ТЕМА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ «МОЛЕКУЛА ЖИЗНИ В МИКРОСКОПЕ»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Средняя образовательная школа № 5

МО Городской округ «Город Оха» Сахалинской области

Общая биология

ТЕМА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

«МОЛЕКУЛА ЖИЗНИ В МИКРОСКОПЕ»

                                                Составитель: Милютина Дарья

                                                 Научный руководитель:

                              Журавлева Марина Витальевна,

                                       учитель биологии высшей категории      

Оха

2013

ВВЕДЕНИЕ

    ДНК - самая главная и прославленная в информационном мире молекула живой природы. Её красивую спираль узнают все сразу: на обложках тетрадей по биологии, в передачах на ТВ.

   Интернет в современном мире – это книга про все и про каждого. Большой объем информации привлекает молодые умы. Особенно, когда есть необходимость подготовиться к урокам по дополнительным вопросам. Поэтому и привлекла тема, но большую заинтересованность вызвали эксперименты по получению ДНК в домашних условиях. Обозначились проблемы:

1. Если к этой молекулы такой интерес, почему нельзя  раздвинуть границы учебной программы практических работ при изучении курса «Общая биология» 9-11 классов и изучать не только теоретически молекулы жизни, но и практически?

2. Многие учителя сказали бы о простом введении элективного курса. Но на эти курсы ходят несколько заинтересованных учащихся, которые выбрали медицинское направление или расширяют свой кругозор. Получение ДНК – это такой эксперимент, который должен пройти каждый ученик, чтобы понять, какой сложной структурой обладает организм.

     Цель: обоснование теоретической, практической информации для создания оптимального алгоритма практической работы в урочное время «ДНК на уроке».

    Задачи:

1- изучить и проанализировать проблемы в разных информационных источниках;

2-  определить и разработать условия для исследования, обеспечивающие многовариантность генетического материала;

3- составить аналитический анализ и экспериментально подтвердить или опровергнуть оптимальность получения в домашних условиях молекулы жизни.

 4-    составить алгоритм «ДНК на уроке».

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Блестящее открытие 20 века - пространственная  спираль жизни полной индивидуальности молекула ДНК. И  это состоялось на основе исключительного умозаключения и развитого абстрактного мышления методом моделирования. Героями этого события стали биохимик Джеймс Уотсон и физик Френсис Крик в 1953 году. Двойная спираль звонким эхом говорила с достоинством о себе: проста и красива. ДНК – символ развития, открытая в будущее и прошлое. ДНК – это молекула связующая поколения. А механизм репликации ее - доказательства  восстановление гармонии вновь после утраты. Модель жизни в миниатюре.

Для реализации цели и выполнение задач,  поставленные в работе, решила свою деятельность разбить пошагово.

1 ШАГ: сравнить информацию о ДНК из школьного курса по учебнику авторов С. Г. Мамонтова, В. Б. Захарова, Н. И.  Сонина «Биология. Общие закономерности». 9 класс и взять дополнительные источники.

 Из курса школьного учебника о ДНК можно узнать следующее:

1- это дезоксинуклеиновая кислота, открытая в 1953г Уотсоном и Криком;

2- биополимер, мономером является аминокислота;

3- матрица – несет закодированную информацию последовательности аминокислот в белках и обладает способностью к воспроизведению;

4- установлено, что «буквами» в ДНКовом тексте служат нуклеотиды – А (аденин), Т (тимин),  Г (гуанин), Ц (цитозин);

5- в 1 молекулу могут входить 108 и более нуклеотидов;

6- способна к самоудвоению;

7- есть принцип комплиментарности;

8- находится в хромосомах, митохондриях, хлоропластах;

9- участвует в биосинтезе белка.

Из других информационных источников: 1. Наша ДНК - сложнейший закодированный язык. Молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать 4100  «тексты».

