Protingi glitėsiai? Praktinis gleivūnų tyrinėjimo projektas Teach article

Author(s): Claas Wegner, Friederike Strehlke, Phillip Weber

Vertė Urtė Neniškytė. Šios paprastos, bet neįprastos gyvybės formos gali būti naudojamos lavinant mokinių žinias apie gyvybę ir mokslinį metodą.

Plazmodis savo natūralioje aplinkoje
Paveikslas publikuojamas Frankenstoen/Wikimedia commons leidimu

Judantys raudoni ar geltoni glitėsiai gali skambėti kaip kažkas iš 1950-ųjų mokslinės fantastikos filmo, tačiau mokslininkai dažnai naudoja gleivūnus kaip modelinius organizmus tyrinėdami ląstelių judėjimą, augimą ir diferenciaciją (Montag, 2008).

Gleivūnai (Eumycetozoa) yra viena iš didžiausios įvairovės genčių, žinomų žmogui. Dėl skirtingumo juos sunku klasifikuoti, o ir pati klasifikacijos sistema keičiasi kas kelerius metus. Netgi nėra aišku, kokiai kitai organizmų grupei jie priklauso: jų vaisiakūniai primena tikruosius grybus, tačiau pagal genetiką jų artimiausi giminaičiai yra žiuželiniai ir amebos (Hoppe & Kutschera, 2010).

1 paveikslas: Physarum
vystymasis. Vegetatyvinis
Physarum vystymasis
prasideda susiliejant
haploidinių miksamebos ir
miksožiuželinio porai (1).
Tuomet susidariusios
diploidinės zigotos (2)
branduolys keletą kartų
mitotiškai dalinasi,
nesidalijant pačiam
plazmodžiui, taip susidarant
daugiabranduolinam
plazmodžiui (3). Šis
plazmodis tuomet per tris –
keturias dienas kambario
temperatūroje išauga į
makroskopinį tinklą
(Esser, 2000). Nors įprastas
tokio tinklo dydis yra apie 15
´ 15 cm, aprašyta ir didesnių
nei 3 m2 plazmodžių
(Marwan, 2001).
Paveikslas publikuojamas
autorių leidimu

Žinoma daugiau nei 1000 tikrųjų gleivūnų (Myxomycetes poklasio) rūšių, ir kiekvienas jų organizmas yra sudarytas iš vienintelės ląstelės. Jie prisitaikę prie pačių įvairiausių aplinkos sąlygų ir minta kitais mikroorganizmais arba detritu.

Geriausiai žinoma Myxomycetes rūšis yra Physarum polycephalum, kuriuos nesudėtinga pritaikyti demonstruojant įvairius paprastus biologinius procesus.

Makroskopinė gleivūno forma, vadinama plazmodžiu, nuolat juda aplink ieškodama maisto; kai Physarum jį randa, jis prarija daleles ar mikroorganizmus, sudarydamas maisto vakuoles, kurios tuomet yra suvirškinamos ląstelės viduje (Esser, 1976). Šis procesas vadinamas fagocitoze.

Jeigu Physarum aplinka pernelyg išdžiūsta, jis pereina į atsparesnę formą, kurioje gleivūnas gali išgyventi ilgus sausros laikotarpius. Sąlygoms pagerėjus, gleivūnas gali vėl išsivystyti į normalų plazmodį. Tačiau paprastai aplinkos veiksniai, tokie kaip nuolatinė šviesa ar maisto trūkumas, skatina Physarum sudaryti vaisiakūnius. 1 paveiksle pateiktas gleivūno vystymosi ciklas.

Gleivūnų tyrinėjimas

Čia aprašytas projektas užtrunka dvi pamokas ir skirtas 16‑19 metų mokiniams. Užduoties planas sudarytas taikant mokslinį metodą ir padalintas į tris dalis: įvadinę (teoriniai pagrindai), užduoties atlikimo (praktika) ir vertinimo bei pristatymo.

Pradėkite parodydami mokiniams Physarum kultūrą. Mokiniai mažomis grupėmis galėtų ištirti gleivūnus naudodami padidinamąjį stiklą ir užsirašyti pagrindines jų savybes. Lentoje užrašykite apibendrintus jų rezultatus kaip minčių žemėlapį, kurio centre būtų Physarum polycephalum.

