Biologiczne pewniaki maturalne #2

Zdajesz maturę z biologii i po przerobieniu kolejnych arkuszy czujesz, że wciąż czegoś brakuje? Masz wrażenie, że nawet jeśli ogarniasz białka, błony i metabolizm, które pojawiły się w poprzednim artykule, to wciąż czekają na Ciebie te „trudniejsze” działy: rośliny, krzyżówki i inżynieria genetyczna, a na koniec cała ta ekologiczno-systematyczna plątanina, która wydaje się niemożliwa do zapamiętania? Spokojnie. Te działy również mają swoje schematy, powtarzalne motywy i typy zadań, które wracają na maturę regularnie. Arkusz bez zadania z genetyki to jak żołnierz bez karabinu!

W drugiej części naszego przewodnika po maturalnych pewniakach zajmiemy się właśnie tymi zagadnieniami, które na pierwszy rzut oka wydają się trudne i obszerne, a w praktyce rządzą się bardzo jasnymi zasadami i okazują się dość powtarzalne. Jeśli czasu nie wystarczy, nie musimy wkuwać ich całych, skupimy się na najważniejszych aspektach. Zajrzymy do świata roślin, przypomnimy sobie zasady dziedziczenia. A na koniec wreszcie uporządkujemy ekologię i systematykę, bo choć zakres materiału wydaje się ogromny, to pytania z tych działów należą do najbardziej przewidywalnych.

Czas oswoić kolejne maturalne klasyki i sprawić, by w maju stały się Twoimi pewnymi punktami!

Transport wody w roślinach — najważniejsza część fizjologii roślin.

Chociaż dział jest obszerny i często pojawiają się z niego różne zagadnienia, jedno z nich jest wyraźnie faworyzowane. Chodzi tu o właściwość wody, która warunkuje jej przepływ z roztworu o wyższym potencjale do tego o niższym. CKE oczywiście wykorzystuje warianty tego tematu – w zadaniach z czasownikiem „wyjaśnij” często pojawiają się siła ssąca i parcie korzeniowe. Oba opierają się o tę właśnie właściwość wody i odmienne warunki atmosferyczne. Przyjrzymy się im dokładniej.

Siła ssąca

To mechanizm występujący, kiedy od korzenia do liści wytwarza się pewien gradient potencjałów. Woda, parując przez aparaty szparkowe, cały czas „ucieka”, zmniejszając swój potencjał w górnych partiach rośliny. To powoduje „zasysanie” wody z dolnych partii, a także ostatecznie pobieranie jej z gleby przez korzenie. Proces ten trwa ciągle—> parowanie napędza przesuwanie się słupa wody w naczyniach, co powoduje powstanie ujemnego ciśnienia hydrostatycznego i „zaciąganie” wody do korzeni. Proste? Dodatkowo nie wymaga od rośliny zużycia energii, zatem jest mechanizmem biernym i preferowanym.

Parcie korzeniowe

To już bardziej skomplikowany mechanizm uruchamiany w momentach, gdy zapotrzebowanie na wodę jest zbyt duże, by zostać zaopatrzone przez siłę ssącą lub gdy ta nie występuje. A kiedy siła ssąca nie występuje? Gdy woda nie paruje — bo na przykład nie ma przez co — w zimę drzewa nie mają liści, przez które efektywnie zachodziłaby transpiracja. By pobrać wodę, muszą poradzić sobie inaczej.

Uruchamiany jest wtedy mechanizm aktywnego pobierania jonów do wnętrza komórek. Napływ tych jonów „pociąga” za sobą napływ wody do tych komórek i powstanie dodatniego ciśnienia hydrostatycznego- co działa trochę jak tłok strzykawki, który pchamy. Minusem dla roślin jest tutaj jednak konieczność zużycia ATP. Lepiej jednak pobrać wodę i lekko się „zmęczyć” niż uschnąć, racja? Wyjątkową sytuacją, w której także właśnie parcie korzeniowe ratuje roślinę, jest stan suszy fizjologicznej. W glebie znajduje się zbyt dużo jonów, co powoduje, że woda (jak to ma w zwyczaju) przepływa do niej, zamiast być pobierana. Tu także aktywny transport jonów do komórek odwraca sytuację i pomaga na pobranie wody z gleby.

