Мислячий слиз? Активний проект для дослідження слизовиків Teach article

Переклад Валентини Дубовик. Ці прості, але незвичайні форми життя можна використовувати для розширення розуміння студентами життя та наукових методів.

Плазмодій в своєму природньому середовищі
Зображення надані Frankenstoen/Wikimedia commons

Рухомий червоний чи жовтий слиз – звучить ніби сюжет фільма жахів 1950х років. Хоча насправді, вчені досить часто використовують слизовиків як модельні об’єкти для дослідження кліттиної рухливості, росту та дифференціації (Montag, 2008).

Слизовики (Eumycetozoa) є однією з найрізноманітніших таксонів відомих людині. Завдяки своєму різноманіттю процес їх класифікації досить складний та сама система класифікації постійно оновлюється. Також, незрозумілим залишається до якої ж групи організмів їх віднести, так як їхні плодові тіла подібні до справжніх грибів, але генетично вони більш схожі на джгутикових та амеб (Hoppe & Kutschera, 2010).

Існує більше 1000 видів справжніх слизовиків (підклас Myxomycetes), де кожний організм складається лише з однієї клітини. Вони легко адаптуються до навколишніх умов та живляться переважно іншими мікроорганізмами та органічними рештками.

Physarum polycephalum є найбільш відомим представником серед Myxomycetes та легким у використанні організмом для дослідження основних біологічних процесів.

Малюнок 1: Розвиток
Physarum. Вегетативний
розвиток Physarum
починається попарним
злиттям гаплоїдних
міксамеб та джгутикових
клітин (1). Потім ядро
утвореної диплоїдної зиготи
(2) багаторазово ділиться
шляхом мітозу, при цьому
цитокінез плазмодія не
відбувається. В результаті
з’являється багатоядерний
плазмодій (3), який потім на
протязі трьох-чотирьох днів
за кімнатної температури
переростає в макроскопічну
мережу (Esser, 2000). В той
час, як нормальний розмір
мережі становить 15 х 15 см,
інколи плазмодій досягає
2 (Marwan, 2001).

Зображення надані авторами
роботи

Однією з груп слизовиків є так звана макроскопічна форма , яку ще називають плазмодієм. Він знаходиться у постійному русі та пошукові їжі. Знайшовши її, Physarum поглинає часточки чи мікроорганізми, утворюючи при цьому харчові вакуолі, що потім перетравлюються всередині клітини (Esser, 1976). Даний процес називається фагоцитозом.

При пересиханні навколишнього середовища, Physarum перетворюється на більш стійку форму, яка й дозволяє слизовикові пережити період засухи. Як тільки умови покращуються, слизовик набуває нормальної форми плазмодія. Однак, саме постійний вплив світла та зменшення кількості їжі стимулює Physarum утворювати плодові тіла. На малюнку 1 зображений життєвий цикл слизовика.

Дослідження слизовиків

Описаний проект охоплює два заняття для студентів віком від 16 до 19 років. Дизайн лабораторної роботи схожий з науковою роботою та розділений на три частини: вступ (теорія), експериментальна частина (практика) та оцінювання і презентування даних.

Почніть заняття показавши студентам культуру Physarum. Далі, нехай вони розділяться на менші групи та почнуть первинний огляд слизовика та опис його основних характеристик. Занотуйте всі їх результати у формі таблиці чи діаграми на дошці, де напис Physarum polycephalum займає центральне положення.

Також, можна показати студентам коротенький фільм з YouTubew1, що описує життєвий цикл слизовика. Так як відео продемонструє направлений рух клітин, ви можете запитати студентів їхні думки, щодо того яким чином слизовик орієнтує себе. Запишіть питання та кілька відповідей на дошці.

Перед тим як студенти почнуть експерименти описані нижче, переконайтесь, що вони занотували гіпотези стосовно очікуваних результатів. Для кожного експерименту студенти мають описати протокол роботи та результати у своїх робочих зошитах. Це допоможе їм краще запам’ятати інформацію та триматиме їх у потрібному руслі. В кінці заняття зберіть результати та обговоріть їх у класі. Дайте відповідь на гіпотези запропоновані студентами на початку заняття. Так як більшість експериментів потребуватимуть більше часу для закінчення, оцінювання та презентації можна виконати під час другого заняття.