Taip pat galite parodyti filmuką, vaizduojantį gleivūno gyvenimo ciklą, pavyzdžiui, iš YouTubew1 svetainės. Kadangi filmuke rodomas ląstelių judėjimas, kuris atrodo kryptingas, galite paklausti savo mokinių, kaip, jų nuomone, gleivūnas orientuojasi aplinkoje. Užrašykite klausimą ir keletą atsakymų lentoje.

Kai mokiniai pradeda kurį nors iš pateiktų eksperimentų, įsitikinkite, kad jie pirmiausia užsirašo hipotezę apie laukiamą rezultatą. Atlikdami kiekvieną eksperimentą, mokiniai turėtų darbalapiuose užrašyti, ką atliko ir kokie gautieji rezultatai. Tai padeda atmintyje išlaikyti informaciją ir skatina nenukrypti nuo plano. Užduoties pabaigoje surinkite rezultatus ir aptarkite juos klasėje, galiausiai įvertindami hipotezes, kurias iš pradžių pasiūlė mokiniai. Kadangi dauguma iš pateiktų eksperimentų užtrunka, vertinimas ir pristatymas atliekamas per antrąją dvigubą pamoką.

 

Gleivūnų judėjimas

Atliekant čia aprašytus chemotaksio ir fototaksio eksperimentus, gauti rezultatai gali būti surašomi į darbalapį „Šliaužiantys glitėsiai“w2

1 Chemotaksis

Paveikslas publikuojamas
autorių leidimu

Physarum randa maistą ir vengia žalingų aplinkos veiksnių judėdamas pagal jaučiamus cheminius dirgiklius – šis procesas žinomas kaip chemotaksis. Šioje pamokoje mokinių grupės tyrinėja chemoatraktantų ir repelentų poveikį. Pusė klasės tiria teigiamus stimulus, o kita pusė – neigiamus.

Priemonės:

  • Sterilizuoti avižiniai dribsniai

  • Petri lėkštelės su agaru ir Physarum polycephalum kultūra

  • Distiliuotas vanduo

  • Baltas/spirito actas

Darbo eiga:

Padėkite cheminį dirgiklį 1,5 cm atstumu nuo plazmodžio Petri lėkštelėje. Teigiamam chemotaksiui naudokite avižinį dribsnį, neigiamam chemotaksiui ant avižinio dribsnio užlašinkite acto. Padenkite visą lėkštelę plonu distiliuoto vandens sluoksniu ir kurį laiką palaikykite ją tamsoje, kambario temperatūroje.

Po kurio laiko išimkite Petri lėkšteles ir išmatuokite atstumą tarp gleivūno ir avižinio dribsnio.

Apie tai, kas vyksta

Plazmodis bus pajudėjęs link teigiamo dirgiklio – avižinio dribsnio. Ląstelėje bus matomi stori kanalai, kuriais šviežios maistinės medžiagos pernešamos į kiekvieną organizmo dalį. Priešingai, kitame eksperimente, gleivūnas bus pajudėjęs į priešingą pusę nuo neigiamo dirgiklio – avižinio dribsnio, išmirkyto acte.

Šio eksperimento rezultatai rodo, kad Physarum turi turėti chemoreceptorių, kadangi aplinkoje buvo visiškai tamsu. Jie taip pat rodo, kad gleivūnas geba išmatuoti koncentracijų skirtumus, kadangi jis juda tiesiai į maisto šaltinį: jeigu vienoje ląstelės pusėje aktyvuojama daugiau receptorių, gleivūnas žino, kur koncentracija yra aukštesnė. Šie receptoriai ląstelėje įjungia signalo perdavimo grandinę, kuri galiausiai lemia ląstelių migraciją.

Eksperimentas gali būti pasirinktinai išplėstas: mokiniai gali išmirkyti avižinius dribsnius skirtingose medžiagose, pateikti juos Physarum tuo pačiu metu bei tuo pačiu atstumu ir stebėti, link kurio avižinio dribsnio gleivūnai juda.

