Projekt: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.

Transkript

1 Projekt: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/ Didaktický materiál Kurz : Mikrobiologie I. Autor : Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D. TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

2 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 1 Jsou mikroorga nismy pro člověka životně důležité? 9. ročník ZŠ či 1. ročník SŠ A 90 min. začátek kurzu Prostředí běžná třída Hlavní myšlenka lekce zdůraznit význam mikroorganismů v našem životě, představení oboru jako takového Zásadní otázka/y lekce K čemu potřebujeme mikroorganismy a proč je studovat? Příprava lekce viz text dále plus výběr z videa, fotografie mikroorganismů

3 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 2 1) Motivace Cíl aktivity Vzbudit zájem dozvědět se o důležitosti mikroorganismů okolo nás a o něco více o životě mikroměřítku a jak jsou mikroorganismy pro člověka důležité min. Pomůcky nejsou, respektive uvedený text Lektor může jako motivaci pro tuto lekci využít textu uvedeného níže. Geniálním Cimrmanovým objevem je objev tzv. Cimrmanovy řady škůdců, snad vzdáleně inspirované Mendělejevovou periodickou tabulkou. Mikrobiální agens jsou podle Cimrmana pouze částí příkoří, se kterými se muže člověk v životě potkat. A je zásluhou jen a jen Cimrmana, že bakterie zařadil do širšího kontextu škodlivin. Klasická Cimrmanova rada škůdců zahrnuje jako zástupce jednotlivých skupin následující: bakterie blecha krysa závistivý soused C&K byrokracie Dnes bychom řadu doplnili zleva ještě samozřejmě o viry a zprava o Internet. Tak je zde v jedné řadě zařazena prokaryontní bakterie, eukaryontní soused či C&K erár, k jehož jádru se dobrat nelze. A ještě k tomu eráru: místo C&K je pochopitelně, zvláště zde v Čechách, nutno doplnit název momentálního režimu. Nedosti na tom. Tento geniální objev Cimrman ještě rozvíjí o tzv. teorii spolupráce jednotlivých skupin. V dopise Pasteurovi o tom píše: tito různí škůdci se mohou ještě spojovat, tak aby škodili co nejvíce. Například krysa má blechy a ty mohou být infikovány bakteriemi. Nebo: závistivý soused, pěkná krysa, píše udání na C&K úřad. Pasteur Cimrmanovi odpovídá: Járo, to je geniální. Všichni jsme z toho zde nadšeni. Nejvíce mladý Yersin, který se chystá odjet do Honkongu zkoumat mor. Jinými slovy řečeno, pro lektora to znamená: Uvést škálu, kde bude např. znázorněno, jak velké jsou ve srovnání s běžnými předměty, které děti běžně znají bakterie či dokonce viry. Kolik by se např. bakterií či virů vešlo vedle sebe do jednoho milimetru/centimetru apod., aby si žáci/studenti uvědomili, jak moc jsou mikroorganismy malé a měli jasnější představu o jejich skutečné velikosti. Lze využít analogie s velikostí planet sluneční soustavy či něco podobného.

4 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 3 2) Evokace Cíl aktivity Žák/student přemýšlí nad důležitostí mikroorganismů pro člověka pro život na planetě Zemi v obecné rovině; přemýšlí nad odlišností našeho světa a světa v mikroměřítku. 20 min. Pomůcky obrázky prokaryotické a eukaryotické buňky; video viz link níže Lektor vysvětlí pojem mikrobiologie (spojení mikrosvěta a biologie jako nauky) a vymezit tuto nauku vůči jiným podobným oblastem, např. biologie, molekulární biologie, genetika apod. Ovšem ještě před uvedením samotné definice se lektor aktivním dotazováním žáků/studentů pokouší zjistit, jak obor Mikrobiologie jako takový vlastně žáci/studenti vnímají, co si pod tímto termínem ve skutečnosti představují a jak jej vnímají v souvislostech a vazbách na jiné vědní obory. Lektor musí zdůraznit, že jedno nelze zcela oddělit od druhého a že mnoho oborů, včetně mikrobiologie je úzce svázáno s jinými obory a hranice tedy nejsou pevně dané. Lektor dále zmiňuje specifika oboru a to, že mikroorganismy jsou všude okolo nás, ať se nám to líbí nebo ne. Lektor se aktivním dotazováním dále ptát např.: Kde všude konkrétně se lze s mikroorganismy, a tedy vlastně i mikrobiologií, setkáváte? Třeba i denně, aniž si to možná uvědomujete. Nenapadá vás něco? A co třeba jídlo? Nebo nějaké nemoci? tzn. nastínit možné oblasti výskytu mikroorganismů (potravinářský průmysl, ale i ochrana či čištění životního prostředí voda, vzduch i půda). Nezmiňovat tyto oblasti příliš, jelikož jim bude věnováno několik samostatných lekcí v druhé polovině kurzu. Poté se lektor dále žáků/studentů dotazuje: Jaké mohou mít buňky a bakterie tvar? Jsou všechny buňky, mikroorganismy nebo alespoň bakterie stejné co do tvaru, velikosti a funkce? Posléze se lektor aktivně ptát: Proč některé buňky jsou takové, ale jiné mají např. jiný tvar? A co to tedy vlastně ovlivňuje? Co je uvnitř buněk? Co si o tom myslíte? Má buňka také nějaké orgány, jako např. člověk nebo je prázdná, respektive je v ní jen kapalina či něco jiného? A co tedy vlastně? Následně lektor ukazuje obrázky prokaryotické a eukaryotické buňky, ale nejprve nechá žáky/studenty tipovat, na kterém obrázku je která buňka a jaký je v tom rozdíl. Ať žáci/studenti najdou základní rozdíly mezi buňkami/obrázky. Lektor se dále ptá: Proč vlastně existují dva

5 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 4 typy buněk? A na základě jejich funkce nechat žáky/studenty tipovat, kde se dané buňky mohou nacházet. Lektor jejich názory přiměřeně koriguje a vysvětluje, zdali a proč je daný názor správný či nikoliv. Dle bystrosti a intelektuální zralosti žáků/studentů je možné v následující fázi hodiny přistoupit k jednoduchému a stručnému vysvětlení základní funkce jednotlivých/vybraných organel buněk, a to jak u buňky prokaryotické, tak i u buňky eukaryotické. Z níže uvedeného odkazu může lektor čerpat některé pasáže, kde jsou zajímavou formou vysvětleny některé náležitosti - Byl jednou jeden život. Lektor nepromítá celé video, ale vybírá jen nejvhodnější a odpovídající pasáže. Před volbou tohoto videa je vhodné uvážit inteligenční vyspělost žáků/studentů. Lektor se může dále ptát např. tato: Co hledají vědci na Marsu? A proč to tam vlastně hledají? Odhadli byste, co je základní podmínkou pro případné osídlení nějaké cizí planety? A co se odehrávalo kdysi i na planetě Zemi? Komu či čemu vděčíme za vznik života na planetě Zemi? Co stojí za počátkem života a bez čeho by život v dnešní podobě nikdy nevznikl? Kde se všude denně potkáváte s mikrobiologií?

