Un moscerino in cattedra di Antonella Alfano,Maria Alfano, Giulia Forni, Laura Salsano, Anna Pascucci

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1 Un moscerino in cattedra di Antonella Alfano,Maria Alfano, Giulia Forni, Laura Salsano, Anna Pascucci Tempo di realizzazione: 10 ore distribuite nell arco di tempo di almeno 3 settimane Sintesi del modulo È un percorso che può essere portato avanti lungo l anno scolastico con modi e tempi rispettosi delle modalità d apprendimento, delle esigenze cognitive, emotive ed affettive che caratterizzano gli allievi. Molte attività sperimentali sono proponibili a tutti i livelli di scuola, anche se gli strumenti di descrizione/rappresentazione che si possono utilizzare ed i livelli di interpretazione e formalizzazione che si possono raggiungere dipendono molto dalla fascia di età degli allievi. Per gli insegnanti di scuola secondaria di 1 grado 1 vuol essere uno strumento per arrivare gradualmente all attuazione di attività investigative che portano alla verifica di quanto ipotizzato (ciclo vitale di organismi a sviluppo indiretto, dimorfismo sessuale, modalità di trasmissione dei caratteri ereditari). Gli alunni entrano in contatto con il moscerino, incuriositi pongono una serie di interrogativi ai quali essi stessi, sotto la guida del docente, cercano di dare una spiegazione verificabile attraverso un investigazione. 11 Per gli insegnanti di scuola dell infanzia e di scuola primaria il percorso può essere uno strumento per avvicinare i bambini all osservazione e allo studio di un essere vivente e focalizzare l attenzione sulle peculiarità morfologiche, sulle differenze e uguaglianze, sulle stranezze dei comportamenti degli animaletti e sulle loro relazioni.

2 Obiettivi Obiettivi di conoscenza Osservare e riconoscere le diverse fasi (embrione, larva, pupa, adulto) del ciclo vitale di un insetto a metamorfosi completa come la Drosophila melanogaster Distinguere gli individui di sesso maschile e femminile nella Drosophila melanogaster. Utilizzare strumenti e tecniche di laboratorio Osservare e riconoscere Drosophila melanogaster selvatica e ceppi mutanti Definire caratteri ereditari ed acquisiti Obiettivi metodologici Osservare, utilizzando vari strumenti Manipolare Affrontare situazioni problematiche, costruendo e verificando ipotesi, interpretando e valutando i dati Comunicare i risultati di un'investigazione attraverso relazioni scritte e presentazioni orali Esporre le proprie opinioni ed argomentare Riferimento alle Indicazioni nazionali per il curricolo (2012) Obiettivi di apprendimento 2 Al termine della classe terza della scuola secondaria di primo grado RIFERIMENTO INDICAZIONI NAZIONALI 2012 PER I LICEI PRIMO BIENNIO Realizzare esperienze quali ad esempio: in [ ]allevamenti osservare la variabilità in individui della stessa specie. Conoscere le basi biologiche della trasmissione dei caratteri ereditari acquisendo le prime elementari nozioni di genetica. Per la biologia i contenuti si riferiscono all osservazione delle caratteristiche degli organismi viventi, con particolare riguardo alle diverse forme con cui si manifestano (biodiversità). Perciò si utilizzano le tecniche sperimentali di base in campo biologico e l osservazione microscopica. La varietà dei viventi introducono allo studio della genetica mendeliana. 2 Al termine della classe terza della scuola primaria: Osservare i momenti significativi nella vita di [ ] animali, realizzando allevamenti in classe di piccoli animali, [ ], ecc. Individuare somiglianze e differenze nei percorsi di sviluppo di organismi animali [ ]. Al termine della classe quinta della scuola primaria: Proseguire nelle osservazioni frequenti e regolari, a occhio nudo o con appropriati strumenti, con i compagni e autonomamente, l esperienza di sviluppo di organismi animali; individuare[ ] i loro cambiamenti nel tempo.

3 Possibile sviluppo del modulo SESSIONE Sessione 1 Sessione 2 Sessione 3 Sessione 4 Sessione 5 Sessione 6 Sessione 7 Domanda iniziale Chi sono? Come sono fatti? Si muovono troppo come osservarli meglio? Nei tubi c è un solo animale o specie diverse? Come dimostrarlo? Moscerini e larve sono animali diversi? I moscerini non sono tutti uguali, alcuni sono più piccoli: non sono ancora cresciuti, sono specie diverse o di sesso diverso? I moscerini non sono tutti uguali, alcuni hanno gli occhi bianchi, altri il corpo nero Come sono i figli di moscerini diversi? E i nipoti? Attività svolte con gli studenti Problematizzazione. Condivisione di domande. Osservazione con lente d ingrandimento e con stereomicroscopio. Addormentare i moscerini per osservarli meglio. Progettazione dell investigazione. Identificazione delle fasi larvali. Ricostruzione del ciclo vitale. Sequenza delle fasi della metamorfosi e loro durata. Investigazione sul dimorfismo sessuale. Incroci e osservazione della progenie. Osservazione di ceppi mutanti e loro classificazione sulla base delle caratteristiche visibili. Osservazione degli stadi larvali e di generazioni successive Approccio Osservazione Esplorazione Confronto Osservazione Esplorazione Rappresentazione Spiegazione Elaborazione Sperimentazione Attività di comunicazione e condivisione Discussione nei gruppi. Rappresentazione con disegni. Comunicazione orale. Discussione collettiva. Sessione 8 Sessione 9 Come è possibile che da moscerini tutti con le ali storte possano essere nati moscerini normali? Succede solo con questo tipo di moscerini? Analisi di documenti e interpretazione di dati (Prima e seconda legge di Mendel) Eventuali incroci e osservazione diretta del fenotipo della progenie.. Sintesi comune. Conclusioni.

