Bioluminescenza: una combinazione di biologia, chimica e bionica Teach article

Integrare i principi chiave della biologia, della chimica e dell'ingegneria con una serie di esperimenti basati sulla bioluminescenza..

Introduzione e sommario

Questa unità didattica si serve della bioluminescenza delle lucciole per dimostrare i concetti relativi alle reazioni enzimatiche e chimiche. L’unità didattica è composta da due parti:

  • Un’introduzione alle basi biologiche e chimiche della bioluminescenza.
  • Esperimenti che dimostrano le reazioni di luminescenza enzimatica e ionica e la loro dipendenza dalla temperatura.

Viene anche fornita un’attività di approfondimento per esplorare gli aspetti bionici dell’argomento confrontando le lucciole e i diodi emettitori di luce (LED).

Queste attività sono rivolte a studenti di età uguale o superiore a 16 anni, i quali dovrebbero avere familiarità con le proprietà fondamentali della cellula, come condurre un esperimento, annotare osservazioni e con le proprietà e i processi delle reazioni chimiche. Questa unità può anche essere utilizzata per insegnamenti interdisciplinari, ad esempio, nell’affrontare il tema delle proprietà della luce in fisica. Dopo aver completato l’unità, gli studenti saranno in grado di:

  • Descivere le proprietà strutturali di un fotoforo nei Lampiridi
  • Mettere in correlazione queste proprietà con i processi di generazione della luce che avvengono nei fotofori
  • Spiegare i processi chimici coinvolti nella luminescenza
  • Confrontare e contrapporre i processi e le proprietà della bioluminescenza e della chemiluminescenza
  • Formulare ipotesi e testarle attraverso esperimenti

Nel PDF allegato è disponibile una descrizione del background teorico necessario per comprendere i compiti e gli esperimenti, e per aiutare gli studenti con le eventuali domande.

Unità didattica

L’unità didattica su lucciole e LED è composta da due sezioni da distribuire in due o tre lezioni. Nella prima parte, gli studenti scoprono gli aspetti chimici e biologici di base relativi all’argomento. Nella seconda parte, gli studenti conducono esperimenti volti all’esplorazione dell’accelerazione catalitica di una reazione, degli enzimi temperatura-dipendente e delle reazioni di luminescenza basate sugli ioni, Sulla base dei loro risultati, gli studenti propongono poi spiegazioni da discutere in gruppo.

Il tempo dedicato al lavoro indipendente degli studenti sui Fogli di lavoro da 1 a 3 non dovrebbe essere superiore alla metà della prima lezione, per garantire che ci sia abbastanza tempo per l’elaborazione di ipotesi per la seconda attività nelle lezioni successive.

Nella seconda e nella terza lezione, gli studenti conducono esperimenti nelle loro squadre di ricerca. I Fogli di lavoro 4-6 forniscono informazioni di base e procedure rilevanti per i due esperimenti, insieme a domande per aiutare gli studenti nell’ interpretazione dei risultati. Dopo ogni esperimento, i risultati vengono raccolti, discussi in classe e confrontati con le ipotesi elaborate durante la prima parte. In questo modo, le ipotesi basate sull’esperienza vengono confrontate con le prove empiriche.

Attività 1

Nella prima lezione, gli studenti vengono introdotti all’argomento. Questa prima attività è teorica. I Fogli di lavoro da 1 a 3 introducono informazioni sui Lampiridi, e gli studenti sono incoraggiati a pensare a come funziona la bioluminescenza e a generare ipotesi.

