Stage2 I mattoncini della Vita La scoperta dell infinitamente piccolo

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1 Stage2 I mattoncini della Vita La scoperta dell infinitamente piccolo Il secondo stage è dedicato alla scoperta del mondo microscopico sensu strictu. Nel primo stage infatti ci si è avvicinati dapprima alle proprietà dei sistemi di lenti, poi, per gradi, alla conoscenza di una realtà microscopica ancora alla portata dell osservazione ad occhio nudo o con semplici lentini da naturalista e quindi più propriamente ad un mondo di campioni macroscopici. Lo strumento cardine dello stage è il microscopio biologico binoculare. Anche in questo caso l attività didattica viene realizzata secondo un divenire storico. Gli studenti allestiscono prima un preparato a secco, poi un vetrino montato in acqua e quindi ne colorano uno. Nella storia del microscopio, infatti, si è prima osservato a secco (senza un liquido di montaggio), poi si è usata l acqua e in seguito si è cominciato a trovare sostanze in grado di colorare i campioni per l osservazione microscopica. L idea centrale dello stage è il passaggio dal concetto di campione al concetto di preparato. Non più un oggetto intero, un campione appunto, messo sotto il microscopio, ma una sua forma ridotta, il preparato. I preparati per il microscopio biologico si chiamano vetrini. Gli studenti lavorano a coppie, ognuna dotata di un microscopio. Gli studenti devono realizzare nell ordine: un preparato di con diversi tipi di textures un preparato di microfossili un preparato di protozoi colorare un preparato di protozoi

2 Il microscopio biologico Il microscopio biologico è costituito da: Stativo (1) è la struttura portante del microscopio. Oculare (2), disposti a coppia nei microscopi di tipo binoculare. E un complesso di lenti ingrandenti; tale ingrandimento è indicato con un numero riportato sull oculare stesso, di solito ha valore 10x. Gli obiettivi (3) possono essere in numero variabile (da tre a sette per i microscopi professionali) disposti su un disco rotante chiamato revolver (4) sono complessi di lenti che ingrandiscono l immagine del preparato. Il tavolino traslatore detto anche tavolino portaoggetti (5): su di esso si appoggia il preparato e si ferma con l apposita griffa (6). Sotto ad esso ci sono due manopole coassiali (7) che permettono il movimento del tavolino in senso orizzontale (movimenti in X e Y). La lampada (8) produce la luce necessaria ad illuminare il vetrino. Si accende e si spegne per mezzo dell interruttore e può essere regolata a mezzo di un reostato o potenziometro. La vite di messa a fuoco macrometrica (9) - per gli spostamenti grossolani - e quella di messa a fuoco micrometrica (10) - per gli spostamenti fini - consentono il movimento in senso verticale del tavolino traslatore variando la distanza del preparato dall obiettivo. La regolazione della messa a a fuoco viene detta fochettatura o fuocheggiatura. Il condensatore (11) è un sistema ottico che ha la funzione di concentrare (di condensare) la luce proveniente dalla lampada sul preparato. Il diaframma di apertura del condensatore (12) è un dispositivo che permette di regolare il fascio di luce incidente sul preparato. Il potere di ingrandimento di un microscopio si ottiene moltiplicando il fattore di ingrandimento dell obiettivo per quello dell oculare. Se, ad esempio, si usa un obiettivo da 4x, e un oculare da 10x, il potere d ingrandimento totale del microscopio sarà 4x10=40 ingrandimenti.

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4 Per usare in maniera corretta il microscopio: 1. Accendere la lampadina 2. Regolare la distanza interpupillare 3. Mettere il vetrino sul tavolino traslatore in corrispondenza della zona illuminata dal condensatore 4. Fermare il vetrino con la griffa 5. Mettere l obiettivo a minore ingrandimento (di solito il 4x) 6. Regolare la messa a fuoco macrometrica e poi la micrometrica 7. Mettere la mano destra sulle manopole che controllano i movimenti del tavolino traslatore Regolazione del condensatore La posizione del condesatore è molto importante per far capire il ruolo del condensatore porre sul tavolino traslatore un pezzo di carta velina o se lo si possiede un cubo di vetro (1 cm di lato). Alzando e abbassando il condesatore cambia il campo illuminato. Ricordare agli studenti la relazione tra ingrandimento/campo di osservazione. Il condensatore andrà quindi lasciato in basso solo con obiettivi a basso ingrandimento (4x), in alto con tutti gli altri.