Przejawem parcia korzeniowego, który możemy zaobserwować na własne oczy, jest gutacja. Na brzegach lub wierzchołkach liści pojawiają się wtedy kropelki wody, które łatwo pomylić z rosą – ale to nie to samo. Gutacja zachodzi głównie nocą lub wczesnym rankiem, gdy transpiracja jest bardzo słaba albo nie zachodzi wcale, a gleba jest dobrze nawodniona. Roślina nadal pobiera wodę z gleby, parcie korzeniowe ją „wypycha” ku górze, a nadmiar wydostaje się na zewnątrz przez specjalne aparaty zwane hydatodami. Roślina po prostu musi się pozbyć tego, czego nie da się w danym momencie odparować.

Zerknijmy na to zagadnienie w zadaniach.

Matura Czerwiec 2024, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) – Zadanie 4.

4.2. (0–1)  Wyjaśnij, w jaki sposób parowanie wody przez aparaty szparkowe liścia przyczynia się do transportu wody w łodydze.

Parowanie wody to jej ubytek, a woda z sąsiednich tkanek chce ją „zastąpić”, więc przepływa. Powoduje to zassanie wody w tkance przewodzącej, będącej jak rura i warunkuje transport.

Ładna odpowiedź wyglądać może zatem w następujący sposób: Transpiracja zachodząca przez aparaty szparkowe powoduje odpływ wody z komórek miękiszu asymilacyjnego, co wywołuje osmotyczny napływ wody z elementów przewodzących liścia. W rezultacie w naczyniach drewna powstaje podciśnienie, które umożliwia transport wody z łodygi do liści.

Genetyka- dziedziczenie. Jak rozwiązywać krzyżówki genetyczne? Geny sprzężone vs dziedziczenie niezależne.

To zdecydowanie jeden z obszerniejszych działów na maturze. Krzyżówki, zasady dziedziczenia, geny sprzężone, mutacje… Nie sposób opisać tego w jednym artykule i nawet nie będę próbować. Teorię tym razem zostawiam Wam, drodzy maturzyści. Czeka nas jednak szybki przegląd zadania z zagadnieniem, które na maturze pojawia się stosunkowo często- geny sprzężone bądź dziedziczone niezależnie.

Matura Czerwiec 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) – Zadanie 14. (3 pkt)

Wąż zbożowy (Elaphe guttata) ma charakterystyczne ubarwienie w postaci pomarańczowych plam otoczonych czarną obwódką – jest to tzw. ubarwienie typu dzikiego (zdjęcie A). Te plamy są nieregularnie rozmieszczone na całym ciele węża, które jest zabarwione na kolor żółtawy. Ubarwienie tego gada kontrolują dwa geny:  dominujący allel R jest odpowiedzialny za wytwarzanie barwnika pomarańczowego, natomiast recesywny allel r odpowiada za brak barwnika pomarańczowego; dominujący allel B warunkuje powstanie barwnika czarnego, natomiast recesywny allel b uniemożliwia syntezę czarnego pigmentu. W populacji występują zarówno węże mające pomarańczowe plamy bez czarnych obwódek (zdjęcie B), jak i węże z czarnymi obwódkami, ale bez ich pomarańczowego wypełnienia (zdjęcie C). Natomiast podwójne homozygoty recesywne są formami albinotycznymi, na których ciele występują jednak blade plamy w tej samej liczbie i w tych samych miejscach, co kolorowe plamy ubarwienia typu dzikiego (zdjęcie D). 

 W poniższej tabeli przedstawiono częstości poszczególnych genotypów i odpowiadających im fenotypów otrzymane po skrzyżowaniu podwójnie heterozygotycznych osobników o ubarwieniu dzikim. 

Na podstawie: red. M. Maćkowiak, A. Michalak, Biologia. Jedność i różnorodność, Warszawa 2008; www.sussexvt.k12.de.u

14.1. (0–1)  Na podstawie przedstawionych wyników krzyżówki określ, czy geny warunkujące ubarwienie węża zbożowego są ze sobą sprzężone. Odpowiedź uzasadnij.