  1. Agli studenti viene prima fornita la struttura dell’unità per assicurare la trasparenza e può essere mostrato un video[1] per introdurre l’argomento e accendere l’interesse.
  2. Vengono poi divisi in gruppi (gruppi di ricerca) per lavorare sui Fogli di lavoro da 1 a 3, che presentano tre specie di Lampiridi (Lampyris noctiluca, Lamprohiza splendidula, and Phosphaenus hemipterusFoglio di lavoro 1), il fotoforo e le sue proprietà strutturali (Foglio di lavoro 2), così come le reazioni di bioluminescenza (Foglio di lavoro 3).
  3. Dopo di che, gli studenti dovranno riflettere sulle seguenti domande:
    • La reazione di bioluminescenza funzionerebbe in una provetta?
    • In che modo il riscaldamento a più di 50°C potrebbe influenzare questa reazione?
    • Ti aspetteresti un risultato diverso per la chemiluminescenza non enzimatica?
  4. A partire da queste domande, gli studenti dovrebbero formare delle ipotesi che possono poi testare sperimentalmente. Le ipotesi degli studenti vengono raccolte in classe.

Attività 2

Questa attività viene svolta utilizzando campioni essiccati di Vargula hilgendorfii [2] che contiene luceferasi e il substrato luciferina, che possono reagire per produrre luce quando il campione viene polverizzato e reidratato. Gli studenti seguiranno seguire il procedimento del Foglio di lavoro 4 per eseguire e interpretare l’esperimento. Agli studenti dovrebbe venire concessa un’intera lezione per questa attività.

Materiali

  • Una pipetta
  • Due provette
  • Un pennello a setole
  • Utilizzo di un bollitore
  • Un piccolo pestello e mortaio
  • 30 Vargula hilgendorfii essiccate

Importante: tutti i materiali devono essere completamente asciutti! Le sostanze richieste non sono nocive, secondo il GHS/CLP.

Procedura

  1. Macinare due lotti di 15 Vargula hilgendorfii usando il piccolo mortaio. Le polveri risultanti devono essere spazzolate in due provette asciutte usando il pennello di setola.
Preparazione per l’attività 2
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann
  1. Una volta che tutte le squadre hanno preparato i loro materiali, l’insegnante chiude le tende. Nella stanza oscurata, 2 ml di acqua fredda (20°C) vengono pipettati in una delle provette e 2 ml di acqua calda (circa 80°C) nell’altra.
Passaggi finali: innescare la reazione di bioluminescenza
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann

Attività 3

Questa attività della terza lezione aiuta gli studenti ad acquisire una comprensione più profonda dei processi chimici coinvolti nella chemiluminescenza. Nell’esperimento, lavorano con il luminol seguendo il Foglio di lavoro 5.

La tabella dei rischi per le sostanze chimiche usate nell'attività 3

Materials

  • Foglio di lavoro 5 e 6
  • Una spatola per polveri (circa 17 cm)
  • Una pipetta (3 ml)
  • Un termometro
  • Due provette
  • Uso di un bollitore
  • Un portaprovette
  • Un beaker alto (150 ml)

Procedura

  1. Si riempiono due provette (un terzo ciascuna) con acqua distillata. Il cloruro di ammonio (circa 0,2 g) e il carbonato di sodio (circa 0,2 g) vengono aggiunti a ciascuna provetta con la punta di una spatola per polveri. Il luminol (circa 0,02 g) viene aggiunto con l’aiuto di una spatola a microcucchiaio. Entrambe le soluzioni vengono mescolate accuratamente agitando delicatamente.
Spatola per polveri e spatola a microcucchiaio
Spatola per polveri (sinistra) e spatola a microcucchiaio (destra)
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann
La preparazione per l’attività 3
Preparazione per l’attività 3
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann
  1. L’acqua viene riscaldata in un bollitore e versata nel beaker, come un bagnomaria. Si aggiunge un termometro in una delle provette e si riscalda la soluzione a 60-70°C nel bagnomaria. Se necessario, l’acqua nel beaker viene sostituita con acqua calda dal bollitore.
Riscaldare la seconda provetta
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann
  1. Dopo che una delle provette è stata riscaldata, si aggiungono 3 ml di perossido di idrogeno (3%) con una pipetta in entrambe le provette. Successivamente, in una stanza oscurata, nella soluzione di ogni provetta viene immerso del filo di rame. Si confronta la luminosità delle due soluzioni.
Passaggi finali: innescamento della reazione di luminescenza
Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann
  1. Dopo che gli studenti hanno completato l’esperimento, il Foglio di lavoro 6 dovrebbe essere consegnato durante gli ultimi 20 minuti della lezione. Gli studenti dovranno ora confrontare i risultati delle attività 2 e 3 e annotare le differenze e le somiglianze tra la bio- e la chemiluminescenza.

