Supporting materials
Download
Download this article as a PDF
Από τα ναρκωτικά στην κλιματική αλλαγή: πρακτικά πειράματα με τον οργανισμό μοντέλο Daphnia Teach article
Πώς τα κοινωνικά ναρκωτικά επηρεάζουν τον μεταβολισμό; Πώς μετρίεται η τοξικότητα; Πώς η κλιματική αλλαγή επηρεάζει τα υδάτινα οικοσυστήματα; Προώθηση ενεργητικής μάθησης μελετώντας αυτά τα ερωτήματα με τον οργανισμό Daphnia.
Εισαγωγή
Ο οργανισμός Daphnia, ένα υδάτινο μικροκαρκινοειδές είδος, είναι ένα μοντέλο οργανισμού με πολλά πλεονεκτήματα: εύκολη καλλιέργεια υπό εργαστηριακές συνθήκες, μικρό μέγεθος (2 – 5 mm), μικρό κύκλο ζωής, εύκολη διαχείριση, υψηλή γονιμότητα, παθογενετική αναπαραγωγή, και χαμηλό κόστος συντήρησης.[1,2] Λόγω του ημιδιαφανή, χιτινώδη εξωσκελετού του, είναι δυνατόν να παρατηρήσει κανείς τα εσωτερικά όργανα του οργανισμού Daphnia κάτω από μικροσκόπιο ή κυάλια.[3] Ο οργανισμός Daphnia χρησιμοποιείται ως μοντέλο για εξέταση των επιδράσεων διάφορων “κοινωνικών ναρκωτικών” (αναφέρονται και ως ναρκωτικά αναψυχής),[2] γιατί είναι πολύ ευαίσθητος οργανισμός, και γιατί έχει βασικές βιολογικές ανταποκρίσεις παρόμοιες με εκείνες του ανθρώπου. Τα υδάτινα οικοσυστήματα, τα οποία βρίσκονται σε απειλή, παρέχουν πόσιμο και άρδευσης νερό, τροφή, ρύθμιση του κλίματος, πρόληψη της διάβρωσης, και αναψυχή για την ανθρώπινη κοινωνία. Η κλιματική αλλαγή αυξάνει τη συγκέντρωση του αλατιού των υδάτων, με δραστικές επιδράσεις στην υγεία και επιβίωση των υδάτινων οργανισμών.
ΕΙκόνα: Paul Hebert/Reference [4], CC BY 4.0
Οι πρακτικές δραστηριότητες του άρθρου είναι κατάλληλες για μαθητές ηλικίας 14 – 19 όπου μπορούν να αξιολογήσουν τις επιδράσεις των κοινωνικών ναρκωτικών σε καρδιοαγγειακά συστήματα και την επιρροή της αλάτωσης των επιβιώντων οργανισμών Daphnia. Διερευνώντας αυτές τις επιδράσεις, οι μαθητές μαθαίνουν να καταγράφουν και να διαχειρίζονται πειραματικά δεδομένα καταλήγοντας στα δικά τους συμπεράσματα. Από τα συμπεράσματα, οι μαθητές μπορούν να σκεφτούν τις επιπτώσεις για την ανθρώπινη υγεία, και να καταλάβουν τις επιδράσεις της κλιματικής αλλαγής στα υδάτινα οικοσυστήματα.
Πώς να καλλιεργήσετε τον οργανισμό Daphnia
Καλλιέργειες μπορούν να συντηρηθούν σε δοχεία με μέγιστη ποσότητα 30 οργανισμών Daphnia ανά λίτρο σε νερό που δεν περιέχει χλώριο, pH 7–8, στους 18–25°C, σε μια ελεγχόμενη φωτοπερίοδο 16 ωρών και τροφή 2-3 φορές/βδομάδα με μικροφύκη ή μαγιά (5 σταγόνες/λίτρο). Χαμηλά επίπεδα διαλυμένου οξυγόνου είναι θανατηφόρα.
