydy i białka takie jak insulina czy oksytocyna). W mojej opinii istnieją dwie zasadnicze drogi, które być może ułatwią ominięcie tej przeszkody: 1) metoda biologiczna podanie leku bezpośrednio do rdzenia kręgowego (co wiąże się z niebezpieczeństwem jego uszkodzenia) lub w obszary, gdzie szczelność bariery krew-mózg jest osłabiona (rejony tylnego płata przysadki mózgowej czy okolice splotu naczyniówkowego) (Krzymowski i Przała, 2005); 2) metoda chemiczna przyłączenie na drodze syntezy organicznej grupy zdolnej do pokonania bariery krew-mózg do związku o pożądanej aktywności. Drugim poważnym problemem jest ograniczona biodostępność niektórych związków. W tym przypadku zasadniczą rolę odgrywa rozpuszczalność danego związku w płynach ustrojowych, których głównym składnikiem jest woda. Najprostszym rozwiązaniem tego problemu jest synteza pochodnej danego związku, która będzie wykazywała pożądaną aktywność, ale której rozpuszczalność w wodzie będzie dostatecznie dobra. W tym przypadku może się jednak okazać, że zwiększona biodostępność danego związku spowoduje skutki uboczne dla organizmu. Testy na aktywność badanego związku Istnieje kilka metod sprawdzenia, czy dany związek jest rzeczywiście aktywny pod względem antyprionowym. Przedstawię dwie, w moim odczuciu, najprostsze metody. Metoda z wykorzystaniem drożdży (Cox i wsp., 1980) w tym przypadku wykorzystuje się opisany wyżej fakt, że stany prionowe u drożdży sprzyjają pomijaniu kodonu stop w obszarze kodującym genu, przez co powstają aktywne, niezmutowane białka. Gdy w genie ADE2, który koduje jeden z enzymów niezbędnych do syntezy adeniny wprowadzi się przedwczesny kodon stop uniemożliwi to powstanie enzymu o odpowiedniej długości. Synteza adeniny nie będzie wtedy możliwa i dojdzie do nagromadzenia półproduktu, który jest czerwony. W przypadku stanów prionowych następuje supresja kodonu stop, gdyż czynnik terminacji translacji Sup35 jest nieaktywny i powstaje prawidłowy enzym, a co za tym idzie nia ma czerwonej barwy. Gdy więc badany przez nas związek jest aktywny (związkiem tym nasącza się bibułę i umieszcza się ją na szalce z hodowlą drożdżową) pojawia się czerwone zabarwienie wyleczonych komórek (ryc. 7). NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

29 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Metoda z wykorzystaniem proteinazy K (Caughey i wsp., 2003) w metodzie tej wykorzystuje się fakt, że forma PrP C jest podatna na trawienie, natomiast forma PrP Sc nie ulega hydrolizie pod wpływem proteinazy K (PK). Komórki zainfekowane prionami (bardzo często są to komórki ScN2a, czyli mysie komórki nerwiaka płodowego) poddaje się działaniu badanego związku w odpowiednim stężeniu, a następnie uzyskuje się lizat komórkowy, który poddawany jest działaniu proteinazy K. Jeśli związek jest aktywny, priony występujące w lizacie zostają strawione przez PK. Jeśli jest przeciwnie PK nie strawi prionów (związek jest nieaktywny). Poszukiwania leków antyprionowych Ryc. 7. Etapy testu na aktywność antyprionową z wykorzystaniem drożdży Na podstawie: Bach i wsp., 2003 NAUKA W części tej opiszę kilka z licznych związków wykazujących in vitro aktywność antyprionową. Prostym i szybkim sposobem weryfikacji dużej ilości związków pod względem zdolności do hamowania tworzenia złogów amyloidowych jest metoda opisana w 2003 r. w Journal of Virology (Kocisko, 2003). Badania te miały na celu wyłonienie klas związków, które mogą być rozpatrywane pod kątem farmakoterapii antyprionowej. Test został wykonany na bibliotece 2000 związków, które były już stosowane jako leki w leczeniu innych chorób (niekoniecznie neurodegeneracyjnych) lub były znanymi związkami naturalnymi. Metoda postępowania była zmodyfikowaną wersją metody z wykorzystaniem proteinazy K, którą opisałem w poprzednim rozdziale. Różnica polegała na umieszczaniu zainfekowanych komórek na płytce zawierającej 96 wgłębień, a następnie dodawaniem do każdego z wgłębień innego związku w odpowiednim stężeniu. Dzięki przeprowadzonym badaniom udało się wybrać 17 najbardziej aktywnych inhibitorów (ryc. 8). Pośród wyłonionych 17 najbardziej aktywnych inhibitorów znalazły się związki należące do pięciu klas: 1) polifenole związki zawierające wiele grup fenolowych odpowiadających za właściwości przeciwutleniające tych związków; 2) leki antymalaryczne związki wykorzystywane w leczeniu malarii tropikalnej choroby pasożytniczej; 3) leki antyhistaminowe związki opóźniające i łagodzące reakcje alergiczne poprzez blokowanie działania receptorów odpowiadających za uwalnianie histaminy; 4) fenotiazyna i jej pochodne związki wykorzystywane w leczeniu zaburzeń psychicznych; 5) inne. Ryc. 8. Schemat postępowania podczas badania biblioteki związków Na podstawie: Kocisko, 2003 KRÓTKO SZKOŁA

30 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Faktem przemawiającym za wiarygodnością uzyskanych wyników jest to, że dwa spośród 17 wyłonionych, najaktywniejszych inhibitorów była znana już wcześniej ze swojej aktywności antyprionowej były to lowastatyna i chinakryna. Kurkumina (ryc. 9) jest głównym składnikiem kurkumy przyprawy azjatyckiej zwanej również szafranem indyjskim. Stosowana jest również jako żółto-pomarańczowy pigment. Strukturę związku ustalili w 1910 r. Stanisław Kostanecki, Janina Miłobędzka i Wiktor Lampe (Miłobędzka i wsp., 1910). Jest ona w kręgu zainteresowań naukowych już od dawna ze względu na szeroką gamę aktywności biologicznych: przeciwutleniających, przeciwzapalnych, przeciwwirusowych, antybakteryjnych i przeciwgrzybiczych, mogących przydać się w leczeniu nowotworów, cukrzycy, reumatoidalnego zapalenia stawów, Alzheimera i innych przewlekłych chorób. Ten niezwykle intensywnie badany związek posiada kilka cech sprawiających, iż stał się on również interesującym obiektem badań pod kątem zastosowania jako lek antyprionowy (Demaimay i wsp., 1998): Jest strukturalnie podobny do czerwieni Kongo (ryc. 10) najbardziej aktywnego, niskocząsteczkowego inhibitora PrP Sc zbadanego do roku 2003: obydwa są związkami płaskimi, zawierającymi dwa pierścienie aromatyczne bądź system pierścieni aromatycznych połączonych łącznikami. Badania wykazały, iż płaska struktura pierścieni i łącznika są ważne dla aktywności inhibicyjnej. Kurkumina jest przeciwutleniaczem istnieją przesłanki mówiące, iż ta właściwość związków może mieć korzystny wpływ na aktywność antyprionową (Kocisko, 2003). Kurkumina jest składnikiem ludzkiej diety. Wiele osób spożywa kurkuminę w dużych ilościach bez oznak jej toksyczności. Ryc. 9. Struktura kurkuminy Ryc. 10. Struktura czerwieni Kongo Badanie właściwości antyprionowych kurkuminy przeprowadzono zgodnie z metodą wykorzystującą proteinazę K. Okazało się, iż stężenie kurkuminy potrzebne do 50% inhibicji wynosi 10 nm (jest to tzw. współczynnik IC 50 ). Naukowcy wykonujący opisane badania określili działanie kurkuminy jako silne, nieodwracalne i selektywne w komórkach ScNB (komórki nerwiaka płodowego zainfekowane prionami) (Caughey, 2003). Wykonano również badania na chomikach (kurkumina mieszana była z pokarmem podawanym gryzoniom) mające na celu wykazanie, czy kurkumina zdolna jest do inhibicji konwersji (zmiany postaci) białek prionowych wewnątrz organizmu żywego (więc również czy zdolna jest do pokonania bariery krew-mózg). Niestety kurkumina nie wypadła pozytywnie w tym teście, w związku z czym nie jest ona zdolna do działania antyprionowego in vivo (Caughey, 2003). Podsumowując tę część wykazano, iż kurkumina hamuje akumulację złogów amyloidowych in vitro. Jest więc jednym z najmniejszych (w sensie masy cząsteczkowej) i najbardziej aktywnych inhibitorów formowania się PrP Sc. Niestety, w postaci występującej naturalnie nie jest ona zdolna do pokonania bariery krew-mózg (na co wpływ ma też jej słaba biodostępność). W moim przekonaniu badania nad kurkuminą powinny podążać w stronę otrzymania pochodnej, która bez utraty aktywności antyprionowej będzie wykazywała dużo większą biodostępność. Dendrymery (gr. dendron drzewo) są związkami, których historia liczy już około 30 lat. Po raz pierwszy zostały zsyntetyzowane przez niemieckiego chemika Fritza Vögtla w 1978 roku (Buhleier i wsp., 1978). Pod względem chemicznym dendrymery są polimerami cechującymi się budową rozgałęzioną, trójwymiarową, o kształcie zbliżonym do kuli. W budowie strukturalnej dendrymerów można wyróżnić wielofunkcyjny rdzeń, od którego promieniście odchodzą gałęzie (ramiona) dendrymerów zwane dendronami. Na końcu dendronów znajdują się wolne grupy funkcyjne, które mogą być zmienione przez różnego rodzaju podstawniki modyfikujące właściwości chemiczne i fizyczne cząsteczki dendrymeru (Sękowski i wsp., 2008). Te fraktalopodobne, regularne struktury są stosunkowo nowymi i wysoce rozgałęzionymi polimerami, mającymi wiele interesujących właściwości. Związki te mogą być wykorzystane m.in. jako: przenośniki leków i genów, czynniki kontrastujące czy wskaźniki różnych jonów metali. Kuliste cząsteczki tych związków odznaczają się również aktywnością farmakologiczną. Obecnie dendrymery są intensywnie badane jako czynniki antyprionowe i zabezpieczające przed formowaniem się blaszek amyloidowych (Sękowski i wsp., 2008). Dendrymery są jedyną, opisaną klasą związków posiadających zdolność do usuwania istniejących pa- NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

31 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ togennych form białka prionowego z zainfekowanych komórek (Supattapone i wsp., 2009). Wśród licznych rodzajów dendrymerów największą aktywność antyprionową wykazują dendrymery poliamidoaminowe (PAMAM) (ryc. 11). Podczas badań z wykorzystaniem proteinazy K) dendrymery PAMAM zdolne były do selektywnego usuwania PrP Sc z komórek ScN2a. Autorzy przypisują badanym związkom następujące cechy, nadające im aktywność antyprionową: duża gęstość powierzchniowa ładunku (zamiana grup aminowych na hydroksylowe powoduje zanik aktywności antyprionowej), rozgałęziona struktura. Mechanizm działania dendrymerów Aby wyjaśnić w jaki sposób dendrymery zdolne są do niszczenia i usuwania form PrP Sc opiszę w pierwszej kolejności hipotetyczny mechanizm powstawania i akumulacji PrP Sc (ryc. 12). Białka prionowe są syntetyzowane na powierzchni siateczki endoplazmatycznej. Tam też (oraz wewnątrz struktur aparatu Golgiego) odbywają się główne modyfikacje posttranslacyjne glikozylacja i modyfikacja grup glikozylowych (Otvos i wsp., 2002). Następnym etapem jest transport do powierzchni błony komórkowej i konwersja PrP C do PrP Sc. Konwersja ta może wymagać interakcji z endogennymi lipidami i polianionami, występującymi prawdopodobnie na powierzchni błony komórkowej. Nieprawidłowo sfałdowania białko zostaje rozpoznane przez białko 1 pokrewne receptorowi lipoprotein (LPR1) wraz z tym białkiem otoczone częścią błony komórkowej powstaje struktura zwana endosomem. Endosom zostaje następnie podzielony na dwie części: jedna zawierająca LPR1 zostaje z powrotem połączona z błoną komórkową, natomiast druga za- Ryc. 11. Struktura PAMAM (po lewej) z powiększonym dendronem (po prawej) Źródło: Ryc. 12. Hipotetyczny mechanizm biosyntezy białek prionowych Na podstawie: Supattapone i wsp., 2009 NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

32 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Ryc. 13. Mechanizm działania dendrymerów Na podstawie: Supattapone i wsp., 2009 nej osobowości, tak białka prionowe mogą stanowić molekularny przykład dwoistości natury. Dodatkowo pytanie, czy Jekyll pokonał Hyde w powieści Stevensona, w przypadku białek prionowych może brzmieć: czy jesteśmy w stanie pokonać patogenną postać białka prionowego? Jak na razie trudno jest odpowiedzieć na to pytanie ponieważ biologia i biochemia białek prionowych, jak również aspekty fizykochemiczne związków o aktywności antyprionowej nie są w pełni wyjaśnione. Problemy te są zatem często poruszane w pracach naukowych z pogranicza wyżej wymienionych dziedzin nauki i jedynie interdyscyplinarne podejście do tego zagadnienia może zaowocować wymiernymi osiągnięciami. Z pewnością wyjaśnienie zagadki jaką postawiła przed nami natura białka prionowe przyczyni się znacząco do rozwoju światowej nauki oraz myśli biochemicznej. NAUKA wierająca błędnie zwinięte białko zostaje połączona z lizosomem organellum komórkowym zawierającym kwaśne enzymy hydrolityczne rozkładające białka, kwasy nukleinowe, węglowodany i tłuszcze (Mizerski, 2004). Ponieważ jednak PrP Sc nie podlegają trawieniu przez proteazy dochodzi do ich akumulacji wewnątrz lizosomu i tworzenia złogów amyloidalnych. Proponowany mechanizm działania dendrymerów zakłada ich działanie wewnątrz lizosomów (ryc. 13). Dendrymery stają się częścią endosomu (wraz z PrP Sc i LPR1), a następnie lizosomu. Kwaśne środowisko wnętrza lizosomu powoduje aktywację grup aminowych (powstają kationy) dendrymerów, które denaturują i rozbijają złogi amyloidowe. Nie wykluczone, iż również enzymy występujące wewnątrz lizosomów pełnią funkcję aktywatorów tego procesu. Reasumując, dendrymery jako jedyne, dotąd opisane związki zdolne są do usuwania z komórek patogennych form białka prionowego. Ich działanie umożliwia ich akumulacja wewnątrz lizosomów (gdzie akumulują się również PrP Sc ) oraz kwasowe środowisko tych organelli komórkowych. Wyzwania jakie stoją przed naukowcami badającymi dendrymery pod względem aktywności antyprionowej to: sposób dostarczania leków do organizmu, zwiększenie ich biodostępności, uniknięcie potencjalnych, neurologicznych skutków ubocznych wynikających ze stosowania dendrymerów jako leku. Podsumowanie Podobnie jak tytułowa nowela Strange Case of Dr Jekyll and Mr Hyde kojarzona jest z portretem podwój- Literatura Pruisner SB (1982). Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie. Science. 216(4542): Jackson GS, Clarke AR. (2000). Mammalian prion proteins. Curr Opin Struct Biol. 10: Rachidi W, Vilette D, Guiraud P, Arlotto M, Riondel J, Laude H, Lehmann S, Favier A (2003). Expression of prion protein increases cellular copper binding and antioxidant enzyme activities but not copper delivery. J Biol Chem. 278: Bal J (2011). Biologia molekularna w medycynie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN Vanik DL, Surewicz WK (2002). Disease-associated F198S mutation increases the propensity of the recombinant prion protein for conformational conversion to scrapie-like form. J. Biol. Chem. 277: Allison LA (2009). Podstawy biologii molekularnej. Warszawa: WUW Prusiner SB (1998). Prions. Proc Natl Acad Sci USA. 95: Schenkein J (2006). Self Management of Fatal Familial Insomnia. Part 1: What Is FFI? Medscape General Medicine. 8(3):65 Collinge J, Whitfield J, McKintosh E, Beck J, Mead S, Thomas DJ, Alpers MP (2006). Kuru in the 21st century an acquired human KRÓTKO SZKOŁA

33 Molekularny Dr Jekyll i Mr Hyde Kamil Lisiecki EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ prion disease with very long incubation periods. Lancet (367): Epstein RJ (2005). Biologia molekularna człowieka. Lublin: Wyd. CZELEJ Wawrzycka D (2011). Drożdże jako model w badaniach chorób neurodegeneracyjnych. Postępy Hig Med Dosw (online). 65: Derkatch IL, Bradley ME, Hong JY, Liebman SW (2001). Prions affect the appearance of other prions: the story of [PIN(+)]. Cell. 106(2): Bach S, Tribouillard D, Talarek N, Desban N, Gug F, Galons H, Blondel M (2006). A yeast-based assay to isolate drugs active against mammalian prions. Methods. 39: Cox BS, Tuite MF, McLaughin CS (1988). The psi factor of yeast: a problem in inheritance. Yeast 4: Stansfield I, Jones KM, Kushnirov VV, Dagkesamanskaya AR, Poznyakovski AI, Paushkin SV, Nierras CR, Cox BS, Ter-Avanesyan MD, Tuite MF (1995). The products of SUP45 (crf1) and SUP35 genes interact to mediate translation termination in Saccharomyces cerevisiae. EMBO J. 14(17): Uptain SM, Lindquist SL (2002). Prions as protein-based genetic elements. Annu Rev Microbiol. 56: Silhankova L (1972). Joined suppression of rough phenotype and of red colour of ade2-1 mutants in Saccharomyces cerevisiae. Folia Microbiol. 17(6): True HL, Berlin I, Lindquist SL (2004). Epigenetic regulation of translation reveals hidden genetic variation to produce complex traits. Nature 431(7005): Clare R, Trevitt and John Collinge (2006). A systematic review of prion therapeutics in experimental models. Brain. 129: Krzymowski T, Przała J (2005). Fizjologia zwierząt: podręcznik dla studentów wydziałów medycyny weterynaryjnej, wydziałów biologii i hodowli zwierząt akademii rolniczych i uniwersytetów. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne Cox BS, Tuite MF, Mundy CJ (1980). Reversion from suppression to nonsuppression in SUQ5 [psi+] strains of yeast: the classificaion of mutations. Genetics. 95(3): Bach S, Talarek N, Andrieu T, Vierfond JM, Mettey Y, Galons H, Dormont D, Meijer L, Cullin C, Blonde M (2003). Isolation of drugs active against mammalian prions using a yeast-based screening assay. Nature Biotechnology. 21: Caughey B, Raymond LD, Raymond GJ, Maxson L, Silveira J, Baron GS (2003). Inhibition of Protease-Resistant Prion Protein Accumulation In Vitro by Curcumin. J Virol 77: Kocisko D, Baron GS, Rubenstein R, Chen J, Kuizon S, Caughey B (2003). New Inhibitors of Scrapie-Associated Prion Ptotein Formation in a Library of 2,000 Drugs and Natural Products. J Virol. 77: Miłobędzka J, Kostanecki S, Lampe V (1910). Zur Kenntnis des Curcumins. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 43(2): Demaimay R, Harper J, Gordon H, Weaver D, Chesebro B, Caughey B (1998). Structural aspects of Congo red as an inhibitor of protease resistant prion protein formation. J Neurochem. 71: Buhleier E, Wehner W, Vögtl F (1978). Cascade and Nonskid- -Chainlike syntheses of molecular cavity and topologies. Synthesis. 2: Sękowski S, Miłowska K, Gabryelak T (2008). Dendrimers in biomedical sciences and nanotechnology. Postepy Hig Med Dosw. 62: Supattapone S, Piro JR, Rees JR (2009). Complex Polyamines: Unique Prion Disaggregating Compounds. NIH. 8: Otvos L Jr, Cudic M, (2002). Post-translational modifications in prion proteins. Curr Protein Pept Sci. 3(6): Mizerski W (2004). Tablice biologiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan Molecular Dr. Jekyll and Mr. Hyde Kamil Lisiecki Prion proteins are as yet very poorly known family of proteins. However, their unique characteristics make them, since their discovery (which was rewarded with the Nobel Prize) intensively investigated object. In addition, a surprising nature of prion proteins proteins with two faces makes them an extremely interesting biological curiosity. Key words: prion, prion diseases, PRNP, antiprion activity, Creutzfeldt-Jacob disease, BSE, curcumin, dendrimers, yeast NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

34 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak Streszczenie: Siarka jest jednym z pierwiastków niezbędnych do funkcjonowania wszystkich organizmów. W pracy opisano właściwości fizyczne i chemiczne tego pierwiastka, a także związki pochodzenia biogennego, w skład których on wchodzi. Następnie scharakteryzowano związki nieorganiczne (siarczki, siarczany, tiosiarczany) i organiczne (cysteina, metionina), które mogą być źródłem siarki do celów budulcowych i sposób ich asymilacji przez bakterie. Przedstawiono też biosyntezę L-metioniny i L-cysteiny, enzymów zawierających centra żelazo-siarkowe, biotyny, tiaminy, kwasu liponowego, koenzymu A, molibdopteryny i S-adenozylometioniny. Na koniec omówiono pokrótce udział bakterii w obiegu siarki. Słowa kluczowe: asymilacja, bakteria, biosynteza, cysteina, enzym, operon, siarczan, siarka, tiosiarczan otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: Agnieszka Osówniak: Uniwersytet Warszawski, Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych Wstęp Siarka (ryc. 1) jest pierwiastkiem grupy 6. układu okresowego o typowych właściwościach niemetalicznych, zajmującym 16. miejsce wśród pierwiastków najbardziej rozpowszechnionych na Ziemi. Występuje w skorupie ziemskiej w ilości 0,035%, zarówno w formach nierozpuszczalnych jako blenda cynkowa (ZnS), piryt (FeS 2 ) czy galena ołowiana (PbS), jak i w formach rozpuszczalnych Na 2 SO 4, MgSO 4. W przyrodzie siarkę możemy spotkać w formie jednego z czterech stabilnych izotopów: 32 S, 33 S, 34 S i 36 S (Canfield, 2001). Przed omówieniem właściwości chemicznych i fizycznych tego pierwiastka należy zwrócić uwagę na jego alotropię czyli zdolność do występowania w różnych formach molekularnych o tym samym stanie skupienia. Alotropię wykazuje niewiele pierwiastków, np. fosfor, selen, tellur czy węgiel, a także, jak już wspomniano, siarka. Cechą wspólną tych pierwiastków, pozwalającą na powstawanie ich odmian alotropowych, jest zdolność do katenacji, czyli tworzenia łańcuchów lub pierścieni zbudowanych z bezpośrednio połączonych atomów. Najtrwalszą i najbardziej znaną odmianą alotropową siarki jest cyklo-oktasiarka (S 8 ), występująca makroskopowo jako kryształ molekularny, mikroskopowo zaś w postaci ośmiu atomów związanych w pierścień. W obrębie utworzonej cząsteczki występują wiązania kowalencyjne, natomiast kryształ utrzymywany jest dzięki słabszym wiązaniom van der Waalsa pomiędzy cząsteczkami S 8. W zależności od sposobu upakowania tych cząsteczek w krysztale, wyróżniamy siarkę rombową (inaczej siarkę α) i jednoskośną (siarkę β). W temperaturze pokojowej trwała jest siarka α, występująca w postaci jasnożółtych kryształów, która po podgrzaniu do 368,8 K ulega przemianie w siarkę β występującą w formie żółtych igieł. Warto zauważyć, że te odmiany przybierają nie tylko inną postać krystaliczną, lecz Ryc. 1. Kryształy siarki (zdjęcie: Mills, 2007) także różnią się właściwościami fizycznymi. Obie formy stanu stałego po podgrzaniu zamieniają się w siarkę ciekłą, bardzo ruchliwą, jasnożółtą ciecz, składającą się z cząsteczek S 8, natomiast w zależności od wyjściowej odmiany alotropowej, topnienie przebiega w innej temperaturze. Siarka rombowa topi się już w temperaturze 380 K, podczas gdy temperatura topnienia siarki jednoskośnej jest aż o 12 K wyższa. Różnicę w tych właściwościach tłumaczy się m.in. powstającą równowagą chemiczną pomiędzy liczbami cząsteczek cyklo-oktasiarki, a katena-oktasiarki, czyli siarki łańcuchowej. W warunkach równowagi przyjmuje się, że około 4% cyklo-oktasiarki jest rozrywane z wytworzeniem długich łańcuchów siarkowych, co stabilizuje jednocześnie jej temperaturę krzepnięcia na poziomie 386 K, a stan ten jest nazywany naturalnym punktem krzepnięcia siarki (Bielański, 2010a). Przy dalszym ogrzewaniu dochodzi do coraz częstszego rozrywania pierścieni siarkowych i przeważa forma łańcuchowa cząsteczek S 8. Jednak, jak już wspomniano wcześniej, siarka ma zdolność do katenacji, co NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

