To bee or not bee: Η βιολογία των μελισσών και η βιοχημεία του μελιού Teach article

This activity was presented at the Science on Stage Festival 2022 

Γλυκιά κατανόηση: μάθετε για την επιστήμη των μελισσών και του ζαχαρένιου προϊόντος τους μέσα από μια σειρά πρακτικών δραστηριοτήτων.

Εικόνα: Louise Docker/Flickr, CC BY 2.0

Οι μέλισσες έχουν προσελκύσει επανειλημμένα την προσοχή των μέσων ενημέρωσης τα τελευταία χρόνια. Τα ντοκιμαντέρ, όπως το More than Honey [1] και τα ανησυχητικά στοιχεία για τη θνησιμότητα των μελισσών βοήθησαν τη μέλισσα να διεκδικήσει έναν νέο ρόλο ως εμβληματικό είδος για τη βιοποικιλότητα.

Το μέλι βρίσκεται στην τρίτη θέση στον κατάλογο με τα πιο συχνά νοθευμένα τρόφιμα στον κόσμο (μετά το ελαιόλαδο και το γάλα). Ο ορισμός του είναι απλός και όμορφος: το μέλι είναι η γλυκιά ουσία που παράγουν οι μέλισσες τρώγοντας νέκταρ ή μελίτωμα, εμπλουτίζοντας το με τις δικές τους ουσίες, μεταβάλλοντάς το μέσα στο σώμα τους, αποθηκεύοντάς το σε κηρήθρες και αφήνοντάς το να ωριμάσει. Δεν θα προστεθεί ή δεν θα αφαιρεθεί τίποτα από αυτό.

Τα κράτη μέλη της ΕΕ εισήγαγαν 173 400 τόνους φυσικού μελιού από χώρες εκτός της ΕΕ αξίας 405,9 εκατομμυρίων ευρώ ενώ 25 500 τόνοι εξήχθησαν από τα κράτη μέλη της ΕΕ αξίας 146,6 εκατομμυρίων ευρώ το 2021.[2] Το μέλι είναι η πιο ακριβή μορφή ζάχαρης και αυτό είναι που κάνει τόσο επικερδή την απάτη. Το ψεύτικο ή νοθευμένο μέλι περιλαμβάνει λανθασμένη δήλωση προέλευσης, αραίωση του μελιού με σιρόπι καλαμποκιού, ζαχαροκάλαμου και ρυζιού ή εντελώς τεχνητά προϊόντα.

Οι μαθητές μαθαίνουν για τις μέλισσες, δοκιμάζουν μια βιολογική μέθοδο για να ξεχωρίζουν το πραγματικό από το τεχνητό μέλι και διερευνούν διάφορες βιολογικές και βιοχημικές πτυχές του μελιού σε μια σειρά πειραμάτων. Θα ακολουθήσει ένα άρθρο για τις χημικές πτυχές σε επόμενο τεύχος.

Οι δραστηριότητες είναι κατάλληλες για μαθητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης ηλικίας 14 ετών και άνω. Συνδέονται μεταξύ τους, επομένως, θα πρέπει ιδανικά να γίνονται όλες ως μέρος ενός μεγαλύτερου έργου για τις μέλισσες και το μέλι. Όμως μπορούν να πραγματοποιηθούν και μεμονωμένα.

Δραστηριότητα 1: Ο συναρπαστικός κόσμος των μελισσών

Πριν ξεκινήσετε την πρακτική δραστηριότητα είναι ωραίο να τοποθετήσετε την εργασία για το μέλι σε ένα πλαίσιο μαθαίνοντας για τη συναρπαστική βιολογία των μελισσών. Οι μέλισσες είναι επίσης ένα πραγματικά χρήσιμο παράδειγμα ώστε να ενταχτεί η επιγενετική ως θέμα στο πρόγραμμα σπουδών, δεδομένου του ρόλου που είναι γνωστό ότι παίζει στη διαφοροποίηση των βασιλισσών από τις εργάτριες μέλισσες. Αυτή η δραστηριότητα είναι ευέλικτη και οι καθηγητές μπορούν να επιλέξουν ποια μέρη θα χρησιμοποιήσουν, ανάλογα με τον χρόνο που έχουν.

