Cellemembran

Cellemembran

Status & Planer

Generelt er forløbet og dennes beskrivelse lavet for at gøre prøve; dels med hensyn til at udforske, hvordan man overhovedet bedriver "CT i fag" med et konkret eksempel; dels mht. brug af meget tidlig udgave af en skabelon for forløbsbeskrivelser.

Evaluering af forløbet:

• Forløbet tænkes afprøvet i en 2.g klasse i faget Bioteknologi A på Silkeborg Gymnasium i December 2016.
• NetLogo modellen (selve simuleringen) anvender tre former for agenter (vandmolekyler, natriumioner og transportproteiner) samt forskellige patches (external og internal samt området i membranen). Simuleringen er tidsafhængig og fordelingen af hhv. vandmolekyler og natriumioner kan følges på et plot.
• Når man anvender NetLogo får man grafisk brugergrænseflade og interaktionsdesign foræret.
• Forløbet er beskrevet yderligere (men meget kortfattet!) i en artikel, der pt. er under review.

Evaluering af beskrivelsen:

• Dette eksempel på en forløbsbeskrivelse er lavet med udgangspunkt i denne skabelon.

Det er planen at få dette forløb afprøvet af en håndfuld andre lærere på hold og skoler indenfor biologi, bioteknologi og/eller kemi.

Introduktion

Formålet med forløbet er trefold:

• Generelt at introducere de studerende til udvalgte elementer af computational thinking: abstraktion, modellering og algoritmer (sekvens, iteration og selektion).
• Generelt at arbejde med et centralt emne i bioteknologi/biologi/kemi vha. en computationel thinking (CT) indgangsvinkel. Her er cellebiologi oplagt. I cellebiologi arbejdes der bl.a. med at identificere og analysere forskellige typer af transportformer af stoffer over cellemembranen. Der er identificeret over 300 forskellige transportformer, men i cellebiologiundervisningen fokuseres der typisk på tre til fire typer. Simuleringen præsenterer to af disse typer henholdsvis passiv diffusion ved osmose (vandmolekyler) og passiv diffusion vha en ligandstyret ionkanal (transportprotein til natriumioner).
• Konkret - som eksemplifikation af kombinationen af de to ovenstående formål - at lade de studerende arbejde med en simpel repræsentation af transportformerne over cellemembranen og derved bruge, ændre i og tilføje elementer til simuleringen.

Forløbet strækker sig ialt over 2x75 minutter.

Forudsætninger

• De studerende arbejder med deres egne computere, hvorfor det forudsættes, at de kan installere NetLogo software på denne.
• Der er ingen faglige forudsætninger indenfor hverken bioteknologi/biologi eller CT.
• I løbet af forløbet bliver de studerende bedt om at løse specifikke opgaver i NetLogo og om at gemme deres modeller som filer. Desuden bliver eleverne bedt om at udfylde et arbejdsark med besvarelser på arbejdsopgaver der stilles undervejs i forløbet.

Aktiviteter & Materialer

Kort video om cellemembran-modellen

Forløbet er struktureret i tre logiske klumper. Se varigheden af de enkelte dele under hver aktivitet.

Introduktion:

Start med en generel introduktion til transportprocesser over cellemembranen (f.eks udfra en lærebog eller evt. ved at anvende Khan Academy eller TedEd) F.eks: KhanAcademy Transport across a cell membrane

Herunder listes nogle gode eksempler som kan bruges enkeltvis eller flere sammen i en indledende introduktion og som illustrerer påvirkninger af transporten over membranen. Disse kan bruges som udgangspunkt for et gruppearbejde, hvor eleverne skal finde information om de forskellige giftstoffer, og deres påvirkning af nervecellemembrantransporten. Dernæst kan eleverne arbejde med at fremstille en model over cellemembranen og transportprocesserne over denne. Evt. kan eleverne inkludere fejl i transporten, som følge af nogle af de giftstoffer nedenstående eksempler præsenterer.

Besvimende geder:

Brug evt. disse link til illustration og forklaring af fænomenet "besvimende geder" (Myotonia congenital), hvilket er en beskadigelse af nervecellemembranens clorid-ionkanalerne, som giver krampe i muskelcellerne.

