60 let přírodovědecké fakulty univerzity palackého

60 let přírodovědecké fakulty univerzity palackého

60 let přírodovědecké fakulty univerzity palackého

Úvod 6 Stručná historie Univerzity Palackého a její Přírodovědecké fakulty Přírodovědecká fakulta ve statistikách Studium na Přírodovědecké fakultě Fakulta a veřejnost

8 18 26 38

Matematika a informatika 44 Fyzika 54 Chemie 70 Biologie a ekologie 82 Vědy o Zemi 90 Ostatní aktivity 104 Výzkumná centra 110

P

řírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci je výzkumně zaměřenou fakultou poskytující bakalářské, magisterské i doktorské vzdělání v různých odvětvích matematiky, fyziky, chemie, biologie a věd o Zemi. Od roku 2009 sídlí většina jejích pracovišť v nově postavené budově na třídě 17. listopadu nedaleko městského centra, v bezprostřední blízkosti vysokoškolských kolejí a menzy. Budova nabízí příjemné moderní prostředí a během semestru její útroby tepou životem. Biologická pracoviště a některé laboratoře sídlí v ulici Šlechtitelů na jihovýchodním okraji města, kde také působí nová výzkumná centra. V současnosti má fakulta více než 4000 studentů. Přírodovědecká fakulta má velký tvůrčí potenciál a může se pochlubit bohatým portfoliem původních vědeckých výsledků, posouvajících hranice našeho poznání, i mnohostrannou mezinárodní spoluprací. Některé z našich výzkumných týmů zaujímají významné místo i v mezinárodním kontextu. Podle metodiky Rady pro výzkum, vývoj a inovace se Přírodovědecká fakulta umístila v roce 2011 na pátém místě mezi všemi fakultami a vědeckými ústavy v ČR (v roce 2010 jsme byli

a Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů. Na studenty jsou kladeny relativně vysoké nároky. Na oplátku fakulta studentům nabízí dobré studijní zázemí, individuální přístup, kvalitně vybavené laboratoře, možnost aktivně se zapojit do řešení výzkumných projektů již od bakalářského stupně studia, možnost vycestovat do zahraniční na studijní pobyty a vědeckovýzkumné stáže a v neposlední řadě také přátelské prostředí umožňující všestranný rozvoj osobnosti. Mezi našimi studenty jsou nositelé prestižních ocenění, jako jsou např. Česká hlavička nebo Scopus young researcher award. Po absolventech fakulty je poptávka jak u domácích firem a státních institucí, tak na zahraničních pracovištích, kam mnoho našich absolventů odchází „na zkušenou“. http://www.prf.upol.cz/

6—7

šestí). V žebříčku Hospodářských novin z února 2012 se Přírodovědecká fakulta dostala na první místo v oboru chemie. Podle studie národohospodářského ústavu ze srpna 2012 je naše fakulta nejvýkonnějším vědeckým pracovištěm v oblasti optiky v celé České republice. Fakulta je také úspěšná v získávání tuzemských i zahraničních grantů. V rámci operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace získala dva významné projekty a v roce 2009 začala budovat dvě nová velká výzkumná centra: Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum

STRUČNÁ HISTORIE UNIVERZITY PALACKÉHO A JEJÍ PŘÍRODOVĚDECKÉ FAKULTY Olomoucká univerzita v letech 1573 —  1860

O

lomoucká univerzita byla založena v roce 1573. Je to druhá nejstarší univerzita v českých zemích. U jejího zrodu stáli dvě významné instituce té doby, a to olomoucký biskup Vilém Prusinovský z Víckova a jezuitský řád, jejichž cílem bylo podpořit katolickou výchovu a výuku v rámci protireformačního programu. Výuka byla zahájena tři roky po založení univerzity, kdy Angličan George Warr začal přednášet filozofii a byl proveden první zápis do univerzitní matriky. Během stavovského povstání byl jezuitský řád vykázán z Moravy a olomoucká univerzita zanikla, ale již v roce 1621 byla znovu obnovena a její vnitřní organizace se přiblížila běžným evropským univerzitám – vedle rektora se o chod staral kancléř, byli jmenování první děkani filozofie a teologie. Studium filozofie bylo tříleté a zahrnovalo výuku logiky, fyziky, matematiky, metafyziky a etiky; teologie se studovala šest let a později se přidala i právnická studia. Od počátku 17. století vzrůstal počet studentů, a kromě úbytku v době švédské okupace města jich na univerzitě pravidelně studovalo kolem jedné tisícovky. Zrušením jezuitského řádu v roce 1773 přešla olomoucká univerzita pod správu státu, a tento

stav, plný personálních a finančních obtíží, trval devět let, během kterých byla univerzita dokonce na tři roky přemístěna do Brna. V roce 1782 se sice vrátila zpět do Olomouce, ale současně byla ponížena na c. k. lyceum s právem promovat filozofy a lékaře a volit rektora. V roce 1827 se z olomouckého lycea opět stala plnoprávná univerzita s názvem Františkova, z čehož plynulo, že fakulty filozofická, právnická a teologická mohly udělovat akademické hodnosti. Nicméně, po bouřlivých letech 1848 – 49, začalo studentů ubývat, což znamenalo rušení jednotlivých fakult. To byl vedle finančních problémů důvod zrušení Františkovy univerzity v roce 1860, i když dalším důvodem mohla být i skutečnost, že se mnozí studenti a někteří profesoři Františkovy univerzity zapojili do emancipačního úsilí Čechů. Z celé univerzity zůstala zachována jen část fakulty teologické, které zůstalo právo konat rigorózní zkoušky a promoce, a která jako jediná zůstala až do obnovení univerzity v roce 1946. Studenti olomoucké univerzity se v jejích počátcích mohli věnovat především oborům, které přitakávaly zájmům jezuitského řádu – tedy šíření katolické víry podepřené spekulativní novoscholastickou teologií. Prvním a dlouho jediným předmětem, který se na univerzitě vyučoval, byla filozofie, která zahrnovala dílčí předměty, jako byly logika, etika a metafyzika. Teprve od druhé poloviny 17. století byla zaváděna výuka církevního práva, hebrejštiny, historie a řečtiny. Přírodovědné disciplíny, především matematika, fyzika, astronomie a geodézie, se nejdříve studovaly pouze jako součást filozofie v rámci výkladu středověkých autorit, jako byli Aristoteles, Seneca, sv. Augustin nebo Tomáš Akvinský. Učitelé se často střídali a putovali po evropských univerzitách, kromě Olomouce učili především

matematické a fyzikální poznatky. K významným učencům, kteří v té době dosáhli vynikajících badatelských výsledků v matematice, fyzice a astronomii, patří Valentin Stansel, Jan Zimmermann, Christopher Schleiner, Jan Křtitel Cysat a především Jakub Kresa, který přednášel i v Madridě a Cádizu, a již za svého života si vysloužil přezdívku Eukleidés Západu. V druhé polovině 18. století se na státní univerzitě začínají přednášet elementární matematika, aplikovaná matematika a praktická matematika (geometrie). Nejvýznamnějším matematikem tohoto období byl Jakub Filip Kullik, který byl autorem vysokoškolské učebnice vyšší matematiky a výpočtů tabulek prvočísel a rozkladů čísel.

Fyzika jako experimentální věda se v českých zemích objevila v polovině 17. století, a také mnozí badatelé z řad olomouckých univerzitních učitelů se svou činností podíleli na rozvoji této přírodovědné disciplíny, především mechaniky a optiky. Teprve od druhé poloviny 18. století se plně rozvíjí experimentální pojetí fyziky a na to navazuje i odpovídající výuka. Základní přednáškou byla teoretická a experimentální fyzika a volná byla přednáška z mechaniky pro umělce a řemeslníky. Od poloviny 19. století dává profesor Friedrich Franz jednou týdně tříhodinovou přednášku o statice a dynamice pevných těles, a jednohodinovou přednášku o chemické přitažlivosti ke světlu, teplu a elektřině. Dalším významným fyzikem olomoucké univerzity byl Ondřej Baumgartner, jehož učebnice fyziky se v první polovině 19. století používaly jako jediný výukový materiál pro všechny typy škol. Přírodopis se začal na vysoké škole v Olomouci vyučovat od poloviny 18. století a zahrnoval tři obory – mineralogii, botaniku a zoologii. Obor byl však zařazen mezi volné předměty a jeho výuka od počátku narážela na mnohé nedostatečnosti týkající se především učebnic a kvalitních učitelů. Přírodopis byl součástí přednášek z jiných předmětů, hlavně z fyziky, kde se vyučovaly obecný přírodopis, zemědělství a lesnictví. Všeobecný přírodopis se také přednášel v rámci výuky lékařských věd. V roce 1810 byla zřízena katedra zemědělství, jejíž součástí byla i výuka přírodopisu. Na této katedře se vystřídalo několik vynikajících českých představitelů přírodovědy, jako byli Josef Wobraska, Jan Svatopluk Presl, Jan Helcelet nebo Heřman Max Schmidt, a v letech 1840 – 43 studoval na Františkově univerzitě i Jan Řehoř Mendel. Během tohoto období působila na olomouc-

historie 8–9

v Praze a ve Vratislavi. V 17. století se však v celé Evropě začala rozvíjet experimentální moderní věda, a na tento rozvoj musel jezuitský řád reagovat a vytvářet prostor pro studium přírodních věd, který mnozí učitelé beze zbytku využili. V 18. a 19. století již bylo studium přírodních věd v rámci filozofické fakulty plně etablované a v Olomouci přednášeli vynikající přírodovědci. Matematika se na jezuitské univerzitě přednášela jako aritmetika, algebra, geometrie a základy geodézie a přednášející často kombinovali

P. Nepomucen Polanský a jeho znázornění lomu světla z roku 1756

ké univerzitě řada skvělých osobností. Vedle již zmíněných jistě stojí za to připomenout jména, jako jsou František Mošner (profesor lékařských věd a rektor olomoucké univerzity), Alois Vojtěch Šembera (jazykovědec a literární hisorik), Andreas Jeitteles (profesor lékařských věd a rektor olomoucké univerzity), Augustin Neumann (historik), a Josef Dobrovský, který působil jako

prorektor a rektor generálního semináře na Hradisku a soukromě přednášel historii a jazykovědu i pro studenty univerzity. Na počátku 17. století zde vystudoval filozofii a teologii český renesanční vědec Jan Marek Marci z Kronlandu, a roku 1733 získal na olomoucké univerzitě doktorát z filozofie Prokop Diviš, slavný český přírodovědec a vynálezce.

Přírodovědecká fakulta

O

V

lomoucká univerzita byla obnovena v únoru 1946 pod názvem Univerzita Palackého, a dle zákona zde měly působit fakulty Filozofická, Lékařská, Teologická a Právnická. Právnická fakulta však nebyla ustavena (byla otevřena až v roce 1991), fakulta Teologická byla v roce 1950 zrušena a obnovena až v roce 1990. Po různých peripetiích pramenících z neutěšených politických poměrů během 50. let se součástí Univerzity staly i fakulty Přírodovědecká a Pedagogická, a tento stav, kdy Univerzita měla čtyři fakulty, trval až do roku 1989. V současnosti má Univerzita Palackého 8 fakult, vedle výše zmíněných přibyly i Fakulta tělesné kultury a Fakulta zdravotnických věd.

Josef Ludvík Fischer, první rektor UP

ývoj přírodovědných studií na Univerzitě Palackého by se dal dle jejich administrativních podmínek a studijních programů rozvrhnout do čtyř období.

1946 — 1953, kdy byly přírodní vědy součástí studia na fakultách Pedagogické a Filozofické 1953 — 1958, kdy vznikla Fakulta přírodních věd jako součást Vysoké školy pedagogické 1958 — 1989, kdy se Přírodovědecká fakulta stala jednou ze čtyř fakult Univerzity Palackého od roku 1990, kdy se Přírodovědecká fakulta díky změně politických poměrů stala rozvíjejícím se vysokoškolským pracovištěm Již od založení Univerzity Palackého v roce 1946 cítil její první rektor Josef Ludvík Fischer, že výuka přírodovědných oborů je nezbytnou součástí jejího dalšího fungování, nicméně ustavení přírodovědecké fakulty bránily dva významné faktory: prvním byl nedostatek adekvátně vzdělaných vyučujících, který byl způsobený poválečným stavem v československém školství, a druhým faktorem byla neochota vedoucích institucí porušit zaběhaný rámec univerzit jako vzdělávacích institucí skládajících se ze čtyř fakult – filozofické, lékařské, teologické a právnické. Naproti tomu poválečná atmosféra přála rozvoji přírodních věd jako důsledku ohromujících objevů v jaderné fyzice, biologii nebo kybernetice. V roce 1947 byl na půdě pedagogické fakulty založen pod vyčerpávajícím názvem „Ústav matematiky a deskriptivní geometrie, fyziky, chemie, botaniky, zoologie, mineralogie a petrografie, geologie a paleontologie“, který se stal základem

historie 10–11

Univerzita Palackého

budoucí fakulty (název a členění dle kateder bylo u nás zavedeno podle sovětského vzoru v roce 1950). Na tento ústav navázalo biennium přírodních věd při filozofické fakultě, které v letech 1948 — 51 nabízelo studentům přednášky z matematiky, deskriptivní geometrie, fyziky, biologie nebo zeměpisu. I při nedostatku kvalifikovaných odborníků se během těchto začátků výuky přírodních věd sešlo mnoho skvělých vyučujících, ať již z jiných univerzit anebo nových zaměstnanců Univerzity Palackého, z nichž někteří se později stali významnými osobnostmi olomoucké uni-

obory. Nicméně i v přírodních vědách se začaly aplikovat principy dialektického materialismu, za reakční a buržoazní pavědy se označily genetika, kybernetika, jisté interpretace termodynamiky a kvantové fyziky, a za jediné správné se považovaly přístupy a postupy sovětských vědců. Neblahá politická a společenská situace však měla i svou druhou stranu mince, protože nutnost technických inovací přinášela i postupnou podporu technických a přírodovědných oborů, a mnohé ze zavržených přírodovědných poznatků byly v tichosti přijaty a jejich výzkum se dočkal

verzity i české vědy; vzpomeňme na matematiky Josefa Metelku, Miroslava Laitocha, Miloslava Zedka, Ladislava Sedláčka nebo Josefa Šimka, fyziky Bedřicha Havelku, Josefa Fuku a Engelberta Keprta, chemiky Mečislava Kuraše a Eduarda Růžičku, geology Františka Němce a Františka Zvejšku, anebo biology Vladimíra Úlehlu, Otto Mrkose, Josefa Šulu nebo Bořivoje Nováka. Navzdory kvalifikovaným vyučujícím i entuziasmu poválečné generace studentů byly vnější i vnitřní podmínky pro studium přírodních věd a vedení vědeckého výzkumu po roce 1948 neobyčejně svízelné, i když exaktní vědy trpěly komunistickou indoktrinací podstatně méně než humanitní

podpory režimu. Školní reforma z roku 1953 podpořila výuku přírodovědných oborů v podivném systému výchovy odborníků na univerzitách a výchovy učitelů všech stupňů na zvláště zřízených vysokých školách pedagogických. V roce 1953 tak vznikla, mimo Univerzitu Palackého, Vysoká škola pedagogická s fakultami přírodních věd a společenských věd. Fakulta přírodních věd měla v době svého vzniku pět kateder: katedru matematiky, fyziky a chemie, jejíž součástí byly ústavy matematický a pro deskriptivní geometrii, fyzikální, a chemický; katedru geologie a geografie s ústavy mineralogickým a petrografickým, geologickým a paleontologic-

historie 12–13

kým, a zeměpisným; katedru biologie, pod kterou byly začleněny ústavy pro zoologii, botaniku biologii dítěte a didaktiku přírodních věd; katedru tělesné výchovy; katedru výtvarné a hudební výchovy, která byla v příštím roce převedena pod fakultu sociálních věd. V průběhu dalších let byly vytvořeny již samostatné katedry matematiky, fyziky, chemie, geografie a geologie. Prvním děkanem se stal biolog prof. Josef Šula, kterého o tři roky později vystřídal fyzik prof. Josef Fuka. Studium bylo čtyřleté a kombinace předmětů byly dané a neměnné; studovaly se matematika – deskriptivní geometrie, matemavýznamné změny. Více než dvojnásobně vzrostl tika – fyzika, matematika – chemie, deskriptivní počet kateder, protože stávající se rozdělily na geometrie – výtvarná výchova – matematika, odborněji vyprofilované, a vznikaly i katedry matematika – tělesná výchova, fyzika – chemie, nové. Katedra matematiky se rozdělila na katedchemie – biologie a  biologie – zeměpis. Profesiry matematické analýzy, algebry a geometrie, onální úroveň vyučujících většinou převyšovala metodiky matematiky a elementární matematiky požadavky na zaměstnance pedagogických škol a vzniklo výpočetní středisko, které bylo vybaveté doby, a to jak z hlediska pedagogického tak né samočinnými a analogovými počítači. V oboru i odborného, i když existovaly jisté tenze mezi fyziky vznikly dvě odborná pracoviště – vývojové didaktickou a vědeckou specializací. Na fakultě laboratoře a dílny, a laboratoř optiky, která díky vznikla řada vynikajících učebnic a vědeckých významným vědeckým objevům byla v roce 1984 monografií, a tak byl přechod ke standardní přípřiřazena k ČSAV pod názvem Společná laborodovědecké fakultě po odborné stránce velmi ratoř optiky UP a Fyzikálního ústavu ČSAV, dále usnadněn. katedry jemné mechaniky a optiky, teoretické Od poloviny padesátých let se, podle pokynů fyziky a astronomie, experimentální fyziky a mevládních činitelů, pomalu měnila vnitřní organizatodiky fyziky. Z katedry chemie se v průběhu ce vysokých škol a rostly požadavky na výchovu šedesátých let stala čtyři samostatná pracoviště nových vědeckých pracovníků. V Olomouci navíc – katedra anorganické chemie a metodiky chemie, zcela absurdně vedle sebe existovaly Univerzita Palackého s jedinou fakultou (lékařskou) a Vysoká a katedra organické, analytické a fyzikální chemie. V letech sedmdesátých se však počet kateder škola pedagogická s fakultami dvěma. V roce upravil na katedru anorganické a fyzikální chemie, 1958 byla Vysoká škola pedagogická spojená a katedru organické a analytické chemie. Z kas Univerzitou Palackého a o rok později byla Fatedry biologie se staly katedry botaniky, zoologie kulta přírodních věd přejmenována na Přírodověa antropologie, a didaktiky biologie. Katedra deckou fakultu Univerzity Palackého. geografie a geologie se přeměnila na katedry miOd počátku 60. let nastaly v životě fakulty neralogie a geologie, a geografie. I výuka tělesné výchovy se profesionalizovala a vznikly katedra všeobecné tělesné výchovy a katedra odborné tělesné výchovy, která se postupem času transformovala do kateder teorie a metodiky tělesné výchovy, sportu a turistiky, a tělovýchovně-biologických oborů. Kompletní studium tělesné výchovy se roku 1980 přesunulo na půdu Pedagogické fakulty.

Jednotlivé obory se začaly systematicky věnovat vědecké práci a výzkumu. Hlavními oblastmi výzkumu byly: Matematika – výzkum vlastnosti řešení obyčejných diferenciálních rovnic lineárních a nelineárních 2. a 3. řádu, a výzkumu obecných algebraických struktur a problematiky v geometrii. Fyzika – studium optického zobrazení, optické přenosové funkce, koherenčních a statistických vlastností optických polí, kvantových vlastností světla a optické aktivity krystalů. Výzkum v oblasti kvantové a koherenční optiky, spojený především se jménem prof. Jana Peřiny, si získal světové renomé. Chemie – výzkum v oblasti analytických vlastností heterocyklických sloučenin s možností jejich využití jako acidobasických a oxidoredukčních indikátorů, studium analytických postupů pro stanovení mikrokvant organických sloučenin, problematika příprav výroby dutých vláken z některých umělých hmot. Biologie – fytocenologie Hornomoravského úvalu, kvalitativní a kvantitativní skladba epigeonu obdělávaných ploch. Geologie – výzkum ultrabazik Rychlebských hor a jejich petrografické složení. Geografie – výzkum Osoblažska. Tělesná výchova – výzkum antropomotoriky, fyziologie tělesných cvičení a sportovního tréninku. Z rozvoje vědeckých disciplín je patrné, že studium se zkvalitnilo a odborně vyprofilovalo, také materiální zázemí jednotlivých kateder se v rámci možností zlepšovalo. Vznikly oborové knihovny a studovny, ve kterých byly k dispozici české i zahraniční publikace a časopisy mapující poslední poznatky tehdejší vědy, ačkoliv v době normalizace se šíře jejich nabídky zredukovala převážně na publikace pocházející ze zemí východního bloku, cenzura se přitvrdila stejně jako schvalování publikační činnosti. Podobně tomu bylo i s udržováním kontaktů se zahraničními kolegy; v šedesátých letech se navázaly mnohé spolupráce, které bylo v dalších desetiletích stále těžší udržovat

a rozvíjet, kromě kontaktů ze socialistických států. Studium trvalo pět let a oproti předchozímu bylo náročnější, absolventi od roku 1966 mohli po obhájení disertační práce a složení rigorózní zkoušky získat akademický titul RNDr. Postupem času se prestiž fakulty upevňovala, když získala právo udělovat vědecké hodnosti (CSc. a DrSc.) ve všech přírodovědných oborech. Získání vědecké hodnosti však pro mnohé pracovníky fakulty nebylo jednoduché, museli čekat dlouhé roky na povolení k obhajobě disertačních prací a výsledek byl vždy velmi nejistý. I přes personální a jiné otřesy pramenící ze situace po roce 1968 a z nastoupivší normalizace si Přírodovědecká fakulta UP vybudovala a zachovala pověst velmi dobrého, a v některých oborech celosvětově výjimečného vysokoškolského pracoviště až do současnosti.

Rok 1990 a roky následující přinesly významné změny organizační, personální i materiální. I když struktura vedení fakulty zůstala – děkan, proděkani, kolegium děkana vědecká rada fakulty – personálně se vedení zcela obměnilo. Počala postupná demokratizace všech organizačních úrovní fakulty. Byl zaveden institut Akademického senátu, jehož obsazení volí zaměstnanci a studenti v poměru 2 : 1, a který má za úkol kontrolovat řízení fakulty, vynakládání financí, zakládání nebo rušení nových pracovišť a podobně. Odborné zaměření fakulty řídí posílená vědecká rada. Změnily se i typy a délka studia (bakalářské a magisterské), studijní kombinace, vznikly nové katedry i zanikly některé z dřívějších a významně vzrostl počet studentů denního i postgraduálního studia. Obtížnými roky tohoto období provedli fakultu první dva porevoluční děkani – prof. Otakar Štěrba a prof. Lubomír Dvořák. Od roku 2009 sídlí většina pracovišť v nové budově postavené nedaleko městského historického centra a studenti si mohou vybrat studijní předmět z oborů matematika, fyzika, chemie, biologie a vědy o Zemi.

B

ěhem své šedesátileté existence poznali zaměstnanci i studenti Přírodovědecké fakulty mnohé budovy ve středu města i na předměstí. Od svého založení až do roku 1959 sídlila fakulta, ještě jako součást Vysoké školy pedagogické, na Křížkovského 10 1 , v budovách s pestrou minulostí: V areálu se dříve nacházel kostel sv. Petra, ženský augustiniánský klášter, klášter minoritů, Zemská nemocnice, německý ženský učitelský ústav a vyšší dívčí škola (Elisabethinium). Když se v roce 1958 staly přírodovědecká a filosofická fakulta součástí Univerzity Palackého, nebylo již udržitelné, aby obě vystačily se stávajícími prostorami. Přírodovědecká fakulta tedy postupně získává budovu na třídě Svobody 26 (bývalá Leninova třída) 2 , postavenou v letech 1900 – 1902, která sloužila jako německé státní gymnázium a učitelský ústav, a později jako dívčí reálné gymnázium, a která byla hlavní fakultní budovou až do roku 2009. O dva roky později se část oborů fyziky a chemie přestěhovala do budovy ve Vídeňské ulici 15 (bývalá Gottwaldova ulice) 3 . Zbývající katedry chemie se usadily v novorenesanční budově na třídě Svobody 8 4 , kde před konfiskací roku 1946 sídlila německá obchodní akademie.

Matematické obory sídlily v letech 1991 – 2009 v budově v ulici Tomkova 40 5 . Tělovýchovné předměty (tělesná výchova byla součástí výuky na Přírodovědecké fakultě až do roku 1980) se vedle univerzitních nebo pronajímaných veřejných sportovišť vyučovaly v tělocvičnách na Hynaisově 9a 6 . Po roce 1989 nastal významný rozvoj kvality studia, s čímž souvisel i prudký nárůst počtu studentů. Nedostatek prostoru pro zaměstnance i studenty fakulty začal ohrožovat její každodenní provoz, a proto na začátku nového tisíciletí bylo zřejmé, že pro výuku přírodovědných oborů bude nezbytné pořídit novou moderní budovu. Ta byla roku 2009 otevřena na ulici 17. listopadu 12 7 a nyní v ní sídlí většina kateder. Výjimečná stavba z architektonického i technologického hlediska je důstojným útočištěm výzkumu a studia přírodovědných oborů pro 21. století. Vedle toho patří k Přírodovědecké fakultě několik dalších specializovaných pracovišť. V roce 1975 byly v areálu univerzitních kolejí (na ulici 17. listopadu 50) 8 postaveny vývojové dílny Univerzity Palackého a v letech 1993 – 2009 v ní sídlily fyzikální obory Přírodovědecké fakulty. I dnes zde, po čerstvé rekonstrukci, sídlí několik kateder fakulty. V 90. letech byla také přestavěna přilehlá budova (17. listopadu 50a) 8 , která nyní slouží jako působiště Společné laboratoře optiky PřF UP a Fyzikálního ústavu AV ČR. V univerzitním areálu v ulici Šlechtitelů 11 9 našly útočiště většina oborů biologie, biofyzika a biochemie, a byly zde zbudovaná dvě nová výzkumná centra: Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, a Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum. Přírodovědecká fakulta má i svou botanickou zahradu, která sídlí v ulici U botanické zahrady 10 .

historie 14–15

Budovy Přírodovědecké fakulty

5

n

a

st

ře

ln

ic

i

6

4

t

ř

.

s

v

o

b

o

d

y

10

2 3

smetanovy

sady

m o r a v a

du

a

pa

1 8

7

9 historie 16–17

ov

to

je

enk

. l is

em

má

17

jer

1.

Přírodovědecká fakulta ve statistikách Vývoj institucionálního financování v letech 2005 až 2013

I

nstitucionální financování fakulty sestává z příspěvku na vzdělávací činnost a z prostředků na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace. V roce 2013 činila částka z obou těchto zdrojů 442 mil. Kč. Prostředky na vzdělávací činnost získává univerzita na základě počtu studentů násobeným koeficientem ekonomické náročnosti jednotlivých oborů, a dále na základě dalších parametrů, které zohledňují kvalitu a výkon školy v dalších oblastech. Tyto prostředky jsou pak analogickým způsobem rozdělovány na jednotlivé fakulty. V letech 2005 až 2013 vzrostl objem příspěvku na vzdělávací činnost o téměř 80 % ze 139 milionů na 248 milionů. Je to dáno jednak nárůstem počtu studentů a též postupným zohledňováním výkonnostních parametrů do vzorce, podle kterého se tento příspěvek počítá. Institucionální podpora výzkumu prošla v naší zemi reformou danou zákonem 110/2009 Sb. Před ní byly institucionální finance na výzkum přidělovány prostřednictvím takzvaných výzkumných záměrů, tedy jakýchsi dlouhodobých projektů, které byly (či nebyly) na sedmileté období uděleny jednotlivým výzkumným týmům. Naše fakulta byla v letech 2005 až 2011 zapojena do šesti výzkumných záměrů, které jí přinesly ročně přibližně 110 mil. Kč. Reforma financování vysokých škol z roku 2009 znamenala postupný útlum výzkumných záměrů a přechod na financování založené na dosažených výsledcích. Z toho důvodu byly původně plánované rozpočty výzkumných záměrů postupně snižovány na 2/3 v roce 2011 a na 1/3 v roce 2012 s tím, že další finance se organizacím přidělují proporcionálně podle bodové hodnoty jejích výsledků dosažených v uplynulém pětiletém období. Od roku 2012 už naše fakulta nemá žádné výzkumné záměry (v rámci ČR poslední výzkumné záměry končí v roce 2013) a veškerá institucionální podpora výzkumu je přidělována jako tzv.

Vývoj institucionálního financování (mil. Kč)

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Přísp. na vzdělávací činnost ■ 139 158 178 181 185 188 187 236 248 Výzkumné záměry ■ 105 120 115 115 125 74 35 0 RVO ■ 42 105 186 194

400

350

300

250

200

150

100

50

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

0

stat i st i ky 1 8 – 1 9

prostředky na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace (RVO). Protože Přírodovědecká fakulta zvyšuje svůj výzkumný výkon daný především publikacemi ve vysoce prestižních časopisech, přechodem na nový systém výrazně vzrostl objem jejích institucionálních výzkumných prostředků a v letošním roce přesáhl částku 190 mil. Kč.