5 Studio delle caratteristiche di un preparato: vetrino a 4 tipi di textures 1 Gli studenti sono chiamati a realizzare un preparato molto semplice che però gli permette di prendere confidenza sia con la realizzazione di un vetrino sia con l uso del microscopio. Vengono forniti tre tipi di carta: carta velina - carta normale tessuto di nylon e cartoncino nero. Il Nylon può essere facilmente ottenuto tagliando un vechio collant in piccole strisce Gli studenti sono chiamati a rispondere ad una serie di domande (modulo 3a) per ciascun tipo di campione e a disegnare il preparato che hanno sotto il microscopio (modulo 3b). Regolazione del diaframma di apertura Mantenendo in basso il condensatore (e quindi usando l obiettivo 4x) chiudere e aprire il diaframma di apertura. Sulla carta velina di vede chiaramente il fascio di luce del condesatore che si allarga e si restringe. Figura 1 condensatore aperto, Figura 2 condesatore chiuso. 3 2 Il materiale occorrente per realizzare un vetrino: vetrino portaoggetto (1), vetrino coprioggetto (2) e pinzetta per vetrini (3). 1 2 Il focus di questa attività è: l apprendimento delle tecniche di montaggio di un vetrino l apprendimento dell uso dello strumento (regolazione della distanza interpupillare, regolazione della messa a fuoco, regolazione dell altezza del condensatore, regolazione del diaframma di apertura) lo sviluppo delle capacità di osservazione e di disegno la sperimentazione dell illuminazione per trasparenza Chiedete, durante l attività, agli studenti di descrivervi il campione, la sua struttura, se stanno osservando strutture quadrate, pentagonali, rotonde, filamentose e una volta riconosciuto il tipo di struttura, come sono collegate tra di loro le singole unità che formano il campione. Ad esempio, la carta velina presenta delle fibre e il loro orientamento è casuale, non vi è una disposizione preferenziale delle fibre; far notare ad esempio la relazione che vi è tra spazi vuoti e fibre e come questa cambi nell osservazione della carta normale (fibre molto più impaccate meno spazi vuoti e quindi maggiore densità). Si chieda ai ragazzi di esplorare i singoli preparati muovendo il tavolino

6 traslatore: la struttura identificata in un determinato luogo si ripete su tutto il campione? Oppure è tipica solo di una zona? Il preparato in base a queste considerazioni può essere quindi considerato omogeneo (tutta la superficie esaminata presenta le medesime caratteristiche) oppure è da considerarsi disomogeneo? Quali sono le differenze che possono essere accettate, da una zona all altra, per considerare il preparato omogeneo? Cercare di incentivare il confronto tra i vari tipi di campione. E le caratteristiche legate al colore? Il colore che informazione è in grado di apportare all osservazione microscopica? Una volta esaminate con attenzione le caratteristiche della carta velina e della carta e fatti i debiti confronti, portare l attenzione degli studenti sulla fibra di Nylon. Si creano con la pipetta, quattro piccole piccole gocce d acqua sul vetrino portaoggetti, all interno di ciascuna delle quali vengono disposti dei piccoli frammenti (4-5 mm di lato) di carta velina, carta, nylon e cartoncino, una volta posizionati si copre deponendo dolcemente il vetrino coprioggetto. Il Nylon è molto interessante se osservato al microscopio: prima di tutto ha una struttura propria, una trama di fili che sembrano formare dei grossi anelli ellittici, ciascun anello è formato da coppie di tre fili. Mai come in questo caso l ingrandimento dovuto all uso del microscopio rende difficilmente leggibile la struttura regolare del preparato, che può essere invece notata già con l osservazione a occhio nudo mettendo in tensione il pezzetto di stoffa. Il Nylon è interessante anche per vedere l azione del diaframma di apertura sulla qualità dell immagine. Chiedere agli studenti di osservare il nylon (è raccomandato l uso dell obiettivo 10x o 20x poiché, dotati di una scarsa profondità di fuoco, l ultimo sarebbe il migliore ma di solito non è usato a corredo dei microscopi biologici da studente; non usare il 40x che ha una messa a fuoco molto critica e campo troppo poco esteso per far notare la differenza di profondità di campo) con il diaframma di apertura aperto e poi chiuso al minimo. La prima cosa che sarà percepibile è la variazione di colore delle fibre, infatti diminuendo l apertura del condensatore tutta l immagine risulta più scura; ponete quindi l attenzione degli studenti