Apis mellifera
Εικόνα: Luc Viatour/Wikimedia, CC BY-SA 3.0

Υλικά

Procedure

  1. Μοιράστε το φυλλάδιο πληροφοριών για να το διαβάσουν οι μαθητές. Η σελίδα με πλούσιο υλικό για τις μέλισσες από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα είναι επίσης μια εξαιρετική πηγή πληροφοριών.
  2. Προαιρετικά: δείτε το βίντεο για την επιγενετική και τον βασιλικό πολτό. Αυτή είναι μια εξαιρετική ανασκόπηση της γονιδιακής έκφρασης και των χρωμοσωμάτων καθώς και μια εισαγωγή στην επιγενετική (πρώτο μισό του βίντεο) και ένα ενδιαφέρον παράδειγμα επιγενετικής στην πράξη (δεύτερο μισό του βίντεο). Αυτό το μέρος μπορεί επίσης να εξαιρεθεί και να ενσωματωθεί στα μαθήματα γενετικής.
  3. Ζητήστε από τους μαθητές να ασχοληθούν με το κουίζ μελισσών. Δεν υπάρχουν όλες οι απαντήσεις στο φυλλάδιο πληροφοριών, επομένως μερικές φορές θα πρέπει να μαντέψουν. Το κουίζ δεν είναι μια δοκιμασία! Ο στόχος είναι να μάθουμε μερικά συναρπαστικά στοιχεία για τις μέλισσες.
  4. Προαιρετικά: εξετάστε τις μέλισσες χρησιμοποιώντας φακούς χειρός ή στερεοσκόπια και εντοπίστε τα εξωτερικά χαρακτηριστικά. Μπορείτε να αναγνωρίσετε το είδος στο οποίο ανήκουν; Ίσως, επίσης, οι μαθητές να ζωγραφίσουν το χαρακτηριστικό που βρίσκουν πιο ενδιαφέρον.

Δραστηριότητα 2: Ανάλυση της γύρης από διάφορα είδη μελιού

Φωτογραφία κόκκων γύρης από μια ποικιλία κοινών φυτών από έγχρωμο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης
Εικόνα: Dartmouth Electron Microscope Facility/Wikimedia, Public Domain

Το μέλι είναι ενδιαφέρον να μελετηθεί με ένα μικροσκόπιο. Μόνο το πραγματικό μέλι μελισσών περιέχει κόκκους γύρης τους οποίους συλλέγουν οι μέλισσες ως τροφή για τις προνύμφες και τους μεταφέρουν στην κυψέλη επάνω στα πόδια τους. Συνήθως αποθηκεύεται σε ξεχωριστά κελιά της κηρήθρας. Ωστόσο, στην περίπτωση του πραγματικού μελιού, πάντα εισέρχεται λίγη γύρη στα κύτταρα του μελιού σε μικρή κλίμακα. Η ανάλυση της γύρης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να ελεγχθεί εάν το μέλι φέρει τη σωστή ετικέτα καθώς το ψεύτικο μέλι είναι τεράστιο πρόβλημα σε ορισμένα μέρη. Για το σκοπό αυτό αναλύουμε διαφορετικά είδη μελιού. Αυτό θα διαρκέσει περίπου 45 λεπτά.

Υλικά

  • Γρήγορος οδηγός για τη γύρη (μπορείτε επίσης να βρείτε στο διαδίκτυο πιο λεπτομερείς οδηγούς για τη γύρη)
  • Φυλλάδιο με πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της γύρης
  • Διαφορετικά είδη μελιού, όπως μέλι λεβάντας ή μέλι ακακίας
  • Τεχνητό μέλι (ή ιμβερτοποιημένο σιρόπι ζάχαρης που έχει παρόμοια σύνθεση σε σάκχαρα με το μέλι)
  • Σωλήνες Eppendorf
  • Μικρό ποτήρι ζέσεως
  • Γυάλινη ράβδος ή κουτάλι
  • Φυγόκεντρος Eppendorf
  • Ζυγαριά
  • Απεσταγμένο νερό
  • Πιπέτα (1 ml)
  • Πιπέτα Παστέρ
  • Αναδευτήρας Vortex (εάν υπάρχει)
  • Διαφάνειες
  • Ένθετα κυτταροκαλλιέργειας
  • Μικροσκόπιο

