Bioluminiscencia: combinando biología, química y biónica Teach article

Integrar los principios clave de biología, química e ingeniería con un conjunto de experimentos basados en bioluminiscencia

Introducción y resumen

Esta unidad de aprendizaje utiliza la bioluminiscencia de las luciérnagas para demostrar conceptos relacionados con las reacciones enzimáticas y químicas. La unidad de aprendizaje está compuesta de dos partes:

  • Introducción a los principios biológicos y químicos de la bioluminiscencia.
  • Experimentos para mostrar las reacciones de bioluminiscencia enzimática y basada en iones y su dependencia de la temperatura

Se proporciona también una actividad suplementaria para explorar los aspectos biónicos relacionados con el tema, comparando las luciérnagas y los diodos emisores de luz, llamados ledes.

Estas actividades están dirigidas a estudiantes de 16 años o más, ya familiarizados con los principios básicos de la célula, como llevar a cabo experimentos y anotar observaciones, y también las propiedades y procesos de las reacciones químicas. Esta unidad también puede ser usada para enseñanza interdisciplinar, por ejemplo incluyendo las propiedades físicas de la luz. Después de completar la unidad, el alumnado deberá ser capaces de:

  • Describir las propiedades estructurales del fotóforo de los lampíridos.
  • Relacionar estas propiedades con los procesos generadores de luz que se dan en los fotóforos.
  • Explicar los procesos químicos implicados en la luminiscencia.
  • Comparar y contrastar los procesos y propiedades de la bioluminiscencia y quimioluminiscencia.
  • Explicar la función de las enzimas en las reacciones catalizadas por estas.
  • Formular hipótesis y llevar a cabo experimentos para comprobarlas.

En el documento adjunto se proporciona un resumen del contexto teórico necesario para entender las tareas y experimentos, y ayudar al alumnado con posibles preguntas.

Unidades de enseñanza

La unidad de enseñanza sobre luciérnagas se compone de dos partes y se puede llevar a cabo en dos o tres lecciones. En la primera parte, el alumnado descubre los aspectos básicos biológicos y químicos del tema. En la segunda parte, llevarán a cabo experimentos para explorar la aceleración catalítica de una reacción, las enzimas dependientes de temperatura y las reacciones de bioluminiscencia basadas en iones. Basándose en sus resultados, el alumnado propondrá explicaciones para debatir con el resto del grupo.

El tiempo empeñado por el alumnado para trabajar independientemente en las fichas de ejercicios 1-3 no debería llevar más de la mitad del tiempo de la primera lección, para asegurar que hay tiempo suficiente para generar hipótesis para la segunda actividad en las siguientes lecciones.

En la segunda y tercera lección, el alumnado llevará a cabo experimentos en grupos de investigación. Las fichas de ejercicios 4-6 proporcionan información relevante sobre el contexto y los procedimientos de los dos experimentos, junto con preguntas de ayuda para que el alumnado interprete los resultados. Después de cada experimento, se recolectarán los resultados y se debatirán en clase para compararlos con las hipótesis generadas en la primera parte. De esta manera, las hipótesis basadas en experiencia se compararán con evidencias empíricas.

Actividad 1

En la primera lección, se introducirá el tema al alumnado. Esta primera actividad se basa en teoría. Las fichas de ejercicios 1-3 introducen datos sobre lampíridos y se anima al alumnado a pensar cómo funciona la bioluminiscencia y a crear hipótesis.

  1. Primero se informa al alumnado de la estructura de las actividades para garantizar transparencia. Se puede mostrar una película[1] para introducir el tema y generar curiosidad.
  2. Se divide entonces al alumnado en grupos (grupos de investigación) para trabajar en las fichas de ejercicios, las cuales introducen tres especies de Lampyridae (Lampyris noctiluca, Lamprohiza splendidula, y Phosphaenus hemipterusficha de ejercicios 1), el fotóforo y sus propiedades estructurales (ficha de ejercicios 2), como también las reacciones de bioluminiscencia (ficha de ejercicios 3).
  3. Después el alumnado deberá considerar las siguientes preguntas:
    • ¿Funcionaría la reacción de bioluminiscencia en un tubo de ensayo?
    • ¿Cómo afectarían  temperaturas superiores a 50°C a esta reacción?
    • ¿Esperarías un resultado diferente para la quimioluminiscencia no enzimática?
  4. Basándose en estas preguntas, el alumnado generará entonces hipótesis y las podrán comprobar en experimentos posteriores. Las hipótesis del alumnado serán recopiladas en clase.