35 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ prowadzi do nadmiernego łączenia się nowopowstałych ośmioatomowych łańcuchów siarkowych ze sobą z wytworzeniem długich łańcuchów polimerycznych, zawierających aż do 10 5 atomów siarki (Bielański, 2010a). Siarkowa ciecz stopniowo w trakcie tego procesu zmienia barwę z jasnożółtej aż do brunatno-czerwonej, zwiększa się także około 2000-krotnie jej lepkość, osiągając wartość maksymalną w temperaturze 460,15 K (Bereda, 2011). Tę odmianę siarki nazywamy siarką μ. W procesie dalszego ogrzewania, po przekroczeniu temperatury 470 K, poliłańcuchy siarki zaczynają się rozpadać, a jej lepkość maleje. W stanie gazowym siarka występuje w trzech trwałych odmianach alotropowych. Pierwszą z nich, powstającą w czasie zmiany stanu skupienia, są żółte pary siarki gazowej złożonej z łańcuchowych cząsteczek S 8. Druga powstaje dopiero w temperaturze 1200 K i zawiera paramagnetyczne cząsteczki siarki dwuatomowej. Warto zauważyć, jak bardzo stabilne są połączenia poszczególnych atomów do rozerwania ośmioelementowych łańcuchów potrzebna jest temperatura rzędu 1200 K, a nie jest to rozerwanie całkowite, raczej fragmentacja. Dopiero w temperaturze 2500 K cząsteczki S 2 ulegają rozpadowi na atomy (Bielański, 2010a). Szereg kolejnych, nietrwałych odmian alotropowych siarki tworzonych jest podczas oziębiania jej roztworów. Są to np. pierścienie i łańcuchy sześcio-, siedmio-, dziesięcio-, dwunasto-, osiemnasto- czy dwudziestoczłonowe. Oprócz tego istnieje także wiele odmian metastabilnych siarki. Siarka jest pierwiastkiem mało reaktywnym w temperaturze pokojowej. Po podgrzaniu chętnie łączy się z tlenem tworząc ditlenek siarki SO 2, a dalszej fazie utleniania także tritlenek siarki SO 3, które w kontakcie z wodą tworzą kwasy tlenowe. Chętnie, a czasem wręcz gwałtownie, reaguje z metalami ziem alkalicznych, tworzy także połączenia z metalami szlachetnymi często powstają nierozpuszczalne siarczki. Łatwo łączy się z fluorem w różnych stosunkach stechiometrycznych, m.in. 1:6 (SF 6 ), a takie połączenie jest możliwe dzięki zaangażowaniu orbitali d i hybrydyzacji sp 3 d 2 atomu siarki (Bielański, 2010b). Z wodorem siarka reaguje dopiero w podwyższonej temperaturze. Z azotem tworzy m.in. poliazyle związki o stechiometrii (SN) x, gdzie xϵn, polimery o budowie łańcuchowej, składające się z dwóch atomów niemetali, które, dzięki delokalizacji elektronów pomiędzy atomami siarki i azotu w temperaturze bliskiej 4 K, przewodzą prąd elektryczny, a więc zachowują się jak metale. Co ciekawe, po schłodzeniu ich do temperatury 0,26 0,33 K nabierają właściwości nadprzewodzących (Bielański, 2010d). Znaczenie i występowanie siarki i jej związków nieorganicznych Związki powstałe z połączenia siarki z tlenem czy wodorem są substancjami gazowymi, często występującymi w powietrzu. Tlenki siarki: SO 2 i SO 3 przedostają się do atmosfery podczas spalania, np. węgla kamiennego czy ropy naftowej, a także wskutek wybuchów wulkanów, powodując jej zanieczyszczenie. Produkty ich reakcji z wodą czy parą wodną, czyli kwasy siarkowe (IV) i (VI), powodują znaczne obniżenie ph wody, a w konsekwencji są główną przyczyną negatywnych skutków kwaśnych deszczy. Tlenki siarki wchodzą również w skład smogu. Siarkowodór jest gazem silnie trującym o bardzo charakterystycznym zapachu, przedostającym się do atmosfery wskutek wybuchów wulkanów. Do jego produkcji przyczynia się także przemysł chemiczny (Bielański, 2010c) i mikroorganizmy (np. bakterie redukujące siarczany). W określonych stężeniach jest śmiertelnie niebezpieczny dla organizmów, bowiem inaktywując oksydazę cytochromową, hamuje działanie łańcucha oddechowego (Cooper i wsp., 2008). Toksyczne stężenie wynosi ok ppm. Przeprowadzone niedawno badania na myszach wykazały, że w mniejszych stężeniach siarkowodór powoduje spowolnienie metabolizmu, ale nie wywołuje trwałych uszkodzeń (Bełtowski, 2004). Tritlenku siarki, SO 3, nie da się bezpośrednio otrzymać w procesie spalania siarki w tlenie, jak to ma miejsce w przypadku SO 2, powstaje on wskutek utlenienia tlenku siarki (IV). W kontakcie z wodą tworzy kwas siarkowy (VI) substancję żrącą. Kwas siarkowy (IV), zwany kwasem siarkawym, powstaje wskutek reakcji tlenku siarki (IV) z wodą tylko w niewielkim stopniu. Ze względu na to, że SO 2 pozostaje częściowo niezwiązany z wodą (jest przez nią solwatowany), po reakcji nie otrzymujemy wyłącznie kwasu siarkawego i produktów jego dysocjacji, ale także SO 2 i S 2 O 5 2- (Bielański, 2010c). Oprócz wyżej wymienionych związków, siarka tworzy jeszcze wiele innych, np. tlenki S 2 O, SO, SO 4 czy kwasy H 2 S 2 O 7, H 2 S 2 O 6, H 2 SO 5, H 4 S 2 O 8. Są to substancje rzadko spotykane, głównie syntetyczne, dlatego nie będą one dalej omawiane. Siarka występuje w środowisku nie tylko w powietrzu w formie gazów (SO 2, SO 3 ) i w środowiskach wodnych w stanie ciekłym (H 2 SO 3, H 2 SO 4 ; jako ich jony), ale także w glebie i skałach. Można ją spotkać zarówno w postaci rodzimej (pierwiastkowej) jest wydobywana także w Polsce w okolicach Tarnobrzega, jak i w postaci minerałów, zarówno siarczków, jak i siarczanów (Pajdowski, 1976). Powszechnie znane są i wydobywane blenda cynkowa (ZnS), piryt (FeS 2 ), chalkopiryt (Cu- FeS 2 ), markasyt (FeS 2 ) i galena ołowiana (PbS) oraz gips (CaSO 4 2H 2 O), anhydryt (CaSO 4 ), baryt (BaSO 4 ) i celestyn (SrSO 4 ) (Chmielewski i wsp., 2003). Siarka rodzima jest także ważną domieszką kopalnianego węgla kamiennego i brunatnego, gazu ziemnego i ropy naftowej (Bereda, 2011), dlatego nietrudno ją znaleźć w pobliżu kopalni. Siarka pierwiastkowa, siarczany i siarczki są NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

36 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ także obecne w osadach wód słonych, szczególnie oceanów, a S 0 i S 2- są kumulowane, a następnie uwalniane w wodach gejzerów (Madsen, 2008). Znaczenie i występowanie związków organicznych siarki + 2e - Siarka jest jednym z pierwiastków biogennych wchodzących w skład organizmów. Mimo, że stanowi ona jedynie ok. 1% masy komórki, jest ona bardzo ważna dla jej prawidłowego rozwoju i funkcjonowania (Eichhorn, 2000). Atomy tego pierwiastka występują: (i) w dwóch aminokwasach L-metioninie i L-cysteinie (a także w białkach zawierających te aminokwasy), (ii) kofaktorach enzymów, takich jak biotyna, tiamina, kwas liponowy, koenzym A czy molibdopteryna (iii) w S-adenozylometioninie, (iv) w tionukleozydach wchodzących w skład zmodyfikowanego trna, (v) białkach zawierających centra Fe-S oraz (vi) w alifatycznych sulfonianach, np. taurynie. Ponadto bakterie potrafią syntetyzować takie związki siarki jak ergotioneina czy owotiol A, a także disiarczek glutationu. Aminokwasy Ryc. 2. Struktury aminokwasów siarkowych: a. cysteina, b. metionina Ryc. 3. Reakcja tworzenia cystyny Ryc. 4. Przykłady mostków disulfidowych Aminokwasy są związkami organicznymi, zawierającymi grupę aminową i grupę karboksylową. Wzajemne ułożenie tych grup względem siebie określa typ aminokwasu: jeśli zarówno grupa NH 2, jak i COOH są połączone z tym samym atomem węgla, mamy do czynienia z α-aminokwasem. Dzięki obecności obu tych grup funkcyjnych, aminokwasy klasyfikowane są jako związki amfoteryczne czyli zdolne zarówno do reakcji z kwasami (poprzez grupę aminową), jak i z zasadami (poprzez grupę karboksylową). W roztworze wodnym aminokwasy istnieją głównie w postaci zjonizowanej jonów obojnaczych. Białka budowane są wyłącznie przez 20 aminokwasów należących do szeregu L (McMurry, 2005). Znane są dwa aminokwasy białkowe zawierające siarkę cysteina i metionina. W cysteinie występuje ona w grupie tiolowej, natomiast w metioninie w grupie sulfidowej (ryc. 2). Metionina jest pierwszym aminokwasem, od którego zazwyczaj rozpoczyna się synteza nowego białka. Jest kodowana tylko przez jeden kodon AUG, zwany kodonem start, od którego zaczyna się elongacja łańcucha polipeptydowego, co czyni ją bardzo ważnym elementem w syntezie białek. Ponadto może być donorem grupy metylowej w reakcjach biosyntezy tłuszczy lub innych ważnych biologicznie związków (Or-Rashid i wsp., 2001). Dwie cysteiny, poprzez utlenienie wchodzących w skład ich struktury grup tiolowych, tworzą dimer zwany cystyną (ryc. 3). Taki mostek disulfidowy, nazywany popularnie disiarczkowym, może się tworzyć nie tylko z udziałem pary cystein, które znajdują się bezpośrednio obok siebie w łańcuchu polipeptydowym, ale także z udziałem dwóch cząsteczek występujących w różnych łańcuchach (ryc. 4). Tak więc, cysteina, oprócz swojej roli budulcowej, ma także inne bardzo ważne zadanie w stabilizacji trzecio- i czwartorzędowej struktury białek (Berg i wsp., 2007). Siarkę zawiera także homocysteina α,l-aminokwas niebiałkowy, strukturalnie przypominający cysteinę, od której różni się obecnością dodatkowej grupy metylenowej w łańcuchu węglowym. Związek ten może zostać wykorzystany przez bakterie do syntezy metioniny (Or- -Rashid i wsp., 2001). Kofaktory enzymów Wskutek dekarboksylacji cysteiny powstaje cysteamina, która w dalszych przemianach prowadzi do powstania koenzymu A (ryc. 5a). Związek ten z kolei odgrywa bardzo ważną rolę biologiczną jest pośrednikiem w przenoszeniu grup acylowych. Po połączeniu koenzymu A z grupą acylową powstaje acylo-koenzym A, który umożliwia transport grup acylowych w organizmie. Co jest bardzo istotne, połączenie to powstaje wskutek acylowania grupy tiolowej koenzymu A, a więc NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

37 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Ryc. 5. Struktury koenzymów: a. koenzymu A, b. kwasu liponowego Ryc. 6. Struktura molibdopteryny grupy zawierającej siarkę. Acetylo-koenzym A, czyli związek powstały w wyniku acylowania koenzymu A kwasem bądź bezwodnikiem octowym, pełni bardzo ważną rolę w metabolizmie przenosi grupę acetylową na szczawiooctan, rozpoczynając tym samym cykl kwasu cytrynowego. Bierze także udział w aktywacji kwasów tłuszczowych i ich rozkładzie. Cząsteczki acylo-koenzymu A są substratami w reakcjach β-oksydacji kwasów tłuszczowych (Murray i wsp., 2006a). Innym ważnym organicznym związkiem zawierającym siarkę jest kwas liponowy (ryc. 5b) pełniący, po aminacji i utlenieniu, rolę kofaktora dla dehydrogenazy pirogronianowej w reakcji dekarboksylacji oksydacyjnej pirogronianu. Znane są także dwie witaminy zawierające siarkę: biotyna i tiamina. Biotyna, znana także witaminą H lub B 7, jest koenzymem niektórych enzymów katalizujących reakcje karboksylacji dołączenia cząsteczki CO 2. Tiamina, czyli witamina B 1, pełni ważną rolę w przemianie węglowodanów. Jest koenzymem kilku dekarboksylaz, a difosforan tiaminy transketolazy w szlaku pentozofosforanowym (Murray i wsp., 2006b). Molidbopteryna jest niebiałkowym składnikiem miejsc aktywnych niektórych enzymów, takich jak na przykład reduktaza azotanowa czy dehydrogenaza ksantyninowa, niezbędnym do prawidłowego ich działania. W jej cząsteczce obecne są dwa atomy siarki, oba połączone są z atomem molibdenu (ryc. 6) (Hille, 2002). Białka żelazowo-siarkowe (białka z żelazem niehemowym) Białka żelazowo-siarkowe występują praktycznie we wszystkich organizmach, zawierają one charakterystyczną grupę prostetyczną: centrum żelazowo-siarkowe. Najprostsze takie centrum znajduje się w rubredoksynie i ma strukturę tetraedru: żelazo połączone jest wiązaniami koordynacyjnymi z czterema ligandami resztami cysteiny (ryc. 7a). Najczęściej w białkach Ryc. 7. Struktury najbardziej rozpowszechnionych centrów żelazowo-siarkowych występujących w białkach: a. tetraedr (rubredoksyna), b. struktura płaska rombowa typu [2Fe-2S], c. struktura przestrzenna typu [3Fe-4S], d. struktura sześcienna typu [4Fe-4S] (Kiley i wsp., 2003) spotykana jest jednak płaska struktura rombowa Fe 2 S 2. W skład tej struktury wchodzą dwa atomy centralne atomy żelaza na II stopniu utlenienia połączone dwoma mostkami siarkowymi, każdy atom centralny połączony jest także z dwiema resztami cysteiny (ryc. 7b). Pozostałe, przedstawione w ryc. 7 oraz inne, bardziej skomplikowane, struktury powstają wskutek połączenia płaskich komórek rombowych (Kiley i wsp., 2003). Centra żelazowo-siarkowe są częścią wielu ważnych enzymów, głównie z grupy oksyreduktaz. Obecne w nich żelazo (II) może zostać utlenione do żelaza (III), a w reakcji odwrotnej, Fe (III) zredukowane do Fe (II). Reakcje te umożliwiają transport elektronów. Centra Fe-S, spotykane są także w miejscach aktywnych niektórych enzymów, gdzie pełnią kluczową rolę w wiązaniu substratu poprzez polaryzację jego grup funkcyjnych. Zaobserwowano, że centra żelazowo-siarkowe są donorami elektronu, który może zainicjować przebieg reakcji wolnorodnikowych w organizmach (Beinert, NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

38 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ ). Ponadto trzy transkrypcyjne aktywatory E. coli: SoxR, IscR oraz FNR zawierają w swojej strukturze centra żelazowo-siarkowe, które pełnią kluczową rolę w ich funkcji regulatorowej polegającej na uruchomieniu transkrypcji wybranych genów. SoxR w warunkach normalnych jest nieaktywny, natomiast w obecności np. O 2 - lub NO aktywuje ekspresję białek ochrony przed stresem oksydacyjnym, naprawy DNA i innych. FNR jest globalnym regulatorem u E. coli, a IscR jest regulatorem operonu kodującego geny biorące udział w składaniu centrów Fe-S (Kiley i wsp., 2003). Centra żelazowo-siarkowe występują także w zlokalizowanych w błonach centrach reakcji fototrofów, w których energia światła jest przekształcana w energię chemiczną w postaci ATP (Erickson, 1992). Tauryna i inne alifatyczne sulfoniany Sulfoniany to sole kwasów sulfonowych, które zawdzięczają swój kwasowy charakter obecności dwóch wiązań S=O, a w nieznacznym stopniu reszcie węglowodorowej. W taurynie (ryc. 8), czyli kwasie 2-aminoetanosulfonowym, atom siarki jest częścią ugrupowania sulfonianowego, ale znane są także przypadki przyswajania przez bakterie estrów i kwasów sulfonowych oraz kwasów sulfaminowych (Van der Ploeg i wsp., 1996). Zarówno tauryna, jak i wiele innych alifatycznych sulfonianów, takich jak koenzym M, taurocholan czy metanosulfonian, występuje naturalnie w środowisku. Tauryna występuje w organizmie zwierząt jako Ryc. 8. Struktura tauryny składnik kwasu taurocholowego stanowiącego ok. 1/3 kwasów żółciowych ulegających syntezie w wątrobie. Koenzym M jest jednym z kofaktorów metanogenezy u archeonów metanogennych, metanosulfonian powstaje w atmosferze wyniku fotochemicznego utlenienia siarczku dimetylu (Eichhorn, 2000), a octanosulfonian jest składnikiem endospor u Bacillus subtilis (Bonsen i wsp., 1969). Istnieją także, głównie w środowiskach wodnych, organiczne związki siarki pochodzenia antropogennego. Są one na przykład syntetycznymi składnikami używanych przez ludzi detergentów, wybielaczy czy składnikami cementu, mowa tu głównie o alifatycznych i aromatycznych sulfonianach, których obecność stwierdzono w rzekach i osadach ściekowych (Kertesz, 1999). Niektóre bakterie wykształciły zdolność wykorzystywania tych związków jako źródła węgla, siarki i energii. Wykorzystanie przez bakterie związków nieorganicznych siarki jako źródła pierwiastka budulcowego Większość mikroorganizmów przyswaja siarkę do celów budulcowych w postaci siarczanów, siarczynów i tiosiarczanów w szlaku zwanym szlakiem biosyntezy cysteiny, gdzie przy pomocy licznych enzymów, transportowane ze środowiska zewnętrznego nieorganiczne związki siarki są redukowane i siarka jest wbudowywana do O-acetyloseryny z wytworzeniem L-cysteiny. Mechanizm ten został dokładnie poznany u E. coli i Salmonella enterica sv. Typhimurium (Kredich, 1996). Cysteina jest następnie używana nie tylko do syntezy białek, ale także jest substratem do syntezy wielu ważnych związków organicznych zawierających siarkę. Ponadto niektóre mikroorganizmy posiadają także zdolność asymilacji siarczków (Dick, 1992), które mogą włączyć się w siarczanową gałąź szlaku biosyntezy cysteiny w jej ostatnim etapie, rzadziej spotykana, ale również możliwa, jest asymilacja siarki pierwiastkowej (Kessler, 2006). Szlak biosyntezy cysteiny Pierwszym krokiem w każdej ścieżce asymilacji siarki jest transport jej związków ze środowiska zewnętrznego do wnętrza komórki. Komórkom niezbędne są produkty genów cysa, cysp, cyst oraz cysw zorganizowanych w operonie cysptwa-m (Eichhorn, 2000), a także produktu genu sbp. Białka kodowane przez geny cyst i cysw tworzą kanał transportowy w błonie zewnętrznej, przez który związki siarki (siarczany i tiosiarczany) znajdujące się w środowisku zewnętrznym mogą przedostawać się do wnętrza komórki. Białko CysA jest wbudowywane w błonę cytoplazmatyczną, natomiast białka Sbp oraz CysP, które wiążą odpowiednio siarczany i tiosiarczany, występują w przestrzeni peryplazmatycznej (Kredich, 1996). Asymilacja siarczanu Przetransportowany do cytoplazmy siarczan musi być aktywowany przed redukcją. Produktami ekspresji genów cysc, cysd i cysn (zorganizowanych w operonie cysdnc), są enzymy uczestniczące w dwóch etapach tej aktywacji: sulfurylaza ATP (cysd, cysn; E.C ) oraz kinaza APS (cysc; E.C ) (Eichhorn, 2000). Proces asymilacji został przedstawiony na ryc. 11a. Początkowo siarczan jest aktywowany do 5 -fosfosiarczanu adenozyny (APS) (ryc. 9) w reakcji katalizowanej przez sulfurylazę ATP. Drugim, obok SO 4 2-, substratem tej reakcji jest jedna cząsteczka wysokoenergetycznego 5 -trifosforanu adenozyny (ATP). W kolejnym kroku kinaza APS katalizuje przeniesienie grupy fosforanowej z kolejnej cząsteczki ATP na APS z utworzeniem 3 -fosfoadenozyno-5 -fosfosiarczanu (PAPS) NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

39 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Ryc. 9. Struktura 5 -fosfosiarczanu adenozyny (APS) Ryc. 10. Struktura 3 -fosfoadenozyno-5 -fosfosiarczanu (PAPS) (ryc. 10), a sulfotransferaza PAPS (E.C ) przenosi grupę siarczanową na akceptor, którym najczęściej jest tioredoksyna. Związek ten zawiera dwie sąsiadujące ze sobą cysteiny, do jednej z nich przyłącza się grupa siarczanowa. Nowoutworzona tioredoksyna-s-so 3 - jest donorem siarczynu, a w procesie przekształcenia powstaje także utleniona tioredoksyna (reszty cysteiny tworzą mostek disiarczkowy), która jest regenerowana do formy zredukowanej przez reduktazę tioredoksyny (Kredich, 1996). Sulfotransferaza PAPS jest produktem genu cysh, należącego do kolejnego operonu cysteinowego cysijh. Pozostałe dwa geny tego operonu, cysi i cysj oraz niezależny gen cysg kodują reduktazę siarczynową (E.C ), katalizującą zależną od NADPH redukcję SO 3 2- do siarczku (Kredich, 1996). Enzym ten ma budowę podjednostkową o stechiometrii α 8 β 4, gdzie α jest flawoproteiną (cysj), a β jest hemoproteiną (cysi). Flawoproteina dzięki obecności dinukleotydu (FAD) oraz mononukleotydu (FMN) flawinoadeninowego spełnia rolę akceptora elektronów i przenosi je na hemoproteinę, zawierającą centra Fe 4 S 4 oraz charakterystyczną dla reduktazy azotynowej i siarczynowej grupę prostetyczną, określaną w literaturze anglojęzycznej jako siroheme. Gen cysg koduje enzym niezbędny do syntezy tego związku (Ostrowski i wsp., 1989). Ostatnim etapem szlaku jest przekształcenie siarczku w cysteinę, w którym bierze udział prekursor cysteiny, O-acetyloseryna. Powstaje ona w reakcji przeniesienia grupy acetylowej z acetylokoenzymu A na L-serynę katalizowanej przez transacetylazę serynową (E.C ; cyse). Synteza cysteiny odbywa się z udziałem syntazy cysteinowej A, kodowanej przez gen cysk, będącej częścią kompleksu syntaz cysteinowych (E.C ) (Kredich, 1996). Asymilacja tiosiarczanu Ryc. 11. Ścieżka biosyntezy cysteiny u E. coli i S. enterica sv. Typhimurium: a. biosynteza z siarczanu, b. biosynteza z tiosiarczanu. APS 5 -fosfosiarczan adenozyny, PAPS 3 -fosfoadenozyno-5 - fosfosiarczan Pozyskiwany ze środowiska tiosiarczan może być także źródłem siarki dla bakterii (ryc. 11b). Pierwszym etapem jego asymilacji jest, podobnie jak w przypadku asymilacji siarczanu, transport do wnętrza komórki. Następnie, kodowana przez gen cysm syntaza cysteinowa B, katalizuje syntezę S-sulfocysteiny z O-acetyloseryny i tiosiarczanu. S-sulfocysteina zostaje przekształcona w L-cysteinę, a w reakcji tej uwalniany jest siarczyn, który bakterie mogą dalej przekształcić w siarczek i cysteinę (Eichhorn, 2000). Ta gałąź szlaku biosyntezy cysteiny jest znacznie krótsza i korzystniejsza energetycznie przyswajanie siarczanów wymaga obecności dwóch cząsteczek ATP, zredukowanej tioredoksyny, NADPH i O-acetyloseryny, natomiast do asymilacji tiosiarczanu potrzebny jest tylko ostatni z wymienionych związków. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

40 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Asymilacja siarczynu i siarczku Pozyskiwany w trakcie asymilacji tiosiarczanu jon SO 3 2-, jak już wcześniej wspomniano, może także zostać wykorzystany do biosyntezy cysteiny. Jego cząsteczki występujące w komórkach są wychwytywane przez zależną od NADPH reduktazę siarczynową i przekształcane w siarczek, a następnie w cysteinę. Podobnie jest w przypadku samego siarczku, który może włączyć się w siarczanową gałąź szlaku w jej ostatnim etapie (ryc. 11a). Biosynteza cysteiny w obu tych przypadkach jest taka sama jak ta opisana wyżej, z pominięciem etapów poprzedzających biosyntezę związków startowych siarczynu i siarczku. Przykładowymi mikroorganizmami zdolnymi do wykorzystania siarczków są Acidithiobacillus spp. i Acidiphilium spp. (Dick, 1992), którym specjalne systemy transportu siarczków ze środowiska do wnętrza komórki umożliwiają asymilację S 2-. Siarczki są przez Acidithiobacillus spp. (bezbarwna bakteria siarkowa) wykorzystywane również jako źródło energii i donor elektronów. Regulacja biosyntezy cysteiny Szybko zmieniające się warunki środowiska, w jakim przyszło żyć bakteriom, zmusiły je do wykształcenia bardzo precyzyjnych mechanizmów regulacji genów odpowiedzialnych za adaptację do środowiska i jak najlepsze wykorzystanie dostępnych metabolitów. Biosynteza cysteiny u E. coli i S. enterica sv. Typhimurium zostaje prawie natychmiast zahamowana, gdy bakterie zostaną przeniesione do pożywki zawierającej ten aminokwas (Kredich, 1996). Dzieje się tak dlatego, że wolna L-cysteina jest inhibitorem transacetylazy serynowej odpowiedzialnej za syntezę O-acetyloseryny, która ulega przegrupowaniu do N-acetyloseryny. Za ten i inne procesy regulacyjne szlaku biosyntezy cysteiny odpowiedzialny jest system modulacji ekspresji genów zwany regulonem cys (ryc. 12). Jak już wcześniej wspomniano, dostępność cysteiny hamuje proces syntezy O-acetyloseryny, a w konsekwencji zahamowana zostaje asymilacja siarczanu i tiosiarczanu. Ponadto dostępność w komórkach siarczku i tiosiarczanu hamuje ich transport do wnętrza komórki. Reasumując, L-cysteina, tiosiarczan lub siarczek są negatywnymi regulatorami biosyntezy cysteiny (Kredich, 1996). Asymilacja siarki elementarnej Niektóre mikroorganizmy, oprócz możliwości pozyskiwania siarki do celów budulcowych z jej nieorganicznych związków, takich jak siarczany, siarczyny, tiosiarczany czy siarczki, mają także zdolność asymilacji siarki pierwiastkowej (Kessler, 2006). Mowa tu m.in. o Acidithiobacillus thiooxidans czy A. ferrooxidans, które przy pomocy syntetyzowanych odpowiednich dioksygenaz są zdolne do utleniania siarki. Uważa się, że enzym dioksygenaza siarkowa (E.C ) katalizuje reakcję przekształcenia siarki elementarnej do siarczynu zgodnie z równaniem reakcji: Ryc. 12. Interakcje pomiędzy poszczególnymi etapami szlaku biosyntezy cysteiny, regulon cysteinowy L-cysteina jest inhibitorem współzawodniczącym z L-seryną o miejsce aktywne transacetylazy serynowej (*), tiosiarczan i siarczek są inhibitorami aktywacji własnego transportu, a O-acetyloseryna jest prekursorem N-acetyloseryny odpowiedzialnej za aktywację transportu i redukcji siarczanu. Jak wspomniano wcześniej, siarka w warunkach naturalnych występuje w postaci ośmioatomowych pierścieni, które tworzą rombowy kryształ, dlatego postuluje się, że przed zajściem powyższych reakcji siarka musi być aktywowana przez nukleofil, na przykład glutation, a jej pierścień musi zostać otwarty (Rohwerdert i wsp., 2003). Glutation jest syntetyzowany praktycznie w każdej komórce, w obecności siarki elementarnej tworzy disiarczek glutationu, a ten w reakcji następczej jest przekształcany w siarczyn: Jak widać z powyższych równań reakcji, glutation nie jest zużywany w reakcji, odgrywa jedynie rolę aktywatora. Powstały w wyniku tych reakcji siarczyn jest włączany w szlak biosyntezy cysteiny (Kessler, 2006). NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

41 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Cysteina i metionina jako prekursory wielu ważnych związków organicznych Bakterie potrafią wykorzystać cysteinę nie tylko do budowy białek, ale także ją przekształcić lub wykorzystać jako donor siarki dla wielu innych ważnych dla ich funkcjonowania związków chemicznych, takich jak metionina, glutation i jego pochodne, koenzym A, S-adenozylometionina, a także L-ergotioneina i owotiol A (ryc. 13), których zadaniem jest inaktywacja takich związków jak OH czy H 2 O 2 powstających w czasie stresu oksydacyjnego (Kessler, 2006). Cysteina jest jednym z trzech aminokwasów budujących ważny biologicznie i odporny na degradację enzymatyczną tripeptyd glutation (GSH), pozostałe dwa to glicyna i glutaminian. Swoją unikatowość glutation zawdzięcza nietypowemu dla związków biologicznych wiązaniu izopeptydowemu, które jest tworzone przez grupę α-aminową cysteiny z grupą γ-karboksylową glutaminianu w obecności enzymu syntazy γ-glutaminocysteiny (E.C ) jest to pierwszy z etapów biosyntezy GSH. W kolejnym kroku, enzym syntetaza glutationu (E.C ) katalizuje przyłączenie glicyny do wcześniej wspomnianego dipeptydu (Anderson, 1998). W tym przypadku cysteina nie jest jedynie donorem siarki, ale jedną ze składowych całego tworzonego związku. Glutation pełni bardzo ważną funkcję w asymilacji siarki pierwiastkowej aktywuje i rozrywa jej pierścień tworząc disiarczek glutationu, który następnie jest rozkładany z wydzieleniem siarczynu. Podobnie jest w przypadku metioniny szlak jej biosyntezy również zaczyna się od cysteiny (ryc. 14). W pierwszym etapie cysteina w reakcji z O-bursztynylo-homoseryną katalizowanej przez γ-syntazę cystationinową (E.C ) przekształca się w cystationinę, która następnie zostaje zamieniona przez enzym β-liazę cystationinową (E.C ) w homocysteinę. Powstały w ten sposób niebiałkowy aminokwas, który jest bezpośrednim prekursorem metioniny, ulega metylacji w obecności syntazy metioninowej (E.C ). Ostatni z wymienionych enzymów do swej aktywności wymaga kofaktora, jakim jest witamina B 12 (Or-Rashid i wsp., 2001). Istnieją gatunki, na przykład Mycobacterium tuberculosis (Wheeler i wsp., 2005) czy Pseudomonas putida (Vermeij i wsp., 1999), które potrafią wykorzystać metioninę jako jedyne źródło siarki budulcowej. Asymilacja metioniny polega na jej przekształceniu (przy użyciu odpowiednich enzymów) w cysteinę w procesie odwrotnym do przedstawionego na ryc. 14 (Wheeler i wsp., 2005). Prokariota wykorzystują metioninę także do syntezy S-adenozylometioniny substratu dla wielu transferaz. Związek ten jest donorem grup metylowych uczestniczących w procesach transmetylacji różnych związków chemicznych, na przykład kwasów nukleinowych i białek (Chiang i wsp., 1996). Disiarczki jako prekursory wielu ważnych związków organicznych Duża grupa ważnych biologicznie związków chemicznych zawierających siarkę jest syntetyzowana przez mikroorganizmy z użyciem wielosiarczków, najczęściej disiarczków (ang. persulfide). Należą do nich bez wątpienia centra żelazowo-siarkowe, tiamina, biotyna, kwas liponowy, a także tionukleozydy (ryc. 15). W biosyntezie centrów Fe-S biorą udział enzymy, takie jak na przykład NifS, uczestniczący w biosyntezie centrów żelazowo-siarkowych nitrogenazy, czy też IscU, znaleziony u E. coli, scharakteryzowane jako Ryc. 13. Przykłady związków syntetyzowanych z udziałem cysteiny NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

