I.T.I.S. “ E.MAjorana”
Ragusa
21 aprile 2009
Angela Tosto
Scienze da imparare … perché?
Lo studente è un cittadino e come
tale è coinvolto in problemi che
richiedono l’interpretazione dei
fenomeni naturali, o riguardano la
salvaguardia dell’ambiente, le
risorse, la salute ….
Perché vanno anche utilizzate nel
quotidiano e sono ritenute
competenze di base per la vita !!!
La valenza formativa del
laboratorio nella didattica delle
scienze è condivisa da tutti
Punti di vista
Luogo di verifica delle leggi
e addestramento al
metodo sperimentale
Costruzione di abilità
sperimentali e
capacità di
ragionamento
La didattica laboratoriale deve
insegnare a comprendere,
integrando ragionamento,
esplorazione della fenomenologia
e misure
Non solo un
luogo fisico!
Studente protagonista di
operazioni manuali e mentali:
per attivare un processo di
apprendimento che trasformi
l’atteggiamento e il
comportamento dell’allievo
La didattica laboratoriale è inserita in un
quotidiano contesto di senso :
• Esperienza
attore attivo
• Esercitazione
• Esperimento
esecutore
Si osservano gli eventi, si raccolgono i dati, si
analizzano e si comparano per giungere al concetto
es. chiodi, paglietta di Fe, limatura di Fe, paglietta di
acciaio e si lasciano reagire con H2O, H2O2,
CH3CH2OH……. dopo minuti, ore, giorni
(vedi prova OCSE PISA)
Dall’esperimento lineare all’esperienza aperta e
da questa alla sintesi dell’esperimento lineare
Quanto più i materiali usati in un
esperimento illustrativo sono semplici,
quanto più essi sono familiari allo studente,
tanto più sarà possibile che egli acquisisca
completamente il concetto così presentato. Il
valore educativo degli esperimenti di questo
tipo è inversamente proporzionale alla
complessità dell’attrezzatura. Lo studente
che adopera un’attrezzatura fatta in casa, che
funziona sempre male, spesso impara di più
di quello che ha a disposizione strumenti
accuratamente calibrati, di cui può fidarsi, e
che egli non sa smontare ( Maxwell 1871)
(da fervere …ribollire)
processo anaerobico attraverso il
quale i microrganismi utilizzano
substrati organici come donatori
di elettroni, accettori e come
fonte di C
•
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•
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ALCUNI OBIETTIVI
Conoscenza di forme viventi unicellulari vive e
morte e osservazione del ciclo vitale
Comprensione di semplici tappe metaboliche
Comprensione di semplici rapporti ecologici
intraspecifici (competizione, riproduzione)
Osservazione di dinamica di popolazioni
Osservazione di cinetica dei processi metabolici
Conoscenza della microscopia ed apprendimento
di semplici tecniche microscopiche
Aspetti biotecnologici sull’impiego dei lieviti (biodigestori e bio-fermentatori industriali)
Biocarburanti
Apprendimenti sulla produzione di alcool etilico,
bevande alcoliche e panificazione
Organismo modello della citologia e genetica(1996
è stato il primo eucariote interamente sequenziato)
Un poco di storia
• 1860: Louis Pasteur studia il fenomeno della
fermentazione ed individua in microrganismi
come i lieviti i suoi effettori; afferma che tale
processo può essere svolto solo da strutture
cellulari.
• 1897: Hans e Eduard Buchner scoprono che
il semplice estratto di lievito (Saccharomyces
cerevisiae) è capace di trasformare il
saccarosio in alcol etilico, dimostrando che
la fermentazione è indipendente dall’integrità
della cellula.
• 1905: Arthur Harden e William Young
dimostrano, con trattamento termico a 50 °C,
che la fermentazione è mediata da una
componente enzimatica termolabile e da una
componente termostabile coenzimatica (ATP,
NAD+)
• Negli anni successivi si chiarisce la comune
matrice biochimica nei diversi tipi di
fermentazione (alcolica, lattica)
• 1940: Gustav Embden, Otto Meyerhof ed altri
ricercatori definiscono il processo
biochimico della glicolisi nel citosol cellulare
• I lieviti sono un gruppo di funghi, formati da un
unico tipo di cellula eucariote, che può avere una
forma ellittica o sferica e vivono in habitat liquidi o
umidi, compresa la linfa delle piante e i tessuti
animali.