6 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 5 3) Uvědomění Cíl aktivity Žák/student vnímá/chápe základní rozdíly mezi prokaryotickou a eukaryotickou buňkou a seznámí se s vnitřní stavbou buňky; rovněž si uvědomí důležitost mikroorganismů pro člověka a život obecně. 30 min. Pomůcky výukový program (pozn. není volně dostupný, musí se zakoupit), lze jej ale nahradit papírovými pomůckami viz příloha; vybrané obrázky mikroorganismů z různých oblastí lidského života důraz na běžný život, lze čerpat z obrázků uvedených v příloze či vlastní. Kolektivní prací v malých skupinách (počet žáků/studentů v každé skupině lektor volí podle celkového počtu dětí ve třídě, optimum 3-4 žáci) nechat žáky, aby se pokusili vymyslet, kde je základ života na Zemi, jak to souvisí s mikrobiologií a jak jedno ovlivňuje další, jiné živočichy, lidi apod. Práce v jednotlivých skupinách by měla probíhat formou vzájemné diskuse žáků/studentů (sekundární cíl učí se respektovat a diskutovat názor druhých) a brainstormingu. Poté si žáci/studenti vyberou hypotézu, na které se jako skupina shodnou a tu zapíšou na papír či na tabuli. Výsledky budou následně prezentovat formou krátkého vystoupení všech jednotlivců v dané skupině před ostatními spolužáky. Ukázky vybraných fotografií mikroorganismů, s kterými se žáci/studenti setkávají denně, aniž by si to uvědomovali. Lektor nechává žáky/studenty, aby se pokusili přiřadit oblast, kde se daný mikroorganismus nachází (vhodné doplnit malou nápovědou) a jeho fotografii, včetně stručného vysvětlení jejich konečného rozhodnutí např. na základě barvy, tvaru či latinského názvu, nápovědy apod. Další úkol, který mají žáci/studenti zpracovat, se týká charakteristiky bakterií, struktura prokaryotických a eukaryotických buněk, včetně vysvětlení zásadních rozdílů. Na základě dosavadních znalostí o vlastnostech a charakteristikách jednotlivých organel lektor nechá žáky/studenty doplnit jednotlivé či jen vybrané organely do schématu prokaryotické či eukaryotické buňky viz výukový program (není volně dostupný, musí se zakoupit, či lze vytisknout velkou prokaryotickou a eukaryotickou buňku bez všech či jen několika organel, chybějící/nadbytečné pak vytisknout na zvláštní papír a vystřihnout a nechat žáky, aby vhodné doplnili (nalepili) na patřičná místa v buňce. Výsledky této práce pak budou žáci/studenti rovněž prezentovat před třídou, vysvětlí a zopakují rozdíl mezi jednotlivými buňkami.

7 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 6 4) Reflexe Cíl aktivity Žáci/studenti si sumarizují nové poznatky a vědomosti, následně prezentují a diskutují výsledky předchozí skupinové práce, naučí se prezentovat a diskutovat s ostatními spolužáky. 20 min. Prezentace výsledků skupinové práce, diskuse a argumentace skupiny a lektora s ostatními žáky/studenty nad prezentovanými výsledky. Lektor ještě jednou dostatečně zdůrazní nesporný význam mikroorganismů v biosféře a obecně na planetě Zemi. Zároveň diskutuje se žáky/studenty, proč mikroorganismy umožnily vznik života na planetě (jednoduché organismy, a navíc se jedná o velmi širokou škálu různých druhů, které přežijí i za velmi nepříznivých podmínek, rovněž probíhá jejich rychlá adaptace na nové/nepříznivé podmínky atd.). Působením mikroorganismů pak došlo k vytvoření dalších/příznivějších podmínek, např. produkce kyslíku zelenými řasami (fotosyntéza), pro rozvoj dalších a vyšších organismů, až do současné podoby života, jak ho známe dnes. Lektor rovněž na závěr lekce artikuluje, že buňky jsou vlastně něco jako malé chemické továrny, které pracují v podstatě nepřetržitě, i když spíme, sedíme, radujeme se či se učíme, prostě neustále. Tím lektor připravuje půdu pro další lekci a navnazuje žáky/studenty na další průběh kurzu, tedy na konkrétně na lekci, která se bude věnovat právě činnosti, resp. metabolismu a reprodukci buněk.

8 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 7 5) Problémový výklad a) Mikrobiologie Bakterie patří mezi jednobuněčné prokaryotické mikroorganismy a obor, který bakterie studuje, se nazývá bakteriologie. Bakteriologie je podmnožinou či chcete-li podoborem Mikrobiologie. Ta je definována jako věda studující mikroorganismy jako jsou jednobuněčná eukaryota a prokaryota, mikroskopické houby, viry a subvirové patogeny (priony a viroidy). Název Mikrobiologie je složen ze dvou slov pocházejících z řeckého micron = malý, biologia = studium života. Kromě bakteriologie zmiňované výše existuje řada dalších mikrobiologických podoborů. Lze zmínit např. virologii, která se zabývá studiem virů či protozoologie, jež studuje jednobuněčná eukaryota. Často se však setkáváme s dělením mikrobiologie podle aplikační oblasti daných mikroorganismů či místa jejich výskytu. Poté se jedná např. o lékařskou mikrobiologii, potravinářskou mikrobiologii či environmentální mikrobiologii, ale také to může být půdní mikrobiologie či mikrobiologie aktivovaného kalu, který je aplikován na čistírnách odpadních vod za účelem odstraňování znečištění z odpadních vod. Toto dělení a jeho proto může být velmi široké. b) Prokaryotická vs. eukaryotická buňka Prokaryotická buňka je buňka charakteristická pro bakterie a archea (souhrnně Prokaryota). Prokaryota jsou vždy jednobuněčné organismy, netvoří tedy tkáně. Ve srovnání s eukaryotickou buňkou je prokaryotická buňka menší (cca 10krát), má mnohem jednodušší stavbu a nemá jádro v pravém slova smyslu, ale nukleoid, což je obdoba jádra. Ten není od okolní cytoplazmy oddělen membránou a je tvořen jen jednou velkou molekulou DNA. Jedinou membránou prokaryotické buňky je plazmatická membrána, která tvoří vlastní povrch buňky. Prokaryotická buňka tedy neobsahuje membránové organely jako vakuoly, mitochondrie, plastidy či endoplazmatické retikulum, jejichž funkce je různě substituována. Prokaryotická buňka je také charakteristická kratšími a lehčími ribozomy a jednodušší stavbou bičíků (pokud jsou přítomny). Prokaryotické buňky rovněž vykazují v porovnání s eukaryotickou buňkou častější schopnost žít v anaerobních podmínkách. Prokaryotickou buňku mají archebakterie, bakterie a sinice. Obrázek prokaryotické buňky je uveden níže.