Πώς να προετοιμάσετε το εναιώρημα μαγιάς
Προσθέτετε 2 γρ. μαγειρικής μαγιάς σε ένα 1 λίτρο αποχλωριωμένου νερό, και ανακατεύετε. Αποθηκεύετε το διάλυμα στο ψυγείο (4°C) και πάντα ανακατεύετε πρίν τη χρήση του διαλύματος. Προσθέτετε 5 σταγόνες/λίτρο από αυτό το διάλυμα στην καλλιέργεια του οργανισμού Daphnia 2-3 φορές/βδομάδα.
Πώς να καλλιεργείσετε μικροφύκη
Τα μικροφύκη είναι μικροσκοπικοί φωτοσυνθετικοί οργανισμοί. Παίζουν βασικο ρόλο στη ζωή στον πλανήτης μας, μιας και σχηματίζουν το διατροφικό δίκτυο σε αρκετά υδάτινα οικοσυστήματα. Το Scenedesmus είναι ένα αποικιακό ακίνητο χλωροφύκι, τυπικό υδάτινο φυτοπλακτό, το οποίο είναι εύκολο στην καλλιέργεια και στην εργαστηριακή συντήρηση, και χρησιμοποιείται πολύ συχνά ως τροφή για τον οργανισμό Daphnia.
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Καλλιέργειες Scenedesmus χρειάζονται αποχλωριωμένο νερό με pH 7–8, ελάχιστη θερμοκρασία 16°C (18 – 25°C), και με ελάχιστη φωτοπερίοδο 12 ωρών με χρήση LED (ή φθορισμού). Η καλλιέργεια μικροφυκών θα πρέπει να φυλάγεται σε αερόβια δοχεία (βιοαντιδραστήρες) για να παρέχουν το CO2 απαραίτητο για φωτοσύνθεση και να εμποδίσουν την κατακάθεση των μικροφυκών στο πάτο του δοχείου, το οποίο ελαττώνει κατα πολύ την αναπαραγωγή τους. Κάθε 15 μέρες, η καλλιέργεια θα πρέπει να συμπληρώνεται με μεταλλικά άλατα 3-5 σταγόνες/λίτρο από κοινό εμπορικό υγρό λίπασμα για φύτα.
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Δραστηριότητα 1: Η άνοδος και η πτώση ενός καρδιακού παλμού
Η κατανάλωση των κοινωνικών ναρκωτικών προκαλεί αλλαγές στο κεντρικό νευρικό σύστημα, με αποτέλεσμα σε φυσιολογικές και/ή συμπεριφορικές αλλαγές. Διεγερτικά ναρκωτικά (καφείνη, νικοτίνη) χαρακτηρίζονται από αύξηση του μεταβολισμού, όπου κατασταλτικά ναρκωτικά (αλκοόλ) τον μειώνει. Ο καρδιακός παλμός μπορεί να καταγραφεί ως ένας βέλτιστος δείκτης αυτών των αλλαγών.
Παρατηρώντας πώς τα ναρκωτικά επιδρούν σε ένα ζωντανό οργανισμό σε πραγματική στιγμή, επιτρέπει στους μαθητές να καθιερώσουν μια σχέση με τις πιθανές επιδράσεις των ναρκωτικών στο σώμα τους. Το διαφανές σώμα του οργανισμού Daphnia επιτρέπει μετρήσεις διαφορετικών φυσιολογικών παραμέτρων χρησιμοποιώντας μη επεμβατικές οπτικές μεθόδους. Μια βιολογική δοκιμή είναι η διαδικασία, η οποία χρησιμοποιεί ζωντανούς οργανισμούς για να καθορίσει τις επιδράδεις ενός χημικού. Η ενεργοποίηση χρειάζεται περίπου 2 ώρες για να πραγματοποιηθεί, ωστόσο αν τα διαλύματα είναι ήδη έτοιμα τότε μπορεί να πραγματοποιηθεί σε 1 ώρα.