Sprzężenie genów… Oznacza to, że są położone na jednym chromosomie i nie dziedziczą się od siebie niezależnie. Sposobem na sprawdzenie takiego sprzężenia jest obliczenie stosunku fenotypowego potomstwa dla tych podwójnych heterozygot. Jeśli geny nie są sprzężone, wyniesie on dokładnie 9:3:3:1. Jeśli są, pojawi się mały odsetek potomstwa będący „rekombinantami”, a stosunek zostanie zaburzony. Policzmy stosunek w tym zadaniu.

Dziki= 1+2+2+4=9

Pomarańczowe plamy bez obwódek=1+2=3

Plamy z obwódkami= 1+2=3

Albinotyczny= 1

Matematyka nie pozostawia wątpliwości, geny nie są ze sobą sprzężone, bo rozszczepienie fenotypowe wynosi 9:3:3:1, co jest typowe dla niezależnej segregacji genów.

Inżynieria genetyczna na maturze: jak interpretować wyniki PCR i elektroforezy?

Biotechnologia to dziedzina, która ciągle się rozwija. Na maturze jednak lubi się pojawiać w konkretnym wydaniu. CKE najczęściej wymaga od maturzystów zinterpretowania wyników elektroforezy po reakcji PCR bądź po cięciu enzymami restrykcyjnymi. To często zadania o małym stopniu rozwiązania oscylującym w granicach 30%. Przypomnijmy sobie zatem, na czym polegają te techniki i jak je zrozumieć, by radzić sobie z zadaniami problemowymi, nie tylko ze wpisywaniem enzymów w tabelki.

PCR to skrót od Polymerase Chain Reaction (łańcuchowa reakcja polimerazy). Polega ona na powielaniu fragmentów DNA przez dobudowywanie nowej nici na matrycy starej. To w zasadzie replikacja, ale w maszynie. Helikazę, która rozplata dwuniciową helisę, zastępuje tu podniesienie temperatury. Nie spotkamy tu również prymazy- do mieszaniny reakcyjnej dodawane są gotowe, zaprojektowane startery. To głównie od nich zależy, czy reakcja zajdzie i na ich sekwencji opiera się wiele technik diagnostycznych bądź używanych w kryminalistyce. Zasada jest prosta- projektujemy starter o konkretnej sekwencji. Jeśli w DNA, które badamy i próbujemy powielić, znajdzie się sekwencja komplementarna, starter dołączy się do niej i umożliwi zajście amplifikacji. Jeśli nie, reakcja się nie powiedzie.

Istnieją też odmiany PCR, w których używa się losowych, krótkich starterów pozwalających na powielenie prawie dowolnego DNA. Najczęściej jednak skupiamy się na tym, by starter był dopasowany do tego, czego spodziewamy się w próbce.

Po reakcji PCR, by zinterpretować jej wynik, zazwyczaj przeprowadza się elektroforezę. To proces, w którym DNA pod wpływem pola elektrycznego, wędruje w żelu. Im krótsze DNA, tym szybciej wędruje. Można to zapamiętać tak, że im krótsze, tym lżejsze. A my przecież też z ciężkim plecakiem szlibyśmy wolniej. Także lżejsze DNA porusza się szybciej, co oznacza, że zajdzie dalej na żelu.

Co ważne, musimy pamiętać, że prążek, który widzimy, to nie jest jedna cząsteczka. To zbiór DNA o konkretnej długości, powielony w reakcji PCR.

Zerknijmy na to na przykładzie.

Matura Maj 2022, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) – Zadanie 17.

Populacje biegusów alaskańskich w północnej części zasięgu geograficznego gatunku mają nietypowy stosunek liczebności samców i samic wynoszący 3:1, zamiast typowego – 1:1. Postawiono następującą hipotezę:  „Mały udział samic w populacjach biegusów jest spowodowany tym, że częściej padają one ofiarą sokołów wędrownych”.  W celu weryfikacji tej hipotezy zebrano pióra po biegusach upolowanych przez sokoły, a następnie wyizolowano z nich DNA i przeprowadzono PCR w celu amplifikacji fragmentów genów CHD, zlokalizowanych na chromosomach płci Z i W (odpowiednio: CHD-Z i CHD-W). Samice biegusów są heterogametyczne (ZW), a samce – homogametyczne (ZZ).  Rejony niekodujące w genach CHD-Z i CHD-W mają różną długość, co powoduje, że produkty amplifikacji rejonów niekodujących genów CHD-Z i CHD-W także różnią się długością. Elektroforetyczne rozdzielenie produktów PCR pozwoliło określić płeć ptaków, z których pochodziły zebrane pióra.  Wyniki badań przedstawiono na poniższym wykresie.  

