Zadanie 3
Matura z biologii, maj 2024, poziom rozszerzony
Wymaganie: XVII. Ekologia. 3. Ekologia ekosystemu. Ochrona i gospodarka ekosystemami. Zdający: 3) przedstawia adaptacje drapieżników […] do zdobywania pokarmu.
III. Energia i metabolizm. 2. Przenośniki energii oraz protonów i elektronów w komórce. Zdający: 1) wykazuje związek budowy ATP z jego rolą biologiczną.
XI. Funkcjonowanie zwierząt. 2. […] 3) Wymiana gazowa i krążenie. Zdający: c) podaje przykłady narządów wymiany gazowej, wskazując grupy zwierząt, u których występują.
Treść zadania
Zadanie 3.
Bioluminescencja to zdolność żywych komórek do emisji promieniowania w zakresie światła widzialnego. Występuje u wielu owadów. Przykładowo: duże drapieżne samice tropikalnych świetlików Photuris lugubris wykształciły umiejętność wabienia swoich ofiar – małych samców świetlików Photinus palaciosi – poprzez imitację charakterystycznego wzoru sygnałów świetlnych wysyłanych przez samice Photinus palaciosi.
Bioluminescencja świetlików jest wynikiem reakcji utleniania lucyferyny z udziałem enzymu – lucyferazy. Aby ta reakcja mogła zajść, niezbędna okazuje się również obecność ATP. Poniżej przedstawiono równanie reakcji:
U świetlików ta reakcja zachodzi w wyspecjalizowanych narządach ulokowanych w segmentach odwłokowych i jest regulowana przez dopływ tlenu do świecących komórek.
Lucyferynę i lucyferazę świetlika wykorzystuje się do wykrywania mikroorganizmów w różnych próbkach. Takie testy stosuje się w ocenie czystości, np. powierzchni szpitalnych i okazów muzealnych.
Na podstawie: C. Błaszak (red.), Zoologia. Stawonogi, Warszawa 2013; K. Pajor i in., Bioluminescencja jako narzędzie w biologii molekularnej, „Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej” 71, 2017.
Zadanie 3.1. (0–1)
Przedstaw korzyść, jaką odnoszą samice świetlików Photuris lugubris dzięki umiejętności wabienia swoich ofiar.
Zadanie 3.2. (0–2)
Uzupełnij poniższe zdania tak, aby w poprawny sposób opisywały wykorzystanie lucyferyny i lucyferazy. W każdym nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Testy wykorzystujące lucyferynę i lucyferazę świetlików w wykrywaniu mikroorganizmów opierają się na założeniu, że (AMP / ATP) jest związkiem chemicznym wytwarzanym w procesie oddychania komórkowego, którego stężenie (wzrasta / spada) wraz ze wzrostem liczby mikroorganizmów znajdujących się w danej próbce. O wykryciu bakterii świadczy (ustanie / wystąpienie) bioluminescencji.
Zadanie 3.3. (0–1)
Podaj nazwę tego narządu układu oddechowego świetlików, który odpowiada za doprowadzenie tlenu bezpośrednio do komórek ich ciała.
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2405. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
3.1. Samice Photuris lugubris wabią ofiary, naśladując sygnały świetlne samic Photinus palaciosi (mimikra agresywna). Korzyść: nie muszą aktywnie poszukiwać ofiar, więc wkładają mniej czasu i energii w polowanie i/lub chwytają więcej ofiar (częściej zdobywają pokarm).
Zasady oceniania nie uznają odpowiedzi zbyt ogólnych („łatwiej zdobywają pokarm”, „lepiej im się poluje”) bez wskazania, na czym to ułatwienie polega, ani odpowiedzi o zmniejszeniu konkurencji.
3.2. Klucz: ATP / wzrasta / wystąpienie (2 pkt — trzy poprawne określenia, 1 pkt — dwa).
Uzasadnienie: ATP jest substratem reakcji katalizowanej przez lucyferazę. Im więcej mikroorganizmów w próbce, tym więcej ATP wytworzonego w oddychaniu komórkowym; o wykryciu bakterii świadczy wystąpienie bioluminescencji.
3.3. Tracheole (końcowe rozgałęzienia tchawek). Zasady oceniania uznają też „tchawki”, ale nie uznają „tchawki powietrzne”.
Owady mają układ oddechowy oparty na sieci tchawek otwierających się przetchlinkami (spirakulami) na powierzchni ciała. Tchawki rozgałęziają się do tracheoli, które bezpośrednio dochodzą do komórek — wymiana gazowa bez pośrednictwa krwi (hemolimfa owadów w zasadzie nie uczestniczy w transporcie O₂).