4 SESSIONE 1 -Gli alunni formulano domande a cui dare una risposta Situazione iniziale L'insegnante porta in classe un barattolo nel quale svolazzano dei moscerini; sul fondo del recipiente coperto da un batuffolo di cotone idrofilo o da garza alcuni pezzi di frutta. Chiede agli alunni di annotare sul proprio quaderno (scrittura personale) ciò che hanno osservato e le domande a cui vorrebbero dare una risposta. Successivamente, in gruppi di quattro, confrontano le domande per farne una sintesi. Il docente invita il rappresentante di ciascun gruppo a condividere le proposte che sono raccolte e scritte su un foglio lavagna o su LIM. POSSIBILI DOMANDE: - Che cosa sono? - Sono delle mosche piccole? - Come fanno a respirare? - Come nascono? - Come sono finiti nel barattolo? Sono nati lì? - Sono nati dagli acini d uva? - In quanto tempo imparano a volare? - I moscerini vedono? - Cosa mangiano? - Si nutrono dell uva? -Quanto tempo vivono? -In inverno muoiono o ce la fanno a resistere al freddo? - Come si fa a distinguere i maschi dalle femmine? POSSIBILI COMMENTI: -I moscerini erano molto agitati e svolazzavano dappertutto, come se cercassero una via di fuga dal barattolo. - Sono difficili da vedere.. SESSIONE 2-Gli alunni osservano attentamente il moscerino Prima di dare una risposta alle domande formulate, il docente invita ciascun alunno ad osservare il contenitore con i moscerini e, al termine del periodo di osservazione libera, di disegnare l animaletto. I disegni vengono raccolti, disposti sulla cattedra e gli alunni sono invitati ad osservarli ed a compararli. Questo momento di confronto può essere facilitato utilizzando la LIM, su cui il docente proietta i disegni prodotti dagli alunni, dopo averli fotografati e copiati sul computer.

5 Nasce una discussione sulla maniera più o meno esplicita o dettagliata di rappresentare l animaletto ed è evidente che in questa prima fase di osservazione ad occhio nudo i disegni degli alunni risultano essere imprecisi e sono centrati solo sulla presenza delle ali (due) e delle zampe (quasi sempre sei). Il docente mette in evidenza i particolari anatomici su cui c è disaccordo (Due o quattro ali? Numero e segmentazione delle zampe) e focalizza l attenzione sulla necessità di osservare meglio e sull importanza dell uso di strumenti per ingrandire affinchè si possano cogliere dettagli non evidenti ad occhio nudo. Il primo strumento che si propone è la lente d ingrandimento. Il docente consegna a ciascun gruppo una lente chiedendo di ridisegnare il moscerino. L'insegnante si muove da gruppo a gruppo e guida l esplorazione per aiutare gli studenti ad osservare in modo non casuale (chiede di cogliere differenze e somiglianze, di verificare le osservazioni fatte ad occhio nudo). Ogni gruppo presenta alla classe il proprio disegno mentre il docente annota le osservazioni su un poster o alla LIM. osservazione a occhio nudo osservazione con lente d ingrandimento Questa nuova osservazione con la lente d ingrandimento porta ad alcune certezze evidenziate da tutti i gruppi: - hanno due ali - hanno sei zampe Gli alunni non sono d'accordo o sembrano bloccati su: - la testa è rossa - gli occhi sono rossi. Il docente pone l attenzione sul disaccordo tra testa rossa o occhi rossi e chiede agli alunni: Come facciamo a capire se la testa è rossa o gli occhi sono rossi? Alunni:<bisogna osservare ancora meglio>. Docente: Come? La risposta spontanea: con il microscopio!. NOTA. Gli alunni sanno che per osservare ciò che non è visibile ad occhio nudo c è bisogno del microscopio, ma non tutti conoscono lo stereo microscopio e a cosa serve.

6 Il docente porta in classe un microscopio biologico e uno stereo microscopio e chiede: Sono uguali i due microscopi? Quali dei due bisogna usare per osservare i moscerini? Il docente invita gli studenti a esaminare attentamente gli obiettivi: il microscopio ottico ha un elevato potere di ingrandimento (in genere da 40o fino a 1000 volte) e per questo permette di osservare campioni invisibili ad occhio nudo come cellule e microrganismi, mentre lo stereomicroscopio ha un potere di ingrandimento relativamente basso (da 20 e 40 volte) e quindi è adatto ad osservare oggetti che si possono già scorgere ad occhio nudo e che hanno uno spessore; quindi per osservare i moscerini serve lo stereomicroscopio. Da alcuni anni sono in vendita stereomicroscopi a basso costo che ingrandiscono fino a 60 volte, da applicare agli smartphone. Ciascun gruppo pone il tubo sotto lo stereomicroscopio ma risulta subito evidente che è impossibile osservarli con attenzione perché si muovono velocemente. Come fare per osservare i moscerini? Il docente discute con gli alunni. Nasce l esigenza di immobilizzare i moscerini. L'insegnante ricorda che quando si fa il vino non è consigliabile entrare in cantina perché durante la fermentazione si produce una sostanza che fa svenire e che questa sostanza si chiama anidride carbonica, più propriamente indicata con il termine diossido di carbonio. Si pone il problema di come ottenere biossido di carbonio. Il docente spiega che la più semplice reazione chimica che produce CO2 è quella che avviene quando si mescola bicarbonato ed aceto, dispone poi sulla cattedra del materiale: barattolini di plastica con coperchio, tubi, beute, tappi con foro centrale, aceto, bicarbonato di sodio,... e chiede a ciascun gruppo di progettare l esperienza per creare una camera ad anidride carbonica. Un metodo rapido ed efficace per addormentare i moscerini consiste nell utilizzare CO2 in bomboletta. Si trasferiscono le drosophile in un barattolino di vetro con coperchio forato e collegato tramite tubo di gomma a una bomboletta di CO2. Premere l erogatore 2-3 volte e attendere alcuni minuti. Gli alunni in gruppo, dopo aver travasato ((Allegato 1) e addormentato i moscerini ((Allegato 2), li dispongono sotto la lente dello stereomicroscopio, li osservano, li ridisegnano e li descrivono. Allo stereomicroscopio, abbiamo notato che il moscerino presenta un capo abbastanza grande rispetto al corpo, con grandi occhi rossi e con delle piccole antenne. L addome, allungato e ovale, presenta delle strisce di colore scuro. Le sei zampe sono sottili e composte da più parti. Il corpo è rivestito da una leggera peluria. Alcuni hanno la punta dell addome di colore nero, altri, più grandi, non presentano la punta nera.

