Bioluminescência: combinando biologia, química e biônica Teach article

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

Integra princípios-chave da biologia, química e engenharia com um conjunto de experiências baseadas na bioluminescência

Introdução e visão geral

Esta unidade didática utiliza a bioluminescência dos pirilampos para demonstrar conceitos relacionados com reações químicas e enzimáticas. A unidade didática é composta por duas partes:

  • Introdução aos fundamentos biológicos e químicos da bioluminescência.
  • Experiências demonstrando reações de luminescência baseadas em enzimas e iões e a sua dependência com a temperatura.

Também é providenciada uma atividade adicional onde se exploram os aspetos biónicos do tema através da comparação entre pirilampos e díodos emissores de luz (LEDs).

Estas atividades destinam-se a alunos com pelo menos 16 anos, que devem estar familiarizamos com as propriedades básicas de uma célula, o procedimento para realizar experiências, a anotação de observações, e os processos e propriedades das recções químicas.  O trabalho também pode ser utilizado para ensino interdisciplinar, por exemplo, para estudar como a Física lida com as propriedades da luz. Depois de completarem a atividade os alunos devem ser capazes de:

  • Descrever as propriedades estruturais de um fotóforo de Lampyridae
  • Relacionar essas propriedades com os processos de geração de luz que acontecem no fotóforo
  • Explicar os processos químicos que envolvem a luminescência
  • Comparar os processos e as propriedades de bioluminescência e quimioluminescência
  • Explicar o papel das enzimas nas reações catalisadas por enzimas
  • Formular hipóteses e testá-las nas experiências

Uma visão geral do conhecimento teórico fundamental necessário para entender as tarefes e experiências e ajudar a esclarecer possíveis dúvidas é fornecida do PDF em anexo.

Unidade didática

A unidade didática sobre pirilampos e LEDs é composta por duas partes e deve ocupar duas ou três aulas. Na primeira parte os alunos descobrem as bases biológicas e químicas do tema. Na segunda parte, eles realizam experiências onde exploram a catálise de uma reação, enzimas dependentes da temperatura e reações de luminescência baseadas em iões. Com base nos resultados, os alunos propõem explicações e discutem-nas em grupo.

O tempo dedicado pelos alunos a trabalho autónomo nas fichas 1–3 não deve ser superior a metade da primeira aula, para garantir que há tempo suficiente para propor hipótese para a segunda atividade, que acontecerá nas aulas seguinte.

Na segunda e na terceira lição, os alunos realizam experiências em grupo. Fichas 4–6 fornecem a informação e os procedimentos relevantes para as duas experiências, juntamente com questões para ajudas os alunos a interpretar os resultados. Depois de cada experiência, os resultados são recolhidos e discutidos na aula e comparados com as hipóteses propostas na primeira parte. Desta forma as hipóteses são comparadas com a evidencia empírica.

Atividade 1

Nesta primeira aula, o tema é apresentado aos alunos. A primeira atividade é baseada na teoria. Fichas 1–3 apresentam factos sobre Lampyridae e os alunos são encorajados a pensar sobre como funciona bioluminescência.  

  1. A planificação da atividade é apresentada aos alunos e pode ser mostrado um vídeo[1] para introduzir e despertar interesse no tópico.
  2. Os alunos são divididos em grupos (equipas de investigação) para trabalhas nas Fichas 1–3, que apresentam três espécies de Lampyridae (Lampyris noctiluca, Lamprohiza splendidula, and Phosphaenus hemipterus, Ficha 1), o fotóforo e as suas propriedades estruturais (Ficha 2), assim como as reações de bioluminescência (Ficha 3).
  3. Depois disso, os alunos devem considerar as seguintes questões:
  • Será que a bioluminescência funciona num tubo de ensaio?
  • Qual seria o efeito de elevar a temperatura da reação acima dos 50°C?
  • Seriam esperados resultados diferentes em quimioluminescência não-enzimática?
  1. Os alunos devem propor hipóteses com bases nestas questões, que serão testadas nas experiências seguintes. Os alunos devem recolher as hipóteses de toda a turma.

Atividade 2

Esta atividade é realizada utilizando amostras secas deVargula hilgendorfii samples.[2] Estas contêm as substâncias luciferase e luciferina, que podem reagir e produzir luz quando a amostra é pulverizada e reidratada. Os alunos devem seguir o procedimento indicado na Ficha 4 para realizar e interpretar a experiência. Deve ser dado aos alunos uma aula inteira para completarem a atividade.

Materiais

  • Ficha 4
  • Pipeta
  • Dois tubos de ensaio
  • Pincel
  • Chaleira
  • Pilão e almofariz
  • 30Vargula hilgendorfii secas 

Importante: todo o material deve estar completamente seco! Os materiais necessários não são perigosos, segundo o GHS/CLP.

Procedimento

  1. Moa dois conjuntos de 15 Vargula hilgendorfii utilizando o almofariz. O pó obtido deve ser colocado nos tubos de ensaio secos, utilizando o pincel.
The setup for activity 2
Equipamento para a atividade 2
Imagem cedida por Marcel Hammann
  1. Quando todas as equipas tiverem preparado os materiais, o professor deve fechar as cortinas. Na sala escurecida, 2 ml de água fria (20°C) são pipetados para um dos tubos e 2 ml de água quente (80°C) são pipetados para o outro.
The final steps of activity 2 when the luminescence reaction is triggered
Etapa final: desencadeando a reação de luminescência
Imagem cedida por Marcel Hammann

Atividade 3

Na terceira aula, esta atividade ajuda os alunos a desenvolver um conhecimento mais aprofundado dos processos químicos envolvidos na quimioluminescência. Nesta experiência os alunos trabalham com luminol e utilizam a Ficha 5.