Hodnocení výsledků výzkumu a vývoje v letech 2008 až 2012

Od roku 2008 provádí vládní Rada pro výzkum, vývoj a inovace každoroční hodnocení výsledků výzkumných organizací s tím, že u vysokých škol je uváděna bodová hodnota i pro jednotlivé fakulty. Protože metodika hodnocení výsledků od svého vzniku prochází změnami, meziroční porovnávání absolutní bodové hodnoty pro jednotlivé výzkumné organizace nepřináší konkrétní informaci. Za srovnání ovšem stojí porovnání proporcí jednotlivých výzkumných organizací na celkové bodové hodnotě v rámci České republiky. Přírodovědecká fakulta zatím od roku 2008 prochází stálým růstem: v hodnocení 2008 tvořil její podíl 1,59 % celostátního výkonu, podle posledního hodnocení z roku 2012 to je již 2,58 % celostátního výkonu. V žebříčku výzkumného výkonu tak Přírodovědecká fakulta stojí na páté příčce mezi všemi fakultami a neuniverzitními výzkumnými organizacemi v ČR. Podíl Přírodovědecké fakulty na celostátním hodnocení 2008 2009 2010 2011 2012 1,59 % 1,89 % 2,23 % 2,38 % 2,58 %

2,5 % 2,0 % 1,5 % 1,0 % 0,5 %

2012

2011

2010

2009

2008

0,0 %

Tento nárůst výzkumného výkonu se pak projevil na nárůstu institucionálního financování jak v položce RVO, tak i v příspěvku na vzdělávací činnost i v účelových financích na specifický vysokoškolský výzkum.

Nejvýznamnější položkou v hodnocení výkonu fakulty jsou publikace v časopisech s impaktním faktorem. Publikacím se přiřazuje bodová hodnota, která se odvíjí od pořadí časopisu podle výše jeho impaktního faktoru mezi ostatními časopisy ze svého oboru. Pro ilustraci uveďme vývoj počtu vědeckých článků registrovaných v Rejstříku informací o výsledcích (tzv. RIV). Mezi lety 2004 až 2011 se počet vykázaných publikací téměř zdvojnásobil. Na rostoucí bodové hodnotě výsledků Přírodovědecké fakulty se však projevuje nejen tento počet, ale zvláště to, že se autoři stále častěji snaží publikovat v prestižnějších časopisech. Počet článků 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 279 287 347 423 444 438 475 503

500 400 300 200 100

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

0

stat i st i ky 2 0 – 2 1

Vývoj počtu vědeckých článků v letech 2004 až 2011

Prostředky na specifický vysokoškolský výzkum v letech 2004 až 2013

Tyto prostředky slouží na podporu výzkumu, na kterém se podílejí i studenti vysokých škol. Forma podpory prošla reformou danou zákonem 110/2009 Sb.: původně šlo o finance označované jako institucionální, po reformě jde o účelovou formu podpory. Znamená to mimo jiné, že finance jsou na jednotlivá pracoviště alokována formou vnitřní grantové soutěže. V současné době jsou tyto prostředky přidělovány jednotlivým školám podle vzorce, ve kterém hlavní roli hraje podíl na bodové hodnotě výsledků výzkumu a dále počty doktorandů a počty doktorských a magisterských absolventů. Od roku 2004, kdy tyto prostředky na naší fakultě činily 21 mil, vzrostly k letošnímu roku na bezmála 37 mil. Kč. Nešlo však o neustálý růst, v letech 2010 a 2011 došlo k poklesu, který byl způsoben celostátními úspornými opatřeními, které se v oblasti financování výzkumu dotkly zvláště této položky.

Specifický výzkum (mil. Kč) 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 21,0 21,2 24,9 29,6 28,9 29,6 26,7 27,0 31,2 36,8 40 35 30 25 20 15 10 5

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

0

Prostředky účelové podpory jsou vázány na jednotlivé projekty. V současné době je jejich dominantními zdroji operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) a rozvojové projekty z MŠMT. Menší část pak tvoří projekty Fondu rozvoje vysokých škol (FRVŠ) a vzdělávací projekty z jiných zdrojů. V roce 2012 vzdělávací projekty činily 101,1 mil. Kč.

Vzdělávací projekty (mil. Kč) OP VK vzdělávací ■ 85,2 MŠMT – rozvojové projekty ■ 10,5 FRVŠ ■ 3,1 Ostatní ■ 2,3 Celkem ■ ■ ■ ■ 101,1

stat i st i ky 2 2 – 2 3

Účelová podpora vzdělávání

Účelová podpora výzkumu

Výzkumné projekty patří k hlavním finančním zdrojům na fakultě. Díky velmi intenzivnímu zapojení do operačních programů se v poslední době strukturální fondy staly hlavním zdrojem účelových prostředků na výzkum. Dominantní jsou především dvě regionální centra financovaná z operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI): Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum a Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů. Kromě toho je z OP VaVpI financován i projekt Pevnost poznání, který se zaměřuje na popularizaci vědy. V roce 2012 prostředky na tyto projekty činily (podle Informačního systému VaVaI, www.isvav.cz) celkem 82,3 mil. Kč. Z Evropského sociálního fondu bylo v roce 2012 financováno celkem 11 výzkumně zaměřených projektů operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) v celkové výši 84,1 mil. Kč. K dalším důležitým zdrojům účelových financí na výzkum patří Grantová agentura ČR (GAČR): v roce 2012 se pracovníci z Přírodovědecké fakulty podíleli na 47 projektech v roli hlavních řešitelů a na dalších 18 se spolupodíleli. Tyto prostředky činily v roce 2012 celkem 52,5 mil. Kč. Fakulta se dále podílí na pěti projektech Technologické agentury ČR (TAČR), přičemž garantuje dvě centra kompetence a dále na 14 pro­jektech z dalších resortů. Kromě toho se podílela na třech projektech ze 7. rámcového programu EU (7 RP). Celkově tvořila v roce 2012 účelová podpora výzkumu 262,7 mil. Kč.

Účelová podpora výzkumu (mil. Kč) MŠMT VaVpI ■ 82,3 MŠMT OP VK ■ 84,1 MŠMT spec. výzkum ■ 31,2 MŠMT ostatní ■ 8,2 GAČR ■ 52,5 TAČR ■ 17,5 MPO ■ 10,8 MZe ■ 2,3 MZdr ■ 1,7 MV ■ 0,4 7 RP ■ 2,9 Celkem ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 293,9 MŠMT – Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy MPO – Ministerstvo průmyslu a obchodu Mze – Ministerstvo zemědělství MZdr – Ministerstvo zdravotnictví MV – Ministerstvo vnitra

Celkové financování v roce 2012

Celkové financování v roce 2012 (mil. Kč) Vzdělávání – institucionální ■ 236 Vzdělávání – účelové ■ 101 Výzkum – institucionální ■ 186 Výzkum – účelová podpora ■ 294 Celkem ■ ■ ■ ■ 817

stat i st i ky 2 4 – 2 5

Zhruba dvě třetiny z celkových financí v roce 2012 činily prostředky na výzkum a třetina prostředky na vzdělávání. Z výzkumných financí dominantní část tvořila účelová podpora (především v souvislosti s výzkumnými centry financovanými z OP VaVpI). Prostředky na vzdělávání jsou tvořeny dominantně institucionální složkou, tedy příspěvkem na vzdělávací činnost, nicméně výraznou část tvoří i projekty, především z OP VK.

studium na Přírodovědecké fakultě Studijní obory

P

řírodovědecká fakulta poskytuje bakalářské, navazující magisterské a doktorské studium ve všech základních přírodovědných oborech, tedy v matematice a informatice, fyzice, chemii, biologii a ekologii a vědách o Zemi. V současné době studují na fakultě více než čtyři tisíce studentů z České republiky i ze zahraniční. V roce 2013 bylo na fakultě akreditováno celkem 33 studijních programů se 114 studijními obory (11 studijních programů bakalářského studia se 42 studijními obory, 13 studijních programů navazujícího magisterského studia se 48 studijními obory a 9 studijních programů doktorského studia se 24 studijními obory). Fakulta nabízí jednooborové (tzv. odborné studium) a dvouoborové (tzv. učitelské) studijní programy. Za dobu existence fakulty prošla struktura studia výraznými změnami. Nabídka studijních programů i oborů se postupně rozšiřovala a docházelo ke

studium 26–27

zvýšení podílu jednooborových studijních programů. Zatímco v době vzniku fakulty výrazně dominovaly učitelské programy, dnes studuje téměř 90 % studentů v jednooborových studijních programech. Další zásadní změna proběhla v 90. letech 20. století, kdy se původní pětileté magisterské studijní programy transformovaly na tříleté bakalářské a dvouleté navazující magisterské programy. První studenti začali v bakalářských studijních programech studovat v akademickém roce 1998/1999 a od akademického roku 2004/2005 již pětileté magisterské studijní programy nejsou. V 90. letech vznikají také doktorské studijní programy (transformací dřívějších aspirantur) a dochází k jejich významnému rozvoji. Výrazně se zlepšilo i materiální zázemí – vybavení učeben, výukových laboratoří i knihoven. Současný dynamický rozvoj fakulty dokumentuje rozšíření nabídky studijních programů za posledních 10 let, kdy v každém akademickém roce byl nově akreditován alespoň jeden studijní obor. Důvodem je jednak snaha přinášet studentům nejnovější poznatky výzkumu, ale také reflexe trhu práce. Inovace studijních programů probíhá často za finanční podpory z projektů Evropské unie. V posledních letech dochází také k zintenzivnění propagace fakulty. S rostoucí nabídkou studijních oborů se zvyšují i počty uchazečů o studium a počty zapsaných studentů. V posledních třech letech počty uchazečů za akademický rok převyšovaly čtyři tisíce. Studenti přihlášení ke studiu jsou přijímání na základě přijímacího řízení, většinou formou oborových testů. Přijímací zkoušky jsou promíjeny uchazečům s výborných prospěchem na střední škole, účastníkům krajských a celostátních kol oborových olympiád či uchazečům, kteří uspěli v celostátních testováních znalostí a dovedností. V případě, že u některých oborů není v prvním kole přijímacího řízení naplněna kapacita, je otvíráno i druhé kolo přijímacího řízení.

Vývoj počtu přihlášek ke studiu Ty p Bc. Jednoobor Bc. Dvouobor NMgr. Jednoobor NMGr. Dvouobor Ph.D. celkem

2003 – 04 04 – 05 05 – 06 06 – 07 07 – 08 08 – 09

09 – 10

10 – 11

11 – 12

12 – 13

1954 2245 2348 2753 2676 2566 2255 2992 2916 2954 474 462 597 538 557 389 449 474 556 443 66 105 86 294 406 437 563 553 573 604 0 0 0 71 95 110 134 108 81 105 59 53 68 85 69 90 85 115 96 154 2553 2865 3099 3741 3803 3592 3486 4242 4222 4260

Vývoj počtu uchazečů o studium podle typu studia

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

bakalářské jednooborové ■ bakalářské dvouoborové ■ navazující magisterské jednooborové ■ navazující magisterské dvouoborové ■ doktorské ■

1000

500

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

0

Studenti

V akademickém roce 2012/2013 studovalo na Přírodovědecké fakultě 4070 studentů z toho 2762 (67,9 %) v bakalářských studijních programech, 845 (20,8 %) v navazujících magisterských studijních programech, 359 (8,8 %) v doktorských studijních programech a v rámci celoživotního vzdělávání 104 studentů (2,5 %). Za posledních 10 let se počet studentů téměř zdvojnásobil.

Vývoj počtu studentů podle typu studia (2002 /2003  –  2012 /2013)

2002 – 03 03 – 04 04 – 05 05 – 06 06 – 07 07 – 08 08 – 09 09 – 10 10 – 11 11 – 12 12 – 13 Jednooborové studium magisterské 729 502 348 229 144 46 8 2 0 0 0 bakalářské 511 839 1219 1507 1781 1963 2007 1992 2283 2280 2380 navazující magisterské 74 91 126 139 244 399 500 625 698 720 716 doktorské 239 234 234 261 305 264 268 289 324 344 359 celkem 1553 1666 1927 2136 2474 2672 2783 2908 3305 3344 3455 Dvouooborové studium magisterské bakalářské navazující magisterské celkem

669 504 346 259 161 35 5 1 0 0 0 0 165 292 426 430 426 374 385 396 453 382 0 0 0 0 44 108 144 165 161 135 129 669 669 638 685 635 569 523 551 557 588 511

CŽV

135 171 122 120 117 109 107 150 134 129 104

Celkem PřF

2357 1006 2687 2941 3226 3350 3413 3309 3996 4061 4070

V případě jednooborových bakalářských studií došlo k největšímu nárůstu počtu studentů v období let 2002 – 2007, jednak v souvislosti s přechodem na strukturovanou formu studia a také rozšiřováním nabídky nově otvíraných studijních oborů. Rostoucí trend měly v tomto období zejména obory v rámci studijních programů Informatika, Geografie a Chemie.

studium 28–29

Ty p stud i a Počty stu de n tů v   a ka d emi c kém ro c e ( stav k  3 1 . 1 0 . 2 0 1 3 )

Vývoj počtu studentů jednooborových studijních programů

4000

3500

3000

2500

2000

1500

magisterské ■ bakalářské ■ navazující magisterské ■ doktorské ■

1000

500

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

02  –   0 3

0

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

02  –   0 3

500 studium 30–31

Vývoj počtu studentů dvouoborových studijních programů

700

600

400

300

200

magisterské ■ bakalářské ■ navazující magisterské ■

100

0

Vývoj počtu studentů bakalářských jednooborových studijních programů

2500

2000

1500

B1101 Matematika ■ B1103 Aplikovaná matematika ■ B1201 Geologie ■ B1301 Geografie ■ B1406 Biochemie ■ B1407 Chemie ■ B1501 Biologie ■ B1601 Ekologie ■ B1701 Fyzika ■ B1801 Informatika ■ B5345 Specializace ve zdravotnictví ■

1000

500

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

02  –   0 3

0

Vývoj počtu studentů navazujících magisterských jednooborových studijních programů

800

700

studium 32–33

600

500

400

N1101 Matematika ■ N1103 Aplikovaná matematika ■ N1201 Geologie ■ N1301 Geografie ■ N1406 Biochemie ■ N1407 Chemie ■ N1501 Biologie ■ N1601 Ekologie ■ N1701 Fyzika ■ N1801 Informatika ■ N5345 Specializace ve zdravotnictví ■

300

200

100

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

02  –   0 3

0

V doktorských studijních programech v současné době studuje na Přírodovědecké fakultě 359 studentů, většina ve čtyřletých programech, které byly akreditovány a nově otevřeny v akademickém roce 2009/2010. V tomto roce do čtyřletých programů postupně přešla i část studentů tříletých studijních programů, a do roku 2011/2012 do tříletých programů již studenti přijímáni nejsou. V akademickém roce 2011/2012 proběhla komplexní kontrola všech doktorských studijních programů Akreditační komisí MŠMT ČR a po úspěšném hodnocení byla všem oborům, které již měly absolventy, prodloužena akreditace o 8 let až do roku 2020.

Vývoj počtu studentů v doktorských studijních programech podle studijních programů

350

300

250

200

Matematika ■ Aplikovaná matematika ■ Geografie ■ Biochemie ■ Chemie ■ Biologie ■ Ekologie ■ Fyzika ■ Informatika ■

150

100

50

12  –   1 3

11  –   1 2

10  –   1 1

09  –   1 0

08  –   0 9

07  –   0 8

06  –   0 7

05  –   0 6

04  –   0 5

03  –   0 4

02  –   0 3

0

Na Přírodovědecké fakultě studují studenti nejen z celé České republiky, ale i ze zahraničí. Mezi zahraničními studenty převládají občasné Slovenské republiky (ze 148 zahraničních studentů v akademickém roce 2012/2013 bylo 118 ze Slovenska). Dále jsou zde studenti z Turecka, Gruzie, Kazachstánu, Kyrgyzstánu, Ukrajiny, Ruské federace, Srbska, Polska, Kypru či Velké Británie. Prostorová diferenciace studentů je dokumentována na mapě, ze které je patrné, že největší část studentů má trvalé bydliště na střední Moravě (Olomoucký a Zlínský kraj), četně jsou zastoupeni studenti z Kraje Vysočina, Královéhradeckého, Pardubického, Moravskoslezského a Jihomoravského kraje.

Počet studentů PřF v okresech žádný student ■ 1 – 25 ■ 26 – 50 ■ 51 – 75 ■ 76 – 100 ■ 101 – 125 ■ 126– 150 ■ 151 – 175 ■ 176 – 200 ■ 201 a více ■

Prostorová diferenciace studentů navazujícího magisterského studia v roce 2013 Počet studentů PřF v okresech žádný student ■ 1 – 5 ■ 6 – 10 ■ 11 – 15 ■ 16 – 20 ■ 21 – 25 ■ 26– 30 ■ 31 – 35 ■ 36 – 40 ■ 41 a více ■

studium 34–35

Prostorová diferenciace studentů bakalářského studia v roce 2013

Absolventi

V

 posledních letech každoročně úspěšně absolvuje Přírodovědeckou fakultu 350 – 400 studentů bakalářského studia a přibližně 250 studentů navazujícího studia magisterského. Například v roce 2012 to bylo 407 bakalářů, 265 magistrů a 64 absolventů doktorského stu­dijního programu. Za období od roku 2003 (do konce března 2013) úspěšně absolvovalo Přírodovědeckou fakultu téměř 5 tisíc absol­ventů, z toho 2628 bakalářů, 1807 magistrů (1344 absolventů navazu­jících magisterských programů a 463 pětiletých magisterských pro­gramů) a 346 doktorandů. Hodnotíme-li úspěšnost studentů poměrem počtu absolventů ve standardní době studia ku počtu studentů zapsaných do 1. ročníku (v průměru za poslední 3 roky), tak je úspěšná více než polovina našich studentů (56,8 %). V případě jednooborových bakalářských studijních programů je to 43,0 % s výraznými rozdíly mezi jednotlivými obory. Celkově nejnižší je úspěšnost bakalářských studentů Geologie a Informatiky (nedosahuje ani 30 %). U některých bakalářských studijních programů je naopak úspěšnost vyšší než dvoutřetinová (Biologie, Specializace ve zdravotnictví a Geografie). U navazujících magisterských studijních programů je úspěšnost absolvování ve standardní době studia podstatně vyšší a dosahuje v průměru 83,3 % (diferencovaně od 40,0 % u Geologie po 93,7 % u Biochemie).

Úspěšnost studentů bakalářských studijních programů – podíl počtu studentů, kteří úspěšně absolvují studium ve standardní době studia ku počtu studentů zapsaných do 1. ročníku (průměr za roky 2009/2010 – 2011/2012). studijní program

úspěšnost v %

B1201 Geologie B1801 Informatika B1103 Aplikovaná matematika B1701 Fyzika B1407 Chemie B1406 Biochemie B1101 Matematika B1601 Ekologie a ochrana prostředí B1301 Geografie B5345 Specializace ve zdravotnictví B1501 Biologie

studium 36–37

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Úspěšnost studentů navazujících magisterských studijních programů – podíl počtu studentů, kteří úspěšně absolvují studium ve standardní době studia ku počtu studentů zapsaných do 1. ročníku (průměr za roky 2009/2010 – 2011/2012). studijní program

úspěšnost v %

N1201 Geologie N1101 Matematika N1103 Aplikovaná matematika N5345 Specializace ve zdravotnictví N1701 Fyzika N1801 Informatika N1301 Geografie N1407 Chemie N1501 Biologie N1601 Ekologie a ochrana prostředí N1406 Biochemie 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

fakulta a veřejnost

Představování přírodovědných oborů veřejnosti

P

řírodovědecká fakulta není institucí, která se povznáší nad každodennost života, protože jejím posláním je výzkum, bádání a výchova nových vědců, což jsou činnosti, kterým běžní lidé nemohou rozumět. Naopak, její zaměstnanci věnují řádnou porci svých dovedností a svého času (i volného), aby veřejnosti představili výsledky fakulty, udržovali živé vztahy s absolventy, povzbudili děti v jejich zájmu o přírodu nebo nabídli mladým zájemcům o přírodní vědy špičkové badatelské podmínky ve fakultních laboratořích. Mnoho akcí pořádá Přírodovědecká fakulta pro děti, aby probudila anebo rozvinula jejich zájem o přírodu a tak je nenásilným a zábavným způsobem přitáhla k budoucímu studiu přírodovědných oborů. Mnohé z těchto akcí navštěvují děti společně se svými rodiči nebo učiteli, kteří se jich také aktivně účastní. Z bohaté palety celoroční zábavy pro děti i dospělé nejzřetelněji vystupují Veletrh vědy a výzkumu a Univerzita dětského věku. Veletrh vědy a výzkumu fakulta pořádá od roku 2001 (dlouho pod názvem Přírodovědný jarmark) jako celodenní akci pro děti i dospělé, kde účastníci mohou zhlédnout

a vyzkoušet si řadu netradičních pokusů a demonstrací přírodních jevů a zákonů, které předvádějí nejen studenti a zaměstnanci Přírodovědecké fakulty, ale i žáci olomouckých škol a členové přírodovědných kroužků. Univerzita dětského věku je určená dětem od 8 do 12 let a je to vlastně jeden „opravdový“ semestr na fakultě, kde děti započnou studium imatrikulací, chodí na přednášky z přírodovědných oborů, které dávají zaměstnanci a studenti fakulty, a svá studia ukončí promocí a převzetím diplomu. Přednášky nejsou suché výklady látky, ale jsou to spousty her, pokusů, divadelních vystoupení a rozhovorů, které mají za cíl představit přírodní vědy jako zábavnou a běžnou součást života. Fakulta se pravidelně zapojuje i do celostátních akcí, jako je např. Noc vědců.

T

ěžiště spolupráce s veřejností se nachází v bohatých kontaktech Přírodovědecké fakulty se středními školami, především s těmi, které leží na území Olomouckého kraje. V uplynulých dvou desetiletích vybudovala fakulta síť fakultních škol, ve kterých pěstuje živé vztahy s řediteli i učiteli. Na těchto školách pořádá přednášky týkající se přírodovědných témat; informuje žáky i učitele o svých výzkumných záměrech a dosažených úspěších; školám nabízí exkurze na pracovištích fakulty a využití laboratoří během zkouškového období a spolupracuje s nimi na nejrůznějších projektech. Fakultní školy také umožňují pedagogickou praxi studentů fakulty a spolupracují na vyhledávání talentovaných studentů. Každý rok se koná předvánoční setkání ředitelů fakultních středních škol se zástupci fakulty.

veřejnost 38–39

Spolupráce se středními školami

Akce pro středoškoláky

P

ro středoškoláky pořádá fakulta desítky popularizačních akcí a soutěží, o kterých školy informuje v každoročně vydávaném kalendáři akcí. Mezi nejznámější patří, vedle Dnů otevřených dveří, například Olomoucký fyzikální kaleidoskop, Projekt Badatel nebo Letní škola chemie, fyziky, biologie a matematiky. Olomoucký fyzikální kaleidoskop se zaměřuje na popularizaci fyziky. Během uplynulých deseti ročníků Kaleidoskop nabídl přes sedmdesát přednášek a experimentálních show i nespočet exkurzí do fakultních výukových i výzkumných fyzikálních laboratoří. Pravidelně se na něm schází několik set zájemců. V Projektu Badatel se středoškoláci mohou stát opravdovými vědci a zúčastnit se vědeckého výzkumu pod vedením zkušených pracovníků fakulty. Mohou si vyzkoušet práci se špičkovými přístroji a rozvinout své znalosti v oboru, který je zajímá. Za poslední tři roky se zapojení studenti dostali sedmnáctkrát do celostátního kola SOČ, dvakrát do celostátního kola Amavet, čtyřikrát získali Cenu Učené společnosti a jednou dokonce cenu Česká hlavička. Letní školu chemie, fyziky, biologie a matematiky pořádá fakulta o prázdninách ve spolupráci s Gymnáziem v Jevíčku jako týden přednášek, laboratorních cvičení, workshopů, ale i soutěží, her a neformálních diskusí. Chemii, fyziku, biologii a matematiku zde nadšencům z řad středoškoláků přibližují doktorandi i přední odborníci z Přírodovědecké fakulty. Z mnoha dalších akcí jmenujme ještě třeba GreenCamp, Přírodovědný a Matematický klokan, GIS Day, Fermiho úlohy, soutěž Věda je zábava nebo GeoKačer.

Práce s absolventy

veřejnost 40–41

S

e svými absolventy fakulta nadále udržuje spolupráci, shromažduje informace o jejich další profesionální kariéře, společně s nimi řeší různé odborné úkoly anebo na jejich pracovištích sjednává svým studentům odborné stáže. Každoroční setkávání studentů a zaměstnavatelů, z nichž mnozí jsou také bývalí absolventi Přírodovědecké fakulty, se koná pod názvem Okno do praxe. Zde získávají studenti první pracovní kontakty ve svém oboru, zkouší simulované přijímací pohovory se zaměstnavateli, kteří se s nimi také podělí o své zkušenosti s hledáním zaměstnání po ukončení studií. Pro ty absolventy, kteří studia již mají dlouho za sebou, pořádá Přírodovědecká fakulta setkání po 25 a 50 letech, Stříbrnou a Zlatou promoci. Bývalí spolužáci, kteří se z různých důvodů dlouhou dobu neviděli, si připomínají své vysokoškolské roky na slavnostním promočním ceremoniálu v aule fakulty a společně si zavzpomínají na půdě své bývalé Alma mater.

Věda, výzkum a vzdělávání

matematika a informatika

Studium lineárních regresních modelů a statistická analýza kompozičních dat

J

ádro výzkumu statistické skupiny, kterého se účastní jak zaměstnanci katedry matematické analýzy a aplikací matematiky, tak též studenti pregraduálního a doktorského studia, tvoří studium lineárních regresních modelů a statistická analýza kompozičních dat. Regresní analýza, která má tradičně široký okruh aplikací zejména v metrologických úlohách (fyzika, chemie, biologické obory, atd.), se zabývá studiem kvantitativních vztahů mezi proměnnými a umožňuje pomocí statistické inference (např. testování statistických hypotéz, intervaly

spolehlivosti) zodpovědět řadu souvisejících otázek týkajících se ohodnocení vlivu vstupních (nezávislých) proměnných na výstupní (závisle) proměnné. Statistická analýza kompozičních dat je nová oblast statistiky, která rozvíjí systematickou metodiku pro zpracování dat nesoucích relativní informaci (speciálně procentuální nebo proporcionální data, ale typicky též kvantitativní výstupy měření koncentrací chemických nebo geologických veličin). Dosavadní výsledky ukazují na velký potenciál tohoto přístupu při statistickém zpracování datových souborů nejen z přírodovědných oborů, ale též ekonomiky nebo společenských věd (sociologie, demografie). Výsledky vědecké činnosti jsou pravidelně publikovány v renomovaných mezinárodních časopisech, v posledních letech byly též vydány tři monografie z oblasti lineárních regresních modelů a tři kapitoly o statistické analýze kompozičních dat v monografiích nakladatelství Wiley a Springer. Pracovníci statistické skupiny také úzce spolupracují s odborníky z aplikací, například metrologie, geologie (včetně účasti na zpracování dat z mezinárodního geologického projektu GEMAS, mapujícího složení půd v Evropě, viz obrázek), analytické chemie, medicíny a biomedicínského výzkumu (Biomedreg), a jsou otevřeni navazování dalších vědeckých kontaktů. Katedra matematické analýzy a aplikací matematiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 060, 585 634 602 e-mail: [email protected] http://mant.upol.cz/

m at e m at i ka 4 4 – 4 5 Geologické složení půd v severní Evropě s vyznačením odlehlých pozorování (nahoře), jejich vizualizace pomocí spojnicového grafu (dole)

Matematické modely nelineárních dynamik

M

atematické modely popisují matematickým jazykem systémy z reálného světa, například ekonomiku státu, pohyb planet ve sluneční soustavě, nebo vývoj populace ryb v rybníku. Takové modely mají tvar vzorců, rovnic a relací a vyskytují se v mnoha vědních disciplínách (fyzice, chemii, biologii, ekonomii, psychologii, sociologii). Pomocí matematického modelu chceme objasnit chování studovaného systému a příčiny změn jeho stavů, určit citlivost systému na změny parametrů, a podobně. Dále se snažíme předpovědět, jaké změny v chování systému v budoucnosti nastanou a v jakém časovém horizontu. Existuje velké množství matematických modelů, z nichž některé mají dosti univerzální charakter. Pokud se tyto modely mění v čase podle jistých pravidel, jedná se o dynamické systémy. Čas lze přitom považovat za proměnnou, která se mění buď spojitě, nebo diskrétně, tedy ve skocích. V prvním případě dostáváme spojitý dynamický systém, diferenciální rovnici nebo inkluzi, ve druhém případě hovoříme o diskrétním dynamickém systému, diferenční rovnici nebo inkluzi. Jedním z klíčových výzkumných témat dlouhodobě systematicky studovaných na katedře matematické analýzy a aplikací matematiky je problematika nelineárních dynamik determinovaných dynamickými systémy, diferenciálními a diferenčními rovnicemi a inkluzemi. Snahou je modelování procesů majících praktické uplatnění např. v oblastech biomedicíny, makroekonomie, řízení obnovitelných zdrojů, ale i kvantitativní lingvistiky. Získané modely často vykazují fenomén prudké změny chování. Takové změny mohou být způsobeny například výlovem v modelu rybí populace, injekcí v infekčním modelu, signálem v modelu ovládání rakety, prudkou změnou

pozice předmětu v modelu jeho pohybu při suchém tření. V matematické klasifikaci se jedná o inkluze (mnohoznačné modely), nebo o rovnice s impulsy. Některé z modelů navíc obsahují funkce, které v jistých bodech nabývají extrémně vysokých hodnot. Rovněž těmito tzv. singulárními modely se dlouhodobě zabýváme. Odpovídající problematika studia procesů s vyskytujícími se singularitami, mnohoznačnostmi či impulsy vyžaduje náročnou aplikací moderních matematických metod funkcionálně-analytických, topologických, fraktálně-geometrických, ale i numerických. Co možná nejkomplexnější a nejadekvátnější analýza struktury možných řešení vyžaduje interdisciplinární přístup. Příkladem konkrétních problémů zkoumaných pracovníky katedry matematické analýzy a aplikací matematiky v intenzívní mezinárodní spolupráci se zahraničními univerzitami (Paris 1 – Sorbonne, Roma 1 – La Sapienza, N. Copernicas Toruń, TU Wien, Santiago de Compostela,) je problematika suchého tření, modely tenkých membrán, modely nehomogenních tekutin, vznik chaosu a řádu s fraktálně geometrickou možností vizualizace v lingvistických modelech přirozených jazyků, členitost struktury shluků nanočástic, a podobně. Kromě četných výstupů formou článků v prestižních impaktovaných časopisech (členové týmu jsou sami v mnoha redakčních radách) vyšly tiskem monografie ve vydavatelstvích Kluwer (reedice nověji v Springer a World Publishing Corp. Beijing) a Hindawi. Do výzkumu jsou úspěšně zapojováni absolventi doktorského studia (postdoci) a studenti doktorského i magisterského studia. Katedra matematické analýzy a aplikací matematiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 060, 585 634 602 e-mail: [email protected] http://mant.upol.cz/

Fuzzy metody vícekriteriálního hodnocení a rozhodování

roli expertně definovaná data a znalosti, které je přirozené vyjadřovat jazykovými prostředky. Řešič pracuje s nástroji fuzzy matematiky a jazykově orientovaného fuzzy modelování, které mu umožňují matematicky zpracovávat informace tohoto druhu. V roce 2010 byl řešič implementován do softwarového produktu FuzzME (Fuzzy Methods of Multiple Criteria Evaluation, viz http://fuzzme. wz.cz/ a obr.1) a je nadále systematicky rozvíjen. Za zmínku stojí, že na rozvoji řešiče a jeho softwarové realizaci se významně podílejí studenti doktorského studia oboru Aplikovaná matematika.