7 sulla messa a fuoco di un numero maggiore di fibre conseguente all azione di chiusura del diaframma. La chiusura del diaframma aumenta la profondità di campo, cioè la capacità dello strumento di mettere a fuoco più piani a diversità profondità nel preparato. Da ciò si deduce anche che lo spazio che ad occhio sembra piccolissimo tra vetrino portaoggetto e coprioggetto se osservato al microscopio ha una grande profondità. Chiedete agli studenti di osservare le struttura che vedono nel microscopio, qui nella carta velina si individua una struttura reticolare non-orientata con ampi spazi tra le fibre (carta velina).(100x) Nylon - struttura fibrillare lassa orientata, ben riconoscibili delle struttura a gomitolo (i nodi della maglia che costituisce il nylon). Nella figura 1 il diaframma di apertura è tutto aperto e nella figura 2 è completamente chiuso, nella seconda immagine è aumentata la profondità di campo e quindi un numero maggiore di fibre di nylon sembrano essere a fuoco. (100x) 1 2 Spesso gli studenti non hanno alcuna idea del concetto di profondità di campo (l uso delle macchine fotografiche e delle telecamere digitali che sono dotate di una loro regolazione indipendente dall operatore fa si che pochissimi studenti abbiano sviluppato il concetto di profondità di campo), in questo caso si può utilizzare come esempio il parallelo con l uso della telecamera in pubblicità; Il diaframma e la messa a fuoco vengono sfruttate per sottolineare certe azioni: In un litigio, ad esempio, anche se due persone si trovano ad una certa distanza l una dall altra (su due piani di messa a fuoco diversi per la telecamera) facilmente saranno ripresi a fuoco tutti e due poiché entrambi i personaggi hanno la medesima importanza nella discussione. In questo caso la macchina da presa chiude molto il diaframma (come nel caso delle nostre fibre di nylon con il diaframma chiuso) e tutti e due i personaggi sono a fuoco. Nel caso di una dichiarazione d amore invece solitamente un personaggio viene ripreso a fuoco e l altro che ascolta è riconoscibile ma sfocato in secondo piano (come ad esempio le nostre fibre di nylon con il diaframma del condensatore aperto); per mettere a fuoco il personaggio che ascolta la macchina muove la messa a fuoco sul secondo piano (allo stesso modo noi possiamo mettere a fuoco con la messa a fuoco micrometrica le fibre in secondo piano) sfocando il personaggio in primo piano. Il preparato di nylon può essere utilizzato ancora per chiarire meglio il concetto di ingrandimento e di potere risolutivo. Sinora infatti si è utilizzato il parametro di ingrandimento come un parametro guida (insieme al campo di osservazione e alla distanza focale e alla