Διαδικασία

  1. Τοποθετήστε σε ένα σωληνάριο Eppendorf τον τύπο του μελιού που πρόκειται να ελεγχθεί.
  2. Ζυγίστε 1 g μέλι σε ένα ποτήρι ζέσεως.
  3. Προσθέστε 1 ml απεσταγμένο νερό και ανακατέψτε το μείγμα με τη γυάλινη ράβδο.
  4. Ρίξτε 1 ml από το μείγμα με πιπέτα μέσα στα σωληνάρια Eppendorf και ανακατέψτε καλά με το vortex (για λίγο).
  5. Τοποθετήστε τα δείγματα στη φυγόκεντρο. ΠΡΟΣΟΧΗ: Βεβαιωθείτε ότι η φυγόκεντρος είναι ισορροπημένη. Φυγοκεντρήστε τα δείγματα για 10 λεπτά με ταχύτητα 5000 στροφές το λεπτό.
  6. Χρησιμοποιώντας μια πιπέτα Παστέρ αφαιρέστε προσεκτικά το ίζημα από τον πυθμένα του σωλήνα Eppendorf και τοποθετήστε μια σταγόνα από αυτό στην αντικειμενοφόρο πλάκα. Καλύψτε τη σταγόνα με μια καλυπτρίδα.
  7. Εξετάστε το δείγμα σας στο μικροσκόπιο.
  8. Διαβάστε το φυλλάδιο πληροφοριών σχετικά με τα χαρακτηριστικά της γύρης και χρησιμοποιήστε τον γρήγορο οδηγό γύρης για να προσπαθήσετε να αναγνωρίσετε το φυτό από το οποίο προήλθε.

Αποτελέσματα

Μπορούν να βρεθούν διαφορετικοί τύποι γυρεόκοκκων. Στο μέλι μιας συγκεκριμένης ποικιλίας όπως το μέλι λεβάντας θα πρέπει να βρείτε κυρίως το αντίστοιχο είδος γύρης. Συγκρίνετε τα αποτελέσματά σας με εικόνες αναφοράς από τον Άτλαντα γυρεόκοκκων.[3] Δεν είναι πάντα δυνατό να ταυτοποιηθούν οι κόκκοι γύρης αλλά τουλάχιστον μπορείτε να διακρίνετε τα διαφορετικά είδη μεταξύ τους.

Η γύρη μαζί με ένα πυκνό φόντο μικρών κρυστάλλων, ζυμομυκήτων και άλλων μυκήτων (π.χ. διάφορα είδη μυκήτων που εντοπίζονται στο μέλι) είναι χαρακτηριστικό του μελιού των δασών το οποίο παρασκευάζεται από μελίτωμα και όχι νέκταρ.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Thomas Scheuber

Το ψεύτικο ή το εξαιρετικά επεξεργασμένο μέλι δεν περιέχει γύρη. Η γύρη αφαιρείται, για να αποτραπεί η κρυστάλλωση και για να κρυφτούν τυχόν ίχνη από το σημείο παραγωγής του μελιού. Η γύρη λειτουργεί ως δακτυλικό αποτύπωμα και επιτρέπει στους επιστήμονες να εντοπίσουν από πού προέρχονται οι μέλισσες, αποδεικνύοντας έτσι τη χώρα προέλευσης.