A tabela de risco para os produtos químicos utilizados na atividade 3

Materials

  • Fichas 5 e 6
  • Espátula para pós
  • Pipeta (3 ml)
  • Dois fios de cobre
  • Termómetro
  • Dois tubos de ensaio
  • Chaleira
  • Espátula micro colher
  • Suporte para tubos de ensaio
  • Copo (150 ml)

Procedimento

  1. Dois tubos de ensaio são cheios (até um terço da capacidade) com água destilada.

Cloreto de amónio (0.2 g) e carbonato de sódio (0.2 g) são adicionados a cada um dos tubos utilizando a ponta da espátula para pós. Luminol (0.02 g) é adicionado com a ajuda da espátula micro colher. Ambas as soluções são bem misturadas agitando suavemente.

A powder spatula and a microspoon spatula
Espátula para pós (esquerda) e espátula micro colher (direita)
Imagem cedida por Marcel Hammann
Equipamento para a atividade 3
Imagem cedida por Marcel Hammann
  1. Água é aquecida na chaleira e colocada no copo, de forma a ter um banho-maria. Um termómetro é adicionado a um do tubo de ensaio e a solução é aquecida até 60–70°C no banho-maria. Se necessário, a água do copo pode ser substituída por água da chaleira.
Aquecimento do segundo tubo de ensaio
Imagem cedida por Marcel Hammann
  1. Depois de um dos tubos ter sido aquecido, 3 ml de peróxido de hidrogênio (3%) são pipetados para ambos os tubos de ensaio.  O fio de cobre é então mantido na solução de cada tubo de ensaio numa sala escura. A luminosidade das duas soluções é comparada.
Etapa final: desencadeando a reação de luminescência
Imagem cedida por Marcel Hammann
  1. Depois de os alunos terem completado a experiencia, a Ficha 6 deve ser distribuida durante os ultimos 20 minutos da aula. Os alunos devem comparar os resultados obtidos e verificar as diferenças entre bio- e quimioluminescencia.

Atividade 4: Atividade adicional

Numa atividade adicional, são utilizados LEDs e os aspetos bonicos do tema podem ser explorados, assim pomo a sua relevância no mundo real. A Ficha 7 orienta os alunos na atividade adicional. Depois da atividade os alunos devem ser capazes de:

  • Comparar e evidenciar as diferenças entre as propriedades estruturais dos fotóforos e dos LEDs
  • Inferir aplicações biônicas baseadas nas propriedades estruturais

Na primeira metade desta aula, é fornecida alguma informação fundamental como o funcionamento de LEDs e as semelhanças entre a luminescência dos pirilampos e os LEDs. Os alunos devem refletir sobre como a eficiência luminosa de um LED pode ser aumentada e em seguida, na segunda metade da aula, explorar o efeito causado pela colocação de uma lente em frente a uma lanterna LED.

Materiais

  • Ficha 7
  • Lanterna LED
  • Lente
  • Duas folhas de papel
  • Régua dobrável
  • Caneta

Procedimento

1.     Uma lanterna LED é apontada a uma folha de papel (a 30 cm de distância) numa sala escurecida. A área iluminada é assinalada com a caneta.

  • A lente é colocada em frente à lanterna e a área iluminada é novamente assinalada no papel.

A lanterna sem lente é apontada a uma parede (a 3 m de distância).

Equipamento para a atividade 4
Imagem cedida por Marcel Hammann

Os alunos devem anotar e discutir as suas observações sobre como a lente altera a luz da lanterna. Os alunos devem comparar as propriedades estruturais de uma lanterna LED e de um fotóforo, recorrendo ao desenho esquemático, depois a turma deve discutir os resultados.

References

[1] Por exemplo: um vídeo mostrando o ciclo de vida dos pirilampos britânicos: https://vimeo.com/31952006.

[2] Essas amostras podem ser adquiridas em lojas virtuais, por exemplo, https://www.carolina.com/ or https://www.der-hedinger.de/.

Resources

Author(s)

Prof. Dr Claas Wegner é professor de ensino da biologia na Universidade de Bielefeld e professor de psicologia na University of Applied Sciences for Small and Medium-Sized Enterprises Fachhochschule des Mittelstands – FHM), também é fundador e líder do Osthushenrich-Center for research into intellectual giftedness (Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung – OZHB) no Departamento de Biologia da Universidade de Bielefeld.

Marcel Hammann (M.Ed.) é um antigo aluno do Departamento de Biologia da Universidade de Bielefeld e professor no ensino secundário.

Carolin Zehne (M.Ed.) é professora na Universidade de Bielefeld (ensinado inglês como língua estrangeira)

Review

A Bioluminescência tem fascinado as pessoas desde o inico da história da humanidade até aos nossos dias. Os autores dão aos professores e aos seus alunos a oportunidade de entender o processo subjacentes a esse fenómeno, utilizando interessantes matérias e atividades experimentais.

A novidade deste artigo é a combinação de bioluminescência, quimioluminescência e LED numa atividade.

Isso resulta num efeito de sinergia no que diz respeito ao entendimento dos conceitos comuns ou distintos que os tópicos apresentam.

License

CC-BY