42 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Ryc. 14. Szlak biosyntezy metioniny Źródło: Grundy i wsp., 1998, zmodyf. desulfurylazy cysteinowe. Enzym NifS, w obecności kofaktora fosforanu pirydoksocysteiny, odszczepia od tego kofaktora ugrupowanie tiolowe i przenosi je na znajdującą się w jego centrum aktywnym resztę cysteiny z wytworzeniem disiarczku (Kessler, 2006). Disiarczki są niestabilne, ulegają spontanicznemu rozpadowi z wytworzeniem łańcuchów siarki pierwiastkowej, która, w przypadku centrów żelazowo-siarkowych, jest substratem do ich biosyntezy (Beinert, 2000). Działanie drugiego z wymienionych enzymów jest bardzo podobne. Rola wielosiarczków w biosyntezie tiaminy, biotyny, kwasu liponowego i tionukleozydów jest taka sama, jak w przypadku centrów Fe-S. Białka, takie jak biorące udział w tworzeniu tiaminy ThiS czy aktywujący siarkę do syntezy tionukleozydów IscS, w centrum katalitycznym tworzą wielosiarczki, które są donorami siarki w odpowiednich procesach biologicznych. Niektóre disiarczki mogą być wykorzystywane przez bakterie jako alternatywne źródła siarki budulcowej. Na przykład Acidithiobacillus spp. i Acidiphilium spp. mogą przyswajać disiarczek glutationu, a Chromatium sp. wykorzystywać jego amid. Uważa się, że amid ten może także brać udział w transferze siarki pierwiastkowej ze środowiska do komórek (Kessler, 2006). Disiarczki mogą być, w razie potrzeby, wytwarzane przez niektóre bakterie, na przykład w obecności siarki elementarnej, szczepy należące do rodzaju Acidithiobacillus czy Acidiphilium, syntetyzują disiarczek glutationu (GSSH), który może być wykorzystywany przez mikroorganizmy jako alternatywne źródło siarki do celów budulcowych. Inne sposoby wykorzystania siarki i jej związków Związki siarki występują w atmosferze, litosferze, hydrosferze oraz pedosferze i występują we wszystkich trzech stanach skupienia. Jak już wcześniej wspomniano, siarka jest jednym z budulcowych pierwiastków biogennych, niezbędnym do prawidłowego funkcjonowania każdej komórki. Jest składnikiem dwóch białkowych aminokwasów cysteiny i metioniny, licznych kofaktorów, takich jak biotyna, tiamina, molibdopteryna, kwas liponowy czy koenzym A, tionukleozydów i, jako kluczowy składnik centrów żelazowo-siarkowych, buduje centra aktywne niektórych ważnych enzymów. Mostki disiarczkowe tworzone przez dwie reszty cysteiny stabilizują trzecio- i czwartorzędową strukturę Ryc. 15. Przykłady związków syntetyzowanych z wykorzystaniem disiarczków jako źródła siarki; R-S-SH disiarczek białek zewnątrzkomórkowych występujących przede wszystkim w warunkach utleniających. Każdy z wyżej wymienionych związków pełni bardzo ważną funkcję we wszystkich organizmach. Prokarioty nie wykorzystują jednak siarki i jej związków jedynie do celów budulcowych, jak to ma miejsce u eukariotów. Niektóre bakterie chemolitotroficzne i archeony potrafią je utleniać, uzyskując w ten sposób energię niezbędną do syntezy ATP, a inne wykorzystywać jako donor lub końcowy akceptor elektronów. Do pierwszej z wymienionych grup bez wątpienia należą bezbarwne bakterie siarkowe, takie jak na przykład Beggiatoa spp., Thiobacillus spp., Halothiobacillus spp. czy Thiovulum majus (Kelly i wsp., 2006), które można znaleźć praktycznie wszędzie, a szczególnie obficie występują w wodach morskich i gorących źródłach. Pozyskują one energię (oraz elektrony niezbędne do wiązania dwutlenku węgla) w procesie utleniania siarki pierwiastkowej, a także siarczków, siarczynów, tiosiarczanów, tetrationianów, rodanków, siarczku dimetylu czy też dwusiarczku węgla. Produktem końcowym tego utleniania jest siarczan (Dick, 1992). Siarka i jej związki są też donorami elektronów w procesie asymilacji dwutlenku węgla. NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

43 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Druga grupa mikroorganizmów prokariotycznych wykorzystujących siarkę i jej związki (siarczki i tiosiarczany) jako donor elektronów niezbędnych do wiązania CO 2. Są to fototrofy anoksygeniczne należące do typów Proteobacteria, Chlorobi i Chloroflexi. Występują one w głębszych strefach jezior i gorących źródłach, różnią się między sobą sposobem przeprowadzania fotosyntezy, barwnikami uczestniczącymi w tym procesie oraz miejscem w toni wodnej (głębokość), w której mogą rosnąć (Madigan i wsp., 2009). Ostatnią grupę tworzą bakterie redukujące siarczany, które wykorzystują siarczany jako ostateczny akceptor elektronów (proces dysymilacyjnej redukcji siarczanów). Należą do nich bakterie z rodzajów takich jak Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfobulbus (typ Proteobacteria), Thermodesulfobacterium (typ Termodesulfobacteria) czy Desulfotomaculum (typ Firmicutes), i są najczęściej spotykane w beztlenowych strefach gleb i wód, ściekach oraz przewodach pokarmowych ludzi i zwierząt. Znane są także bakterie, które potrafią wykorzystać w oddychaniu siarkę pierwiastkową jako akceptor elektronów (np. Geobacter sulfurreducens) (Rabus i wsp., 2006). Wymienione wyżej prokarioty przeprowadzają zatem unikatowe reakcje biochemiczne w obiegu siarki, w którym uczestniczą również mikroorganizmy wykorzystujące siarkę i jej związki do celów budulcowych. Obieg siarki obejmuje również procesy fizyczne i chemiczne, a najważniejszymi dla niego przemianami są utlenianie, redukcja, mineralizacja i immobilizacja związków siarki (Dick, 1992). Literatura Anderson ME (1998). Glutathione: an overview of biosynthesis and modulation. Chem Biol Interact :1-14. Beinert H (2000). Iron-sulfur proteins: acient structures, still full of surprises. J Biol Inorg Chem.5:2-15. Bełtowski J (2004). Hydrogen sulfide as a biologically active mediator in the cardiovascular system. Postępy Hig Med Dos w. 58: Bereda T (2011). Siarka. W: Bilans zasobów kopalin i wód podziemnych w Polsce, 1. wydanie. Szuflicki M, Malon A, Tymiński M, (red.)., Argraf, Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2007). Struktura pierwszorzędowa: Aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi tworzą łańcuchy polipeptydowe. W: Biochemia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Bielański A (2010a). Odmiany alotropowe siarki. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Bielański A (2010b). Właściwości chemiczne tlenowców oraz Związki tlenowców z fluorowcami. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, , Bielański A (2010c). Związki tlenowców z wodorem. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Bielański A (2010d). Związki azotowców z siarką. W: Podstawy chemii nieorganicznej, 6. wydanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Bonsen PPM, Spudich JA, Nelson DL, Kornberg A (1969). Biochemical studies of bacterial sporulation and germination. XII. A sulfonic acid as a major sulfur compound of Bacillus subtilis spores. J Bacteriol. 98: Canfield DE (2001). Biogeochemistry of sulfur isotopes. GeoScience- World. 43: Chiang PK, Gordon RK, Tal J, Zeng GC, Doctor BP, Pardhasaradhi K, McCann PP (1996). S-adenosylmethionine and methylation. FASEB J. 10: Chmielewski P, Jezierski A (2003). Siarka. W: Słownik chemiczny, 1. wydanie, Warszawa, Cooper CE, Brown GC (2008). The inhibition of mitochondrial cytochrome oxidase by the gases carbon monoxide, nitric oxide, hydrogen cyanide and hydrogen sulfide: chemical mechanism and physiological significance. J Bioenerg Biomembr. 40: Dick WA (1992). Sulfur cycle. W: Encyclopedia of microbiology, 1 wydanie. Lederberg, J., (Red.). Academic Press, Inc., 4, Eichhorn EE (2000). Sulfonate-sulfur assimilation in Escherichia coli. Rozprawa doktorska, Zurich, Diss. ETH Nr Erickson JM (1992). Photosynthesis and chloroplasts. W: Encyclopedia of microbiology, 1 wydanie. Lederberg, J., (Red.). Academic Press, Inc., 3, Grundy FJ, Henkin TM (1998). The S box regulon: a new global transcription termination control system for methionine and cysteine biosynthesis genes in Gram-positive bacteria. Mol Microbiol. 30(4): Hille R (2002). Molybdenum and tungsten in biology. Trends Biochem Sci. 27: Kelly DP, Wood AP (2006). The chemolithotrophic prokaryotes. W: The Prokaryotes, a handbook on the biology of bacteria, 3 wydanie. Dworkin M, Falkow S, Rosenberg E, Schleifer KH, Stackebrandt E (red.). Springer, t. 2, Kertesz MA (1999). Riding the sulfur cycle metabolism of sulfonates and sulfate esters in Gram-negative bacteria. FEMS Microbiol Rev. 24, Kessler D (2006). Enzymatic activation of sulfur for incorporation into biomolecules in prokaryotes. FEMS Microbiol Rev. 30, Kiley PJ, Beinert H (2003). The role of Fe-S proteins in sensing and regulation in bacteria. Curr Opin Microbiol. 6: Kredich NM (1996). Biosynthesis of cysteine. W: Escherichia coli and Salmonella, 2. wydanie. Neidhardt FC, Curtiss R, Ingraham JL, Lin ECC, Low KB, Magasanik B, Reznikoff WS, Riley M, Schaechter M, Umbarger HE (red.). ASM Press, Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV, Clark DP (2009). Bacteria: The Proteobacteria. W: Brock Biology of microorganisms, Madsen EL (2008). Selected compounds in the biosphere that participate in major microbial biogeochemical processes. W: Environmental Microbiology from genomes to biogeochemistry, Blackwell Publishing, McMurry J (2005). Struktury aminokwasów. W: Chemia organiczna 4, Wydawnictwo Naukowe PWN, Murray RK, Granner DK, Rodwell VW (2006a). Biosynteza kwasów tłuszczowych. W: Biochemia Harpera, PZWL, Murray RK, Granner DK, Rodwell VW (2006b). Mikroelementy odżywcze: witaminy i składniki mineralne. W: Biochemia Harpera, PZWL, Or-Rashid M, Onodera R, Wadud S (2001). Biosynthesis of methionine from homocysteine, cystathionine and homoserine plus cysteine by mixed rumen microorganisms in vitro. Appl Microbiol Biotechnol. 55: Ostrowski J, Wu J-Y, Rueger DC, Miller BE, Siegel LM, Kredich NM (1989). Characterization of the cysjih regions of Salmonella typhimurium and Escherichia coli B. DNA sequences of cysl and cysh and a model for the siroheme-fe 4 S 4 active center of sulfite reductase hemoprotein based on amino acid homology with spinach nitrite redutase. J Biol Chem. 264: Pajdowski L (1976). Siarka. W: Chemia ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Rabus R, Hansen TA, Widdel F (2006). Dessimilatory sulfate- and sulfur reducting prokaryotes. W: The Prokaryotes, a handbook on the biology of bacteria, 3 wydanie. Dworkin M, Falkow S, Rosenberg E, Schleifer KH, Stackebrandt E (red.). Springer, 2, Rohwerdert T, Sand W (2003). The sulfane sulfur of persulfides is the actual substrate of the sulfur-oxidizing enzymes from Acidithiobacillus and Acidiphilium spp. Microbiology. 149: NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

44 Siarka i jej związki jako źródła pierwiastka budulcowego dla bakterii Agnieszka Osówniak EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Van der Ploeg JR, Weiss MA, Saller E, Nashimoto H, Saito N, Kertesz MA, Leisinger T (1996). Identification of sulfate starvation-regulated genes in Escherichia coli: a gene cluster involved in the utilization of taurine as a sulfur source. J Bacteriol. 178: Vermeij P, Kertesz MA (1999). Pathways of assimilative sulfur metabolism in Pseudomonas putida. J Bacteriol. 181: Wheeler PR, Coldham NG, Keating L, Gordon SV, Wooff EE, Parish T, Hewinson RG (2005). Functional demonstration of reverse transsulfuration in the Mycobacterium tuberculosis complex reveals that methionine is the preferred sulfur source for pathogenic mycobacteria. J Biol Chem. 280: Sulfur and its compounds as a source of structural element for bacteria Agnieszka Osówniak Sulfur is one of the chemical elements, which is necessary for living organisms. In this work, not only the physical and chemical properties of the element, but also biogenic chemical compounds containing sulfur were described. Next, the role of non-organic (sulfides, sulfates, and tiosulfates) and organic (cysteine and metionine) compounds containing sulfur was characterized. A biosynthesis of L-metionine, L-cysteine, enzymes containing iron-sulfur clusters, biotin, tiamine, liponic acid, coenzyme A, molybdopterin, and S-adenosylmethionine. Finally, the role of bacteria in the sulfur circulation was described. Słowa kluczowe: assimilation, bacteria, biosynthesis, cysteine, enzyme, operon, sulfate, sulfur, tiosulfate NAUKA KRÓTKO SZKOŁA

45 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz Streszczenie: Praca, kierowana do nauczycieli biologii szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych, ukazuje zastosowanie podstawowych metod obliczeniowych, których znajomość jest przydatna przy rozwiązywaniu zadań genetycznych, stosowanych jako częsty sposób ewaluacji stanu wiedzy i umiejętności uczniów. Znajomość zasad dodawania, mnożenia, permutacji, kombinacji oraz umiejętność ich stosowania jest kluczowa przy obliczaniu prawdopodobieństwa sumy i iloczynu zdarzeń oraz zdarzeń dwumianowych, co jest niezbędne do szacowania szansy powstawania określonych gamet czy genotypów, a często stanowi trudność dla uczniów. Ponadto, praca zawiera propozycję zadania rachunkowego opartego na omawianych w pracy zasadach matematycznych wraz z kluczem odpowiedzi. Słowa kluczowe: zadanie genetyczne, zasada dodawania, zasada mnożenia, permutacja, kombinacja, prawdopodobieństwo sumy zdarzeń, prawdopodobieństwo iloczynu zdarzeń, prawdopodobieństwo zdarzeń o rozkładzie dwumianowym, trójkąt Pascala otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: dr Ewa Oleńska: asystent w Zakładzie Genetyki i Ewolucjonizmu, Instytut Biologii Uniwersytetu w Białymstoku dr Alina Stankiewicz: starszy wykładowca w Pracowni Dydaktyki Biologii, Instytut Biologii Uniwersytetu w Białymstoku Matura 2012 niezadowalające wyniki z genetyki Zagadnienie Genetyka mendlowska Wymagania szczegółowe Gimnazjum Uczeń: - przedstawia dziedziczenie cech jednogenowych posługując się podstawowymi pojęciami genetyki (fenotyp, genotyp, gen, allel, homozygota, heterozygota, dominacja, recesywność) - wyjaśnia dziedziczenie grup krwi człowieka (układ ABO, czynnik Rh) - wyjaśnia dziedziczenie płci u człowieka i podaje przykłady cech sprzężonych z płcią (hemofilia, daltonizm) Postęp w badaniach biologicznych nie byłby możliwy bez zastosowania narzędzi, modeli oraz teorii z innych nauk przede wszystkim fizyki, chemii, matematyki, a także odkryć technicznych i technologicznych. Podobnie w nauczaniu biologii, do wyjaśniania procesów, zjawisk czy zależności biologicznych wykorzystywane są narzędzia, teorie z chemii, fizyki oraz matematyki. Stosowanie działań matematycznych, w tym rachunku prawdopodobieństwa, na lekcjach biologii doskonale wpisuje się w kształtowanie u uczniów umiejętności myślenia matematycznego jednej z najważniejszych umiejętności, w które powinna wyposażyć uczniów szkoła na III i IV etapie edukacyjnym (Podstawa programowa, 2008). Na umiejętność myślenia matematycznego składa się szereg czynności, np. wykorzystanie narzędzi matematyki w życiu codziennym oraz formułowanie sądów opartych na rozumowaniu matematycznym; stawianie charakterystycznych dla matematyki pytań i wiedza, jakiego rodzaju odpowiedzi można oczekiwać; odróżnianie rodzajów matematycznych zadań. Wykorzystanie w nauczaniu biologii działań matematycznych sprzyja pogłębieniu rozumowania przyrodniczego. Na rozumowanie matematyczne składają się takie czynności jak: ocena ciągu argumentów przedstawionych przez innych; wiedza, czym jest dowód matematyczny; odkrywanie podstawowych idei w danym rozumowaniu; proponowanie formalnych i nieformalnych matematycznych argumentów (Niss, 1997). W nauczaniu genetyki obok podstawowych działań matematycznych szczególne znaczenie ma rachunek prawdopodobieństwa. Pozwala on przewidzieć możliwości wystąpienia zdarzeń genetycznych i znajduje zastosowanie w wielu rodzajach obliczeń statystycznych. Stosowanie rachunku prawdopodobieństwa w opracowywaniu zagadnień genetyki mendlowskiej sprzyja pogłębieniu rozumienia zasad dziedziczenia oraz kształtowaniu u uczniów umiejętności rozumowania i argumentacji, a szczególnie: objaśnianiu i komentowaniu informacji; wyjaśnianiu zależności przyczynowo- -skutkowych, formułowaniu wniosków, dostrzeganiu zależności między biologią a matematyką. Zagadnienia Liceum zakres rozszerzony Uczeń: - przedstawia i stosuje prawa Mendla - zapisuje i analizuje krzyżówki jednogenowe i dwugenowe (z dominacją zupełną i niezupełną oraz allelami wielokrotnymi, posługując się szachownicą Punnetta) oraz określa prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych genotypów i fenotypów w pokoleniach potomnych - przedstawia sposób dziedziczenia płci u człowieka, analizuje drzewo rodowe, w tym dotyczące występowania chorób genetycznych człowieka - podaje przykłady cech (nieciągłych) dziedziczących się zgodnie z prawami Mendla Tabela 1. Wymagania szczegółowe z genetyki na poziomie gimnazjum i liceum zakres rozszerzony (Podstawa programowa 2008), w których stosuje się działania matematyczne SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

46 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ z genetyki mendlowskiej, obok genetyki molekularnej, występują zarówno na poziomie gimnazjum, jak i w liceum (Podstawa programowa, 2008). Wymagania szczegółowe z genetyki, których spełnienie opiera się na wykonaniu działań matematycznych i zastosowaniu rachunku prawdopodobieństwa przedstawiono w tabeli 1. Wymagania te stanowią jedyną podstawę oceniania na egzaminach zewnętrznych (gimnazjalnym i maturalnym). Rozwiązywanie zadań z genetyki z zastosowaniem rachunku prawdopodobieństwa pozwala także na doskonalenie umiejętności posługiwania się terminologią genetyczną (np. allel, homozygota, heterozygota, cechy recesywne, cechy dominujące, fenotyp, genotyp), rozumienia zasad dziedziczenia, zapisu wytworzonych gamet, genotypów, określania fenotypów, analizowania przyczyn i przewidywania skutków zdarzeń. Uczniowie podczas rozwiązywania zadań z genetyki przekonują się, jak zastosowanie matematyki wpływa na interpretację reguł dziedziczenia, jak narzędzia matematyczne ułatwiają wnioskowanie na temat dziedziczenia. Działania matematyczne z rachunkiem prawdopodobieństwa są niezbędne w wyjaśnianiu dziedziczenia cech przez pojedyncze osobniki, lecz także są konieczne w wyjaśnianiu zasad genetyki populacyjnej, zmian w puli genowej populacji. Możliwości określenia prawdopodobieństwa wystąpienia konkretnego fenotypu ma szczególne znaczenie w odniesieniu do ludzi, którzy posiadają niewielką liczbę potomstwa (np. w przewidywaniu płci, wystąpienia chorób sprzężonych z płcią i innych chorób genetycznych, takich jak np. mukowiscydoza). Do oceny prawdopodobieństwa zajścia dowolnego zdarzenia używa się ułamków zwykłych (np. 3 / 4 ), dziesiętnych (0,75) lub procentów (75%). Prawdopodobieństwo zdarzenia zawiera się pomiędzy wartościami 0 1 lub 0 100%. Prawdopodobieństwo zaistnienia zdarzenia pewnego jest równe 1, jeśli zdarzenie jest niemożliwe, prawdopodobieństwo jego zaistnienia jest równe 0 (Łomnicki, 2007). Informacje o przewidywaniu zdarzeń genetycznych często pojawiają się w mediach, prasie. Mają one duże znaczenie w diagnostyce medycznej i w planowaniu życia rodzinnego. Zdawałoby się, że zainteresowanie uczniów problemami genetyki i motywacja do uczenia się tych zagadnień jest uzasadniona i duża. Jednak, jak wykazały badania, nauczanie genetyki wpłynęło ujemnie na postawę uczniów względem uczenia się tych treści. Przed rozpoczęciem cyklu lekcji poświęconych genetyce 49% uczniów wykazywało pozytywny stosunek wobec nauki, a po ich zakończeniu tylko 29%. Nie stwierdzono dodatniej zależności między osiągnięciami uczniów z genetyki a poziomem motywacji oraz między metodami nauczania genetyki a poziomem motywacji. Znaczy to, że nauczanie genetyki w szkołach objętych badaniami nie wpłynęło pozytywnie na rozwój zainteresowań tą dziedziną wiedzy (Sternicka, 1996, 1997). Wyniki matur z 2012 r. dotyczące genetyki są niezadowalające. W arkuszu podstawowym egzaminu maturalnego z biologii dwa zadania z genetyki wymagały zastosowania rachunku prawdopodobieństwa. Oba zadania okazały się dla uczniów trudne. Jedno z zadań wymagało zapisania krzyżówki genetycznej i określenia prawdopodobieństwa wystąpienia danej cechy (łatwość zadania: 0,25), drugie zadanie wymagało określenia sposobu dziedziczenia wskazanych chorób genetycznych człowieka (łatwość zadania: 0,27). Zadania te sprawdzały rozumienie sposobu dziedziczenia chorób genetycznych oraz umiejętność rozwiązywania zadań z zakresu dziedziczenia cech u człowieka. Należało zapisać krzyżówkę genetyczną z zastosowaniem szachownicy Punnetta i określić prawdopodobieństwo wystąpienia danej cechy, zaś kolejne zadanie dotyczyło dziedziczenia grup krwi. Rozwiązanie krzyżówek genetycznych sprawdzających w sposób praktyczny rozumienie zasad dziedziczenia było dla maturzystów z 2012 r. trudniejsze niż dla zdających rok wcześniej. Większość odpowiedzi osób zdających była niepełna, np. brakowało zapisu krzyżówki genetycznej, zapisanych gamet, lub podkreślenia genotypu chorego dziecka (Centralna Komisja Egzaminacyjna, 2012). Analiza wyników na poziomie rozszerzonym pokazuje znacznie lepsze przygotowanie maturzystów do egzaminu na tym poziomie niż zdających na poziomie podstawowym. Jednak umiejętność wyjaśniania związków przyczynowo-skutkowych okazała się trudna dla maturzystów zdających egzamin na obu poziomach. Maturzyści mieli problem z określeniem zależności przyczyna skutek, a najczęstszym błędem odpowiedzi był brak jednego z elementów tej zależności. Trudnością okazało się rozwiązanie zadania z zakresu dziedziczenia cech u człowieka, określenie sposobu dziedziczenia opisanej cechy (łatwość zadania: 0,42), i określenia sposobu dziedziczenia opisanej cechy na podstawie analizy przedstawionych danych (łatwość zadania: 0,50). Co jest przyczyną niezadowalających wyników maturalnych z genetyki? Niezadowalające wyniki maturalne z genetyki mogą mieć swoje przyczyny w tym, że nie udaje się przystępnie powiązać zastosowania działań matematycznych z rozumieniem przez uczniów zasad dziedziczenia, czyli zastosować myślenie matematyczne w przewidywaniu zdarzeń genetycznych. Przełożenie matematyki na zasady dziedziczenia nie jest proste i wymaga od nauczyciela stałego doskonalenia się w tym zakresie. Ważne jest również, by uczniowie przed rozpoczęciem rozwiązywania krzyżówek genetycznych, na lekcjach matematyki poznali lub przypomnieli sobie rachunek prawdopodobieństwa. Wydaje się, że korzystna by- SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