2 Fototaksis

Šviesos sužadintas judėjimo, vadinamo fototaksiu, atsakas skiriasi jaunuose ir senuose gleivūnuose. Šis eksperimentas gali parodyti, kaip, o grupės galės aptarti, kodėl.

Priemonės:

  • Žibintuvėlis
  • 1 Petri lėkštelė su agaru ir jauna (2‑3 dienų) Physarum polycephalum kultūra
  • 1 Petri lėkštelė su agaru ir sena (1,5 savaitės) Physarum polycephalum kultūra

Darbo eiga:

Nukreipkite žibintuvėlio šviesos pluoštą į jauno Physarum kraštą. Gleivūnas iškart pradės trauktis iš apšviestos srities. Jeigu Physarum tuomet padėsite į tamsą, jis sugrįš į pradinę savo vietą. Pakartokite eksperimentą su senesniu Physarum – jis judės link šviesos.

Apie tai, kas vyksta

Fototaksio atsakas tampa teigiamas, kai plazmodis yra pakankamo amžiaus, kad galėtų sudaryti vaisiakūnius (Esser, 1976). Plazmodis nori užauginti vaisiakūnius atviroje vietoje, kad juos galėtų pasiekti vėjas. Ten, kur yra šviesos, paprastai nėra didelių augalų ar kliūčių, trukdančių pasklisti sporoms.

Jaunesni Physarum, priešingai, vengia šviesos, kadangi šviesa taip pat reiškia daugiau šilumos, dėl kurios gleivūnams gresia išdžiūti.

 

Papildomi eksperimentai

Ištyrus chemotaksio ir fototaksio principus, galima atlikti papildomų eksperimentų gleivūnų savybėms ištirti.

Japonų mokslininkai pradėjo studijuoti gleivūnų intelektą 2000-aisiais, kai atrado, kad jie, ieškodami maisto, geba gana greitai surasti trumpiausią kelią per labirintą link maisto (Nakagaki et al., 2000). Po keleto metų, mokslininkai netgi panaudojo Physarum kaip centrinį valdymo elementą šešiakojame gleivūnų robote (Tsuda et al., 2007). Tero et al. (2010) parodė, kad gleivūnai netgi sugeba sukurti efektyvų tinklą tarp kelių maisto šaltinių. Jie išdėstė 36 maisto šaltinius aplink vieną centrinį šaltinį tvarka, atitinkančia geografinę Tokijo ir aplinkinių miestų padėtį. Physarum sudarė tinklą, kuris buvo beveik identiškas geležinkeliams, jungiantiems šiuos miestus.

Aprašytasis tinklo sudarymo eksperimentas, kurio metu gleivūnai imituoja geležinkelių tinklą ar ką nors panašaus, yra itin tinkamas kaip papildomas eksperimentas, kurį klasėje galima atlikti naudojant parsisiunčiamą darbalapį pavadinimu „Protingi glitėsiai“w3.

Padėkite avižinį dribsnį į Petri lėkštelės vidurį ir leiskite plazmodžiui jį praryti. Tuomet aplink gleivūną pasirinkta tvarka išdėstykite kitus dribsnius. Jie galėtų sudaryti tam tikrą formą arba atitikti aplinkinių miestų geografinę padėtį.

Po dienos ar dviejų Physarum bus nustatęs efektyviausias jungtis tarp visų išdėstytų dribsnių, ir mokiniai galės palyginti juos su geležinkelių tinklu. Procesas, lemiantis šį reiškinį, yra gana paprastas. Jungtys su didesniu citoplazmos srautu stiprėja, o jungtys su mažesniu srautu silpnėja tol, kol galiausiai išnyksta (Tero et al., 2010). Kadangi tarp dviejų maisto šaltinių visuomet vyksta intensyvi ciklinė pernaša, arba ciklozė, šios jungtys automatiškai tampa stipresnės.

Kad parodytumėte mokiniams, kaip gleivūnas tai padaro, atlikite organizmų ciklozės eksperimentą, naudodami parsisiunčiamą darbalapįw4.