• Esistono più di mille specie di lieviti.
• Alcune sono comunemente usate per lievitare il
pane e far fermentare le bevande alcoliche. Un
piccolo numero di lieviti, come la Candida
albicans, possono causare infezioni nell'uomo.
• Rhodotorula, lievito rosa, cresce sulle tende delle
docce e su altre superfici umide della casa
• Il lievito più comunemente usato è
Saccharomices cerevisiae, che è stato
"addomesticato" da migliaia di anni per la
produzione di vino, pane e birra.
• Saccharomyces cerevisiae (pane, vino, birra)
• S. uvarum (birre)
• S. bayanus (spumanti)
Si tratta di funghi ascomiceti (Prototunicata,
Endomycetales), unicellulari, aerobi facoltativi,
riproducentisi asessualmente per gemmazione o
scissione, e sessualmente per sporogonia
(ascospore).
S. cerevisiae ha un ciclo aplodiplonte, con
alternanza di generazioni isomorfe. In una
sospensione cellulare, quindi, si avranno sia
individui aploidi (germinazione da spora) che
diploidi (germinazione da zigote 2n, dopo fusione
di due cellule n)
Saccharomyces cerevisiae
Lunghezza circa 5-30 µm e larghezza circa 1-5 µm.
Generalmente sono diploidi, ovvero nel loro nucleo
contengono 2 serie omologhe di 16 cromosomi. In
condizioni ambientali normali, il lievito si
moltiplica per gemmazione.
In condizioni ambientali avverse invece la cellula si
trasforma in “asco”, un sacco contenente 4
cellule aploidi dette spore.
Le spore prodotte dai lieviti del genere
Saccharomyces sono di due sessi: a ed a’
Spore di sesso diverso possono unirsi a formare
un nuovo individuo diploide.
Quando si uniscono spore di specie diverse si
originano i cosiddetti “ibridi”.
Dal saccarosio al glucosio
saccarasi (invertasi)
endocellulare
Glucosio
Saccarosio
Fruttosio
O2: FASE AEROBICA
FASE ANAEROBICA
Ciclo di
Krebs
Dal glucosio a piruvato ed
energia: sintesi e bilancio
C(I): n.o. +1
+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
Glucosio
+ 2 ATP + 2 H2O + 2H+
2 NADH + 2
Acido piruvico
C(II): n.o. +2
FERMENTAZIONE ALCOLICA:
1^ Fase
Piruvato
decarbossilasi
+ H+ + 1e-
+ CO2
Acido piruvico
Aldeide acetica
FERMENTAZIONE ALCOLICA:
2^ Fase
Alcol
deidrogenasi
+ NADH + H+ + 2 e-
H3C-CH2-OH + NAD+
Alcol etilico
Aldeide acetica
processo anaerobico attraverso il quale i
microrganismi utilizzano substrati organici come donatori di
elettroni, accettori e come fonte di C
• Nella fase iniziale ed in presenza di ossigeno, la
coltura di S. cerevisiae svolge un metabolismo
aerobio, con completa ossidazione di glucosio e
fruttosio in CO2, H2O e 36 molecole nette di ATP
nei MITOCONDRI
• In una fase successiva, in condizioni di
microaerobiosi o anaerobiosi, S. cerevisiae attua
un metabolismo fermentativo con produzione di 2
molecole nette di ATP e riossidazione del NAD+
con riduzione di etanolo nel CITOSOL.
• Durante la fermentazione, 100 g di zucchero
vengono trasformati in 51,1 g di etanolo, più altri
metaboliti secondari come glicerina, acido
succinico, acido acetico.
• La CO2 prodotta è responsabile della lievitazione
del pane (panificazione) e dell’effervescenza di
vino, spumante, birra.
