Zadanie 3
Matura z biologii, maj 2024, poziom rozszerzony
Wymaganie: VIII.3 — relacje międzygatunkowe (mimikra, drapieżnictwo).
V.2 — układ oddechowy bezkręgowców.
II.4 — bioenergetyka (ATP).
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 wykazują umiejętność wabienia swoich ofiar – małych samców świetlików Photinus palacioisi – 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 wykorzystuje się do wykrywania mikroorganizmów w różnych próbkach. Takie testy stosuje się w ocenie czystości, np. powierzchni szpitalnych i okazów muzealnych.
Na podstawie: G. Błaszak (red.), Zoologia, Stawonogi, Warszawa 2013; K. Pajor i in., Bioluminescencja jako narzędzie w naukach biomedycznych i molekularnych, „Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej" 71, 2017.
Zadanie 3.1. (0–1)
Przedstaw korzyść, jaką otrzymują 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 żyjących 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 doprowadzanie tlenu bezpośrednio do komórek ich ciała.
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2405. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
3.1. Samice Photuris lugubris zdobywają pokarm dzięki mimikrze agresywnej (mimetyzm agresywny / Peckham's mimicry):
- Naśladują sygnały świetlne samic innych gatunków (Photinus).
- Wabią samce Photinus (które myślą, że to potencjalna partnerka).
- Zjadają je → białko + lipidy + obrona chemiczna (lukibufaginy z Photinus chronią Photuris przed drapieżnikami).
Korzyść: pokarm wysokokaloryczny + związki obronne zdobywane bezkosztowo (bez polowania siłowego).
3.2. Testy wykorzystują, że w procesie oddychania komórkowego mikroorganizmów wytwarzany jest ATP. Wraz ze wzrostem liczby mikroorganizmów wzrasta intensywność bioluminescencji.
Uzasadnienie: ATP jest substratem reakcji lucyferyna + ATP → światło. Im więcej mikroorganizmów = więcej oddychania = więcej ATP = więcej światła. Linearna zależność. Brak bakterii = brak światła.
3.3. Tchawki (a dokładniej ich końcowe rozgałęzienia — tracheole).
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 (układ krwionośny owadów nie transportuje 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 ADP. Lucyferaza wymaga ATP (substrat dający energię). 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.
- Czyste = brak światła. Skażone = silne światło.
Liniowa zależność:
- 0 bakterii → 0 ATP → 0 światła.
- 10⁴ bakterii → ~10⁴ ATP → mierzalne światło.
- 10⁸ bakterii → ~10⁸ ATP → bardzo silne światło.
Wykorzystanie:
- Kontrola higieny w przemyśle spożywczym, szpitalach (powierzchnie chirurgiczne).
- Test wody pitnej.
- Wykrywanie skażenia leków (filtrowane preparaty).
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 rozgałęzienia, średnica poniżej 1 μm, bezpośrednio przy mitochondriach komórek → dyfuzja O₂ wprost do organelli.
Wymiana gazowa BEZ KRWI: hemolimfa owadów (układ krwionośny otwarty) nie transportuje O₂ → unikalny system tylko u stawonogów.
To wyjaśnia dlaczego owady są małe — dyfuzja przez tchawki jest efektywna tylko na małej odległości (< kilku cm). Wielkie owady karbońskie (Meganeura, ważka 75 cm) mogły istnieć tylko przy wyższym stężeniu O₂ w atmosferze (~35% vs 21% dziś).
Punktacja CKE
- 3.1. 1 pkt — wskazanie korzyści (pokarm / drapieżnictwo) + mechanizm wabienia (mimikra / naśladowanie).
- 3.2. 2 pkt — oba zdania poprawne (ATP + wzrasta). Po 1 pkt za każde.
- 3.3. 1 pkt — “tchawki” (lub “tracheole”).
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 mątwami i kałamarnicami.
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).
Układ tchawkowy to klucz do dominacji owadów — najliczniejsza klasa zwierząt (~80% gatunków zwierząt Ziemi). Efektywność dyfuzyjnego O₂ bezpośrednio do mitochondriów daje owadom ekstremalne tempo metabolizmu (skoki pchły, lot ważki).
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