2. Главные физические параметры ДНК человека – это:

 диаметр двойной спирали равен 2 нанометрам (1 нм = 10 –9 м);

 расстояние между соседними парами нуклеотидов составляет 0,34 нм;

 один поворот спирали состоит из 10 пар оснований;

 последовательность пар нуклеотидов в ДНК нерегулярна, но сами пары уложены в молекуле как в кристалле;

 число отдельных молекул ДНК в клетке равно числу хромосом. Длина такой молекулы составляет около 8 см. Подобных гигантских полимеров пока не выявлено ни в природе, ни среди искусственно синтезированных химических соединений. У человека длина всех молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах одной клетке, составляет примерно 2 метра. Следовательно, длина молекул ДНК в миллиард раз больше их толщины. Так как организм взрослого человека состоит примерно из 5х1013– 1014 клеток, то общая длина всех молекул ДНК в организме равна 1011 км (это почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). Вот такая она, суммарная ДНК всего лишь одного человека!

 3. ДНК составляет менее 1% от веса клетки. И тем не менее, чтобы воспроизвести самым мелким шрифтом (как в телефонных справочниках) ту огромную информацию, которая содержится в молекулах ДНК одной нашей клетки, понадобилось бы тысяча книг по 1000 страниц в каждой! Вот таков размер генома человека – Энциклопедии, написанной четырьмя буквами.

4. Существует строгая закономерность: чем длиннее код (чем больше в нем знаков), тем короче тексты. Огромный по размерам код представляют собой, например, китайские иероглифы. При написании полного «текста» генома человека потребовалось около 3,2 млрд. «букв». Для сравнения: в священной книге Бытия, написанной на древнееврейском языке, всего 78100 букв.

   Итак, какой можно сделать вывод, сравнивая источники?

   Дополнительная информация больше раскрывает путь открытия ДНК порой с неадекватными идеями, проблемами и поиском решений. И это важно знать учащимся, что в любой науке нет поверхностных и быстрых решений. Порой это долгий и кропотливый труд с яркими секундными озарениями в награду, как говорят: «Через тернии -  к звездам».

2 ШАГ. Для выполнения второй задачи: найти источники в интернете, сделать информативный выбор.

За основу исследования воспользовалась источниками трех сайтов, где описаны способы получения молекулы ДНК в домашних условиях. Почему только эти  три источника? Обоснование в следующем:

1- более подробная и раскрытая информация;

2- два первых сайта основаны на публикации в журналах, а третий - экспериментатор-исследователь с кратким алгоритмом.

3- остальные сайты в основном ссылаются на эти три источника или повторяют данные инструкции.

1 сайт - http://begin-edu.com/hode/5824 Scientific American,

«…Приготовьте буферный раствор. Налейте 120 мл воды в чистую стеклянную емкость, добавьте 1,5 г (1/4 чайной ложки) поваренной соли, 5 г (1 чайную ложку) питьевой соды. В буфер надо добавить 5 мл (1 чайную ложку) шампуня или жидкого средства для стирки. В качестве источника ДНК лук, чеснок, банан и томат. Разрежьте на мелкие кусочки, поместите в чистый сосуд, добавьте немного воды и тщательно измельчите блендером - 10 секунд. Поместите 5 мл полученного пюре в чистую емкость, добавьте 10 мл охлажденного буфера. Перемешивайте не менее 2 мин. Отделить раствор, содержащий ДНК от нерастворимых остатков растительного материала, центрифугой: смесь прокрутите на низкой скорости 5 мин, а затем, слейте в длинный узкий сосуд 5 мл надосадочной жидкости. Полученный раствор содержит фрагменты ДНК и множество других молекул – РНК, белков, углеводов и т.п. Добавляем изопропиловый спирт (изопропанола, ИПС) сильно охлажденный. Соломинкой для коктейлей нанесите 10 мл спирта на поверхность раствора ДНК. Поместите тонкую стеклянную или деревянную палочку,  карандаш,  чтобы ее кончик оказался непосредственно под границей между буфером и спиртом, и очень осторожно в течение 1 мин поворачивайте попеременно в разные стороны. При этом наиболее длинные фрагменты ДНК накрутятся на палочку».