7 Disegni degli studenti dopo l osservazione al microscopio Strumenti di osservazione e condivisione di immagini microscopio digitale o stereomicroscopio collegato alla LIM

8 SESSIONE 3 - Investigazione sulle diverse forme dei moscerini Obiettivo delle sessioni 3 e 4 è comprendere il concetto di ciclo vitale di un insetto a metamorfosi completa, riconoscendone le diverse fasi attraverso l osservazione prolungata nel tempo. L insegnante esordisce dicendo: nella lezione precedente abbiamo osservato dei moscerini, li avete descritti, avete formulato delle domande ; nel frattempo apre la pagina della LIM su cui sono state annotate e poi raggruppate le domande, le riesamina brevemente, poi aggiunge: da oggi investigheremo per cercare di dare risposta ad alcune di esse (l insegnante evidenzia le domande che saranno oggetto di investigazione): -quanto vivono i moscerini? -come nascono? -di quanto crescono? -come si riproducono? Lavoro di gruppo I ragazzi sistemano i banchi in modo da formare gruppi da quattro; quindi l insegnante consegna ad ogni gruppo tre tubi, raccontando di esserseli procurati il giorno precedente presso un laboratorio di ricerca dell Università (il primo contiene solo drosofile adulte, il secondo solo larve e pupe, l altro moscerini nei tre stadi di sviluppo); chiede ai ragazzi di analizzarne il contenuto, utilizzando strumenti di osservazione, di descriverlo, di formulare eventuali domande. L insegnante contestualmente consegna un cartellone ad ogni gruppo con le seguenti tracce da completare: ciò che abbiamo osservato ciò che sappiamo.ciò che vorremmo sapere.. Cosa sono quei vermetti bianchi che si muovono lungo le pareti? Ogni gruppo ha a disposizione sul banco lenti d ingrandimento e piccole torce. I ragazzi dei gruppi si consultano, annotano, documentano attraverso disegni e foto; quindi un rappresentante per gruppo espone dopo aver attaccato a una parete dell aula il proprio cartellone. È una fase agile, che dura non più di 30 minuti; ha lo scopo di incuriosire gli studenti oltre che di far emergere e definire meglio la domanda investigativa. Tutti i gruppi saranno d accordo che ci sono dei moscerini, ma divergeranno sulla presenza e sulla natura di altri esseri viventi; infatti i ragazzi noteranno sicuramente la presenza di semini (le pupe) sulle pareti della provetta e di vermetti (le larve). Alcuni potrebbero immediatamente mettere in relazione queste diverse forme con i diversi stadi di sviluppo di un insetto per analogia con altri a loro Cosa sono quei semini giallo-arancio attaccati alle pareti del contenitore?

9 noti (farfalla, zanzara ), altri diranno che ci sono anche dei vermi e dei bozzoli (alcuni pieni, altri vuoti) o dei semi...forse il cibo dei moscerini. L insegnante raccoglie e sintetizza, in particolare rilancia la domanda su cui c è disaccordo: Nei tubi c è un solo animale o specie diverse? Come dimostrarlo? Ecco, questa è la questione su cui investigare. L insegnante invita i ragazzi, prima individualmente e poi in gruppi, a formulare la propria ipotesi e a progettare un procedimento per verificarla, individuando i materiali occorrenti per la propria investigazione. Raccomanda anche di annotare tutto sulla scheda, fornita dal docente in formato A3: la domanda di ricerca condivisa, l ipotesi del gruppo, la modalità di verifica dell ipotesi, i materiali necessari per provare la validità dell ipotesi, la modalità di raccolta dati, aiutandosi anche con schemi e disegni. (Allegato 3). I ragazzi hanno a disposizione un kit dal quale potranno prendere ciò che è necessario per realizzare l esperienza progettata dal gruppo; contiene provette, pipette, becher, barattolini di vetro, spatoline, guanti, torce, spruzzette con acqua, aceto, bicarbonato di sodio, garza, elastici, cibo liofilizzato per drosofile, lievito,. Non tutti i materiali sono utili, ma la loro presenza potrebbe stimolare nuove idee e nuove domande successive a questa che viene ora investigata. Ogni gruppo presenta successivamente il proprio lavoro; gli altri possono fare domande o chiedere chiarimenti. POSSIBILI proposte degli studenti Le ipotesi potrebbero essere: 1. Moscerini, pupe e larve sono i diversi stadi della metamorfosi del moscerino 2. Le pupe sono semi, forse cibo di moscerini e larve. 3. I semini sono uova da cui nasce l insetto. 4. Moscerini e pupe sono diversi stadi della metamorfosi del moscerino e le larve sono animali di specie diversa dal moscerino 5. Moscerini, pupe e larve sono animali di specie diverse Le procedure per verificare le ipotesi potrebbero essere - Mettere dei vermetti (le larve) in un barattolo e annotare cosa succede nei giorni successivi - Trasferire dei moscerini (stato adulto) in un barattolo e vedere cosa succede nei giorni successivi - Schiacciare un semino per vedere cosa contiene (l ipotesi viene scartata perché si rischia di uccidere l eventuale animale) - Osservare con lente d ingrandimento o stereomicroscopio i semini -