Na podstawie: S. Nebel i in., Molecular sexing of prey remains […] in a wintering population of western sandpipers, „Proceedings of the Royal Society B” 271, 2004. 17.1. (0–1)

17.2. (0–1)  Który obraz żelu agarozowego odpowiada prawidłowemu wynikowi elektroforetycznego rozdzielenia powielonych fragmentów genów CHD-Z i CHD-W u samca (♂) i samicy (♀)? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.

Z informacji wstępnej wyciągamy wnioski, że u biegusów system chromosomów płci jest odwrotny niż u człowieka. Samce są homogametyczne (ZZ), więc mają tylko jeden typ genu CHD – CHD-Z. Po PCR powstają więc produkty o tej samej długości, które po elektroforezie dają jeden prążek na żelu. Samice natomiast są heterogametyczne (ZW) i mają dwa różne geny: CHD-Z oraz CHD-W. Ponieważ różnią się one długością, produkty PCR również mają różne rozmiary, dlatego po elektroforezie w jednej studzience widoczne są dwa prążki. Wiedząc o tym, szukamy odpowiedniego oznaczenia płci i zaznaczamy odpowiedź C. Zadanie gotowe, a tylko 30% maturzystów wykonało je poprawnie. Zwróćcie uwagę na to zagadnienie, żeby znaleźć się w tej mniejszej, zdolnej do interpretacji wyników elektroforezy, części.

Systematyka: najczęstsze pułapki w nazewnictwie łacińskim

To, co często pojawia się na maturze, to zadania oparte na definicji gatunku. CKE ceni sobie umiejętność zakwalifikowania organizmów do jednego rodzaju albo jednego gatunku. Jak to zrobić? Musimy pamiętać o tym, że osobniki jednego gatunku będą posiadały wspólną nazwę gatunkową (dwa człony łacińskiej! nazwy będą takie same), a poza tym swobodnie w naturze krzyżują się ze sobą i w wyniku tego krzyżowania wydają na świat płodne potomstwo. Osobniki tego samego rodzaju będą posiadać ten sam pierwszy człon łacińskiej nazwy. 

Zajrzyjmy na to zagadnienie na podstawie zadania z ubiegłego roku, które poprawnie rozwiązało tylko 41% maturzystów.

Matura Maj 2025, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) – Zadanie 5.

W Polsce występuje kilka gatunków raków, w tym – rak szlachetny i rak pręgowaty. Na poniższych rysunkach przedstawiono raka szlachetnego i raka pręgowatego. Rak szlachetny (Astacus astacus) występuje jedynie w rzekach i w jeziorach o czystej, dobrze natlenionej wodzie. Rak szlachetny dojrzewa płciowo w trzecim roku życia. Samica składa od 60 do 200 jaj. Osobniki tego gatunku żyją nawet 20 lat, w pierwszym roku życia kilkakrotnie linieją, a w następnych latach linieją już z mniejszą częstością. Po pięciu latach linienie zachodzi tylko raz do roku. Rak pręgowaty (Faxonius limosus), sprowadzony z Ameryki Północnej do Polski pod koniec XIX wieku, występuje powszechnie, nawet w silnie zeutrofizowanych i zanieczyszczonych wodach. Osobniki tego gatunku dojrzewają płciowo w drugim roku życia, a samice składają do 400 jaj. Młode osobniki linieją 4–5 razy w roku, a u osobników dorosłych dochodzi do linienia 1–2 razy w roku.

Na podstawie: J. Mastyński i W. Andrzejewski, Cechy morfometryczne i rozpoznawanie raków występujących w Polsce, Poznań 2001; K.A. Crandall i S. De Grave, An Updated Classification of the Freshwater Crayfishes (Decapoda: Astacidea) of the World, with a Complete Species List, „Journal of Crustacean Biology” 37(5), 2017.

Zadanie 5.5. (0–1) Rozstrzygnij, czy przedstawione gatunki raków są klasyfikowane w jednym, czy – w dwóch rodzajach. Odpowiedź uzasadnij.