9 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 8 Zdroj: Eukaryotická buňka je buňka vyskytující se u eukaryot, tj. u organismů složených z jaderných buněk a disponující membránovými strukturami. Eukaryotická buňka je v porovnání s prokaryotickou buňkou mnohem větší. Eukaryotické buňky se mohou vyskytovat jak samostatně jako jednobuněčné organismy (např. prvoci), tak jako součást tkání (více buněk stejného typu) organismů (hub, rostlin a živočichů, včetně člověka). Eukaryotické buňky se dále dělí na buňky hub, rostlin a živočichů. Buněčná stěna na povrchu rostlin je složená z celulózy a u hub je složená z chitinu. Obrázek živočišné a rostlinné eukaryotické buňky a jejich porovnání s bakterií (prokaryotickou buňkou) je uvedeno níže.

10 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 9 Zdroj: Organely eukaryotické buňky Jádro většinou největší organela, odděleno dvojitou membránou, obsahuje jadérko, které je tvořeno zejména RNA a proteiny, ale i DNA Mitochondrie kulovité až podlouhlé organely, energetické centrum buňky (probíhá zde např. citrátový cyklus a β-oxidace mastných kyselin), jsou ohraničeny dvojitou membránou Endoplasmatické retikulum membránová organela složená s plochých váčků, probíhá zde posttranslační úprava proteinů (endoplazmatické retikulum drsné, přítomnost chromozomů) a metabolické procesy (endoplazmatické retikulum hladké, absence chromozomů). Funkce endoplazmatického retikula je často typická pro konkrétní buňky. Golgiho aparát membránová organela, finalizuje se zde modifikace produktů syntetizovaných buňkou, které se posléze dostávají na místo

11 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 10 určení (často jde o produkty určené na export z buňky). Organela je strukturně i funkčně polarizována - na jednom pólu vstupují "suroviny" dovnitř, z opačného pólu pak vychází již hotové produkty. Plastidy organely rostlinných buněk Vakuoly organely typické zejména pro rostliny, ale mohou se vyskytovat i u živočichů, např. v tukových tkáních obsahujích lipidy Lyzosomy obsahují různé hydrolytické enzymy a spolupodílejí se na nitrobuněčném trávení Ribozomy malé útvary zrnkovitého charakteru složené z proteinů a rrna, přítomny volně v cytoplazmě, probíhá zde proces translace (proces syntézy bílkovin, tj. dekódování informace z mrna a následná tvorba řetězce aminokyseliny) Buněčné inkluze (nejedná se o organelu) různé látky, které se vyskytují volně v cytoplazmě, nemají membránové ohraničení, mohou být tvořeny lipidy, sacharidy či pigmenty c) Význam a výskyt bakterií Bakterie jsou nejrozšířenější mikroorganismy na planetě Zemi a jsou přítomné všude okolo nás, a to jak ve vodě, půdě či vzduchu, tak v našem těle, ale i na jeho povrchu. Bakterie tedy tvoří významnou součást biosféry. Uvádí se, že tvoří až polovinu živé hmoty na planetě Zemi, a nejvíce jsou zastoupeny v půdě a vodě. Bakterie vykazují rozdílné nároky na své okolní prostředí a lze je podle toho také dělit do mnoha skupin. Liší se co do nároků na teplotu okolí, koncentraci kyslíku, hodnotu ph, vlhkost, ale i tlak okolí. Existují i druhy bakterií, které jsou schopny se adaptovat na velmi extrémní podmínky jako např. vysoká či nízká teplota, vysoká solnost vody (vysoký osmotický tlak daný vysokou koncentrací solí) aj., kde jiné vyšší organismy nemohou přežít ani se na dané nepříznivé podmínky adaptovat. V přírodě se bakterie z největší části vyskytují v půdním prostředí. To je dáno především tím, že půda tvoří vhodné prostředí k jejich fixaci (udržení se) a zároveň poskytuje dostatek živin nutných pro jejich růst a rozmnožování. Využíváním živin, zdrojů energie a substrátu (obvykle organických látek) se bakterie nezastupitelnou měrou podílejí na látkových přeměnách mnoha sloučenin a na kolobězích prvků, zejména poté na koloběhu uhlíku, dusíku, síry či fosforu. Bakterie za účelem zisku energie a esenciálních prvků nutných pro stavbu jejich nové buněčné biomasy rozkládají (mineralizují) zbytky rostlinných a živočišných těl, čímž zároveň významným způsobem ovlivňují celkovou úrodnost půdy. Ve vzduchu se bakterie vyskytují především díky přítomnosti prachových částeček, které se do vzduchu dostávají především z půdy pomocí větru. Bylo prokázáno, že výskyt bakterií nad pevninou je vyšší, než výskyt bakterií nad vodou, a to právě díky rozdílné koncentraci prachových částic nad těmito dvěma

12 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 11 prostředími. S tím souvisí i rozdíl ve výskytu bakterií mezi jednotlivými místy, respektive vzduch nad průmyslovými oblastmi obsahuje více bakterií (více prachových částic), než vzduch na vesnicích či v horských oblastech nebo oblastech pokrytých sněhem. Jak již bylo zmiňováno, je to dáno především rozdílnou koncentrací prachových částic ve vzduchu, které slouží jako efektní podklad pro zachycení a následný transport bakterií. Kromě půdy a vzduchu se bakterie vyskytují také ve vodním prostředí, kde mají rovněž nezastupitelnou roli, zejména poté v případech některých aplikací, kde jsou jejich metabolické činnosti cíleně a řízeně využívány pro nejrůznější aplikace a činnosti lidské populace, včetně čištění znečištěných vod, a to jak povrchových, tak podpovrchových, ale i v potravinářském průmyslu a v mnoha jeho oblastech a provozech. Prostřednictvím vodného prostředí se může šířit také celá řada bakterií způsobujících vážné zdravotní problémy. Vodné prostředí kromě velmi efektivního transportního média slouží také jako zdroj živin a substrátu a stejně jako v případě bakterií vyskytujících se v půdě, se bakterie ve vodném prostředí podílejí na degradaci organických i anorganických látek a přirozeně se tak zapojují do koloběhu již dříve zmiňovaných prvků. Bakterie se rovněž vyskytují na, ale i v tělech živočichů, a to včetně člověka. Jejich velké zastoupení je v gastrointestinálním (zažívacím) traktu, v ústech a sliznici, ale také i v dýchacích cestách a na pokožce. Problematice výskytu bakterií (a obecně mikroorganismů na a v lidském těle je věnována samostatná lekce). Bakterie v našem těle plní nejrůznější funkce a jsou pro člověka naprosto nepostradatelnou součástí pro správné fungování jeho organismu, ale na druhou stranu mnohé bakterie představují také nebezpečí ve formě nejrůznějších nemocí. Člověk mluvením, kýcháním či kašláním neustále vylučuje v kapénkách slin a hlenu bakterie do okolního prostředí, tedy vzduchu. Zaschlé kapénky poté tvoří infekční prach, jehož prostřednictvím se mohou dále nakazit další, zdravé osoby. Jak již bylo uvedeno výše, bakterie jsou pro člověka zcela nepostradatelné, byť některé mohou způsobit celou řadu onemocnění a problémů v různých oblastech lidského života (např. kažení potravin, plísně, biologická kontaminace prostředí). Člověk využívá činnost bakterií v mnoha v průmyslových odvětvích, např. v potravinářském průmyslu při výrobě mléčných výrobků, pekařství, pivovarnictví, lihovarnictví, dále ve farmaceutickém průmyslu, zemědělství či genetice. Také v ochraně životního prostředí a při čištění znečištěného prostředí, kde se využívají a řízeně intenzifikují procesy přirozeně probíhající v přírodě, kde hrají bakterie nezastupitelnou roli.