1) FuzzME – ukázka modelu (soft-fact rating firem)

Výsledky výzkumu dosažené v oblasti metod vícekriteriálního rozhodování (včetně fuzzy metod) jsou využívány ve výuce na ekonomicky zaměřených studijních oborech aplikované matematiky. Významnou aplikací vytvořenou zmiňovaným týmem matematiků je také Informační systém pro hodnocení akademických pracovníků (IS HAP). V tomto systému jsou shromažďována data o aktivitách a výsledcích akademických pracovníků realizovaných v průběhu roku v oblasti pedagogiky a výzkumu. Na základě uložených dat jsou pak počítána pravidelná roční hodnocení. Obtížná agregace výkonu v pedagogice a ve výzkumu je prováděna pomocí agregační funkce verbálně popsané bází pravidel (viz tabulka na obr. 2), které odpovídá matematický model hodnocení graficky vyjádřený na obr. 3. Způsob hodnocení použitý v tomto modelu je popsán jazykovými prostředky, je tedy srozumitelný jak pro hodnocené pracovníky, tak pro jejich hodnotitele. Změnou jazykových hodnot v uvedené tabulce pak může vedoucí pracovník snadno změnit tvar hodnotící funkce tak, aby reflektovala potřeby jím řízeného pracoviště. V rámci Individuálního projektu národního Zajišťování a hodnocení kvality v systému terciárního vzdělávání, byl IS HAP úspěšně tes-

m at e m at i ka 4 6 – 4 7

M

etody vícekriteriálního rozhodování jsou v posledních desetiletích rychle se rozvíjející disciplinou aplikované matematiky. V praxi se uplatňují například při rozhodování banky o poskytnutí úvěru, při vyjednávání důležitých mezinárodních smluv, při výběru optimálního postupu léčby onkologického pacienta nebo při volbě nejvhodnějšího uchazeče na náročnou pracovní pozici – tedy v takových rozhodovacích situacích, které jsou svou povahou složité, vyžadují zohlednění více hledisek, a kde přitom špatné rozhodnutí může mít závažný dopad. Základem rozhodování je vždy hodnocení. Teoreticky jsou zpracovány zejména postupy, kdy jsou vzájemně porovnávány varianty z předem dané množiny – tedy metody, jejichž výsledkem je relativní hodnocení. Tento typ hodnocení postačuje, pokud má rozhodovací problém povahu výběru nejlepší z disponibilních variant. Není však vhodný, pokud jde například o zmiňované rozhodování banky o poskytnutí úvěru; banku nezajímá, který žadatel o úvěr je z těch, kteří se na banku během určitého období obrátili, nejlepší – pro banku je směrodatné, zda je žadatel „dostatečně dobrý“ na to, aby mohla s dostatečnou jistotou předpokládat vrácení půjčených peněz. V rámci výzkumného týmu zabývajícího se na katedře matematické analýzy a aplikací matematiky problematikou fuzzy metod vícekriteriálního hodnocení byla rozvinuta teoretická koncepce hodnocení absolutního typu. Takové hodnocení má povahu míry naplnění stanoveného cíle (například „žadatel o úvěr splňuje požadavky banky na 90 %“). Postupně byl vytvořen celý systém metod pracujících s tímto typem hodnocení, tzv. řešič úloh vícekriteriálního hodnocení. V  procesech hodnocení a rozhodování hrají důležitou

2) IS HAP – jazykový popis agregace výkonu v pedagogice a VaVaI

tován na několika českých univerzitách. V oblasti výzkumu systémů pro podporu řízení lidských zdrojů na vysokých školách byla zahájena spolupráce také se zahraničními univerzitami na Slovensku, ve Finsku a v Itálii. Další z významných aplikací zpracovaných tímto týmem, jehož členy jsou i studenti doktorského studia, je matematický model pro stanovení bodových hodnocení výsledků tvůrčí činnosti uměleckých vysokých škol, které jsou shromažďovány v Registru uměleckých výstupů (RUV). Tento registr je analogií registru RIV, do kterého jsou v ČR ukládány informace o výsledcích výzkumné činnosti realizované ve výzkumných organizacích (a v rámci toho i na vysokých školách). Na základě dosažených celkových bodových hodnocení v RUV je uměleckým vysokým školám od roku 2012 rozdělována část finančních prostředků poskytovaných ze státního rozpočtu.

Slibně se rozvíjející aplikační oblastí fuzzy modelů vícekriteriálního rozhodování je také psychologie (několikaletá výzkumná činnost v oblasti interpretace výsledků jednoho z nejvýznamnějších psychologických dotazníků pro analýzu patologie osobnosti MMPI-2 je realizována členy tohoto týmu ve spolupráci s katedrou psychologie Filozofické fakulty Univerzity Palackého a s Fakultní nemocnicí Olomouc). Další oblastí výzkumu jsou matematické modely pro podporu krizového řízení ve zdravotnictví; fuzzy model rozhodování vyvíjený ve spolupráci se Společností krizové připravenosti ve zdravotnictví České lékařské společnosti J. E. Purkyně vzbudil mezinárodní ohlas. Výsledky teoretického výzkumu v oblasti fuzzy metod vícekriteriálního hodnocení i konkrétní realizované modely hodnocení jsou průběžně publikovány ve významných odborných časopisech a prezentovány na mezinárodních konferencích. Katedra matematické analýzy a aplikací matematiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 060, 585 634 602 e-mail: [email protected] http://mant.upol.cz/

3) IS HAP – grafické znázornění agregační funkce

J

edním z hlavních výzkumných směrů na katedře algebry a geometrie je rozvoj algebraických metod pro studium neklasických logik, a to zejména vícehodnotových a tzv. kvantových logik. Motivaci pro jejich zkoumání lze hledat v několika oblastech:

1) V roce 1900 D. Hilbert formuloval 23 otevřených matematických problémů, jejichž formulace podstatně přispěla k rozvoji matematiky ve 20. století. Jednalo se o formulaci zásadních otevřených matematických problémů počátku 20. století. Jeden z těchto problémů, známý jako 6. Hilbertův problém, byl motivován Euklidovými axiomy geometrie a lze jej formulovat následovně: Nalézt fyzikální axiomy, které by umožnily co nejlépe popsat fyzikální zákony, jednoduše řečeno axiomatizovat fyziku. Z původních 23 problémů dnes zůstává otevřená pouze Riemannova hypotéza, a šestý problém, známý spíše jako nematematický, neboť z valné části zasahuje do samotné fyziky. 2) Teorie pravděpodobnosti byla původně motivována hazardními hrami, a až do začátku 20. století nebyla čistou matematickou teorií, ale spíše druhem matematické zábavy. Podstatný krok ke změně pohledu na teorii pravděpodobnosti byl učiněn v práci A. N. Kolmogorova v roce 1933, v níž podal axiomatický přístup k teorii pravděpodobnosti. 3) Třetím zdrojem inspirace je dvoustránkový článek J. Łukasiewicze z roku 1920 o tříhodnotové logice, která byla později zobecněna na vícehodnotové logiky, v nichž pravdivostní hodnoty jsou čísla z intervalu [0,1]. Koncem 50. let minulého století zavedl C. C. Chang MV-algebry jakožto model Łukasiewiczovy vícehodnotové logiky, jinak řečeno, MV-algebry hrají pro tuto logiku

stejnou roli jako Booleovy algebry pro klasickou dvouhodnotovou logiku. V současné době jsou MV-algebry zřejmě jednou z nejvíce studovaných logických struktur. Tyto tři základní zdroje zásadně inspirovaly vznik kvantových a vícehodnotových struktur. Při popisu fyzikálních, biologických či jiných systémů se téměř vždy setkáme s nějakým typem neurčitosti. Tu lze zpravidla modelovat pravděpodobnostními, logickými nebo algebraickými přístupy. Poslední přístup ke kvantové mechanice lze vysledovat už v práci G. Birkhoffa a J. von Neumanna ze 30. let 20. století. V současné době existuje mnoho přístupů k modelování dějů kvantové mechaniky. Tradiční přístup je založen na struktuře Hilbertova prostoru a samoadjungovaných operátorů, zatímco kvantově-logický přístup studuje strukturu náhodných událostí (experimentálně ověřitelných výroků o kvantově-mechanickém systému), která je v souladu s prací Birkhoffa a von Neumanna nazývána kvantovou logikou. V současnosti modely, inspirované původně kvantovou fyzikou, lze nalézt i jiných oblastech jako jsou computer science, quantum computing, kvantová chemie, matematická ekonomie, psychologické procesy, soft computing apod. Výzkum kvantových struktur má četné aplikace, jejichž rozvoj lze očekávat zejména během příštích dekád. Na prvním místě se lze zmínit o přípravě teoretického aparátu pro konstrukci a posléze i programování kvantových počítačů, což je sice budoucnost zdánlivě vzdálená, ale v současnosti, když byly již vyřešeny některé fyzikálně teoretické problémy zásadní důležitosti, nejeví se celý problém nereálný. Z matematického hlediska se jedná o analogii s vývojem dnes už klasických počítačů, které jsou založené na logice, kterou algebraicky axiomatizoval G. Boole cca 60 let před jejich vznikem, bez nich by ovšem nebylo možné je ani zkonstruovat, ani programovat. Katedra algebry a geometrie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 651 e-mail: [email protected] http://kag.upol.cz/

m at e m at i ka 4 8 – 4 9

Algebraické struktury

Geometrie

G

eometrie je jedna z nejstarších vědeckých disciplín, která vznikla z praktických potřeb při vyměřování pozemků (a také pyramid) v Deltě Nilu a zpracování astronomických pozorování ve starém Egyptě a Mezopotámii. Zpracováním těchto empirických vědomostí Euklidem byl položen základ axiomatiky euklidovské geometrie, která je dosud základem našich školních znalostí i moderních technických aplikací. V 18. století si praxe vyžádala založení deskriptivní geometrie, a tato disciplina se tradičně vyučuje právě na Přírodovědecké fakultě. Pod vedením prof. F. Machaly, dlouholetého vedoucího katedry algebry a geometrie, byl vytvořen kolektiv učitelů, kteří tento předmět vyučují způsobem odpovídajícím současné době, tedy s širokým využitím počítačové techniky. V Olomouci v letech 1832 – 33 pracoval János Bolyai, jeden ze zakladatelů neeuklidovských geometrií, na kterých je mimo jiné založena Einsteinova obecná teorie relativity. Ve výuce i vědecké práci katedry algebry a geometrie zaujímá důležité místo diferenciální geometrie, kterou zde přednášel bývalý rektor Univerzity Palackého prof. J. Metelka již v 50.– 70. letech minulého století. V současnosti se vědecká práce oddělení geometrie, vedeného prof. J. Mikešem, věnuje studiu Riemannovy geometrie a jejích zobecnění; v současnosti byly publikovány tři vědecké monografie a obhájena řada Ph.D. disertací našich i zahraničních studentů. Vedle diferenciální geometrie navazujeme na práci skupiny olomouckých geometrů, založené prof. J. Machalou a doc. D. Kluckým, zabývající se projektivní geometrií a jejími zobecněními. Tato disciplína, rozšiřující známou geometrii euklidov-

skou (z níž, v případě roviny, populárně řečeno, odstraňuje „nedostatek“ prázdného průniku rovnoběžek), vznikla již z potřeb renesančních umělců, ale krom obohacení algebry o ternární struktury či kvazigrupy dokazuje svou aktuálnost i svými soudobými aplikacemi v robotice či výpočetní technice. Katedra algebry a geometrie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc tel. 585 634 651 e-mail: [email protected] http://kag.upol.cz/

Didaktika matematiky

studia matematiky pořádáním přednášek a soustředění pro středoškolské studenty, ale i organizací aktivit typu Veletrh vědy a techniky v Olomouci a v dalších místech ČR. Katedra algebry a geometrie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc tel. 585 634 651 e-mail: [email protected] http://kag.upol.cz/

m at e m at i ka 5 0 – 5 1

S

tudium učitelství matematiky pro střední školy v kombinaci s dalšími předměty studovanými na Přírodovědecké fakultě, ale i na jiných fakultách Univerzity Palackého, je poskytováno Katedrou algebry a geometrie. Podobně katedra zajišťuje i přípravu středoškolských učitelů deskriptivní geometrie. Odborné činnosti zaměřené na otázky kvality výuky středoškolské matematiky se na katedře věnují především členové oddělení didaktiky matematiky. Velmi výrazná je jejich orientace na problematiku práce s talentovanými žáky a studenty v rámci České republiky, ale i v mezinárodním kontextu. Jedná se zejména o národní i mezinárodní Matematickou olympiádu a soutěž Matematický klokan. V rámci Matematické olympiády, kromě soustavné organizační činnosti, je významná také tvorba úloh použitých nejen v rámci národní olympiády, ale i v mezinárodní a středoevropské Matematické olympiádě. Oddělení didaktiky matematiky také iniciovalo vznik soutěže Matematický klokan v ČR a podílí se na práci mezinárodní asociace Kangaroo sans frontière, která sdružuje pořadatele této soutěže v padesáti zemích světa. V souvislosti s problematikou zaměřenou na práci s talentovanými žáky a studenty řešili členové oddělení řadu národních i mezinárodních projektů, a jejich činnost byla oceněna i v mezinárodním kontextu. Velkou pozornost věnovali zaměstnanci katedry tvorbě učebnic a v uplynulých letech vytvořili kompletní sadu učebnic matematiky pro 1. – 9. ročník základních škol. Pro středoškolské učitele a studenty vypracovali členové oddělení řadu učebních textů a monografií. Nemálo času bylo věnováno také propagaci

Informatika

a distribuovanými systémy. Následující odstavce dávají nahlédnout, co se skrývá pod jedním z těchto témat – fuzzy logikou. V klasické logice je každému výroku přiřazena pravdivostní hodnota 1 (výrok je pravdivý) nebo 0 (výrok je nepravdivý). Jako příklad uveďme tvrzení „součet čísel 2 a 3 je roven číslu 5“, které je pravdivým výrokem. Naproti tomu výrok „Labe je nejdelší řekou v České republice“ je nepravdivý. Skutečnost, že výrok může být ohodnocen pouze dvěma pravdivostními hodnotami, je nazývána principem bivalence. Na první pohled je tento princip zcela přirozený, ukazuje se však, že má svá omezení. Jeho použití totiž není vhodné v přínformatika je moderním a rychle se rozvíjepadě výroků, v jejichž popisu se vyskytují vágní jícím oborem. Je známou skutečností, že se (neurčité, nejasné) pojmy. Příkladem je vágní do značné míry zabývá počítači. Velmi často pojem „vysoká teplota“ a jeho použití ve výroku je však informatika nesprávně chápána jako „teplota v místnosti je vysoká“. Každý jednotlivec práce na počítači. Informatik je pak vnímám jako vnímá teplotu v místnosti odlišně, takže o tomto člověk, který sedí (zpravidla dnem i nocí) u povýroku nemůžeme jednoznačně říct, zdali je pravčítače, něco píše na klávesnici a kliká myší. Na divým nebo naopak nepravdivým. Dalšími výroky tuto chybnou představu vtipně reagoval už před s vágními pojmy jsou například tvrzení „letenka mnoha lety známý nizozemský informatik Edsger z Prahy do New Yorku je levná“, „Pavel má vysoký Dijkstra, když prohlásil, že „informatika se zabývá krevní tlak“, „doprava na dálnici je velmi hustá“, počítači asi tak jako astronomie dalekohledy“. a podobně. Ve skutečnosti je informatika vědním oborem, Fuzzy logika je rozšířením klasické logiky, které který se zabývá zpracováním informací a všemi umožňuje postihnout výroky s vágními pojmy možnými aspekty s tím souvisejícími. Proto je a umí popsat jejich pravdivost. Ve fuzzy logice informatický výzkum značně rozmanitý a různose často pravdivost výroků vyjadřuje reálnými rodý. Má svou teoretickou složku, značně podobčísly od 0 do 1, přičemž 0 znamená výrok zcela nou výzkumu matematickému, i experimentální nepravdivý, 1 výrok zcela pravdivý, a číslo větší složku, podobnou tomu, co známe z přírodních než 0 a menší než 1 vyjadřuje částečnou pravdia technických věd. Rozmanitost informatiky jako vost. Vrátíme-li se k výroku „teplota v místnosti je vědního oboru se také odráží ve výzkumné činvysoká“ a budeme-li předpokládat, že naměřená nosti na Katedře informatiky Přírodovědecké teplota je 25 stupňů Celsia, pak můžeme konstafakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Pracovtovat, že zmíněný výrok je téměř pravdivý a jeho níci této katedry se zabývají analýzou relačních dat, fuzzy logikou, databázemi a zpracováním dat, pravdivost vyjádřit číslem 0,9. Pokud bude ale naměřená teplota pouze 18 stupňů Celsia, pak se diskrétní matematikou, překladači, a paralelními jedná o výrok spíše nepravdivý. Pravdivost tohoto výroku tak můžeme vyjádřit číslem 0,3. Fuzzy logika je v současné době vědeckou disciplínou se solidními matematickými základy a zároveň s mnoha praktickými aplikacemi. Jedním z komerčně nejúspěšnějších využití jsou fuzzy regulátory, které nacházejí uplatnění v mnoha výrobcích denní potřeby – v pračkách, myčkách nádobí, fotoaparátech a mnoha dalších spotřebičích, ale i v dalších průmyslových oblastech jako jsou systémy ABS automobilů nebo automatické řízení tavicích pecí. Fuzzy logika je s úspěchem používána i v tzv.

I

do 1). Pokud se vrátíme k předchozímu příkladu s autobazarem, tak na dotaz „vypiš všechny automobily za přibližně 300 000 Kč“ podobnostní databáze odpoví tak, že automobilu o hodnotě 300 000 Kč bude přiřazena hodnota 1, protože zcela odpovídá dotazu. Vozidlo s cenou 299 000 Kč téměř odpovídá dotazu, takže je mu přiřazena hodnota např. 0,9. Levnému automobilu o hodnotě 100 000 Kč však bude přiřazena 0, protože tento neodpovídá dotazu vůbec. Katedra informatiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 700 e-mail: [email protected] http://www.inf.upol.cz/

m at e m at i ka 5 2 – 5 3

podobnostních databázích, kterými se zabývá jedna z výzkumných skupin na katedře informatiky. Podobnostní databáze se snaží překlenout některé nedostatky klasických databází. Vše si demonstrujme na jednoduchém příkladu. Uvažujme databázi, v níž jsou uloženy údaje o prodávaných automobilech nějakého autobazaru. Důležitým údajem, podle kterého se zákazníci orientují mezi nabízenými automobily, je jejich cena. Předpokládejme, že se zákazník zajímá o vozy za přibližně 300 000 Kč, zadá tedy do databáze dotaz „vypiš všechny automobily, jejichž cena se rovná 300 000 Kč“. Potíž je v tom, že v seznamu, který databáze vrátí jako odpověď na tento dotaz, nebudou zahrnuta auta v hodnotě o něco málo nižší nebo vyšší než požadovaná částka, například 299 000 Kč. V porovnání s celkovou cenou je rozdíl jedné tisícikoruny spíše nevýznamný, takže by zákazník jistě ocenil, kdyby vůz za 299 000 Kč byl také součástí odpovědi. Situaci nevyřeší ani rozšíření dotazu na nějaký interval cen, například „vypiš všechny automobily, jejichž cena je větší než 290 000 Kč a menší než 310 000 Kč“. Zmíněný automobil o hodnotě 299 000 Kč sice bude vrácen v odpovědi na takový dotaz, ale nebude do ní zařazen automobil, který bude o pouhou jednu korunu levnější nebo dražší než jsou v dotazu uvedené hranice intervalu (přestože by z pohledu zákazníka byl stále vyhovující). Celý problém spočívá v tom, že klasické databáze neumějí správně pracovat s pojmem „přibližná cena“. Podobnostní databáze to však umějí. Jako odpověď na určitý dotaz totiž vrací seznam, ve kterém jsou jednotlivé položky doplněny číselnou hodnotou říkající, jak přesně odpovídají tomuto dotazu (stejně jako tomu bylo při stanovení pravdivosti výroků s vágními pojmy, tyto číselné údaje mohou být reálná čísla od 0

fyzika

Kvantový přenos a zpracování informace

K

vantová optika umožňuje testovat jevy v mikrosvětě a formulovat a ověřovat fundamentální koncepty kvantové fyziky. Současně ale směřuje k praktickým aplikacím v komunikačních technologiích.

Kvantová teorie, nezbytná pro popis mikrosvěta, postavila ve 20. století fyziky před úplně nové paradigma. Kvantové systémy se totiž chovají mnohem podivněji než ty, které známe z klasické fyziky. Mohou se například nacházet v superpozici stavů odpovídajících dvěma různým polohám

částice. Dvě nebo více částic se může vyskytnout v tzv. provázaném stavu, kdy lze pozorovat jisté nelokální vlastnosti, projevující se například ve výsledcích korelačních měření. Kvantová fyzika nám odhalila skutečnost, že součástí přírody je jakási vnitřní náhodnost, kterou nelze obejít a která se projevuje ve výsledcích kvantového měření. Kromě toho každé měření nebo jakákoli interakce s kvantovým systémem obecně podstatným způsobem ovlivňuje jeho stav. Ukazuje se nicméně, že tyto kontraintuitivní vlastnosti lze velmi zajímavým způsobem využít při zpracování nebo přenosu informace. To, co můžeme s informací provádět, totiž hodně závisí na fyzikálním systému, který informaci nese. Využití kvantových systémů při zpracování informace nabízí řešení některých problémů, které jsou v rámci klasické teorie informace neřešitelné nebo jejichž klasické řešení není známé. Jedná se například o bezpečný přenos kryptografického klíče nebo o faktorizaci velkých čísel v polynomiálním výpočetním čase. Kvantová optika se ukázala být velmi dobrou experimentální platformou jak pro studium fundamentálních vlastností kvantové teorie, tak pro konstrukci zařízení pro kvantový přenos a zpracování informace. Skupina kvantové optiky a kvantové informatiky na katedře optiky patří mezi přední evropská pracoviště zabývající se kvantovým přenosem a zpracováním informace. Může se pochlubit řadou původních výsledků, rozsáhlou zahraniční spoluprací, dlouholetou tradicí v oblasti teoretické a dynamickým vývojem v oblasti experimentální. Skupina se zabývá teoretickým i experimentálním studiem kvantových hradel, tedy elementárních obvodů pro kvantové zpracování informace a kvantové počítání. V laboratoři byl například sestrojen jednoduchý programovatelný

vý zesilovač. Ten byl později využit pro potlačení šumu při přenosu informace prostřednictvím kvantových stavů světla. Jedná se o fascinující výzkum týkající samotných základů kvantové teorie. Výsledky jsou publikovány v prestižních mezinárodních časopisech. Během posledních pěti let byly například publikovány tři práce v Nature Physics, po jedné v Nature Communication, Nature Photonics a Reviews of Modern Physics, čtrnáct prací ve Physical Review Letters, více než sedmdesát pět ve Physical Review A a tři práce v New Journal of Physics. Za posledních pět let získali členové týmu 8 prestižních národních i mezinárodních ocenění. Dvě nejvýznamnější z poslední doby jsou Cena ministra školství ČR za výzkum v oblasti kvantové informace a kvantové optiky (doc. J. Fiurášek, 2010) a Cena Grantové agentury České republiky (doc. R. Filip, 2011). Skupina aktivně spolupracuje s více než desítkou zahraničních týmů z Německa, Rakouska, Itálie, Dánska, Japonska, Španělska a dalších zemí. Ve výzkumném týmu najdete vedle doktorandů i magisterské studenty, a vznikla zde i řada bakalářských prací. Všechny byly součástí dlouhodobějších výzkumných směrů. Katedra optiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 253 e-mail: [email protected] https://www.facebook.com/optika.olomouc http://optics.upol.cz/

fyzika 54–55

kvantový procesor. Obecně jsou studovány jak systémy s diskrétními, tak i spojitými proměnnými. Při optické implementaci hradel se uplatňují různé optické technologie. Hojně se využívá párů provázaných fotonů generovaných pomocí spontánní sestupné parametrické konverze. Experimenty jsou budovány jak z objemových optických prvků, tak s použitím vláknové optiky. V některých případech se využívá elektronické dopředné vazby, která umožňuje ovlivnit kvantový stav jednoho fotonu na základě výsledku měření na druhém fotonu – jde vlastně o kvantový přepínač ovládaný jediným fotonem. Dopředná vazba je ale využívána i v kontextu spojitých proměnných. Zkoumány jsou též neklasické stavy světla, například stavy s určitým počtem fotonů, provázané stavy, tzv. stlačené stavy i jiné exotické stavy. Tým zkoumá kvantový přenos informace s využitím neklasických stavů včetně metod kvantové kryptografie. Kvantová kryptografie je dnes již komerčně dostupnou technologií pro bezpečnou komunikaci. Pozornost je také věnována vlivu a možno­stem omezení tzv. kvantového šumu v systémech pro kvantový přenos a zpracování informace – navržen byl např. bezšumový kvanto-

Moderní měřicí systémy v aplikované fyzice

M

oderní fyzika, a moderní věda obecně, se neobejde bez využití sofistikovaných měřicích systémů a přístrojů. Pracovníci katedry experimentální fyziky se od 90. let 20. století věnují všem aspektům souvisejícím s měřicí technikou. V současnosti měřicí systémy požadují nejen vysokou přesnost a správnost měření, ale také kladou důraz na možnost automatizace měření, provádění složitých experimentů a také okamžité výpočty a zpracování naměřených dat. Toho už dnes v podstatě nelze dosáhnout bez využití počítačů, a proto se v aplikované fyzice objevily systémy, dnes nejčastěji označované jako číslicové měřicí systémy. Jejich ideou není pouhé propojení samostatných měřicích přístrojů navzájem a s počítačem, ale také zavedení konceptu virtuální instrumentace. To například znamená, že přístroje nejsou tvořeny samostatnou „skříní“ s vlastním ovládáním, ale často představují jen zásuvnou kartu do počítače, která se zcela ovládá přes počítač. S číslicovými měřicími systémy nesouvisí jen přístroje samotné, ale také například

Zařízení pro studium biomechanických deformací

Detektory jaderného záření

problematika propojovacích rozhraní (jejich přenosová kapacita, rychlost, rušení a podobně), a v neposlední řadě otázka kvality, věrohodnosti a spolehlivosti ovládacího programu. V souvislosti s prací prof. Miroslava Mašláně se činnost katedry zaměřila na oblast měřicích přístrojů v jaderné fyzice, konkrétně na konstrukci Mössbauerových spektrometrů. Tyto přístroje využívají tzv. Mössbauerův jev, za který jeho autor obdržel Nobelovu cenu. Zvláštností tohoto jevu je extrémní energetická rozlišovací schopnost a citlivost jen na jeden zvolený prvek, nejčastěji železo. Výzkumná skupina, v dnešní době soustředěná kolem dr. Jiřího Pechouška v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), se věnuje všem hlediskům, která ovlivňují stavbu a kvalitu spektrometru:  mechanická konstrukce spektrometrické lavice, kdy byl navržen unikátní tzv. rezonanční systém;  vlastnosti a modelování chování detektorů jaderného záření; elektronika pro rychlé zpracování ultrakrátkých  signálů;  pohybové prvky s požadovanou kvalitou pohybu, využívající například digitální zpětnou vazbu, umožňující provoz v silných magnetických polích, kde jiné konstrukce selhávají; řídicí elektronika a logika systému na různých  platformách (jednočipové mikropočítače jako autonomní systémy, systém ovládaný běžným počítačem s prostředím LabVIEW nebo průmyslovým počítačem s operačním systémem s reálným časem, systémy využívající hradlová pole);  matematické zpracování získaných dat s možností okamžité zpětné vazby na systém;

 vývoj nových přístupů pro zlepšení například statistických parametrů výsledného spektra či zkrácení doby jeho měření;  specializované spektrometry pro měření za různých podmínek (nízké či vysoké teploty, silná magnetická pole, měření pouze povrchových vrstev, a podobně).