10 Se i ragazzi propongono di fare ricerche tramite internet, l insegnante precisa che non potranno farlo perché durante quest attività dovranno trovarsi nella condizione di un ricercatore che sull oggetto della sua ricerca non trova informazioni precostituite. L insegnante senza propendere per alcuna delle soluzioni proposte, ne verifica comunque la fattibilità, mette in evidenza le differenze tra le varie presentazioni e invita i ragazzi a passare alla fase operativa. Un rappresentante per ogni gruppo prende i materiali di cui ha bisogno; poi ogni gruppo realizza l esperienza precedentemente progettata. In questa fase il docente ha il ruolo di presenza silenziosa, che guida senza anticipare o suggerire risposte, favorisce la partecipazione di tutti, incoraggia. L osservazione dei semini allo stereomicroscopio viene scelta come prima attività comune. L osservazione anche con l uso della LIM di pupe in vari stadi di sviluppo e di esuvie porta alla conclusione che moscerini e pupe sono diversi stadi di metamorfosi. La nuova domanda di ricerca è se moscerini e larve sono animali diversi o meno. SESSIONE 4 -Investigazione sul ciclo vitale dei moscerini: sequenza degli stadi e loro durata I ragazzi allestiscono i tubi per l allevamento 3, utilizzando la ricetta per preparare la pappa, il nutrimento delle drosofile. (Allegato 4) Ogni gruppo segue i propri barattoli per tre settimane annotando i cambiamenti in una tabella. Dalla sperimentazione emerge - che i tubi contenevano un unica specie animale, la drosophila nei suoi diversi stadi di sviluppo - la sequenza cronologica del ciclo vitale è uovo-larva- pupa-insetto - la durata del ciclo vitale. 3 Si possono usare comuni barattoli per conserve e piccole bottiglie di vetro.

11 Per prima cosa quando la Drosophila ha fatto l uovo, esce la larva. Poi la larva si chiude nella pupa e dopo qualche giorno la pupa si apre ed esce la Drosophila già grande. (Mario) Prima succede che i moscerini cacciano l uovo, che si trasforma in larva e quando si è nutrita abbastanza per il cambiamento forma il bozzolo che poi si schiude e sfarfalla la nuova Drosophila adulta e il giro della vita continua. (Sara) Un approfondimento può consistere nell individuazione della durata del ciclo vitale in funzione della temperatura. Per stabilire una correlazione tra la durata del ciclo e la temperatura di allevamento occorre un termostato. A 25 C temperatura ottimale per lo sviluppo dei moscerini il ciclo completo dura 14 giorni; i tempi si allungano (fino a un mese) a temperature più basse. SESSIONE 5 -Investigazione sul dimorfismo sessuale Da osservazioni più accurate i ragazzi notano che alcuni moscerini sono più grandi, altri più piccoli; qualcuno si accorge che anche la forma dell addome è diversa. Emerge una nuova pista investigativa per spiegare a cosa siano dovute queste differenze. I ragazzi addormentano i moscerini con il biossido di carbonio che si a b sprigiona dalla reazione di aceto + bicarbonato di sodio (cfr sessione 2) e osservando allo stereomicroscopio individuano due tipologie di moscerini: - Moscerini più piccoli, con addome stretto e scuro (a) - Moscerini più grandi, con addome largo e appuntito (b)

12 a b Le due tipologie di moscerino I moscerini possono essere misurati con una certa accuratezza se si appoggia un foglio di carta millimetrata sul tavolino dello stereomicroscopio Come mai alcuni moscerini sono più piccoli? Prima individualmente, poi in piccoli gruppi, i ragazzi fanno le loro ipotesi che poi condividono in intergruppo: 1. Sono specie (o razze) diverse 2. Sono moscerini di sesso diverso 3. I moscerini più piccoli non sono ancora cresciuti Come verificare le ipotesi? 1. Allevare separatamente i due tipi di moscerini (a e b): le caratteristiche dei genitori dovrebbero conservarsi nei figli 2. Allevare separatamente i due tipi di moscerini (a e b) che in assenza del partner non dovrebbero dare progenie. 3. Mettere in un barattolo i moscerini più piccoli (a ) e vedere se nel tempo crescono. Fase sperimentale I ragazzi allestiscono gli allevamenti sulla base dell ipotesi formulata da ciascun gruppo e osservano per 15 giorni i tubi. Risultati sperimentali I moscerini di tipo a non danno progenie. I moscerini di tipo b danno progenie: si osservano larve e pupe dalle quali sfarfallano gli adulti. Essi sono sia di tipo a che di tipo b. Interpretazione dei risultati Le ipotesi 1 e 3 sono contraddette dai risultati: o Ipotesi 1 sono specie diverse: le caratteristiche dei genitori di tipo b non si sono mantenute nei figli; se si fosse trattato di specie diverse e quindi con presenza nella stessa specie di maschi e femmine, anche i moscerini di tipo a avrebbero dovuto generare figli. o Ipotesi 3 - I moscerini più piccoli non sono ancora adulti: i moscerini a nel tempo non sono cresciuti.