13 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 12 Vliv prostředí na mikroorga nismy, aneb když mají hlad či cítí chlad. 9. ročník ZŠ či 1. ročník SŠ B 120 min. první polovina kurzu Prostředí učebna s mikroskopem Hlavní myšlenka lekce Pochopit, jak okolní prostředí ovlivňuje aktivitu/činnost mikroorganismů. Zásadní otázka/y lekce Co a jak z okolního prostředí ovlivňuje aktivitu/činnost mikroorganismů. Příprava lekce pekařské droždí, cukr zdroj tepla (vařič) zředěné roztoky kyseliny a zásady optický mikroskop a pomůcky k mikroskopování ph metr (ph papírky) vodný roztok metylenové modři Lugolův roztok

14 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 13 1) Motivace Cíl aktivit vyvolat zájem o to, dozvědět se, co a jak ovlivňuje činnost mikroorganismů a proč máme doma třeba lednici/mrazák či proč zavařujeme 10 min. Pomůcky nejsou žádné V této fázi lekce se lektor formou aktivního dotazování ptá žáků, např. takto: Proč máte doma lednici a proč se v ní potraviny kazí daleko pomaleji, než kdyby byly uchovávány při pokojové teplotě? Trvanlivost potravin z lednice je možné porovnat s trvanlivostí potravin např. z mrazáku. Dále se letor dotazuje: Kde vydrží potraviny déle? Proč si to myslíte, že tomu tak je? Co za tím vlastně stojí? Odhadnete to? V této souvislosti je možné se rovněž zeptat, jak se to dělalo dříve, když nebyly lednice. Je možné se žáků/studentů dále dotazovat: Proč se také některé potraviny zavařují a co se během zavařování vlastně děje (myšleno z mikrobiologického hlediska)? Následně se lektor dotazuje: Co může mít taková obyčejná lednice, kterou máte všichni doma, s kterou se setkáváte denně, nebo i mrazák či dokonce zavařenina společného například s pečením chleba či dokonce s přípravou kynutých buchet? A co mají na druhou stranu kynuté buchty či chleba společného s výrobou piva, vína nebo dokonce slivovice (obecně vysokoprocentního alkoholu tohoto typu) pokud nebudeme brát v potaz, že se jedná o potraviny a o jejich případné uchovávání v poživatelném stavu? Lze nalézt nějaké další souvislosti nebo to spolu poté už vůbec nesouvisí? A co třeba proces výroby těchto potravin, ale i proces jejich kažení? Samotnou formulaci otázek může lektor přizpůsobit vlastnímu řečnickému stylu a svému způsobu vyjadřování, eventuálně i aktuálních reakcím žáků/studentů na položené otázky. Tudíž počáteční diskuse se může vyvinout různými směry, nicméně lektor by měl dbát na to, aby udržel hlavní směr a téma lekce/diskuse. Dbát také na to, aby se diskuse příliš nerozjela, v této fázi mají otázky sloužit pro navození pozitivní motivace v podobě problému či otázky, než aby o dané problematice diskutovali.

15 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 14 2) Evokace Cíl aktivity žák/student pokládá různé otázky, následuje formulace výzkumných otázek 20 min. Pomůcky žádné V této fázi se žáků/studentů lektor dále dotazuje a diskutuje s nimi na dané téma. Např. se může dále dotazovat: Odhadli nebo tipli byste, jaké všechny vlivy ovlivňují aktivitu a činnost mikroorganismů?. Dotázat se také: Setkali jste se někdy s pojmem sterilizace? A co tento pojem znamená? Lektor se ptá spíše obecně celé skupiny žáků/studentů, než konkrétního jedince, aby se vyvaroval situace, že konkrétní jedinec nezná odpověď na položenou otázku, a tudíž i možného negativního pocitu u daného jedince. Lze se proto zeptat také např. takto: Máte představu, co pojem sterilizace vlastně znamená? Setkali jste se někdy s tímto termínem? A proč to tady v této souvislosti zmiňujeme? Na základě toho, co o daném tématu žáci/studenti vědí, je možné se dále dotázat, zdali může dojít ke sterilizaci i nízkou teplotou (analogie s mrazákem) apod. a co se při sterilizaci děje s buňkami mikroorganismů. Nyní se žáků/studentů lektor dále dotazuje: Proč se vlastně těsto po přídavku droždí (tj. kvasinek) umísťuje na určitý čas k teplu a nepeče se to rovnou? A proč se tam kvasnice přidávají? Co se tam během tohoto času odehrává a jakou roli v tom hrají mikroorganismy? A proč je tam důležitá zvýšená teplota? Dosáhli bychom stejného efektu, kdybychom těsto nechali jen při pokojové teplotě? A co by se stalo, kdybychom do těsta dali třeba ocet či vymačkali citrón? Co by se dělo, pokud by se vůbec něco dělo? A co by se stalo, pokud by mikroorganismy neměli co jíst, např. by neměli dostatek cukru či jiného jídla? Pokud žáci/studenti nebudou vědět či reagovat nebo jen velmi málo, lze jim pomoci prostřednictvím různých analogií s jejich osobními zkušenostmi, a následně daný problém nastínit a uvést do vzájemných souvislostí formou moderované diskuse. Lze se tedy např. dotázat: Jak se cítíte, pokud máte hlad či pokud je vám zima nebo nejste v příjemném prostředí, kde se necítíte vůbec dobře? Jak moc jste v takovémto prostředí aktivní? A jak se cítíte či zdali máte chuť k jídlu v případě chladu či nepříjemného prostředí? Zdůraznit, že podobná pravidla

16 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 15 totiž platí i pro mikroorganismy (v přeneseném slova smyslu). Či proč příroda v zimě působí zpomaleněji a v létě naopak vše živěji, proč jsou např. jižanské národy temperamentnější atd. Lze najít celou řadu dalších velmi zajímavých analogií a skrytých souvislostí, které žáky/studenty určitě zaujmou. Během diskuse se žáky/studenty lektor vybere jejich nejzásadnější postřehy a zejména artikuluje konkrétní vlivy, které bude možné následně snadno nasimulovat v laboratorních či třídních podmínkách, tedy konkrétně např. vliv teploty, vliv rozdílné hodnoty ph či vliv nedostatku nebo naopak nadbytku substrátu (jídla), ale také i změnu koncentrace roztoku (přidání místo mléka či vodovodní vody vodu destilovanou). Těchto několik nejzásadnějších (vybraných) vlivů lektor napíše bodově na tabuli/flip a podle počtu žáků/studentů na lekci či vytvořených skupin (v případě většího počtu žáků/studentů) poté rozdělí jednotlivé úkoly daným skupinám. Následně lektor zapíše, kdo či jaká konkrétní skupina řeší jaký úkol a je za jeho vyřešení plně zodpovědná.