Συζητήστε μερικές από τις ακόλουθες ερωτήσεις με τους μαθητές σας:

  • Ποιο μέλι παρουσίασε τη μεγαλύτερη ποικιλία γύρης;
  • Βρίσκετε την αναμενόμενη γύρη στο αντίστοιχο μέλι;
  • Ποιο μέλι παρουσίασε τη μεγαλύτερη ποσότητα γύρης;

Δραστηριότητα 3: Η αντιβακτηριδιακή δράση του μελιού

Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη Δραστηριότητα 3
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Thomas Scheuber

Το μέλι είναι γνωστό ότι περιέχει συντηρητικές ενώσεις και ότι έχει αντιμικροβιακές ιδιότητες. Υπάρχει ένας αριθμός ενώσεων που συμβάλλουν σε αυτό το αποτέλεσμα (δύο από αυτούς διερευνώνται περαιτέρω στη Δραστηριότητα 4). Σε αυτό το πείραμα, ξεκινάμε δοκιμάζοντας την αντιβακτηριδιακή δράση του μελιού. Η δραστηριότητα θα διαρκέσει περίπου 30 λεπτά ενεργού χρόνου (με τα αποτελέσματα να αξιολογούνται μία ή δύο ημέρες αργότερα).

Σημειώσεις ασφαλείας

Φοράτε προστατευτικά γυαλιά όταν εκτελείτε το πείραμα.

Υλικά

  • Διάφορα είδη μελιού
  • Ψεύτικο μέλι ή ιμβερτοποιημένο σιρόπι ζάχαρης
  • Τρυβλία πετρί με θρεπτικό άγαρ lysogeny broth (LB).
  • Λύχνος Bunsen
  • Πετρί με οινόπνευμα
  • Υγρή καλλιέργεια Escherichia coli (αφήστε το να αναπτυχθεί όλη τη νύχτα για να φτάσει στην εκθετική φάση ανάπτυξης)
  • Μικροπιπέτα (100 μικρολίτρα)
  • Σπάτουλα Drigalski
  • παραφίλμ

Διαδικασία

Σε αυτό το πείραμα είναι πολύ σημαντικό να εργάζεστε υπό αποστειρωμένες συνθήκες για να αποφύγετε τη μόλυνση των τρυβλίων Petri. Επομένως, οι πλάκες δεν πρέπει να μένουν ανοιχτές και πρέπει να κλείνονται γρήγορα και να σφραγίζονται με παραφίλμ μετά τον εμβολιασμό με βακτήρια.

  1. Τοποθετήστε 100 μικρολίτρα υγρής καλλιέργειας E. coli στο θρεπτικό άγαρ.
  2. Απολυμάνετε μια σπάτουλα Drigalski: βουτήξτε την σε οινόπνευμα, ανάψτε την σε φλόγα του καυστήρα Bunsen, περιμένετε μέχρι να σβήσει η φλόγα μόνη της και αφήστε τη σπάτουλα να κρυώσει για λίγο.
  3. Απλώστε ομοιόμορφα τα βακτήρια στο θρεπτικό άγαρ.
  4. Βάλτε μια σταγόνα μέλι και μια άλλη σταγόνα τεχνητό μέλι στο θρεπτικό άγαρ. Πολλά είδη μελιού μπορούν να δοκιμαστούν σε ένα πιάτο Petri ταυτόχρονα.
  5. Σφραγίστε τα πιάτα με παραφίλμ.
  6. Επωάστε τα τρυβλία πετρί για περίπου 24–48 ώρες στους 37°C σε επωαστήρα (εάν δεν υπάρχει διαθέσιμος επωαστήρας, η επώαση μπορεί επίσης να γίνει σε θερμοκρασία δωματίου).
  7. Αξιολογήστε το πείραμα μετρώντας και συγκρίνοντας τις ζώνες αναστολής της ανάπτυξης των βακτηρίων.

Συζήτηση

Η χρήση του μελιού ως παραδοσιακή θεραπεία για βακτηριακές λοιμώξεις είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Έχουν πραγματοποιηθεί επιστημονικές μελέτες που επικεντρώνονται στον εντοπισμό των λεγόμενων ινχιμπίνων (ή ανασταλτίνων), με αντιβακτηριδιακή δράση (εκτός από το υπεροξείδιο του υδρογόνου). Οι μικροβιολογικές αναλύσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των αντιβακτηριακών δράσεων του μελιού. Οι διαφορετικές διάμετροι των ζωνών αναστολής διαφορετικών μελιών δείχνουν τις διαφορετικές αντιβακτηριακές τους δυνατότητες. Ως θετικό μάρτυρα μπορείτε να συμπεριλάβετε ένα συμβατικό αντιβιοτικό όπως η πενικιλίνη και ως αρνητικό μάρτυρα μπορεί να χρησιμεύσει το νερό σε διηθητικό χαρτί.