47 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ łaby także korelacja czasowa między tematami lekcji z matematyki a tematami lekcji z genetyki. Właściwe uprzystępnienie uczniom zastosowania działań matematycznych i rachunku prawdopodobieństwa w rozwiązywaniu krzyżówek genetycznych z pewnością przyczyni się do podwyższenia jakości i efektywności nauczania genetyki. Celem pracy jest przedstawienie nauczycielom zasad matematycznych niezbędnych przy rozwiązywaniu zadań genetycznych, stosowanych jako częsty sposób ewaluacji stanu wiedzy i umiejętności uczniów szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych. Zasady matematyczne w obliczeniach genetycznych Obliczenia genetyczne opierają się na czterech podstawowych zasadach matematycznych: dodawania, mnożenia, permutacji oraz kombinacji (Elseth i Baumgardner, 1984). Dodawanie zdarzenia wykluczające się Zasada dodawania ma zastosowanie do obliczania liczby sposobów zajścia zdarzeń wykluczających się, czyli takich gdzie wynik pierwszego zdarzenia wyklucza wynik drugiego zdarzenia. Przykładem zdarzeń wykluczających się jest jednoczesne występowanie allelu A oraz a w jednej gamecie wytwarzanej przez heterozygotę Aa. Według zasady dodawania, jeżeli zdarzenie pierwsze zachodzi na n 1 sposobów, natomiast zdarzenie drugie na n 2 sposoby i oba zdarzenia wzajemnie się wykluczają, wówczas albo zdarzenie pierwsze, albo zdarzenie drugie zachodzi na n 1 + n 2 sposoby. Przykład 1. Na ile sposobów można uzyskać osobnika o fenotypie dominującym, przy założeniu dominacji zupełnej (Pisum sp.) z krzyżówki Aa Aa? Rozwiązanie: zdarzenie pierwsze (n 1 ) uzyskanie w potomstwie AA 1 sposób; zdarzenie drugie (n 2 ) uzyskanie w potomstwie Aa 1 sposób; zdarzenie trzecie (n 3 ) uzyskanie w potomstwie aa 1 sposób; Uzyskanie fenotypu dominującego A_, gdzie _ oznacza dowolny allel tego genu, może wystąpić jako jedno z wykluczających się zdarzeń: AA lub Aa lub aa, gdzie każde z nich zachodzi na 1 sposób. Zatem liczbę sposobów uzyskania osobnika o fenotypie dominującym obliczamy następująco: A_ = n 1 + n 2 + n 3 = AA + Aa + aa = = 3 Fenotyp dominujący z krzyżówki Aa Aa można uzyskać na 3 sposoby. Mnożenie zdarzenia niezależne Drugą zasadą stosowaną w obliczeniach genetycznych jest zasada mnożenia. Stosuje się ją przy obliczaniu liczby zdarzeń niezależnych, czyli takich, gdy wynik jednego zdarzenia nie wpływa na wynik drugiego zdarzenia. Przykładem zdarzeń niezależnych jest urodzenie się pierwszego i drugiego dziecka jednakowej płci. Urodzenie pierwszego dziecka, np. dziewczynki, nie ma wpływu na płeć kolejnych dzieci. Jeżeli zdarzenie pierwsze zachodzi na n 1 sposobów, natomiast zdarzenie drugie na n 2 sposoby i zdarzenia te są niezależne, wówczas zdarzenie pierwsze i drugie zachodzi na n 1 n 2 sposoby. Przykład 2. Ile rodzajów gamet może wytworzyć osobnik o genotypie DDEeFFgg, przy założeniu, że wymienione geny dziedziczą się niezależnie. Rozwiązanie: zdarzenie pierwsze (n 1 ) allel D segreguje tylko na 1 sposób (D); zdarzenie drugie (n 2 ) allele E, e segreguje na 2 sposoby (albo E albo e); zdarzenie trzecie (n 3 ) allel F segreguje tylko na 1 sposób (F); zdarzenie czwarte (n 4 ) allel g segreguje tylko na 1 sposób (g). Każde z czterech zdarzeń zachodzi niezależnie, zatem liczba rodzajów gamet wytwarzanych potencjalnie przez tego osobnika wynosi n 1 n 2 n 3 n 4 = = 2. Permutacje Trzecią zasadą stosowaną w genetyce jest zasada permutacji. Zasada ta jest używana do obliczania liczby sposobów, na które można uzyskać żądany wynik, jeżeli wszystkie obiekty są rozróżnialne. Liczbę permutacji w próbie oblicza się na podstawie wzoru: N! = N (N 1) (N 2) (N 3)... 1, (1) gdzie: N suma obiektów w próbie. Przykład 3. W kolbie hodowlanej znajduje się 5 samców ( ) muszki owocowej fenotypowo identycznych, lecz genetycznie różnych ( 1 5 ). Oblicz na ile sposobów można wylosować owady z kolby. Rozwiązanie: Pierwszy sposób rozwiązania: 5! = 5 (5 1) (5 2) (5 3) (5 4) = = 120 SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

48 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Drugi sposób rozwiązania: zdarzenie pierwsze (n 1 ) jako pierwszego osobnika można wylosować 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5, czyli zgodnie z zasadą dodawania zdarzenie pierwsze zachodzi na pięć sposobów. Na przykład jako pierwszego osobnika wylosowano 1 ; zdarzenie drugie (n 2 ) drugiego osobnika można losować już tylko z czterech możliwości: 2 albo 3 albo 4 albo 5, czyli zdarzenie drugie zachodzi na cztery sposoby. Na przykład jako drugiego osobnika wylosowano 2 ; zdarzenie trzecie (n 3 ) jako trzeciego osobnika można wylosować albo 3 albo 4 albo 5, czyli zdarzenie zachodzi na trzy sposoby. Jako trzeciego osobnika wylosowano na przykład 3 ; zdarzenie czwarte (n 4 ) jako czwartego osobnika można wylosować albo 4 albo 5, zatem zdarzenie zachodzi na dwa sposoby. Na przykład, jako czwartego osobnika wylosowano 4 ; zdarzenie piąte (n 5 ) jako piątego osobnika losujemy samca, który pozostał w kolbie, czyli 5, zatem zdarzenie piąte zachodzi na jeden sposób. Ponieważ każde z pięciu zdarzeń jest zdarzeniem niezależnym, co należy rozumieć, że po wylosowaniu jako pierwszego osobnika 1 jako drugiego osobnika można wylosować dowolnego samca z pozostałych czterech ( 2 5 ), stosuje się zasadę mnożenia i osobniki można wylosować na n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 = = 120 sposobów. Kombinacje Zasada kombinacji ma zastosowanie do obliczania liczby sposobów, na które można uzyskać wynik, gdy obiekty są podzielone na dwie odrębne grupy. Kombinacje obliczamy ze wzoru: C = N!, gdzie (2) x 1!x 2! C liczba kombinacji, N suma obiektów, x 1 liczba obiektów jednej grupy, x 2 liczba obiektów drugiej grupy. Przykład 4. Na ile sposobów można uzyskać 3 samce i 3 samice muszki owocowej? Rozwiązanie: C(3 i 3 ) = 6! 3!3! Zastosowanie zasad = = 20 sposobów Omówione zasady są stosowane do obliczania prawdopodobieństw zdarzeń. Prawdopodobieństwo sukcesu (p), czyli oczekiwanego wyniku zdarzenia jest proporcją liczby sukcesów do sumy wszystkich możliwych wyników (Jadwiszczak, 2010). p = (liczba sukcesów) : (suma wszystkich wyników) (3) Zasada mnożenia jest stosowana przy obliczaniu prawdopodobieństwa zdarzeń, które są niezależne. Prawdopodobieństwo zdarzeń niezależnych jest prawdopodobieństwem iloczynu zdarzeń. Jeżeli zdarzenie pierwsze (E 1 ) zachodzi na n 1 sposobów, a zdarzenie drugie (E 2 ) na n 2 sposoby i oba zdarzenia są niezależne, to prawdopodobieństwo, że wystąpią razem, jest iloczynem ich indywidualnych prawdopodobieństw (Watała, 2002). p(e 1 i E 2 ) = p(e 1 ) p(e 2 ) (4) Przykład 5. Oblicz prawdopodobieństwo wytworzenia gamety AB przez osobnika o genotypie AaBB, przy założeniu, że oba geny dziedziczą się niezależnie. Rozwiązanie: W gamecie para alleli A, a może wystąpić na 2 sposoby, natomiast allel B na 1 sposób. Oba geny dziedziczą się niezależnie. A zatem prawdopodobieństwo, że osobnik o danym genotypie wytworzy gametę AB jest iloczynem prawdopodobieństwa wytworzenia gamety z allelem A oraz prawdopodobieństwa wytworzenia gamety z allelem B. Wobec tego, że prawdopodobieństwo powstania gamety z allelem A, czyli p(a) wynosi ½ (zgodnie ze wzorem (3) 1 sukces do 2 możliwych wyników albo allel A albo allel a będzie w gamecie), natomiast prawdopodobieństwo powstania gamety z allelem B, czyli p(b) wynosi 1 (1 sukces do 1 możliwego wyniku), prawdopodobieństwo, że oba zdarzenia wystąpią razem obliczamy zgodnie ze wzorem (4) w następujący sposób: p(ab) = p(a) p(b) = ½ 1 = ½ Zasada dodawania jest stosowana do obliczania prawdopodobieństwa zdarzeń, które się wzajemnie wykluczają. Gdy zdarzenie pierwsze (E 1 ) zachodzi na n 1 sposobów, a zdarzenie drugie (E 2 ) zachodzi na n 2 sposoby i oba zdarzenia wzajemnie się wykluczają, wówczas prawdopodobieństwo albo zdarzenia pierwszego albo drugiego jest sumą ich indywidualnych prawdopodobieństw, i jest nazywane prawdopodobieństwem sumy zdarzeń. p(e 1 lub E 2 ) = p(e 1 ) + p(e 2 ) (5) Przykład 6. Galaktozemia jest chorobą autosomalną recesywną. Oblicz prawdopodobieństwo, że pierwsze dziecko urodzone w małżeństwie dwóch heterozygotycznych osób będzie albo zdrową dziewczynką, albo chorym chłopcem. Rozwiązanie: Galaktozemia jest determinowana allelem resesywnym autosomalnym g, natomiast brak choroby allelem dominującym G. W potomstwie dwóch heterozygot: Gg Gg dzieci zdrowe do chorych urodzą się w proporcji 3:1. Zdarzenie urodzenia się dziecka jako zdrowej dziewczynki wyklucza, że dziecko jednocześnie będzie chorym chłopcem. A zatem prawdopodobieństwo urodzenia dziecka, które będzie albo zdrową dziewczynką, albo chorym chłopcem obliczamy jako sumę indywidualnych prawdopodobieństw obu zdarzeń. p(g_ lub gg ) = p(g_ ) + p(gg ) = (¾ ½) + (¼ ½) = ⅜ + 1 / 8 = 4 / 8 = ½ SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

49 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ W celu obliczenia prawdopodobieństwa zdarzeń wśród N obiektów należących do dwóch wyraźnie wyodrębnionych grup (prawdopodobieństwo zdarzeń dwumianowych), stosuje się zasadę kombinacji. Prawdopodobieństwo zdarzenia złożonego z x 1 sukcesów i x 2 porażek, można obliczyć dwiema metodami. Jedna z metod opiera się na zastosowaniu wzoru (6), który zawiera wzór (2): p(x 1, x 2 ) = N! x 1!x 2! px1 q x2, gdzie (6) N suma obiektów x 1 liczba sukcesów x 2 liczba porażek; x 1 + x 2 = N p prawdopodobieństwo sukcesu q prawdopodobieństwo porażki; p + q=1 Druga metoda, stosowana do obliczania prawdopodobieństwa wyłącznie zdarzeń dwumianowych zachodzących z prawdopodobieństwem ½, opiera się na konstrukcji trójkąta Pascala, co obrazuje rycina 1. Wykorzystanie obu metod zostanie omówione na przykładzie siódmym. Przykład 7. Oblicz prawdopodobieństwo otrzymania dwóch samców ( ) i dwóch samic ( ) muszki owocowej przy liczebności potomstwa cztery. Rozwiązanie: a) metoda pierwsza p(2 i 2 ) = 4! 2!2! (½)2 (½) 2 = 6 ¼ ¼ = 6 / 16 = 3 / 8 b) metoda druga oparta na trójkącie Pascala (ryc. 1) Prawdopodobieństwo uzyskania grupy złożonej z 2 samców i 2 samic oblicza się korzystając ze wzoru (3): p(2 i 2 ) = 6 / 16 = 3 / 8 Zawarte w pracy przykłady stosowania podstawowych zasad matematycznych mogą ułatwić nauczycielom wyjaśnianie trudnych zagadnień z zakresu rachunku prawdopodobieństwa i przyczynić się do rozwoju wiedzy genetycznej uczniów, popartej umiejętnością rozwiązywania zadań genetycznych. Przykład ósmy zawiera omówione w pracy zasady matematyczne, które nauczyciel dowolnie może wykorzystać w obliczeniach genetycznych. Przykład 8. Mukowiscydoza jest chorobą autosomalną recesywną. Heterozygotyczni rodzice planują założenie rodziny. Oblicz: a) liczbę możliwych typów gamet wytwarzanych przez ojca dzieci; b) na ile sposobów można uzyskać 1 dziewczynkę i 2 chłopców, przy założeniu że chłopcy nie różnią się między sobą; c) prawdopodobieństwo urodzenia 1 dziewczynki i 2 chłopców, przy założeniu, że chłopcy nie różnią się między sobą; d) prawdopodobieństwo, że pierwszym dzieckiem będzie chłopiec, drugim dziewczynka, a trzecim chłopiec; e) prawdopodobieństwo, że pierwsze dziecko będzie chore; f) prawdopodobieństwo urodzenia chorego chłopca; g) prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego chorego chłopca, drugiego dziecka zdrowej dziewczynki, zaś trzeciego dziecka zdrowego chłopca; h) prawdopodobieństwo urodzenia trójki zdrowych dzieci; i) prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego dziecka jako zdrowej dziewczynki lub zdrowego chłopca. Rozwiązanie: Oznaczenie alleli: A brak choroby, a mukowiscydoza. Krzyżówka: P: Aa Aa a) Postępujemy zgodnie z zasadą dodawania: zdarzenie pierwsze n 1 = 1 sposób (w gamecie znajduje się allel A) Ryc. 1. Schemat trójkąta Pascala rozpisanego do rzędu liczącego 4 osobniki w próbie Ryc. 2. Schemat metody obliczania liczby sposobów uzyskania zdarzenia: 1 dziewczynka i 2 chłopców przy zastosowaniu trójkąta Pascala. zdarzenie drugie n 2 = 1 sposób (w gamecie znajduje się allel a) Obecność w gamecie allelu A wyklucza obecność allelu a w tej samej gamecie (I prawo Mendla), zatem liczbę sposobów zdarzeń wykluczających się obliczamy korzystając z zasady dodawania i uzyskujemy wynik: n 1 + n 2 = = 2 b) Postępujemy zgodnie ze wzorem (2) lub korzystamy z trójkąta Pascala (ryc. 2): C(1 i 2 ) = 3! 1!2! = 3 SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

50 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ c) Postępujemy zgodnie ze wzorem (6) lub korzystamy z trójkąta Pascala (ryc. 3): p(1 i 2 ) = 3! 1!2! ( 1 2 ) 1 ( 1 2 ) 2 = = 3 8 Ryc. 3. Schemat metody obliczania prawdopodobieństwa zdarzenia: 1 dziewczynka i 2 chłopców przy zastosowaniu trójkąta Pascala. d) Urodzenie pierwszego dziecka jako chłopca nie ma wpływu na płeć drugiego i trzeciego dziecka, zatem są to zdarzenia niezależne i korzystamy z zasady mnożenia. p(,, ) = p( ) p( ) p( ) = = e) Prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego chorego dziecka, czyli osobnika o genotypie aa z krzyżówki Aa Aa obliczamy na podstawie wzoru (4), ponieważ allel a pochodzący od ojca znajduje się w zygocie niezależnie od allelu a z gamety pochodzącej od matki: p(aa) = p(a) p(a) = = 1 4 f) Prawdopodobieństwo urodzenia chorego chłopca składa się z dwóch zdarzeń: urodzenia się chorego dziecka oraz urodzenia chłopca. Oba zdarzenia są niezależne, zatem korzystamy z prawdopodobieństwa iloczynu zdarzeń. p(aa ) = = 1 8 g) Urodzenie pierwszego chorego chłopca nie wpływa na urodzenie drugiego dziecka jako zdrowej dziewczynki ani trzeciego dziecka jako zdrowego chłopca, zatem obliczenie prawdopodobieństwa tego zdarzenia jest iloczynem indywidualnych prawdopodobieństw poszczególnych zdarzeń; prawdopodobieństwo urodzenia zdrowego dziecka p(a_) = p(aa) + p(aa) + p(aa) = = prawdopodobieństwo urodzenia chorego dziecka p(aa) = 1 4 prawdopodobieństwo urodzenia chłopca p( ) = ½ prawdopodobieństwo urodzenia dziewczynki ( ) = ½ p(aa A_ A_ ) = = h) W zadaniu nie ma informacji co do płci dzieci. Prawdopodobieństwo urodzenia trójki zdrowych dzieci oblicza się z na podstawie prawdopodobieństwa zdarzeń niezależnych: p(a_, A_, A_ ) = = i) Prawdopodobieństwo urodzenia pierwszego dziecka jako zdrowej dziewczynki wyklucza, że to samo dziecko będzie zdrowym chłopcem, zatem korzystamy ze wzoru prawdopodobieństwa sumy zdarzeń (5). p(a_, A_ ) = ( ) + ( ) = 6 8 = 3 4 Podsumowanie Rozwiązywanie zadań z genetyki przypomina rozwiązywanie łamigłówek. Aby rozwiązywanie zadań nie sprawiało uczniom trudności i było przyjemne, powinno się przestrzegać określonego postępowania oraz poprawnie stosować zasady matematyczne. Znajomość zasady mnożenia jest niezbędna do oceny prawdopodobieństwa zaistnienia zdarzeń niezależnych, natomiast zasady dodawania w celu szacowania prawdopodobieństwa zaistnienia zdarzeń, które się wykluczają. Zasada permutacji oraz kombinacji jest przydatna przy obliczaniu prawdopodobieństwa zdarzeń zachodzących wśród obiektów podzielonych na dwie grupy. Znajomość zasad matematycznych oraz umiejętność ich prawidłowego zastosowania może również przyczynić się do głębszego zrozumienia przez uczniów procesów i praw biologicznych takich jak: mejoza, losowa segregacja chromosomów, losowe łączenie gamet czy I i II prawo Mendla. Literatura Elseth GD, Baumgardner KD (1984). Genetics. Addison-Wesley Publishing Company. Jadwiszczak P (2010). Zrozumiec statystykę. Szczecin: Wyd. My Book. Łomnicki A (2007). Wprowadzenie do statystyki dla przyrodników. Warszawa: Wyd. Naukowe PWN,. Niss M (1997). Matematyczne kompetencje. Dostępne na: www. ap.krakow.pl/kdm/mniss Osiągnięcia maturzystów w 2012 roku. Sprawozdanie z egzaminu maturalnego z 2012 roku. Centralna Komisja Egzaminacyjna. Dostępne na: Podstawa programowa kształcenia ogólnego. Rozporządzenie MEN z dnia 23 grudnia 2008 r. Sternicka A (1997). Czy genetyka może być dla uczniów ciekawsza i łatwiejsza? Biologia w Szkole. 5: Sternicka A (1996). Postawy uczniów wobec genetyki. Biologia w Szkole. 4: Watała C (2002) Biostatystyka wykorzystanie metod statystycznych w pracy badawczej w naukach biomedycznych. Bielsko-Biała: Wyd. α-medica press. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

51 Metody obliczeniowe w genetyce Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Calculation methods in genetics Ewa Oleńska, Alina Stankiewicz This work, dedicated to biology teachers of high and secondary schools, presents the basic mathematic calculation rules applied in solving the solutions of genetic exercises which are the common evaluation measure of students knowledge and skills. The knowledge according to addition and multiplication rules, permutation formula and combination rule is applied in calculating of addition, multiplication and binomial probabilities, the calculating of which is crucial in determining the chances of production of specific gametes or genotypes which often is difficult for students. Moreover, present work includes proposal exercise based on presented in work mathematic ruler with the answers attached.. Key words: genetic exercise, addition rule, multiplication rule, permutation formula, combination rule, addition probability, multiplication probability, binomial probability, Pascal s triangle SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

52 Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów Krzysztof Konarzewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów w perspektywie międzynarodowej Krzysztof Konarzewski Streszczenie: Artykuł przedstawia wyniki pomiaru osiągnięć przyrodniczych uczniów klasy trzeciej szkoły podstawowej na tle wyników uczniów z 49 innych krajów, a także prawdopodobne powody względnie niskiej pozycji polskich uczniów w tym pomiarze. Słowa kluczowe: TIMSS, PIRLS, międzynarodowe badania osiągnięć szkolnych, osiągnięcia przyrodnicze, edukacja początkowa otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: prof. Krzysztof Konarzewski: profesor pedagogiki i ekspert oświatowy. Pracuje w Instytucie Badań Edukacyjnych w Warszawie i Wszechnicy Świętokrzyskiej w Kielcach. W maju 2011 r. zespół badaczy powołany przez Centralną Komisję Egzaminacyjną przeprowadził pomiar osiągnięć matematycznych i przyrodniczych ponad 5 tys. uczniów z losowo wybranych 257 oddziałów klasy trzeciej w 150 szkołach podstawowych. W odrębnej sesji ci sami uczniowie wykonali ponadto test rozumienia pisanego tekstu. Pomiary odbyły się w ramach badań TIMSS (Trends in International Mathematics and Science Study) i PIRLS (Progress in International Reading Literacy Study), które zorganizowało Międzynarodowe Towarzystwo Mierzenia Osiągnięć Szkolnych (IEA International Association for the Evaluation of Educational Achievement) w 50 krajach (Martin, Mullis, Foy i Stanco, 2012). Średni wiek testowanych dzieci wahał się od 9,7 (we Włoszech i Norwegii) do 11,2 lat (w Jemenie), a liczba lat nauki szkolnej od 3 (w Polsce) do 6 lat (w Holandii i Irlandii Północnej). Badania dają podstawę do oceny efektywności polskiej edukacji początkowej (Konarzewski, 2012). Poniżej przedstawiam najważniejsze wyniki i wnioski odnoszące się do osiągnięć przyrodniczych ostatniego rocznika dzieci kształconych według podstawy programowej ministra Mirosława Handke. Wyniki Nasi uczniowie mogliby wypaść lepiej, gdyby nie okrojony program i anachroniczna metodyka kształcenia przyrodniczego 1. Test TIMSS mierzył zasoby wiedzy przyrodniczej o życiu, Ziemi i materii nieożywionej, uznane przez ekspertów za niezbędne do kontynuowania edukacji przyrodniczej w następnych latach. Na wiedzę o życiu (biologię) złożyło się sześć zagadnień: organizmy ludzi, zwierząt i roślin cechy odróżniające je od rzeczy nieożywionych, główne układy i ich funkcje; rozmnażanie, dziedziczenie, cykle życiowe roślin i zwierząt; cechy fizyczne, zachowanie i przystosowanie organizmów do życia w różnych środowiskach; stosunki w środowiskach naturalnych, np. zależności między organizmami w lesie, sadzawce, na pustyni, proste łańcuchy pokarmowe; zmiany w środowisku spowodowane działalnością człowieka, np. zanieczyszczenie środowiska i sposoby zapobiegania mu; zdrowie człowieka, np. symptomy zdrowia i choroby, przenoszenie chorób, zapobieganie chorobom, dieta, ruch. Wiedza o Ziemi (geografia) obejmowała sześć zagadnień: woda na Ziemi (umiejscowienie, rodzaje wód, obieg) i powietrze (dowód na istnienie powietrza, skład, wykorzystanie w codziennym życiu); ukształtowanie powierzchni Ziemi (góry, równiny, pustynie, rzeki) i związki z życiem człowieka (np. rolnictwem nawadnianie, rozwój terenów zielonych); warunki pogodowe w różnych porach roku; skamieniałości zwierząt i roślin (wiek, lokalizacja, powstawanie); Układ Słoneczny (Słońce, planety, Księżyc); dzień i noc, związek cienia z obrotem Ziemi. Wiedza o materii nieożywionej (fizyka) obejmowała osiem zagadnień: stany skupienia materii (ciała stałe, płyny i gazy) i ich własności (kształt, objętość), w tym zmiany stanu pod wpływem ogrzewania i ochładzania; SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

53 Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów Krzysztof Konarzewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ klasyfikowanie przedmiotów na podstawie cech fizycznych, np. ciężaru, objętości, przyciągania magnetycznego; tworzenie i rozdzielanie mieszanin; typowe przemiany ciał, np. gnicie, spalanie, rdzewienie, gotowanie; typowe źródła energii i ich wykorzystanie w praktyce ciepło słoneczne, elektryczność, ruch wody lub wiatru; światło źródła, zachowanie się; obwody elektryczne, właściwości magnesu; siły poruszające ciała grawitacja, popychanie i ciągnięcie. 2. W międzynarodowej skali osiągnięć przyrodniczych o średniej 500 i odchyleniu standardowym 100 polscy uczniowie uzyskali 505 punktów z odchyleniem standardowym 78 (ryc. 1). Osiągnięcia małych Polaków podobnie jak uczniów z czterech innych krajów: Ryc. 2. Średnie osiągnięć przyrodniczych w Polsce i 42 krajach testujących czwartoklasistów Obliczenia własne na podstawie: Martin i wsp. (2012) Rumunii, Hiszpanii, Nowej Zelandii i Kazachstanu nie różniły się istotnie od średniej międzynarodowej. W rankingu osiągnięć przyrodniczych dzieci z Polski zajęły 29. miejsce (ex aequo z Rumunią i Hiszpanią). Warto dodać, że w rankingu osiągnięć matematycznych wypadły wyraźnie gorzej (34. miejsce), a w rozumieniu pisanego tekstu odrobinę lepiej (28. miejsce). 3. Polscy uczniowie należeli do najmłodszych (9,9 lat) i najkrócej kształconych (3 lata) w szkole. Czterdzieści trzy, a właściwie 42 kraje, bo wyniki Jemenu odstawały tak bardzo od pozostałych, że musiały być usunięte z analizy, testowały czwartoklasistów. Dzieci te były w różnym wieku, zależnie od momentu rozpoczynania nauki. Jak pokazuje ryc. 2, dziesięcioletni trzecioklasiści z Polski uzyskali wynik typowy dla czwartoklasistów starszych o pół roku. 4. Cztery wartości progowe ustalone na skali międzynarodowej pozwoliły podzielić wyniki na pięć przedziałów. Do ich nazwania wykorzystuję naszą skalę ocen szkolnych od jedynki do piątki. Pod względem odsetka piątek listę otwiera Singapur (piątki zdo- KRÓTKO SZKOŁA NAUKA Ryc. 1. Średnie osiągnięć przyrodniczych w 50 krajach Źródło: Martin i wsp. (2012)

54 Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów Krzysztof Konarzewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Ryc. 3. Rozkład procentowy osiągnięć przyrodniczych w 4 krajach Źródło: Martin i in. (2012) było tam 33% uczniów), a zamyka Jemen (0%). Polska, z 5-procentową grupą prymusów, awansuje z 29. na 26. miejsce, ale ciągle nam daleko do krajów pokrewnych historycznie i kulturowo, np. Czech, Słowacji czy Węgier. Rycina 3 pokazuje, że uczniów z najsłabszymi i słabymi wynikami mamy więcej niż uczniów z najmocniejszymi i mocnymi, podczas gdy na Węgrzech pierwszych jest ponad dwukrotnie mniej niż drugich. 5. W populacji międzynarodowej osiągnięcia przyrodnicze dziewczynek i chłopców praktycznie nie różniły się od siebie (średnie: 487 i 485, odpowiednio). W 23 krajach różnica ta jest nieistotna (m.in. w Rosji, na Litwie i Węgrzech, w Rumunii i Serbii). W 16 krajach notuje się istotne, choć niewielkie różnice na korzyść chłopców największe w Czechach, Austrii, Niemczech, Holandii, Belgii, a także w Stanach Zjednoczonych Ameryki i Chile. W tej grupie znajduje się też Polska, choć u nas przewaga chłopców nad dziewczynkami jest relatywnie mała, zaledwie sześciopunktowa. W 11 krajach to dziewczynki przewyższają chłopców w przyrodoznawstwie, z tego w ośmiu znacznie. Są to: Zjednoczone Emiraty Arabskie, Bahrajn, Tunezja, Katar, Jemen, Oman, Arabia Saudyjska i Kuwejt. 6. Z trzech dziedzin wiedzy polscy uczniowie względnie najlepiej opanowali zagadnienia biologiczne (pod tym względem przesunęli się na 27. miejsce), najgorzej natomiast fizyczne (tu spadli na 30.). Test TIMSS odrębnie mierzył poziom wykonania zadań typowych i problemowych. Mali Polacy wypadli wyraźnie gorzej w zastosowaniach problemowych (33. miejsce) niż w typowych (24. miejsce). 7. W polskiej szkole panuje przekonanie, że w nauczaniu przyrodoznawstwa jesteśmy potęgą. Nauczyciele badanych oddziałów wysoko ocenili własne kompetencje przyrodnicze pod tym względem wyprzedzili ich jedynie nauczyciele z Rumunii, Kuwejtu i Arabii Saudyjskiej. Wysoko ocenili też swoje kwalifikacje metodyczne. Na świecie za bardzo pewnych w nauczaniu przyrodoznawstwa uznało się 59% nauczycieli, w Polsce 78%. 8. Według nauczycieli postawę nauczania o przyrodzie stanowią u nas podręcznik, zeszyt ćwiczeń i karty pracy. W klasie trzeciej na lekcjach poświęconych środowisku znacznie rzadziej niż na świecie stosuje się demonstracje i doświadczenia (tak uczy się u nas 12% dzieci, podczas gdy na świecie 36%) oraz aplikacje komputerowe (3% i 11%, odpowiednio). W ankiecie pytano nauczycieli, jak często proszą swoich uczniów, by obserwowali i opisywali zjawiska naturalne (np. pogodę lub wzrost rośliny), przyglądali się doświadczeniom wykonywanym przez nauczyciela, obmyślali, planowali i przeprowadzali własne doświadczenia, formułowali wyjaśnienia zaobserwowanych zjawisk, a także by odnosili to, czego się nauczyli na lekcji, do codziennego życia. Według nauczycieli takie działania przynajmniej w połowie lekcji przyrody podejmuje na świecie średnio 40% uczniów. W Polsce znacznie mniej 11%. 9. Uczniowska samoocena wiedzy przyrodniczej okazała się wysoka pod tym względem mali Polacy zajęli 24. miejsce, wyprzedzając m.in. rówieśników z siedmiu krajów będących w pierwszej dziesiątce pod względem osiągnięć przyrodniczych (np. z Korei Południowej, Finlandii i Czech). Większość polskich uczniów (57%) oświadczyła, że bardzo lubi uczyć się o środowisku, co daje nam 17. miejsce wśród 50 krajów. Że nie jest to grzecznościowa deklaracja, przekonuje porównanie z analogicznym oświadczeniem w sprawie czytania bardzo lubi czytać tylko 24% naszych uczniów, co sytuuje ich, wraz ze słowackimi, na dalekim 33. miejscu. Wnioski Główny wniosek z polskiej części badania TIMSS 2011 brzmi: Nasi uczniowie wypadli nadspodziewanie dobrze, jak na to, czego i jak uczymy ich o przyrodzie w okresie edukacji początkowej. Mogliby wypaść lepiej, gdyby nie okrojony program i anachroniczna metodyka kształcenia przyrodniczego. Przyroda nigdy nie była bohaterką polskiej edukacji początkowej. W podstawie programowej ( sta- SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

