Melma intelligente? Un progetto pratico per studiare le muffe melmose Teach article

Tradotto da Valentina Palmieri. Queste semplici ed inusuali forme di vita possono essere utilizzate per far sì che gli studenti comprendano la vita e il metodo scientifico.

Un plasmodio nel suo habitat naturale
Immagine gentilmente offerta da Frankenstoen/Wikimedia commons

Il movimento di una melma rossa e gialla può sembrare roba da film di fantascienza degli anni cinquanta, ma in realtà gli scienziati usano spesso le muffe melmose come organismo modello per studiare la motilità, la crescita e la differenziazione cellulare (Montag, 2008).

Le muffe melmose (Eumycetozoa) rappresentano uno dei generi più diversificati conosciuti dall’uomo. A causa di questa ampia varietà, è difficile classificare questi organismi e lo stesso sistema di classificazione cambia di anno in anno. Non è neanche chiaro a quale gruppo di organismi essi  appartengano: il corpo fruttifero (o sporoforo) sembra quello di un vero fungo, ma geneticamente sono più simili ai flagellati e alle amebe (Hoppe & Kutschera, 2010).

Ci sono più di 1000 specie di vere muffe melmose (sottoclasse dei Myxomycetes), e ciascun organismo è formato da una sola cellula. Esse si sono adattate a ogni sorta di ambiente e si cibano di altri microorganismi o detriti.

Il Physarum polycephalum è la specie più conosciuta dei Mixomiceti ed è un organismo facile da manipolare per dimostrare diversi processi basilari in biologia.

Figura 1: Lo sviluppo del
Physarum. Lo sviluppo
vegetativo del Physarum
comincia con la fusione di
una coppia aploide di
mixamebe e mixoflagellati
(1). In seguito il nucleo
risultante dello zigote
diploide (2) si duplica per
mitosi diverse volte senza
che il plasmodio si
moltiplichi, ciò crea un
plasmodio multinucleato (3).
Successivamente questo
plasmodio cresce formando
una rete macroscopica in
tre-quattro giorni a
temperatura ambiente
(Esser, 2000). Mentre la
dimensione normale di
questa rete è di 15×15 cm, i
plasmodi possono arrivare a
dimensioni che superano i 3
m2 (Marwan,2001).

Immagine gentilmente offerta
dagli autori

La forma macroscopica di muffa melmosa, chiamata plasmodio, si muove costantemente alla ricerca di cibo; una volta trovato cibo, il Physarum inghiottisce le particelle o i microorgaanismi, creando vacuoli di cibo digeriti all’interno della cellula (Esser, 1976). Questo processo viene chiamato fagocitosi.

Se l’ambiente del Physarum diventa troppo secco, esso si trasforma in una forma più resistente per consentire alla melma di sopravvivere a lunghi periodi di siccità. Una volta che le condizioni migliorano, la melma può ritornare nella forma di normale plasmodio. Stimoli ambientali quali luce costante o scarsità di cibo, in ogni caso, inducono il Physarum a formare corpi fruttuosi. La Figura 1 mostra il ciclo di sviluppo di una muffa melmosa.

Studiare le muffe melmose

Il progetto qui descritto ha una durata di due lezioni ed è adatto a studenti di 16-19 anni. L’esperimento è impostato secondo il metodo scientifico ed è suddiviso in tre fasi: la parte introduttiva (informazioni teoriche), la parte sperimentale (parte pratica), la valutazione e la fase di presentazione dei dati.

Inizia mostrando agli studenti la coltura di Physarum. Gli studenti possono esaminare la melma in piccoli gruppi utilizzando lenti di ingrandimento ed  annotare le caratteristiche principali. Raccogli i risultati costruendo una mappa mentale sulla lavagna, con al centro il Physarum polycephalum.

Potrai anche mostrare un video che descrive il ciclo vitale della muffa melmosa, per esempio su YouTubew1. Dato che il video mostra il movimento della cellula, che sembra direzionato, potresti chiedere agli studenti come pensano che la melma riesca ad orientarsi. Scrivi le domande e alcune risposte sulla lavagna.

Non appena gli studenti inizieranno uno degli esperimenti descritti in seguito, assicurati che scrivano prima delle ipotesi sui risultati aspettati. Per ogni esperimento, gli studenti dovrebbero annotare ciò che fanno e i loro risultati su un foglio di lavoro. Questo fa sì che ricordino meglio le informazioni raccolte e consente loro di seguire meglio i vari passaggi. Alla fine dell’unità, raccogli i risultati e discutili in classe, rispondendo quindi alle ipotesi che inizialmente gli studenti hanno suggerito. Dato che la maggior parte degli esperimenti descritti in seguito richiederanno un certo lasso di tempo per essere ultimati, la valutazione e la presentazione dei dati potrebbero essere fatti in una successiva lezione.