13 I risultati sperimentali sono compatibili con l ipotesi n.2: i moscerini più piccoli (a) sono maschi che nell impossibilità di accoppiarsi non hanno dato progenie. Quelli più grandi (b) dovrebbero essere femmine, ma come mai hanno generato figli sebbene non ci fossero maschi? L insegnante apre una discussione con gli studenti per trovare una spiegazione a questa evidenza sperimentale: probabilmente sono state fecondate prima dell isolamento. Come confermare la validità dell ipotesi 2? Si allestisce un nuovo tubo con 3 moscerini di tipo a e 3 moscerini di tipo b. Dopo 15 giorni i ragazzi addormentano i moscerini e contano quanti sono di tipo a e di tipo b: la percentuale è vicina al 50%; il risultato è compatibile con il dimorfismo sessuale e con la distribuzione M/F. 4 SESSIONE 6 Osservazione di mutanti Situazione iniziale L'insegnante porta in classe barattoli contenenti drosophile selvatiche (wt) e barattoli con mutanti quali occhi bianchi o occhi bianchi e corpo giallo, barattoli di moscerini con ali arricciate ed ebony, ma non anticipa nulla. 5 Chiede agli alunni di osservare attentamente anche con lenti d ingrandimento e piccole torce, di disegnare e di scrivere sul proprio quaderno (scrittura personale) ciò che hanno osservato e le domande a cui vorrebbero dare una risposta. Successivamente, in gruppi di quattro, confrontano le domande per farne una sintesi. Il docente invita il rappresentante di ciascun gruppo a condividere le proposte che sono raccolte e scritte su un foglio lavagna o su LIM. Oggi in classe abbiamo visto strane drosophile, certe erano normali, altre erano tutte nere, ma sempre con gli occhi rossi, altre avevano gli occhi bianchi, ma poi per il resto tutte normali. C erano anche moscerini con ali curve. Insomma moscerini biondi, bruni e strani, zoppi nelle ali POSSIBILI DOMANDE: -Le drosofile diverse sono malate? -Quelle con gli occhi chiari ci vedono bene? -Sono nate così o si sono ammalate dopo?" -Anche i loro figli saranno malati?" -Le larve e le pupe normali saranno uguali o diverse da quelle delle altre? SESSIONE 7 Osservazione degli stadi larvali e delle successive generazioni di mutanti Obiettivo di questa sessione è seguire la discendenza dei ceppi di moscerini 6 selvatici 7 e mutanti per individuare eventuali variazioni del fenotipo degli stadi della metamorfosi e degli adulti. 4 Come controprova si possono prendere drosofile femmine vergini (da un tubo di allevamento si fanno volare via i moscerini, si attende che dalle pupe sfarfallino gli adulti e si separano le femmine -riconoscibili dall estremità dell addome molto chiaro - entro 8 ore dallo sfarfallamento) e si isolano in un tubo: si osserva che non danno progenie. 5 Per approfondimenti sui mutanti di Drosophila melanogaster consultare scheda per l insegnante (Allegato 5 ) 6 Si utilizza nel testo il termine comune di moscerino per indicare sempre la specie Drosophila melanogaster 7 Per moscerini normali o selvatici o wild type si intende il ceppo Oregon

14 Le diversità, cioè i diversi caratteri fenotipici possono venire classificati in modo da poter essere seguiti nel tempo ed in generazioni successive per rispondere alle domande: Sono nate così o si sono ammalate dopo?" Anche i loro figli saranno malati?" Le larve e le pupe normali saranno uguali o diverse da quelle delle altre? Dalla discussione emerge che le drosophile con ali storte sono malate, poiché non riescono a volare, ma saltellano. Per occhi chiari è invece difficile capire se il diverso colore degli occhi rende la visione difficile o è un carattere che non implica perdita di funzionalità (come gli occhi azzurri nell uomo). I ragazzi concordano un nome di fantasia per ogni ceppo di mutante, scrivono sul quaderno le loro ipotesi sulle domande e progettano una tabella. Moscerini Normali Neri Occhi chiari Ali storte Colore corpo Colore occhi Ali Movimento Abbiamo capito di avere quattro tipi di moscerini: normali, neri, con ali storte e con occhi chiari ed abbiamo visto che i neri hanno gli occhi rossi come i normali e ali storte, mentre gli occhi bianchi hanno le ali normali. Dopo 4 giorni o 5 giorni Al comparire delle prime larve i ragazzi allestiscono tubi per l allevamento (Allegato 4) ed in essi travasano (Allegato 1) gli adulti in modo da poter osservare separatamente la prima generazione e le successive. I tubi vengono segnati con etichette per poter essere distinti. Ogni gruppo segue i barattoli per tre settimane annotando le osservazioni in tabella. Tipo Genitori Normali Neri Occhi chiari Ali storte Tipo Figli Normali Neri Occhi chiari Ali storte Colore corpo Colore occhi Ali Movimento Colore larva Forma larva Colore pupa Forma pupa

15 Dalla sperimentazione emerge che 1-Tutti i ceppi hanno la stessa metamorfosi e negli stadi larvali non si notano differenze. 2.I figli (gli adulti di prima generazione) dei moscerini normali, occhi chiari e neri sono tutti uguali tra loro e ai rispettivi genitori 3.I figli (gli adulti di prima generazione) dei moscerini ali storte 8 sono misti: alcuni sono uguali ai genitori ed hanno le ali storte, ma altri hanno le ali dritte proprio come i moscerini normali. L osservazione della coltura dei moscerini ali storte stupisce molto i ragazzi. Nel barattolo che ci ha portato l insegnante c erano solo moscerini con le ali storte, ma in quello dei loro figli abbiamo trovato anche qualche moscerino con le ali dritte, sembrano normali e volano bene. Ci siamo domandati cosa è successo perché noi siamo sicurissimi di non aver mai mischiato i moscerini. Questa anomalia è stata riscontrata da tutti i gruppi e solo con questo tipo di drosophile. La nuova situazione problematica porta a formulare nuove domande: Come è possibile che da moscerini tutti con le ali storte possano essere nati moscerini normali? Succede solo con questo tipo di moscerini? Prima di continuare le investigazioni, per avviare ad un linguaggio più rigoroso e per poter fare successivamente ricerche in internet, si forniscono i nomi scientifici dei mutanti e si definiscono le caratteristiche di una linea detta pura 9 Immagine Nomi inventati normale occhi chiari ali storte neri Termini scientifici italiani Termini scientifici inglesi Caratteristiche della F1 selvatica occhi bianchi ali arricciate corpo nero wild type white curly ebony Tutte uguali tra loro e ai genitori Tutte uguali tra loro e ai genitori Miste: alcune come i genitori, altre normali Linea pura pura non pura pura Tutte uguali tra loro e ai genitori 8 Per allestire una situazione problematica di questo tipo si potrebbe utilizzare qualsiasi F1 di moscerini di ceppi diversi, omozigoti per un carattere non legato ai cromosomi sessuali 9 Si utilizza il linguaggio di Mendel più vicino a quello naturale