Apparato sperimentale
Sistema I: nutriamo i lieviti (inizio)
LIEVITO (50 g);
SACCAROSIO (100 g);
ACQUA
1
ACQUA DI BARITE
soluzione satura, filtrata
Ba(OH)2 40 g L-1
2
Apparato sperimentale
Sistema I: sviluppo di cataboliti (C2H5OH; CO2)
Produzione di CO2 gassosa
Effervescenza
Intorbidamento
1
Gorgogliamento di CO2
2
Apparato sperimentale
Sistema I: dopo 1-2 h, effetti del metabolismo anaerobio
Sospensione cellulare di
lieviti vitali gemmanti
Odore caratteristico
1
Intorbidamento:
Ba(OH)2+H2CO3
BaCO3 +2H2O
2
Apparato sperimentale
Sistema I: dopo 1 settimana
Sospensione cellulare di
lieviti ancora vitali.
Odore caratteristico
1
La produzione di CO2 è arrestata per
esaurimento della risorsa nutritiva (substrato)
2
Apparato sperimentale
Sistema II: i lieviti non hanno nutrimento
ACQUA DI BARITE
(idem)
Ba(OH)2 40 g L-1
LIEVITO (50 g);
ACQUA
3
4
Apparato sperimentale
Sistema II: dopo 1-2 h, nessun metabolismo
Nessuna effervescenza
Nessuna sospensione cellulare
né gemmazione
3
Nessun gorgogliamento di CO2
4
Apparato sperimentale
Sistema
II:
dopo
1
settimana
Gran parte delle cellule sono morte
Nessuna effervescenza
Le cellule vive restano piccole e sedimentano al fondo
Produzione di odore putrido
3
Nessuna precipitazione
Nessun intorbidamento
4
Cosa osservare: confronto fra i due
sistemi e spunti didattici
• Osservazioni macroscopiche:
– Effervescenza gassosa da CO2
– Intorbidamento per precipitazione (in alternativa test della
candela)
– Produzione di odori differenti
• Osservazioni microscopiche:
–
–
–
–
Numero (conteggi) e densità cellulari
Dimensioni cellulari
Presenza/assenza di catene di gemmazione
Presenza/assenza di materiale non cellulare dovuto a lisi (morte)
delle cellule
• Considerazioni generali su evoluzione nel tempo dei due
sistemi (mesocosmi semplici): ecologia (risorse,
competizione, popolazioni); fisiologia (metabolismo
eterotrofo, ciclo vitale); citologia (osservazione di alcune
strutture come parete e nucleo [x1000 a immersione])
• Impiego della microscopia ottica
Tutto ciò quando e come?
Prima spiego tutto e poi li faccio
assistere all’esperimento. Gli allievi
produrranno una relazione
Partiamo dalle domande stimolo e insieme
produrremo i sistemi sperimentali,
permetteremo loro di “sbagliare”, saranno
protagonisti del “fare”, ma soprattutto
costruiranno insieme a noi competenze
scientifiche più complesse delle semplici
conoscenze.
Impareranno a progettare, a fare delle ipotesi
e a verificarle!!
Esempi di domande stimolo
• Il lievito è vivente oppure no? Sapete se
qualcuno lo usa?
• Quale apparato sperimentale potremmo
utilizzare per vedere se “mangiano”?
• Cosa dovremmo usare come nutrimento?
• Come potremmo determinare
sperimentalmente la funzione dello
zucchero?
• Cosa sta succedendo? E se cambiamo la
temperatura?
• Osserviamo la produzione di gas, quale
sarà?
• Come possiamo evidenziarlo? (prima
facciamo l’esperienza di farli espirare con la
cannuccia nell’acqua di barite per poter fare
il confronto con il sistema sperimentale)
nella scuola primaria useremo la candela
• Osservazione e raccolta dati a tempi diversi
dei diversi apparati sperimentali approntati
• Cerchiamo di fare delle ipotesi sulle
differenze che si evidenziano tra gli apparati
sperimentali a tempi diversi e li
confrontiamo con le attese che erano state
esplicitate dai ragazzi prima
• Osservazione microscopica dei lieviti a
tempi diversi, sia a fresco che colorati.
• Come si riproducono?...........
Quali apparati sperimentali?
• Bottigliette di succhi di frutta
• Bottigliette di plastica con valvole collegate
ad un tubicino
Quali strumenti di percorso per
documentare i processi?
• La sceneggiatura
• Il diario di bordo del docente
• Il diario di bordo dello studente