8 La trama di una calza di nylon (collant) è già riconoscibile a occhio nudo distendendone un lembo tra le dita. Fate notare agli studenti che le scritte riportate sugli obiettivi ne indicano le caratteristiche ottiche. Ad. esempio: E Plan: modello di obiettivo planare 40x: fattore d ingrandimento 0.65: apertura numerica 0.17: spessore del vetrino coprioggetti : obiettivo all infinito (sino a pochi anni fa gli obiettivi avevano una distanza di fuoco ben precisa mm o 170 mm - oggi gli obiettivi hanno una messa a fuoco all infinito, ciò permette di costruire strumenti anche molto grandi con molti accessori senza essere legati ad una distanza focale di 160 o 170 mm. WD: distanza di lavoro (Working Distance) distanza di lavoro) per la descrizione di un sistema ottico, sia esso un sistema di lenti semplici, sia esso un sistema di lenti più complesso come ad esempio un microscopio o un telescopio. L ingrandimento anche a 400x di una singola fibra di nylon infatti non mette in evidenza alcun particolare in più rispetto alla osservazione a 40x. La superficie della fibra di nylon rileva ulteriori dettagli solo oltre i 5000 ingrandimenti (e quindi ben al di là del massimo ingrandimento raggiungibile con i microscopi ottici). E quindi inutile ingrandire poiché non si rilevano ulteriori dettagli. Su un campione come la fibra di nylon, il potere di ingrandimento di 40x-100x è già utile per rilevarne tutti i dettagli. Per potere risolutivo si intende la capacità di uno strumento ottico, sia esso un telescopio, una lente o un microscopio, di distinguere due punti vicini; il potere risolutivo di un microscopio ottico composto è circa di 0.2 micron ciò limita anche il massimo ingrandimento utile (cioè il massimo ingrandimento in grado di sfruttare il potere risolutivo dello strumento) che per il microscopio composto è circa di 1200 ingradimenti. Alla fine delle osservazioni gli studenti dovrebbero aver capito che il cartoncino non può essere osservato con questo microscopio; esso è infatti un campione troppo spesso per permettere il passaggio della luce per trasparenza. Far rilevare che le caratteristiche del preparato devono essere compatibili con il metodo di osservazione.

9 Allestimento di un preparato: i microfossili Il focus di questa attività è: l uso del tavolino traslatore sviluppo delle capacità di osservazione sviluppo delle capacità di descrizione e di disegno del preparato Per preparare il vetrino di microfossili occorre sciogliere il residuo - si pone il frammento di roccia in una capsula di Petri e si scioglie il sedimento con acqua dosata con una pipetta. A partire da un residuo fossile nel nostro caso delle argille - viene chiesto agli studenti di allestire un preparato di microfossili (foraminiferi). Si scioglie il sedimento con l uso di una pipetta e di una pinzetta lavorando in una capsula di Petri di plastica, in modo da non sporcare in maniera eccessiva il tavolo di lavoro. Incentivare i ragazzi nella ricerca facendo leva sullo stimolo dovuto alla competizione tra i vari gruppi di lavoro. Per individuare e riconoscere i foraminiferi occorre utilizzare un atlante. Utilizzare i moduli al fondo del capitolo. Come appare il residuo fossile al microscopio - occorre non preparare un vetrino troppo spesso. (100x) Per riconoscere i microfossili dal residuo roccioso un buon criterio è osservare gli oggetti dotati di simmetria - in questa immagine un foraminifero. (400x)

10 Allestimento di un vetrino di protozoi Il focus di questa attività è: l uso del tavolino traslatore l uso della messa a fuoco micrometrica I preparati possono essere allestiti a partire da acqua raccolta in natura, di pozzanghera, di stagno o da un infuso di fieno realizzato in casa. Deporre una piccola goccia d acqua sul vetrino avendo cura di aggiungere alla goccia d acqua anche un pezzetto di alga (se l acqua è stata prelevata in stagno) o filo d erba (se prelevata da infuso di fieno o da pozzanghera). La ricchezza del vetrino, cioè il numero e la quantità di microrganismi, è in stretta dipendenza della frazione vegetale aggiunta alla goccia d acqua poichè la gran parte dei microrganismi vivono legati al substrato e non liberi in acqua. Dopo una prima fase entusiastica, in cui gli studenti osservano i microrganismi muoversi (ciò diverte moltissimo), chiedete ai ragazzi di ripondere alle domande del modulo 5 in modo da rendere l osservazione non solo divertente ma anche costruttiva. In questo tipo di preparato occorre ricordare di utilizzare la messa a fuoco micrometrica per poter osservare i vari piani di fuoco all interno del vetrino. Per identificare e riconoscere i microrganismi fate riferimento al validissimo atlante dei microrganismi acquatici di Dieter e Streble (cfr.).