17 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 16 3) Uvědomění Cíl aktivity žák/student nalezne odpověď na to, jak ovlivňuje daný faktor aktivitu mikroorganismů žák/student si zopakuje a procvičí principy mikroskopické práce 65 min. Pomůcky pekařské droždí, cukr; zdroj tepla (např. vařič, ale stačí i teplé topení či naopak lednice); zředěné roztoky kyseliny a zásady; optický mikroskop a pomůcky k mikroskopování; ph metr (ph papírky) 0,01% vodný roztok metylenové modři, Lugolův roztok Dle počtu žáků/studentů na lekci lektor rozhodne o tom, zdali budou dále pracovat ve skupinách či samostatně. Tuto skutečnost rovněž lektor zohlední s ohledem na počet dostupných mikroskopů a celkového prostoru a možností laboratoře. Pro každý úkol samostatně, tj. pozorování vlivu teploty, vlivu hodnoty ph (nízké či vysoké), nedostatku či naopak nadbytku substrátu, tj. cukru nebo přítomnost kvasinek v destilované vodě připravit vždy dvě stejné baňky/kádinky, ve kterých bude společný základ. Jedná se konkrétně o cca 2 gramy pekařského droždí (kvasinek). V jedné baňce bude vždy směs vystavená optimálním podmínkám, tj. např. mírně zvýšená teplota, optimální hodnota ph a dostatek cukru. Tyto baňky budou sloužit jako reference pro pozorování kvasinek v optimálním stavu. Ve druhé baňce/kádince budou naopak uměle změněny podmínky, tzn. jedna baňka/kádinka bude ohřáta na vyšší teplotu (či naopak zchlazena nebo obojí), v další bude snížena (přídavek roztoku kyseliny) nebo zvýšena (přídavek roztoku zásady) hodnota ph. Do další baňky/kádinky nebude přidán cukr a v další budou kvasinky vystaveny působení rozdílného osmotického tlaku, respektive destilované vodě. V případě baněk lišících se hodnotou ph a přítomností cukru (substrátu) je vhodné baňky umístit ke zdroji tepla a až po čase pozorovat, co se bude dít. Mezitím mohou žáci/studenti připravit pomůcky a mikroskop k pozorování. Poté budou žáci/studenti individuálně či v malých skupinkách pozorovat pod mikroskopem kvasinky pekařského droždí. Úkol zpracují dle postupu uvedeného v kapitole 5 (část b), který je vhodné jim ve stručných bodech a v dostatečném předstihu před zahájením vlastního mikroskopického pozorování předat, aby se mohli postupně a včas seznámit s uvedeným postupem, případně se včas dotázat lektora na detaily či nejasnosti. Každá skupina bude mít za úkol pozorovat ideální (referenční) stav, tj. když kvasinky pekařského droždí mají optimální teplotu, dostatek živin (cukru) a nacházejí se v prostředí s optimální hodnotou ph.

18 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 17 V další fázi mají žáci/studenti za úkol pozorovat, co se stane, když se změní okolní podmínky, tzn., že jedna skupina sníží (či ještě více zvýší) teplotu suspenze ochlazením (zahřátím), druhá přidá např. slabý roztok kyseliny či naopak zásady a změní tak hodnotu ph mimo optimum, tzn., že pozorují preparáty odebrané z druhé baňky/kádinky dané dvojice. Hlavní poznatky svého pozorování si žáci/studenti zaznamenávají na papír (pracovní list) a porovnávají případné odlišnosti, přičemž budou klást důraz především na rozdíly mezi jednotlivými preparáty, tj. referenční nacházející se v optimálních podmínkách a preparát, kde byly podmínky uměle změněny. Jejich poznámky z mikroskopického pozorování budou sloužit jako podklad při závěrečné sumarizaci a prezentaci daného pozorování před ostatními žáky/studenty. Rovněž si mohou tyto pracovní listy doplňovat podle svých potřeb. Pracovní listy mohou žáci/studenti na čisto doplnit na závěr této fáze lekce poté, co dokončí mikroskopické analýzy či v průběhu poslední fáze lekce.

19 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 18 4) Reflexe Cíl aktivity žáci/studenti si sumarizují a zopakují nově získané poznatky z mikroskopického pozorování týkající se vlivu okolního prostředí na mikroorganismy budou prezentovat a diskutovat výsledky svého pozorování před ostatními spolužáky 30 min. V této fázi lekce si žáci/studenti sumarizují výsledky svého mikroskopického pozorování do několika krátkých bodů. Hlavní výsledky a výstupy stručně představí ostatním spolužákům a vyvodí ze svého pozorování patřičné závěry, tzn., jak konkrétní faktor okolního prostředí ovlivňuje (či naopak neovlivňuje) činnost mikroorganismů nebo výsledný obraz mikroskopického pozorování kvasinek pekařského droždí (Saccharomyces cerevisiae). Na závěr celé lekce lektor stručně a výstižně shrne nejdůležitější poznatky a vysvětlí případné neporozumění. Rovněž vysvětlí, proč se dotazoval na lednici, mrazák či sterilizaci a co má společného pečení chleba a buchet s výrobou piva, vína nebo vysokoprocentního alkoholu, čímž zároveň navozuje pozitivní motivaci a témata případných dalších lekcí. To, zdali žáci/studenti porozuměli danému tématu správně, lze ověřit kladením vhodných otázek. Lektor se může rovněž dotazovat například takto: Co se ti na dnešní lekci líbilo nejvíce a proč? Zde se již ptát konkrétního jedince a nepokládat otázku všem. Lze pokračovat: Napadá tě nějaké oblast, kde bys mohl poznatky a výsledky pozorování z této lekce aplikovat v praxi? Kde se s tím můžeš setkat? Lektor zdůrazní, aby si žáci/studenti vzpomněli na svá mikroskopické pozorování, až budou jíst např. chléb, kynuté buchty či kompot nebo uvidíme někoho, jak popíjí pivo nebo víno. Že možná dotyčný ani netuší, že právě tomu vlastně vděčí za činnost mikroorganismů a nastavení vhodných podmínek pro jejich aktivitu.