55 Osiągnięcia przyrodnicze trzecioklasistów Krzysztof Konarzewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ rej, z 2002 r., bo ta obowiązywała uczniów badanych w 2011 r.) odwołania do przyrodoznawstwa są nadzwyczaj skąpe. Wśród pięciu celów edukacji początkowej znajdziemy rozbudzanie potrzeby kontaktu z przyrodą, co z przyrodoznawstwem ma niewiele wspólnego, bo trąci romantyzmem więcej w tym Mickiewicza niż braci Śniadeckich. W spisie zadań szkoły mamy uczenie właściwych zachowań w stosunku do zwierząt i otaczającej przyrody tu też przyroda występuje jako człon relacji ze światem człowieka, a nie jako autonomiczny przedmiot obserwacji szkiełkiem i okiem. Na 55 jednostek treści nauczania do przyrody odwołuje się siedem. Najbliższe duchowi przyrodoznawstwa brzmi: obserwowanie zjawisk i procesów przyrodniczych dostępnych doświadczeniu dziecka i mówienie o nich. Dlaczego mówienie, a nie wyjaśnianie? Zapewne dlatego, by powstrzymać inwazję teorii naukowych w wykoncypowany w romantyczno-mieszczańskim duchu świat dzieciństwa. O okrojeniu naszych programów kształcenia przyrodniczego najlepiej świadczy fakt, że znalazło się w nich tylko 2 / 5 zagadnień przyrodniczych objętych testem TIMSS. Najmniej wiadomości dostawały polskie dzieci o materii nieożywionej. Ponieważ mało ich też w życiu codziennym, trudno się dziwić, że w tej dziedzinie wypadły względnie najgorzej. Względnie niską pozycję naszych uczniów w zadaniach problemowych najprościej tłumaczy dominująca, oparta na słowie i obrazku metodyka kształcenia przyrodniczego. Najnowsza metaanaliza 138 doniesień badawczych poświęconych nauczaniu opartemu na badaniu wykazuje, że sprzyja ono zapamiętywaniu i rozumieniu treści przyrodniczych. Szczególnie korzystna dla zrozumienia przyrody jest aktywność umysłowa dzieci podczas prowadzenia własnych doświadczeń i nacisk na wyciąganie wniosków z danych (Minner, Levy i Century, 2009). Ubóstwo treści przyrodniczych i nieangażującą metodykę po części tłumaczy niska klasa, w której byli nasi uczniowie. W pozostałych krajach badani uczniowie byli w czwartej, piątej, a nawet szóstej klasie. Wykonanie powszechnie kontestowanej ustawy o objęciu dzieci sześcioletnich obowiązkiem szkolnym daje nadzieję na podniesienie osiągnięć przyrodniczych polskich dziesięciolatków skoro bowiem dziś sporo umieją, choć były nauczane marnie i tylko przez trzy lata, to nauczane dobrze przez całe cztery lata powinny umieć znacznie więcej. Niestety, samo obniżenie wieku rozpoczynania nauki nie wywoła przełomu. Nową podstawę programową dla klas początkowych nieco poszerzono dzięki czemu pokrywa już połowę zagadnień sprawdzanych w testach TIMSS a także wzbogacono o zalecenie, by uczniowie obserwowali i prowadzi proste doświadczenia przyrodnicze i odwiedzali ogród botaniczny lub gospodarstwo rolne. Nie zmierzono się jednak z problemem kwalifikacji nauczycieli. Od czasu wprowadzenia w latach 70. XX w. odrębnej specjalności nauczycielskiej nazwanej nauczaniem początkowym, przyszli nauczyciele studiują filozofię i socjologię edukacji, psychologię rozwoju, komunikację interpersonalną, diagnostykę zaburzeń uczenia się itp., ale z przyrodoznawstwem stykają się jedynie na krótkim i uproszczonym kursie edukacji przyrodniczej, z reguły niekończącym się egzaminem (na Uniwersytecie Warszawskim trwa on 30 godzin i kończy się zaliczeniem na ocenę). W tym świetle wysoka samoocena naszych nauczycieli jawi się jako świadectwo niezrozumienia współczesnego przyrodoznawstwa i metodycznego tradycjonalizmu. W klasie czwartej przyroda jest odrębnym przedmiotem nauczanym przez lepiej przygotowanych nauczycieli. Trudno jednak mieć nadzieję, że w ciągu jednego roku uda się efektywnie zapoznać czwartoklasistów z drugą połową zagadnień testowanych w badaniu TIMSS. Na przeszkodzie stanie zapewne ostre przejście od luźnej, zintegrowanej edukacji początkowej do sztywnego nauczania przedmiotowego. Takie przejście zrywa ciągłość kształcenia, co musi utrudnić dzieciom wykorzystywanie wiedzy zdobytej w klasach początkowych. Deklarowane przez uczniów zainteresowanie przyrodą jak było, tak zapewne i będzie marnowane w polskich szkołach podstawowych. Literatura Konarzewski K (2012). TIMSS i PIRLS Osiągnięcia szkolne polskich trzecioklasistów w perspektywie międzynarodowej. Warszawa: CKE. Minner DD, Levy AJ i Century J (2009). Inquiry-based science instruction What is it and does it matter? Results from a research synthesis years 1984 to Journal of Research in Science Teaching, 47(4), Martin MO, Mullis IVS, Foy P i Stanco GM (2012). TIMSS 2011 international results in science. Chestnut Hill: Lynch School of Education, Boston College. International assessment of elementary school students science achievement Krzysztof Konarzewski The paper presents elementary school third graders science achievement assessed against an international background, and offers some reasons for relatively low position of the Polish students in the world rankings. Key words: TIMSS, PIRLS, international measurement of scholastic achievement, science achievement, elementary education SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

56 Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Praktyka eksperymentalna w edukacji przyrodniczej Marcin Zaród Streszczenie: Artykuł przedstawia uwagi metodyczne związane z organizacją i przebiegiem szkolnych doświadczeń fizycznych na poziomie gimnazjum i szkół ponadgimnazjalnych w ramach obecnej podstawy programowej. Pokazane są w nim propozycje łączenia fizyki z innymi przedmiotami przyrodniczymi, techniką i otoczeniem codziennym uczniów. Artykuł zawiera przykład organizacji lekcji eksperymentalnej na podstawie doświadczeń z elektrycznością na etapie gimnazjum. Przykłady i praktyki prezentowane w artykule są oparte na doświadczeniach edukacji pozaformalnej, takich jak akademickie programy popularyzatorskie i działania edukacyjne organizacji pozarządowych. Słowa kluczowe: eksperyment uczniowski, fizyka, edukacja pozaformalna, popularyzacja nauki, elektryczność otrzymano: ; przyjęto: ; opublikowano: 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 Fizyka bez eksperymentów nie ma sensu. Co jednak zrobić, a czego unikać, by eksperyment łączył zainteresowanie z poszerzaniem wiedzy uczniów? Ile czasu powinien trwać? Jak liczne powinny być grupy? Czy dopuścić osoby z zewnątrz? Czy uczniowie powinni pisać sprawozdania? Czy do wyjaśniania zjawisk warto mieszać Kubicę i Dodę? Jakie narzędzia wykorzystać i jakie działy nauki wybrać do eksperymentu? Bardzo wiele wniosków na ten temat można wyciągnąć obserwując realizację programów edukacyjnych, takich jak Za rękę z Einsteinem, oraz działalność dużych centrów edukacyjnych (np. warszawskie Centrum Nauki Kopernik, gdańskie Hevelianum, łódzkie Experymentarium). Za rękę z Einsteinem studium przypadku Pierwsza edycja programu Za rękę z Einsteinem była prowadzona w latach na terenie województw pomorskiego, kujawsko-pomorskiego i warmińsko-mazurskiego. Organizatorem programu była Politechnika Gdańska. Program był adresowany do uczniów szkół w małych miejscowościach. W jednym roku szkolnym z programem współpracowało ok. 120 szkół gimnazjalnych. Projekt był finansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. Budżet projektu to ok. 39 mln zł. Pokazy eksperymentów i wykłady popularnonaukowe były prowadzone przez studentów i pracowników Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej (w tym przez autora artykułu). Prowadzący nie mieli przygotowania pedagogicznego. Byli to raczej fizycy- -naukowcy niż fizycy-pedagodzy. W przeciwieństwie do zajęć w Centrum Nauki Kopernik, eksperymenty w Einsteinie były dopasowane do programu nauczania w danej szkole. Z tego powodu ich wartość jako dobrej praktyki metodycznej jest większa niż w przypadku zajęć w CNK. Celem Ein- steina nie była wyłącznie zabawa w fizykę, lecz także doskonalenie mniej efektownych kompetencji (np. liga zadaniowa, obliczenia uczniowskie w trakcie pokazów). Głównym narzędziem dydaktycznym były dodatkowe zajęcia z fizyki i matematyki prowadzone na terenie szkół. Pojedynczy pokaz doświadczeń lub łamigłówek matematycznych trwał ok. 3 godziny lekcyjne, po których następowała rotacja grup uczniowskich. Część aparatury zakupiono na potrzeby projektu, ale większość wypożyczono z politechniki lub skonstruowano samodzielnie. Większa część zajęć skupiała się na prostych eksperymentach z mechaniki i elektryczności. Największe zainteresowanie budziły doświadczenia z elektrostatyki (rozładowywanie butelki lejdejskiej, przesyłanie iskry przez dotyk dłońmi), mechaniki (efekt żyroskopowy, rozkład sił na rolce nici, równowaga sił) i termodynamiki (balony na ciepłe powietrze, modele silników). Eksperymenty realizowane w centrach edukacyjnych również koncentrują się na tych dziedzinach, ze względu na ich atrakcyjność wizualną i łatwość przełożenia wyników na życie codzienne widzów. Podczas ferii i wakacji dla uczniów z wybranych klas zorganizowano kolonie naukowe w Gdańsku. Uczestnicy nocowali w akademikach politechniki i mogli wykonywać eksperymenty w laboratoriach studenckich (niewykorzystywanych w czasie wakacji). Po południu uczniowie zwiedzali miasto lub brali udział w programie kulturalnym. Projekt przewidywał również udział uczniów w Bałtyckim Festiwalu Nauki i innych imprezach popularyzatorskich. Laboratoria realizowane w trakcie wakacji i ferii stanowiły specjalną wersję Pierwszej pracowni fizycznej, przystosowaną do potrzeb uczniów. Wykorzystanie zaplecza uczelni pozwoliło na większą liczbę eksperymentów akustycznych, optycznych i termodynamicznych z użyciem aparatury (np. przetwornik analogowo-cyfrowy, obieg skraplający, ciemnia optyczna). SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

57 Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Nauczyciele ze szkół uczestniczących w projekcie brali udział w warsztatach związanych z eksperymentami fizycznymi oraz pełnili funkcję wychowawców na wyjazdach uczniowskich. Budżet projektu miał przewidziane dodatkowe środki na wynagrodzenia i szkolenia dla nauczycieli. Eksperyment w szkole i poza szkołą zasoby i oceny Przenoszenie doświadczeń metodycznych między różnymi formami edukacji przyrodniczej nie zostało dotychczas wystarczająco opisane w literaturze. Nie można więc bezpośrednio przenosić wniosków płynących z edukacji pozaformalnej do postulatów metodycznych dla edukacji formalnej. Jednak wnioski płynące z czterech lat pracy w kilkudziesięciu szkołach mogą stanowić dobry punkt otwarcia takiej dyskusji na łamach EBiŚ. Największą różnicą jest znacznie większa ilość czasu, jaki realizatorzy programów pozaszkolnych mogą poświęcić na eksperymenty. Oprócz tego wspomniany wcześniej projekt dysponował zasobami leżącymi poza możliwościami wielu szkół w Polsce (6 animatorów zajęć pracujących z uczniami 2 6 godzin przez jeden dzień, nowe wyposażenie eksperymentalne). Nie sposób wymagać od nauczycieli eksperymentów, na które Einstein miał wielokrotnie większy budżet. Ostatni element, na który warto zwrócić uwagę, to fakt, że Einstein funkcjonował poza codzienną rutyną szkolną. Nauczyciele wielokrotnie odnotowywali, że w trakcie pokazów uczniowie byli bardziej aktywni niż podczas zwykłych lekcji. Zdecydowanie chętniej zadawali pytania i stawiali własne hipotezy. Zgodnie z relacjami pedagogów: rozbudzenie ciekawości poznawczej utrzymywało się przez ok. 2 4 tygodni zwykłych lekcji fizyki w okresie powakacyjnym. Z tego powodu uważam, że rozbudzenie ciekawości poznawczej i pasji eksperymentatora jest najważniejszą funkcją szkolnego eksperymentu. Eksperyment, jako lekcja niecodzienna (niestety!) i nieobarczona negatywnymi skojarzeniami poznawczymi, daje szansę na wyrwanie uczniów z monotonii. Pamiętając o tych różnicach między dydaktyką formalną i pozaformalną, postaram się znaleźć sposób przeniesienia tego entuzjazmu również na zwykłe lekcje. Pamiętając o tych różnicach, spróbujmy użyć dydaktyki nieformalnej jako poligonu metodycznego. Organizacja lekcji doświadczalnej W trakcie realizacji omawianego programu testowane były różne modele zajęć eksperymentalnych. Na ich podstawie można sformułować następujące wnioski dla tego typu zajęć prowadzonych w szkołach: Pokazy w formie wykładu, dla publiczności siedzącej na krzesłach okazały się mniej interesujące niż zajęcia umożliwiające ruch uczniów dookoła stanowisk eksperymentalnych. Pojedynczy eksperyment nie powinien trwać dłużej niż 20 minut, po których następuje rotacja uczniów. W jednej grupie nie powinno być więcej niż cztery osoby (optymalnie trzy), aby każdy uczeń miał szansę osobiście dokonać pomiaru. Dla jednej klasy potrzeba więc 4 8 stanowisk pomiarowych. Optymalna długość lekcji eksperymentalnej to 90 minut bez przerwy, co jest trudne do osiągnięcia w gimnazjum. Proste eksperymenty da się przygotować i wykonać w ciągu 45 minut, jeśli nauczyciel przygotuje ławki i sprzęt na przerwie. Ponieważ jeden prowadzący to za mało, aby efektywnie koordynować lekcję laboratoryjną dla kilku grup, wskazane jest wsparcie 2 5 uczniów pomagających nauczycielowi (tutorów, animatorów, pomocników). Na moich zajęciach używałem określenia tutor/tutorka, by podkreślić niecodzienność lekcji eksperymentalnej i wyjątkowy status tych uczniów. Optymalną proporcją jest dwóch animatorów na trzy stanowiska. Mogą być nimi stażyści, studenci z zaprzyjaźnionego koła naukowego, uczniowie lub rodzice. Najlepszą recepcją wśród uczniów cieszyły się te zajęcia, w których tutorami byli sami uczniowie. W praktyce można to zrealizować przy wsparciu starszych roczników (uczenie młodszych to dobra powtórka przed egzaminem) lub na zasadzie rotacji koleżeńskiej. Przykładowo: planując w roku szkolnym pięć lekcji eksperymentalnych, każdą klasę dzielimy na pięć grup. Kilka dni przed lekcją eksperymentalną nauczyciel przygotowuje instrukcję i omawia przebieg zajęć z wybraną grupą uczniów. W trakcie lekcji członkowie grupy nie wykonują sami eksperymentu, ale pomagają kolegom w jego przeprowadzeniu. Wcześniejsze przygotowanie spotkania z pomocnikami pozwala oszczędzić czas i ułatwia prowadzenie lekcji. Lekcja eksperymentalna powinna być skoncentrowana na jednym dziale fizyki. Doświadczenia na różnych stanowiskach pomiarowych mogą się powtarzać (np. dwa stanowiska do pomiaru przyspieszenia ziemskiego i dwa stanowiska do pomiaru siły odśrodkowej), ale łączenie dziedzin utrudnia dyskusję wniosków. Zgodnie z doświadczeniem metodycznym autora: w trakcie lekcji eksperymentalnej uczniowie muszą mieć prawo stawiania błędnych hipotez. Ponieważ popełnianie błędów jest naturalną częścią eksperymentu (również w fizyce akademickiej), uczniowie nie powinni być karani za błędy, złe interpretacje i mylne hipotezy. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

58 Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Wnioski te uwzględniłem w scenariuszu lekcji eksperymentalnej Prawo Ohma w praktyce. Próbowałem w nim po połączyć otwartość dydaktyki pozaformalnej z wymaganiami i realiami edukacji szkolnej. Prawo Ohma w praktyce PRZYKŁADOWA LEKCJA Cel eksperymentu: Zbadanie prostych obwodów elektrycznych. Poznanie różnicy między połączeniem szeregowym i równoległym. Etap edukacyjny: III gimnazjum. Podstawa programowa: Fizyka dla III etapu edukacyjnego. Wymagania eksperymentalne 9.7, 9.8. i 9.9. Wymagania teoretyczne: 4.7, 4.8 i 4.9. Czas realizacji: 15 min. przygotowanie, 65 min. pomiary i 20 min. dyskusja wyników i czynności administracyjne. Sugeruję wykorzystanie przerwy między lekcjami (za zgodą uczniów) na cele dydaktyczne eksperymenty są rzadkie i warto wykorzystać cały możliwy czas. W razie potrzeby skrócenia proponuję wykreślenie jednego z pytań w części eksperymentalnej. W siatce godzin gimnazjum trudno o taki zakres czasu, ale rezygnacja z dyskusji i części eksperymentów ogranicza efekt dydaktyczny lekcji eksperymentalnej. Wyposażenie (na jedno stanowisko): źródło prądu: zasilacz prądu stałego o napięciu 12 V lub układ kilku połączonych szeregowo baterii AA (przynajmniej 5 sztuk); w tym drugim przypadku połączenie najlepiej zrobić na stałe (np. doklejonymi blaszkami miedzianymi), aby nie rozpadło się w trakcie lekcji; przewody do połączenia elementów (najlepiej z dołączonymi krokodylkami ); 3 żarówki na napięcie 12 V (o mocy 1,5 W, najlepiej różnokolorowe), 1 żarówka o mocy 5 W, również na napięcie 12 V. Sugerowane jest użycie żarówek mających gwinty wtykowe (m.in. typu MR16) np. COB5SE (prod. Lumenmax); 2 mierniki uniwersalne; (nieobowiązkowe): komputer z arkuszem kalkulacyjnym. Kursywą podano sugerowaną narrację ćwiczenia dla uczniów. Fizyka w formie fabularyzowanej jest łatwiejsza do zrozumienia niż suche polecenia. 1. Przygotowanie (na przerwie, zanim przyjdą uczniowie): ustawić ławki, rozłożyć wyposażenie stanowisk na ławkach; sprawdzić zasilacze i mierniki; usunąć ewentualne usterki; wypróbować eksperyment z grupą animatorów, poinstruować ich o zasadach bezpieczeństwa i celach eksperymentu. 2. Eksperymenty: Podział uczniów na grupy (sugerowany jest podział mieszający uczniów z różnymi wynikami w nauce, aby słabsi uczyli się od mocniejszych). Wprowadzenie uczniów w tematykę ćwiczenia: Prąd elektryczny to dla nas źródło światła i ciepła. Elektryczność zasila nasze telefony, komputery, zabawki i dzwonki w szkole. Dzisiaj poznacie podstawy inżynierii elektrycznej. To jest źródło prądu <wskazujemy na zasilacz lub baterię>, to są żarówki różnej mocy <wskazujemy na żarówki>, to są przewody i mierniki <demonstrujemy>. Co zrobić aby żarówka świeciła? Uczniowie podłączają żarówkę o mocy 1,5 W, tutorzy i nauczyciel pomagają w miarę potrzeby. Świetnie, zrobiliście właśnie pierwszy krok, by zostać inżynierami elektrotechniki. Co płynie w przewodach? Co to jest prąd elektryczny i jak zmierzyć jego natężenie? Czy prąd płynie w otwartym obwodzie? Uczniowie mierzą i notują natężenie prądu, pomocnicy asystują. Co sprawia, że prąd płynie? Dlaczego zasilacz ma dwa różne zaciski? Co oznacza plus, a co minus? Czym różnią się te dwa zaciski? Co wytwarza zasilacz, kiedy obwód jest otwarty? Uczniowie mierzą i notują napięcie na zasilaczu w układzie otwartym (ostrożnie!). Mierzą też napięcie na żarówce 1,5 W. Inżynierowie używają wielu urządzeń elektrycznych, mających różne funkcje. Spróbujcie sprawdzić, czym różnią się żarówki 1,5 W i 5 W. Czy są różnice w napięciu i natężeniu prądu płynącego przez żarówki o mocy 1,5 W w różnych kolorach? W jaki sposób można podłączyć do prądu dwie żarówki 1,5 W? Jak to zrobić, aby obie świeciły najjaśniej? Uczniowie eksperymentują z połączeniami żarówek. Co się stanie, gdy podłączę trzecią żarówkę do dwóch pozostałych? Co się stanie, gdy będzie to żarówka o większej mocy? Pomocnicy i nauczyciel demonstrują połączenie równoległe. Uczniowie mierzą prąd i napięcie w połączeniu równoległym na każdej z żarówek. Co się stanie, gdy żarówki podłączymy w inny sposób? Jak inaczej można je połączyć? Jak połączyć 3 żarówki o mocy 1,5 W, aby przez każdą z nich płynął taki sam prąd? Uczniowie eksperymentują z różnymi konfiguracjami połączeń. Animatorzy i nauczycie asystują 3. Dyskusja: Spróbujcie narysować obwody układów, które skonstruowaliście. Nanieście na schematy wyniki pomiarów napięcia i natężenia prądu. Wypróbujmy różne sposoby podłączenia żarówek? Jak wtedy mierzyć napięcia i natężenia? Jak będą różniły się wartości pomiarów? W którym połączeniu przez wszystkie żarówki płynie taki sam prąd? Uczniowie odpowiadają na pytania zadane przez nauczyciela w trakcie lekcji, nauczyciel moderuje dyskusję. Tutorzy wprowadzają wyniki pomiarów uczniowskich do komputera lub wypisują je na tablicy. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

59 Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Dyskusja wyników eksperymentu Eksperyment bez dyskusji wyników jest dużo mniej efektywny edukacyjnie, jednak pisemne sprawozdania nie sprawdziły się w Einsteinie i zdaniem autora nie powinny być stosowane w szkołach. Zamiast sprawdzania prac domowych lepiej przeznaczyć czas lekcji na dyskusję wyników, zwłaszcza że kontakt z praktyką daje szansę na pobudzenie ciekawości uczniów. Nauczyciel powinien stawiać pytania otwarte, najlepiej związane z ogólnym mechanizmem (np. Po co nam izolacja w pomiarze ciepła właściwego wody? zamiast Jakie macie wyniki? ). Aby tutorzy nie zdominowali dyskusji, można przydzielić im rolę Telefonu do przyjaciela, z którego grupa korzysta tylko wtedy, gdy nie ma lepszych pomysłów. Nauczyciel staje się wtedy raczej moderatorem niż źródłem wiedzy. Jeśli w klasie jest komputer, to jeden z animatorów może szukać odpowiedzi na trudniejsze pytania bez konieczności przerywania dyskusji całej klasy. Dokładny wynik eksperymentu nie powinien być oceniany, podobnie jak przebieg procesu myślowego uczniów. Bycie ocenianym może ograniczać pomysłowość i ciekawość poznawczą uczniów, co zmniejsza skuteczność lekcji eksperymentalnej. Oczywiście wiedza zdobyta w trakcie lekcji eksperymentalnej może być przedmiotem oceny w trakcie sprawdzianu z danego działu. Istotniejsze jest zaangażowanie w dyskusję i zrozumienie mechanizmu eksperymentu. Eksperyment nie powinien być pierwszą lekcją z danego działu, lepiej sprawdza się jako druga lub trzecia. Uczniowie mają wtedy podstawową wiedzę teoretyczną i ciekawość poznania nowych rzeczy. Eksperyment na końcu cyklu sprawdza się słabiej, ze względu na słabsze zainteresowanie uczniów, którzy już poznali całą teorię na dany temat. Fizyka codzienna Autorzy programów pozaszkolnych, podobnie jak twórcy reformy programowej, postulują odejście od matematyzacji fizyki w gimnazjum. Rezygnacja z wzorów i zadań i zwiększenie nacisku na wyjaśnienie procesów nie powinno jednak ograniczać się do lekcji eksperymentalnych i dyskusji teoretycznych. W Einsteinie dobre wyniki odnosiliśmy przy pomocy schematycznych rysunków i dyskusji na temat fizyki życia codziennego. Z punktu widzenia ucznia Małysz, Kubica czy Doda są dużo bliższymi osobami niż Newton, Euler czy Hertz. Z tego powodu zamiast tłumaczyć fizykę na poziomie abstrakcyjnej teorii, lepiej jest odwołać się do fascynacji uczniów. Przykładowo: w jednej ze szkół uczniowie byli zainteresowani motoryzacją. Wykorzystanie przykładu ostatniego wyścigu Roberta Kubicy do pytań o siłę odśrodkową i tarcia było dużo bardziej efektywne niż pytanie wprost o abstrakcyjne pojęcia. Fizyka szkolna nie istnieje w próżni, więc zamiast abstrakcyjnych definicji lepiej szukać przykładów bliższych codzienności ucznia. Fizyka sportu, nagłośnienie koncertu, silna wichura lub głośnik komórki nauczyciel powinien przed lekcją znaleźć przykład zastosowania fizyki w otoczeniu uczniów, na którym oparta zostanie cała narracja lekcji. Zamiast teorii gazu doskonałego lepiej pokazać zamknięte pudełko z grochem i skłonić uczniów do zgadywania liczby ziarenek w środku. Potem porównujemy to z wielkością sali lekcyjnej i szacujemy liczbę atomów azotu w pomieszczeniu. Interesujące poznawczo jest też szacowanie wagi powietrza w klasie. Doświadczenia edukatorów Einsteina pokazały, że uczniowie dużo chętniej uczestniczą w dyskusjach, eksperymentach i zajęciach, jeżeli uznają ich cel za widoczny w ich życiu. Wykłady dotyczące teoretycznych konstrukcji spotkały się w programie z mniejszych zaangażowaniem niż fizyka codzienna. Od teorii fizycznej do praktyki uczniowskiej Każdy z działów fizyki ma bezpośrednie przełożenie na praktykę techniczną. Konstrukcja przykładów powinna skupiać się na przedmiotach z otoczenia uczniów, a nie na obiektach abstrakcyjnych. Wykorzystanie obiektów materialnych do kształtowania wyobraźni fizycznej poprawia efektywność procesów poznawczych i zachęca uczniów do uczestnictwa w lekcji. W poniższym rozdziale podam źródła inspiracji, z których korzystałem przy przygotowywaniu warsztatów i prelekcji w programie Za rękę z Einsteinem. Mechanikę (Podstawa programowa dla III etapu edukacyjnego punkty: 1. i , 9.2, 9.4) najłatwiej powiązać z wyścigami samochodowymi, konstrukcją domów i maszyn. Wyścigi samochodowe są naturalnym punktem wyjścia do dyskusji na temat tarcia, siły odśrodkowej, przyspieszenia i prędkości. Fale i drgania (Podstawa programowa dla III etapu edukacyjnego punkt 6, 9.12 i 9.13) są bardziej problematyczne, zwłaszcza że eksperymenty z dyfrakcją i interferencją są trudniejsze i mniej efektowne. Zamiast eksperymentów z falami stojącymi (smyczek i sól) lepiej skorzystać z symulacji komputerowych dostępnych w Internecie. Zazwyczaj film lub program komputerowy nie stanowi pełnowartościowego zamiennika żywego eksperymentu, ale dla tego działu fizyki warto zrobić wyjątek. Można też użyć skakanki do dyskusji o falach stojących (aut. pomysłu: Włodzimierz Natorf 1 ). Zajęcia z optyki (punkty 7 i 9.14) są równie trudne, chociaż łatwiej o konkretne przykłady zastosowań. 1 Nauczyciel fizyki w IX LO im. Klementyny Hoffmanowej w Warszawie, eskpert współpracujący z Pracownią Przedmiotów Przyrodniczych IBE. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

