Intelligent slijm? Een praktisch project voor het onderzoek van slijmzwammen Teach article

Vertaald door Piet Das. Deze simpele maar ongewone levensvormen kunnen worden gebruikt om begrip over levende organismen en wetenschappelijke methodes te ontwikkelen bij leerlingen.

Bewegend rood of geel slijm klinkt misschien als iets uit een 1950 science fiction film, maar wetenschappers gebruiken vaak slijmzwammen als model om de beweeglijkheid van cellen, de groei en differentiatie van organismen te bestuderen (Montag, 2008).

Slijmzwammen ( Eumycetozoa ) zijn één van de meest diverse geslachten die de mens kent. Vanwege hun verscheidenheid, is het moeilijk ze te classificeren en het classificatiesysteem zelf verandert om de paar jaar. Het is zelfs niet duidelijk tot welke andere groep van organismen ze behoren: hun vruchtlichamen lijken op die van echte schimmels, maar hun erfelijke eigenschappen laten zien dat ze meer verwant zijn aan flagellaten en amoeben (Hoppe & Kutschera, 2010).

Er zijn meer dan 1000 soorten echte slijmzwammen (subklasse Myxomyceten), en elk organisme bestaat uit één cel. Zij hebben zich aangepast aan allerlei milieus en voeden zich met andere micro-organismen of dood organisch materiaal.

Physarum polycephalum is de bekendste soort van de Myxomyceten.  Het is een eenvoudig te gebruiken organisme waarmee vele fundamentele biologische processen kunnen worden gedemonstreerd.

De macroscopische vorm van de slijmzwam, een zogenaamde plasmodium, beweegt voortdurend rond op zoek naar voedsel; als Physarum het eenmaal heeft gevonden, zal het de deeltjes van de  micro-organismen in zich opnemen, waarbij hij voedselvacuolen vormt die vervolgens binnen de cel verteerd worden. (Esser, 1976). Dit proces heet fagocytose.

Als het milieu om Physarum te droog is, verandert het in een meer resistente vorm van de zwam om het in staat te stellen lange droogteperiodes te overleven. Zodra de omstandigheden verbeteren, kan de zwam zich opnieuw ontwikkelen tot een normaal plasmodium. Milieu-invloeden zoals een constant licht- of voedseltekort, dwingen Physarum echter direct om vruchtlichamen te ontwikkelen. Figuur 1 toont de ontwikkelingscyclus van een slijmzwam.

Slijmzwammen onderzoeken

Het hier beschreven project beslaat twee lessen voor leerlingen van 16-19 jaar. Het ontwerp van de lessenserie is afgeleid van de wetenschappelijke methode en is verdeeld in drie fasen: de introductiefase ( theoretische achtergrond) , de uitvoeringsfase (practicum), en de evaluatie- en presentatiefase.

Begin met je leerlingen een Physarum cultuur te laten zien. De leerlingen kunnen de schimmel in kleine groepen onderzoeken met een vergrootglas om de belangrijkste kenmerken te noteren. Verzamelen hun resultaten in een mindmap op het bord, met in het midden Physarum polycephalum

U kunt ook een film vertonen over de levenscyclus van de slijmzwam, bijvoorbeeld van YouTube^w1.Omdat de video bewegingen van de cel laat zien die doelgericht lijken te zijn, kunt u de leerlingen vragen hoe zij denken dat de schimmel zich kan oriënteren. Noteer de vraag en een paar antwoorden op het bord.

Wanneer de studenten beginnen aan een van de hieronder beschreven experimenten, zorg er dan voor dat ze eerst hypothesen opschrijven over het verwachte resultaat. Bij elk experiment moeten de leerlingen op hun werkbladen noteren wat ze doen en wat de resultaten zijn. Dit zorgt er voor dat de informatie beter onthouden wordt en het houdt ze op het goede spoor. Verzamel de resultaten aan het einde van de lessen en bespreek ze in de klas, waarbij de hypothesen die de leerlingen oorspronkelijk voorgesteld hebben beantwoord worden. Omdat de meeste van de hierboven beschreven experimenten enige tijd duren om af te krijgen, worden de evaluatie en de presentatie gedaan in de tweede dubbele lessenserie.

Bewegingen van de zwammen

De bij de chemotaxie- en fototaxie-experimenten verkregen resultaten die hier worden beschreven kunnen worden ingevuld op het werkblad ‘Kruipend Slijm’^w2

1 Chemotaxie

Physarum vindt voedsel en vermijdt schadelijke omstandigheden door te bewegen in reactie op chemische stimuli – een proces dat bekend staat als chemotaxie. In deze les onderzoeken kleine groepen leerlingen het effect van chemoattractanten en insectenwerende middelen. De ene helft van de klas bestudeert het positieve type respons, terwijl de andere helft het negatieve type bestudeert.

Materialen:

• Gesteriliseerde havervlokken
• Petrischalen met agar en gekweekte Physarum polycephalum
• Gedestilleerd water
• Witte of schoonmaakazijn

Werkwijze:

Zet een chemische stimulus 1,5 cm van plasmodium in een petrischaal. Gebruik een havervlok voor een positieve chemotaxie; laat wat azijn vallen op de vlok voor een negatieve chemotaxie. Bedek de hele plaat met een dunne laag gedestilleerd water en bewaar deze enige tijd op een donkere plaats bij kamertemperatuur.

Haal de petrischalen er na een tijdje uit en meet de afstand tussen de zwam en de havervlok.

Wat gebeurt er?

Het plasmodium zal in de richting van de positieve stimulus, de havervlok, bewogen zijn. Dikke kanalen zullen in de cel zichtbaar zijn, waardoor de verse voedingsstoffen naar elk deel van het organisme getransporteerd worden. Ondertussen zal de zwam in het andere experiment zich van de negatieve stimulus – de havervlok gedrenkt in azijn – hebben bewogen. 

De resultaten van het experiment suggereren dat Physarum chemoreceptoren moet hebben want de omgeving was helemaal donker. Ze laten ook zien dat de zwam in staat is om concentratieverschillen te meten, omdat hij direct naar de voedselbron toe bewoog: indien meer receptoren geactiveerd worden aan één kant van de cel, weet het waar de concentratie hoger is. Deze receptoren induceren een signaaltransductie in de cel, wat uiteindelijk leidt tot de migratie van de cel .

Het experiment kan worden uitgebreid tot een keuze-experiment: de studenten kunnen de havervlokken in verschillende stoffen dippen en ze presenteren aan Physarum op hetzelfde moment en op dezelfde afstand, en zien naar welke havervlok de zwam beweegt.

2 Fototaxie

Beweging in reactie op licht, genaamd fototaxie, is anders voor jonge en voor oude slijmzwammen. Dit experiment kan laten zien hoe en de groepen kunnen dan bediscussiëren waarom.

Materialen:

• Zaklamp
• 1 petrischaal met agar en jonge (2-3 dagen oude) Physarum polycephalum
• 1 petrischaal met agar en oude (1,5 week oude) Physarum polycephalum

Werkwijze:

Richt de straal van de zaklamp op het uiteinde van een jonge Physarum. Hij zal zich onmiddellijk gaan terugtrekken uit het verlichte stuk. Als de Physarum daarna in het donker wordt gezet, zal hij terugkeren naar zijn originele positie. Herhaal het experiment met een oudere Physarum – deze zal naar het licht toe bewegen.

Wat gebeurt er?

De fototactische reactie wordt positief zodra het plasmodium oud genoeg is om vruchtlichamen te bouwen (Esser, 1976). Het plasmodium wil haar vruchtlichamen laten groeien op een vrije plek, zodat ze in de wind kunnen komen te zitten. Waar licht is zijn meestal geen grote planten of obstakels die de verspreiding van sporen verhinderen

Jongere Physarum daarentegen vermijden licht omdat licht ook meer hitte kan betekenen, waardoor de zwam bedreigt wordt met uitdroging.

Verdere experimenten

Nadat de principes van chemotaxie en fototaxie zijn onderzocht, zijn verdere experimenten om de eigenschappen van slijmzwammen te onderzoeken mogelijk. 

Japanse wetenschappers begonnen met het bestuderen van de intelligentie van de zwam in 2000, toen zij ontdekten dat het vrij snel in staat was om de kortste weg te vinden door een doolhof op zoek naar voedsel  (Nakagaki et al., 2000). Een paar jaar later gebruikten wetenschappers Physarum zelfs als centrale regeleenheid voor een zesbenige slijmzwam robot (Tsuda et al., 2007). Tero et al. (2010) toonden aan dat de zwam zelfs een efficiënt netwerk kon maken tussen verschillende voedselbronnen. Ze arrangeerden 36 voedselbronnen rond één centrale bron in een patroon dat leek op de geografische posities van Tokio en de omliggende steden. Physarum bouwde een netwerk op dat bijna identiek was aan de spoorwegen tussen deze steden.

Het hierboven beschreven netwerkexperiment, waarbij de zwam een spoorwegnet of iets dergelijks imiteert, is zeer geschikt als een leerzaam  experiment voor de klassen met behulp van het downloadbare werkblad ‘ Intelligent slijm’^w3.

Leg een havervlok in het midden van de petrischaal en laat de plasmodium het opnemen. Positioneer dan meer vlokken in een specifiek patroon om de zwam. Dit kunnen speciale vormen zijn of een gelijkenis vertonen met de geografische locaties van omliggende steden.

Na een dag of twee zal Physarum de meest efficiënte verbindingen tussen al die vlokken hebben gevonden en de leerlingen kunnen een vergelijking tussen hen en een spoorlijnnetwerk maken. Het proces achter dit fenomeen is heel simpel. Verbindingen met een grote stroom aan cytoplasma worden sterker, terwijl verbindingen met een lage stroom zwakker en zwakker worden, totdat ze uiteindelijk verdwijnen (Tero et al., 2010). Omdat er altijd een hoge heen en weer beweging of cyclose tussen twee voedingsbronnen is zullen deze verbindingen automatisch sterker worden.

Om de leerlingen te laten zien hoe de slijmzwam dit doet, voert u een experiment uit over de cyclose van het organisme met behulp van het downloadbare werkblad^w4.

Studenten kunnen ook een doolhof van karton bouwen op een agarbed en er negatieve prikkels in plaatsen (b.v. gesteriliseerde havervlokken gedrenkt in azijn) en een positieve stimulus aan het eind ervan. Na enige tijd zal Physarum zijn weg door het doolhof vinden. Aangezien de onderliggende