Actividad 2

Esta actividad se lleva a cabo usando muestras secas de Vargula hilgendorfii.[2] Estas muestras contienen luciferasa y substrato de luciferina, que puede reaccionar para producir luz cuando la muestra se pulveriza y rehidrata. Siguiendo los pasos de la ficha de ejercicios 4, el alumnado llevará a cabo e interpretará el experimento. Para ello el alumnado debería tener el tiempo de una lección completa.

Materials

  • Una pipeta
  • Dos tubos de ensayo
  • Un cepillo de cerda
  • Uso de un hervidor
  • Un pilón y mortero pequeños
  • 30 Vargula hilgendorfii secas

Importante: ¡Todos los materiales tienen que estar completamente secos! De acuerdo con el GHS/CLP, las sustancias requeridas no son dañinas.

Procedimiento

  1. Triturar dos tandas de 15 Vargula hilgendorfii usando el mortero pequeño. Usando el cepillo de cerda se recogerán los polvos resultantes en dos tubos de ensayo secos.
La disposición para la actividad 2
Disposición de la actividad 2
Imagen por cortesía de Marcel Hammann
  1. Una vez que todos los equipos hayan preparados sus materiales, el profesor/a cerrará las persianas. A oscuras en la habitación, se pipetearán 2 ml de agua fría (20°C) en un tubo de ensayo y 2 ml de agua caliente (aprox. 80°C) en el otro.
Los pasos finales de la actividad 2 cuando la reacción de luminiscencia es activada
Últimos pasos: activando la reacción de luminiscencia
Imagen por cortesía de Marcel Hammannn

Actividad 3

La actividad en la tercera lección ayuda al alumnado a obtener un conocimiento más profundo de los procesos químicos involucrados en la quimioluminiscencia. En el experimento, el alumnado trabajará con luminol basándose en la hoja de ejercicios 5.

Materiales

  • Hojas de ejercicios y 6
  • Una espátula para polvo (aprox. 17 cm)
  • Una pipeta (3 ml)
  • Dos cables de cobre
  • Un termómetro
  • Dos tubos de ensayo
  • Uso de un hervidor
  • Una espátula con microcuchara
  • Un estante para tubos de ensayo
  • Un matraz alto (150 ml)

Procedimiento

  1. Se llenan dos tubos de ensayo con agua destilada (un tercio cada uno). Se añade cloruro de amonio (aprox. 0.2 g) y carbonato de sodio (aprox. 0.2 g) a cada tubo de ensayo usando la punta de la espátula. Se añade el luminol (aprox. 0.02 g) con ayuda de la microcuchara de la espátula. Agitando suavemente se mezclan completamente las dos soluciones.
Una espátula para polvo y una espátula con microcuchara
Espátula para polvo (izquierda) y espátula con microcuchara (derecha)
Imagen por cortesía de Marcel Hammann
Calentamiento del Segundo tubo en la actividad 3
Disposición de la actividad 3
Imagen por cortesía de Marcel Hammann
  1. Se calienta el agua en el hervidor y se vierte en el matraz, como un baño de agua (al baño María). Se añade un termómetro a uno de los tubos de ensayo y se calienta la solución a 60-70°C en el baño de agua. Si es necesario, se puede remplazar el agua del matraz con agua caliente del hervidor.
Calentamiento del Segundo tubo en la actividad 3
Calentamiento del segundo tubo
Imagen por cortesía de Marcel Hammann
  1. Después de que uno de los tubos de ensayo haya sido calentado, se añaden 3 ml de peróxido de hidrógeno (3%) con una pipeta a los dos tubos de ensayo. Se coloca entonces el cable en la solución de cada tubo de ensayo en una habitación a oscuras. Se compara entonces la luminosidad de las dos soluciones.
Los últimos pasos de la actividad 3 cuando la reacción de luminiscencia es activada
Últimos pasos: activación de la reacción de luminiscencia
Imagen por cortesía de Marcel Hammann
  1. Se debería repartir la hoja de ejercicios 6 durante los últimos 20 minutos de la lección, cuando el alumnado haya completado el experimento. El alumnado debería ahora comparar sus conclusiones de las hojas de ejercicios 2 y 3 y anotar las diferencias y similitudes entre bio- y quimioluminiscencia.