20 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 19 5) Problémový výklad a) Obecné informace Růst, metabolismus, a tedy i aktivita mikroorganismů projevující se na venek (ta, kterou lze obvykle snadno pozorovat s využitím dostupných technik) je velmi závislá na aktuálních podmínkách okolního prostředí, kde se dané mikroorganismy v daném okamžiku nacházejí. Zjednodušeně lze říci, že jejich aktivita je závislá na následujících faktorech: fyzikálních jako je především teplota, tlak, přítomnost kyslíku, UV nebo jiného záření, vlhkost prostředí nebo kombinace uvedených faktorů chemických mezi které patří především dostatečný zdroj substrátu (zdroj energie pro metabolismus mikroorganismů), zdroj nutrientů jako je dusík, fosfor, ale mnoha případech i tzv. mikronutrienty (měď, železo, zinek aj.), nebo přítomnost antimikrobiálních či dokonce desinfekčních látek a sloučenin. biologických mezi které patří především vliv, ať již pozitivní (symbióza), neutrální (neutralismus) nebo určitou formu i vliv negativní (např. predace, parazitismus) Na základě výše uvedených faktorů je zřejmé, že existuje nespočetné množství kombinací různých faktorů, které se na činnosti mikroorganismů v prostředí podílejí. Navíc může docházet k vzájemné kombinaci a výslednému zesilování nebo naopak vyrušování jednotlivých účinků. Každý mikroorganismus, respektive skupina mikroorganismů má své optimální podmínky, tzn. kombinace fyzikálních, chemických a případně i biologických faktorů. Mikroorganismy ve srovnání s vyššími organismy vykazují obecně vyšší odolnost vůči působení negativních vlivů okolí a mají zároveň vysokou míru schopnosti adaptace na nepříznivé podmínky, včetně schopnosti regulace svého metabolismu. Níže v textu jsou detailněji uvedeny nejzásadnější faktory okolního prostředí, které přímo ovlivňují činnost mikroorganismů. Tyto faktory jsou v praxi běžně využívány jak za účelem stimulace růstu a aktivity mikroorganismů (např. v potravinářském či farmaceutickém průmyslu), tak naopak k restrikci růstu mikroorganismů (např. desinfekce vysokou teplotou a nízkým tlakem, potlačování a léčení nemocí aj.). Teplota vnějšího prostředí je nejvýznamnějším faktorem, který ovlivňuje růst a rozmnožování mikroorganismů. Mikroorganismy jsou schopné růstu přibližně od 0 C do cca 90 C. Tato schopnost je dána především danou skupinou a toto rozmezí teplot není obecně platné pro všechny skupiny mikroorganismů, ba naopak. V souvislosti s teplotou a aktivitou mikroorganismů se často mluví o tzv. minimální, optimální a maximální teplotě. Minimální teplota je taková nejnižší teplota, při které je schopen se daný mikroorganismus ještě rozmnožovat pozorovatelnou rychlostí. Optimální teplota je taková teplota, při které se daný mikroorganismus rozmnožuje nejvyšší rychlostí a růstová křivka dosahuje svého maxima. Maximální teplota je taková teplota okolního prostředí, při které se daný

21 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 20 mikroorganismus ještě rozmnožuje, respektive při překročení této teploty již nedochází k dělení buněk. Podle optima růstu se mikroorganismy dělí do následujících skupin, a sice na psychrofilní (do 20 C), mezofilní (20-40 C) a termofilní (více jak 40 C), případně i hypertermofilní (více jak 80 C). Velká většina mikroorganismů patří mezi mezofilní. Ty jsou usmrcovány teplotami přibližně nad 60 C působícími 10 až 15 minut. Pro usmrcení thermofilních mikroorganismů je nutné zvýšit teplotu, a to až na více jak 80 C. Spory většiny bakterií jsou velmi thermorezistentní a bývají usmrceny teplotou více jak 120 C působící po dobu alespoň 15 minut (např. sterilisace autoklávem). Spory kvasinek a plísní jsou naproti tomu mnohem méně odolné a většinou k jejich usmrcení stačí teploty okolo 65 C. Odolnost mikroorganismů vůči účinkům teploty okolního prostředí je velkou měrou ovlivněna obsahem vody v daném prostředí a v buňkách, dále přítomností některých látek jako jsou sacharidy, lipidy a bílkoviny, ale také hodnotou ph prostředí. Přítomnost kyslíku je také jedním z klíčových faktorů ovlivňujících aktivitu a metabolismus mikroorganismů. Podle nároků na koncentraci kyslíku v okolním prostředí rozdělujeme mikroorganismy na anaerobní, anoxické a aerobní. Aerobní mikroorganismy vyžadují pro svůj růst, aktivitu a rozmnožování přítomnost kyslíku v prostředí. Anoxické či také mikroaerobní mikroorganismy již vyžadují nižší koncentraci kyslíku (přibližně okolo 2 %) a anaerobní mikroorganismy jsou vyžadující nulovou koncentraci kyslíku v prostředí, respektive jejich činnost je za přítomnosti kyslíku více či méně inhibována. Většina mikroorganismů je tzv. fakultativně anaerobní, tzn., že sice preferují aerobní podmínky, nicméně jsou schopny růstu i za anaerobních podmínek (bez přítomnosti kyslíku). Hodnota ph, neboli koncentrace vodíkových iontů v daném prostředí je rovněž velmi důležitým faktorem. Na rozdíl od teploty jsou některé mikroorganismy schopny regulovat (alespoň částečně) hodnotu ph svým metabolismem, respektive produkty metabolismu (např. kyselinotvorné bakterie). Pro většinu bakterií je optimální hodnota ph v neutrálním či slabě alkalickém prostředí. Pro kvasinky je optimální slabě kyselé prostředí, tj. ph 4,8 5,5. Optimální hodnota ph pro většinu plísní přibližně v neutrální oblasti, ale obecně se plísně rozmnožují ve velmi širokém rozmezí hodnot ph, a sice od 2 do 11. Pokud je hodnota ph okolního prostředí mimo optimum vyhovující danému mikroorganismu, klesá zároveň jeho odolnost vůči teplotě. Na základě požadavků na hodnotu ph se mikroorganismy dělí na alkalofilní, tj. optimum v zásaditém prostředí, neutrofilní (optimum v neutrální oblasti hodnoty ph, tedy 6-8) a acidofilní vykazující optimum pro svůj růst v kyselé oblasti hodnot ph. Osmotický tlak rovněž ovlivňuje aktivitu mikroorganismů. Mikroorganismy vykazují nejvyšší aktivitu v prostředí, které má stejnou nebo mírně vyšší hodnotu osmotického tlaku, tj. v okolním prostředí je vyšší koncentrace rozpuštěných solí. Pokud je v okolním prostředí významně nižší koncentrace rozpuštěných solí než v buňce, dochází vlivem vyrovnávání rozdílu osmotického tlaku k transportu vody přes cytoplazmatickou membránu z okolního prostředí dovnitř buňky. Buňka tak zvětšuje svůj objem a může v krajním případě dojít až k prasknutí buňky. Pokud je naopak v okolním prostředí vyšší koncentrace rozpuštěných solí, dochází k transportu vody z buňky do okolního prostředí a dochází tak k odvodnění buňky. V obou případech se významně snižuje metabolická aktivita, což je záměrně využíváno např. při konzervaci potravin (nakládání masa, výroba džemů apod.).