Attività 4: attività di estensione opzionale

In un’attività di estensione opzionale, vengono introdotti i LED e possono essere esplorati gli aspetti bionici dell’argomento, insieme alla loro rilevanza nel mondo reale. Il Foglio di lavoro 7 guida gli studenti attraverso l’attività di estensione. Dopo aver completato questa attività, gli studenti saranno in grado di:

  • Confrontare e contrapporre le proprietà strutturali dei fotofori e dei LED
  • Dedurre applicazioni bioniche basate sulle proprietà strutturali dei fotofori

Nella prima metà di questa lezione, vengono fornite alcune informazioni di base su come funzionano i LED e sulle somiglianze tra la luminescenza delle lucciole e quella dei LED. Gli studenti annoteranno alcune ipotesi iniziali su come l’efficienza luminosa di un LED potrebbe essere aumentata per poi esplorare gli effetti derivanti dal mettere una lente davanti a una torcia a LED nella seconda metà della lezione.

Materiali

Una penna

Procedura

  1. Una torcia LED viene puntata su un foglio di carta (30 cm di distanza) in una stanza oscura. L’area illuminata viene poi cerchiata con una penna.
  2. Si mette una lente davanti alla torcia a LED e si circoscrive di nuovo l’area illuminata sul foglio.
  3. La torcia a LED viene poi puntata su una parete con e senza la lente (distanza di 3 m).
Flusso di lavoro per l’attività Immagine gentilmente concessa da Marcel Hammann

Gli studenti annoteranno e discuteranno le loro osservazioni su come la lente cambia l’aspetto della luce della torcia a LED. Dovranno poi confrontare ulteriormente le proprietà strutturali della torcia a LED e quelle di un fotoforo, con l’aiuto di una panoramica schematica, seguita da una discussione di classe sui risultati.


References

[1] Per esempio: un video che mostra il ciclo di vita delle lucciole britanniche: https://vimeo.com/31952006.

[2] Questi campioni possono essere ordinati nei negozi online di forniture scientifiche, per esempio., https://www.carolina.com/ or https://www.der-hedinger.de/.

Resources

Author(s)

Il prof. Dr Claas Wegner è professore di Didattica della Biologia all’Università di Bielefeld e professore di Psicologia all’Università di Scienze Applicate alle Piccole e Medie Imprese (Fachhochschule des Mittelstands – FHM), nonché fondatore e direttore dell’Osthushenrich-Center per la ricerca sul talento intellettuale (Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung – OZHB) al Dipartimento di Biologia dell’Università di Bielefeld.

Marcel Hammann (Master in Educazione) è un ex studente del Dipartimento di Biologia dell’Università di Bielefeld e un insegnante di scuola secondaria.

Carolin Zehne (Master in Educazione) è docente all’Università di Bielefeld (insegnamento dell’inglese come lingua straniera).


Review

La bioluminescenza ha affascinato gli uomini a partire dall’inizio della storia dell’umanità fino ai nostri giorni. Gli autori danno agli insegnanti e soprattutto ai loro alunni l’opportunità di capire i processi che stanno dietro a questo fenomeno basandosi su materiali interessanti ed esperimenti stimolanti.

La novità di questo articolo è la combinazione di bioluminescenza, chemiluminescenza e LED in un unico corso. Il risultato è un effetto sinergico per gli studenti per quanto riguarda la comprensione dei concetti di base comuni e le differenze su questi argomenti.




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