Actividad 4: Actividad suplementaria opcional

En una actividad suplementaria opcional se introducen los ledes y se pueden explorar los aspectos biónicos del tema, junto con su relevancia en la vida real. La hoja de ejercicios 7 guía al alumnado durante la actividad suplementaria. Después de completar la actividad, el alumnado será capaz de:

  • Comparar y contrastar las propiedades estructurales de los fotóforos y los ledes.
  • Deducir aplicaciones biónicas basadas en las propiedades estructurales de los fotóforos.

En la primera mitad de la lección, se proporciona información del contexto sobre cómo funcionan los ledes y las similitudes entre la luminiscencia de las luciérnagas y los ledes. El alumnado debería anotar algunas conjeturas iniciales sobre cómo se podría aumentar la eficiencia de la luminosidad de los ledes y explorar entonces los efectos de poner una lente en frente de una linterna led en la segunda mitad de la lección.

Materiales

  • Una linterna led
  • Una lente
  • Dos hojas de papel
  • Un metro plegable
  • Un bolígrafo

Procedimiento

  1. Se apunta con una linterna led a una hoja de papel (a 30 cm de distancia) en la habitación a oscuras. Se rodea con un bolígrafo la zona iluminada.
  2. Se coloca una lente en frente de la linterna de led y se rodea con un bolígrafo otra vez la zona Iluminada en el papel.
  3. Se apunta a la pared con la linterna led, con y sin la lente (3 m de distancia).
Flujo de trabajo para la actividad 4
Flujo de trabajo para la actividad 4
Imagen por cortesía de Marcel Hammann

El alumnado debería anotar y debatir sus observaciones de cómo la lente cambia la apariencia de la luz de la linterna led. Deberían después comparar las propiedades estructurales de la linterna led y un fotóforo mediante un resumen esquemático. Después, los resultados deberían ser debatidos entre toda la clase.


References

[1] Por ejemplo: un video mostrando el ciclo de vida de las: https://vimeo.com/31952006.

[2] Estas pruebas se pueden pedir en tiendas en internet de proveedores científicos, por ejemplo, https://www.carolina.com/https://www.der-hedinger.de/.

Resources

Author(s)

Prof. Dr Claas Wegner es profesor de didáctica de la biología en la Universidad de Bielefeld y profesor de psicología en la Universidad de ciencias aplicadas para la pequeña y mediana empresa (Fachhochschule des Mittelstands – FHM), como también fundador y director del centro Osthushenrich de investigación en superdotación intelectual (Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung – OZHB) en el departamento de biología en la Universidad de Bielefeld.

Marcel Hammann (M.Ed.) es un antiguo estudiante del departamento de biología en la Universidad de Bielefeld y profesor de escuela secundaria.

Carolin Zehne (M.Ed.) es profesora en la Universidad de Bielefeld (enseñando inglés como lengua extranjera).


Review

La bioluminiscencia ha fascinado a las personas desde los inicios de la historia de la humanidad hasta nuestros días. Los autores dan a los profesores y especialmente al alumnado la oportunidad de entender los procesos detrás de este fenómeno a través de materiales y actividades interesantes.

La innovación de este artículo es la combinación de bioluminiscencia, quimioluminiscencia y ledes en un solo curso. Como resultado el alumnado aprende simultáneamente los conceptos básicos en común y las diferencias de estos temas.

Ernst Hollweck, profesor y referente de biología y química, ISB (Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung) Múnich, Alemania.

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