 

Movimento della melma

I risultati ottenuti negli esperimenti di chemotassi e fototassi qui descritti possono essere annotati nel foglio di lavoro ‘Melma strisciante’w2

1 Chemotassi

Immagine gentilmente offerta
dagli autori

I Physarum trovano cibo ed evitano situazioni pericolose muovendosi in risposta a stimoli chimici- un processo noto come chemiotassi. In questa lezione, piccolo gruppi di studenti studieranno l’effetto di chemioattrattanti e repellenti. Metà della classe studierà uno stimolo positivo, l’altra metà quello negativo.

Materiali

  • Fiocchi d’avena sterilizzati

  • Piastre di Petri con agar e Physarum polycephalum in coltura

  • Acqua distillata

  • Aceto bianco o aceto di spirito

Procedura

Posizionare uno stimolo chimico a una distanza di 1.5 cm dal plasmodio in una piastra di Petri. Per la chemiotassi positiva utilizzare un fiocco d’avena; per una chemiotassi negativa far cadere qualche goccia di aceto sul fiocco d’avena. Coprire la piastra con un sottile strato di acqua distillata e mantenerla al buio per un certo tempo a temperature ambiente.

Dopo un pò di tempo, prendere le piastre di Petri e misurare la distanza tra la melma e il fiocco d’avena.

Cosa succeed

Il plasmodio si muoverà verso lo stimolo positivo- il fiocco d’avena. Nella cellula saranno visibili canali spessi, essi trasportano nutrienti freschi in ogni punto dell’organismo. Nel frattempo, nell’altro esperimento, la melma si sarà allontanata dallo stimolo negativo- il fiocco d’avena imbevuto di aceto.

I risultati dell’esperimento suggeriscono che il Physarum deve possedere dei chemiorecettori, dato che l’ambiente è completamente buio. Mostrano anche come la melma sia capace di misurare le differenze in concentrazione dato che si è mossa direttamente verso la fonte di cibo: se su un lato della cellula si attivano più recettori, allora lì ci sarà la concentrazione maggiore. Questi recettori inducono una trasduzione a catena del segnale nella cellula, che porterà infine alla migrazione cellulare.

L’esperimento può essere ampliato con un esperimento a scelta: gli studenti possono immergere i fiocchi in differenti sostanze e darli simultaneamente al Physarum alla stessa distanza, e vedere verso quale fiocco d’avena si muove la melma.

2 Fototassi

Il movimento in risposta alla luce, chiamato fototassi, è usato diversamente dalle muffe melmose di giovane età e dalle adulte. Questo esperimento può dimostrare come, e è possibile discutere sul perchè a gruppi.

Materiali

  • Una torcia

  • 1 piastra di Petri con agar con un Physarum polycephalum giovane (2-3 giorni di età)

  • 1 piastra di Petri con agar con un Physarum polycephalum adulto (una settimana e mezza di età)

Procedura

Puntare il fascio della torcia su un bordo di un giovane Physarum. Si allontanerà immediatamente dall’area illuminata, Se il Physarum viene poi messo al buio, ritornerà alla sua posizione iniziale. Ripetete l’esperimento con un Physarum più anziano- si muoverà verso la luce.

Cosa accade

La reazione fototattica diventa positiva quando il plasmodio è abbastanza adulto da formare i corpi fruttiferi (Esser, 1976). Il plasmodio vuole che i propri corpi fruttiferi si sviluppino in un punto abbastanza libero da poter essere raggiunti dal vento. Quando c’è la luce, non ci sono di solito grandi piante o ostacoli che bloccano la diffusione di spore.

Al contrario, i Physarum più giovani evitano la luce dato che ciò può significare più calore, minacciando la melma di deidratazione.

 

Ulteriori esperimenti

Una volta analizzati i principi della chemiotassi e fototassi è possibile effettuare altri esperimenti per analizzare le proprietà delle muffe.