 

Рух слизовика

Результати експериментів щодо хемотаксису та фототаксису можна занотовувати в робочому листі «Повзучий слиз» w2

1 Хемотаксис

Зображення надані авторами
роботи

Рухаючись Physarum знаходить їжу та оминає шкідливе середовище. Даний процес відбувається за рахунок градієнту хімічних речовин розподілених в оточуючому середовищі та називається хемотаксисом. Під час заняття студенти в маленьких групах вивчатимуть вплив хемоатрактантів (ті що притягують) та хеморепелентів (ті що відштовхують). Половина класу нехай вивчає позитивний вплив, а інша половина – негативний.

Матеріали

  • Стерилізовані вівсяні пластівці
  • Чашки Петрі з агаром та культивованим Physarum polycephalum
  • Дистильована вода
  • Білий/спиртовий оцет

Порядок дії

Помістіть хімічний стимул у чашку Петрі на відстані 1.5 см від плазмодія. Для позитивного хемотаксису використовуйте вівсяний пластівець; для негативного – крапніть оцет на пластівець. Покрийте чашку Петрі тонким шаром дистильованої води та поставте її в темне місце за кімнатної температури.

Через деякий час, поверніться до ваших чашок Петрі та виміряйте відстань між слизовиком та вівсяним пластівцем.

Коротко про те, що відбувається

Плазмодій почне рухатись у напрямку до позитивного стимулу, в даному випадку до вівсяного пластівця. Всередині клітини проглядатимуться товсті канали/жили, через які свіжі поживні речовини транспортуватимуться до кожної ділянки організму. В цей час, в іншому експериментові слизовик рухатиметься у напрямку від негативного стимулу, у даному випадку від вівсяного пластівця просоченого оцетом. 

Так як середовище знаходилось в повній темряві результати експерименту свідчать, що Physarum має хеморецептори на своїй поверхні. Крім того, результати показали, що слизовик може вимірювати градієнт концентрацій, так як він рухався чітко до джерела їжі. Саме кількість активованих рецепторів з різних боків слизовика і визначає де саме знаходиться більша концентрація певних речовин. Активовані рецептори передають сигнал до клітини через цілий каскад внутрішньоклітинних подій, які й призводять до міграції клітини.

Експеримент можна розширити за бажанням. Студенти, наприклад, можуть вмочувати вівсяні пластівці в інші речовини та спостерігати за поведінкою Physarum.

2 Фототаксис

Рух у відповідь на світло називається фототаксисом. У молодих та старих слизовиків даний процес відрізняється. Наступний експеримент дасть відповідь на питання яким чином це відбувається. Студенти у групах нехай обговорять чому це так.

Матеріали

  • Освітлювальний прилад
  • 1 чашка Петрі з агаром та молодим Physarum polycephalum (2-3 дні)
  • 1 чашка Петрі з агаром та старим Physarum polycephalum (півтора тижні)

Порядок дії

Направте промінь світла від освітлювального приладу на краєчок молодого Physarum. Ви побачите, що слизовик одразу ж відійде від освітленої ділянки. Як тільки Physarum потрапить до темряви, він знову займе своє попереднє положення. Повторіть експеримент зі старим Physarum. Як результат, ви побачите, що він рухається до світла.

Коротко про те, що відбувається

Фототактична реакція стає позитивною як тільки плазмодій досягає віку коли він може утворювати плодові тіла (Esser, 1976). Плазмодій вирощує плодові тіла лише на відкритих ділянках, де є доступ до вітру. Там де є світло, зазвичай немає великих рослин чи перешкод, що могли б завадити розповсюдженню спор.

На противагу, молодий Physarum уникає світло, так як воно може означати спеку, яка загрожуватиме слизовикові зневодненням.

 

Наступні експерименти

Як тільки основні принципи хемо- та фототаксису досліджено, можливі наступні експерименти для вивчення інших властивостей слизовиків.

У 2000 році японські студенти почали вивчати інтелект слизовиків, після серії експериментів, де було показано, що у пошуках їжі вони здатні знаходити найкоротший шлях через лабіринт (Nakagaki et al., 2000). Кілька років потому, вчені використали Physarum як центральний керуючий елемент для шести-ніжного робота слизовика (Tsuda et al., 2007). У 2010 році Теро з колегами (Tero et al., 2010) показали, що слизовик навіть здатний створювати ефективну мережу між кількома джерелами їжі. Вони розмістили 36 осередків їжі навколо одного центрального джерела у спосіб, що нагадує географічне положення Токіо та оточуючих його міст. Physarum в свою чергу побудував мережу, що майже ідентична залізничним дорогам між цими містами.