22 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 21 Ultrafialové záření (UV) je záření o vlnové délce od 240 do 300 nm. Toto záření vykazuje mutagenní a letální účinky, které poškozuje DNA. UV záření navíc zapříčiňuje tvorbu toxických peroxidů a ozonu, které následně usmrcuje buňky či vyvolává buněčné mutace. b) Postup mikroskopického pozorování Pozorování kvasinek pekařského droždí (Saccharomyces cerevisiae) Úkol: 1. Nejprve zhotovte nativní preparát kvasinek pekařského droždí Saccharomyces cerevisiae a zakreslete pučící buňky. 2. Následně proveďte vitální test a popište/zaznamenejte si pozorovaný jev. 3. podle časových možností je možné také provést test prokazující přítomnost bílkovin a glykogenu v buňkách kvasinek. Pomůcky: pekařské droždí (kvasnice), kostka nebo lžička cukru, 0,01% vodný roztok metylenové modři, Lugolův roztok, vodovodní voda, slabé roztoky kyseliny nebo zásady, baňka či libovolná nádobka, pomůcky k mikroskopování mikroskop, podložní a krycí sklíčka, ev. imerzní olej Postup: 1. Vždy ve dvou baňkách připravíme podle požadovaných podmínek, jejichž vliv chceme sledovat suspenze složené z: 100 ml vlažné vody, trochu cukru a 2 g droždí (pekařské kvasnice). Jednu baňku ponecháme jako referenční a v druhé uměle upravíme podmínky okolního prostředí, tj. baňku umístíme do lednice, ke zdroji tepla či přidáme slabý roztok kyseliny nebo zásady. Suspenzi následně ponecháme několik minut stát. Poté naneseme kapku suspenze z jednotlivých baněk na podložní sklíčko a následně přiložíme krycí sklíčko. Pod mikroskopem pozorujeme daný preparát při zvětšení 20x a 40x, a případně následně imerzním objektivem (pokud je k dispozici). Pozorované jevy a rozdíly zapisujeme na papír. 2. Kapku suspenze odebranou z referenční baňky následně smícháme s kapkou methylenové modři a přeneseme na podložní sklo. Po přikrytí krycím sklíčkem pozorujeme daný preparát pod mikroskopem. 3. Pokud zbyde čas, odebereme další vzorek z referenční baňky a ze strany krycího sklíčka přikápneme Lugolův roztok, následně prosajeme filtračním papírem a pozorujeme vzniklý takto připravený preparát. Pozorování:

23 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana Patrné jsou oválné buňky lišící se svojí velikosti, přičemž u některých buněk lze spatřit různá stadia pučení. Zdroj: Ludmila Tvrzová, Oddělení mikrobiologie ÚEB, PřF MU Školní pokusy z mikrobiologie. 2. Mrtvé buňky se díky působení methylenové modři barví intenzivně modře, živé buňky naopak zůstávají nezbarvené. Zdroj: Ludmila Tvrzová, Oddělení mikrobiologie ÚEB, PřF MU Školní pokusy z mikrobiologie.

24 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana Mladé buňky obsahující hodně bílkovin se vlivem působení Lugolova roztoku barví žlutě. Ve starších buňkách se naopak hromadí glykogen, který se následně barví hnědě. Zdroj: Ludmila Tvrzová, Oddělení mikrobiologie ÚEB, PřF MU Školní pokusy z mikrobiologie.

25 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 24 Pozorování vláknitých hub (plísní), aneb ten zelený chleba nejezte. 9. ročník ZŠ či 1. ročník SŠ A 120 min. druhá polovina kurzu Prostředí učebna s mikroskopem Hlavní myšlenka lekce Blíže poznat vláknité houby (plísně) a zdůraznit jejich morfologické vlastnosti. Příprava lekce příprava preparátů, tj. plísní na různých potravinách (chleba, citrón, paštika, zavařenina aj.); lupa; optický mikroskop a pomůcky k mikroskopování; preparační jehla Zásadní otázka/y lekce Jak vláknité houby (plísně) vlastně vypadají? Liší se nějak např. tím, kde se vyskytují?

26 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 25 1) Motivace Cíl aktivit vyvolat u žáků/studentů zájem o to, dozvědět se něco o morfologických vlastnostech vláknitých hub (plísní), respektive jak vlastně vypadá to zelené např. na chlebu či ovoci 15 min. Pomůcky vzorky různých potravin, které mají na povrchu plíseň Ještě před začátkem této lekce (je nutné na to myslet již na konci předešlé lekce nebo v dostatečném časovém předstihu) lektor nechá zplesnivět např. kousek chleba, kousek zeleniny či paštiku a tento materiál donese s sebou na lekci. Vhodné je připravit a donést například i kousky plísňového sýra (Hermelín) pro další část lekce. Tento úkol je vhodné zadat žákům/studentům jako jejich samostatnou aktivitu a přípravu na tuto lekci. Tímto krokem lektor docílí zapojení a vtažení žáků/studentů již do samotné přípravy lekce, čímž se ještě větší měrou dosáhne jejich zainteresovanosti do daného tématu. Navíc žáci/studenti takto ponesou společenskou odpovědnost, jelikož pokud materiál nepřinesou, nebudou moci ostatní provádět zadaný pokus, tedy pozorovat plíseň pod mikroskopem a studovat jejich morfologické vlastnosti. Je vhodné (až téměř nutné), aby lektor zadal stejný úkol více žákům/studentům najednou, aby eliminoval potenciální riziko, že na to jednotlivec zapomene. Pokud pak daný vzorek donese více žáků/studentů, je možné, aby si každý (dle celkového počtu žáků/studentů na dané lekci) provedl mikroskopické pozorování vlastního doneseného vzorku. Lektor může dále zvýšit motivaci žáků/studentů kladením vhodných otázek. Může se například ptát takto: Přemýšleli jste někdy o tom, jak vlastně vypadá plíseň na povrchu chleba či určitého druhu ovoce pod mikroskopem? A co to vlastně ta plíseň vůbec je? Zároveň daný kus chleba či ovoce lektor žákům/studentům ukazuje, aby ještě více zvýšil jejich motivaci a podpořil jejich vnímání prostřednictvím více smyslů současně. Dále se lektor dotazuje: Proč se tam vůbec plíseň vytvoří? Jak se tam vlastně dostane? Kde se tam objeví? Jsou tam přítomny její nějaké zárodky? Rovněž je vhodné v této fázi zmínit analogii s penicilinem viz kapitola 5 problémový výklad.