60 Małe eksperymenty, wielkie odkrycia Marcin Zaród EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Można je planować zimą, kiedy łatwiej o uzyskanie ciemności w klasie szkolnej. Programy pozaszkolne kładą na optykę mniejszy nacisk niż podstawa programowa. Uczniowie wykonywali doświadczenia z optyki tylko w ramach pobytu na politechnice, gdy mieli dostęp do odpowiednich przyrządów. Eksperymenty są dłuższe i wymagają zaciemnionych pomieszczeń. Zmniejszona liczba eksperymentów z falami i z optyką może zostać zrekompensowana przez dodatkowe eksperymenty z termodynamiką ( ) i elektrycznością (9.7, 9.8, 9.9). Te działy fizyki są częściej wykorzystywane w technice, więc łatwiej o przykłady praktyczne i zainteresowanie uczniów. Eksperymenty z elektrycznością stanowią stały punkt pokazu fizycznego, bo taniejące mierniki uniwersalne i przyrządy elektroniczne zachęcają do tego, aby ten dział stał się wizytówką szkolnej fizyki. Zamiast pomiaru abstrakcyjnej mocy (9,9 W) dużo łatwiej trafić do uczniów z doświadczeniem porównującym koszt eksploatacji dwóch żarówek. Termodynamika świetnie splata się z chemią (reakcje spalania w naturalny sposób łączą się z cyklami termodynamicznymi). Jeżeli nauczyciel fizyki jedzie z klasą na wycieczkę, to jezioro, góry, las lub morze obfitują w materiał do dyskusji. Twardość kamieni, zachowanie fal morskich, mechanizm bryzy lub obieg wody w przyrodzie stanowią naturalny łącznik fizyki z chemią, biologią lub geografią. Podsumowanie Jeżeli nauczyciel gimnazjum ma problemy z konstrukcją lekcji eksperymentalnej, może zwrócić się do studenckich kół naukowych na pobliskich uczelniach. Jest szansa, że ich członkowie dysponują wiedzą i zapleczem technicznym niezbędnym do realizacji takich działań. Small experiments, great discoveries. The practice of experiential science education Marcin Zaród This article presents various teaching methods that include an experimental approach to the gymnasium and high-school physics curriculum. Various methods of an interdisciplinary approach between physics and other sciences, technology and the students everyday life are presented. A sample laboratory lesson focusing on electrical circuits in the gymnasium curriculum is also included. Cases presented in the article are based on informal education practices, such as academic science encouragement programmes and NGO experiences. Key words: experiment for students, physics, non-formal education, popularisation of science, electricity SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Doświadczenia zebrane w trakcie festiwali nauki czy realizacji programów popularyzatorskich mogą stanowić źródło przydatnej w szkole wiedzy na temat sposobów przeprowadzania eksperymentów. Przywrócenie w podstawie programowej do gimnazjum, fizyki eksperymentalnej to szansa na to, by szkolna fizyka była równie fascynująca, co jej akademicka odmiana.

61 Angielskie narzędzia dydaktyczne Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Angielskie narzędzia dydaktyczne Refleksje z wizyty studyjnej Urszula Poziomek Jednym z rezultatów wizyty studyjnej pracowników Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, odbytej w 2010 r., był duży zasób narzędzi dydaktycznych, uzyskanych od nauczycieli w wizytowanych szkołach i ośrodkach doskonalenia nauczycieli. Narzędzia zbierano głównie po to, by porównać np. konstrukcję konspektu zajęć z obserwowaną przez badaczy realizacją tych zajęć podczas lekcji. Dodatkowym, równie ważnym celem było analityczne porównanie tych narzędzi. Chodziło o ustalenie, czy są istotne różnice między narzędziami stosowanymi w Polsce i w Anglii., a jeśli tak, to na czym te różnice polegają. Miało to doprowadzić do uzyskania odpowiedzi na pytanie, czy istnieje korelacja między konstruktem narzędzia dydaktycznego a sposobem prowadzenia zajęć przyrodniczych, głównie pod kątem kształtowania umiejętności posługiwania się metodą naukową. Uzyskane materiały pochodzą z różnych źródeł: niektóre zostały wydane przez angielskie wydawnictwa oświatowe, inne są efektem pracy samych nauczycieli lub współpracujących z nimi pracowników technicznych (narzędzia autorskie). Narzędzia pozyskiwane były w różnorodny sposób: po zajęciach lekcyjnych nauczyciele proszeni byli (po uprzednim wyjaśnieniu celu) o kopie materiałów, narzędzi, które były używane w trakcie lekcji. Również pracownicy techniczni proszeni byli o takie materiały, w szczególności autorskie lub pochodzące z wydawnictw instrukcje do doświadczeń, karty pracy ucznia itp. Zespół zwracał się z prośbą o te materiały również do przewodniczących zespołów przyrodniczych, którzy chętnie dzielili się swoimi zasobami. W rezultacie uzyskano karty pracy ucznia, kartoteki nauczyciela, scenariusze lekcji, instrukcje doświadczeń przeznaczonych do realizacji w ramach różnorodnych tematów z science, biologii, chemii i fizyki dla poziomu ISCED 2 i 3 (odpowiednio dla polskich dwóch etapów edukacyjnych III i IV). Dodatkowo uzyskano odtajnione testy egzaminacyjne dla III (science) i IV etapu edukacyjnego (chemia, biologia). Najbardziej zainteresowały badaczy autorskie narzędzia w postaci np. instrukcji dla ucznia realizującego projekt w warunkach domowych czy karty samooceny ucznia. Pozyskane narzędzia dydaktyczne zostały opisane pod względem zgodności z polską podstawą programową właściwego przedmiotu, a także pod względem ich odmienności względem narzędzi stosowanych w polskich szkołach. Wśród materiałów narzędzi dydaktycznych do nauczania biologii za godne uwagi ze względu na cechy nieobecne lub niewystarczająco reprezentowane w polskiej szkole uznano: Dla poziomu ISCED2 czyli III etapu edukacyjnego Karty pracy ucznia, z pomocą których uczeń wykonuje pewne zadania, dokonując wcześniej wyboru poziomu, na jakim chce je zrealizować. Taki sposób oceny przez ucznia własnych możliwości można z powodzeniem stosować zarówno na lekcjach, jak i w pracy metodą projektową. Schemat konstrukcyjny takiego materiału może służyć również przygotowywaniu narzędzi dla uczniów o specjalnych potrzebach edukacyjnych zarówno tych wymagających wsparcia, jak i szczególnie uzdolnionych. Protokoły doświadczeń lub obserwacji w formie kart pracy ucznia i instrukcji dla nauczyciela, których cechą charakterystyczną i w pewnym stopniu odmienną wobec polskich narzędzi dydaktycznych jest duża liczba pytań badawczych, które stopniowo prowadzą ucznia do wniosku końcowego opartego o analizy poszczególnych materiałów źródłowych czy danych pozyskanych z doświadczenia lub obserwacji, Testy General Certificate of Secondary Education sprawdzające poziom opanowania umiejętności prostych i złożonych zadaniami wyłącznie zamkniętymi, przy czym interesująca jest złożona konstrukcja zadań, diagnozujących poziom umiejętności złożonych: zbudowane są one z reguły z kilku podpunktów, które z różnych stron, w różnych aspektach sprawdzają znajomość i rozumienie jednego problemu. Większość zadań (szczególnie z poziomów wyższych) dotyczy metody naukowej. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO 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, Wizyta studyjną odbyto w ramach realizowanego przez Instytut Badań Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.

62 Angielskie narzędzia dydaktyczne Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Dla poziomu ISCED3 czyli IV etapu edukacyjnego: Seria protokołów doświadczalnych w formie kart pracy ucznia i instrukcji dla nauczyciela, dotyczących jednego obszaru treści podstawy programowej np. enzymów i ich działania. Jest to przykład nauczania przez badanie wielostronne i wieloaspektowe jednego zagadnienia, służące rzeczywistemu pogłębianiu wiedzy przyrodniczej z wykorzystaniem metody laboratoryjnej. Tego typu działania są realizowane przez nauczycieli biologii w Polsce odbywa się to jednak z reguły na zajęciach pozalekcyjnych w ramach kół zainteresowań, przygotowania do udziału w olimpiadzie biologicznej czy też w ramach realizowania projektów grantowych z wykorzystaniem funduszy unijnych. Nie są one natomiast wpisane w codzienną realizację podstawy programowej na zajęciach obowiązkowych głównie ze względu na nadal rozbudowane treści nauczania. Wśród narzędzi dydaktycznych służących do nauczania science za interesujące uznano uzyskane w The Holt School Science Department: Dla poziomu ISCED2 czyli gimnazjum: Zadania testowe sprawdzające umiejętności złożone u uczniów, mające formę tzw. structured questions, w których uczniowie, na podstawie załączonego materiału źródłowego, mają za zadanie rozwiązać problemy przedstawione w formie krótkich pytań (tzw. zadania z lukami). Ponadto powinni się wykazać umiejętnością korzystania z informacji i rysowania prostych schematów. Cechą wyróżniającą te zadania jest także ich odniesienie do sytuacji, które mogą wystąpić w życiu codziennym młodego człowieka. Dla poziomu ISCED3: Karty pracy dla uczniów 1, zawierające zadania składające się z dosyć obszernego tekstu źródłowego, wzbogaconego zdjęciami i schematami, do którego dołączone są pytania kontrolne. Na marginesie są także wypunktowane spodziewane efekty kształcenia, wśród których dominują kształcone u uczniów umiejętności złożone. Załączono też kilka kart pracy o zróżnicowanym poziomie trudności. Kształcą one umiejętności złożone. Ciekawe są rozwiązania graficzne począwszy od wycinanki, przy pomocy której uczniowie sami tworzą schemat przesyłu elektryczności, po analizę przyjemnych do percepcji rysunków animowanych, aż po pytanie sprawdzające umiejętność uczenia się. Zwraca uwagę fakt, że wszystkie zadania nawiązują do rzeczywistości otaczającej ucznia. Nie chcąc ograniczać się jedynie do opisu tych narzędzi, zaprezentowano poniżej przykład konspektu lekcji wraz z trzema kartami pracy uczniów A, B i C, który wykorzystuje jako źródło inspiracji narzędzia angielskie. Pozwala on uczniom wybrać poziom zaawansowania, który chcą realizować w określonym temacie. Na przykładzie tego konspektu i kart pracy w wersji A, B i C można budować podobne materiały, tak by rozwijać nie tylko umiejętności przedmiotowe ale również kompetencje społeczne w postaci trafnej samooceny swoich możliwości i podejmowaniu się zadań na własną miarę. Oczywiście takie podejście dydaktyczne rodzi natychmiast problem związany z ocenianiem czy uczeń który wybierze poziom najniższy powinien dostać dostateczny lub dopuszczający a ten który wybierze poziom najwyższy ocenę bardzo dobry? A może na każ- 1 Edexcel GCSE Science Sample Material. Teaching and Learning Resources for the New GCSE Science 2011 specifications dym poziomie uczeń ma szanse dostać ocenę z pełnej skali w zależności od stopnia realizacji i poprawności wykonania zadań? Pozostawiam te pytania bez odpowiedzi i zapraszam do dyskusji na profilu EBiŚ na facebook.com. Źródło: Przedmioty przyrodnicze w wybranych krajach raport z wizyty studyjnej w Anglii, html?start=5 SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

63 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Konspekt i karta pracy Urszula Poziomek Temat: Łańcuchy i sieci pokarmowe w polu Adresaci: uczniowie gimnazjum, III etap edukacyjny Czas trwania zajęć: 2 x 45 minut Cele kształcenia: umiejętności (wymagania ogólne): IV. Rozumowanie i argumentacja. Uczeń interpretuje informacje i wyjaśnia zależności przyczynowo- -skutkowe między faktami, formułuje wnioski. wiadomości (wymagania szczegółowe): IV. Ekologia. 8) wskazuje żywe i nieożywione elementy ekosystemu, wykazuje, że są one powiązane różnorodnymi zależnościami, 9) opisuje zależności pokarmowe (łańcuchy i sieci pokarmowe) w ekosystemie, rozróżnia producentów, konsumentów i destruentów oraz przedstawia ich rolę w obiegu materii i przepływie energii przez ekosystem. Metody pracy: słowna (analiza materiałów źródł.) mgr Urszula Poziomek: specjalista ds. badań i analiz Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE, nauczycielka dyplomowana biologii w LXXV LO im. Jana III Sobieskiego w Warszawie; współautorka podręczników szkolnych do nauki biologii na III i IV etapie edukacyjnym, współautorka raportu Eurydice Science Education in Europe, Formy pracy: indywidualna Środki dydaktyczne: karta pracy ucznia, zawierająca materiały źródłowe Typ zajęć: lekcja utrwalająca Przebieg zajęć: Faza wprowadzająca (10 ) a) Nauczyciel:: przypomina strukturę łańcucha pokarmowego na dowolnym przykładzie, pokazuje możliwe powiązania między dwoma lub trzema łańcuchami pokarmowymi z tego samego ekosystemu pola; formułuje problem badawczy: W jaki sposób naturalne relacje pokarmowe (kto kogo zjada?) między organizmami wpływają na produktywność rolnictwa czyli ilość pokarmu, jaką można uzyskać z pola lub sadu? określa Nacobezu (na co będę zwracać uwagę): dokonanie wyboru poziomu realizacji zadań, rzetelność samooceny, umiejętność wykorzystania pozyskanych z karty pracy informacji do opracowania wyników analizy; informuje o możliwości wyboru poziomu opracowania od najtrudniejszego karta A, do najłatwiejszego karta C; zachęca uczniów, by podejmowali decyzję o wyborze po zastanowieniu się, na ile czują się przygotowani do tematu lekcji. Na podstawie Farming and food webs, Badger Publishing Ltd. Prace U. Poziomek zostały wykonane w ramach realizowanego przez Instytut Badań Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. b) Uczniowie: słuchają nauczyciela, zadają pytania, wybierają poziom karty, z którą chcą pracować. Faza realizacyjna: a) Nauczyciel: rozdaje uczniom wybrane przez nich karty pracy (A, B lub C), prosi o zapoznanie się z nimi; w trakcie pracy uczniów służy pomocą, pomaga w razie potrzeby w wyborze właściwej odpowiedzi, zadając dodatkowe pytania, pomagające zrozumieć problem; udziela rzeczowej informacji zwrotnej. b) Uczniowie: zapoznają się z zawartością kart pracy, zadają w miarę potrzeby dodatkowe pytania, dotyczące realizacji zadań; wykorzystując informacje z karty pracy realizują wybrany poziom zadań. Faza podsumowująca a) Nauczyciel: prosi wybranych lub chętnych uczniów o przedstawienie rezultatów pracy w taki sposób, by zostały omówione wszystkie zadania ze wszystkich trzech kart pracy. b) Uczniowie: chętni lub wybrani przez nauczyciela uczniowie przedstawiają rezultaty pracy. Uwagi: Uwzględniono trzy karty, różne dla trzech poziomów opracowań A, B i C. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

64 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Karta pracy ucznia poziom A Imię i nazwisko ucznia:... Klasa:... Tabela 1. Lista organizmów, żyjących na polu, wraz z opisem pokarmu, którym się żywią Źródła obrazów: songthrush/index.aspx, -death-in-insect-world-stunning.html, Informacja wstępna: Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Rolnik dysponuje dużym polem, na którym uprawia kapustę. Na polu, oprócz uprawianej kapusty żyją rozmaite dzikie organizmy, żywiące się kapustą, określane powszechnie jako szkodniki. Każdego roku rolnik stosuje opryski z pestycydów, skierowane bezpośrednio do szkodników, które je niszczą, zabijają. Oprócz tzw. szkodników na polu żyją organizmy, które się nimi żywią. Zadanie Wykorzystując informacje z tabeli nr 1 oraz własną wiedzę i rozumienie funkcjonowania łańcuchów pokarmowych i sieci pokarmowych napisz tekst, w którym wyjaśnisz, dlaczego stosowanie pestycydów czyli substancji zabijających tzw. szkodniki może stwarzać problemy w funkcjonowaniu pola i w jego produktywności. Zastosuj w swoim opracowaniu terminy: biomasa, dwutlenek węgla, mięsożercy/drapieżcy, chlorofil, roślinożercy, liście, fotosynteza, konsument I i II rzędu, producent, korzenie, łodyga/pęd, woda, sole mineralne, samożywność, cudzożywność. kapusta 1 ślimaki 2 Larwy motyla bielinka kapustnika Sole mineralne, woda z podłoża/ gleby Liście kapusty, liście innych roślin Liście kapusty drozdy 4 sikorki 5 biedronki 6 Ślimaki, inne drobne zwierzęta Larwy motyla bielinka kapustnika i mszyce mszyce SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Uwzględnij w swoim tekście realizację poleceń (na drugiej stronie): mszyce 3 Sok z tkanek łodyg i liści kapusty krogulec 7 Drozdy i sikorki

65 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy (żyjące na polu). Zastosuj w schemacie maksymalną liczbę możliwych do zbudowania łańcuchów pokarmowych. 5. Na schemacie sieci pokarmowej, sporządzonej przez Ciebie w punkcie 1 narysuj źródło energii i oznacz strzałkami kierunki jej przepływu przez ekosystem pola. 6. Wyjaśnij szczegółowo, jak użycie przez rolnika pestycydów na polu może wpłynąć na funkcjonowanie krogulców. 2. Określ każdy z organizmów pod kątem rodzaju pokarmu, którym się żywi, używając terminów z treści zadania (zob. poprzednia strona). Użyj do opisu organizmu maksymalną liczbę pasujących do niego terminów. Organizm kapusta ślimaki larwy motyla bielinka kapustnika mszyce drozdy sikorki biedronki krogulce Termin opisujący grupę do której zalicza się organizm ze względu na pokarm, którym się żywi 3. Wyjaśnij, w jaki sposób roślinożercy np. mszyce wpływają na funkcjonowanie kapusty jako organizmu i dlaczego w związku z tym farmer decyduje się na stosowanie oprysków. Użyj terminów z treści zadania Opisz wpływ pestycydów na każdą z grup organizmów, uwzględnionych w sieci pokarmowej, narysowanej przez Ciebie w punkcie Sformułuj i zapisz kilka problemów, które mogą pojawić się w funkcjonowaniu ekosystemu pola po zastosowaniu na nim pestycydów oraz zaproponuj co najmniej 3 rozwiązania alternatywne, które pomogą chronić uprawę kapusty przed szkodnikami. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO......

66 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Karta pracy ucznia poziom B Imię i nazwisko ucznia:... Klasa:... Tabela 1. Lista organizmów, żyjących na polu, wraz z opisem pokarmu, którym się żywią Źródła obrazów: songthrush/index.aspx, -death-in-insect-world-stunning.html, Informacja wstępna: Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Rolnik dysponuje dużym polem, na którym uprawia kapustę. Na polu, oprócz uprawianej kapusty żyją rozmaite dzikie organizmy, żywiące się kapustą, określane powszechnie jako szkodniki. Każdego roku rolnik stosuje opryski z pestycydów, skierowane bezpośrednio do szkodników, które je niszczą, zabijają. Oprócz tzw. szkodników na polu żyją organizmy, które się nimi żywią. Zadanie Wykorzystując informacje z tabeli nr 1 oraz własną wiedzę i rozumienie funkcjonowania łańcuchów pokarmowych i sieci pokarmowych napisz tekst, w którym wyjaśnisz, dlaczego stosowanie pestycydów czyli substancji zabijających tzw. szkodniki może stwarzać problemy w funkcjonowaniu pola i w jego produktywności. Zastosuj w swoim opracowaniu terminy: biomasa, dwutlenek węgla, mięsożercy/drapieżcy, chlorofil, roślinożercy, liście, fotosynteza, konsument I i II rzędu, producent, korzenie, łodyga/pęd, woda, sole mineralne, samożywność, cudzożywność. kapusta 1 ślimaki 2 Larwy motyla bielinka kapustnika Sole mineralne, woda z podłoża/ gleby Liście kapusty, liście innych roślin Liście kapusty drozdy 4 sikorki 5 biedronki 6 Ślimaki, inne drobne zwierzęta Larwy motyla bielinka kapustnika i mszyce mszyce SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Uwzględnij w swoim tekście realizację poleceń (na drugiej stronie): mszyce 3 Sok z tkanek łodyg i liści kapusty krogulec 7 Drozdy i sikorki

67 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Narysuj schemat sieci pokarmowej, łącząc ze sobą wszystkie organizmy żyjące na opisanym polu). W sieci powinno być uwzględnionych minimum 3 łańcuchy pokarmowe (może być ich więcej). 5. Na schemacie sieci pokarmowej, sporządzonej przez Ciebie w punkcie 1 narysuj źródło energii i oznacz strzałkami kierunki jej przepływu przez ekosystem pola. 6. Sformułuj i zapisz kilka problemów, które mogą pojawić się w funkcjonowaniu ekosystemu pola po zastosowaniu na nim pestycydów oraz zaproponuj co najmniej 2 rozwiązania alternatywne, które pomogą chronić uprawę kapusty przed szkodnikami. 2. Określ każdy z organizmów pod kątem rodzaju pokarmu, którym się żywi, używając terminów z treści zadania (zob. poprzednia strona). Powinieneś użyć więcej niż jednego terminu do opisu organizmu. Organizm kapusta ślimaki larwy motyla bielinka kapustnika mszyce drozdy sikorki biedronki krogulce Termin opisujący grupę do której zalicza się organizm ze względu na pokarm, którym się żywi 3. Wyjaśnij, w jaki sposób roślinożercy np. mszyce wpływają na funkcjonowanie kapusty jako organizmu i dlaczego w związku z tym farmer decyduje się na stosowanie oprysków. Użyj terminów z treści zadania.... SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Opisz wpływ pestycydów na każdą z grup organizmów, uwzględnionych w sieci pokarmowej, narysowanej przez Ciebie w punkcie

68 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Karta pracy ucznia poziom C Imię i nazwisko ucznia:... Klasa:... Tabela 1. Lista organizmów, żyjących na polu, wraz z opisem pokarmu, którym się żywią Źródła obrazów: songthrush/index.aspx, -death-in-insect-world-stunning.html, Informacja wstępna: Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Zdjęcie/rysunek organizmu Nazwa organizmu Pokarm, którym się żywi Rolnik dysponuje dużym polem, na którym uprawia kapustę. Na polu, oprócz uprawianej kapusty żyją rozmaite dzikie organizmy, żywiące się kapustą, określane powszechnie jako szkodniki. Każdego roku rolnik stosuje opryski z pestycydów, skierowane bezpośrednio do szkodników, które je niszczą, zabijają. Oprócz tzw. szkodników na polu żyją organizmy, które się nimi żywią. Zadanie Wykorzystując informacje z tabeli nr 1 oraz własną wiedzę i rozumienie funkcjonowania łańcuchów pokarmowych i sieci pokarmowych napisz tekst, w którym wyjaśnisz, dlaczego stosowanie pestycydów czyli substancji zabijających tzw. szkodniki może stwarzać problemy w funkcjonowaniu pola i w jego produktywności. Zastosuj w swoim opracowaniu terminy: biomasa, dwutlenek węgla, mięsożercy/drapieżcy, chlorofil, roślinożercy, liście, fotosynteza, konsument I i II rzędu, producent, korzenie, łodyga/pęd, woda, sole mineralne, samożywność, cudzożywność. kapusta 1 ślimaki 2 Larwy motyla bielinka kapustnika Sole mineralne, woda z podłoża/ gleby Liście kapusty, liście innych roślin Liście kapusty drozdy 4 sikorki 5 biedronki 6 Ślimaki, inne drobne zwierzęta Larwy motyla bielinka kapustnika i mszyce mszyce SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Uwzględnij w swoim tekście realizację poleceń (na drugiej stronie): mszyce 3 Sok z tkanek łodyg i liści kapusty krogulec 7 Drozdy i sikorki

69 Łańcuchy i sieci pokarmowe na polu zajęcia z biologii Urszula Poziomek EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Narysuj prostą sieć pokarmową, łączącą trzy różne łańcuchy pokarmowe z opisanego pola, uwzględniając w nich organizmy na nim żyjące. 5. Sformułuj i zapisz jeden problem, który może pojawić się w związku ze stosowaniem pestycydów na polu i zaproponuj jedno alternatywne rozwiązanie, które pomoże chronić uprawę kapusty przed szkodnikami. 2. Określ każdy z organizmów pod kątem rodzaju pokarmu, którym się żywi, używając terminów z treści zadania (zob. poprzednia strona). Możesz użyć kilku terminów opisując jeden organizm. Organizm kapusta ślimaki larwy motyla bielinka kapustnika mszyce drozdy sikorki biedronki krogulce Termin opisujący grupę do której zalicza się organizm ze względu na pokarm, którym się żywi 3. Wyjaśnij, w jaki sposób roślinożercy np. mszyce wpływają na funkcjonowanie kapusty jako organizmu i dlaczego w związku z tym farmer decyduje się na stosowanie oprysków. Użyj terminów z treści zadania.... SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Opisz efekty stosowania pestycydów na pozostałe organizmy tworzące sieć pokarmową, narysowaną przez Ciebie w punkcie