16 SESSIONE 8 Modalità di trasmissione dei caratteri mendeliani: dai dati alle evidenze Obiettivo di questa sessione è riscoprire le prime due leggi di Mendel a partire dalla situazione problematica della precedente sessione attraverso l individuazione di evidenze in tabelle di dati relative a successive generazioni di incroci di Drosophile wt e mutanti autosomici portatori di caratteristiche mendeliane. Sono proposti due esempi di successivi incroci con mutanti diversi (Vestigial, ali vestigiali ed Antennipedia- antenna a forma di zampa) dai quali, pur nelle diversità numeriche, si possono individuare due uguali regolarità e far emergere come evidenti le leggi di Mendel. In entrambi gli incroci, tutti gli individui della prima generazione hanno lo stesso aspetto che ha uno dei genitori (Prima legge di Mendel). Nella seconda generazione ricompare il carattere recessivo nella proporzione di 3:1 (Seconda legge di Mendel) L insegnante ricorda alla classe la situazione problematica della precedente sessione: Come è possibile che da moscerini tutti con le ali storte possano essere nati moscerini normali? Succede solo con questo tipo di moscerini? Distribuisce poi il seguente testo da leggere individualmente per individuare le evidenze dei dati da commentare sul quaderno. Poi in gruppo si discutono le evidenze e si ipotizzano interpretazioni delle evidenze. In un laboratorio si sono preparate varie colture di moscerini mutanti e selvatici: Coltura A: 10 maschi wt (normali) e 10 femmine 10 antennipedia (cioè con le antenne a forma di zampa) Coltura B:10 femmine wt e 10 maschi antennipedia Nella tabella sono riportati i dati degli incroci, cioè l aspetto dei figli nati chiamati F1 Carattere 10 Drosophile femmine wt 10 Drosophile maschio antennipedia F 1 prima generazione 173 moscerini Rapporto Forma delle antenne regolare A forma di zampa 173 moscerini con antenne regolari 173:173=1 10 L insegnante sa che per verificare le leggi di Mende le femmine devono essere vergini, ma in questa fase non è necessario che i ragazzi lo sappiano

17 Carattere 10 Drosophile 10 Drosophile F 1 prima Rapporto maschio wt femmina generazione Antennipedia 156 moscerini Forma delle regolare A forma di 156 moscerini 156:156= 1 antenne zampa con antenne regolari Stupiti per i risultati gli scienziati incrociano tra loro i moscerini con antenne normali F1, cioè i figli del primo incrocio ed ottengono questi risultati Carattere 60 Drosophila 60Drosophile F 2 F 2 Rapporto femmina maschio seconda seconda F 1 F 1 generazione generazione N N drosophile drosophile antennipedia con antenne regolari Forma delle antenne Regolare Regolare :208=3,1 Gli scienziati prima di trarre le loro conclusioni hanno ripetuto l esperimento anche con un altro mutante ed hanno scelto vestigial, un moscerino con ali piccolissime ed incapace di volare. Ecco i risultati del loro lungo lavoro Coltura C: 20 maschi wt (normali) e 20 femmine vestigial Coltura D:20 femmine wt e 20 maschi vestigial Nella tabella sono riportati i dati degli incroci, cioè l aspetto dei figli

18 Carattere 20 Drosophile 20 Drosophile F 1 prima Rapporto femmine wt maschio vestigial generazione 312 moscerini ali Lunghe e distese Piccolissime 312moscerini Ali lunghe e distese 312:312=1 Carattere 20 Drosophile 20 Drosophile F 1 prima Rapporto maschi wt femmine vestigial generazione 298 moscerini ali Lunghe e distese Piccolissime 298 moscerini 298:298=1 Ali lunghe e distese Anche in questo caso, avendo ottenuto gli stessi risultati, gli scienziati incrociano tra loro i moscerini F1 (tutti con ali lunghe e distese), cioè i figli del primo incrocio ed ottengono questi risultati Carattere F2 seconda F2 seconda Rapporto Drosophil Drosophil generazione generazione e maschio e femmina N moscerini. N F 1 F 1 ali lunghe e moscerini distese ali piccolissime Ali Lunghe e Lunghe e :489=3,07 distese distese

19 I ragazzi, dopo aver letto il testo scrivono individualmente sul quaderno le loro conclusioni, cioè nei dati individuano regolarità, evidenze. Poi si confrontano in gruppo. Il carattere antenna storta è come l ala piccola, è come un fantasma scompare e ricompare, ma non è a piacere loro. I primi figli nati da genitori diversi sono tutti uguali ed assomigliano solo ad un genitore. I figli dei figli, cioè i nipoti dei primi moscerini, sono un po e un po, ma sono sempre di più i nipotini uguali ai genitori che erano tutti uguali. Gli altri pochi, sono come mosche bianche e forse da qui viene la frase mosche bianche A volte una particolarità scompare, ma poi all improvviso ricompare. Per questo nel tubo che abbiamo in classe di moscerini ali arricciate, poi abbiamo trovato dei figli con le ali dritte. Infatti eravamo sicuri di non aver mischiato i moscerini Ci sono negli animali e nelle persone delle caratteristiche diverse che compaiono e scompaiono perché forse sono deboli, ma che poi ce la fanno e ritornano e uno non se l aspetta, ma forse potrebbe aspettarselo Il carattere ali lunghe e distese e corpo chiaro compare sempre nei figli, nei genitori e nei nipoti, ma non in tutti, invece antenne strane ed ali piccolissime scompare del tutto e dopo compare un pochino nei nipoti, ma un nonno o una nonna ce l aveva SESSIONE 9 Modalità di trasmissione dei caratteri mendeliani: dalle evidenze ad un linguaggio scientifico condiviso A partire dalle riflessioni della lezione precedente si giunge ad una sintesi comune in cui viene condiviso il significato di termini ed ipotesi Viene poi richiesto ai ragazzi di progettare un protocollo sperimentale con un terzo mutante per verificare le ipotesi emerse dallo studio dei dati. Si propone di utilizzare il mutante ebony poiché è uno di quelli osservati e disponibili ed il cui carattere corpo nero è mendeliano. E poi possibile verificare sperimentalmente quanto progettato. Infine o in alternativa è possibile confrontare ciò che si è ipotizzato e progettato con fonti attendibili quali testi e siti e giungere così ad un sapere esperto e condiviso. L insegnante ritorna su alcuni punti e propone di chiamare dominanti quei caratteri che compaiono sempre e recessivi quelli che compaiono e scompaiono, che sono deboli, sottolineando che questi sono i termini che aveva dato il primo scienziato che si è occupato della cosa. Dominante è quel carattere che si presenta in tutti gli individui nati dall'incrocio tra due ceppi puri. Si chiede ai ragazzi di riguardare il testo e di riscrivere le osservazioni di gruppo utilizzando i nuovi termini e quanto emerso dalla discussione per ipotizzare la discendenza di incroci tra wt ed ebony Non si propone l incrocio con ceppi occhi bianchi (White) poiche il la mutazione si trova sul cromosoma X. Questa esperienza può essere proposta in un secondo momento per affrontare il tema della trasmissione dei caratteri xlinked