11 Modulo 3a Studiare un vetrino Gruppo Componenti Scuola Classe Il preparato è: Omogeneo? Irregolare? Si riconoscono delle strutture? Disegnare il vetrino L ingrandimento mette in evidenza dettagli maggiori? L uso del diaframma di apertura cambia l aspetto del preparato? Ci sono più piani di messa a fuoco? I campioni sono tutti uguali?

12 Modulo 3b Studiare un vetrino Gruppo Componenti Scuola Classe

13 Modulo 4 I microfossili Gruppo Componenti Scuola Classe Descrizione delle caratteristiche (forma simmetria caratteristiche superficiali) Descrizione delle caratteristiche (forma simmetria caratteristiche superficiali) Descrizione delle caratteristiche (forma simmetria caratteristiche superficiali) Descrizione delle caratteristiche (forma simmetria caratteristiche superficiali)

14 Modulo 5 I microrganismi acquatici Gruppo Componenti Scuola Classe Osservare il preparato: C è un unico piano di messa a fuoco? Quanti tipi di forme sono presenti? (quante circolari, quadrate, allungate, bastoncellari, coccoidi?) queste forme prevalgono nei microrganismi grandi? Piccoli? Molto piccoli? Quanti tipi di colore sono presenti? Quale prevale negli oggetti fermi o in quelli in movimento? Il movimento è proprio solo delle forme più grandi o prevale negli organismi piccoli? Si possono osservare delle attività degli organismi e quali? Prevalgono negli organismi piccoli o grandi? Il colore ed il movimento permettono di distinguere gli organismi vegetali da quelli animali?

15 Micron II stage - ORARIO Attività 1 - studio delle caratteristiche di un preparato: vetrino a 4 tipi di carta Introduzione: il microscopio biologico Lezione frontale: preparare un vetrino Attività pratica/apprendimento cooperativo: allestimento vetrini Esposizione dei risultati 15 minuti 15 minuti 45 minuti 20 minuti Attività 2 - allestimento di un preparato: i microfossili Lezione frontale: allestire il preparato Attività pratica/apprendimento cooperativo: allestimento vetrini Esposizione dei risultati 15 minuti 25 minuti 10 minuti Attività 3 - Allestimento di un vetrino di protozoi Attività pratica/apprendimento cooperativo: allestimento vetrini Attività pratica/apprendimento cooperativo: uso dello stereomicroscopio 25 minuti 10 minuti

16 Realizzare l infuso di fieno Scopo dell esperimento Osservare in un infuso di fieno i parameci (microrganismi unicellulari). Materiali occorrenti Acqua minerale naturale (o acqua di fonte), vaschetta, fieno. Realizzazione Si prende dell erba o del fieno (meglio quest ultimo) e si pone sul fondo di un recipiente colmo d acqua. L acqua non deve essere quella del rubinetto poichè l alto contenuto di cloro (immesso nell acquedotto dei grossi centri urbani) impedisce la proliferazione dei microorganismi, usare acqua minerale naturale. Si lascia riposare il tutto per alcuni giorni (4-5), fino a quando l acqua sembra intorbidirsi. Per comprendere il ruolo del cloro come agente depurante può essere interessante allestire due infusi, uno con acqua del rubinetto, e quindi clorata, l altro con acqua minerale naturale e osservare al microscopio la diversità delle due colture.

17 Bibliografia Heinz Streble Dieter Krauter Atlante dei microrganismi acquatici Franco Muzzio editore, 1999 O.Cavallo-G.Repetto Conchiglie fossili del Roero Atlante iconografico a cura dell Associazione Naturalistica Piemontese- Amici del Museo Federico Eusebio, 1999 Atlante dei foraminiferi padani - AGIP mineraria, 1982 Approfondimenti Link IT Introduzione ai foraminiferi Link IT Introduzione ai foraminiferi Link IT Sito di riferimento per la paleontologia