70 Nowe zadania PPP Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Nowe zadania PPP Materiał przygotowują pracownicy Pracowni Przedmiotów Przyrodniczych IBE oraz eksperci zewnętrzni Prezentowane tu zadania pochodzą z testów wykorzystywanych w badaniu Laboratorium Myślenia. Diagnoza nauczania przedmiotów przyrodniczych w Polsce, realizowanym przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych IBE. Po każdym cyklu badania (odbyły się już dwa takie cykle w roku 2011 i 2012) część zadań jest odtajniana i są one publikowane na stronie Bazy Narzędzi Dydaktycznych IBE bnd.ibe.edu.pl. Intencją takiego działania jest prezentacja środowisku nauczycielskiemu, uczniom, ich rodzicom, a wreszcie twórcom narzędzi diagnostycznych zadań, które mierzą umiejętności ujęte w podstawie programowej przedmiotów przyrodniczych, w tym umiejętność rozumowania naukowego, posługiwania się metodą naukową w codziennym życiu, analizy danych, wnioskowania czy identyfikacji związków przyczynowo-skutkowych. Więcej o badaniu Laboratorium Myślenia na stronie: Autorzy: BIOLOGIA komentarz i pomysl na zadanie: Wojciech Grajkowski CHEMIA komentarz: Małgorzata Musialik, pomysł na zadanie: Marcin Chrzanowski FIZYKA komentarz: Maciej Wiśniewski, Krzysztof Horodecki, pomysl na zadanie: Maciej Wiśniewski Zadania powstały w ramach realizowanego przez Instytut Badań Edukacyjnych projektu Badanie jakości i efektywności edukacji oraz instytucjonalizacja zaplecza badawczego, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. Biologia które ciastko jest smaczniejsze? Zadanie Pewien cukiernik postanowił sprawdzić, które z jego ciastek jest smaczniejsze: kremówka za 6 zł czy napoleonka za 8 zł. Do badania zaprosił zaprzyjaźnioną wielopokoleniową rodzinę. Każda z uczestniczących w badaniu osób zjadła najpierw napoleonkę, a potem kremówkę, po czym oceniała ich smak w skali od 1 do 10. Czy wszystkie elementy tego doświadczenia zostały poprawnie zaplanowane? Sposób przeprowadzenia doświadczenia Czy jest to poprawne? 1. Badani byli w różnym wieku. Tak / Nie Badani byli ze sobą spokrewnieni. Wszyscy otrzymywali napoleonkę jako pierwszą. Badani nie znali cen ciastek i nie musieli za nie płacić. Komentarz Tak / Nie Tak / Nie Tak / Nie Projektowanie eksperymentów jest umiejętnością ponadprzedmiotową, a zagadnienia dotyczące formułowania pytania badawczego, ustalania warunków doświadczenia czy doboru odpowiedniej próby kontrolnej są uniwersalne i mają zastosowanie we wszystkich naukach eksperymentalnych. Opisane doświadczenie nie jest związane z konkretnymi treściami nauczania i trudno je nawet jednoznacznie przypisać do określonego przedmiotu. Realny, życiowy kontekst zadania pozwala natomiast pokazać, że zasady projektowania eksperymentów są takie same dla badań naukowych i dla sytuacji z życia codziennego. Pierwszym zagadnieniem poruszanym w zadaniu jest dobór właściwej próby. Ze wstępu uczeń dowiaduje się, że próbę tę stanowi zaprzyjaźniona wielopokoleniowa rodzina, a zasadność takiego doboru badanych ocenia, udzielając odpowiedzi w dwóch pierwszych wierszach tabeli. Pierwszy element doświadczenia różny wiek badanych jest pożądany dla rzetelności badania. Gust dzieci często bardzo wyraźnie różni się od gustu osób dorosłych, dlatego jeśli cukiernik chciał uzyskać możliwie pełną odpowiedź na pytanie, które ciastko jego potencjalni klienci uważają za smaczniejsze, powinien przetestować osoby w różnym wieku. W punkcie pierwszym właściwa jest zatem odpowiedź Tak i zdecydowana większość (87,1%) absolwentów gimnazjum, którzy rozwiązywali to zadanie, tak właśnie odpowiedziała. W punkcie drugim należało odnieść się do informacji mówiącej, że wszyscy badani byli ze sobą spokrewnieni. Jest to okoliczność obniżająca wiarygodność badania, należało zatem zaznaczyć odpowiedź Nie. Członkowie jednej rodziny mogą bowiem teoretycznie wynosić z domu, czy wręcz dziedziczyć, określone preferencje żywieniowe. Grupa bliskich krewnych jest zresztą złą reprezentacją populacji w niemal każdym badaniu. Łatwo możemy na przykład wyobrazić sobie polską rodzinę, której niemal wszyscy członkowie są wysocy, utalentowani muzycznie i mają predyspozycje genetyczne do rozwoju choroby nowotworowej. Ograniczając badania do tej jednej rodziny, wyciągnęlibyśmy nieprawdziwe wnioski na temat Polaków w ogóle. Zagadnienie reprezentatywności próby było najwyraźniej obce znacznej części badanych uczniów właściwej odpowiedzi udzieliło zaledwie 49,9% z nich. Dokładniejsza analiza wyników pokazuje jednak, że o ile uczniowie słabsi (tzn. uzyskujący niższy wynik w całym teście) SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski

71 Nowe zadania PPP Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ wyraźnie częściej zaznaczali odpowiedź błędną, o tyle w grupie uczniów najlepszych odsetek prawidłowych odpowiedzi wynosił aż 84,4%. W podpunkcie trzecim pytano uczniów o to, czy podawanie każdemu badanemu napoleonki jako pierwszej jest poprawne z metodologicznego punktu widzenia. Większość (64,8%) uczniów odpowiedziała Tak. Być może uznali oni, że zachowanie stałej kolejności oznacza lepszą kontrolę warunków eksperymentu. Prawidłową odpowiedzią jest jednak Nie, ponieważ zjedzenie pierwszego ciastka może bardzo istotnie wpływać na ocenę smaku drugiego po zjedzeniu napoleonki część uczestników mogła być już najedzona lub nawet mogło ich zemdlić. W dobrze zaplanowanym doświadczeniu połowa badanych powinna otrzymać jako pierwszą napoleonkę, a druga połowa kremówkę, aby oba ciastka miały równe szanse. Czwarty podpunkt zadania odnosi się do zagadnienia charakterystycznego wyłącznie dla eksperymentów z udziałem ludzi, czyli do nastawienia badanego. Testując wpływ różnych czynników na kiełkowanie nasion czy rdzewienie żelaza, nie musimy przejmować się nastawieniem badanych obiektów. Ludzie jednak często ulegają sugestii, co może mieć istotny wpływ na uzyskane wyniki dlatego chociażby w badaniach medycznych nie informuje się pacjentów, czy przyjmują prawdziwy lek, czy placebo. Siła sugestii jest szczególnie istotna w sytuacji, gdy nie mierzymy pewnych obiektywnie istniejących zmiennych, takich jak masa, prędkość czy liczba kiełkujących nasion, ale prosimy badanych o opisanie ich subiektywnych odczuć, dotyczących na przykład smaku ciastka. W opisanym doświadczeniu świadomość, że napoleonka kosztuje więcej niż kremówka mogła sprawić, że jedno ciastko podświadomie było odbierane jako bardziej wartościowe, a zatem smaczniejsze. Właściwa odpowiedź dla tego podpunktu brzmi zatem Tak. Prawidłowo odpowiedziało 72,2% uczniów, przy czym prawdopodobieństwo udzielenia właściwej odpowiedzi silnie korelowało z wynikiem ucznia w całym teście (od 53,2% wśród uczniów z grupy najsłabszej, aż po 95,2% w grupie najlepszej). Całe zadanie prawidłowo rozwiązało zaledwie 21,1% uczniów, co pokazuje, jak skomplikowanym zagadnieniem jest projektowanie doświadczeń z udziałem ludzi. Warto jednak zwrócić uwagę, że wyniki takich właśnie badań są najwyraźniej obecne w mediach. Niemal codziennie spotykamy się z informacjami o naukowo potwierdzonej skuteczności jakiegoś leku, kosmetyku czy diety. Dobrze, aby uczeń umiał wówczas podejść do takich informacji krytycznie i miał świadomość, jak niewłaściwy dobór próby czy sposób przeprowadzenia badania może wpływać na jego wyniki. Chemia naturalny plastik Zadanie Aby wytworzyć naturalny plastik domowym sposobem, można użyć mleka i octu. Należy w tym celu do litra wrzącego mleka dodać 40 ml octu. Tę mieszaninę dalej ogrzewa się, mieszając aż do momentu, kiedy pojawią się w niej białożółte bryłki, a sama zrobi się przejrzysta. Wtedy należy wyłączyć palnik, a po ostygnięciu przepłukać grudki pod bieżącą wodą. Otrzymaną masę można łatwo formować, a następnie należy odstawić na kilka dni, aż stwardnieje. Tekst na podstawie: Skamieniałość z chomika. Zrób to sam!, Mick O Hare, Insignis Media, Kraków 2011, s (1) Jaki proces spowodował pojawienie się białożółtych grudek? A. Denaturacja. B. Zobojętnienie. (2) Opisany wyżej proces wywołały dwa czynniki. Jednym z nich była zmiana ph, a drugim zmiana: A. temperatury. B. ciśnienia. Komentarz Denaturacja białka jest to nieodwracalny proces polegający na zniszczeniu przestrzennej struktury białka pod wpływem czynników fizycznych bądź chemicznych. Czynniki te powodują rozerwanie wiązań chemicznych i oddziaływań międzycząsteczkowych stabilizujących strukturę łańcuchów polipeptydowych. Na skutek denaturacji, białka tracą swoje właściwości biologiczne, fizyczne i chemiczne. Zmiana właściwości fizykochemicznych jest przyczyną agregacji i wytrącania białek z roztworów. Do najważniejszych czynników fi- SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

72 Nowe zadania PPP Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ zycznych prowadzących do denaturacji można zaliczyć: ogrzewanie, silne mieszanie, naświetlanie promieniowaniem ultrafioletowym, rentgenowskim i jonizującym lub działanie ultradźwiękami. Denaturację mogą wywołać także czynniki chemiczne, m.in. kwasy, zasady, sole metali ciężkich, enzymy, alkohol i mocznik. Zadanie to sprawdza umiejętność prostą uczeń wnioskuje na podstawie własnych wiadomości i analizy tekstu jakie zjawisko zostało wykorzystane do wytworzenia naturalnego plastiku. Aby rozwiązać prawidłowo to zadanie uczeń powinien wiedzieć, że w mleku znajduje się białko, dokładnie przeanalizować tekst wstępny oraz rozumieć jak przebiega proces denaturacji i jakie czynniki go wywołują. Uczeń powinien się też orientować, że podczas denaturacji można zaobserwować procesy agregacji i wytrącania, związane ze zmianą właściwości chemicznych białek, a więc niejako zmianę stanu skupienia białek. Zadanie zbadano na grupie około1900 uczniów w trakcie badania Laboratorium myślenia prowadzonego przez Pracownię Przedmiotów Przyrodniczych. Z grupą 15 wybranych uczniów przeprowadzono także wywiady (cognitive laby), w trakcie których poproszono o ocenę tego zadania. Pierwsze pytanie okazało się dla uczniów bardzo trudne 53% z nich udzieliło poprawnej odpowiedzi (prawdopodobieństwo przypadkowego udzielenia prawidłowej odpowiedzi wynosiło 50%). Większość uczniów udzielała odpowiedzi w sposób przypadkowy, a tylko wśród uczniów o najwyższych umiejętnościach odsetek odpowiedzi poprawnych był wyższy. Wyniki wskazują, że badana grupa uczniów nie znała bądź nie pamiętała terminu denaturacja. Co więcej, uczniowie, którzy wybrali prawidłową odpowiedź, często wybierali ją drogą eliminacji, wiedząc że opisany w zadaniu proces nie był reakcją zobojętniania. Dużo lepiej wypadły wyniki dla pytania drugiego poradziło sobie z nim 84% uczniów. Uczniowie, którzy wybrali błędną odpowiedź, nie przeczytali uważnie treści zadania (mowa jest w nim wyłącznie o wysokich temperaturach) bądź nie zauważyli, że w opisanym doświadczeniu ciśnienie nie ulega zmianie. W sumie całe zadanie prawidłowo rozwiązało 42% badanych uczniów. Wyniki, które osiągnęli uczniowie w prezentowanym zadaniu, skłaniają do refleksji nad posługiwaniem się terminologią chemiczną w zadaniach. Analiza statystyczna wyników wykazała bowiem, że dla uczniów biorących udział w badaniu podstawowym problemem w zadaniu wcale nie było wskazanie przyczyn zachodzącego procesu, lecz jego nazwanie. Płynie z tego wniosek, że uczniowie mogą mieć problemy z podstawową terminologią chemiczną, która jest rozbudowana, a słowa są często nieznane z życia codziennego, niezrozumiałe i podobnie brzmiące (np. dysocjacja, dekantacja, destylacja, denaturacja, itd.). Nawet jeśli uczniowie prawidłowo rozumują i potrafią rozpoznać proces, np. denaturacji, to często zwyczajnie nie pamiętają terminu chemicznego, który go opisuje. Należy więc mieć zawsze świadomość tego, co się w danym zadaniu chce zmierzyć znajomość definicji czy umiejętność wnioskowania. Warto też zwrócić uwagę na fakt, że problemy uczniów z opanowaniem specjalistycznej terminologii mogą pojawiać się na każdym etapie kształcenia (także w szkole ponadgimnazjalnej) i dotyczyć nie tylko chemii, ale także innych przedmiotów szkolnych. Z wywiadów przeprowadzonych z uczniami wynika, że pomimo stosunkowo długiego wstępu uczniowie czytali go wnikliwie, a większości z nich zarówno sam kontekst zadania, jak i tekst wstępny bardzo się podobały. Uczniowie deklarowali, że chcieliby przeprowadzić takie doświadczenie samodzielnie w domu (starali się więc jak najdokładniej zapamiętać przepis na plastik), uważali także, że zadanie uczy czegoś ciekawego. Zadanie to pokazuje, że o białkach naprawdę można uczyć w sposób nieszablonowy i interesujący dla uczniów. Zadanie jest zgodne z następującymi wymaganiami zawartymi w podstawie programowej dla III etapu edukacyjnego: Cele kształcenia wymagania ogólne: I. Pozyskiwanie, przetwarzanie i tworzenie informacji Uczeń pozyskuje i przetwarza informacje z różnorodnych źródeł z wykorzystaniem technologii informacyjno-komunikacyjnych. II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów Uczeń opisuje właściwości substancji i wyjaśnia przebieg prostych procesów chemicznych. Treści nauczania wymagania szczegółowe: 9.5. Uczeń (...) opisuje właściwości kwasu octowego (...) Uczeń bada zachowanie się białka pod wpływem ogrzewania, (...) kwasów (...); opisuje różnice w przebiegu denaturacji i koagulacji białek; wylicza czynniki, które wywołują te procesy; wykrywa obecność białka w różnych produktach spożywczych. Zadanie to można wykorzystać także przy realizacji treści nauczania obecnych na dalszym etapie kształcenia, gdyż jest ono zgodne z następującymi podpunktami z podstawy programowej dla przedmiotu chemia na IV etapie edukacyjnym (poziom podstawowy): 3.3. Uczeń wyszukuje informacje na temat składników napojów dnia codziennego (mleko) w aspekcie ich działania na organizm ludzki ( ). SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

73 Nowe zadania PPP Marcin Chrzanowski, Wojciech Grajkowski, Krzysztof Horodecki, Małgorzata Musialik, Maciej Wiśniewski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Fizyka jaki kupić czajnik? W badaniu Laboratorium Myślenia, realizowanym przez PPP IBE staramy się wykorzystywać możliwie szeroko zadania, dotyczące zjawisk zachodzących w bliskim dla ucznia świecie. Jedno z takich, odtajnionych i przeznaczonych do publikacji zadań prezentujemy niżej. Dotyczy ono istotnych z punktu widzenia użytkownika rozmaitych urządzeń, m.in. AGD, a także fundamentalnych w fizyce pojęć mocy i energii. Udzielone przez badanych uczniów odpowiedzi wskazują, że edukacja szkolna w pewnych aspektach nadal jednak przegrywa ze stereotypami lub błędną intuicją. Zadanie Marek wybrał się z rodzicami do sklepu, by kupić czajnik elektryczny. Spodobały im się dwa czajniki o tej samej pojemności, ale różnej mocy: 1500 W i 2300 W. W dyskusji na temat wyboru czajnika padały różne argumenty. Rozstrzygnij, które z nich są słuszne z punktu widzenia fizyki Stwierdzenie Czajnik o większej mocy szybciej zagotuje tę samą ilość wody. W czajniku o mniejszej mocy zagotowanie litra wody będzie tańsze. Czy jest słuszne? Tak / Nie Tak / Nie dla uczniów zupełną zagadkę, a udzielana odpowiedź była praktycznie przypadkowa. Wykres nr 1 Wykres nr 2 Przedłużając rozumowanie z pierwszego wiersza uczeń powinien bez wysiłku stwierdzić, że czajnik o mniejszej mocy będzie musiał dłużej pracować, aby zagotować litr wody. W tym kontekście uznanie za poprawną odpowiedź, że koszt takiego dłuższego gotowania może być mniejszy jest zaskakujące. Niezależnie od mocy czajnika energia potrzebna do zagotowania litra wody jest taka sama. Nawet jeśli uwzględnić straty energii, to niewątpliwie będą one większe przy powolnym grzaniu niż przy szybkim, co tym bardziej powinno prowadzić do odrzucenia hipotezy o zmniejszeniu kosztów poprzez gotowanie wody w czajniku o mniejszej mocy. Jak widać stereotyp prostego kojarzenia: mała moc małe zużycie energii jest silniejszy niż podstawy szkolnej wiedzy uzyskanej na lekcjach fizyki. Zadanie diagnozuje poziom umiejętności opisanych wymaganiami ogólnymi i szczegółowymi podstawy programowej fizyki dla III etapu edukacyjnego: Cele kształcenia: III. Wskazywanie w otaczającej rzeczywistości przykładów zjawisk opisywanych za pomocą poznanych praw i zależności fizycznych. Treści nauczania: Uczeń posługuje się pojęciem pracy i mocy prądu elektrycznego Uczeń wyodrębnia zjawisko z kontekstu, wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla wyniku doświadczenia. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO Komentarz Pierwszy wiersz okazał się banalnie łatwy. Nawet w najsłabszej grupie uczniów poprawna odpowiedź zdecydowanie dominowała. Widać to na wykresie nr 1. wykres nr 2 pokazuje natomiast, iż drugi wiersz stanowił Wydawałoby się, że skoro uczeń ma świadomość, że większa moc czajnika oznacza szybsze gotowanie, to ma również przynajmniej intuicyjnie poprawne wyczucie pojęcia mocy.

74 Opinie Ryszard Kowalski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Opinie Czy warto studiować biologię? Strata czasu, a może dobra inwestycja na przyszłość? Ryszard Kowalski Jesteśmy społeczeństwem akcyjnym i pewnie dlatego lubimy obchodzić różnorodne jubileusze. W tym tekście, łamiąc zasadę okrągłych rocznic, chciałbym przywołać pamięć o Komisji Edukacji Narodowej. Szczególny powód do przypomnienia tego pierwszego w Polsce, a może nawet w Europie, świeckiego ministerstwa oświaty, przypadnie za lat dziesięć. Może wtedy, z okazji 250-lecia od chwili jej ustanowienia, polski parlament uchwali rok KEN, a jeśli się tak nie stanie, to z pewnością przynajmniej 14 października 2023 r. będzie się o tym dużo mówiło. Które z ówczesnych osiągnięć KEN będą wtedy nagłośnione tego nie sposób dziś przewidzieć. Oby nie trzeba było formułować postulatów o przywrócenie w szkołach nauczania ojczystej historii i przedmiotów przyrodniczych, gdyż jak na razie trwa ich konsekwentna redukcja. Przyznaję, że świadomie popełniam falstart i przywołuję czasy KEN, choć nie ma do tego specjalnej okazji. Czynię to, gdyż chcę przypomnieć, że wprowadziła ona do szkół ojczysty język, nauczanie historii Polski i historii naturalnej inaczej mówiąc przyrodoznawstwa, i to w bardzo trudnym okresie zniewolenia naszej ojczyzny. Cenimy ją za to, że zreformowała szkolnictwo przyrody. Sytuacja jest niepokojąca, gdyż licea, w swojej nazwie i naturze ogólnokształcące, nie zapewniają ogólnego wykształcenia na poziomie średnim w zakresie podstawowych przedmiotów. Ewoluują w wąskie specjalności już od pierwszej klasy, co należy uznać za zbyt wczesne. Zaniedbują kształcenie w zakresie historii, uważanej za podstawę kształcenia patriotycznego, ale i biologii, która jako nauka o życiu i jego różnorodności ma także związek z patriotyzmem i obywatelskim wychowaniem, chociażby poprzez zawarte w niej treści ekologiczne i sozologiczne. Poprzez minimalizację godzinowego wymiaru wiele ważnych przedmiotów zaliczanych tradycyjnie do przyrodoznawstwa straciło na znaczeniu i znalazło się na marginesie współczesnej edukacji. Jakże trudno w tych warunkach wziąć odpowiedzialność za efekty nauczania i wychowania młodego pokolenia, w tym kształtowanie prośrodowiskowych postaw. Niewielki przydział godzin przeznaczonych na przedmiot, przegęszczone klasy pomimo demograficznego niżu (bo tak jest taniej), ubóstwo w wyposażeniu pracowni przedmiotowych, jako rezultat niedoinwestowania szkół, niby państwowych, ale jednak oddanych pod opiekę samorządom gminnym i powiatowym to wybrane czynniki degradujące polską oświatę. Efekt tego jest taki, że szkoły ponadgimnazjalne opuszczają absolwenci, którzy nie są przygotowani do świadomego i odpowiedzialnego wyboru kierunku studiów. Podejmując życiową decyzję o tym, co studiować, młodzi ludzie patrzą przede wszystkim na marketingowe opakowanie treści w nośny w swoim wydźwięku slogan. Trudne czasy przeżywają kierunki o tradycyjnych nazwach, np. biologia, chemia, geografia, fizyka. I nie jest to problem lokalny, lecz ogólnopolski. Niewielka grupa młodzieży chce je studiować. Większość zapisuje się na różne biopochodne i biozmanipulowane kierunki, co skrzętnie wykorzystują uczelnie, niemające już dziś obowiązku przestrzegania zatwierdzonej przez minidr Ryszard Kowalski: zastępca dyrektora Instytutu Biologii Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistyczny w Siedlcach średnie i wyższe i zajęła się kształceniem świeckiej kadry nauczycielskiej, gdyż takiej w tamtych czasach brakowało. Poprzez wprowadzenie do szkół wychowania patriotycznego przyczyniła się do kształtowania świadomości obywatelskiej i narodowej polskiej młodzieży. To, co w tamtych czasach intelektualne elity uznawały za wartość można dodać: ponadczasową dziś niestety traci na znaczeniu. Dlatego też należy włączyć ostrzegawczy alarm, informując społeczeństwo o tym, że źle dzieje się w naszej oświacie. Trudno dopatrzyć się w działaniach współczesnych władz oświatowych rozwijania szkół zgodnie z duchem, ideą i wartościami określonymi przez Komisję. Udowodniły to ubiegłoroczne protesty, które przetoczyły się przez nasz kraj z postulatami przywrócenia należnej rangi nauczaniu historii. W obronie ograniczanej wciąż biologii, stanowiącej już drobny margines w ogólnym wykształceniu młodzieży na poziomie średnim, na razie nie protestowano, ale warto się o ten przedmiot upomnieć. Bios znaczy wszakże życie! Przydzielenie jednej godziny tygodniowo w pierwszej klasie szkoły ponadgimnazjalnej, na ten podstawowy w wykształceniu ogólnym przedmiot, jest niepokojące, a jednocześnie wskazuje, jak niewiele dla współczesnych oświatowych decydentów znaczy nauka o życiu. Nie zastąpi tego przedmiotu zlepek różnych przypadkowych zagadnień opisanych w nowej podstawie programowej kształcenia ogólnego pod nazwą przyroda. Wejdzie ona do liceów dopiero w następnym roku szkolnym i będzie obowiązywała wszystkich uczniów, którzy nie wybiorą biologii w zakresie rozszerzonym, ale już dziś podzieliła ona i skonfliktowała nauczycieli biologii, chemii, fizyki i geografii. Powodem jest konkurencja o godziny liczone do pensum dydaktycznego, gwarantującego przetrwanie w nauczycielskiej profesji. Skoro ucząc tylko biologii nauczyciel nie uzbiera tyle godzin, aby wystarczyło na etat, to musi rywalizować z pozostałymi o lekcje SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

75 Opinie Ryszard Kowalski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ sterstwo centralnej listy kierunków, kreujące w swej autonomii bogatą ofertę kształcenia obejmującą zarówno kierunki, jak i specjalności z przedrostkiem bio-. Mając wieloletnie doświadczenie w kształceniu studentów biologii, także w zakresie ich nauczycielskiego przygotowania, zastanawiam się nad współczesnym kryzysem oświaty i szkolnictwa wyższego, sztucznie rozdzielonych przez polityków na dwa ministerialne resorty. Pytanie czy warto dziś studiować biologię? często zadaję sam sobie. Wpisałem je także z ciekawości do internetowej przeglądarki, wszechwiedzącego instrumentu, z którego szczególnie chętnie korzysta współczesna młodzież. W ułamku sekundy uzyskałem dostęp do wielu stron, które zawierały w tytule dokładnie takie samo pytanie. Część z nich to fora internetowe, na których młodzi ludzie dyskutują, zadają pytania, spierają się, podpowiadają, wymieniają się poglądami o warunkach nauki, programach i treściach nauczania, uczelniach, wykładowcach. Czy warto zatem studiować biologię? Wątpiący w sens podejmowania takich studiów najczęściej podawali argument braku pracy dla biologów z wyższym wykształceniem. Trudny, wymagający wiele nauki kierunek a przecież studiowanie nie musi przypominać codziennego zajęcia dzięcioła. Wyższe wykształcenie można zdobyć niewielkim nakładem własnej pracy, studiować łatwo, korzystać z przyjemności, a ponieważ ukończenie studiów, niezależnie od kierunku i tak nie gwarantuje otrzymania pracy, to po co się przemęczać. Czy warto zatem studiować biologię? Oddajmy głos internautom przytaczając parę zróżnicowanych opinii. Jest to kierunek ciekawy, lecz na pewno bardzo skomplikowany. W gimnazjum może wydawać się co prawda prosty, ale po wejściu w trudniejsze tematy, raczej taki nie jest. Jednak jeżeli nie masz z tym przedmiotem problemu, to tak, oczywiście, że warto. Można po nim znaleźć pracę dużo łatwiej niż po studiach humanistycznych. Studiuję 3 rok biologii. Roboty jest full ciągle. W zasadzie, żeby do czegoś dojść trzeba się uczyć cały czas. Pierwsze 1,5 roku to kompletna strata czasu i energii. Same bzdury jak dla mnie to samo, co w LO, tylko że trochę poszerzone. Rośliny, pierwotniaki to była dla mnie masakra. Dopiero od tego roku jestem na specjalizacji, molekularnej i przedmioty są ciekawe, choć musimy teraz opanować to wszystko, co miała biotechnologia przez trzy lata w jeden rok. I znowu harówa. Jeżeli chcesz się zająć człowiekiem, idź na medycynę. Jeśli biologią molekularną, idź na biotechnologię, a jeśli ekologia i te wszystkie dłubania w glebie, to na biologię. W UE jest bardzo duży nacisk na środowisko. W zasadzie każda większa inwestycja musi przejść przez urząd zajmujący się środowiskiem. Myślę, że przez najbliższe lata ta działka trochę się rozbuduje ze względu na wymagania i praca się znajdzie. Zaczerpnięte z Internetu posty zostały w niewielkim stopniu zmienione, tak aby nie zdradzać nazw uczelni i poprawić interpunkcję, która w internetowych wypowiedziach nie odgrywa żadnej roli. Jeszcze raz zatem warto powtórzyć pytanie czy warto obecnie studiować biologię? Odpowiedzi powinien udzielić sobie każdy młody człowiek kończący kształcenie na poziomie średnim i szukający kierunku związanego z zainteresowaniami, marzeniami, przyszłą pracą, gdyż każdy indywidualnie jest odpowiedzialny za swoje życie i swój zawodowy rozwój. Jako biolog, podsumowujący już powolutku swoje zawodowe życie, udzielam odpowiedzi twierdzącej i mam na to oczywiście uzasadnienie. Stara giełdowa zasada, którą w jakimś sensie można odnieść do szkolnictwa wyższego i biologii jako kierunku studiów, poucza, aby akcje kupować na dołku, a sprzedawać na górce, a wszystko po to, żeby jak najwięcej zarobić. Wybór kierunku studiów to także inwestycja i to najczęściej jedna w ciągu całego życia. Zjawiska w przyrodzie, a także w społeczeństwie podlegają ciągłym i dynamicznym zmianom. Dla przykładu, liczebność osobników należących do określonej populacji przedstawiona na osi upływającego czasu układa się zazwyczaj w dość regularną sinusoidę, raz osiągając minimum, aby znów po jakimś czasie osiągnąć wartość maksymalną. Jeśli dziś biologów z wyższym wykształceniem wydaje się być ponad potrzeby i nie mogą znaleźć pracy, to nie oznacza, że jest to tendencja trwała i że absolwenci innych kierunków nie mają problemów z zatrudnieniem. Za parę lat sytuacja może się zmienić i biolog będzie pilnie poszukiwany. Zdaje się, że dobrze rozumie ten mechanizm jeden z internautów, pisząc w przytoczonym powyżej poście o opiniowaniu przez specjalistów przyrodników różnych projektów inwestycyjnych w Unii Europejskiej. Tę pracę powinni wykonywać biolodzy z przygotowaniem do pracy w terenie. Trzy lata temu, na międzynarodowej konferencji w Brodnicy, zorganizowanej pod hasłem Zielone ponad granicami, prezentowany był referat o wdrażaniu Natury 2000 unijnego programu ochrony przyrodniczego środowiska, w jednej z holenderskich gmin. Uczestnicy konferencji z Polski byli zaskoczeni tym, że w holenderskim odpowiedniku naszego samorządu gminnego ochroną środowiska zajmuje się 10 osób, a bywa że i więcej. U nas w przeciętnej gminie, nawet tej funkcjonującej na obszarach Natura 2000, środowiskiem zajmuje się najczęściej jeden urzędnik, któremu jeszcze na dodatek zleca się inne zadania, np. z zakresu budownictwa lub utrzymania dróg. Ale to się musi zmienić, gdyż w zjednoczonej Europie problemy środowiskowe będą wciąż zyskiwały na znaczeniu. Biolog z wyższym wykształceniem o specjalności środowiskowej, z umiejętnościami w zakresie waloryzacji przyrody czy zarządzania środowiskiem powinien zatem znaleźć zatrudnienie. Takich specjalistów potrzeba będzie coraz więcej w obsłudze gospodarstw rolnych, starających się SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