Mössbauerův spektrometr, vyvinutý katedrou experimentální fyziky, používaný v sestavě s chladicím kryostatem pro teploty 15 až 300 K

teoretických oblastí (teorie měření a experimentu, teorie podobnosti a modelování, teorie chyb a nejistot) či obecné metrologie (definice a realizace fyzikálních a technických veličin a jejich soustav, metrologická terminologie, zpracování a interpretace výsledků měření), přes vědeckou (vývoj, realizace a organizace etalonů, jejich uchovávání a přenos hodnot) a legální metrologii (právní úprava metrologického systému ČR a právní návaznost na mezinárodní metrologii, přesnost měření s ohledem na průhlednost ekonomických transakcí, zdraví a bezpečnost, systémy jakosti), až po podnikovou metrologii (náležitosti fungování měřidel používaných v průmyslu a ve výrobních a zkušebních procesech). Všem těmto aspektům metrologie se dlouhodobě věnuje tým kolem dr. Tomáše Rösslera. Katedra experimentální fyziky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc email: [email protected] http://exfyz.upol.cz http://fyzika.upol.cz

Virtuální ovládací panel spektrometru

fyzika 56–57

Všechny navržené přístroje a koncepty spektrometrů je také nutné testovat při reálných podmínkách. Většina našich měření je zaměřena na oblast nanotechnologií, konkrétně na studium železoobsahujících nanočástic, nanokompozitů a dalších. Jedná se například o studium přípravy oxidů železa nebo sledování jejich nanomagnetického chování. V této aplikační oblasti je činný převážně doc. Libor Machala, působící v RCPTM. Kromě experimentů v jaderné fyzice se věnujeme také vývoji měřicích metod v jiných oblastech, například využití optických metod v souvislosti s lékařstvím. Jako příklad lze uvést studium metod pro měření biomechanických charakteristik (doc. Luděk Bartoněk), nebo využití optických topografických metod pro vyhodnocení opotřebení kloubních implantátů (dr. Tomáš Rössler), které jsou obě kromě hardwarové stránky spojené s technikami digitálního zpracování obrazu. Kromě aplikací do konkrétních vědeckých oblastí se na naší katedře zabýváme také vědním oborem, zvaným metrologie. Pod tímto pojmem se skrývá veškerá problematika, spojená s měřením. Jedná se o široké spektrum oblastí, od čistě

Didaktika fyziky

N

a výzkum v oblasti fyzikálního vzdělávání se někdy veřejnost i řada odborníků dívá s podezřením, zda jde o seriózní disciplínu s užitečnými výsledky a zda nepatří spíše do pedagogiky než mezi přírodní vědy. Jedná se samozřejmě o hraniční obor na pomezí „tvrdé“ fyziky a „měkkých“ pedagogických disciplin, v zahraničí – zejména anglosaském – označovaný možná o něco užším termínem physics education research. K čemu je takový výzkum užitečný, je-li pro fyziky příliš pedagogický a pro pedagogy příliš fyzikální? Volně řečeno se didaktika fyziky jako

Prof.  Josef Fuka (1907  –  1992)

obor zabývá vším, co souvisí s „učením se“ fyzice s cílem zlepšit výuku tohoto předmětu na školách, ukázat různé aspekty fyzikálního myšlení, a v neposlední řadě i napravit postoje žáků k fyzice. K tomu je potřeba příslušné procesy dobře popsat a poznat, protože nejde jen o řemeslo nebo sbírku zkušeností ze školní praxe. Situaci komplikuje i skutečnost, že na rozdíl od fyzikálních objektů jako jsou třeba elementární částice, které zůstávají stále protonem či elektronem, žáci i učitelé se mění a to, co ve výuce platilo nebo bylo dobré před padesáti lety sice může, ale nemusí být dobré dnes. Na druhou stranu se ukazuje, že problémy, s nimiž se setkáváme u nás, řeší i ve většině zemí po celém světě. Čím se tedy oborová didaktika fyziky konkrétně zabývá? Vzděláváním učitelů fyziky, vyučováním (metodami, formami výuky a prezentace znalostí, školními a výukovými experimenty), prekoncepcemi a miskoncepcemi (představami, často chybnými, s nimiž žáci do školy přicházejí a jež se zdaleka ne vždy daří úspěšně změnit), kontextem učení (motivací, individuálními rozdíly mezi žáky, vztahy mezi žáky a učiteli), vzdělávací politikou, hodnocením výsledků vzdělávání, využitím informačních technologií ve výuce, souvisejícími kulturními, historickými a filozofickými otázkami a podobně. Konkrétně v Olomouci má příprava učitelů fyziky dlouholetou tradici sahající k zahájení činnosti Pedagogické fakulty Univerzity Palackého v roce 1946, na níž byl zřízen Fyzikální ústav. V roce 1954 vznikla na tehdejší Vysoké škole pedagogické katedra fyziky pod vedením jedné z výrazných postav tehdejší československé didaktiky fyziky prof. Josefa Fuky. Od roku 1960 se pak nově vzniklá katedra experimentální fyziky a metodiky fyziky stala trvalou součástí Přírodovědecké fakulty. Po roce 1975 v garantování studia učitelství fyziky pokračovala katedra fyziky a didaktiky fyziky. Za tuto dobu působila v Olomouci řada osobností, které se nejen podílely na přípravě několika generací učitelů, ale zároveň se aktivně a významně zapojily do tvorby učebnic, osnov, metodických materiálů a pomůcek pro výuku dodnes používaných v praxi na školách. K nejvýraznějším autorům vedle již zmíněného prof. Josefa Fuky patří dr. Milan Bednařík, doc. Miroslava Široká s manželem dr. Jaromírem Širokým, doc. Jan Žouželka a především doc. Oldřich Lepil.

Některé z vytvořených učebnic

Přírodovědecké fakultě akreditováno i doktorské studium v oboru didaktika fyziky, které nabízíme jako jediná fakulta v České republice. Oddělení didaktiky fyziky se nadále zaměřuje na aktuální otázky fyzikálního a přírodovědného vzdělávání, projektování výuky, tvorbu učebnic a metodických publikací pro učitele, experimenty podporované počítačem, moderní výukové technologie a jejich využití ve vyučování fyziky. Aktivně spolupracujeme s partnerskými pracovišti u nás i na několika zahraničních univerzitách, s učiteli na školách a podílíme se na zajištění řady fakultních popularizačně vzdělávacích aktivit. Oddělení je také poměrně úspěšné v získávání evropských projektů ESF a OPVK, jež přispívají k dalšímu rozvoji, zkvalitnění a modernizaci výuky. Katedra experimentální fyziky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 151 e-mail: [email protected] http://www.facebook.com/didaktikafyziky http://exfyz.upol.cz/didaktika/

fyzika 58–59

Zmíněná pracoviště byla řadu let garantem časopisu Matematika a fyzika ve škole, na který v roce 1991 navázal časopis Matematika – fyzika – informatika. Z iniciativy olomoucké pobočky Jednoty československých matematiků a fyziků vznikla v roce 1959 soutěž pro studenty středních škol, jež se postupně rozrostla na dnešní mezinárodní Fyzikální olympiádu. Studium učitelství zůstává i dnes tradičně dvouoborové, k nejčastějším kombinacím patří fyzika – matematika, fyzika – chemie a  fyzika – výpočetní technika. Garantem na fakultě je v současnosti katedra experimentální fyziky v úzké spolupráci s dalšími fakultními pracovišti. Absolventi získávají učitelskou kvalifikaci pro působení na druhém stupni základních škol, víceletých gymnáziích a na všech typech středních škol. Zejména díky úsilí prof. Danuše Nezvalové bylo na

Experimentální kvantová a nelineární optika

C

elá řada zákonitostí kvantové fyziky byla dlouho po svém zrodu formulována jen v podobě myšlenkových experimentů, neboť neexistovaly experimentální prostředky k jejich demonstraci. Posledních několik desítek let silně napomáhá realizaci těchto experimentů kvantová a nelineární optika. Hlavní roli pak na tomto poli hrají tzv. fotonové páry.

Kvantová a nelineární optika byla na Univerzitě Palackého rozvíjena od 60. let 20. století v rámci Společné laboratoře optiky UP a FZÚ AV ČR (SLO), zprvu zejména teoreticky v rámci skupiny vedené prof. Janem Peřinou, od 90. let pak i experimentálně, kdy z iniciativy prof. Peřiny a prof. Hrabovského vznikla ve SLO experimentálně zaměřená skupina kvantové a nelineární optiky. Skupina se zprvu věnovala zejména kvantové kryptografii založené na slabých koherentních svazcích. Výsledkem tohoto úsilí bylo vyvinutí prvního českého kvantově kryptografického systému a také generátorů náhodných čísel, obojí v úzké spolupráci s katedrou optiky. Následně se

Titan-safírový femtosekundový laserový systém

skupina zaměřila na studium vlastností kvantově korelovaných fotonových párů vznikajících v nelineárních krystalech. Fotonové páry představují pozoruhodné fyzikální objekty s řadou vlastností, které nelze pozorovat v rámci klasické fyziky a které se jeví z pohledu běžné lidské zkušenosti jako paradoxní. Typickým projevem těchto kvantových vlastností je tzv. kvantová provázanost, to znamená korelované chování obou fotonových dvojčat bez ohledu na oddělenost jejich fyzické existence. Díky této vlastnosti fotonové páry přispěly k objasnění desítky let trvajících sporů fyziků o interpretaci chování mikrosvěta a zároveň – trochu nečekaně – poskytly vynikající nástroj pro experimentální vědy současnosti a praktické aplikace blízké budoucnosti. Této tematice se skupina věnuje dodnes. Svoje úsilí zaměřuje zejména na studium fotopulzních statistik polí tvořených mnoha fotonovými páry a studium různých kvantově informačních protokolů založených na fotonových párech. V první oblasti se za pomocí intenzifikovaných CCD kamer a vláknového detektoru rozlišujícího počty fotonů podařilo určit kvantové rozdělovací funkce vysoce neklasických polí tvořených fotonými páry. Byla také experimentálně generována pole se sub-Poissonovskou fotopulzní statistikou pomocí podmíněného měření – tedy stavy světla, v nichž je šum na nižší úrovni než připouští klasická fyzika. Ve druhé oblasti byly sestaveny a experimentálně ověřeny různé konstrukce kvantových klonerů i jednoduchá kvantová hradla. Kvantové klonery realizují co nejvěrnější kopírování kvantových stavů fotonů, přesné kopírování je totiž zákony kvantové fyziky vyloučeno. Kvantová hradla pak umožňují provádět s fotony elementární logické operace a mohou tak vytvořit stavební prvky kvantových počítačů – zatím stále ještě hypote-

RCPTM, Přírodovědecká fakulta UP Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR 17. listopadu 50a, 771 46 Olomouc telefon: 585 631 511 e-mail: [email protected] http://jointlab.upol.cz/ http://rcptm.upol.cz/

fyzika 60–61

tických zařízení, která by byla například schopna bleskově luštit dosud neprolomitelné šifry. Skupina se dále zabývá i modelováním moderních nelineárních kvantových struktur (vlnovodů, pólovaných materiálů, systémů tenkých vrstev, systémů se zpětnou vazbou) emitujících kvantově korelované fotonové páry i světlo se stlačenými amplitudovými fluktuacemi. Ve skupině jsou také studovány základní problémy kvantové mechaniky jako například kvantové korelace podsystémů a jejich kvantifikace, kvantové relace neurčitosti nebo kvantování polí v reálných strukturách. Výsledky získané skupinou jsou pravidelně publikovány v mezinárodních časopisech a nacházejí ohlas u mezinárodní vědecké komunity. A. Černoch, O. Haderka a J. Peřina ml. byly oceněni cenou O. Wichterleho udělovanou Akademií věd ČR. K. Lemr spolu s J. Soubustou získali cenu firmy Siemens za nejlepší disertační práci v daném roce. Od roku 2010 je skupina součástí Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů.

Velké mezinárodní kolaborace na poli částicové fyziky

částice kosmického záření o nesmírně vysokých energiích, jejichž povaha a původ jsou stále velkou záhadou. Primární extrémně vysokoenergetické částice se při střetu s molekulami dusíku v nejvyšších vrstvách zemské atmosféry štěpí na množství sekundárních částic, které se dále rozpadají, a tato sprška částic při dopadu na povrch země pokryje až desítky čtverečních kilometrů. Jejich energie je až stomilionkrát vyšší než jaké je dosahováno v nejvýkonnějších pozemských urychlovačích částic. Observatoř používá 1600 povrchových detektorů částic a celkem 27 fluo-

U

niverzita Palackého se prostřednictvím svého společného pracoviště s Fyzikální ústavem AV ČR, v.v.i., dlouhodobě podílí na řadě velkých mezinárodních kolaborací. V poslední době mezi nimi vynikají zejména projekty CERN – ATLAS a Observatoř Pierra Augera.

Už na konci 20. století se Univerzita Palackého prostřednictvím Společné laboratoře optiky UP a FZÚ AV ČR zapojila do několika větších mezinárodních projektů, k nimž mohla přispět zejména svou nabídkou pokročilých technik návrhu a výroby specializovaných optických komponent. Tak se olomoucká zrcadla a další komponenty podílely na úspěchu projektů CAT a CELESTE vybudovaných na místě původní sluneční elektrárny ve francouzských Pyrenejích ke zkoumání kosmických zdrojů záření gama. Cílem observatoře Pierra Augera, která byla budována od roku 1999 na ploše přes 3000 km2 v Argentině ve spolupráci 17 zemí, je zkoumat

Model optického systému fluorescenčního detektoru

Schéma observatoře Pierra Augera, Malarqüe, Argentina; Leones, Coihueco, Morados a Amarilla – lokality se systémy fluorescenčních detektorů; tečky zobrazují povrchové detektory observatoře

rescenčních detektorů. Jejich kombinací lze zaznamenat zhruba 450 událostí (detekce spršek s energiemi nad 5x1019 eV) ročně. Fluorescenční detektory jsou založeny na optických teleskopech, které shromažďují fluorescenční záření primární částice při průniku atmosférou a jsou sdruženy do čtyř stanic. Jejich optické osy míří do různých směrů a do úhlové výšky 15o nad obzor observatoře, takže každá stanice kryje pás při obzoru o úhlové délce 180o. Tak širokoúhlé obří komory nikdy předtím nebyly vyrobeny. Patnáct z těchto optických teleskopů pochází z Olomouce. Hlavní zrcadlo každé komory má rozměry 3,6 x 3,6 m a skládá se ze 60-ti přesně zjustovaných segmentů. Z řady dalších aktivit olomoucké skupiny lze vyzdvihnout unikátní speciální kamery, které jsou součástí řídicího systému observatoře, regulují proces měření na základě měření optického pozadí a oblačnosti

noční oblohy nad observatoří. Česká pracoviště se věnují dále zejména fyzikálním simulacím a rekonstrukci dat, provozování observatoře, pracují i na hardwarových řešeních, například na upgrade observatoře. Zapojení do tohoto prestižního mezinárodního projektu nabízí a v minulosti již umožnilo, mimo jiné, obhájit několik témat pro doktorské studium v oblasti astrofyziky a aplikované fyziky. Tito bývalí doktorandi jsou již uznávanými vědeckými pracovníky tohoto a jiných mezinárodních vědeckých projektů. Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) je nejrozsáhlejší výzkumné centrum částicové fyziky na světě. V současné době má CERN celkem 20 členských států a další země mají status pozorovatele. Posláním organizace CERN je základní výzkum v oblasti studia složení hmoty a interakcemi mezi částicemi. V posledních letech přitahuje největší pozornost Velký hadronový urychlovač (LHC) – v současnosti největší urychlovač částic na světě. Projekt ATLAS, na jehož provozu a zpracování dat se vedle dalších českých pracovišť podílí od roku 2008 také Univerzita

Fluorescenční detektory observatoře Auger HEAT v lokalitě Coihueco

Duchovní otec projektu Auger J. W. Cronin s manželkou při přijetí rektorem UP

rekonstrukci registrovaných částic pod softwarovým prostředím ATHENA. V současné době rozšiřuje své aktivity na podobný nový projekt dopředného detektoru AFP, ve kterém pracuje na podobných tématech. Zapojení do těchto projektů nabízí zajímavá témata pro doktorské studium v oblasti částicové a aplikované fyziky s možnostmi analýzy měřených dat v rámci celého projektu ATLAS. V současnosti se tomuto tématu věnují dva studenti doktorandského studia a tři studenti studia bakalářského. Od roku 2010 se spolupráce na obou velkých kolaboracích realizuje v rámci Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů. RCPTM, Přírodovědecká fakulta UP Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR 17. listopadu 50a, 771 46 Olomouc telefon: 585 631 511 e-mail: [email protected] http://jointlab.upol.cz/ http://rcptm.upol.cz/

fyzika 62–63

Kandidátní událost pro rozpad Higgsova bosonu na čtyři miony (H -> 4mu); uveřejněno s laskavým svolením CERNu

Palackého, je největším ze čtveřice detektorů v LHC a jeho posláním je studium mezních problémů moderní částicové fyziky, včetně studia Higgsova bosonu, extra-dimenzí a částic tvořících temnou hmotu. Česká pracoviště se věnují zejména simulacím a rekonstrukci dat, ale pracují i na hardwarových řešeních, například se podílí na řešení chlazení detektoru. Olomoucká část skupiny je odpovědná především za implementaci geometrie ALFA detektoru (část detektoru ATLAS) v nástrojích GeoModel a Geant4 a za práce na software pro

Studium tvorby lidského hlasu

H

las je základním prostředkem mezilidské komunikace. Pro správné používání hlasu, optimální využití jeho možností při mluvě i zpěvu a zlepšení péče o něj je potřeba detailně poznat a pochopit princip jeho tvorby a potažmo i onemocnění a patologií, které jej nepříznivě ovlivňují. Ačkoli toho již o hlasu a jeho tvorbě víme mnoho, stále zbývá poměrně velká oblast neprozkoumána. Studium produkce lidského hlasu je vysoce interdisciplinární problém a vyžaduje integraci poznatků z různých vědních oborů. Velkou roli zde hrají obory přírodovědné jako jsou například akustika, neboť hlas je speciální typ zvuku; biomechanika, neboť hlas vzniká mechanickým kmitáním biologických tkání hlasivek; či aerodynamika, neboť hlasivky se rozkmitávají díky aerodynamickému působení vzduchu proudícímu z plic. Dále se zde uplatňují informace z lékařských oborů, mimo jiné anatomie, fyziologie, neurologie, otorinolaryngologie a foniatrie, ale i z oborů filozofických a pedagogických jako jsou psychologie, fonetika, či hlasová pedagogika. Tým „Hlas a funkce hlasivek“ na katedře biofyziky pod vedením RNDr. J. Švece studuje vlastnosti hlasu a mechanismy jeho vzniku a spolupracuje s řadou klinických a výzkumných pracovišť jak v tuzemsku (např. Hlasové centrum Praha, Ústav termomechaniky AV ČR, ČVUT Praha, Výzkumné centrum hudební akustiky HAMU, VUT Brno) tak v zahraničí (pracoviště v Rakousku, Německu, Švédsku, Finsku, USA a dalších zemích). Vzhledem k tomu, že požadavky léčebné praxe vázané na evidenci kladou stále větší nároky na objektivní měření poruch hlasu, jsou na Univerzitě Palackého podrobně studovány vlastnosti hlasu z akustického, biomechanického i z fyziologického hlediska. Jedním z řady témat je zlepšení

1) Hlasivky muže bez hlasových potíží zobrazené videokymografickou kamerou. Vlevo je laryngoskopický pohled na hlasivky a tkáně hrtanu; bílá čára označuje řádek, který je vybrán pro videokymografické zobrazení vpravo. Nahoře je videokymografický snímek znázorňující bezproblémové rozkmitání střední části hlasivek (označené čárou vlevo) při počátku fonace. Čas zde běží shora dolů, celkový zobrazený interval je 40 ms.

diagnostiky poruch hlasu pomocí detailního zobrazení kmitání hlasivek využitím originální laryngoskopické vysokofrekvenční zobrazovací metody „videokymografie“ (obr. 1). Tato metoda, kterou navrhnul a vyvinul dr. Švec společně s nizozemskými odborníky, a která je v současnosti již celosvětově uznávána, umožňuje zobrazit poruchy kmitání hlasivek, z kterých lze odhalit různé příčiny poruch hlasu. Záznamy kmitajících hlasivek u pacientů jsou prováděny a analyzovány ve spolupráci s Hlasovým centrem Praha. Výsledky jsou používány například pro podrobnou diagnostiku hlasových profesionálů či pro monitorování výsledků chirurgické a konzervativní léčby. Studium živých hlasivek je ovšem velmi obtížné, a proto je na katedře biofyziky vyvíjeno

2) Měření lidského hlasu – nastavení polohy mikrofonu při jednom z experimentů

Frekvenční spektrum hlasu: různá výška tónu F0

2*F0 H2

3*F0 4*F0

5*F0

6*F0

Frekvence harmonických tónů jsou celistvými násobky frekvence F0!

Vysoký tón

H3

10*F0

H4

H5

H10=4000 Hz

H6

H2=200 Hz H10=1000 Hz

Menší rozestup mezi harmonickými!

H20=2000 Hz

0 Hz

1000 Hz

2000 Hz

speciální experimentální zařízení, které umožňuje rozkmitat a studovat hlasivky u preparátů hrtanů. Jako preparáty jsou využívány například hrtany vepřové, kravské, či jelení. Využití preparátů hrtanu umožňuje studovat vliv jednotlivých faktorů na kmitání hlasivek, například vliv tlaku a proudu vzduchu, napětí hlasivek, pravo-levé nesymetrie hrtanu nebo vliv rezonančních prostor nad a pod hlasivkami. Tak je možno lépe pochopit důležitost těchto jednotlivých vlivů na vznik takzvaných „hlasových rejstříků“, které jsou důležité při zpěvu, či na vznik nepravidelností kmitání hlasivek, které se projevují jako poruchy hlasu. Tyto výsledky jsou porovnávány s chováním matematických modelů kmitajících hlasivek a používány k jejich zpřesnění tak, aby jich bylo možno v budoucnu použít například pro simulaci hlasových poruch a nalezení optimálního způsobu terapie. Tým také pracuje na zlepšení metodiky klinického měření hlasu, formulaci požadavků na akustické vlastnosti místností či správného umístění mikrofonu (obr. 2). Stranou nezůstává ani studium vlivu různých terapeutických metod na zlepšení vlastností hlasu a objasnění mechanismu jejich účinku. Výsledky týmu jsou publikovány v prestižních časopisech (například Journal of

3000 Hz

4000 Hz

Relativní amplituda [dB]

Nízký tón

F0=100 Hz

Relativní amplituda [dB]

H1

2000 Hz 2400 Hz 800 Hz 1200 Hz 1600 Hz

5000 Hz

the Acoustical Society of America; Journal of Voice; Current Opinion in Otolaryngology Head and Neck Surgery; American Journal of Speech Language Pathology, atd.) a objevují se také v mezinárodních učebnicích o tvorbě hlasu. Znalosti o vlastnostech hlasu slouží i pro doporučení na technické vlastnosti přístrojů pro měření hlasu (například mikrofonů), která jsou mezinárodně využívána. V roce 2013 tento tým spolupořádá v Praze jednu z nejvýznamnějších světových interdisciplinárních konferencí oboru – Panevropskou hlasovou konferenci PEVOC (www.pevoc.cz). Katedra biofyziky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 849 e-mail: [email protected] http://biofyzika.upol.cz/

fyzika 64–65

400 Hz

Interakce biologicky aktivních látek s biomakromolekulami

P

řestože mnohá dosud využívaná farmaka jsou svou podstatou organické látky, některé prvky periodické tabulky (zejména kovy) nabízejí mnohem rozmanitější chemické struktury a důležité terapeutické aplikace. V moderní medicíně jsou nejvýznamnějším příkladem léčiva na bázi kovů, příkladem je cisplatina (cis-diammindichloridoplatnatý komplex). Jedná se o koordinační sloučeninu platiny, která neobsahuje žádnou organickou složku a která je v současné době jedním z nejdůležitějších chemoterapeutik využívaným při léčení rakoviny, jehož se ročně prodá za více než 1,8 miliardy US$. Dosud jsou v klinické praxi kromě cisplatiny využívána další tři strukturně příbuzná platinová cytostatika (karboplatina, nedaplatina

Obrázek ukazuje strukturu deoxyribonukleové kyseliny (DNA) výrazně pozměněnou poškozením vyvolaným protinádorově účinnou cisplatinou

Nová protinádorově účinná sloučenina osmia s polyargininovým řetězcem

a oxaliplatina), přičemž důležitost této třídy farmak je zřejmá i ze skutečnosti, že v současné době většina klinických režimů kombinované chemoterapie nádorů obsahuje cisplatinu nebo jiné platinové cytostatikum. Nicméně, i přes obrovský úspěch výše zmíněných platinových cytostatik má léčba rakoviny pomocí těchto látek řadu omezení (úzké spektrum citlivých nádorů, získaná resistence, vedlejší účinky). Proto v současné době výzkum zaměřený na návrhy a vývoj nových léčiv proti rakovině, zejména metalofarmak (farmak odvozených od komplexů kovů), patří mezi priority základního i aplikovaného výzkumu v celosvětovém měřítku. Pro racionální návrhy nových farmak odvozených od komplexů kovů je zásadní detailní porozumění mechanismu, jak cisplatina, respektive jiné protinádorově účinné komplexy kovů, interagují s molekulami biologického významu a tím vyvolávají příslušný cytostatický a/nebo cytotoxický efekt. Dosavadní pokrok v této oblasti již umožnil navrhnout nová metalofarmaka, jejichž molekulární mechanismus působení je jiný než v případě cisplatiny a jejích analogů, což těmto látkám umožňuje překonat rezistenci k těmto cytostatikům. Na studiu molekulárních a buněčných mechanismů biologického působení protinádorově účinných komplexů přechodných kovů (platiny, ruthenia, osmia, iridia) a tím i na jejich vývoji se rovněž významným způsobem podílí skupina, vedená prof. V. Brabcem a prof. J. Kašpárkovou, zabývající se na katedře biofyziky Přírodovědecké fakulty výzkumem interakcí biologicky aktivních látek s biomakromolekulami. Cílem je zdokonalit poznatkové zázemí nutné pro návrhy nových,

vané“ léčebné režimy využívající optimalizovaná farmaka a klinické režimy „ušité na tělo“ jednotlivým pacientům. Pokrok v takovém výzkumu bude mít nepochybně výrazný dopad na vývoj nových léčiv proti rakovině. Skupina, která se na katedře biofyziky zabývá tímto výzkumem, úzce spolupracuje s předním pracovištěm Akademie věd ČR – Biofyzikálním ústavem AV ČR v Brně. Patří k mezinárodně uznávaným pracovištím s dlouholetou tradicí, vysokou publikační aktivitou v předních mezinárodních odborných periodikách, rozsáhlou zahraniční spoluprací a účastí v mezinárodních projektech. V této výzkumné skupině pracují vedle doktorandů také studenti bakalářských a magisterských oborů na svých disertacích, diplomových a bakalářských pracích. Katedra biofyziky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 849 e-mail: [email protected] http://biofyzika.upol.cz/

fyzika 66–67

efektivnějších, protinádorově účinných metalofarmak. Klíčovým aspektem tohoto programu je použití moderních metod molekulární a buněčné biofyziky a farmakologie ke studiu reakcí komplexů kovů s buněčnými cílovými místy – nukleovými kyselinami, proteiny (enzymy), receptory a signálními molekulami. Důležité jsou také studie zaměřené na transport a akumulaci metalofarmak v buňkách a buněčných organelách a mechanismy, kterými komplexy kovů interferují s metaboliclými cestami tak, že mění buněčné funkce. Tento výzkum je velmi důležitý a aktuální také proto, že rozluštění lidského genomu a nové poznatky genomiky, proteomiky a metaboloniky jednak otevírají nové možnosti pro návrhy využitelné v medicíně, vycházející ze studií na molekulární a buněčné úrovni, jednak umožňují přesně určit nová, terapeuticky významná cílová místa protinádorového působení zkoumaných látek. Identifikace takových cílových míst je klíčem k návrhům nových metalofarmak působících na odlišných molekulárních a buněčných úrovních. Ve vzdáleném horizontu předvídáme „individualizo-

Tvorba reaktivních forem kyslíku v biologických systémech

P

ři oxidativních metabolických procesech mikroorganismů, rostlin a živočichů vznikají reaktivní formy kyslíku. Biofyzika umožňuje monitorovat tvorbu těchto vysoce reaktivních molekul a popsat molekulární mechanismy jejich tvorby.