Scienziati giapponesi hanno iniziato a studiare l’intelligenza delle melme nel 2000, quando hanno scoperto che esse erano capaci di trovare abbastanza velocemente la via più breve verso il cibo attraverso un labirinto (Nakagaki et al., 2000). Alcuni anni dopo gli scienziati hanno addirittura usato il Physarum come unità di controllo centrale per un robot a sei gambe formato da muffa melmosa (Tsuda et al., 2007). Tero et al. (2010) hanno dimostrato come la melma fosse in grado d creare una rete efficiente tra il cibo. Hanno preparato 36 fonti di cibo attorno a una centrale in uno schema raffigurante le posizioni geografiche di Tokyo e delle città vicine. Il Physarum ha costruito una rete quasi identica alla rete ferroviaria esistente tra queste città.

L’esperimento delle reti descritto precedentemente, durante il quale la muffa simula una rete ferroviaria o qualcosa di simile, è particolarmente adatto per essere ripetuto in classe usando il foglio di lavoro ‘Melma intelligente’ scaricabilew3.

Posizionare un fiocco d’avena nel mezzo della piastra di Petri e lasciare che il plasmodio lo fagociti. In seguito posizionare altri fiocchi d’avena attorno alla muffa secondo uno specifico disegno. Questo potrebbe essere una particolare forma o rappresentare le posizioni geografiche di particolari città nei dintorni.

Dopo uno o due giorni il Physarum avrà trovato le connessioni più efficienti tra i fiocchi d’avena, e gli studenti potranno fare un confronto tra i percorsi creati e la rete ferroviaria. Il processo dietro questo fenomeno è abbastanza semplice. Le connessioni caratterizzate da un alto flusso di citoplasma diventano più forti, mentre le connessioni con un basso flusso saranno sempre più deboli fino a svanire (Tero et al., 2010). Grazie alla continua ciclosi tra le fonti di cibo, queste connessioni saranno quelle che diventeranno più forti.

Per dimostrare agli studenti come la muffa melmosa riesce a fare tutto questo, organizza un esperimento sulla ciclosi dell’organismo utilizzando il foglio di lavoro scaricabilew4.

Gli studenti possono anche costruire un labirinto di cartone su un letto di agar e posizionare al suo interno uno stimolo negativo (ad esempio un fiocco d’avena immerso in essenza di aceto) e uno stimolo positivo alla fine del labirinto. Dopo un po’ di tempo, il Physarum troverà una strada attraverso il labirinto. Dato che i processi che accadono sono tutti automatici, comunque, bisogna ancora dare una risposta alla domanda se la muffa sia o meno intelligente.

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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 DesignScience 327(5964): 439-441
  • Tsuda S, Zauner KP, Gunji YP (2007) Robot Control with Biological CellsBiosystems 87(2-3): 215-223

Web References

  • w1 – Guarda un breve video su La vita di una muffa melmosa.
  • w2 – Scarica questo foglio di lavoro in formato Word o PDF per annotare le prove dell’avvenuta chemiotassi e fototassi.
  • w3 – Scarica questo foglio di lavoro in formato Word o PDF per scrivere come la muffa melmosa può formare delle reti.
  • w4 – Scarica questo foglio di lavoro in formato Word o PDF per annotare le prove dell’avvenuta ciclosi.

Author(s)

Il Dr Claas Wegner è un insegnante esparto di biologia e di educazione fisica alle scuole superiori e professore del Dipartimento di Didattica di Biologia all’Università di Bielefeld, Germania.

Friederike Strehlke ha conseguito la sua laurea specialistica in Scienze dell’Educazione e Inglese e lavora come assistente al Dipartimento di Didattica di Biologia all’Università di Bielefeld.

Phillip Weber ha conseguito la laurea specialistica in Biologia e Inglese e lavora come assistente al Dipartimento di Didattica di Biologia all’Università di Bielefeld.


Review

Le attività pratiche descritte nell’articolo consentono agli studenti di analizzare come le muffe melmose si adattino ad utilizzare la luce e come riescano a cibarsi.

Le attività possono essere anche utilizzate per valutare come la muffa si procura il cibo. Utilizzerei questi esperimenti per studenti di età compresa tra 16 e 19 anni principalmente come introduzione al tema della scienza  come approccio per risolvere i problemi della civilizzazione moderna.

Con un po’ di immaginazione posso vedere come la melma possa essere utilizzata in tanti modi per allargare gli orizzonti degli studenti- per esempio per mostrare come le melme possono risolvere un labirinto. Gli esperimenti pratici sono abbastanza semplici ed economici da poter lasciare che gli studenti ne inventino dei nuovi così da poter sviluppare le abilità di risoluzione di problemi.


Mike Sands, Longcroft School, UK




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