Pułapka 3.1 — odpowiedź "rozmnażanie" lub "obrona". NIE — Photuris zjada ofiary → pokarm. To drapieżnictwo poprzez mimikrę, NIE rozmnażanie.
Pułapka 3.2 — pomylenie ATP z AMP. Lucyferaza wymaga ATP (substrat), a AMP jest produktem reakcji. Mikroorganizmy w wyniku oddychania PRODUKUJĄ ATP — to ATP jest mierzony.
Pułapka 3.3 — odpowiedź "płuca" lub "skrzela". NIE — owady mają tchawki (system rurkowy, nie płuca). Tracheole = ich końcowe rozgałęzienia bezpośrednio przy komórkach.
Strony arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — bioluminescencja
| Element | Funkcja |
|---|---|
| Lucyferyna | Substrat (związek niskomolekularny, utleniany w reakcji) |
| Lucyferaza | Enzym katalizujący utlenianie lucyferyny |
| ATP | Źródło energii reakcji + substrat (rozkładany do AMP + PPi) |
| O₂ | Utleniacz |
| Oksylucyferyna | Produkt + emisja kwantu światła (hν) |
Reakcja: lucyferyna + ATP + O₂ → oksylucyferyna + AMP + PPi + CO₂ + światło.
Mechanizm: mimikra agresywna (3.1)
Samce Photinus szukają partnerek poprzez sygnały świetlne (każdy gatunek ma swój rytm błysków — kod).
Samice Photuris podsłuchały ten kod ewolucyjnie — naśladują rytm samic Photinus.
Samce Photinus podlatują do “samic” → zostają zjedzone przez Photuris.
Bonus: Photuris uzyskują lucybufaginy z ofiar — toksyczne związki, których same nie syntetyzują, a które bronią je przed ich drapieżnikami (pająkami, ptakami).
Mechanizm: testy mikrobiologiczne (3.2)
Test obecności bakterii opiera się na uniwersalnym ATP komórkowym:
- Próbka (woda, żywność, powierzchnia) traktowana lucyferyną + lucyferazą.
- ATP z żywych komórek mikrobów + lucyferyna → światło.
- Luminometr mierzy intensywność.
- Mało ATP = słabe światło lub brak światła. Dużo ATP (dużo komórek) = silniejsze światło.
Wykorzystanie (według tekstu zadania): ocena czystości, np. powierzchni szpitalnych i okazów muzealnych.
Mechanizm: układ oddechowy owadów (3.3)
Przetchlinki (spirakule): otwory na powierzchni ciała (boczne segmenty odwłoka) → wejście powietrza.
Tchawki (tracheae): główne rurki sieci, wzmocnione spiralnymi listewkami chitynowymi.
Tracheole: najmniejsze, bardzo cienkie rozgałęzienia, które docierają bezpośrednio do komórek → tlen dyfunduje wprost do komórek.
Wymiana gazowa bez udziału krwi: hemolimfa owadów (układ krwionośny otwarty) w zasadzie nie transportuje O₂.
Dyfuzja w tchawkach jest skuteczna tylko na niewielkie odległości — to jedna z hipotez wyjaśniających niewielkie rozmiary owadów.
Punktacja CKE
- 3.1. 1 pkt — korzyść: mniejsze nakłady czasu lub energii na polowanie albo zdobywanie większej ilości pokarmu.
- 3.2. 2 pkt — trzy poprawne określenia (ATP, wzrasta, wystąpienie); 1 pkt — dwa.
- 3.3. 1 pkt — „tracheole” (uznaje się też „tchawki”, ale nie „tchawki powietrzne”).
- Suma: 4 pkt.
Po co to umieć
Bioluminescencja to niezwykle szerokie zjawisko w przyrodzie:
- Świetliki (Coleoptera, Lampyridae) — komunikacja seksualna.
- Algi morskie (Noctiluca, dinoflagelaty) — świecące morza, obrona przed planktonożercami.
- Głębokowodne ryby (np. żabnice) — wabienie ofiar w ciemności.
- Grzyby (np. Mycena) — funkcja nieznana (wabienie owadów rozsiewających?).
- Bakterie (Vibrio fischeri) — symbioza z niektórymi głowonogami (np. Euprymna scolopes).
Lucyferaza w biotechnologii:
- Gene reporter — wbudujesz lucyferazę za promotor → mierzysz aktywność promotora przez światło. Klucz dla badania ekspresji genów.
- ATP detection kits — w mikrobiologii, kontroli żywności.
- Bioluminescence imaging (BLI) — wizualizacja komórek nowotworowych w żywym zwierzęciu (myszy z guzami świecącymi lucyferazą).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „bioluminescencja, świetliki, lucyferaza, ATP, mimikra agresywna, układ oddechowy owadów” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl