Bioluminescența: combinație de biologie, chimie și bionică Teach article

Author(s): Claas Wegner, Marcel Hammann, Carolin Zehne
Translator(s): Mircea Baduts

Integrăm principii cheie din biologie, chimie și inginerie cu un set de experimente bazate pe bioluminescență.

Introducere și prezentare generală

Această unitate didactică utilizează bioluminescența licuricilor pentru a demonstra câteva concepte legate de reacțiile enzimatice și chimice. Unitatea de predare este compusă din două părți:

  • Introducere în elementele de bază biologice și chimice ale bioluminescenței.
  • Experimente care demonstrează câteva reacții de luminescență enzimatică și ionică, și dependența lor de temperatură.

Este furnizat și material pentru o activitate suplimentară destinată să exploreze aspectele bionice ale subiectului prin compararea licuricilor cu diodele emițătoare de lumină (LED-urile).

Aceste activități se adresează elevilor în vârstă de 16 ani sau peste, care ar trebui să fie familiarizați cu proprietățile de bază ale unei celule, cum să efectueze experimente și cum să noteze observațiile, precum și cu proprietățile și procesele reacțiilor chimice. Unitatea didactică poate fi utilizată și pentru predarea interdisciplinară, de exemplu, pentru a prezenta proprietățile luminii în fizică. După finalizarea unității, elevii ar trebui să poată:

  • Descrie proprietățile structurale ale unui fotofor al insectelor din familia Lampyridae
  • Coreleze aceste proprietăți cu procesele de generare a luminii care au loc în fotofori
  • Explice procesele chimice implicate în luminescență
  • Prezinte comparativ procesele și proprietățile bioluminescenței și pe cele ale chemoluminescenței
  • Explice rolul enzimelor în reacțiile chimice catalizate enzimatic
  • Formuleze ipoteze și să le testeze în experimente

În PDF-ul atașat este furnizat un sumar al cunoștințelor teoretice relevante necesare pentru a înțelege sarcinile și experimentele și câteva întrebări ajutătoare pentru elevi.

Unitatea didactică (Orele de laborator)

Unitatea didactică despre licurici și LED-uri este compusă din două părți și ar trebui să necesite două-trei lecții/ore. În prima parte, elevii descoperă aspectele biologice și chimice de bază ale subiectului. În a doua parte, ei efectuează experimente pentru a studia accelerarea catalitică a unei reacții chimice, enzimele dependente de temperatură, și reacțiile de luminescență pe bază de ioni. Pe baza rezultatelor obținute, elevii vor propune explicații pentru discuțiile de grup.

Timpul dedicat activității independente a elevilor referitoare la foile de lucru 1-3 nu ar trebui să depășească jumătate din prima lecție/oră, pentru a ne asigura că rămâne suficient timp pentru a genera ipoteze pentru a doua activitate, din lecțiile ulterioare.

În a doua și a treia lecție/oră, elevii efectuează experimente în echipele lor de laborator. Fișele de lucru 4–6 furnizează informații de bază relevante și proceduri pentru cele două experimente, împreună cu întrebări care îi ajută pe elevii să interpreteze rezultatele. După fiecare experiment, rezultatele sunt colectate și discutate în clasă și comparate cu ipotezele generate în prima parte. În acest fel, ipotezele bazate pe experiment sunt comparate cu dovezi empirice, practice.

Activitatea 1

În prima lecție, elevilor le este prezentat subiectul. Această primă activitate este bazată pe teorie. Fișele de lucru 1–3 introduc informații despre familia de insecte Lampyridae, iar elevii sunt încurajați să se gândească la modul în care funcționează bioluminescența și să emită ipoteze.