Mokiniai taip pat galėtų sukonstruoti labirintą iš kartono ant agaro pagrindo ir išdėlioti jame neigiamų dirgiklių (pvz., sterilizuotų avižinių dribsnių, išmirkytų acto esencijoje) bei gale padėti teigiamą dirgiklį. Po kurio laiko Physarum atras kelią per labirintą. Tačiau kadangi tai lemiantis procesas yra visiškai automatiškas, sunku pasakyti, ar šis reiškinys įrodo, kad gleivūnai yra protingi.

References

  • Esser K (1976) Kryptogamen. Berlin, Germany: Springer Verlag. ISBN: 9783540076384
  • Esser K (2000) Kryptogamen 1: Cyanobakterien, Algen, Pilze, Flechten. Berlin, Germany: Springer Verlag. ISBN: 9783540664512
  • Hoppe T, Kutschera U (2010) In the Shadow of Darwin: Anton de Bary’s Origin of Myxomycetology and Molecular Phylogeny of the Plasmodial Slime Molds. Theory in Biosciences 129(1): 15-23
  • Marwan W (2001) Photomovement and Photomorphogenesis in Physarum polycephalum: Targeting of Cytoskeleton and Gene Expression by Light. In Häder P, Lebert M (eds) Photomovement. Amsterdam, Netherlands: Elsevier. ISBN: 978-0444507068
  • Montag K (2008) Lichtscheue Mykophagen. Der Tintling 56(3): 12-38
  • Nakagaki T, Yamada H, Tóth Á (2000) Intelligence: Maze-solving by an Amoedoid Organism. Nature 407(6803): 470
  • Tero A, Takagi S, Saigusa T, Ito K, et al. (2010) Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design. Science 327(5964): 439-441
  • Tsuda S, Zauner KP, Gunji YP (2007) Robot Control with Biological Cells. Biosystems 87(2-3): 215-223

Web References

  • w1 – Pažiūrėkite trumpą filmuką apie gleivūnų gyvenimą.
  • w2 – Parsisiųskite darbalapį, skirtą aprašyti chemotaksio ir fototaksio stebėjimus, Word arba PDF formatu.
  • w3 – Parsisiųskite darbalapį, skirtą aprašyti, kaip gleivūnai modeliuoja tinklus, Word arba PDF formatu.
  • w4 – Parsisiųskite darbalapį, skirtą aprašyti ciklozės stebėjimus, Word arba PDF formatu.

Author(s)

Dr Claasas Wegneris yra vyresnysis biologijos ir fizinio lavinimo mokytojas vidurinėje mokykloje ir Biologijos mokymo katedros lektorius Bielefeldo universitete (Department for Didactics of Biology, Bielefeld University), Vokietijoje.

Friederike Strehlke turi edukologijos ir anglų kalbos magistro laipsnį ir dirba asistente Biologijos mokymo katedroje Bielefeldo universitete (Department for Didactics of Biology, Bielefeld University).

Philipas Weberis turi biologijos ir anglų kalbos magistro laipsnį ir dirba asistentu Biologijos mokymo katedroje Bielefeldo universitete (Department for Didactics of Biology, Bielefeld University).

Review

Praktinės užduotys, aprašytos straipsnyje, suteikia mokiniams galimybę ištirti, kaip gleivūnai prisitaikę naudoti šviesą ir kaip jie maitinasi.

Užduotys taip pat galėtų būti atliekamos jaunesnių mokinių, tiriančių, kaip gleivūnai randa maistą. Šiuos eksperimentus aš naudočiau su 16–19 metų mokiniais, kaip įvadą pristatant būdus, kuriais mokslas yra naudojamas išspręsti problemas, su kuriomis susiduria šiuolaikinė civilizacija. Mokiniai galėtų pagalvoti, kokias kitas problemas jie galėtų išspręsti, naudodami čia aprašytas idėjas.

Manau, kad panaudojus šiek tiek vaizduotės, būtų galima įvairiausiais būdais pritaikyti gleivūnus mokinių žinioms išplėsti – pavyzdžiui, parodant būdą, kuriuo gleivūnai gali išspręsti labirinto problemą. Praktinės užduotys yra pakankamai paprastos ir pigios, kad mokiniai galėtų suplanuoti savo pačių eksperimentus, taip vystydami savo problemų sprendimo įgūdžius.

Mike‘as Sandsas, Longcroft mokykla, JK

License

CC-BY-NC-SA