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Υλικά
- Αποχλωριωμένο νερό
- Βάζο το οποίο περιέχει ζωντανούς οργανισμούς Daphnia (ηλικίας μικρότερη των 48 ωρών)
- Στέρεο ή οπτικό μικροσκόπιο
- Κοίλες αντικειμενοφόρου πλάκες
- Πλαστικές πιπέττες με κομμένη άκρη
- Βαμβάκι
- Χαρτιά φίλτρου
- Ποτήρια ζέσεως
- Αλκοόλη (6%, 12%, 20%)
- Καφές 30% (70 ml απιοιονισμένο νερό + 30 ml στιγμιαίος καφές)
- Καπνός
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Προετοιμασία διαλύματος καπνού
- Προσθέτετε 2 g καπνού σε απιονισμένο νερό μέχρι 100 ml, και τα αφήνετε να μαλακώσουν (12 h), ανακατέβοντας το τουλάχιστον 4 φορές.
- Φιλτράρετε το διάλυμα με χαρτιά φίλτρου. Το διάλυμα καπνού διαρκεί για 2-3 μέρες.
Διαδικασία
Στο φύλλο εργασίας (βλ. Δείγμα Πίνακα), μαθητές προβλέπουν την επίδραση ενός κοινωνικού ναρκωτικού στον καρδιακό ρυθμό του οργανισμού Daphnia. Πριν ξεκινήσετε την πειραματική δουλειά, κοιτάξτε το βίντεο για να μάθετε πώς να βρίσκετε την καρδιά και να μετράτε τους χτύπους της από τον οργανισμό Daphnia.
- Προσθέστε 2 σταγόνες από την υδάτινη καλλιέργεια του οργανισμού Daphnia (αρκετή για να βυθιστεί ο οργανισμός) στην κοίλη αντικειμενοφόρου πλάκα.
- Χρησιμοποιήστε μια πιπέττα (με κομμένη άκρη) για να τοποθετήσετε προσεκτικά ένα οργανισμό Daphnia στην κοίλη αντικειμενοφόρου πλάκα.
- Τοποθετείστε μερικά βαμβακερά νήματα στην εσοχή της αντικειμενοφόρου πλάκας (όσο χρειάζεται για την ακινητοποίηση του οργανισμου Daphnia).
- Χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο, προσδιορίστε τον βασικό καρδιακό ρυθμό κάθε οργανισμού Daphnia (δείγμα ελέγχου). Πάρτε 3 μετρήσεις των 30s η κάθε μία.
- Αφαιρέστε την κοίλη αντικειμενοφόρου πλάκα από το μικροσκόπιο και προσθέστε μια σταγόνα από το διάλυμα κοινωνικού ναρωτικού (πείραμα).
- Μετά από ένα λεπτό, επαναλάβετε το βήμα 4 και υπολογίστε τον καρδιακό ρυθμό. Κάνετε 3 μετρήσεις των 30s η κάθε μια.
- Επαναλάβετε τη διαδικασία με τα άλλα κοινωνικά ναρκωτικά χρησιμοποιώντας κάθε φορά καινούριο οργανισμό Daphnia.
- Καταγράψτε και συζητήστε τα αποτελέσματα.
- Κατασκευάστε και παρουσιάστε ένα επιστημονικό πόστερ.
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Σημειώσεις
Προσοχή: Αν χρησιμοποιηθεί παράπανω βαμβάκι απ΄οτι πρέπει, ενδέχεται να είναι δύσκολο να παρατηρηθεί η καρδιά του οργανισμού Daphnia.