Συζητήστε μερικές από τις ακόλουθες ερωτήσεις με τους μαθητές σας:

  • Ποιο μέλι είχε τη μεγαλύτερη επίδραση στην ανάπτυξη των βακτηρίων;
  • Ποιες δυσκολίες πρέπει να λάβετε υπόψη σε αυτό το πείραμα;
  • Ορισμένες ανασταλτίνες είναι ευαίσθητες στο φως και στη θερμοκρασία. Πώς επηρεάζει αυτό το γεγονός την παραδοσιακή αντιμετώπιση των βακτηριακών λοιμώξεων και την κατάλληλη αποθήκευση του μελιού;

Δραστηριότητα 4: Δραστικότητα οξειδάσης της γλυκόζης

Activity 4 procedure. Honey and water are added into two different beakers.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Thomas Scheuber

Ένα σημαντικό ένζυμο του μελιού είναι η οξειδάση της γλυκόζης. Καταλύει την οξείδωση της β-D-γλυκόζης. Αυτή η αντίδραση παράγει γλυκονικό οξύ και υπεροξείδιο του υδρογόνου. Και οι δύο ενώσεις έχουν συντηρητικές ιδιότητες. Το γλυκονικό οξύ μειώνει την τιμή του pH. Αυτό προστατεύει το μέλι, ειδικά από τους μύκητες. Τα ακάρεα της μέλισσας (ειδικά το ακάρεο Varroa) απομακρύνονται επίσης από το όξινο περιβάλλον, γι’ αυτό και οι μελισσοκόμοι φροντίζουν τις κυψέλες με μυρμηκικό οξύ και οξαλικό οξύ. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου από την άλλη πλευρά χαρακτηρίζεται από τη βακτηριοστατική του επίδραση. Η δραστηριότητα θα διαρκέσει περίπου 60 λεπτά.

Οξειδάση γλυκόζης

  • Η οξειδάση της γλυκόζης είναι ένα σημαντικό ένζυμο του μελιού. Καταλύει την οξείδωση της β-D-γλυκόζης η οποία παράγει γλυκονικό οξύ και υπεροξείδιο του υδρογόνου. Και οι δύο ενώσεις έχουν συντηρητικές ιδιότητες.
  • Το γλυκονικό οξύ μειώνει την τιμή του pH.
  • Το υπεροξείδιο του υδρογόνου από την άλλη πλευρά, χαρακτηρίζεται ιδιαίτερα για την ανασταλτική του δράση στα βακτήρια.
Αντίδραση που καταλύεται από οξειδάση γλυκόζης
Εικόνα: Boghog/Wikimedia, Public Domain 

Υλικά

  • 3 ποτήρια ζέσεως
  • Θερμόμετρο
  • Γυάλινη ράβδος
  • Σπάτουλα
  • Μέλι
  • Απεσταγμένο νερό
  • Ταινίες δείκτες υπεροξειδίου του υδρογόνου
  • Θερμαινόμενος μαγνητικός αναδευτήρας

Διαδικασία

  1. Ζεσταίνουμε 100 ml νερού σε ένα ποτήρι ζέσεως στους 40°C.
  2. Ζεσταίνουμε 100 ml νερού στο δεύτερο ποτήρι ζέσεως στους 80°C.
  3. Στο τρίτο ποτήρι αφήνουμε 100 ml νερό σε θερμοκρασία δωματίου.
  4. Όταν το νερό φτάσει σε αυτές τις θερμοκρασίες προσθέστε δύο κουταλάκια του γλυκού μέλι σε κάθε ένα και ανακατέψτε απαλά για 3-4 λεπτά.
  5. Χρησιμοποιήστε τις ταινίες δείκτες για να προσδιορίσετε τη συγκέντρωση υπεροξειδίου του υδρογόνου στα τρία διαλύματα μελιού.