20 Se incrociamo 5wt con 5 ebony dopo 15 giorni potremo avere circa 70/80 drosophile col corpo chiaro, ma se poi in un altro tubo facciamo incrociare 5 femmine figlie con 5 maschi figli potremo raccogliere altre 70\80 moscerini. La maggior parte avrà il corpo chiaro, potremo trovare anche più di 20 moscerini scuri. Ogni gruppo è invitato a enunciare una conclusione sulle ipotesi degli uni e degli altri in merito al fenomeno. I ragazzi discutono tra di loro, scrivono il proprio pensiero prima individualmente, poi collettivamente. Si può passare alla verifica sperimentale oppure, per confermare o smentire le ipotesi elaborate, si possono mettere a disposizione alcuni documenti. Si può prevedere di preparare ad esempio: un testo storico sulla ricerca di Mendel Le due prime leggi di Mendel tratte da un libro di scuola media. Prima legge di Mendel: Incrociando due individui appartenenti a linee pure, che differiscono per un solo carattere, si ottengono ibridi di prima generazione F 1 tutti uguali per quel carattere che viene detto dominante. Seconda legge di Mendel: Nella seconda generazione il carattere recessivo ricompare anche se in misura molto minore rispetto al carattere dominante, all incirca nel rapporto di 1 a 3. Ci si può anche aspettare che gli alunni richiedano altra documentazione o preferiscano cercarla loro stessi in quel momento sul web. Infine, un rappresentante di ciascun gruppo legge le conclusioni scritte sul foglio che, eventualmente, possono essere riformulate: a questo punto le conclusioni prendono lo stato di sapere validato.

21 ALLEGATO 1 TRAVASO DI MOSCERINI Il travaso di moscerini da un barattolo ad un altro è molto semplice se i due contenitori hanno la stessa imboccatura: basta sovrapporli, scuotere leggermente il contenitore, attendere il passaggio delle drosophile e tappare rapidamente con cotone idrofilo. Se i contenitori non hanno la stessa imboccatura basta inserire sul collo del contenitore con l imboccatura più piccola un disco di cartone forato in modo da evitare la fuoriuscita di moscerini. Adattatore realizzato con un cartoncino

22 Allegato 2 ANESTESIA Un metodo efficace per addormentare le drosophile è quello di utilizzare, come anestetico, il biossido di carbonio 12. Procedimento 1 Bicarbonato di sodio Aceto N.2 beute con tappi forati Tubo di gomma L anidride carbonica è ottenuta facendo reagire il bicarbonato di sodio con l aceto. La quantità di aceto e bicarbonato è legata alle dimensioni dei contenitori usati. Bisogna dosare la quantità per evitare che, durante la reazione, l aceto passi attraverso il tubo di gomma e anneghi le drosophile. - Collegare i due contenitori con il tubo - Travasare le drosophile in un contenitore - Versare il bicarbonato nell altro contenitore ed aggiungere aceto - Tappare con rapidità il contenitore. Durante la reazione si sviluppa biossido di carbonio che attraverso il tubo passa nel contenitore in cui sono presenti le drosophile. Procedimento 2 Bomboletta CO2 Tubo di gomma Capsula di Petri Contenitore trasparente La bomboletta di CO2 si acquista nei negozi di acquariologia. - Forare il coperchio della capsula di Petri - Inserire il tubo di plastica e collegarlo all erogatore della bomboletta. - Travasare le drosophile nel contenitore e tapparlo con la capsula di Petri - Premere l erogatore per permettere all anidride carbonica di passare attraverso il tubo nel contenitore in modo da addormentare le drosophile. 12 Le norme di sicurezza vietano l uso di etere e cloroformio se il laboratorio scientifico è privo di cappa aspirante.

23 Allegato 3 Progettiamo e realizziamo un indagine Ricordiamo il problema Le ipotesi Scrivo le domande Cerco una possibile risposta alle domande e scrivo ciò che penso (sì o no, perché) Cosa penso di fare per controllare se la mia ipotesi è corretta? Spiego il mio progetto con frasi, schemi o disegni Materiali Scrivo la lista del materiale che mi serve per realizzare la mia indagine Risultati Ciò che vedo, osservo, ottengo Interpretazione dei risultati Scrivo se la mia ipotesi è stata verificata, cioè confermata dai risultati e perché

24 Allegato 4 COME ALLEVARE LE DROSOPHILE: il terreno nutritivo Per allevare le drosophile bisogna preparare un terreno nutritivo a cui aggiungere lievito di birra che stimola la produzione delle uova e nipagina 13 che ha la funzione di conservante. Il terreno deve avere una consistenza tale da non essere né troppo liquido (i moscerini affogherebbero), né troppo solido (gli insetti non riuscirebbero a nutrirsi), né troppo molle (le zampette degli animaletti si attaccherebbero alla sostanza, intrappolandoli). Ricetta 1 preparato già pronto di colore bianco tipo fecola lievito di birra in granelli Bisogna: Mescolare, in un contenitore, 1 tappo di fecola1 e 1 tappo di acqua in cui sono stati sciolti 10 granelli di lievito di birra Ricetta 2 preparato per purea di patate in polvere nipagina acqua di rubinetto lievito di birra (preferibilmente in granelli) Bisogna: mescolare la purea di patate con acqua in un contenitore fino ad ottenere un impasto con una consistenza sufficientemente solida aggiungere la nipagina e il lievito mescolare Ricetta 3 2 banane mela grattugiata 15 ml di aceto (2 cucchiai) 2 tazze di farina d avena un po di lievito di birra in granelli nipagina Bisogna: frullare le banane e la mela fino ad ottenere un impasto omogeneo aggiungere la nipagina, la farina d avena e l aceto fino ad ottenere un composto con una consistenza sufficientemente solida. aggiungere il lievito e mescolare. 13 La nipagina può essere acquistata in farmacia o presso grossisti di prodotti chimici.