2 сайт - Medem.kiev.ua. В. Артамонова Как увидеть ДНК. Химия и жизнь ХХI века, Школьный клуб, 2002, №2, стр. 48-49. «…Возьмите то, что содержит много ДНК: зелёный горошек (куриную печенку, селёдочные молоки или лук). Положите в миксер около 100 мл (полстакана), добавьте 1/8 чайной ложки соли и 200 мл (стакан) холодной воды. Взбивайте 15 секунд. Процедите смесь через ситечко или кусок капрона. В полученную мякоть добавьте 1/6 от её количества (2 столовые ложки) жидкого моющего средства  и хорошо размешайте. Оставьте на 5-10 минут. Разлейте жидкость по пробиркам или другим стеклянным посудинам, чтобы в каждой было заполнено не больше трети объёма. Добавьте в каждую пробирку по чуть-чуть: либо сока, выжатого из ананаса, либо раствора для контактных линз и осторожно встряхните, переворачивая и наклоняя пробирку (сильно нельзя, разломаете ДНК и ничего не увидите). Наклоните пробирку и медленно влейте в неё немного этилового спирта, чтобы он образовал слой поверх гороховой смеси. Лейте, пока спирта и смеси не окажется поровну. ДНК всплывёт наверх в виде хлопьев. Деревянной палочкой (карандашом) выловите их и рассмотрите под микроскопом.»

3 сайт - chaotic_sys: How to: получить ДНК в домашних условиях. Автор рецепта Нил Шубин.  « 1. Идете на кухню и отрезаете немножко живой ткани. 2. Добавляете соль и воду по вкусу. 3. Размалываете в кухонном комбайне до образования однородной массы. 4. Добавляете средство для мытья посуды. Оно растворит оболочки клеток, которые не смог перемолоть комбайн.

5. Добавляете размягчитель для мяса. Он удаляет некоторые белки, цепляющиеся за молекулы ДНК. 6. Добавляете изопропиловый спирт. ДНК  смешивается со спиртом, поэтому она выйдет из пюре в спирт в виде белого сгустка, значит, вы все сделали правильно. Этот сгусток и есть ДНК.»

         3 ШАГ – провести сравнительный анализ по критериям: компоненты опыта и их доступности.

Смотри ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 «Сравнительных анализ компонентов для получения ДНК в предложенных инструкциях».

Итог:

1. Все экспериментальные исследования проводить по оптимальному подбору компонентов и детального описания, используя сайт № 2 - Medem.kiev.ua.  В. Артамонова. Как увидеть ДНК. Химия и жизнь ХХI века.

2. Есть небольшие погрешности, которые следует уточнить.

4 ШАГ – ознакомиться с каждым компонентом и выяснить его роль в достижении результата. Смотри  ПРИЛОЖЕНИЕ № 2 «Выбор реагентов и их физико-химическая роль при выделении  ДНК».

 5 ШАГ - внести поправки или уточнения в предлагаемую инструкцию:

1- выбор объекта: ДНК есть в каждой клетке, и выделить её можно из любой ткани, значит больше исследовать генетических материалов;

2- использовать сок ананаса или раствор для контактных линз всего 2мл;

3- моющее средство для посуды лучше брать «Fairy», которое способно легко расщепить липидную мембрану, как самой клетки, так и её ядра.

4- большой выход буфера и большой расход этилового спирта, можно исходные данные сократить на десять.

5- спирт испаряется быстро, и фрагменты ДНК быстро разрушаются, поэтому каплю следует сразу помещать под микроскоп.

 6 ШАГ - составить оптимальный алгоритм  работы с уточнениями и поправками, по которому провести все исследования. Смотри ПРИЛОЖЕНИЕ № 3.

7  ШАГ - экспериментальная работа. Смотри ПРИЛОЖЕНИЕ № 4.    

8 ШАГ - итоговый этап: обсуждение, обработка результатов и выводы.  

Какие ошибки необходимо предусмотреть:

1. Не надо брать много материала -  это приведет к замедлению процесса его охлаждения. В случае головки лука, достаточно взять, примерно 1 cм3 ткани.

2. Фильтр из бумажной салфетки может забиться. Лучше взять мелкое сито. Чем интенсивнее и тщательнее проведем этот этап, тем больше ДНК выделится из ткани.

3. Необходимо обеспечить реальное охлаждение материала, т.е. уровень льда должен соответствовать уровню жидкости в стаканчике; спирт должен быть максимально холодным - это приведет к эффективному выпадению ДНК.