Συζήτηση

  • Από πού προέρχονται τα δύο αντιδρώντα (η γλυκόζη και το οξυγόνο) και ο καταλύτης (η οξειδάση της γλυκόζης);
  • Τι παρατηρείτε; Τι επίδραση έχει η θερμοκρασία στη συγκέντρωση του υπεροξειδίου του υδρογόνου;
  • Πώς θα εξηγούσατε αυτό το αποτέλεσμα (υπόδειξη: σκεφτείτε τι γνωρίζετε για τη λειτουργία των ενζύμων);

Συμπέρασμα

Το μέλι είναι μια εξαιρετική αφετηρία ώστε να εξερευνήσετε μια σειρά από βιολογικές και χημικές έννοιες. Αυτό το άρθρο δίνει μερικά παραδείγματα για τη βιολογία και θα ακολουθήσει ένα άλλο άρθρο που να εστιάζει περισσότερο στη χημεία. Εάν υπάρχει χρόνος είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο να δοκιμάσετε όλες τις δραστηριότητες ως μέρος ενός μεγαλύτερου ερευνητικού σχεδίου για να δείξετε στους μαθητές ότι η διαίρεση της επιστήμης σε βιολογία/χημεία/φυσική είναι μάλλον τεχνητή: τα περισσότερα ερευνητικά θέματα έχουν πολλαπλές πτυχές και απαιτούν μια διεπιστημονική προσέγγιση. Αυτές οι δραστηριότητες προορίζονται ως αφετηρία/έμπνευση για ένα έργο που σχετίζεται με τις μέλισσες. Οι δάσκαλοι μπορούν επίσης να φέρουν στην τάξη και άλλες πτυχές, όπως την οικολογία των μελισσών (π.χ. τη σημασία τους ως επικονιαστές) και τον συναρπαστικό κόσμο της κοινωνικής συμπεριφοράς των μελισσών.


References

[1] The More than Honey movie (German language): http://www.morethanhoney.ch

[2] Data on the international trade of honey in 2021 on the Eurostat website: https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/-/edn-20220819-2

[3] The digital pollen atlas (predominantly in German language): https://pollen.tstebler.ch/MediaWiki/index.php?title=Pollenatlas#gsc.tab=0

Resources

Author(s)

Ο Thomas Scheuber είναι καθηγητής βιολογίας στο Gymnasium Kirschgarten στη Βασιλεία της Ελβετίας. Εκπροσώπησε την Ελβετία στο φεστιβάλ επιστήμης στην Πράγα της Τσεχίας το 2022, με τα πειράματά του με το μέλι και πρόσφατα ολοκλήρωσε την περαιτέρω εκπαίδευσή του ως μελισσοκόμος.

Review

Η ζωή των μελισσών και του μελιού γοήτευσε τους ανθρώπους από την πρώιμη ιστορία της ανθρωπότητας μέχρι τις μέρες μας. Ο συγγραφέας δίνει στους δασκάλους και ιδιαίτερα στους μαθητές τους την ευκαιρία να κατανοήσουν τις διαδικασίες πίσω από αυτό το φαινόμενο με βάση ενδιαφέροντα υλικά και πειράματα που τους δραστηριοποιούν. Το άρθρο θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα της σημασίας της βιοποικιλότητας.

Η καινοτομία σε αυτό το άρθρο είναι οι πολλές πτυχές της ζωής σχετικά με τις μέλισσες για την ανθρωπότητα.

Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ως άσκηση κατανόησης. Οι ερωτήσεις θα μπορούσαν να είναι για παράδειγμα:

  • Πώς ξεχωρίζετε το αληθινό από το τεχνητό μέλι;
  • Γιατί το μέλι έχει αντιβακτηριδιακή δράση;
  • Πώς επηρεάζει η δράση της οξειδάσης της γλυκόζης τις αντιβακτηριακές ιδιότητες του μελιού;

Ernst Hollweck, biology & chemistry teacher, Staatliches Gymnasium Holzkirchen, Germany

License

CC-BY
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images and additional material: please see individual descriptions