| Πρόβλεψη (σύμφωνα με την παρακάτω λέξη κλειδί) | Δείγμα ελέγχου καρδιακού ρυθμού (bpm) | Πειραματικός καρδιακός ρυθμός (bpm) | |
| Καπνός | |||
| Αλκοόλη (6%) | |||
| Αλκοόλη (12%) | |||
| Αλκοόλη (20%) | |||
| Καφές |
Λέξεις κλειδιά:
| +++ | Μεγάλη αύξηση στον καρδιακό ρυθμό |
| ++ | Αύξηση στον καρδιακό ρυθμό |
| + | Μικρή αύξηση στον καρδιακό ρυθμό |
| 0 | Καμία αλλαγή στον καρδιακό ρυθμό |
| – | Μικρή ελάττωση στον καρδιακό ρυ |
| — | Ελάττωση στον καρδιακό ρυθμό |
| — | Μεγάλη Ελάττωση στον καρδιακό ρυθμό |
| x | Η καρδιά σταματάει |
Το δείγμα ελέγχου μετράει κάτω από 200 χτύπους ανά λεπτό (bpm) ή πάνω από 300 bpm θα πρέπει να επαναλαμβάνονται.
Σημειώσεις ασφάλειας
Πρέπει να καθεστεί προσοχή ώστε τα πειραματικά διαλύματα να μην έρθουν σε επαφή με το δέρμα, μάτια ή στόμα των μαθητών.
Στο τέλος της δραστηριότητας, οι μαθητές πρέπει να πλύνουν τα χέρια τους.
Συζήτηση
Τα διαφανή σώματα του οργανισμού Daphnia επιτρέπουν οπτική παρατήρηση των εσωτερικών οργάνων και μετρήσεις των φυσιολογικών χαρακτηριστικών, όπως για παράδειγμα ο καρδιακός ρυθμός. Μπορεί να χρησιμοποιηθούν σαν μοντέλα συστήματος για τοξικολογία, διότι είναι πολύ ευαίσθητα σε περιβαλλοντικές αλλαγές και παρουσιάζουν γρήγορες φυσιολογικές ανταποκρίσεις όταν είναι εκτεθιμένα σε μολυσμένο νερό.[5]
Η χρήση ζωντανών οργανισμών, ως μέρος αυθεντικής πειραματικής έρευνας, έχει βρεθεί ότι αυξάνει την κατανόηση των επιστημονικών εννοιών. Μετά το πείραμα, ρωτήστε τους μαθητές τις παρακάτω ερωτήσεις για να προωθήσετε την κατανόηση τους πάνω στην επίδραση των κοινωνικών ναρκωτικών στα νευρικά συστήματα χρησιμοποιώντας τον οργανισμό Daphnia ώς μοντέλο έρευνας.
Ποιός είναι ο σκοπός να έχουμε μόνο μερικούς οργανισμούς Daphnia στο νερό;
Γιατί χρησιμοποιείται ο μέσος όρος των 3 μετρήσεων καρδιακού ρυθμού;
Γιατί εξετάζεται καινούριος οργανισμός Daphnia για κάθε πειραματικό διάλυμα (για κάθε κοινωνικό ναρωτικό);
Ποιό είναι το πλεονέκτημα/σημασία της χρήσης των κλώνων;
Συγκρίνετε προβλέψεις με πειραματικά δεδομένα. Συζητείστε πώς ο οργανισμός Daphnia είναι το κατάλληλο βιολογικό μοντέλο μελέτης πολλαπλών παραγόντων άγχους.
Δραστηριότητα 2: Κλιματική αλλαγή: πώς η έκθεση σε αλάτι επηρεάζει τον οργανισμό Daphnia;
Η αλάτωση των υδάτων του οικοσυστήματος είναι ένα αυξανόμενο πρόβλημα που οφείλεται σε ανθρώπινες δραστηριότητες όπως άρδευση, εξόρυξη πόρων, επιτυταχυνόμενη αποσάθρωση των πετρωμάτων απο την όξινη βροχή, χρήση γεωργικών λιπασμάτων και αλάτων οδοστρώματος, εξόρυξη και αστικές κατασκευές. Αυτό έχει περαιτέρω επιδείνωση από την κλιματική αλλαγή λόγω της μειωμένης βροχής, της αυξημένης εξάτμισης, και της αυξανόμενης ανάγκης για άρδευση.[6,7] Η χρήση βιολογικών δοκιμών μπορεί να συμβάλλει στην ανάπτυξη της κατανόησης των μαθητών σχετικά με την επίδραση της αλάτωσης του οργανισμού Daphnia και των αποτελεσμάτων στα ύδατα των οικοσυστημάτων. Αυτοί οι οργανισμοί χρειάζονται να διατηρούν μια ωσμοτική ισορροπία ανάμεσα στη συγκέντρωση ιόντων μέσα στα κύτταρα τους και στα σωματικά υγρά τους, κάτι που επηρεάζεται από την αλάτωση του περιβάλλοντα νεορύ.
Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές βρίσκουν την τοξικότητα του NaCl για τον οργανισμό Daphnia υπολογίζοντας την τιμή της LC50 (θανατηφόρα συγκέντρωση, 50%), η οποία ορίζεται ως η συγκέντρωση της τοξικότητας που σκοτώνει το 50% των εκτεθιμένων οργανισμών. Αυτό το πείραμα διαρκεί περίπου 20 min.[1]
Υλικά
- Αποχλωριωμένο νερό
- Βάζο, το οποίο περιέχει οργανισμούς Daphnia (ηλικίας μικρότερης από 48 ωρών)
- Διαλύματα NaCl (0,5%, 1%, 1,5%, και 2%)
- Ογκομετρικός σωλήνας (10 ml)
- 5 μικρά ποτήρια ζέσεως ή δοχεία για ανάμειξη διαλυμάτων
- 5 δοκιμαστικούς σωλήνες, όγκου τουλάχιστον 10 ml (ή θαλάμους έκθεσης και βάση δοκιμαστικών σωλήνων ή μικρά κύπελλα)
- πλαστικές πιπέττες (3 ml) με κομμένη την άκρη
Ευγενική παραχώρηση από τους συγγραφείς
Διαδικασία
- Προετοιμάστε διαλύματα με διαφορετική συγκέντρωση αλατιού (0,5%, 1%, 1,5%, και 2% NaCl).
- Ονομάσετε 5 δοκιμαστικούς σωλήνες και προσθέστε νερό ή ένα από τα διαλύματα άλατος (10 ml).
- Χρησιμοποιείστε μια πιπέττα (με κομμένη άκρη) και τοποθετείστε προσεκτικά 10 οργανισμούς Daphnia σε κάθε δοκιμαστικό σωλήνα.
- Μετά από 5 min, 10 min, και 20 min, παρατηρείστε τη συμπεριφορά των ζωντανών οργανισμών Daphnia και μετρείστε τον αριθμό των αντίστοιχων που πεθάνανε (ακινητοποιήθηκανε).
- Καταγράψτε τα αποτελέσματα σε ένα πίνακα.
- Δημιουργείστε γραφική αναπαράσταση δεδομένων θνησιμότητας του οργανισμού Daphnia (ποσοστό του οργανισμού που πέθανε μετά από 20min) σε σχέση με τη συγκέντρωση αλατιού στο διάλυμα.
- Προσδιορίστε την τιμή του LC50 του άλατος του οργανισμού Daphnia.
- Δημιουργήστε και παρουσιάστε ένα επιστημονικό πόστερ.
Σημειώσεις
Στο δείγμα ελέγχου, η θνησιμότητα δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 10%.
| NaCl (%) | Αριθμός του οργανισμου Daphnia που πέθαναν μετά | % θνησιμότητα (μετά από 20min) | Παρατηρήσεις από τη συμπεριφορά του οργανισμού Daphnia | ||
| 5 min | 10 min | 20 min | |||
| 0 | |||||
| 0.5 | |||||
| 1 | |||||
| 1.5 | |||||
| 2 | |||||
Σημειώσεις
Μην χρησιμοποιήσετε απορρυπαντικό για να καθαρίσετε το γυαλί. Απολείματα απορρυπαντικού μπορεί να είναι τοξικά για τον οργανισμό Daphnia.