Molekulární kyslík je důležitý pro všechny biologické systémy, jako jsou mikroorganismy, rostliny a živočichové. Je známo, že molekulární kyslík vzniká štěpením vody během světelné fáze fotosyntézy v chloroplastech a spotřebovává se při buněčném dýchání v mitochondriích. Molekulární kyslík však může být pro biologické systémy nebezpečný – slouží totiž jako substrát pro reaktivní formy kyslíku. Reaktivní formy kyslíku vznikají přenosem excitační energie nebo elektronu na molekulární kyslík v membránách chloroplastů a mitochondrií. Přenosem excitační energie vzniká singletní kyslík, zatímco přenos elektronu je spojen s tvorbou superoxidového aniontového radikálu, peroxidu vodíku a hydroxylového radikálu. Ty reaktivní formy kyslíku, které mají jeden nebo více nepárových elektronů, běžně nazývané jako volné kyslíkové radikály, jsou schopny oxidovat biomakromolekuly. Oxidace biomakromolekul, jako jsou proteiny, lipidy a nukleové kyseliny, vede k poškození biologických systémů a to na úrovni jak molekulární tak i buněčné. Tým zabývající se tvorbou reaktivních forem kyslíku v biologických systémech na katedře biofyziky Přírodovědecké fakulty pod vedením doc. Pavla Pospíšila studuje molekulární mechanismy tvorby reaktivních forem kyslíku pomocí „spin-trapping“ elektronové paramagnetické rezonance a oxidativní poškození biomakromolekul pomocí ultraslabé fotonové emise. Pracoviště spolupracuje s řadou výzkumných laboratoří jak v tuzemsku

(např. Mikrobiologický ústav AV ČR) tak v zahraničí (Japonsko, Německo, Itálie, Polsko). Jsou studovány zejména molekulární mechanismy tvorby reaktivních forem kyslíku v pigment-proteinových komplexech thylakoidní membrány chloroplastů, kde dochází ke štěpení vody na molekulární kyslík. Tento pigment-proteinový komplex, označovaný jako fotosystém II, slouží jako modelový systém pro studium molekulárních mechanismů, neboť zde dochází k oběma procesům spojeným s tvorbou reaktivních forem kyslíku (to znamená přenosu excitační energie a přenosu elektronu). Pomocí biofyzikálních metod jako je „spin-trapping“ elektronová paramagnetická rezonance je možno monitorovat tvorbu singletního kyslíku, superoxidového aniontového a hydroxylového radikálu, jejichž doba života je v řádu nanosekund až milisekund. Detekce takto nestabilních volných kyslíkových radikálů je zajištěna pomocí vychytávačů elektronů, které po interakci s nestabilním volným kyslíkovým radikálem vytvářejí stabilní radikálový komplex s dobou života v řádu minut až hodin. V centru pozornosti studia je zejména tripletní chlorofyl jako fotosensitizér molekulárního kyslíku při tvorbě singletního kyslíku a role iontů kovů vázaných na proteiny fotosystému II při tvorbě superoxidového aniontového a hydroxylového radikálu. Popsání základních mechanismů tvorby reaktivních forem kyslíku v biologických systémech může přispět k odhalení principu oxidativního poškození biomakromolekul. Ultraslabá fotonová

Tvorba singletního kyslíku ve světlosběrném komplexu fotosystému II

A

A

B

B

Fotografie (A) a korespondující ultraslabá fotonová emise (B) měřená u modelové rostliny Arabidopsis thaliana (Huseníček rolní) pomocí vysocecitlivé CCD kamery. Zobrazeno v pseudobarvách

A

B

Katedra biofyziky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 849 e-mail: [email protected] http://biofyzika.upol.cz/

Dvourozměrné zobrazení ultra-slabé fotonové emise lidské ruky (A) a horní části lidského těla (B) měřené pomocí vysoce citlivé CCD kamery

fyzika 68–69

emise umožňuje monitorovat oxidativní poškození proteinů, lipidů a nukleových kyselin způsobené reaktivními formami kyslíku. Narušení metabolické rovnováhy v biologickém systému vede ke zvýšené tvorbě reaktivních forem kyslíku a zvýšení ultraslabé fotonové emise. Přestože ultraslabá fotonová emise je známa již po několik desetiletí, je intenzivně studována až v posledních deseti letech, kdy se díky zvýšení citlivosti fotonásobičů a CCD kamer stala snadněji měřitelnou. V centru pozornosti studia je popis principů odpovědných za emisi fotonů u mikroorganismů (kvasinky), rostlin (sinice, řasy, vyšší rostliny) a živočichů (lidská kůže, lidské nádorové buňky). Právě ultraslabá fotonová emise může sloužit jako velmi citlivý neinvazivní indikátor oxidativního poškození biomakromolekul. Výsledky týmu jsou publikovány v prestižních biofyzikálních, biochemických, fyziologických a optických časopisech (například Biochimica et Biophysica Acta – Bioenergetics, Journal of Biological Chemistry, Biochemical Journal, Plant, Cell & Environment, PLoS ONE, Journal of Biomedical Optics, Journal of Biophotonics, atd.). V roce 2013 tento tým pořádal v Olomouci mezinárodní konferenci Ultra-weak photon emission from biological systems – from mechanism to application. (http://upe2013.upol.cz).

chemie

Nanomateriály ve fyzikální chemii – svět malých rozměrů a velkých možností

J

iž od svého vzniku v roce 2003 se výzkum na katedře fyzikální chemie soustředí na oblast přípravy, charakterizace a využití nanomateriálů. Celosvětově jsou vědeckou komunitou uznávané zejména naše práce o řízení velikosti, antibakteriální aktivitě a toxicitě nanočástic stříbra (například práce v Journal of Physical Chemistry B 110, 16248, 2006 byla dosud 400x citována). Ukázali jsme, že námi připravené nanočástice stříbra lze využít i pro detekci řady látek technikou povrchově zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS), a to až do femtomolárních koncentrací. Z praktického hlediska jsou populární také hybridní materiály obsahující nanočástice stříbra připoutané kovalentní vazbou například na různé polymery. V roce 2012 jsme získali národní patent na kovalentní imobilizaci nanočástic stříbra na pevné substráty (patent č. 303502). Takové materiály mohou vzhledem ke své antimikrobiální, antimykotické a antivirové aktivitě nalézt uplatnění v medicíně (Advances in Colloid and Interface Science. 166, 119, 2011). Otevřenou a intenzivně studovanou otázkou pak zůstává toxicita nanočástic stříbra vzhledem k vyšším organismům a životnímu prostředí. Jak vidno, nanočástice ušlechtilého kovu nabízí řadu cenných užitných vlastností. Nejinak je tomu i v případě nanočástic kovu neušlechtilého,

železa. Na pracovišti vyvinutá metoda přípravy nanočástic železa v pevné fázi umožňuje jeho kontrolovanou produkci i ve větším měřítku. Připravené nanoželezo je extrémně reaktivní, neboť na vzduchu okamžitě shoří a s vodou za pokojové teploty reaguje za uvolňování vodíku. Pomocí pokročilých kvantově chemických výpočtů jsme ukázali, že anaerobní koroze je postupná reakce zahrnující dva jednoelektronové kroky (Journal of Chemical Theory and Computation 7, 2876, 2011). Extrémní redukční vlastnosti nanoželeza se v praxi využívají například v oblasti sanací kontaminovaných podzemních vod (Chemosphere 82, 1178, 2011), odbourávání bojových chemických látek (Journal of Hazardous Materials 211, 126, 2012), nebo při boji se sinicemi (Environmental Science & Technology 46, 2316, 2012). Ještě větší spektrum užitných vlastností nabízejí nanočástice oxidů železa, u kterých umíme definovaně měnit morfologii, krystalinitu, povrchové a magnetické vlastnosti (Chemistry of Materials 22, 6483, 2010). Pomocí nich pak lze řídit například aktivitu heterogenních katalyzátorů na bázi oxidů železa (Journal of the American Chemical Society 129, 10929, 2007). Oxidy železa z našich laboratoří se v praxi dále využívají například jako nanomagnety pro magnetické separace, magnetické nosiče léčiv (Small 8, 2381, 2012) či kontrastní látky v medicínské diagnostice magnetickou rezonancí (Biomaterials 30, 2855, 2009). Ve spolupráci se skupinou prof. Grätzela v Lausanne jsme vyvinuli modifikované oxidy železa pro účinnější fotoelektrochemické štěpení vody (Journal of the American Chemical Society 132, 7436, 2010). Intenzivně se věnujeme také přípravě nanomateriálů na bázi uhlíku, zejména uhlíkovým kvantovým tečkám (Chemistry of Materials 20, 4539, 2008) či grafenu (Small 5, 1841, 2009).

Ukázky možných způsobů funkcionalizace grafenu. Převzato z Chemical Reviews 112, 6156, 2012, Copyright American Chemical Society

praktických aplikací od elektroniky až po medicínu (Chemical Reviews 112, 6156, 2012). V našich laboratořích se nám podařilo připravit jeden z prvních grafenových derivátů, fluorografen, který je považován za nejtenčí izolant (Small, 6, 2885, 2010). Na základě našich teoretických DFT výpočtů jsme následně navrhli nejtenčí polovodič na bázi grafenového derivátu (Journal of Chemical Physics 137, 034709, 2012). Vedle grafenu a jeho derivátů se věnujeme také přípravě a charakterizaci uhlíkových kvantových teček, což jsou malé nanočástice o velikosti menší než 10 nm, které nesou unikátní fluorescenční vlastnosti (Chemistry of Materials 24, 6, 2012). Nedávno přední výrobci obrazovek oznámili, že plánují využívat

kvantové tečky pro konstrukci nové generace obrazovek. Nanomateriálový výzkum je typický představitel širokého a bouřlivě se rozvíjejícího interdisciplinárního oboru, ve kterém je kvalitní výzkum bez široké domácí a zahraniční spolupráce téměř nemyslitelný. V posledních letech se nám podařilo vytvořit bohatou síť aktivních mezinárodních kontaktů na přední zahraniční pracoviště, jako jsou Cornell University (USA), POSTECH (Jižní Korea), Tokio University (Japonsko), EPFL Lausanne (Švýcarsko), Demokritos (Řecko), BarIlan University (Izrael), University of Birgmingham (Spojené království) a Aarhus University (Dánsko). Prof. Zbořil, vedoucí pracovník v oblasti nanomateriálového výzkumu a ředitel RCPTM, obdržel v roce 2011 Cenu ministra školství za mimořádné výsledky ve výzkumu, vývoji a inovacích. Ze špičkového nanomateriálového výzkumu na katedře fyzikální chemie těží i naši studenti, kterým nabízíme bakalářský studijní obor Nanomateriálová chemie a navazující magisterský obor Materiálová chemie. Studenti se mohou věnovat nanomateriálům i v dalším studiu v rámci doktorského studijního programu fyzikální chemie. Naši studenti se mohou již od prvních ročníků studia podílet na experimentálním i teoretickém výzkumu v našich laboratořích. Katedra fyzikální chemie Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 756 e-mail: [email protected]; [email protected] http://fch.upol.cz/ http://www.rcptm.com/

chemie 70–71

Nedávno jsme připravili přehledový článek o různých způsobech funkcionalizace grafenu, což je dvojdimenzionální uhlíkový materiál podobný strukturou včelí plástvi. Přestože byl grafen poprvé připraven teprve v roce 2004, patří mezi nejintenzivněji studované nanomateriály současnosti díky svým unikátním vlastnostem, například velkou elektrickou a tepelnou vodivostí, mechanickou a chemickou odolností, Funkcionalizovaný grafen pak otevírá nesmírnou škálu možných

Biomakromolekuly pod drobnohledem výpočetní chemie

B

iomakromolekuly, zejména proteiny a nukleové kyseliny, tvoří základní stavební kameny živých organismů. Přestože o struktuře a funkci biomakromolekul získáváme denně díky moderním instrumentálním technikám řadu informací, stále existují vlastnosti, kterým dosud ještě dokonale nerozumíme. Mezi typické příklady patří dynamika, flexibilita, mechanismy enzymové katalýzy a dále také například úloha nekovalentních interakcí na strukturu a funkci biomakromolekul. Velmi cenné informace, které doplňují experimentální data a pomáhají nám porozumět světu biomolekul, poskytují počítačové experimenty čili výpočetní chemie. Využití výpočetní chemie jsme nedávno shrnuli v přehledové práci (Accounts of Chemical Research 43, 40, 2010) a později v kapitole v knize „Innovations in Biomolecular Modeling and Simulations“ (kap. 6, 129, 2012), které se věnovala struktuře, dynamice a katalýze ribonukleové kyseliny (RNA). Již několik let se soustavně věnujeme mechanismům RNA enzymů (ribozymů), které mohou poodhalit roušku původu života na Zemi. Ribozymy totiž patří mezi archetypální biomakromolekuly, které jsou schopné přenášet genetickou informaci a zároveň katalyzovat chemické reakce, to znamená, že nesou funkce, na které se v dnešním světě specializuje DNA a proteinové enzymy. Ukázali jsme, že na RNA katalýze se mohou vedle kanonických Watson-Crickových forem bází nukleových kyselin podílet také vzácnější protonované či deprotonované formy např. A+ či G-. Dalším aspektem, který by mohl být univerzální ve světě RNA katalýzy, je skutečnost, že katalyzovaná chemická reakce může být realizována několika cestami, které jsou energeticky blízké (Journal of Physical Chemistry B 114, 6642,

2010; Journal of Physical Chemistry B 115, 13911, 2011). Vzhledem k tomu, že ke studiu používáme počítačové experimenty, často musíme vyvíjet nové či vylepšovat stávající teoretické postupy. Široká vědecká komunita tak může těžit z námi vyvinutých parametrů pro empirické RNA simulace (Journal of Chemical Theory and Computation 6, 3836, 2010; Journal of Chemical Theory and Computation 7, 2886, 2011). Zmínili jsme se o významu flexibility pro funkci RNA, ale flexibilita hraje významnou úlohu při vstupu cizorodých látek (například léčiv či polutantů) do aktivních míst cytochromu P450, který se podílí na „chemické detoxikaci“ těchto látek v těle. Flexibilita totiž zajišťuje dostatečnou substrátovou promiskuitu cytochromu P450, která je nezbytná pro odbourávání velmi různorodých cizorodých látek (Current Drug Metabolism 13, 177, 2012; Current Drug Metabolism 13, 130, 2012). Naše další studia, která se věnovala vztahu orientace cytochromu P450 na membráně vzhledem k lokalizaci cizorodých látek na membránách, ukázala, že cytochrom P450 může sloužit jako jakýsi vysavač, který odčerpává nepolární látky z membrány, přeměňuje je na látky více rozpustné ve vodě a předává k dalšímu zpracování v organismu (Journal of Physical Chemistry A 115, 11248, 2011). Vzhledem k tomu, že se dlouhodobě věnujeme přístupovým cestám do aktivních míst enzymů, vyvinuli jsme velmi pokročilé a široce využívané techniky pro automatickou navigaci uvnitř biomolekul (CAVER 1.0, MOLE 1.0 a 2.0). Webové rozhraní (mole.upol.cz) pak umožňuje snadný přístup k vyvinutým nástrojům (BMC Bioinformatics 7:316, 2006; Structure 15, 1357, 2007; Nucleic Acids Research 40, W222, 2012). Za významný úspěch považujeme, že námi vyvinutý nástroj byl také integrován do globálního bioinformatického portálu PDBsum, který hostuje Evropská molekulárně biologická laboratoř – Evropský bioinformatický institut ve Velké Británii. Studenti se mohou věnovat výzkumu v oblasti počítačové chemie a molekulárních simulací v rámci studia magisterského a doktorského oboru fyzikální chemie. Výzkum v uvedené oblasti je také podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci Center excelence. Aktivně spolupracujeme s řadou domácích a zahraničních pracovišť, například s  University of Cambridge (UK), University of Michigan (USA), University of

Rochester (USA), University of Barcelona (Španělsko), POSTECH (Jižní Korea) a University of Limoges (Francie).

Katedra fyzikální chemie Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 756 e-mail: [email protected] http://fch.upol.cz/ http://www.rcptm.com/

chemie 72–73

Ukázka využití aplikace MOLEonline 2.0 pro analýzu přístupových cest do aktivního místa enzymu cytochromu P450

Moderní analytická chemie

se pracovníci katedry zabývají vývojem rychlých a levných diagnostických testů, které by byly schopné upozornit na závažné poruchy pouze z kapky krve. Jinou oblastí výzkumu je oblast potravinářské analýzy, kde se pracovníci katedry zabývají vývojem metod pro kontrolu kvality potravin, studium jejich výroby, například zrání sýrů nebo zpracování vína. Kromě výše uvedeného se katedra analytické chemie zabývá výzkumem vývoje nových iontových zdrojů pro hmotnostní spektrometrii nebo charakterizace nanočástic jako nosičů léčiv.

A

nalytická chemie je vědecká disciplína zabývající se určováním chemického složení vzorků, konkrétně identifikací a stanovením různých látek (určením, zda je látka přítomna a jaké je její množství) ve vzorcích rozmanitého charakteru. Již v počátcích Přírodovědecké fakulty se na katedře chemie započal výzkum v oblasti analýzy organických sloučenin, který v inovované formě zůstal dodnes. Dnešní katedra analytické chemie se zabývá výzkumem v oblasti moderní analytické chemie pro mnoho zajímavých aplikací. Například ve farmaceutické analýze katedra úzce spolupracuje s firmami Teva Pharmaceuticals ČR, s.r.o., Farmak, a.s., Zentiva a.s., a podílí se na vývoji metod pro testování kvality a kontrolu léčiv, ať již v oblasti chirálních separací nebo v oblasti separací aktivních látek a nečistot z výroby. Dále se katedra podílí na výzkumu v oblasti forenzní analytické chemie a toxikologie, kde úzce spolupracuje s Ústavem soudního lékařství FN Olomouc a Oddělením kriminalistických a technických expertíz Policie ČR, a vyvíjí rychlé metody například pro určení intoxikace novými typy drog nebo pro rozpoznávání padělaných obrazů. Další oblastí výzkumu je klinická analytická chemie, ve které

Analýza červeného vína

Laboratoř hmotnostní spektrometrie

Katedra analytické chemie garantuje bakalářské studium chemie a magisterské a doktorské studium analytické chemie, které je uznáváno v praxi a absolventi se tak nemusí bát o své budoucí uplatnění. Nově nabízí možnost rozšíření magisterského studia formou modulů do oblastí forenzní analytické chemie, klinické analytické chemie, farmaceutické analýzy, potravinářské analýzy a analytické chemie životního prostředí, které zvýší uplatnitelnost absolventů na trhu práce. V rámci řešení vědeckých problémů katedra úzce spolupracuje s předními pracovišti v ČR i ve světě, například s University of Seattle a University of Texas at Arlington v USA, University of Tasmania, Hobart v Austrálii, École Nationale Supérieure de Chimie de Paris ve Francii, Korean Institute of Science and Technology v Saarbrückenu v Německu nebo University of Vienna v Rakousku. Katedra analytické chemie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 401 e-mail: [email protected] http://ach.upol.cz/

Vývoj biologicky aktivních sloučenin s protinádorovým účinkem

vlastnosti látek jsou prvním z předpokladů pro možnou budoucí klinickou aplikaci připravených látek ve formě léčiv různých typů nádorů. Využití těchto látek jako protinádorových léčiv včetně jejich přípravy je již dnes chráněno celkem šesti národními patenty (CZ 302618 B6, CZ 302623 B6, CZ 303009 B6, CZ 303417 B6, CZ 303560 B6 a CZ 304045 B6). Neméně významným počinem tohoto vědeckého kolektivu na poli bioanorganické a medicinální chemie je vývoj nových potenciálních léčiv s účinkem cíleným na závažná zánětlivá onemoc-

J

Mechanismus účinku studovaných komplexů platiny

nění. Historicky se v nejtěžších případech těchto onemocnění používají relativně jednoduché komplexy zlata (například na specializovaných klinikách užívaný Auranofin®). Nové originální látky vyvinuté na půdě katedry anorganické chemie jsou reprezentovány také komplexy zlata, vykazují ovšem výrazně vyšší protizánětlivou aktivitu ve srovnání s klasickými protizánětlivými léčivy, jako je zmíněný Auranofin, Prednison (steroidní protizánětlivé léčivo) nebo Indometacin (nesteroidní protizánětlivé léčivo). Příprava a možné terapeutické využití komplexů zlata jsou také předmětem patentové ochrany (CZ 303649 B6). Katedra anorganické chemie Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 352 e-mail: [email protected] http://www.rcptm.com/   http://agch.upol.cz/

chemie 74–75

edním z výzkumných směrů, jimiž se tým členů katedry anorganické chemie Přírodovědecké fakulty pod vedením prof. RNDr. Zdeňka Trávníčka, Ph.D. v rámci svých současných vědeckých aktivit zabývá, je vývoj biologicky vysoce aktivních sloučenin s perspektivním využitím v oblasti léčiv s účinkem protinádorovým, protizánětlivým a antioxidačním. Z chemického hlediska se jedná o takzvané. koordinační sloučeniny (zvané také komplexy), ve kterých je základním stavebním prvkem vybraný přechodný kov (měď, zinek, platina, aj.) a dalšími stavebními jednotkami mohou být organické nebo anorganické sloučeniny nebo ionty, které se nazývají ligandy. Systematický mnohaletý výzkum biologicky aktivních komplexů dal vzniknout mnoha originálním typům vysoce protinádorově účinných komplexů platiny a mědi. Jejich protinádorová aktivita je více než desetinásobně vyšší ve srovnání s dnes užívanými léčivy na bázi platiny (například cisplatinou). Nespornou výhodou připravených komplexů platiny a mědi (viz obr.) je také jejich nízká toxicita na zdravé lidské buňky a schopnost úspěšně překonávat odolnost některých typů nádorových buněk (tzv. resistenci) vůči klinicky používaným léčivům. Připravené látky postupně procházejí povinnými testy k ověření aktivity na jednoduchých buněčných modelech (in vitro), a některé již prošly testováním (in vivo) na laboratorních zvířatech. Pro nové komplexy platiny pak bylo při pokusech na laboratorních myších zjištěno, že testované látky nevykazují v průběhu léčebného procesu žádné podstatné negativní vedlejší účinky (apatie, nevolnost) ve srovnání s cisplatinou, která je známá svými výraznými vedlejšími účinky (například vomitus, poškození jater a ledvin). Zjištěné pozitivní

Příprava a studium nových materiálů se zajímavými magnetickými vlastnostmi

Č

lenové katedry anorganické chemie se zabývají také přípravou a studiem nových materiálů tvořených komplexy vhodných přechodných kovů (železo, kobalt, nikl, a další) se zajímavými, a v praxi aplikovatelnými, magnetickými vlastnostmi (křížení spinových stavů, molekulový magnetismus) využitelnými v oblasti moderních technologií, například v elektromagneticky zapisovatelných médiích s vysokou hustotou zápisu (paměťová média, pevné disky počítačů). Materiálový, aplikačně orientovaný výzkum komplexů se zajímavými magnetickými vlastnostmi je zaměřen na látky, které mohou v závislosti na okolních podmínkách (například teplota nebo tlak) existovat ve dvou různých fyzikálních stavech, což se ve svém důsledku může projevit i makroskopicky jako změna zbarvení či změna magnetických vlastností. Těchto změn lze pak využít v různých moderních technologických aplikacích, například v zobrazovacích jednotkách s vysokým rozlišením a nižšími energetickými nároky, nebo v paměťových médiích s výrazně vyšší hustotou zápisu informací než je tomu u dnes používaných klasických materiálů. Výsledky tohoto moderního směru výzkumu jsou pravidelně publikovány v renomovaných mezinárodních vědeckých časopisech. Dosud dosažené výsledky v rovině základního a aplikovaného výzkumu jsou silnou devizou mladého a intenzivně se rozvíjejícího vědeckého kolektivu oplývajícího invencí a inovačními schopnosti, které bezpochyby i nadále povedou k produkci významných vědeckých výsledků, ať už ve formě publikací principiálních vědeckých objevů nebo ve vývoji nových vysoce účinných látek s perspektivou využití jako léčiv závažných lidských nemocí. Dokladem aplikačního potenci-

Ukázka magnetického chování studovaných komplexů – molekulové magnety

álu nabytých výsledků a současně jejich smysluplností je pak skutečnost, že tento mladý kolektiv se výraznou měrou v roli původců podílel v rozmezí posledních dvou let na zisku pěti národních patentů, jejichž majitelem je Univerzita Palackého v Olomouci. Katedra anorganické chemie Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 352 e-mail: [email protected] http://www.rcptm.com/   http://agch.upol.cz/

Imobilizace bioaktivních látek – využití magnetických nanočástic

Katedra biochemie Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 928 e-mail: [email protected] http://biochemie.upol.cz/

chemie 76–77

S

kupina doc. L. Zajoncové na katedře biochemie se věnuje problematice imobilizací bioaktivních látek na různé typy magnetických nosičů a jejich využití v biotechnologických procesech či ochraně životního prostředí. Vedle magnetických nanočástic a mikročástic produkovaných v Regionálním centru pokročilých technologií byly pro imobilizace enzymů vyvinuty nové typy lignocelulosových nosičů, například mláto modifikované ferrofluidem. Na magnetické nosiče byly imobilizovány některé hydrolasy, například lipasa, beta-galaktosidasa, alfa-amylasa, penicillin G-acylasa, které po imobilizaci získaly řadu lepších vlastností (vyšší termostabilita, funkční stabilita, stabilita při skladování) a především možnost opakovaného využití enzymu. Některé z imobilizovaných enzymů našly použití v biotechnologických procesech. Ve spolupráci s firmou Lentikat’s byla využita imobilizovaná beta-galaktosidasa pro výrobu bezlaktosového mléka a ke zpracování syrovátky, která vzniká jako odpadní produkt při výrobě sýrů. Vedle hydrolas byla na magnetické nosiče imobilizována oxidoreduktasa lakasa, která může najít uplatnění při čištění odpadních vod z textilního průmyslu.

Práce s magnetickými částicemi s imobilizovaným enzymem – stanovení aktivity

Studium obranných mechanismů rostlin

K

atedra biochemie a její tým vedený doc. L. Luhovou a doc. M. Petřivalským se věnuje studiu obranných mechanismů rostlin vystavených působení stresových faktorů. Rostliny jsou v průběhu svého života vystaveny působení řady stresových faktorů, které mohou narušovat jejich životní funkce a vést k poškození a následně až k uhynutí rostliny. Stresové faktory mohou být biotické (infekce, patogeny, napadení škůdci, stárnutí) nebo abiotické povahy (herbicidy, intenzivní světlo, teplo, chlad, těžké kovy, sucho). Působení stresových faktorů často vede k porušení rovnováhy mezi produkcí a odbouráváním reaktivních forem kyslíku, které nejsou jen toxickými produkty metabolismu, ale fungují také jako signální molekuly kontrolující obranné procesy rostlinného organismu a hrají významnou roli v procesu programované buněčné smrti. V posledních letech je velmi intenzivně zkoumanou molekulou oxid dusnatý (NO), který zastává řadu důležitých funkcí ve fyziologických i patofyziologických procesech. U rostlin je NO potřebný pro normální růst a vývoj rostlin. Byla prokázána jeho významná role v obranném mechanismu vyvolaném působením stresových faktorů. Výzkum na katedře biochemie je zaměřený na studium úlohy reaktivních forem kyslíku a dusíku v signálním a obranném mechanismu rostlin. Významných výsledků bylo dosaženo při studiu modelového sytému tří genotypů Solanum spp. (rajčat) lišících se odolností k patogenu Oidium neolycopersici (padlí rajčatové), kdy byla prokázána stěžejní role reaktivních forem kyslíku a oxidu dusnatého v mechanismu obranné reakce. Výzkumná práce je dále zaměřena na studium mechanismu působení elicitorů proteinové povahy, takzvaných elicitinů. Jedná se o rodinu ma-

Histochemická detekce produkce reaktivních forem kyslíku po infekci Solanum lycopersicum cv. Amateur patogenem Oidium neolycopersici

lých strukturně příbuzných proteinů sekretovaných fytopatogenními houbami rodu Phytophthora a Pythium, které vyvolávají hypersenzitivní reakci u specifických druhů rostlin, například u rostlin z rodu Solanaceae. Součástí výzkumu je studie enzymů podílejících se na metabolismu reaktivních forem kyslíku a dusíku (NADPH oxidasa, peroxidasy, superoxiddismutasa, nitrátreduktasa, NO syntasa). V poslední době se skupina zaměřila na studium enzymu S-nitrosoglutathionreduktasy, charakterizaci jeho struktury a jeho funkce v obranném mechanismu rostlin. Skupina úzce spolupracuje s katedrou botaniky (zejména s oddělením fytopatologie vedeným prof. Lebedou) a s katedrou biofyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, dále s Ústavem biochemie Masarykovy univerzity v Brně a s řadou zahraničních pracovišť ve Francii, Španělsku, USA a Argentině. Katedra biochemie Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 925 e-mail: [email protected] http://biochemie.upol.cz/

Biotechnologické aplikace rostlinných hormonů

Regenerující rostliny transgenního ječmene (dole) s masivní proliferaci kořenového systému ve srovnání s kontrolou (nahoře)

Katedra biochemie Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc http://biochemie.upol.cz/ Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 923 e-mail: [email protected] http://www.cr-hana.eu/

Práce s  bioreaktorem

chemie 78–79

S

kupina na katedře biochemie, vedená prof. I. Frébortem a doc. P. Galuszkou, se zaměřuje především na studium metabolismu rostlinných hormonů cytokininů a různé biotechnologické aplikace. Před deseti lety se podařilo objasnit enzymový mechanismus ireverzibilní degradace cytokininů enzymem, který byl na základě výsledků měření klasifikován jako cytokinin dehydrogenasa. Později byly geny kódující tyto enzymy v obilninách využity pro přípravu transgenních linií se zemědělsky využitelnými vlastnostmi. Na oddělení byly připraveny linie ječmene s výrazně větším kořenovým systémem, které mají zvýšenou toleranci vůči vodnímu stresu a dále linie, které více odnožují a tvoří větší množství zrna na je­dnu rostlinu. Ve spolupráci s farmaceutickou firmou Teva Czech Industries byl před pěti lety zahájen výzkum na studium interakce patogenní houby Claviceps purpurea (námel) s hostitelskou rostlinou žita. Dormantní stádia houby jsou využívaná pro izolaci ergoidních alkaloidů, které se využívají pro přípravu terapeutik. V rámci biotechnologických aplikací se na oddělení testuje potenciál ječmenného endospermu jako bioreaktoru pro heterologní produkci různých terapeutických proteinů.