4. Всю процедуру надо проводить быстро. Затягивание процесса приведет к деградации ДНК, заметить которую будет очень сложно.

 Выводы:

1. Полностью согласна и подтверждаю экспериментально написанное в статье В. Артамоновой «Как увидеть ДНК»: «Выход ДНК будет, правда, невелик, а вещество - не особенно чистым, но увидеть в микроскоп длинные тонкие нити - кристаллы ДНК - вполне возможно. Конечно, увеличение школьного микроскопа не позволит увидеть структуру молекулы,  и определить какие гены она содержит. Но чистые кристаллы  ДНК  в виде клубков, нитей,  «червячков»  и  «запятых» видно при увеличении  школьного микроскопа совершенно отчетливо.»

2. Для большей чистоты эксперимента необходимо специальные условия,  специализированные приборы и дорогие реактивы.

3. Некоторые сайты уверяют, что все составляющие компоненты мы найдем на своей кухне. НЕ все – изопропиловый спирт, который еще и выделяет опасные для дыхания  пары.

4. На урочную практическую работу лучше брать генетический материал растительного и животного происхождения. Самым оптимальным генетическим материалом оказался лук и куриная печень. Большой выход буфера, быстро экстрагирует с образованием четких и крупных молекул.

          9 ШАГ - Составить алгоритм «ДНК на уроке» и просчитать временной интервал, который бы совпадал с урочным временем.

Смотри ПРИЛОЖЕНИЕ № 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Только в последнее десятилетние работы  с использованием ДНК получили стремительное развитие. Уже есть генетически модифицированные продукты и микроорганизмы, генетические тесты на предмет врожденных заболеваний, исследование  последовательности генома человека. Появляются новые  проекты, одно из которых в последнее время будоражит современный цивилизованный мир – чип ДНК для каждого жителя Земли.

Читая о современных достижениях генной инженерии, мало кто предполагает, что выделить и потрогать довольно чистый препарат “святая святых” жизни - ДНК - можно не только в специальных лабораториях, но и в домашних условиях. Большинство из нас никогда не видело, хотя увидеть её - дело вполне реальное даже в домашних условиях.

Экспериментируя, можно усовершенствовать и изменить предлагаемые опыты и узнать много нового об одном из важнейших компонентов клетки.

Так зачем видимая ДНК на уроках биологии?

Можно предположить, что это интересная версия познакомить ребят с наследственным материалом воочию. Это взгляд на мир не лишен инициативы и свежести. Ведь перед глазами - модель  жизни в микроскопе. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Библиотека «Первого сентября» «Я иду на урок химии», М.,1999.

2. С. Г. Мамонтов, В. Б. Захаров, Н. И.  Сонин «Биология. Общие закономерности». 9 класс, М.: Дрофа, 2011.

3. http://dx.doi.org/10.11134/btp.2.2012

4. http://begin-edu.com/hode/5824 Scientific American

5. Medem.kiev.ua. В. Артамонова. Как увидеть ДНК. Химия и жизнь ХХI века.

6. chaotic_sys: How to: получить ДНК в домашних условиях.

7. http://images.yandex.ru

8. http://j-times.ru

9. http://www.kslorod-books.ru

10. http://www.progene.ru

11. http://thatif.ru

12. http://basetop.ru

13. http://www.idhktet.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1

«Сравнительный анализ компонентов для получения ДНК в предложенных инструкциях»

ПРИЛОЖЕНИЕ № 2

Выбор реагентов и их физико-химическая роль при выделении  ДНК

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

Алгоритм № 1: «Как самому выделить ДНК»

1.    Возьмите генетический  материал, содержащий много ДНК. Например, зелёный горошек (куриную печенку, селёдочные молоки или лук).

2.    Положите в миксер около 100 мл (полстакана) этого продукта, добавьте 1/8 чайной ложки соли и 200 мл (стакан) холодной воды. Взбивайте миксером или блендером в течение 15 секунд.

3.    Процедите смесь через ситечко или кусок капрона. В полученную мякоть добавьте 1/6 (это будет примерно 2 столовые ложки) жидкого моющего средства «Fairy»  и хорошо размешайте. Оставьте на 5-10 минут.