Patrząc na polskie nazwy popełnilibyśmy błąd. Niby rak, a jednak… Jeden należy do rodzaju Faxonius, a drugi do rodzaju Astacus. Są zatem klasyfikowane w dwóch rodzajach, bo różnią się nazwami rodzajowymi.

Ekologia w pigułce: mutualizm, komensalizm i inne zależności międzygatunkowe

Organizmy wytwarzają między sobą różne relacje. Niektóre zamieszkują podobne tereny, jednak ich nisze nie pokrywają się, więc nie wywiązuje się między nimi zależność. Niektóre jednak mają podobne nisze (co w uproszczeniu możemy rozumieć jako potrzeby) i zaczynają konkurować ze sobą o te zasoby. Walczą o jedzenie bądź np. siedliska do rozrodu. Wiele zwierząt żyje też w relacji drapieżnik-ofiara.

Na drugiej stronie szali natomiast kształtuje nam się relacja mutualistyczna, gdzie organizmy „pomagają” sobie. Mutualizm nie zawsze wygląda jednak tak samo. Czasem mamy do czynienia z symbiozą, czyli bardzo ścisłą współpracą, w której organizmy są od siebie zależne i bez partnera nie potrafią normalnie funkcjonować. Innym razem jest to protokooperacja, gdzie obie strony odnoszą korzyści, ale mogą żyć także osobno.

Istnieje też komensalizm, gdzie tylko jeden organizm coś zyskuje, a drugi pozostaje obojętny: nie pomaga, ale też nie szkodzi. Widać więc, że relacje między organizmami mogą być bardzo różne: od rywalizacji i walki, przez obojętność, aż po ścisłą współpracę. Na maturze często musimy je określić na podstawie tekstu. Zobaczmy na przykład.

Matura Czerwiec 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) – Zadanie 7.

Fragment tekstu: Zdolność wiązania i redukcji azotu atmosferycznego mają m.in. bakterie z rodzaju Rhizobium żyjące w brodawkach roślin bobowatych oraz wolnożyjące bakterie z rodzaju Azotobacter, które występują w strefie korzeniowej roślin. Substancjami odżywczymi Azotobacter chroococcum są węglowodany oraz inne związki organiczne (np. mannitol) wydzielane przez korzenie roślin.

Na podstawie: F. Romero-Perdomo i in., Azotobacter chroococcum […], „Revista Argentina de Microbiología” 49, 2017.

+

7.4. (0–1)  Określ, jaka zależność – mutualizm czy komensalizm – występuje między bakteriami z rodzaju Rhizobium a roślinami bobowatymi. Odpowiedź uzasadnij, odwołując się do definicji wybranej zależności oraz do przykładów korzyści lub strat odnoszonych przez wymienione organizmy.

Bakterie Rhizobium żyją w brodawkach korzeniowych roślin bobowatych i wiążą azot atmosferyczny, przekształcając go w formy dostępne dla rośliny, co umożliwia jej lepszy wzrost, a w zamian roślina dostarcza bakteriom związki organiczne (produkty fotosyntezy) oraz bezpieczne miejsce do życia. Ponieważ i bakterie, i roślina czerpią korzyści z tej relacji, jest to mutualizm, a nie komensalizm.

Podsumowanie: Twój plan na ostatnią prostą

I jak? Te „straszne” działy po bliższym poznaniu okazują się całkiem logiczne, prawda? Pamiętaj, że matura z biologii to nie tylko test Twojej pamięci, ale przede wszystkim test czytania ze zrozumieniem i łączenia faktów.

Rośliny zawsze wysyłają wodę tam, gdzie potencjał wody jest niższy (bo nie są samolubne). Genetyka to czysta matematyka i stosunki fenotypowe, które nie kłamią. Biotechnologia to techniczna instrukcja obsługi, a ekologia to po prostu biologia w praktyce, którą widzisz za oknem.

Nie daj się przytłoczyć objętością podręcznika. Skup się na schematach i czasownikach operacyjnych – to one są drogą do „wstrzelenia się” w klucz CKE. Masz już solidną bazę. Teraz pora na ostatnie szlify, kilka arkuszy dla wprawy i… spokojną głowę w maju. Trzymam kciuki – ten arkusz jest do pokonania!

Rekomendowane zajęcia

Zobacz jak możemy Ci pomóc

Korepetycje z biologii Kurs maturalny z biologii Maturalny obóz z biologii