25 Allegato 5 Scheda docente: Drosophila Melanogaster e ceppi mutanti DROSOPHILA MELANOGASTER La Drosophila Melanogaster, il comune moscerino della frutta (o moscerino dell aceto), è un organismo modello e viene usato nella ricerca in quanto è un modello sperimentale semplice e di facile utilizzo: sviluppo rapido e breve ciclo vitale, dimensioni ridotte, facile reperibilità e facile manipolazione. Il corpo è diviso in tre parti: CAPO, TORACE e ADDOME. Il CAPO è provvisto di antenne, di occhi e di un apparato boccale succhiatore; si nutrono di succhi vegetali e sono solite vivere in prossimità di frutta in fermentazione. Il TORACE presenta delle piccole aperture chiamate stigmi, che terminano con tubicini detti trachee, cui è adibita la funzione respiratoria. L ADDOME presenta delle pareti laterali molli, in grado di dilatarsi ai fini della respirazione. La riproduzione è sessuata; il maschio e la femmina producono gameti in organi appositi e la fecondazione avviene per contatto delle zone posteriori. In seguito alla fecondazione la Drosophila femmina, essendo ovipara, depone un gran numero di uova dalle quali nascono delle larve vermiformi prive di occhi, ali e zampe, e dotate di una cavità addetta alla nutrizione. Le larve si nutrono continuamente per qualche giorno dopodiché smettono di cibarsi e si avvolgono in un bozzolo a formare le pupe. Dalla pupa possono nascere sia individui maschi che femmine (dalla fecondazione alla "schiusa" delle pupe passano gg. alla temperatura di 25 C), è possibile distinguere il sesso grazie al colore dell'addome (con punta nera nel maschio e a righe chiare e scure nella femmina). Maschi e femmine presentano inoltre dimensioni differenti, in quanto i primi risultano essere più piccoli delle seconde. Il maschio, inoltre, presenta sul primo paio di zampe dei bottoncini neri (pettini) Le drosophile possono essere allevate ad una temperatura di 25 C e si alimentano con mangimi ricchi di amido. Il lievito di birra inoltre stimola la produzione delle uova.

26 CEPPI MUTANTI La maggior parte delle drosophile hanno gli occhi rossi e le ali lunghe e costituiscono i ceppi selvatici... ma tra loro ci sono anche "mostri" con caratteri molto diversi: ali accartocciate e brevi, occhi bianchi, ecc., i cosidetti mutanti. Da quando la drosofila è stata allevata nei laboratori di genetica (ormai sono decenni), nelle colture sono comparse numerose mutazioni anche morfologiche, come la perdita della pigmentazione rossa degli occhi, della pigmentazione nera del corpo, la riduzione delle ali, ecc. Le mutazioni sono generalmente indotte da alcuni fattori ambientali come le radiazioni elettromagnetiche, radiazioni ultraviolette, particolari sostanze chimiche Una delle domande che i biologi si pongono è se la mutazione sia veramente casuale od è invece direzionata per un adattamento specifico in un determinato ambiente. Dato però che le mutazioni che avvengono allo stato selvatico possono produrre soggetti nettamente svantaggiati rispetto agli altri, è pensabile che non sia così. Successivamente gli elementi vantaggiosi casualmente apparsi (la minoranza rispetto a quelli svantaggiosi) vengono mantenuti attraverso la selezione naturale. La mutazione appare quindi improvvisamente ed é un evento ben determinato nel tempo. Essa consiste quindi in una variazione della costituzione chimico-fisica del DNA. Questa mutazione è poi quello che provoca il cambiamento fenotipico del soggetto esaminato. Wild type (selvatica) Il ceppo selvatico, normale, ha gli occhi rossi, il corpo rivestito di setole e un paio di ali diritte che si estendono oltre l estremità dell addome. Vestigiale Il ceppo vestigiale presenta ali ridotte. Le ali vestigiali sono determinate da un allele recessivo vg. Ebony (e 3 ) (corpo nero) Il gene, situato sul III cromosoma, codifica per l enzima -alanil-dopamina-sintetasi. Gli individui omozigoti per l allele e 3 presentano la cuticola di colore nero. Curly (ali arricciate) Questi individui presentano una mutazione dominante, indotta mediante raggi X, del gene Curly. L anomala curvatura delle ali è data da una ineguale contrazione degli epiteli superiore ed inferiore nel periodo di asciugatura delle ali che segue la fuoriuscita dalla pupa. Tale mutazione è letale in omozigosi. White (w 1118 ) (occhi bianchi) Il ceppo presenta una mutazione recessiva del gene white (cromosoma X). La proteina WHITE, assieme alle proteine BROWN e SCARLET, è responsabile del trasporto all interno degli ommatidi dell occhio dei pigmenti scarlatto e marrone che danno il tipico colore rosso mattone dell occhio di Drosophila. I mutanti white di conseguenza hanno gli occhi bianchi. Antennapedia (zampe al posto delle antenne) Antennapedia è un gene che controlla il posizionamento delle zampe nello sviluppo dell'insetto. La perdità di funzione del sito di trascrizione per il gene delle zampe fa crescere un paio di antenne, viceversa fa crescere delle zampe al posto delle antenne nel caso sia attivato al posto del gene per le antenne.