4.    Разлейте жидкость по пробиркам или другим стеклянным посудинам, чтобы в каждой было заполнено не больше трети объёма.

5.    Добавьте в каждую пробирку по 2 мл либо сока, выжатого из ананаса, осторожно встряхните, переворачивая и наклоняя пробирку (если будете трясти слишком рьяно, разломаете ДНК и ничего не увидите).

6.    Наклоните пробирку и медленно влейте в неё немного этилового спирта, чтобы он образовал слой поверх смеси. ДНК всплывёт наверх в виде хлопьев.

7.    Деревянной палочкой (карандашом) выловите их и рассмотрите под микроскопом.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 4

«Исследование молекулы ДНК»

Объект исследования: генетический материал - выделенные из тканей животного и растения молекулы ДНК.

Предмет исследования: структура ДНК.

Виды генетического материала: лук, чеснок, банан, куриная печень, киви.

Временной интервал: от 2. 00 часов  до 25 - 30 мин.

Оборудование: мерный стакан, блендер, чайная и столовая ложки, соль, химические стаканы, пипетки, пробирки, ситечко, моющего средства «Fairy», свежийвыжитый ананасовый сок, холодный этиловый спирт.

Для наблюдения: школьный микроскоп УМ-301, электронный микроскоп DCM300 с цифровой камерой

Основные процессы выделения ДНК включает:

           1-  разрушение клеток;

 2-  удаление мембранных липидов;

 3- удаление вторичных метаболитов и запасных веществ;

 4-  удаление белков, РНК;

 5- осаждение ДНК.

ПРИЛОЖЕНИЕ № 5

Алгоритм № 2

Практическая работа: «ДНК на уроке»

Объект исследования: генетический материал - выделенные из тканей животного и растения молекулы ДНК.

Предмет исследования: структура ДНК.

Виды генетического материала: лук, куриная печень.

Временной интервал: 25 - 30 мин.

Оборудование: мерный стакан, блендер, чайная и столовая ложки, соль, химические стаканы, пипетки, пробирки, ситечко, моющего средства «Fairy», свежий выжитый ананасовый сок, холодный этиловый спирт.

Для наблюдения: школьный микроскоп УМ-301, электронный микроскоп DCM300 с цифровой камерой.

Процессы выделения ДНК включает: 1-  разрушение клеток; 2- удаление мембранных липидов; 3- удаление вторичных метаболитов и запасных веществ; 4-  удаление белков, РНК; 5-  осаждение ДНК.

            Дополнительная информация: ПРИЛОЖЕНИЕ № 2

Ход работы:

1. Возьмите предлагаемый 100 мл генетический  материал.

2.* Положите его в миксер (блендер) и измельчите в течении 10 секунд.

3. Добавьте 5 г или на кончике чайной ложки соли и размешайте.

4. Налейте  20 мл холодной воды. Размешайте.

5. Процедите смесь через ситечко. В полученную мякоть добавьте 1 чайную ложку моющего средства «Fairy» и размешайте. Оставьте на 5-10 минут. Раствор сделается вязким – это верный знак того, что лизис прошёл успешно.

6. Разлейте жидкость по 2 пробиркам.

7. Добавьте в каждую пробирку по 2 мл сока, выжатого из ананаса, осторожно встряхните, переворачивая и наклоняя пробирку (если будете трясти слишком рьяно, разломаете ДНК и ничего не увидите).

8. Наклоните пробирку и медленно влейте в неё немного холодного этилового спирта, чтобы он образовал слой поверх смеси. ДНК всплывёт наверх в виде хлопьев.

9. Деревянной палочкой (карандашом), трубочкой  выловите их и рассмотрите под микроскопом.

Примечание: пункт № 2* может сделать учитель в начале урока и разлить по пробиркам, которые разнесут дежурные по столам учащихся. Это экономит время всей лабораторной работе.

Уточнение: Молекула ДНК одной хромосомы среднего размера содержит 150х106 пар нуклеотидов и имеет длину около 4 см. Молекулы такого размера чувствительны к механическим воздействиям, возникающим в растворе в процессе выделения, и часто фрагментируются. В ходе выделения получают молекулы ДНК значительно меньше исходных.