  1. Elevilor li se oferă mai întâi structura lecției, pentru a asigura transparența, și un videoclip[1] poate fi prezentat pentru a introduce subiectul și pentru a atrage interesul.
  2. Elevii sunt apoi împărțiți în grupuri (echipe de laborator) pentru a lucra cu Fișele de lucru 1–3, care introduc trei specii de Lampyridae (Lampyris noctiluca, Lamprohiza splendidula, and Phosphaenus hemipterus, Fișele de lucru 1), fotoforul și proprietățile sale structurale (Fișele de lucru 2), precum și reacțiile de bioluminescență (Fișele de lucru 3).
  3. După aceea, elevii ar trebui să ia în considerare următoarele întrebări:
    • Ar putea funcționa reacția de bioluminescență într-o eprubetă?
    • Cum ar afecta această reacție încălzirea la peste 50°C?
    • Te poți aștepta la un rezultat diferit pentru chimioluminescența non-enzimatică?
  4. Elevii ar trebui apoi să construiască ipoteze pe baza acestor întrebări, pe care să le poată testa în experimentele ulterioare. Ipotezele elevilor sunt colectate la clasă.

Activitatea 2

Această activitate se desfășoară folosind probe uscate deVargula hilgendorfii.[2] Acestea conțin o luciferază și un substrat de luciferină, care poate reacționa pentru a produce lumină atunci când proba este pulverizată și rehidratată. Elevii trebuie să urmeze pașii din Fișa de lucru 4 pentru a derula experimentul și pentru a-l interpreta. Pentru această activitate ar trebui să se aloce o lecție/oră întreagă.

Materials

  • O pipetă
  • Două eprubete
  • O perie cu păr mică (pensulă mică)
  • Un ceanic (fiebător de lichide)
  • Un pistil mic și un mojar
  • 30 de eșantioane uscate deVargula hilgendorfii

Important: toate materialele trebuie să fie complet uscate! Substanțele necesare nu sunt dăunătoare, conform GHS/CLP.

Procedura

  1. Se macină două loturi de 15 unități de Vargula hilgendorfii ufolosind micul mojar. Pulberea rezultată este măturată egal în două eprubete uscate folosind peria/pensula.
Configurație pentru activitatea 2
Imagine oferită de Marcel Hammann
  1. Odată ce toate echipele și-au pregătit materialele, profesorul închide jaluzelele. Având camera întunecată, se picură 2 ml de apă rece (20°C) într-una din eprubete, și respectiv 2 ml de apă caldă (cca. 80°C) în cealaltă.
Etapa finală: declanșarea reacției de luminescență
Imagine oferită de Marcel Hammann

Activitatea 3

Activitatea din cea de-a treia lecție îi ajută pe elevi să înțeleagă mai profund procesele chimice implicate în chemoluminescență. În acest experiment de laborator, ei lucrează cu luminol pe baza Fișei de lucru 5.

Materiale

  • Fișele de lucru 5 și 6
  • O spatulă pentru pulbere (cca.17 cm)
  • O pipetă (3 ml)
  • Două fire de cupru
  • Un termometru
  • Două eprubete
  • Un fierbător (pentru lichide)
  • O micro-spatulă
  • Un suport pentru eprubete
  • Un pahar înalt (150 ml)

Procedura

  1. În două eprubete se toarnă apă distilată (umplute o treime fiecare). La fiecare eprubetă se adaugă clorură de amoniu (cca. 0,2 g) și carbonat de sodiu (cca. 0,2 g) folosind vârful unei spatule de pulbere. Se adaugă luminol (cca. 0,02 g) cu ajutorul unei micro-spatule. Ambele soluții sunt amestecate bine prin agitare ușoară.
A powder spatula and a microspoon spatula
Spatulă de pulbere (stânga) și micro-spatulă (dreapta)
Imagine oferită de Marcel Hammann
Configurație pentru activitatea 3
Imagine oferită de Marcel Hammann
  1. Se încălzește apă în firbător și se toarnă în pahar, ca baie de apă. La una dintre eprubete se adaugă un termometru și soluția din interior este încălzită la 60-70°C prin imersarea eprubetei în baia de apă. Dacă este necesar, apa din pahar este înlocuită cu apă fierbinte din recipient.
Încălzirea eprubetei doi
Imagine oferită de Marcel Hammann
  1. După ce una dintre eprubete a fost astfel încălzită, se adaugă câte 3 ml de peroxid de hidrogen (3%) cu o pipetă în ambele eprubete. Cele două sârme de cupru sunt introduse în soluția fiecărei eprubete, într-o cameră întunecată. Se compară luminozitatea celor două soluții.
Etape finale: declanșarea reacției de luminescență
Imagine oferită de Marcel Hammann
  1. După ce elevii au finalizat experimentul, se va distribui foaia de lucru 6 (pentru ultimele 20 de minute ale lecției). Acum elevii trebuie să își compare concluziile din Activitățile 2 și 3 și să noteze diferențele și asemănările dintre bioluminescență și chemoluminescență.