76 Opinie Ryszard Kowalski EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ o wdrażanie programów rolno-środowiskowych, gdyż przy niektórych pakietach istnieje potrzeba wykonania przyrodniczej waloryzacji gospodarstwa. To ważny i rozwojowy kierunek wspólnotowego rolnictwa. Miejsc dla absolwentów uczelni z biologicznym wykształceniem powinno przybywać zatem w gminach, w rolnictwie i jego otoczeniu, w różnego typu laboratoriach i tych medycznych, gdyż starzejące się społeczeństwo będzie potrzebowało intensywniejszej opieki medycznej, i tych środowiskowych, świadczących usługi dla służb ochrony środowiska. Należy wierzyć, że zielone światło dla biologów starających się o pracę zaświeci się także w oświacie, gdy władze przekonają się o popełnieniu błędu polegającego na ograniczeniu kształcenia biologicznego i ogólnie mówiąc przyrodniczego w szkołach. Teraz jest właśnie dobry czas na podejmowanie decyzji o studiowaniu biologii. Na pytanie, w której uczelni podjąć studia, nie chciałbym się bezpośrednio wypowiadać, aby nie być posądzonym o autoreklamę. Kierunek biologia jest prowadzony w wielu uczelniach, a w jego ramach istnieją rozbudowane oferty specjalnościowe, aby każdy student mógł zaspokoić potrzeby wynikające z indywidualnych zainteresowań i życiowych planów. Można także studiować w innych krajach, gdyż granice są dziś otwarte i istnieją specjalne programy stypendialne. W Uniwersytecie, w którym pracuję, studenci biologii mogą kształcić się w specjalności analitycznej, środowiskowej, eksperymentalnej z biotechnologią, zarządzania środowiskiem, a także biologii w połączeniu z kulturą fizyczną. Studiując każdą z wyżej wymienionych specjalności można bezpłatnie uzyskać dodatkowe uprawnienia do wykonywania zawodu nauczyciela, co umożliwia podjęcie pracy w szkole, lecz także w pozaszkolnych instytucjach zajmujących się edukacją przyrodniczą, np. w domach kultury, opieki społecznej czy w nadleśnictwach. Wybierając uczelnię, warto sprawdzić jakie ma ona tradycje kształcenia na tym kierunku. Trzeba unikać edukacyjnych jętek, które pojawiają się znienacka w uczelniach prywatnych i państwowych, są niestabilne kadrowo i nie gwarantują odpowiedniej jakości kształcenia. Sympatycznie studiuje się biologię w mniejszych ośrodkach akademickich zlokalizowanych poza dużymi aglomeracjami miejskimi, gdyż z reguły organizuje się tam atrakcyjne z punktu widzenia przyszłej pracy zajęcia terenowe. Ponadto warto sprawdzić, czy poza zajęciami obowiązkowymi istnieje rozbudowana oferta przedmiotów do wyboru, czy w uczelni można rozwijać indywidualne zainteresowania w studenckich kołach naukowych. Warto zapytać też o możliwości wyjazdu za granicę w ramach wymiany studentów, o obowiązkowe praktyki, o kadrę nauczycieli akademickich, aby potem nie wyrażać swojego rozczarowania tak, jak to zrobiła w Internecie jedna z wypowiadających się osób: Poza tym powiem, że profesorowie mają nas wszystkich gdzieś, chcą nam tylko dokopać przy każdej okazji i udowodnić że nic nie umiemy. Cieszę się, że ten przypadek nie dotyczy mojego Uniwersytetu. Młodzieży z gorzej sytuowanych rodzin radzę, aby zapoznała się wcześniej z systemem pomocy materialnej dla studentów. I jeszcze jedna ważna rada dla kandydatów na studia: Nie szukaj daleko tego, co masz w zasięgu ręki. Czy warto studiować biologię naukę o życiu, stanowiącą podstawę wielu gospodarczych dziedzin i współczesnej ochrony przyrodniczego środowiska? Z pełnym przekonaniem, że jest to inwestycja z przyszłością rekomenduję ten kierunek ambitnym maturzystom. SZKOŁA NAUKA KRÓTKO

77 Recenzja książki Weronika Wronowska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Recenzja książki Biologia Neila A. Campbella, Jane B. Reece i wsp. Weronika Wronowska LEKKA RECENZJA CIĘŻKIEJ KSIĄŻKI 1. Ciężka lektura? Kiedy zobaczyłam Biologię Campbella na półce księgarni, przestraszyłam się 5 kg papieru, 5 kg informacji. Nie jest to książka, którą spakujesz do bagażu podręcznego, aby mieć co czytać w podróży. To dzieło stacjonarne na półkę, noszenie go w torbie gwarantuje skoliozę. 2. Po co książka, kiedy wszystko jest w Wikipedii? Campbell z pewnością nie jest tak poręczny jak tablet, ale w przeciwieństwie do Wikipedii wskazuje zagadnienia najistotniejsze dla zrozumienia podstaw biologii, określa ramy. Jeśli jakieś zagadnienie zainteresuje cię szczególnie, znajdziesz więcej na ten temat w sieci. Dzięki podręcznikowi nie ominiesz jednak tematów, które mogłyby umknąć podczas samodzielnego eksplorowania Internetu. 3. Książki nie nadążają za postępami nauki Podręcznik przestaje być aktualny zanim jeszcze wydawca zdąży go wydrukować. Takie czasy, chociaż spośród dostępnych ten jest jednym z najbardziej aktualnych 1. Obszernie omówiono w nim główne techniki 1 Ósme wydanie jest nowością na polskim rynku, tymczasem wydawnictwo Pearson już w 2011 roku wydało kolejną, dziewiątą edycję podręcznika. Biologia Neil A. Campbell, Jane B. Reece i wsp. Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2012, ss stosowane we współczesnej biotechnologii, przeanalizowano zjawisko transpozycji, przedstawiono również podstawowe fakty związane z epigenetycznymi mechanizmami dziedziczenia. 4. Tylko, czy to aby książka dla Ciebie? O tym musisz przekonać się sam. Polecałabym ją przede wszystkim: licealistom chociaż książka znacznie wykracza ponad podstawę programową realizowaną w polskich liceach, to wszystkie treści przedstawione są w przystępny sposób; każde nowe pojęcie jest na bieżąco wyjaśniane (wytłuszczenie kluczowych terminów pomaga w ich zapamiętywaniu); olimpijczykom książka ta jest jedynym podręcznikiem polecanym przez Komitet Główny Olimpiady Biologicznej; spis treści i szczegółowe informacje na: biologiacampbella.pl nauczycielom skoro polecam uczniom i studentom, trudno nie polecić nauczycielom. Większość z nich nie będzie miała żadnych wątpliwości co do przydatności tego podręcznika w nauczaniu biologii. To źródło doskonałych ilustracji do lekcji, tekstów i ciekawostek uzupełniających zajęcia; studentom nie nauczysz się z tej książki do egzaminu z immunologii, genetyki czy botaniki, ale jeśli po jakimś czasie nie będzie ci już tak bardzo zależeć na detalach, ten podręcznik pozwoli ci odzyskać ogólne pojęcie o temacie. na koniec wszystkim tym, którzy zajmują się popularyzacją nauki, tak aby widzieli, co popularyzują. KRÓTKO SZKOŁA NAUKA

78 Recenzja książki Weronika Wronowska EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Treść czy forma? Szczęśliwie: jedno i drugie. Pod względem edytorskim świetna. Solidnie zszyte 1416 stron nie powinno wypadać nawet po wielu latach używania. Zdjęcia i schematy doskonale ilustrują prezentowane treści. Nie jest to jednak kolorowy album ze zdawkowymi opisami. Książka przede wszystkim zawiera obszerny, bogaty merytorycznie tekst. 6. Campbell kontra Villee W szkolnej bibliotece obowiązkowo powinny się znaleźć oba dzieła. Biologia Campbella zawiera nieco więcej informacji szczegółowych. Dokładniej omówione zostały: wybrane przemiany metaboliczne, szlaki sygnalizacji komórkowej czy regulacja ekspresji genów. Zarazem ogromnym walorem Biologii Solomon, Berg i Martin (wciąż często zwanej Villee ) jest odwieczna obecność tej książki na rynku. 7. Szukanie dziury w całym Książka jest naprawdę świetna. Jeśli jednak koniecznie będziemy chcieli znaleźć jakieś minusy, oto moje propozycje. Organizacja książki podział materiału na rozdziały dla wielu czytelników wychowanych na polskich podręcznikach może być zaskakujący. Przyzwyczailiśmy się wrzucać mitozę i mejozę do jednego worka. Tu mitozę znajdziemy w rozdziale omawiającym cykl komórkowy, zaś mejoza opisana jest w całkiem innym dziale genetyka, jako przyczyna zmienności genetycznej. Również w genetyce trzeba szukać rozdziału o wirusach. Jeżeli zaś chcemy przestudiować anatomię człowieka, musimy ją wyłuskać z części o budowie i funkcjach zwierząt. Zgodność z wymaganiami programowymi dla liceum w Biologii Campbella brakuje opisu chorób. Profilaktyka, drogi infekcji czy metody leczenia są omawiane raczej zdawkowo. Nie za wiele dowiemy się też o ukochanych przez polską edukację cyklach rozwojowych pasożytów. Nasz system klasyfikacyjny a reszta świata system klasyfikacji organizmów w Biologii Campbella jest bezpośrednio tłumaczony z języka angielskiego. Znajdujemy tu więc podział na jednakowe taksony, czy to dla roślin, czy zwierząt (królestwo, typ, gromada, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek). Niestety nasz rodzimy system klasyfikacyjny przez wiele lat rządził się nieco odmiennymi prawidłami (np. gromada u roślin odpowiada typowi u zwierząt). Warto o tym wiedzieć czytając rozdział Filogeneza i drzewo życia. Przypisy autorzy nie podają materiałów źródłowych, zapewne z powodu braku miejsca. Brakuje też wskazówek dla czytelników chcących pogłębić wiedze w danym temacie oraz odniesień do literatury szczegółowo omawiającej wybrane zagadnienie. 8. Bilans końcowy Znakomity podręcznik esencja wiedzy biologicznej, dobrze napisany, ładnie wydany i jeśli w ogóle myślisz o kupieniu książki całościowo ujmującej biologię, Campbell jest doskonałym wyborem. KRÓTKO SZKOŁA NAUKA

79 XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii Redakcja EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii Edukacja przyrodnicza w obliczu przemian cywilizacyjnych i kulturowych pod takim hasłem w dniach września 2013 r. odbędzie się w Poznaniu XVIII Konferencja Dydaktyków Biologii Szkół Wyższych i Nauczycieli Przedmiotów Przyrodniczych. Organizatorzy podali cztery główne grupy problemów, które zostaną podjęte na konferencji: edukacja przyrodnicza wobec potrzeb ochrony środowiska i edukacji zdrowotnej; edukacja przyrodnicza i zdrowotna w kontekście zmian kulturowych oraz cywilizacyjnych; przygotowanie nauczycieli do prowadzenia edukacji przyrodniczej i zdrowotnej na różnych poziomach kształcenia; dydaktyka biologii i ochrony środowiska wobec zmian programowych, cywilizacyjnych i środowiskowych. Będziemy monitorować to wydarzenie. Zainteresowanych zapraszamy na stronę: kdb.amu.edu.pl Redakcja KRÓTKO SZKOŁA NAUKA

80 Nowości ze świata nauki Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Nowości ze świata nauki Depesze przygotowały: Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE Bioniczne oko nadzieja dla chorych na retinopatię barwnikową Amerykańska Agencja do Spraw Żywności i Leków (FDA) 14 lutego 2013 r. zaaprobowała system Argus II do stosowania jako urządzenie przywracające wzrok osobom niewidzącym cierpiącym na zaawansowaną postać retinopatii barwnikowej (RP) [1]. RP jest chorobą dziedziczną, polegającą na odkładania się cząsteczek barwnika wzrokowego w postaci skupisk w komórkach receptorowych. Skutkiem tego może być osłabienie widzenia wieczorem, zaburzenie tzw. widzenia obwodowego (czyli widzenia nie tylko na wprost ), prowadzące do widzenia lunetowego, a w konsekwencji do całkowitej utraty wzroku. Uszkodzeń wynikających z rozwoju RP w siatkówce i nerwie wzrokowym nie da się skorygować typowymi okularami. Dotąd nie poznano skutecznych metod zatrzymania postępu choroby ani jej leczenia. W zdrowym oku fotoreceptory w siatkówce przekształcają bodźce świetlne na impulsy elektrochemiczne, które przesyłane są przez nerw wzrokowy do mózgu, gdzie następnie sygnały te ulegają dekodowaniu. Jeżeli działanie fotoreceptorów nie jest poprawne ze względu na RP, cały proces ulega przerwaniu. Siatkówkowy system protezowy Argus II [2] został stworzony w celu elektrycznego stymulowania pozostałych, działających jeszcze prawidłowo, fotoreceptorów w siatkówce oka chorego na retinopatię barwnikową W jaki sposób działa proteza? Składa się ona z dwóch części implantu, który wszczepia się chirurgicznie do wnętrzna oraz na powierzchnię gałki ocznej oraz przenośnego modułu zewnętrznego. W skład implantu, pokazanego na rysunku [3] wchodzą: a) układ elektroniczny, b) elektroda szeregowa, przekazująca impulsy do fotoreceptorów oraz c) antena. Na przenośny moduł zewnętrzny, pokazany poniżej [4], składają się: okulary zaopatrzone w miniaturową kamerę i antenę bezprzewodową, jednostka przetwarzająca obraz (VPU) oraz kabel, łączący ze sobą elementy modułu. Proces tworzenia obrazu z udziałem implantu realizowany jest następująco: obraz z kamery video przesyłany jest do mikrokomputera (VPU), który przetwarza go, a następnie wysyła za pomocą kabla z powrotem do okularów. Sygnał w postaci odpowiednich, instrukcji jest następnie przesyłany bezprzewodowo (przez nadajnik) i odbierany przez antenę implantu we wnętrzu oka i kierowany do elektrody. Elektroda z kolei przesyła syg- KRÓTKO SZKOŁA NAUKA

81 Nowości ze świata nauki Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ nał w postaci serii impulsów elektrycznych do pozostałych, zdrowych receptorów, które przesyłają informację o obrazie do mózgu. Wielofunkcyjny ditlenek tytanu ratunkiem dla środowiska? Pacjenci, po wszczepieniu implantu, muszą na nowo nauczyć się interpretować obrazy, jako że widzenie z systemem Argus II bardzo różni się od widzenia, którego doświadczali zanim stracili wzrok. Po pewnym czasie od zabiegu są jednak w stanie czytać nagłówki z gazet, znajdować źródło światła, lokalizować i identyfikować obiekty czy orientować się w przestrzeni. Na portalu YouTube.com można obejrzeć krótki wywiad (w języku angielskim z napisami) [5] przeprowadzony z pacjentem używającym systemu Argus II. Pacjent odzyskał wzrok po 25 latach i opowiada, w jaki sposób wszczepiony implant odmienił jego życie. Literatura Marcin M. Chrzanowski, PPP [1] URL: H110002a.pdf. [2] URL: [3] URL: zmodyfikowany. [4] URL: zmodyfikowany. [5] URL: embedded&v=8awijdaykow. Grafen doczekał się konkurencji w kategorii najbardziej obiecująca nowa substancja. Naukowcy z Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze odkryli nanomateriał o tak wszechstronnych właściwościach, że nazwali go wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu (ang. Multi-use Titanium Dioxide). Wynalazek może być przełomem w takich kwestiach jak uzdatnianie wody i przekształcanie ścieków w odnawialne źródła energii i wodoru (Liu i wsp., 2013). Ditlenek tytanu jest substancją chemiczną powszechnie występującą w przyrodzie i stosowaną od dawna w przemyśle jako pigment (biel tytanowa) do produkcji żywności, kosmetyków, leków, past do zębów, papieru, tworzyw sztucznych, porcelany, farb i emalii oraz jako filtr przeciw promieniowaniu UV i stabilizator koloru szkliw. W latach 70. XX wieku odkryto, że ma on wspaniałe właściwości fotokatalityczne, tzn. zdolność do przyspieszania reakcji chemicznych pod wpływem światła. Ze względu na niską cenę, trwałość i wydajność ditlenek tytanu znalazł zastosowanie jako fotokatalizator do oczyszczania wody, ścieków i powietrza, a nawet jako środek dezynfekcyjny zdolny do zabicia bakterii Escherichia coli oraz inaktywacji wirusa grypy. Rozwój nanotechnologii w ostatnich latach sprawił, że zaczęto wykorzystywać ditlenek tytanu do otrzymywania Prof. Darren Sun z próbką wielofunkcyjnego ditlenku tytanu zanim zostanie on przerobiony na membranę. Oba zdjęcia pochodzą ze strony: nanomateriałów, które w odróżnieniu od klasycznego materiału posiadają wiele unikalnych właściwości i jeszcze lepsze zdolności katalityczne dzięki dużemu polu powierzchni nanostruktur w stosunku do zajmowanej przez nie objętości. Profesorowi Darrenowi Sunowi i jego współpracownikom z NTU s School of Civil and Environmental Engineering udało się otrzymać z kryształów ditlenku tytanu nanomateriał, którego lista zastosowań jest naprawdę długa. Dzięki silnym właściwościom fotokatalitycznym może być wykorzystany jako fotoanoda do rozkładu wody na wodór i tlen pod wpływem promieniowania UV, jako fotokatalizator do rozkładu związków organicznych w wodzie oraz innych zanieczyszczeń środowiska (NO x ), a także do odzysku i usuwania metali ciężkich ze ścieków. Użyty jako fotokatalizator, w pro- KRÓTKO SZKOŁA NAUKA

82 Nowości ze świata nauki Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ cesie przetwarzania ścieków w wodór i czystą wodę pod wpływem światła, jest trzykrotnie wydajniejszy od trudno dostępnej i drogiej platyny. Materiał ten nadaje się doskonale do wytwarzania wydajnych i tanich baterii słonecznych, membran filtracyjnych pozwalających odsalać wodę za pomocą wysokoprzepływowej wymuszonej osmozy (ang. high-flux forward osmosis), a także membran do separacji gazów. Może posłużyć do wytwarzania powłok samoczyszczących, antystatycznych, hydrofilowych, chroniących przed promieniowaniem UV i neutralizujących zapachy. Z kolei dzięki właściwościom przeciwbakteryjnym może być z powodzeniem wykorzystywany do produkcji filtrów antybakteryjnych, a nawet elastycznych bandaży zapobiegających infekcjom i przyspieszającym leczenie ran ze względu na dobrą przepuszczalność tlenu. Swe unikalne właściwości wielofunkcyjny ditlenek tytanu zawdzięcza opatentowanej strukturze nanowłókien, które w zależności od późniejszego przeznaczenia mogą być wzbogacane węglem, miedzią, cynkiem lub cyną. Membrana filtracyjna wykonana z nanocząstek ditlenku tytanu. Obecnie zespół prof. Suna pracuje nad opracowaniem nanomateriału z czarnego ditlenku tytanu, który ma posłużyć do produkcji baterii litowo-jonowych. Wyniki wstępnych analiz wskazują, że użycie anody zrobionej ze sferycznych nanocząstek ditlenku tytanu modyfikowanych węglem może podwoić pojemność baterii. Wydłuża to znacząco żywotność takich baterii w porównaniu z ich standardowymi odpowiednikami Zdaniem prof. Suna, niskie koszty i łatwość wytwarzania nanomateriału z ditlenku tytanu dają mu niesamowity potencjał w rozwiązaniu najbardziej naglących problemów związanych z ochroną środowiska, a zwłaszcza z zanieczyszczeniem wód, kurczących się zasobów wody pitnej i paliw kopalnych oraz wciąż wzrastającym zapotrzebowaniem na czyste źródła energii, takie jak wodór. W ciągu pięciu lat badań nad wielofunkcyjnym ditlenkiem tytanu zespół prof. Suna opublikował ponad 70 prac naukowych w czasopismach takich jak Separation and Purification Technology, Water Research, Energy and Environmental Science oraz Journal of Materials Chemistry. Literatura Małgorzata Musialik, PPP Nakano R i wsp. (2012). Photocatalytic inactivation of influenza virus by titanium dioxide thin film. Photochem. Photobiol. Sci. 11: DOI: /C2PP05414K. Liu L, Liu Z, Bai H, Sun DD (2012). Concurrent filtration and solar photocatalytic disinfection/degradation using high-performance Ag/TiO 2 nanofiber membrane. Water Research. 46(4): Liu Z, Bai H, Lee J, Sun DD (2011). A low-energy forward osmosis process to produce drinking water. Energy and Environmental Science. 4(7): DOI: /C1EE01186C. Bai H, Liu Z, Sun DD (2012). A lithium-ion anode with micro-scale mixed hierarchical carbon coated single crystal TiO 2 nanorod spheres and carbon spheres. Journal of Materials Chemistry. 22(47): DOI: /C2JM34142E. KRÓTKO SZKOŁA NAUKA news=14e3b618-c71c-4f20-935c-2a566af5a298. Liu Z, Bai H, Sun DD (2013). A general method for the fabrication of hierarchically-nanostructured membranes with multifunctional environmental applications. Separation and Purification Technology 107: Nakata K, Fujishima A (2012). TiO 2 photocatalysis: Design and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 13 (3): DOI: /j.jphotochemrev

83 Nowości ze świata nauki Redakcja i Pracownia Przedmiotów Przyrodniczych IBE EDUKACJA BIOLOGICZNA I ŚRODOWISKOWA 2/ Wyhodują całe narządy? Japońscy naukowcy są coraz bliżej wyhodowania w warunkach laboratoryjnych całego narządu. Dzięki wykorzystaniu specjalnej osłony żelowej udało im się już wyprodukować dobrze funkcjonujące włókna komórkowe. Proste tkanki człowieka takie jak elementy skóry, mięśnia sercowego, czy rogówka wyhodowane w laboratorium, coraz częściej wykorzystywane są do przeszczepów. Taki sposób postępowania ma duże zalety, ponieważ tkanki można wyhodować z komórek operowanego pacjenta, dzięki czemu można zminimalizować ryzyko odrzucenia przeszczepionej tkanki. Wciąż jednak mamy duży problem z ukształtowaniem narządu, który jest bardziej skomplikowany pod względem budowy niż warstwa tkanki. Być może przełamanie tych trudności zbliża się dużymi krokami dzięki niedawnemu odkryciu japońskich naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego (Onoe i wsp., 2013). Zespół prof. Shoji Takeuchi zauważył, że wiele przedmiotów można łatwo stworzyć z włókien; można je spleść ze sobą i doprowadzić do powstania grubego włókna, ale można też utkać w płaską tkaninę. Dlaczego nie zrobić tego samego z komórkami hodowanymi w laboratorium? To był właśnie punkt wyjścia do badań japońskiego zespołu badaczy. Zadanie wydaje się trudne, ale nic bardziej błędnego! Uczeni z Tokio wykorzystali alginian sodu substancję, która po zetknięciu się z chlorkiem wapnia zmienia się w żel. Zresztą jest ona szeroko wykorzystywana w medycynie, m.in. jako nić do zszywania ran. Japońscy naukowcy zaprojektowali jednak specjalną wyciskarkę, dzięki której potrafili stworzyć osłonkę żelową przypominającą spaghetti. W środku umieścili niewielką liczbę komórek razem z macierzą zewnątrzkomórkową (siecią rozmaitych białek otaczającą komórki znajdujące się w ogramizmie) i hodowali w laboratorium, tak samo jak hoduje się inne komórki. Po pewnym czasie ich liczba w żelu alginianowym na tyle wzrastała, że komórki tworzyły zwarte włókno. Ostatnim krokiem było rozpuszczenie żelu, w wyniku czego zespół prof. Takeuchi otrzymał włókna komórkowe. Metodę wypróbowano na różnych rodzajach komórek. Okazało się, że włókna komórek nerwowych przekazywały impuls nerwowy, komórki mięśniowe uształtowane w ten sposób potrafiły się kurczyć, a komórki nabłonkowe naczyń krwionośnych tworzyły struktury przypominające właśnie naczynia krwionośne. Uczeni spróbowali też zastosować tę nową metodę w leczeniu cukrzycy. Wykorzystali jako model myszy laboratoryjne z uszkodzoną trzustką, która nie wydzielała insuliny. Co ciekawe, gdy owinęli oni nerkę myszy włóknem zbudowanym z komórek B trzustki, które wydzielają insulinę, poziom glukozy we krwi badanych myszy wrócił całkowicie do normy. Takiego efektu nie dawało umieszczenie komórek B znajdujących się w zawiesinie w tym samym miejscu organizmu myszy. Badania te wskazują więc na to, że nie tylko rodzaj komórek ma znaczenie, ale ich struktura może mieć wręcz decydujący wpływ na to, czy będą one funkcjonować po przeszczepieniu tak samo, jak w narządzie, z którego zostały wyodrębnione. Swoboda tworzenia rozmaitych struktur przestrzennych, jaką dają włókna komórkowe, pozwala sądzić, że znowu zbliżyliśmy się o jeden krok do przyszłości, w której będzie można wyhodować w laboratorium upragniony narząd. Takao Ishikawa Prof. Shoji Takeuchi z Center for International Research on MicroMechatronics (CIRMM) Abstrakt artykułu, w którym zespół prof. Takeuchi prezentuje swoje osiągnięcie. Dostępny na: nmat3606.html#contrib-auth Literatura Onoe H, Okitsu T, Itou A, Kato-Negishi M, Gojo R, Kiriya D, Sato K, Miura S, Iwanaga S, Kuribayashi-Shigetomi K, Matsunaga YT, Shimoyama Y, Takeuchi S (2013). Metre-long cell-laden microfibres exhibit tissue morphologies and functions. Nat Mater. 12: KRÓTKO NAUKA KRÓTKO