Συζήτηση
Μετά το πείραμα, συζητήστε τα αποτελέσματα για να προωθηθεί η κατανόηση της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στη συμπεριφορά και στην επιβίωση του οργανισμού Daphnia, καθώς και άλλων υδατικών οργανισμών.[8,9] Παρακάτω παρουσιάζονται ερωτήσεις που θα μπορούσαν να προωθήσουν την κατανόηση:
- Για ποιό λόγο να έχουμε τον οργανισμό Daphnia μόνο στο νερό;
- Υπολόγιστε το LC50 του αλατιού για τον οργανισμό Daphnia.
- Ποιά πιστεύετε ότι θα ήταν η μακροχρόνια επίδραση αλάτωσης στους πλυθησμούς του οργανισμού Daphnia;
- Με ποοιό τρόπο μπορεί η κλιματική αλλαγή να επηρεάσει τα υδάτινα οικοσυστήματα;
- Μπορείτε να σκεφτείτε κάποια επιπτώσεις αυτής έρευνας σε ανθρώπινο πλυθησμό;
Αυτή η δραστηριότητα θα μπορούσε επίσης να είναι η βάση για συζήτηση σε θέματα βιοηθικής σχετικά με τη χρήση ζωντανών ζώων στην έρευνα. Η χρήση πολύ απλών οργανισμών όπως ο οργανισμός Daphnia είναι αδιαμφισβήτητη, ωστόσο πού οι μαθητές θα μπορούσαν να τραβήξουντη διαχωριστική γραμμή; Περισσότερη πληροφορία στο γιατί η χρήση ζωντανών οργανισμών στην έρευνα μπορεί να είναι σημαντική και πώς να μειωθεί, μπορεί να βρεθεί σε αυτό το άρθρο.
References
[1] Cahill K (2006) Bioassay investigations with Daphnia. My Environment, My Health, My Choices. University of Rochester.
[2] OECD (2004) Test No. 202: Daphnia sp. Acute Immobilisation Test, OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. OECD Publishing, Paris. doi: doi.org/10.1787/9789264069947-en
[3] Tkaczyk A et al. (2021) Daphnia magna model in the toxicity assessment of pharmaceuticals: a review. Science of the Total Environment 763: 143038. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143038
[4] Gewin V (2005) Functional Genomics Thickens the Biological Plot. PLOS Biology 3: e219. doi:10.1371/journal.pbio.0030219
[5] Gleichsner AM, Butler SR, Searle CL (2019) Dynamic Daphnia: an inquiry-based research experience in ecology that teaches the scientific process to first-year biologists. CourseSource. doi: 10.24918/cs.2019.2
[6] Kaushal SS et al. (2021) Freshwater salinization syndrome: from emerging global problem to managing risks. Biogeochemistry 154: 255–292. doi: 10.1007/s10533-021-00784-w
[7] Jeppesen E et al. (2020) Salinization increase due to climate change will have substantial negative effects on inland waters: a call for multifaceted research at the local and global scale. The Innovation 1: 100030. doi: 10.1016/j.xinn.2020.100030
[8] Martinez D et al. (2022) Daphnia magna and mixture toxicity with nanomaterials – current status and perspectives in data-driven risk prediction. nanotoday 43: 101430. doi: 10.1016/j.nantod.2022.101430
[9] Müller M et al. (2018) Temperature-driven response reversibility and short-term quasi-acclimation of Daphnia magna. PLOS ONE 13: e0209705. doi: 10.1371/journal.pone.0209705
Resources
- An informative website detailing the effect of climate change on freshwater ecosystems.
- Try some engaging experiments with bioluminescence that integrate biology, chemistry, and engineering: Wegner C, Hammann M, Zehne C (2021) Bioluminescence: combining biology, chemistry, and bionics. Science in School 53.
- Explore antibiotic resistance and drug development with these fun microbiology activities: Deumal Fernandez M, Lladonosa Soler M, Godinho T (2021) Microbiology: Discovering antibacterial agents. Science in School 55.
- Learn about the importance of animal use in research and some cutting-edge approaches to minimizing it: Schmerbeck S et al. (2021) Organ-on-chip systems and the 3Rs. Science in School 54
License
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images and supporting material: please see individual descriptions.