Studium rostlinných hormonů

S

kupina fytochemie na katedře biochemie, vedená doc. P. Tarkowskim, zkoumá rostlinné hormony a rostlinné přírodní produkty. Mezi fytohormony jsou předmětem našeho zájmu cytokininy a strigolaktony, které řídí vývojové procesy v rostlinách. Pozornost věnujeme jejich výskytu, biosyntéze, metabolismu a vzájemným interakcím. Přírodní produkty (sekundární metabolity) chrání rostlinu před vnějšími vlivy, představují chemickou ochranu před UV-zářením, spásáním, patogeny či jinými rostlinami. Studium těchto malých molekul vyžaduje použití sofistikovaných metod chemické analýzy, jako jsou extrakční, chromatografické a elektroforetické metody. Skupina má vlastní vybavení pro izolaci a purifikaci studovaných látek. Koncová analýza se většinou provádí pomocí spojení kapalinové chromatografie s hmotnostní detekcí. Kapalinový chromatograf je dále vybaven detektorem diodového pole, fluorescenčním detektorem a detektorem rozptylu světla.

Příprava vzorků pro analýzu rostlinných hormonů

Katedra biochemie Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc http://biochemie.upol.cz/ Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 21, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 677 e-mail: [email protected] http://www.cr-hana.eu/ Analýza rostlinných vzorků na HPLC

Biochemie proteinů

Střednětlaký kapalinový chromatograf pro purifikaci proteinů

Hmotnostní spektrometr MALDI-TOF/TOF pro identifikaci a kvantifikaci proteinů, studium posttranslačních modifikací, měření proteinových profilů intaktních mikroorganismů a zobrazovací analýzy („imaging“)

Katedra biochemie Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc http://biochemie.upol.cz/ Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 21, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 927 e-mail: [email protected] http://www.cr-hana.eu/

chemie 80–81

S

kupina biochemie proteinů a proteomiky na katedře biochemie (prof. Šebela, Dr. Kopečný, Dr. Tylichová, Dr. Chamrád) se zčásti personálně kryje se stejnojmenným oddělením Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum a zabývá se pestrou výzkumnou činností. Její součástí je příprava rekombinantních enzymů, identifikace proteinů v komplexních vzorcích, jejich kvantifikace a analýza posttranslačních modifikací. Předmětem studia struktury a funkce enzymů jsou aldehyddehydrogenasy, proteasy a jiné hydrolasy, cytokininoxidasa-dehydrogenasa a rozmanité aminoxidasy. Z pracoviště již vzešla řada krystalových struktur, byly objeveny detaily katalytického mechanismu aminoaldehyddehydrogenasy, připraven vysoce stabilní modifikovaný trypsin odolný vůči autolýze a provedena jeho úspěšná imobilizace. Byl také popsán štěpný účinek mikrobiální prolylendoproteasy, studovány sacharidové řetězce v  rostlinných glykoproteinech a publikovány metodické práce věnované přípravě, odsolení a separaci proteinových vzorků v proteomice. Nyní je ve skupině 6 doktorandů, několik diplomantů a bakalářů. Katedra spolupracuje s laboratořemi v ČR (Hradec Králové, Praha, Brno), ve Francii, Rakousku, Německu a dalších zemích.

biologie a ekologie

Rostlinné hormony jako léčiva, kosmetika i růstové regulátory

LRR v této oblasti je rozšíření řady cytokininů zejména o tzv. aromatické cytokininy topoliny a z nich odvozené deriváty na bázi olomoucinu a využití regulačních účinků těchto derivátů při léčení nádorů. První z řady protinádorových látek odvozených z cytokininů byl olomoucin, pak následoval vývoj dalších, ještě účinnějších inhibitorů cyklin-dependentních kinas, klíčových enzymů buněčného cyklu – bohemin, roskovitin, olomoucin II, a další. Roskovitin byl licencován firmě Cyclacel Pharmaceuticals Ltd. a pod komerčním názvem Seliciclib (www.cyclacel.com) končí dru-

T

i zdravější z nás si asi nejdříve vybaví adrenalin, o němž je známo, že dokáže organismus patřičně „vyhecovat“ k co největším výkonům, zejména ve stresových situacích. Někteří se naopak bohužel až příliš zblízka seznámili s inzulínem, který kontroluje hladinu cukru v krvi. Současné Česko si také stále více považuje často nedostatkového hormonu štěstí, jak bývá nazýván endorfin, způsobující dobrou náladu. Hormony však jsou nepostradatelné pro normální růst a vývoj rostlin a mohou být i inspirací pro vývoj léčiv. Co to vlastně rostlinné hormony jsou? Jde o látky, které podobně jako hormony u lidí a zvířat řídí vývojové i fyziologické pochody u rostlin. Cytokininy, na jejichž studium se pracovníci Laboratoře růstových regulátorů (LRR), společného pracoviště přírodovědecké fakulty UP a Ústavu experimentální botaniky AV ČR zaměřují, podporují dělení buněk, ovlivňují růst kořenů nebo zpomalují stárnutí listů. V rostlinných buňkách, podobně jako v těch živočišných, se však hormony vyskytují jen ve velmi nízkých koncentracích. Jedním ze světově uznávaných příspěvků

Roskovitin (Seliciclib), látka odvozená od olomoucinu v klinickém zkoušení na nádorech

hou fázi klinického zkoušení pro léčení nádorů, a to v Evropě a v USA. Vývoj látek proti rakovině však není jediným polem, na němž se v LRR pracuje. Úspěchy má i v oblasti zemědělství. Podařilo se například přijít na to, jak v rostlinách zvýšit množství cytokininů pomocí regulátorů hladiny cytokininů s názvem INCIDE, což podporuje růst. Díky tomu se dají zvýšit výnosy řady zemědělských plodin a odolnost rostlin vůči stresu. Nedávno se podařilo vyvinout i látku, která omla-

Cytokininový derivát pyratin-6 pro omlazení kůže

hormonů. Dále je součástí odborného programu i studium onkogenů a nádorových supresorových genů, mechanismů regulace jejich exprese, včetně vývoje transgenních organismů kontrolovaně exprimujících geny, které jsou zapojené v růstově-regulačních a obranných funkcích. LRR rovněž spolupracuje na výše uvedené problematice s desítkami pracovišť u nás i v zahraničí. Laboratoř růstových regulátorů Univerzity Palackého a Ústavu experimentální botaniky AV ČR Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 851 e-mail : [email protected] https://rustreg.upol.cz/

biologie 82–83

zuje pleť a pomáhá při léčbě kožních chorob. I v tomto případě při vývoji pomohly cytokininy, které oddalují stárnutí také u živočišných buněk. Na tyto objevy byly podány dva mezinárodní patenty, které byly v licenci poskytnuty americké firmě Pyratine Plc z Kaliforniie, jež hradí náklady na patentovou ochranu. Produkt s léčivou látkou odvozenou od cytokininů pyratin (www.pyratine. com) byl na trh v USA uveden předloni. Nejde však pouze o dermatologický přípravek, který působí proti hrubosti kůže, vrásčitosti a poruchám pigmentace, ale i o prostředek účinný při léčbě růže a akné. Pracoviště publikuje zejména v prestižních zahraničních časopisech a ročně podává i řadu přihlášek mezinárodních patentů. Účelem pracoviště je integrovat kapacity pro společné řešení vědecko-výzkumných projektů v oblasti molekulárních a fyziologických mechanismů účinků růstových regulátorů u živých organismů. Pracoviště se zabývá vědecko-výzkumnou a pedagogickou činností v oboru experimentální biologie, zejména pak přípravou nových, vysoce biologicky účinných růstových regulátorů na bázi purinu, vývojem metod jejich analýzy, studiem jejich funkcí a účinků v růstových a vývojových procesech normální a nádorové buňky, včetně vývoje protinádorových látek odvozených od rostlinných

Fytopatologie, mikrobiologie a genové zdroje rostlin

také od roku 1996 řešena řada domácích a mezinárodních projektů, přičemž mezi nejvýznamnější patřily dva výzkumné záměry MŠMT (1998 – 2011), díky nimž bylo možné na katedře vybudovat nové laboratoře, například laboratoř průtokové cytometrie, konfokální mikroskopie, molekulární biologie, a konzervační biologie rostlin. Řešení těchto projektů také přispělo k vytvoření rozsáhlého interdisciplinárního fakultního týmu několika kateder (katedra botaniky, katedra biochemie, katedra buněčné biologie a genetiky a katedra biofyziky).

O

ddělení fytopatologie a mikrobiologie katedry botaniky, vedené prof. Ing. Alešem Lebedou, DrSc., je vědecky dlouhodobě zaměřeno na komplexní výzkum problematiky interakce rostlin a fytopatogenních organismů, zejména parazitických biotrofních hub. Kromě modelových objektů a interakcí (například Lactuca spp. – Bremia lactucae, Golovinomyces cichoracearum; Cucurbitaceae – Pseudoperonospora cubensis, Golovinomyces cichoracearum, Podosphaera xanthii; Solanum (Lycopersicon) spp. – Oidium neolycopersici; Helianthus annuus – Plasmopara halstedii; Pisum spp. – Fusarium spp.) se rovněž soustřeďuje na problematiku identifikace houbových patogenů na kulturních a planě rostoucích rostlinách. Velká pozornost je věnována výzkumu takzvaných přírodních rostlinných patosystémů, jejich struktury, variability a dynamiky. Na tomto úseku bylo v posledních letech dosaženo celé řady úspěchů, včetně popisu pro vědu zcela nových druhů parazitických hub. V této oblasti byla

Výzkum fenotypové variability kolekcí genových zdrojů planých druhů Lactuca spp.

Využití genových zdrojů planých druhů Lactuca spp. při mezidruhovém křížení ve šlechtění salátu

O úspěšnosti tohoto výzkumu a velmi dobrém mezinárodním renomé svědčí i to, že laboratoř všechny významné poznatky pravidelně publikuje v impaktovaných a recenzovaných fytopatologických, botanických a genetických časopisech. Vedoucí laboratoře prof. A. Lebeda dosud uveřejnil 965 vědeckých a odborných publikací; z toho 249 původních vědeckých prací v 61 zahraničních, respektive mezinárodních vědeckých časopisech (198 prací na Web of Science, většinou impaktovaných); uveřejnil 25 publikací v domácích vědeckých časopisech; editoval 27 vědeckých monografií a sborníků; do konce roku 2012 byly jeho práce (celkem 257) téměř 1400× citovány v 233 mezinárodních vědeckých časopisech a v mnoha knihách a sbornících. Vedoucí laboratoře je každoročně zván k řadě přednášek na významné zahraniční konference a vědecko-výzkumné instituce, dosud přednesl 162 přednášek v 28 zemích světa. Na pracovišti bylo od roku 1998 úspěšně vyškoleno 20 doktorandů v oboru botanika se zaměřením na fytopatologii, genové zdroje rostlin a rostlinné biotechnologie. Kromě vedoucího

Terčíková metoda používaná při výzkumu rezistence populací plísně tykvovitých (Pseudoperonospora cubensis) vůči fungicidům

Kultivace izolátů padlí tykvovitých (Golovinomyces cichoracearum) pro studium variability jejich virulence

tech-Crops and their Utilization in Plant Protection against Diseases and Pests, Nitra, Slovenská republika, 2012; Wild Plant Pathosystems, Olomouc, 2013), které jsou zaměřené na nejrůznější skupiny rostlin, jejich patogeny, a na problematiku genových zdrojů a šlechtění rostlin na rezistenci. Dlouhodobě je také úspěšně rozvíjena spolupráce s řadou zahraničních univerzit a vědeckých institucí v Evropě, USA, Asii a Austrálii, ale i s předními šlechtitelskými firmami v Holandsku, Francii, Izraeli, Jihoafrické republice a USA. Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 800 e-mail: [email protected] http://botany.upol.cz/ biologie 84–85

pracoviště jsou jeho ostatní členové reprezentováni řadou mladých a odborně erudovaných pracovníků (Doc. Ing. Eva Křístková, Ph.D., Doc. RNDr. Michaela Sedlářová, Ph.D., RNDr. Barbora Mieslerová, Ph.D., RNDr. Božena Sedláková, Ph.D.). Složení týmu a jeho dosavadní výsledky zaručují další úspěšnou práci v oboru. Kromě výborného personálního zázemí je Fytopatologická laboratoř katedry botaniky Přírodovědecké fakulty velmi dobře vybavena i veškerým potřebným experimentálním vybavením. Pracoviště je rovněž často pověřováno organizací významných vědeckých mezinárodních konferencí a seminářů (například EUCARPIA Leafy Vegetables, Olomouc, 1999; Gene-Mine, Olomouc, 2003 a 2004; EUCARPIA Cucurbitaceae, Olomouc, 2004; Plant Germplasm Network, Olomouc, 2005; 2nd International Symposium on Downy Mildews, Olomouc, 2007; Overseas Field Meeting of British Mycological Society in Moravia, Olomouc, 2008; Climate Change and Plant Pathogens, Pests and Weeds, Brno, 2009; Bio-

Biosystematika a ekologie vyšších rostlin a algologická laboratoř Uspořádání managementového pokusu v širokolistém suchém trávníku, Brumov, Bílé Karpaty

B

iosystematická a ekologická skupina katedry botaniky studuje převážně biologii, ekologii, rozšíření a taxonomii taxonomicky obtížnějších rodů cévnatých rostlin s výskytem polyploidie a současně s různým zastoupením asexuálního a sexuálního rozmnožování, mimo jiné taxony s převládajícím asexuálním způsobem reprodukce prostřednictvím agamospermie (Rubus, Taraxacum), taxony kombinující sexuální a vegetativní způsob rozmnožování (Allium, Ficaria, Salix) a taxony s převládajícím sexuálním způsobem rozmnožování (Scilla, Thesium, Dactylorhiza, Symphytum). Určitá pozornost je věnována také výzkumu vybraných skupin mechorostů. Studium všech těchto skupin přispívá k poznání jejich genetických, populačních a evolučních vztahů a přineslo již řadu nových originálních poznatků aplikovatelných i v ochraně přírody, například při ochraně ohrožených vrb. Na Přírodovědecké fakultě má dlouholetou tradici výzkum struktury a fungování travinobylinných společenstev, který v posledních 20 letech na UP významně rozvíjela zejména prof. M. Rychnovská. Na tyto aktivity navázala na katedře

botaniky naše výzkumná skupina, která od roku 2004 monitoruje dlouhodobé managementové experimenty v druhově bohatých travních porostech CHKO Bílé Karpaty a CHKO Beskydy. Monitoring těchto experimentů s 240 studijními plochami přispívá k objasnění interakcí mezi dostupností živin v půdě, funkční diverzitou vegetace a exploatací porostů herbivory. Zcela nově skupina řeší potlačení expanze vzrůstných druhů trav (např. třtiny křovištní) v trvalých travních porostech s pomocí výsevů poloparazitických rostlin a leguminóz. Na výzkumu skupina úzce spolupracuje s týmy prof. J. Lepše z JČU České Budějovice, doc. S. Hejduka z Mendelovy univerzity v Brně a prof. J. Pakemana z The James Hutton Institute ve Skotsku. Výzkum taxonomie a ekologie sinic a řas (rozsivek a krásivek) je prováděn pracovníky algologické laboratoře. Výzkumná skupina využívá komplexní přístup ke studiu mikrořas, tedy kombinaci moderních a klasických metod (světelná, konfokální a elektronová mikroskopie, flowcytometrie, statistika, molekulární metody, fylogenetika a genomika). Algologická laboratoř zajišťuje redakční činnost mezinárodního fykologického časopisu Fottea, vydávaného Českou algologickou společností. Časopis je zahrnut do databází Web of Science (impakt faktor pro rok 2011 = 1,327) a Scopus. Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc e-mail: [email protected] [email protected] http://botany.upol.cz/

O

ddělení tkáňových kultur a biotechnologií rostlin katedry botaniky se zabývá jednak aplikovanou botanikou vedoucí k uplatnění biotechnologických metod ve šlechtitelské praxi, ale i základním výzkumem zaměřeným na biologii rostlinné buňky. Tento výzkum zahrnuje studium procesů vedoucí k reprogramování vývoje rostlinné buňky v kontextu epigenetických změn, změn v expresi genů, v architektuře buněčného jádra a v odpovědích na stresové faktory. Během posledních deseti let se podařilo přístrojově, metodicky a personálně zajistit Laboratoř molekulárních markerů. V současnosti je toto pracoviště intenzívně využíváno studenty (diplomanty, doktorandy) a vědeckými pracovníky všech výzkumných týmů skupin katedry botaniky (algologie, fytopatologie, rostlinná biosystematika, biotechnologie) při řešení svých výzkumných aktivit pomocí technik molekulární biologie. Fingerprintingové metody (AFLP a mikrosatelity) slouží jako hlavní nástroj při studiu problematiky genetických, populačních a evolučních vztahů v populacích kriticky ohrožených druhů rostlin, v systematice sinic a řas, ale i při charakterizaci genofondových kolekcí hospodářsky významných rostlin a jejich houbových patogenů. Během posledních let byly rozvinuty i metody studia epigenetických změn a změn v expresi genů (například při studiu diferenciace protoplastových kultur) a inzerčně specifických retotransposonových markerů a genově specifických Single Nucleotide Polymorfismů (při studiu genetické diverzity a fylogeneze rodu Pisum a příbuzných druhů tribu Vicieae). Rovněž se pracovníci katedry botaniky snaží o využití posledních metod celogenomového sekvenování například při studiu endofytických sinic nebo srovnáváním chloroplastového

genomu zástupců z čeledi vikvovitých. Na katedře botaniky tak již byla přečtena celá genetická informace (genom) sinice Synechococcus. Katedra má rozsáhlé domácí i mezinárodní kontakty a spolupráci s více než 30 univerzitami a vědeckými institucemi po celém světě. Pracovníci katedry rovněž poskytují konzultační služby veřejnosti a firmám v oblasti botaniky, biologie a genetiky rostlin, zemědělství a zahradnictví. Pracoviště katedry botaniky disponují rozsáhlým experimentálním zázemím (specializované laboratoře, konfokální mikroskopie, klimatizované komory, kultivační místnosti, skleníky, GMO laboratoř). Katedra spravuje Národní sbírku UPOC (fytopatogenní houby, řasy a sinice) a herbář obsahující 100 tisíc položek převážně středoevropské květeny. Součástí katedry je také unikátní kolekce masožravých rostlin. Katedra botaniky donedávna spravovala Botanickou zahradu Univerzity Palackého, se kterou spolupracuje v rámci propagace botanických věd a výuky biologie. Katedra botaniky Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc e-mail: [email protected] [email protected] http://botany.upol.cz/

biologie 86–87

Aplikovaná botanika a genetika rostlin

Ekologie, ochrana přírody a životního prostředí

E

kologie je biologický vědní obor, který se v posledních desetiletích změnil ve zralou akademickou disciplínu s bohatou teorií. S pojmem ekologie se lze dnes setkat téměř na každém kroku. Za tuto popularitu však musí obor platit krutou daň – obsahovým vyprázdněním u laické veřejnosti, kde si každý naplňuje slovo vlastním obsahem. V akademickém pojetí, které se rozvíjí a také učí na přírodovědeckých fakultách, je však definice ekologie stále stejná: studium vztahů, které mají živé organismy samy mezi sebou nebo s prostředím. Ekologie se tak odlišuje jak od biologie ochrany přírody (konzervační biologie), tak od environmentálních věd, které řeší problémy životního prostředí v souvislosti s lidskou činností. Ekologie není ekologismus, tj. společenské hnutí, které nezkoumá, ale je ideologickou představou o chování člověka. Ekologické obory na PřF UP v Olomouci, které garantuje Katedra ekologie a ŽP, nejstarší katedra ekologie v ČR vůbec, zahrnují jak studium ekologie, tak problémů ochrany přírody i životního prostředí. Výzkum proto odráží stejnou strukturu problémů. Na katedře je v současnosti rozvíjeno 6 směrů. Skupina zabývající se populační ekologií, demografií a dynamikou savců studuje ekologické procesy v populacích mnoha významných druhů živočichů. Početnosti některých druhů jsou stálé, u jiných se naopak mění dynamicky s pravidelnými oscilacemi. K takovým druhům patří např. hrabošovití hlodavci, kteří se přemnožují v pravidelných 3–5letých intervalech. Klíčovou teorií, která se snaží vysvětlit variabilitu v populační početnosti, je teorie regulace populací prostřednictvím negativních zpětných vazeb. Početnosti jiných druhů vykazují dlouhodobé časové trendy. Náš současný výzkum ukázal, že početnost kdysi

1) Výzkum křečka polního, mizejícího hlodavce v zemědělské krajině

hojného křečka polního v posledních desetiletích alarmujícím způsobem poklesla (obr. 1). Početnosti jiných druhů, např. prasete divokého, vykazují opačný trend a rostou exponenciálně. Příčiny takových časových trendů jsou zřídka známy hlouběji. Skupina studující ekologii a konzervační biologii bezobratlých se zpočátku orientovala na populační ekologii jednotlivých ohrožených druhů motýlů a ekologii společenstev půdních bezobratlých. Dnes se výzkum orientuje na modelování rizika ohrožení vybraných herbivorních hmyzích taxonů (zejména brouci a blanokřídlí) s ohledem na jejich životní znaky a fragmentaci krajiny. Stranou nezůstávají ani praktické problémy, jako je např. vliv sjezdovek na společenstva bezobratlých řešený v Jeseníkách, dopady agroenvironmentálních opatření v zemědělské krajině či vlivy lesního managementu na společenstva bezobratlých. S tímto týmem úzce spolupracuje skupina pro výzkum dopadu klimatických změn na horské ekosystémy, která má pokusné plochy přímo pod Petrovými kameny v Jeseníkách (obr. 2). Zde jsou experimentálně studovány nejen manipulativní změny v klimatických či nutričních faktorech na horská rostlinná společenstva, ale pozornost je zde věnována také regenerací těchto společenstev po experimentálních disturbancích, které vznikají v souvislosti s lyžováním nebo vyšší intenzitou turismu. Skupina agroekologie a ekologie půdy je zaměřena na krajinu a půdu agroekosystémů, které byly zvláště v poválečném období značně ovlivněny antropogenními vlivy. Například podíl ploch s rozptýlenou zelení se snížil z 2,5 % v předválečném období na 0,6 %. Erozí je ohroženo 45 % zemědělských půd. V ČR se vytratilo nejvíce

2) Petrovy kameny v Jeseníkách, výzkumný systém pro studium horských ekosystémů

Snažíme se o interdisciplinární přístup, který staví na zavedených ekologických teoriích a zároveň uplatňuje vlastní pozorování z terénu, geografické analýzy, statistické metody a prediktivní modelování k tomu, abychom lépe pochopili prostorové interakce mezi organismy, člověkem a životním prostředím. Zaměřujeme se na široké spektrum ekologických problémů, např. na změny krajinného pokryvu s pomocí satelitních snímků a plánování využití krajiny, prostorové modelování distribuce druhů se zaměřením na invazivní druhy, porozumění a predikce šíření rostlinných patogenů v krajině, modelování konektivity krajiny nebo vztahy mezi využíváním krajiny, biodiverzitou a ekosystémovými službami. Všechny skupiny své výsledky pravidelně zveřejňují v mezinárodních časopisech s impaktovým faktorem. Kromě toho byly získané zkušenosti využity k vydání vysoce hodnocených vysokoškolských učebnic pro výuku populační ekologie, agroekologie, pedologie, biofilmů nebo vědecké metodologie. Do svého výzkumu zapojují studenty jak bakalářských, tak magisterských a doktorských studijních oborů, a mají spolupráci se zahraničními pracovišti. Katedra ekologie a životního prostředí Přírodovědecká fakulta UP Tř. Svobody 26, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 561 e-mail : [email protected] http://ekologie.upol.cz/

biologie 88–89

denních motýlů z celé Evropy. Za posledních 10 let ubylo 20 % ptačích polních druhů a početnost zajíců nebo koroptví se pohybuje na necelých 10 % předválečné úrovně. K řešeným projektům, jejichž cílem bylo také navrhnout nápravná opatření, patří projekty optimalizace zemědělské a říční krajiny se zaměřením na biodiverzitu krajiny nebo účinnost agroenvironmentálních opatření, degradaci půdy a stanovení stupně degradačních změn, nebo udržitelnost hospodaření s vodními a půdními zdroji. Byly zavedeny i nové přístupy, např. studium aktivity vybraných půdních enzymů jako indikátorů změn v půdním prostředí, využití radionuklidu cesia při datování erozních procesů v krajině, nové přístupy ve studiu edafonu či modelování v krajinném prostoru s využitím geografických informačních systémů. Skupina mikrobiální ekologie vod se dlouhodobě věnuje výzkumu mikrobiálních biofilmů a mikrobiálních procesů zapojených v koloběhu organického uhlíku v tekoucích vodách, zejména v hyporheických sedimentech. Tyto jsou hlavním metabolickým centrem tekoucích vod, kde dochází k rozkladu a transformaci organických látek a živin. Kromě jiného zde dochází k produkci skleníkových plynů, jako jsou CO2, CH4 a N2O. Současný výzkum je zaměřen na studium prostorové distribuce metanogenních a metanotrofních bakterií v hyporheických sedimentech a objasnění rozdílů ve zdrojích substrátů pro metanogenezi a produkci/spotřebě metanu během roku na různých lokalitách v podélném průběhu malého nížinného toku Sitka. K detekci a identifikaci metanotrofních bakterií a metanogenních archeí jsou používány moderní molekulární metody jako FISH (fluorescenční hybridizace in situ), PCR, DGGE, klonování genů a sekvenace. Při objasnění mechanismu vzniku a koloběhu metanu v sedimentech a vodním sloupci vycházíme z analýzy stabilních izotopů 13C/12C v plynných vzorcích metanu. Skupina krajinné ekologie studuje změny a procesy, které se odehrávají kolem nás ve velkém prostorovém měřítku. K tomu, abychom porozuměli, jak fragmentace prostředí ovlivňuje distribuci a přežívání druhů, populací a společenstev, potřebujeme zkoumat změny ve struktuře a uspořádání krajiny a způsoby, jak organismy na tyto změny odpovídají. Při výzkumu jsou využívány moderní metody založené na geoinformačních technologiích a dálkovém průzkumu Země.

vědy o zemi

Mapování krajiny a jejích složek v současnosti a minulosti

pohřbené objekty a struktury do hloubek asi 8 m. Jeho aplikace v praxi je široká, a toho také využíváme během výukových lekcí i v rámci výzkumných aktivit. Javoříčko (německy Jaworitsch) je část obce Luká na Litovelsku poblíž Bouzova. Současné malé osídlení je pozůstatkem velké osady, kterou 5. května 1945 srovnalo se zemí přepadové komando SS jako pomstu za podporu partyzánům. Byly vypáleny všechny budovy kromě kapličky a školy. Přitom byli také popraveni všichni muži starší 15 let, které nacisté dopadli, o život jich tehdy přišlo celkem

V

ýzkum krajiny na katedře geografie má dlouhodobou tradici. Navazuje na předchozí karsologické a geomorfologické výzkumy, které dosáhly mezinárodní úrovně. V současnosti se krajinný výzkum více soustřeďuje na detekci vazeb mezi jednotlivými prvky krajiny, a to za použití nejnovějších metod výzkumu v prostředí GIS. Projekty jsou řešeny v rámci různých typů grantů na národní úrovni, například Grantová agentura ČR nebo Národní agentura pro zemědělský výzkum. Dále se členové týmu podílejí na řešení grantů jiných pracovišť v tuzemsku i zahraničí. Aktuálně se řeší granty v oblasti výzkumu zaniklých rybníků (modelové oblasti Olomoucko a Čáslavsko) nebo mapování alejí (celá Česká republika). Využití georadaru pro detekci pohřbených struktur lze ukázat na příkladu lokalizace základů budov vypálené obce Javoříčko. Pro mapování podpovrchových struktur se dá využít buď destruktivní metody výkopu, nebo nedestruktivní metody detekce s použitím geofyzikálních přístrojů a metod. Pro dané potřeby používáme georadar SIR 3000, který dokáže detekovat

1) Záznam georadarového měření – lokalizace základů budov vypálené obce Javoříčko (zdroj: Aleš Létal)

38. Na místě bývalé osady je vybudován pietní areál Javoříčský památník.Součástí areálu se také staly obnovené základy vypálených budov, které se nazývají hrobodomy. Pro přesné určení polohy základů vypálených budov se využívá georadar. Přístroj umožňuje přímé zobrazení naměřených dat v terénu (obr. 1), díky nimž byly v areálu vymezeny základy několika budov. Vlastnímu vyměřování předcházel sběr informací o tehdejší podobě osady. Díky existenci starých

Mapování alejí v ČR. Projekt mapování alejí v ČR je výsledkem spolupráce s neziskovou organizací Arnika a Výzkumným ústavem Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví (VÚKOZ). Projekt je zaměřen na mapování alejí v ČR s cílem vytvořit ucelený přehled o stavu alejí v České Republice. Aleje představují nenahraditelnou součást naší kulturní krajiny, je proto nutné je chránit a zachovat i pro budoucí generace. Projekt mapování alejí je zaměřen na shromažďování informací o alejích a do budoucna také zásady jejich obnovy a údržby. Projekt měl pilotní část zaměřenou na vývoj metodiky mapování alejí, která byla testována v Olomouckém kraji. Výsledkem je vytvořená metodika mapování alejí, databáze alejí Olomouckého kraje s mapovým výstupem v GIS podobě, která se postupně rozšiřuje o další aleje v celé České re-

publice. Webový portál „Informační Systém Aleje“ (http://aleje.upol.cz) je určen všem zájemcům o mapování alejí s jejich databází v elektronické podobě. Projekt mapování alejí je dlouhodobá záležitost, na které se podílejí i samotní studenti (testování metodiky mapování i vlastní mapování alejí). Metodika mapování se v současné době inovuje na základě spolupráce se Spolkovým Ministerstvem Životního prostředí Meklenbursko-Pomořany, kde se také zaobírají podobným problémem. Antropogenní transformace reliéfu. Výzkum je zaměřen na hodnocení změn krajinné struktury v důsledku antropogenní činnosti, ovlivnění přírodních geomorfologických procesů antropogenními vlivy a analýzy regionálních rozdílů ve využívání přírodního potenciálu území. Výzkum je zaměřen na problematiku antropogenního ovlivnění reliéfu v důsledku těžby nerostných surovin a vodohospodářských úprav ovlivňujících fluviální procesy v území. Modelovými územími pro realizované výzkumy jsou okrajové části České tabule, Olomoucko, údolní nivy a krasová území. Pozornost je věnována environmentálním důsledkům antropogenního ovlivnění území, hodnocení jejich potenciálu pro další rozvoj území a návrhům jejich potenciálního využití. Katedra geografie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 501 e-mail: [email protected] http://geography.upol.cz/

2) Informační systém aleje (http://aleje.upol.cz)

vědy o zemi 90–91

katastrálních map bylo možné předběžně vymezit polohu původních domů, pomocí georadaru pak byly v terénu identifikovány skutečné základy a vytyčena poloha budov pro následné stavební práce (výkopy základů a dozdění nadzemní části).