Som intro : You tube (National Geographic): National Geographic Dernæst evt. Illustreret videnskab: Besvimende geder og You tube (Science channel): Science Channel

James Bond 007:

Casino Royale, hvor 007 bliver forgiftet med Digitalis gift, som hæmmer Na+/K+ ATPasen (Natrium/Kalium-pumpen).

klip fra Casino Royale alternativt klip: klip fra Casino Royale Brug dette link til forklaring af giften: Science Direct God figure af Na+/K+-ATPase (vender som i NetLogo simuleringen): Na+/K+-ATPase:

Bullet Ants:

Bullet ants producerer en nervegift, poneratoxin, i deres bagdel som de kan påvirke nerveceller med, ved at stikke en modstander. Denne video beskriver et ritual hos Amazon indianere, hvori unge mænd, som del af en manddomsprøve, skal stikkes af disse myrer. Giften påvirker natriumion-kanalerne ved at blokerer dem og forlænger aktionspotentialet i visse muskelceller. Toxinet består af 25 aminosyrer og har været foreslået som et potentielt smerte lindrende lægemiddel. Brug evt. denne video som introduktion: National Geographic

Keglesnegle:

Conussnegle lever primært i subtropiske eller tropiske farvande. Sneglene producerer peptidtoksiner som påvirker flere ionkanaler i nervecellers cellemembran. Brug denne video som introduktion (brug kun fra min.: 3.50 - slut) Cone Snail Toxin og nervesystemet

(Dansk Kemi): Dansk Kemi om giftstofferne i keglesnegle Brug også gerne denne artikel om “Giftsnegle som medicinskabe”: Aktuel Naturvidenskab no.2, 2014

Forventet tidsforbrug til introduktion: 40 min.

Link til spørgeskema

Perspektivering:

Dette forløb kan afholdes selvstænding, men kan også bruges som optakt til, eller perspektivering af, et forløb om nervesystemet. Dette forløb kan også være optakt til et forløb om udvikling af lægemidler, hvor transporten over cellemembranen er af stor betydning.

Refleksioner over designet af forløbet

• Arbejdsopgaver

Evaluering:

Evaluering af forløbet kan tage udgangspunkt i følgende spørgsmål:

1. Hvad kan denne model fortælle jer, som I ikke havde tænkt på før?

2. Hvordan tror I, at I kan bruge jeres viden om computere, modeller og faget fremover?

3. Hvad var godt/ spændende ved arbejdet med modeller og computere? Hvorfor?

4. Hvad var mindre godt ved arbejdet med modeller og computere? Hvorfor?

Følgende spørgsmål kan tjene som inspiration til evaluering af elevernes udbytte af forløbet:

Hvert spørgsmål er forbundet til "Spørgsmål" (S) som beskrevet under afsnittet "Arbejdsopgaver":

S1: Forstår eleverne repræsentationen af vandmolekyler i simuleringen? Bruger de relevante faglige begreber og kemiske egenskaber i deres forklaring?

S2: Vælger eleverne passende repræsentationer af kalium-ioner og har de inddraget kemiske egenskaber i deres valg?

S3: Bruger eleverne deres viden om homeostasis, osmose og passiv diffusion til løsning af opgaven? Inddrager de viden om ionkanaler og kan de bruge dette til at forklare natrium-ionernes manglende evne til at opnå ligevægt over cellemembranen?

Brugbare "standards" (fra CT-STEM):

Modeling and simulation practices:

Assessing computational models strength and limitations

Refining/modifying computational models to represent a phenomenon (addere flere ion-kanaler, introducere Na?/K+ATPase)

Using computational models to understand a concept (forstå hvad potentialet er)

Data practices:

Analizing data (kigge på plot, hvornår er der ligevægt? Køre simuleringen flere gange for at få et gennemsnit)

Visualizing data (hvorfor har vandmolekylerne den form de har?)

System thinking practices:

Understanding the relationships within a system (både Na+, K+, Cl- bestemmer potential. Forstå osmosebegreb, diffusion)

Computational Problem Solving Practices:

Fra mikro- til makro-niveau og tilbage igen:

Regler på mikroniveau er ofte nemmere at forstå end en adfærd/observation på makro-niveau (Bill Rand, Introduction to Agent-Based Modeling, Complexity explorer, Santa Fe Institute, 2016)

På mikro-niveau studeres de individuelle molekyler/ioner og deres regler for bevægelse, idet de transporteres ad kanaler i membranen, hvilket betyder et ændret potential.

På makro-niveau observeres et nervesignal, idet det ændrede potential (elektrisk og/eller kemisk) giver anledning til et nervesignal som knytter an til en reaktion i nervesystemet og måske endda en reaktion i fysiologien.

Forløbet tilgodeser fagene biologi og bioteknologis læreplaner, hvor beskrivelse af "cellers opbygning og funktion", samt redegørelse for sammenhængen mellem "cellers struktur, egenskaber og funktion" er centralt kernestof.

Desuden kan forløbet bruges i kemi som supplerende materiale omkring organiske makromolekyler.

Kan eleverne starte med at formulere "problemet" så en simulering kan give dem løsningen?