Activitatea 4: Activitate opțională

În această activitate de extensie opțională, sunt prezentate LED-urile și pot fi explorate aspectele bionice ale subiectului, împreună cu relevanța lor în lumea reală. Fișa de lucru 7 îndrumă elevii prin activitatea de extensie. După finalizarea acestei activități, elevii ar trebui să poată:

  • Prezinte compartiv proprietățile structurale ale fotoforilor și ale LED-urilor
  • Deduce și alte aplicații bionice pe baza proprietăților structurale ale fotoforilor

În prima jumătate a acestei lecții/ore, sunt furnizate câteva informații de bază despre modul în care funcționează LED-urile și despre asemănările dintre luminescența la licurici și LED-uri. Elevii ar trebui să noteze câteva ipoteze inițiale despre cum s-ar putea crește eficiența luminoasă a unui LED, și apoi, în a doua jumătate a lecției, să exploreze efectele plasării unei lentile optice în fața unei lanterne LED.

Materiale

  • O lanternă cu LED
  • O lentilă optică (lupă)
  • Două foi de hârtie
  • O riglă pliantă (metru sau ruletă)
  • Un pix

Procedura

  1. O lanternă cu LED este îndreptată către o foaie de hârtie (situată la 30 cm distanță) într-o cameră întunecată. Zona iluminată este apoi încercuită cu un pix.
  2. O lentilă optică este pusă în fața lanternei cu LED-uri și zona iluminată este încercuită din nou pe hârtie.
  3. Lanterna LED este apoi îndreptată către un perete (la 3 m distanță) cu și fără lentilă.
Fluxul de lucru pentru Activitatea 4
Imagine oferită de Marcel Hammann

Elevii ar trebui să-și noteze observațiile și să discute despre modul în care lentila modifică aspectul luminii de la LED-uri. Ar trebui apoi să compare proprietățile structurale ale lanternei cu LED și ale unui fotofor, cu ajutorul unei imagini de ansamblu schematice, urmată de o discuție de clasă asupra rezultatelor.

References

[1] De examplu: o înregistrare video prezentând ciclul de viață al viermilor luminoși https://vimeo.com/31952006.

[2] Astfel de eșantioane didactice pot fi comandate de la magazinele de aprovizionare științifică online, precum https://www.carolina.com/ or https://www.der-hedinger.de/.

Resources

Author(s)

Prof. dr. Claas Wegner este profesor de biologie la Universitatea Bielefeld și profesor de psihologie la Universitatea de Științe Aplicate pentru Întreprinderi Mici și Mijlocii (Fachhochschule des Mittelstands – FHM), precum și fondator și conducător al Centrului Osthushenrich pentru cercetarea talentului intelectual (Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung – OZHB) la Departamentul de Biologie al Universitatății Bielefeld.

Marcel Hammann (M.Ed.) este un fost student al Departamentului de Biologie, Universitatea Bielefeld, și actualmente profesor de școală secundară.

Carolin Zehne (M.Ed.) este lector la Universitatea Bielefeld (predând limba engleză ca limbă străină).

Review

Bioluminescența a fascinat oamenii începând din zorii istoriei și până în zilele noastre. Prin acest articol, autorii oferă profesorilor și în special elevilor posibilitatea de a înțelege procesele din spatele acestui fenomen, pe baza unor interesante materiale și experimente.

Noutatea articolui o constituie și combinarea bioluminescenței, a chemoluminescenței și a LED-urilor într-un singur curs. Rezultatul este un efect de sinergie pentru cursanți în ceea ce privește înțelegerea conceptelor de bază comune și a diferențelor despre aceste subiecte.

License

CC-BY