Výzkum prostorové organizace urbánních systémů

V

ýzkum je zaměřen na detekci ekonomických, sociálních a prostorově funkčních změn, které nastaly v České republice po roce 1989. Dlouhodobý zájem geografů o témata sektorové transformace nebo změny chování člověka v prostoru vyústily ve formulování řady výzkumných aktivit, sledujících rovněž současné globalizační tendence. Výzkum služeb se zaměřením na maloobchod má na katedře geografie relativně dlouhou tradici. Hlavním zaměřením výzkumu je město Olomouc a jeho zázemí. Zde byly realizovány výzkumy již v druhé polovině 90. let 20. století; postupně byly aktualizovány a výsledky rovněž poskytnuty Magistrátu města Olomouce jako podklad pro jeho územní politiku. Nově se výzkum služeb zaměřuje na fenomén velkoplošných prodejen jako místa zásadně transformujícího chování člověka. Jiný vědecký přístup uplatňovaný ve výzkumu prostorové organizace a prostorových modelů chování je geografie času. Tento výzkumný směr se zabývá chováním člověka v prostoru a čase. Společně s dalšími geografickými pracovišti v Brně, Ostravě a Českých Budějovicích řešili členové olomouckého týmu několik vědeckých grantů (realizace za podpory Grantové agentury AV ČR a Grantové agentury ČR). Tento v České republice ojedinělý výzkum přinesl řadu nových poznatků o prostorovém chování člověka v dynamicky se měnícím urbánním prostředí, z nichž mnohé byly publikovány v odborných domácích a zahraničních časopisech. Výzkum měst. Zde se pozornost soustřeďuje především na studium suburbanizace. Modelovou prostorovou

jednotkou pro výzkum rezidenční a komerční suburbanizace je Olomouc a její venkovské zázemí. V poslední době se zájem přesouvá i na jiná velká města na Moravě, která jsou rovněž vystavena suburbanizačním tlakům. V současnosti se členové týmu podílejí na řešení vědeckého grantu „Urbánní a suburbánní kvalita života: geografický pohled“, který je orientován do modelového prostoru Olomoucka a který řeší otázky subjektivní a objektivní kvality života v odlišných urbánních územích. Dlouhodobě se výzkum zaměřuje na prostorově funkční změny ve městech, tedy na otázku permanentní transformace intraurbánních zón měst. Opět se zde hlavní pozornost soustředí na město Olomouc. Zájem se opírá nejen o studium fyzického prostředí měst, ale také o jejich sociálně ekonomickou a demografickou transformaci. Výzkum pohraničí. V souvislosti s geopolitickými změnami v Evropě v uplynulých desetiletích se zájem geografů začal soustřeďovat také na pohraniční prostor, obecně periférii. Přirozeně se vyprofiloval zájem některých členů vědeckého týmu socioekonomické geografie o studium přeshraničních vazeb a problematiky periférnosti na úseku česko-polské a česko-slovenské státní hranice. Výzkum nachází také dobrou uplatnitelnost v praxi. O výsledky projevují zájem mimo jiné centrální instituce státní správy (Ministerstvo pro místní rozvoj, Ministerstvo vnitra). Katedra geografie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 501 e-mail: [email protected] http://geography.upol.cz/

Ukázka mapy ze studie zpracované pro Ministerstvo pro místní rozvoj

vědy o zemi 92–93

Difúze maloobchodního řetězce Lidl na území ČR

Studium klimatu

K

Termální snímek centra Olomouce (Ostružnická ulice) v denních hodinách

limatologické výzkumy na katedře geografie jsou cíleny do tří oblastí.

1. Klima malých území, studium topoklimatu Studium podnebí malých území na úrovni topoklimatu je systematicky rozvíjeno od poloviny 90. let 20. století. Zavádění moderních metod geografického výzkumu (GIS, dálkový průzkum Země) v poslední dekádě 20. století umožnilo další rozvoj tradičních metod studia místního podnebí, které založil brněnský klimatolog Evžen Quitt. Výsledky studia místního podnebí reprezentují topoklimatické mapy zpracované například pro potřeby CHKO Broumovské stěny, Okresní úřad Trutnov, Okresní úřad Olomouc a privátní sektor. Nejnovější počin při studiu místního klimatu představuje Topoklimatická mapa pobřeží slovinské Istrie, která vznikla v rámci česko-slovinského výzkumného projektu. Při jejím vzniku byly adaptovány metody používané ve středoevropském prostoru na geografické podmínky středomořské pobřežní krajiny Istrie. Další aplikace těchto metod je uplatněna při studiu místního podnebí horské krajiny Slovinska v oblasti Kamniškich Alp.

2. Klima městské a příměstské krajiny Díky grantovým projektům řešeným v prvních letech 21. století bylo pořízeno moderní přístrojové vybavení. To umožnilo realizovat účelová meteorologická měření nejprve na území Přírodního parku údolí Bystřice. Později se měření přesunula na území města Olomouce a jeho nejbližšího okolí. Cílem bylo detailně studovat a popsat rozdíly podnebí v městské a příměstské krajině. Tomu se doposud v Olomouci nikdo nevěnoval a také v rámci České republiky se jednalo, spolu

s městem Brnem, o ojedinělý výzkum. Byla založena Metropolitní staniční síť Olomouc (MESSO) kterou mimo jiné tvoří 8 plně automatických stanic. Nejdůležitější výstup dosavadních výzkumů představuje monografie Podnebí Olomouce. Na jejím vzniku se kromě pracovníků katedry geografie podíleli odborníci z Českého Hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ), pobočky Ostrava. Výzkum bude pokračovat i po skončení projektu, protože o výsledky jeví zájem ČHMÚ, Magistrát města Olomouce a další instituce včetně soukromého sektoru. http://mestskeklima.upol.cz/ 3. Termální monitoring při studiu místního, městského a příměstského podnebí. Originální a netradiční prostředek používaný na pracovišti při studiu podnebí malých území, tedy především místního a městského klimatu, představuje ruční termální kamera. Umožňuje získat detailní informace o rozdílech povrchové teploty v krajině, což přispívá k přesnějšímu popisu teplotních poměrů studovaných lokalit. Metoda pozemního termálního monitoringu je soustavně zdokonalována. V rámci klimatologických výzkumů je nejen v České republice zcela ojedinělá. Využití termálního monitoringu v dalších geovědních disciplínách (speleologie, geomorfologie, environmentální geografie) jsou prezentovány i v zahraničí. Klimatologické výzkumy i meteorologie jsou systematicky popularizovány a propagovány v tisku, v rozhlasových a televizních relacích. Katedra geografie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 501 e-mail: [email protected] http://geography.upol.cz/

Výzkum čtení mapy pomocí technologie sledování pohybu očí

Pohyb očí čtenáře při čtení hospodářské mapy Afriky zobrazený v GazePlotu ukazuje, kam se čtenář díval, kde se nejdéle zastavil i kterým místům nevěnoval žádnou pozornost. Fixace jsou kruhy o různé velikosti odpovídající jejich délce, sakády jako linie spojující tyto kruhy

Zařízení zvané eye-tracker je schopné pohyby oka sledovat a měřit. Funguje tak, že speciální kamera snímá pozici středu zornice a takzvaný korneální odraz. Ten vzniká na hranici duhovky a bělma odrazem přímého paprsku infračerveného světla, který zařízení vysílá. Podle změn odrazu světla od rohovky se vypočítá pohyb oka a zaznamenává se do formalizovaného zápisu. Pomocí metod technologie eye-tracking se v Olomouci zkoumá směr a pohyb pohledu čtenáře v mapě, způsob čtení informací, vliv rušivých prvků a další aspekty vnímání mapy. Pomocí takzvaných GazePlotů, trajektorií sakád spojující pozice fixací vykreslených přes studovaný obraz, se zjišťuje, jak se čtenář po mapě pohledem pohyboval, kde se zdržel a kolikrát a kam se pohledem vracel. Pomocí HeatMap, různě průsvitných ploch zobrazených přes čtenou mapu, se zjišťuje, do které oblasti sledovaného obrazu se skupina čtenářů více dívala a kterým naopak nevěnovala pozornost. Na výzkumu čtení map se vedle výzkumníků katedry podílejí i studenti geoinformatiky. V rámci mnoha projektů různého zaměření je eye-tracker neustále využíván. Zjištěné poznatky jsou publikovány v odborných časopisech po celém světě. Výsledky výzkumu využívají kartografická vydavatelství při sestavování nových map. Katedra geoinformatiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geoinformatics.upol.cz

vědy o zemi 94–95

M

apa je jedinečný dokument, který je schopen sdělit obrovské množství prostorových informací rychle a přesně. Avšak dovednost čtení obsahu mapy je velmi individuální a není stále uspokojivě objasněna. Pokud budou mít kartografové úplné poznatky, jak člověk mapu čte (kde a čím začíná, kam a jak často se ve čtení vrací, jak dlouho se věnuje měřítku či proč se nedívá do legendy), pak budou schopni uživatelům poskytovat takové mapy, které jsou čitelné snadno, srozumitelně a rychle. Vědecký tým na katedře geoinformatiky se zabývá výzkumem procesu čtení mapy pomocí technologie eye-tracking založené na principu sledování pohybu lidských očí. Lidské oko vykonává několik druhů pohybu, z nichž se sledují především fixace a sakády. Fixace jsou pohyby oka, které oko vykonává při čtení konkrétní části vnímaného obrazu. Průměrná délka fixací se pohybuje mezi 150 a 600 ms. Sakáda, přechod mezi dvěma fixacemi, je velice rychlá. Obvykle trvá 30 až 80 ms a mozek během ní téměř nevnímá, co oči vidí.

Bezkontaktní monitoring krajiny

T

rvalo mnoho staletí, než mohl člověk spatřit krajinu z ptačí perspektivy. Dlouhou dobu měly tuto výsadu jen letadla a družice. Vysoké náklady na pořízení družicových a leteckých snímků výrazně omezovaly výzkum krajiny. Nedávný vývoj přinesl vědcům relativně levná a zároveň přesná zařízení umožňující pořídit digitální snímky krajiny z nízkých výšek – UAV (Unmanned Aerial Vehicles). Katedra geoinformatiky používá od roku 2010 k dálkovému průzkumu krajiny dvě unikátní letecká bezpilotní zařízení – Drone PIXY a Hexakopter XL. Drone PIXY je pomalu letící, rádiem ovládaný model motorového padákového kluzáku. Umožňuje pořízení klasických i digitálních snímků a videozáznamu z nízkých výšek (50 až 500 m). Maximální nosnost zařízení dovoluje osadit nosič několika kamerami či senzory současně. Koncept Drone PIXY vyniká snadnou pilotáží, jednoduchým transportem, vysokou odolností celého zařízení a umožňuje široké použití. Provoz zařízení nevyžaduje speciální licenci, z pohledu české legislativy je chápáno jako běžný letecký model.

Model Hexakopter XL s digitálním fotoaparátem těsně před startem

Drone PIXY v letu při snímání archeologického naleziště hyperspektrální kamerou

Hexakopter XL je multirotorový systém se šesti vrtulemi. Hlavní výhodou zařízení jsou pokročilé letové funkce s možností automatického letu podle zadaných bodů, bezpečnostní funkce pro automatický návrat na místo startu a schopnost stát na jednom místě. Pro let využívá rozdílného tahu motorů, které umožňují přesné manévrování i v problematickém terénu. Srdcem celého zařízení je elektronická jednotka Flight Control, která obsahuje procesor, gyroskopy a akcelerometry. Zařízení je vybaveno barometrickým čidlem udržující konstantní letovou hladinu po dobu letu. Pro ovládání modelu je Hexakopter vybaven jedenáctikanálovým vysílačem pro ovládání letu. Volné kanály jsou využity pro ovládání kamery, GPS systému, a podobně. Snímkování z nízkých výšek je výhodné především díky nízké ceně a vysoké operabilitě. Nízká výška snímkování umožňuje pořizovat snímky s centimetrovou prostorovou rozlišovací schopností. Přínosné vědecké poznatky se získávají zejména kombinací pozemních metod s přidáním vizuální informace ze snímkování z modelů. Technické parametry kamery a nosiče umožňují volit nejen čas a místo snímkování, ale také úhel snímkování, šířku záběru nebo nastavení expozice. Výsledkem snímkování je celá řada výstupů od videosekvencí, dokumentačních fotografií, až po vysoce přesné fotoplány a 3D modely terénu či povrchu. Snímkování z malých výšek pomocí paraglidového a multirotorového modelu využívají vědci a studenti z katedry geoinformatiky zejména pro snímkování oblastí malého prostorového rozsahu – údolí, povodí, chráněné území, archeologických lokalit, polí, lesů a dalších lokalit. Geomorfologie je jednou z oblastí, ve které lze s úspěchem využít UAV modelů. Velmi často

3D model archeologické lokality v perspektivním zobrazení

UAV snímek protrženého meandru

rie jsou v archeologii dobře využitelné a vítané. Naprosto splňuje požadavky pro UAV snímkování. U archeologických lokalit se téměř vždy jedná o plošně nevelké území, které je potřeba detailně zmapovat. Vzhledem k potřebě archeologů zaznamenávat i objekty o velikosti několika centimetrů (například jednotlivé kameny) je konvenční letecká fotogrammetrie méně využitelná. UAV technologie umožňují výrazně urychlit celý archeologický výzkum, protože archeologům odpadá pracné zaměřování a překreslování plošných

objektů na milimetrový papír. Zároveň získávají letecký pohled na archeologickou lokalitu. To je neocenitelné zejména u záchranných výzkumů, u kterých většinou dojde po ukončení k odtěžení objektů z důvodu další výstavby. Katedra geoinformatiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geoinformatics.upol.cz

vědy o zemi 96–97

je potřeba snímkovat plošně malé území, které je velmi dynamické. Snímkování sesuvných oblastí s následným fotogrammetrickým zpracováním je jedna z možných oblastí využití. Vědcům se dostává do ruky nástroj pro pořizování velmi přesných dat, které je možné vyhodnotit během krátké doby. UAV systémy jsou využitelné i ve fluviální geomorfologii. Hodnocení rychlosti břehové eroze, přesouvání štěrkových lavic v korytě toku jsou ideální aplikace pro UAV fotogrammetrii. Druhou oblastí aplikovaného výzkumu je archeologie. UAV technologie a UAV fotogrammet-

Prostorové modelování geografických jevů v gis

P

opsat, zaznamenat, zpracovat, vyhodnotit a ukázat výsledek – tento obecný postup při popisu území se již neobejde bez vědeckých poznatků, matematických přístupů, počítačových programů a digitálních map. Všechny tyto požadavky jsou schopny zajistit geografické informační systémy (GIS). Digitální model reliéfu, databáze sesuvů, analýzy vývoje měst, předpověď počasí, zjištění vlivu demografických charakteristik na výsledky voleb a mnoho dalších aplikací GIS se denně provádí na miliónech míst po celém světě.

Geoinformatika je vědní obor zabývající se počítačovým zpracování prostorových informací. Technologie založené na geoinformatickém výzkumu a jeho aplikacích jsou již dnes samozřejmou součástí vědeckých výzkumů i běžného života – navigační systémy, dálkový průzkum Země, digitální mapy, prostorové databáze, výpočetní modely i simulace předpovědí. Katedra geoinformatiky dlouhodobě využívá potenciál geografických informačních systémů pro sběr informací o území (o městech a venkovu, o povodích a lesních plochách, o železniční síti i volebních okrscích), pro správu digitální dat (silniční databanka, registry sesuvů, katastrální údaje), pro analýzy, modelování a simulace prostorových jevů (klimatických oblastí, epidemiologických jevů, suburbanizačních procesů, přepravních vazeb, změn vývoje krajiny) a pro tvorbu map a atlasů (atlas podnebí, fenologický atlas, atlas výsledků voleb, atlas rozvoje mikroregionu). Ke stanovení míry rizika vyplývající z možného postižení dopravní infrastruktury České republiky přírodními hazardy (sesuvy, povodněmi apod.) byly použity vyspělé geoinformační technologie. Výsledkem výzkumu je webová aplikace, pomocí

které je možné identifikovat oblasti, ve kterých hrozí nějaký druh přírodního hazardu a zároveň lze pro tyto oblasti stanovit pravděpodobnost výskytu tohoto jevu. Vědečtí pracovníci pomocí GIS detailně analyzovali pohyb obyvatel v urbanizovaném území a jeho nejbližším okolí. Na základě naměřených dat byl pohyb osob zkoumán v rámci města i v návaznosti na jeho okolí a zjištěny prostorové vazby v území. Po vymezení dominantních směrů pohybu (denního i dlouhodobého) všemi běžně používanými dopravními prostředky k jednotlivým lidským aktivitám byly v GIS použity dva základní přístupy k modelování pohybu – síťové analýzy nad vektorovými daty a frikční povrchy v rastrovém datovém modelu. Syntézou výsledků byla sestavena prognóza vývoje a budoucího stavu území, která slouží pro návrh optimálního využití území. Byly vymezeny vhodné i nevhodné plochy pro další rozvoj území. Různými geoinformatickými metodami byly na katedře geoinformatiky identifikovány podmínky, při kterých dochází ke vzniku preferenčních drah při proudění kapaliny v porézních horninách, a stanovena prahová výška kapalinného tělesa, jejíž překročení vyvolá destabilizaci distribuce kapaliny v porézní hornině. Byl testován vliv efektivního poloměru póru, kontaktního úhlu mezi pevnou, kapalnou a plynnou fází, intenzita infiltrace kapaliny a objem kapaliny v porézním materiálu. Počítačovou simulaci transportu kapaliny v porézní hornině provedli studenti geoinformatiky na třech úrovních – makroskopické (s využitím Richardsovy rovnice založené na kontinuálním modelu), mikroskopické (pomocí celulárních automatů) a mezoskopické (simulací v rámci síťového popisu). Metody umělé inteligence v geografických informačních systémech jsou jedním z výzkumných témat. Umělá inteligence je netypickou přírodovědní disciplínou přesahující do mnoha jiných oborů. Tuto netypičnost navíc umocňuje skutečnost, že se stále vedou diskuse o co nejvýstižnější vymezení oblastí jejího zájmu. Dříve se kladl důraz především na rozvoj jednotlivých metod umělé inteligence. Později se výzkum zaměřil na vývoj aplikačních programů pro využití umělé inteligence. Dnes se na katedře geoinformatiky rozvíjí umělá inteligence jako integrální součást rozsáhlých aplikací se snahou zachovat kvalitativně nové chování výsledných aplikací. Největší

jádrové části (schematicky)

Předmostí

hranice jádrové části

Kaufland Velká Dlážka

Michalov

Na Odpoledni Centrum Josefa Čapka

Precheza Výsledky výzkumu sesuvu v Halenkovicích u Zlína geodetickými metodami

Šířava

Nemocnice Meopta

Přednádraží Optiky Tesco Vymezení jádrových částí města Přerova metodou kernel density Nádraží

Jižní čtvrť 0,5 km

vědy o zemi 98–99

Přerovské strojírny

Výsledky modelování nejistoty geografických jevů

pozornost je věnována uplatnění 7 základních přístupů umělé inteligence v GIS – neuronové sítě, genetické programování, expertní systémy, prohledávání stavového prostoru, dobývání znalostí, strojové učení a algoritmy strojového učení.

Katedra geoinformatiky Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geoinformatics.upol.cz

Rozvojová studia

R

ozvojová studia lze označit jako mezioborové výzkumné pole propojující přírodní a společenské vědy, které se zabývá především změnami v zemích s nižšími příjmy (obecně označovaných jako rozvojové země). Jako vědní a na univerzitách vyučovaný obor se začal rozvíjet v 60. letech 20. století ve Velké Británii a v západní Evropě. Obor Mezinárodní rozvojová studia na katedře rozvojových studií je jedním z prvních tohoto typu v České republice a v regionu střední a východní Evropy. Katedra rozvojových studií, která byla založena v září roku 2007, patří mezi nejmladší pracoviště na Přírodovědecké fakultě. Aktuální výzkumné aktivity probíhají ve třech oblastech, kterými jsou: ukazatele rozvoje a udržitelnosti; vybrané teritoriální, ekonomické, environmentální a sociální aspekty rozvoje zemí s nižšími příjmy; a evaluace rozvojových intervencí (projektů a programů) na lokální úrovni. Jeden z výzkumných směrů katedry se zaměřuje na analýzu vlivů rozvinutých zemí na země rozvojové. V rámci tohoto výzkumu byl využit ukazatel Commitment to Development Index, který se pokouší měřit politiky a efekty rozvinutých zemí na země rozvojové, a to v sedmi různých oblastech, jako jsou například rozvojová pomoc, mezinárodní obchod či migrace. Výzkum byl zaměřen konkrétně na dvě komponenty tohoto indexu (rozvojová pomoc a životní prostředí) s aplikací na Českou republiku. Ze závěrů výzkumu vyplývá, že zatímco v oblasti rozvojové pomoci jsou výsledky České republiky výrazně horší než výsledky ostatních vyspělých zemí, v oblasti politiky a využívání globálních environmentálních zdrojů jsou výsledky nadprůměrné. Tyto výsledky jsou však odvislé od metodik těchto komponent, přičemž zejména environmentální komponenta trpí metodickými nedostatky.