Описаний вище експеримент утворення залізничної мережі слизовиком являє собою хороший приклад вивчення процесу транспортування поживних речовин під час заняття. Результати можна занотовувати в робочому листі під назвою «Розумний слиз»w3.

Покладіть один вівсяний пластівець посередині чашки Петрі та дозвольте плазмодію його поглинути. Далі, розподіліть ще кілька вівсяних пластівців навколо слизовика таким чином, щоб вони мали певну форму чи були схожі на якісь географічні місця.

Через кілька днів Physarum займатиме найбільш ефективне положення, при якому всі вівсяні пластівці будуть поєднані. Процес поза даним феноменом пояснюється досить просто. Зв’язки із сильним потоком цитоплазми стають ще сильнішими, в той час як слабкі з’єднання ставатимуть лише слабшими, аж доки і взагалі не зникнуть (Tero et al., 2010). Так як цитоплазма знаходиться в постійному русі між джерелами їжі зв’язки, що їх поєднують, автоматично ставатимуть міцнішими.

Щоб продемонструвати даний феноменон студентам, проведіть експеримент із рухом цитоплазми слизовика та занотуйте все в робочому листіw4.

Також, використовуючи картон чи якісь карточки, студенти можуть побудувати лабіринт на агарі та помістити туди негативні стимули (такі як, стерилізовані вівсяні пластівці, вимочені в оцеті) та один позитивний стимул в самому кінці. Через певний час, Physarum знайде свій шлях до позитивного стимулу. Так як процеси, що лежать в основі даних поведінок є повністю автоматичними, питання щодо наявності інтелекту у слизовиків залишається відкритим.

Download

Download this article as a PDF

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
    • Завантажити статті безкоштовно можна тут here, або підсисавшись на журнал Nature: www.nature.com/subscribe

  • 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 – подивіться коротеньке відео про Життя Слизовиків.
  • w2 – завантажте робочий лист для нотування результатів хемотаксису та фототаксису у вигляді Word чи PDF.
  • w3 – завантажте робочий лист для нотування результатів створення мереж слизовиком у вигляді Word чи PDF.
  • w4 – завантажте робочий лист для нотування результатів руху цитоплазми слизовика у вигляді Word чи PDF.

Author(s)

Доктор Клаас Вегнер (Dr Claas Wegner) займає посади старшого викладача біології та фізичної освіти при середній школі (secondary school), та лектора при відділі Біологічної Дидактики університету Белефельд, Німеччина (the Department for Didactics of Biology at Bielefeld University, Germany).

Фрідеріке Штрельке (Friederike Strehlke) отримала магістра в галузі освітницьких наук та англійської мови. Наразі працює асистентом при відділі Біологічної Дидактики університету Белефельд.

Філіп Вебер (Phillip Weber) отримав магістра в галузі біології та англійської мови. Наразі працює асистентом при відділі Біологічної Дидактики університету Белефельд.


Review

Практичні експерименти описані в даній роботі дадуть змогу студентам дослідити адаптацію слизовиків до впливу світла та спосіб живлення.

Молодші студенти, в свою чергу, можуть дослідити яким чином слизовики знаходять своє харчування. Описані експерименти рекомандовано студентам віком від 16 до 19 років, головним чином як вступний матеріал до світу науки, який може бути використаний для пошуку критичних рішень, що наразі стоять перед цивілізацією. Також, нехай студенти подумають, які інші проблеми можна розв’язати за допомогою простих ідей, що описані в даній роботі. 

В цілому, для того, щоб розширити знання студентів, слизовика можна використати в багатьох типах експериментів. Наприклад, щоб показати їхню здатність вирішувати завдання з лабіринтом. Практичні експерименти досить прості та достатньо дешеві, щоб студенти самі могли зпроектувати свої власні експерименти. Даний тип активності спрямований на розвиток студентими вміння вирішувати різні проблеми.


Майк Сандс (Mike Sands), Школа Лонгкрофту (Longcroft School), Великобританія




License

CC-BY-NC-SA