V rámci projektu „Kde a jak Česká republika pomáhá“ je společně s katedrou geoinformatiky vytvářen webový atlas prioritních zemí zahraniční rozvojové spolupráce České republiky (ZRS ČR) s multimediálním obsahem. V dnešní době se digitální prostředí stává přirozeným partnerem pro školy i širokou veřejnost v každodenní práci a je tedy ideální pro šíření informací o ZRS ČR. Pro cílovou skupinu pedagogických pracovníků bude dále vytvořen metodický materiál vztahující se k atlasu. Atlas bude zaměřen nejen na základní fyzicko-geografickou a socio-ekonomickou charakteristiku, ale bude také zobrazovat rozvojové ukazatele, příležitosti a ohrožení jednotlivých zemí, včetně sektorových a teritoriálních priorit ZRS ČR. Atlas je přístupný na webovém portále http://www.geoinformatics.upol.cz/app/rozvoj/. Příkladem interdisciplinárního přístupu k výzkumu respektující geografické ukotvení oboru je problematika participativních geografických informačních systémů (GIS). Prostorovými informacemi se geografie zabývá již od nepaměti. S nástupem moderních výpočetních technologií v polovině 20. století se začaly prvky informačních technologií využívat i v oblasti rozvoje a rozvojových studií. Participativní GIS je snaha o přizpůsobení GIS jako technologie komunitám, kterých se rozvojové projekty a programy přímo týkají. Participativní GIS zapojuje komunity nejen do tvorby dat, ale také do informovaných prostorových rozhodnutí založených na těchto datech. Výzkum se zaměřuje na participativní přístupy v mapování a GIS, a snaží se přistupovat k místním prostorovým znalostem s větší mírou společenské a etické zodpovědnosti. Katedra rozvojových studií Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 503 e-mail: [email protected] http://development.upol.cz/

M

inerály jsou všudypřítomnými základními stavebními kameny, z nichž je tvořena naše Země jako planeta. Minerály tvořené nerostné suroviny jsou i v dnešní moderní době nepostradatelným hmotným základem fungování a dalšího rozvoje lidské společnosti. Genetická mineralogie studuje jednak procesy vedoucí ke vzniku minerálů, jednak příčiny vzniku jejich přirozených akumulací (ložisek nerostných surovin). Na katedře geologie se zabýváme studiem procesů vzniku minerálů v nejrůznějších genetických prostředích (horninách vyvřelých, metamorfovaných, sedimentárních, či v hydrotermálních žilách). Hlavní zájem se soustřeďuje na minerály vznikající z ohřátých vodných roztoků. Základní metodou je mikroskopické a mikrotermometrické studium plynokapalných uzavřenin, které umožňuje získat podrobné informace o chemickém složení, teplotě a tlaku roztoků, z nichž dané minerály vznikaly. Ve spolupráci s dalšími pracovišti v ČR i ve světě se věnujeme i dalším technikám, například studiu Ramanovských spekter fluid (s Lékařskou fakultou Univerzity Palackého v Olomouci), chemismu rozpuštěných solí (s univerzi-

tou v Leobenu), izotopovému složení uhlíku, kyslíku, síry a vodíku fluid (s univerzitami v Tübingen a Lausanne), či problematice radiometrického datování (PAN Kraków). V poslední době jsme se zabývali problematikou geneze některých ekonomicky významných uranových, zlatých, polymetalických a cínowolframových ložisek v České republice, studiem fluid souvisejících se vznikem pegmatitů na Českomoravské vrchovině, fluidní historií ložisek železných rud v Jeseníkách, problematikou hydrotermálních přeměn těšínitů v Podbeskydí, či studiem procesů tvorby a degradace ropných uhlovodíků v Beskydech. Výzkumné aktivity v zahraničí byly orientovány na problémy kontaktní metamorfózy v Nikaragui či ložiskově významné karbonatity v Mongolsku. V současné době také spolupracujeme na objasnění podmínek vzniku mandlí v indických bazaltech, studiu příčin vzniku velmi bohatých zlatých rud na Filipínách, či problematice vzniku kalcitových žil z Anglie. Výsledky našich výzkumů průběžně publikujeme v uznávaných zahraničních časopisech (například Mineralium Deposita, American Mineralogist, Marine and Petroleum Geology, Journal of Geochemical Exploration, Chemie der Erde). Katedra geologie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geology.upol.cz/

vědy o zemi 100–101

Genetická mineralogie

Studium osudu antropogenních polutantů v prostředí a sedimentární archívy historické kontaminace Měření gamaspektrometrie v terénu, Horní Provence, Francie

Z

nečištění životního prostředí činností člověka je jedním z velkých problémů moderního světa. Antropogenní polutanty (těžké kovy, radionuklidy a persistentní organické látky) se do prostředí dostávají z mnoha zdrojů, například emisemi z dopravy, energetiky, průmyslu, zemědělství a odpadních vod. Tyto často silně toxické látky se často váží na drobné pevné částice a jejich další pohyb a konečné uložení tak souvisí s větrným a vodním transportem. Polutanty se často akumulují v přírodních „úložištích“ kolem řek a vytvářejí tak sekundární zdroje kontaminace a možná ekologická rizika (tzv. „časované chemické bomby“). Skupina odborníků na katedře geologie se zabývá studium procesů transportu a sedimentace v říčním prostředí s důrazem na třídění kontaminovaného materiálu a jeho ukládání podél řek. Pro studium se využívá metod geologického a geofyzikálního výzkumu (stratigrafická analýza sedimentů z mělkých vrtů, geochemická, mikroskopická a petrofyzikální analýza vzorků, mělký

geofyzikální průzkum lokalit). Katedra geologie je pro tyto výzkumy perfektně vybavena – provozuje laboratoř optické a elektronové mikroskopie, a chemickou a petrofyzikální laboratoř, a vedle toho využívá rozsáhlého arzenálu geofyzikálních přístrojů. Úzce spolupracuje s Ústavem anorganické chemie AV ČR v.v.i., Centrem pro výzkum toxických látek v prostředí Masarykovy univerzity v Brně a dalšími pracovišti. Zvláštní pozornost věnují pracovníci katedry historickému vývoji kontaminace, který lze vyčíst ze sedimentárních archívů – uloženin přehradních nádrží, slepých ramen řek a povodňových sedimentů niv. Výsledky výzkumu ukazují, že podél řeky Moravy existuje řada přírodních úložišť sedimentů silně znečištěných ropnými látkami a těžkými kovy. Publikace výsledků a součinnost se správními orgány mohou odhalovat tato nebezpečná místa a vést k plánování sanačních prací. Výsledky jsou pravidelně publikovány v prestižních zahraničních časopisech (Journal of Soils and Sediments, Science of the Total Environment, Environmental Earth Science, Catena, a v dalších odborných médiích). Katedra geologie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geology.upol.cz/

Terénní měření georadarem

Mobilizace arzenu v geologickém prostředí a jeho dopad na dostupnost vody v rozvojových zemích

obohacených arzenem, která je typická pro důlní odpady a patří tedy mezi hlavní zdroje arzenu spojené s lidskou činností (příkladem jsou důlní odpady v Kalifornii v USA a na Slovensku). Důležitou součástí výzkumu kontaminace arzenem je také nalezení levných metod na odstranění arzenu z vody za použití místních zdrojů, jako je třeba aplikace lateritických půd při adsorpci arzenu. Katedra geologie se účastnila výzkumu kontaminace arzenem v Bangladéši a v Západním Bengálsku v Indii (publikace v časopisech Applied Geochemistry, Journal of Hydrology, Nature Geoscience, Hydrogeology Journal, Journal of Contaminant Hydrology, Environmental Geochemistry and Health, Science of the Total Environment), v Argentině (publikace v časopisech Science of the Total Environment, Environmental Geology), v Mexiku (publikace v časopisech Water Research, Journal of Environmental Monitoring, Science of the Total Environment), na Tchaj-wanu (publikace v Journal of Environmental Science and Health, Part A, Journal of Geochemical Exploration) a v České a Slovenské republice (publikace v Journal of Geochemical Exploration, Environmental Earth Sciences). Tyto publikace vedly k určení mechanismu uvolňování arzenu a posouzení jeho mobility, ale také k navržení cenově přijatelných metod snižování koncentrace arzenu ve vodě. Katedra geologie Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc e-mail: [email protected] http://www.geology.upol.cz/

Bahenní sopky na jihozápadě Tchaj-wanu, které vyvrhují směs bahna a arzénu

vědy o zemi 102–103

A

rzen je jedním z nejzávažnějších kontaminantů a Světová zdravotnická organizace (WHO) snížila jeho maximální přípustnou koncentraci ve vodě na 0,01 mg/l. Arzen má jak akutně toxické, tak karcinogenní účinky, a jeho dlouhodobá konzumace má často fatální následky. Existují jak přírodní zdroje arzenu, tak i zdroje spojené s lidskou činností. U přírodních zdrojů arzenu jsou to: 1. reduktivní rozpouštění oxidů a hydroxidů trojmocného železa a mobilizace arzenu, který byl na nich adsorbován. Typickým příkladem je rozsáhlá kontaminace arzenem v Bangladéši, Západním Bengálsku v Indii a také na Tchaj-wanu; 2. desorpce adsorbovaného arzenu v oxidačním prostředí při vysokém pH (nad 8,2). Typickým příkladem je podzemní voda ve sprašovém kolektoru na pampě v Argentině; 3. mobilizace arzenu v geotermálních systémech z důvodu interakcí vody o vysoké teplotě s horninou. Příkladem jsou geotermální vrty v Mexiku a na Novém Zélandu. Dalším mechanismem mobilizace je oxidace sulfidů

Laboratorní kapamůstek pro měření magnetické susceptibility a anizotropie MS

ostatní aktivity

Botanická zahrada Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého

P

o druhé světové válce zanikl převážně německý botanický spolek v Olomouci, který do té doby pečoval i o botanickou zahradu na okraji dnešních Smetanových sadů. Správu zahrady převzalo město Olomouc, které ji už v roce 1956 předalo tehdejší Vysoké škole pedagogické. Právě její Fakulta přírodních věd, která je přímým předchůdcem dnešní Přírodovědecké fakulty, tak předznamenala využití původně městské botanické zahrady pro pedagogické a vědecké účely Univerzity Palackého. Dnešní Botanická zahrada je zakládajícím členem Unie botanických zahrad ČR a každoročně vydává i mezinárodně uznávaný Index Seminum sloužící k výměně sortimentu mezi botanickými zahradami celého světa. Hlavním úkolem ovšem stále zůstává tvorba, správa a prezentace sbírky zahrnující přibližně 1500 domácích i exotických druhů rostlin. S botanickou zahradou se mnozí studenti poprvé setkávají už před přijetím na univerzitu (zahrada je zdrojem rostlinného materiálu pro obávanou poznávačku u přijímacích zkoušek), navštěvují ji v průběhu odborného i učitelského studia biologie (při výuce rostlinné taxonomie

a systematiky, morfologie, anatomie, dendrologie), a někteří z nich zde nakonec realizují i svá pozorování nebo experimenty v rámci diplomové práce. V souladu s odbornou specializací jednotlivých vyučujících katedry botaniky poskytuje zahrada také prostor ke tvorbě genotypových kolekcí pro morfologické srovnávání rostlinného materiálu různého původu, odběr vzorků pro práci v laboratoři a podobně. Z těchto důvodů zahrada dříve hostila ucelené sbírky perspektivních pícnin z čeledi bobovitých (Fabaceae), mnohotvárných a stále ne zcela prozkoumaných ostružiníků (Rubus), nesmírně variabilních pampelišek (Taraxacum) nebo divokých česneků (Allium). S výsledky aktuálně dobíhající kultivace našich zástupců rodu bezkolenec (Molinia) se brzy setkáme v připravovaném devátém dílu Květeny ČR. Na podzim roku 2012 proběhla výsadba série vzorků vysoce polyploidního komplexu kostivalu hlíznatého (Symphytum tuberosum agg.), a další plochy už se opět připravují pro jarní výsevy. Přestože je zahrada primárně botanickým pracovištěm, slouží i dalším oborům studia na Přírodovědecké fakultě, především těm terénně zaměřeným. Tradičně tak ornitologům nabízí

Botanická zahrada Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 832 e-mail: [email protected] https://facebook.com/bzupol http://garden.upol.cz

ostat ní a ktivity 10 4–1 05

vhodné prostředí pro pozorování a výzkum ptáků, budoucí geografové se na ploše zahrady učí zaměřovat teodolitem, často zde můžeme potkat i studenty mimo organizovanou výuku, kteří si na rozkvetlé vegetaci a drobném hmyzu zkoušejí práci se svým fotografickým vybavením. V poslední době zahrada svým významem čím dál tím více překračuje hranice fakulty a stává se obecně využívaným univerzitním zařízením: organickým propojením se sousedními sbírkovými skleníky Výstaviště Flora v projektu BotanGIS vzniká sdružený botanický areál s jednotným geoinformačním systémem, na podzim přicházejí studenti Pedagogické fakulty s programem pro školní děti (Podzimní veselí), a v roce 2012 nás poprvé navštívili i kolegové z Centra judaistických studií Filozofické fakulty UP, kteří v exteriéru zahrady uspořádali oslavu tradičního židovského Svátku stánků. Botanická zahrada je v současnosti nejstarší součástí Přírodovědecké fakulty. Pro univerzitu (a Přírodovědeckou fakultu obzvlášť) dnes představuje čím dál tím důležitější propojení moderní vědy a její „kultury bílých plášťů“ s věčně živými kořeny fascinující přírody.Zahrada je situována v ulici U Botanické zahrady.

Pevnost poznání: věda jako dobrodružství

U

niverzita Palackého v Olomouci se rozhodla vybudovat interaktivní vzdělávací centrum pro děti, mládež i širokou veřejnost. K tomuto kroku ji dovedla stávající situace, kdy se již po několik let snižuje počet zájemců o studium fyziky, matematiky a chemie, což ovšem není problém pouze v České republice, ale jedná se o trend celoevropský. Jelikož univerzita je vlastníkem historického objektu v Korunní pevnůstce postavené v 18. století, využila financování z Evropského fondu pro regionální rozvoj – operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace k rekonstrukci této budovy a k vnitřní adaptaci na interaktivní muzeum a vzdělávací centrum pod názvem Pevnost poznání, ve kterém se budou expozice s důrazem na přírodní vědy prolínat s instalacemi akcentujícími i vědy humanitní a kulturní. Tak bude vytvořen vzdělávací i zábavný rámec, který poskytne realizaci co nejširšímu spektru návštěvníků. Garantem celého projektu je přírodovědecká fakulta. Práce na prvním centru popularizace vědy a výzkumu na střední Moravě byly oficiálně zahájeny v prosinci 2011, veřejnosti se areál otevře v létě 2014. Celková výše investice bude přibližně 150 milionů korun.

Dotýkat se exponátů dovoleno! Nejdokonalejší počítač na světě – lidský mozek, tedy jeho osmimetrový model, přivítá návštěvníky v expozici Rozum v hrsti. Nejmodernější technologie zde umožní simulovat práci jednotlivých center lidského těla. A od mozku, symbolu lidského myšlení a vědění, je jen krůček k matematice. Tedy k logickým úkolům, matematickým interaktivním hrám, hlavolamům, hádankám, šifrám, Nebudou chybět obří šachy nebo třírozměrné piškvorky. Od matematiky vede přímá cesta k fyzice: křivá zrcadla, vlastnosti zvuku, funkce kladky, páky, nakloněné roviny, parního stroje, kyvadla, pružiny, Hubbleova teleskopu a mnoha dalších strojů. Třešničkou na dortu bude model enigmy. Voda jako zdroj života – i nemilosrdný živel Další expozicí bude Voda v krajině. Ta dá návštěvníkům nahlédnout pod vodní hladinu, kde z perspektivy vodního hmyzu poznají zákonitosti podvodního života, tváří v tvář se setkají s některými podvodními živočichy, podívají se na prameniště, nivy a tůně, lužní les, deltu, moře, pobřeží i pláž, zjistí, jak funguje čistička odpadních vod, na záplavovém modelu zkusí, co s městem Olomoucí udělá stoletá voda. Na začátku byla tma – a pak bylo světlo Expozice Světlo a tma vysvětlí základy optiky a seznámí s astronomií. V kupoli planetária, prvního v regionu, bude možné podívat se na planety, Slunce i Měsíc. Návštěvníky tam budou čekat výukové pořady, přednášky i interaktivní pokusy, budou si moci zkusit změřit záření a prohlédnout si otáčivou mapu hvězdné oblohy. Trocha historie nikoho nezabije Protože je Pevnost poznání součástí rozsáhlého

areálu opevnění města z 18. století, budou se návštěvníci moci zastavit také v historickém vojenském táboře. Zde se seznámí s životem vojáků, kteří v minulosti chránili Olomouc před útoky nepřátel. V expozici s názvem Pevnost zjistí, jak se budovala a jak fungovala pevnost, jak vypadalo její obléhání a dobývání, prohlédnou si vojenské zázemí, týlové zabezpečení, stáje, dílny na opravu výzbroje, zdravotnické zabezpečení, zásobování, sklady i zbraně. Armáda měla vždy přístup k nejnovějším vědeckým a technickým poznatkům. Bude proto možné podívat se na exponáty přednášku, která teoreticky objasní předchozí laboratorní pokusy. K dispozici bude i filmařská dílna, kde si zájemci budou moci vyzkoušet, jak se natáčí, stříhá a ozvučuje film, jak si poradit s 3D animacemi, a také nahlédnout do tajů dotykových obrazovek, které je budou provázet po celé cestě Pevností poznání. Pevnost poznání má ambici stát se vyhledávanou atrakcí a také místem pro kongresovou turistiku. Do objektu se přesunou úspěšné programy a festivaly, vznikající díky podpoře Univerzity Palackého: Academia film Olomouc, Veletrh vědy a výzkumu či letní dětské školy. Pevnost poznání

ostat ní a ktivity 10 6–1 07

ukazující vývoj ve stavitelství, chemii, železářství, v oblasti zdravotní vědy (chirurgické předměty), v optice (například vývoj dalekohledů), kartografii a v mnoha dalších oborech. V závěru prohlídky budou moci návštěvníci nahlédnout ještě do Laudonova sálu, v němž se budou odbývat výstavy, přednášky i výukové programy. Nebude samozřejmě chybět ani Výukové menu, které pedagogům, doprovázejícím žáky středních i základních škol, poskytne vše, co Pevnost poznání nabízí. Infokoutek umožní získat veškeré informace o Pevnosti poznání, včetně propagačních a didaktických materiálů. Pavoučí síť, tedy web na internetu, zase seznámí se vším, co je v Pevnosti poznání k vidění – kromě expozic a doprovodných textů to budou i krátkodobé výstavy, doplňkové programy či vědecké dílny. Ty návštěvníkům nabídnou možnost vyzkoušet si v laboratoři chemické, fyzikální a biologické pokusy a v konferenčním salonku pak vyslechnout

Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc tel.: 733 690 695 email: [email protected] http://www.pevnostpoznani.cz/

Cizí jazyky na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého

P

řírodovědecká fakulta podporuje výuku cizích jazyků, především angličtiny, která je dnes esperantem mezinárodní komunikace nejen v oblasti přírodních věd. Tým lektorů Kabinetu cizích jazyků Přírodovědecké fakulty zajišťuje výuku angličtiny, němčiny a ruštiny. O kurzy angličtiny je velký zájem, protože většina studentů si uvědomuje, že je to poslední příležitost, jak se učit cizí jazyk bez placení kurzu, i toho, že při hledání práce je neznalost cizího jazyka těžko vysvětlitelný handicap. V každém semestru absolvuje předměty Kabinetu výuky cizích jazyků PřF UP kolem 1200 studentů. V nabídce Kabinetu cizích jazyků je široké spektrum předmětů odborně zaměřených. Pro všechny základní oblasti studia byl vytvořen dvousemestrální kurz, který se zaměřuje na odbornou terminologii a nácvik prezentačních dovedností. Studenti si mohou podle zaměření svého studia zvolit předmět Anglická terminologie a prezentace pro biologii, ekologii, fyziku, geoinformatiku, geografii, chemii nebo matematiku. Pro studenty ekonomie je v nabídce Finanční angličtina a pro všechny, kteří se chtějí seznámit s tím, jak funguje komunikace v pracovním prostředí, Business English. Studentům, kteří chtějí udržet a rozvíjet znalost němčiny, nabízíme kromě obecné němčiny kurz Němčiny pro přírodovědce. Pro studenty, kteří mají v úmyslu využít nabídky zahraničních stáží nebo se věnovat vědeckovýzkumné práci, jsou připraveny kurzy Academic English, Academic Writing, English for Study Abroad a Presentations in English. Každý z těchto kurzů zprostředkuje znalosti a dovednosti, díky kterým se naši studenti mohou bez obav účastnit studijních pobytů prostřednictvím Erasmu nebo Merillova programu. Těchto možností využívají každoročně desítky studentů fakulty.

Pro absolventa vysoké školy je v současnosti znalost angličtiny na středně pokročilé úrovni stejnou samozřejmostí jako počítačová gramotnost. Ve většině studijních programů je proto zařazena obecná angličtina na středně pokročilé úrovni jako povinný, nebo jeden z povinně volitelných předmětů jazykového bloku. Pro ilustraci, například student oboru Nanomateriálová chemie má možnost volby mezi předměty Anglická terminologie a prezentace – chemie, Business English, Akademická angličtina pro středně pokročilé a Obecná angličtina pro středně pokročilé. Jeden z předmětů jazykového bloku si student ve 2. ročníku bakalářského studia zvolit musí. Nutnosti absolvovat obecnou angličtinu, pokud je povinným předmětem studijního programu, se lze vyhnout, jestliže má student mezinárodně platný certifikát na vyšší jazykové úrovni, například FCE, nebo prokáže ve vstupním testu nadstandardní znalosti angličtiny a složí už v 1. ročníku rozdílovou zkoušku. Nicméně konkrétní povinnosti a možnosti ve vztahu k cizím jazykům jsou dány studijními plány jednotlivých programů. Kabinet cizích jazyků organizuje také tři typy jazykového vzdělávání studentů doktorských studijních programů a zaměstnanců fakulty. Jednak semestrální kurzy, jednak týdenní intenzivní kurzy v zimním a letním zkouškovém období a také krátké moduly na určité téma, například Writing abstracts nebo At a conference. Výuka cizích jazyků se na Přírodovědecké fakultě rozvíjela v posledních letech díky Operačnímu programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost, v současnosti především díky projektu „SMART výuka cizích jazyků na Přírodovědecké fakultě“. Bližší informace o projektu i o nabídce cizích jazyků pro pregraduální studenty a doktorandy jsou k dispozici na internetové adrese Kabinetu. Kabinet cizích jazyků Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 998 email: [email protected] http://kcj.upol.cz/

P

řírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci vznikla transformací z Vysoké školy pedagogické a v počátku své existence vychovávala výhradně budoucí učitele zejména přírodovědných oborů. Neodmyslitelnou součástí přípravy budoucích učitelů vždy byl, je a bude blok pedagogicko-psychologických disciplín nazývaný Společný základ učitelských oborů. Právě garance a výuka předmětů tohoto bloku na Přírodovědecké fakultě UP je hlavním posláním práce Centra pedagogické přípravy, což je realizováno ve spolupráci s Ústavem pedagogiky a sociálních studií a Katedrou psychologie a patopsychologie Pedagogické fakulty UP i externími pracovníky fakulty. Kromě povinných předmětů si studenti mohou vybírat z široké nabídky volitelných či doplňujících předmětů, některé z nich, jako například Psychologie podnikání či Seminář z pojišťovnictví, mohou zájemci z jiných fakult nalézt též mezi Doporučenými předměty celouniverzitní nabídky. V poslední době vzrostl mezi studenty neučitelských oborů zájem o Souběžné doplňující studium učitelství jednotlivých oborů studovaných na fakultě i počet absolventů neučitelských oborů

nejen naší fakulty ucházejících se o získání pedagogické způsobilosti v přírodovědných vyučovacích předmětech. Při hledání inovovaných forem práce vysokoškolských učitelů přišla na přetřes i otázka vytvoření samostatného pracoviště, které by sdružovalo učitele zabývající se výukou oborových didaktik, objevil se i návrh na vytvoření samostatné katedry. Fakulta zvolila formu jakéhosi virtuálního pracoviště, které vyučujícím oborových didaktik kateder garantujících učitelské obory a několika málo kmenovým pracovníkům centra vytváří platformu pro spolupráci. Například společně zajišťují průběh SZZ z pedagogiky a psychologie v prezenčním i kombinovaném studiu, spolupracovali při tvorbě akreditačních materiálů pro vznik doktorských studijních oborů Didaktika fyziky, Didaktika chemie i Didaktika matematiky, podílejí se na jejich realizaci a mohou se pochlubit i úspěšně obhájenými dizertačními pracemi. Učitelé centra jsou řešiteli velkého počtu projektů ESF OP RLZ i VK. Mezi velice úspěšné projekty lze zařadit zapojení do dvou mezinárodních projektů Socrates-Comenius zaměřených na tvorbu zajímavých výukových a metodických materiálů pro výuku přírodovědných předmětů a matematiky na sekundárních školách realizovaných ve spolupráci s didaktiky z Rakouska, Velké Británie, Slovenska, Itálie a Holandska. Z iniciativy členů centra se na fakultě započalo s tvorbou sítí fakultních škol, stáli u zrodu Stříbrné promoce, podíleli se na vzniku a Jarmarku chemie, fyziky a matematiky, Přírodovědného klokana a řady dalších aktivit. Jsou neúnavnými propagátory a popularizátory přírodovědných oborů i vychovateli reprezentantů našeho regionu a České republiky na republikových i mezinárodních soutěžích. Centrum pedagogické přípravy Přírodovědecká fakulta UP 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc telefon: 585 634 641 email: [email protected] http://cpp.upol.cz/

ostat ní a ktivity 10 8–1 09

Pedagogická příprava a oborové didaktiky na fakultě

Regionální výzkumná centra Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů

H

lavním cílem Regionálního Centra Pokročilých Technologií a Materiálů (RCPTM) je transfer a vývoj high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe, a účast Centra v prestižních mezinárodních sítích a konsorciích. RCPTM se zaměřuje na špičkový výzkum v oblasti nanočástic oxidu kovů pro katalytické a magnetické aplikace, uhlíkatých nanostruktur, nanočástic kovů pro antimikrobiální technologie a technologie čištění vody, koordinační chemie, fotoniky, nové přístrojové techniky v optice a ana-

lytické chemii. Jedním z hlavních cílů je rovněž nabízet prvotřídní mikroskopické, spektroskopické, magnetické a další přístroje pro komerční využití. Od roku 2011 RCPTM rovněž nabízí nové pozice pro více než 40 specialistů v nanomateriálovém, chemickém a optickém výzkumu. Struktura Centra ve formě šesti výzkumných oddělení je v souladu se šesticí výzkumných programů Centra: 1 Nanokrystalické oxidy přechodných kovů v environmentálních, medicínských, katalytických a optických aplikacích; 2 Uhlíkové nanostruktury, biomakromolekuly a hy­bridní systémy – syntéza, modelování inter­akcí a aplikace; 3 Biologicky aktivní sloučeniny a molekulární magnety na bázi komplexů přechodných kovů v interakci s nanokrystalickými magnetickými nosiči; 4 Pokročilé optické a fotonické technologie; 5 Pokročilé materiály na bázi nanočástic kovů a hydridů kovů s mimořádnými redukčními, antibakteriálními, sorpčními a katalytickými vlastnostmi; 6 Nanometrické systémy a nanotechnologie v nových analytických přístupech. RCPTM přispívá rovněž k výuce v několika fyzikálních a chemických oborech na všech stupních univerzitního vzdělání. Řada klíčových předmětů je garantována a vyučována předními vědci z příslušných oborů. RCPTM nabízí témata diplomových a doktorských prací, která jsou v úzké vazbě na aktuálně prováděný vědecký výzkum v Centru řešený v rámci národních i mezinárodních projektů, takže studenti i absolventi se přirozenou

Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 947 e-mail: [email protected] http://www.rcptm.com/

v ýzk um n á c ent ra 110–111

cestou stávají členy špičkových vědeckých týmů. Mnozí studenti získávají částečné pracovní úvazky ve skupinách RCPTM už během svého studia. Značná pozornost je věnována také internacionalizaci vědeckých týmů a podpoře mobility studentů na zahraniční spolupracující pracoviště. Obory spolugarantované RCPTM zahrnují Fyzikální chemii, Anorganickou chemii, Analytickou chemii, Materiálovou chemii, Nanotechnologie, Aplikovanou fyziku a Počítačovou fyziku.

Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum

R

ealizace projektu Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (C. R. Haná) byla zahájena 1. března 2010. Projekt získal dotaci z Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace v konečné výši 808 mil. Kč (z toho 85 % představuje příspěvek EU a 15 % příspěvek ze státního rozpočtu ČR). Do přípravy a vlastní realizace projektu byly a jsou zapojeny tři instituce – Univerzita Palackého v Olomouci jako příjemce dotace a jako partneři Ústav experimentální botaniky Akademie věd ČR, v. v. i., a Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v. i. Hlavní ideou projektu je užší propojení, rozšíření a podpora stávajících vědeckých týmů všech spolupracujících pracovišť a vybudování moderního zázemí a infrastruktury, což umožní vytvoření výzkumného centra rostlinných biotechnologií na evropské úrovni. Čím se Centrum zabývá? Obecně vzato, zkoumáme rostliny. Bez rostlin to nejde, jsou alfou a omegou života na Zemi a existence lidské společnosti, i když na to mnohdy zapomínáme. Vzhledem k neradostné celosvětové situaci je tento výzkum nezbytný. Potřebujeme vědět, jak

rostliny fungují, jaké látky produkují, jak tyto látky působí a jak je můžeme využít. Potřebujeme znát strukturu genomu zemědělských plodin, abychom mohli vyšlechtit plodiny s lepší odolností vůči chorobám a škůdcům, vyšší tolerancí vůči suchu a mrazu a s lepšími užitnými vlastnostmi. V C. R. Haná na to půjdeme „od molekul až po pole“. Od základního výzkumu až po biotechnologické a zemědělské aplikace. Půjdeme na to taky interdisciplinárně – s využitím poznatků a metod molekulární a buněčné biologie, genetiky, biochemie, biofyziky i rostlinné fyziologie. Takže – výzkum realizovaný v C. R. Haná zahrnuje tyto programy: 1 Proteinová biotechnologie. Tento program se zabývá výzkumem v oblasti rostlinných proteinů, zejména enzymů a strukturních a regulačních proteinů, a přípravou proteinů pro biotechnologické aplikace. 2 Chemická biologie a genetika. V rámci tohoto programu jsou studovány mechanismy životních pochodů v buňce a jejich regulace, zejména na úrovni fytohormonů a nízkomolekulárních látek. 3 Nové materiály a metody šlechtění rostlin. Tento program je zaměřen na strukturu genomu zemědělských plodin a na přípravu nových materiálů pro šlechtění obilovin a pícnin. 4 Rostlinné biotechnologie. V rámci tohoto programu budou připravovány nové linie transgenních rostlin s pozměněným metabolismem fytohormonů nebo se zásahem do signalizačních drah, cytoskeletu a endomembránových proteinů. 5 Fytofarma, genetické zdroje zelenin, léčivých, aromatických a kořeninových rostlin. Tento výzkumný program bude zaměřen zejména na využití genových zdrojů léčivých rostlin a zelenin, které jsou uloženy v genové bance spravované Výzkumným ústavem rostlinné výroby. Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Přírodovědecká fakulta UP Šlechtitelů 11, 783 71 Olomouc telefon: 585 634 775 e-mail: [email protected] http://www.cr-hana.eu/

v ýzk um n á c ent ra 112–113

Z

a šedesát let svého trvání si Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého vybudovala pevné postavení mezi českými a slovenskými vysokými školami v oblasti přírodních a exaktních věd. Postupně se zařadila i mezi důležité výzkumné instituce. Naše vědecké týmy dosahují významných výsledků a jsou konkurenceschopné i na mezinárodní úrovni. Na výzkumu se podílejí také studenti, často už od bakalářského stupně studia. I v budoucnu se chceme profilovat jako výzkumná fakulta. Důraz klademe především na kvalitu, jak v oblasti výuky, tak výzkumu.

114–115

Přírodověděcká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci 17. listopadu 1192/12 771 46 Olomouc tel.: 585 634 060 fax: 585 634 002 e−mail: [email protected] http://www.upol.cz/fakulty/prf http://www.facebook.com/prfupol http://twitter.com/prfupol

60 let přírodovědecké fakulty univerzity palackého Kolektiv autorů Vydala Univerzita Palackého v Olomouci, Křížkovského 8, 771 47 Olomouc 1. vydání, Olomouc 2013 Redakce: Miloslav Dušek a Michal Smolka Grafická úprava a sazba: Ondřej Chorý Fotografie: Archív PřF UP, pracoviště PřF UP, archív UP a osobní archívy absolventů PřF UP Fotografie na obálce: Viktor Čáp Tisk: Východočeská tiskárna spol. s r.o. Náklad: 3 000 výtisků Neprodejná publikace ISBN: 978-80-244-3646-3