27 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 26 2) Evokace Cíl aktivity žák/student formuluje a pokládá různé otázky, následuje přesná formulace výzkumné otázky 20 min. Pomůcky žádné V této fázi lekce se lektor dále aktivně žáků/studentů dotazuje a pokouší se vyvolat diskuzi o daném tématu, respektive o otázkách uvedených výše. Lektor může volit i formu brainstormingu, kdy klade konkrétní otázky a žáci/studenti na ně následně originálně odpovídají, tzn., že neexistuje správná či špatná odpověď. Hlavní vyslovené myšlenky/odpovědi lektor zaznamená např. na tabuli či na papír a poté společně se žáky/studenty vybere tu(y) nejzásadnější, o kterých bude dále diskutovat. Lektor se dále dotazuje např. takto: Kde všude se můžete s takovouto plísní setkat? A kde se setkáte s vláknitými houbami? (Lektor takto ověří, zdali jsou žákům/studentům známy tyto pojmy, respektive zdali vědí, že je to to samé či zdali v těchto termínech spatřují rozdílné mikroorganismy). Lektor pokračuje v kladení otázek: A je plíseň vždy jen špatná, nežádoucí či dokonce nebezpečná? Nebo vymysleli byste i nějaké příklady, kde je plíseň dobrá/vhodná? Kde ji dokonce chceme mít? Viděli jste někdy plíseň pod mikroskopem? A myslíte si, že se morfologické vlastnosti plísně liší podle toho, na které potravině rostou? Mají vždy přibližně stejný tvar nebo jsou někdy např. vláknitého charakteru a jindy např. kulovité, rozvětvené apod.? A vůbec, roste tam vždy stejná plíseň nebo jiná? Otázky mohou být formovány tak, jak je uvedeno výše, nebo lze volit vlastní formulaci či volit formulaci otázek dle intelektuální úrovně žáků/studentů. Mnohdy lze navazovat na vlastní otázky a odpovědi žáků/studentů. Dále se lektor dotazuje například takto: Jaký je rozdíl v tom, že někdy něco zplesniví a jindy to třeba jen vyschne? Co je zapotřebí tedy k tomu, aby vznikla plíseň? Můžeme jíst například zavařeninu, která je již na povrchu, byť mírně, zplesnivělá? A proč si to vlastně myslíte? Nebo ji jíst vůbec nemohou? A proč? Co nám hrozí, pokud by takovéto potraviny snědli velké množství? Na závěr této části lekce je nutné vypíchnout jednu eventuálně dvě zásadní otázky. Lektor by se měl snažit, aby žáky/studenty k formulaci těchto otázek navedl již během diskuse. Konkrétně se

28 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 27 jedná o: Jaké jsou morfologické vlastnosti plísní? Liší se tyto vlastnosti podle toho, na čem plíseň roste? Tyto otázky lektor artikuluje tak, aby bylo zřejmé, co je hlavní otázka lekce, což navíc podpoří tím, že dané otázky napíše například na tabuli a žáci/studenti si je zároveň zaznamenají do svých poznámek či do záhlaví pracovního listu.

29 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 28 3) Uvědomění Cíl aktivity žák/student nalezne odpověď na to, jak vypadá plíseň pod mikroskopem a zdali se liší její morfologické vlastnosti v závislosti na tom, na čem plíseň roste žák/student si navíc zopakuje a procvičí principy mikroskopické práce 60 min. Pomůcky kousky různých potravin pokryté nárostem plísní; lupa; mikroskop a potřeby k mikroskopování; preparační jehly Dle počtu žáků/studentů na lekci lektor rozhodne o tom, zdali budou dále pracovat ve skupinách či samostatně. Tuto skutečnost rovněž lektor zohlední s ohledem na počet dostupných mikroskopů, pomůcek atd. Následně lektor každému žákovi/studentovi nebo skupině dá alespoň dva malé a různé vzorky potravin s plísní na povrchu. Před vlastním mikroskopickým pozorováním si mohou žáci/studenti přidělené vzorky potravin rovněž prohlédnout i pod lupou a pozorovat již tak některé makroskopické charakteristiky s využitím lupy. Pozorované charakteristiky si žáci/studenti zaznamenávají do svého pracovního listu. Zároveň s danými vzorky potravin lektor předá žákům/studentům bodové návody, jak přesně postupovat během mikroskopického pozorování, aby dané pozorování prováděli všichni pokud možno stejným způsobem a dosáhli tak stejných výsledků pozorování a případné chyby byly eliminovány na minimum. Správný, respektive doporučený postup mikroskopického pozorování plísní je uveden v kapitole 5 (problémový výklad část b). Na tomto místě také může lektor pro odlehčení tématu zařadit text, respektive myšlenky z textu uvedeného v kapitole 5 (část c), týkající se příspěvku osobnosti Járy Cimrmana v oblasti mikrobiologie a mikroskopie. V této fázi lekce žáci/studenti individuálně pozorují rozdíly mezi jednotlivými plísněmi na povrchu různých vzorků potravin. Žáci/studenti nejprve připraví preparáty na mikroskopické pozorování (viz návod) a následně je pozorují prostřednictvím mikroskopu a mikroskopických technik. Hlavní poznatky svého pozorování si zaznamenávají na papír (pracovní list) a porovnávají případné odlišnosti, přičemž kladou důraz především na tvar, větvení či barvu dané plísně. Podle aktuálních časových možností lektor rozhodne o předání jednotlivým žákům/studentům či daným skupinkám dalšího vzorku k pozorování, a sice kousek plísňového sýra, např. hermelínu. Lektor poté poskytne dostatečný prostor žákům/studentům, aby i tento vzorek zpracovali stejným postupem jako předešlé vzorky.

30 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 29 Výsledky svého mikroskopického pozorování a porovnání jednotlivých vzorků si žáci/studenti zaznamenají do svých pracovních listů. Ty budou sloužit jako jejich podklad při závěrečné rekapitulaci provedeného pozorování a hlavních bodů této lekce. Pracovní listy mohou žáci/studenti na čisto doplnit v poslední fázi lekce, respektive poté, co dokončí mikroskopické analýzy.

31 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 30 4) Reflexe Cíl aktivity žáci/studenti si sumarizují a zopakují nově získané poznatky z mikroskopického pozorování budou konfrontovat výsledky svého pozorování s výsledky ostatních spolužáků 30 min. V této fázi lekce si žáci/studenti sumarizují výsledky svého pozorování do několika stručně napsaných bodů, které poté představí lektorovi a ostatním spolužákům. Zároveň budou konfrontovat výsledky svého pozorování s ostatními, a to formou otevřené diskuze moderované lektorem. Je možný i formát, že se daný žák/student či skupina bude aktivně dotazovat na výsledky ostatních a konfrontovat je se svými závěry a pozorováním a uvádět do vzájemných souvislostí. Takto je možné prostřídat a aktivně zapojit všechny žáky/studenty, navíc velmi efektivním způsobem. Na závěr celé lekce lektor shrne a vypíchne nejzásadnější body a dovysvětlí případné neporozumění. To, zdali žáci/studenti porozuměli danému tématu správně, lze ověřit kladením vhodně položených otázek. Lektor se například dotazuje: Co se ti na dnešní lekci líbilo nejvíce? A proč? Napadá tě nějaké oblast, kde bys mohl poznatky z této lekce aplikovat v praxi? Nebo kde se s tím můžeš setkat? Co ti to dneska dalo? Letor může navíc zmínit, ať si na svoje dnešní pozorování vzpomenou, až budou jíst například nějaký plísňový sýr či uvidí nějakou zkaženou potravinu.

32 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 31 5) Problémový výklad a) Obecné informace Plísně jsou mikroskopické houby, které rostou všude tam, kde je dostatek vlhkosti a pokrývají povrch substrátu jemným bílým nebo barevným myceliem. Plísně mohou růst v širokém rozmezí okolních teplot, ovšem nejlépe rostou okolo teploty 25 C. Mohou však růst i při teplotách pod 10 C viz například zplesnivění potravin v lednici. Plísně se rozmnožují prostřednictvím rozrůstáním mycelia a sporami. Po dopadu spory na vlhké místo s živinami začne spora plísně klíčit, následně se rozrůstá a vytváří reprodukční orgány pro další množení. Z těchto orgánů jsou do okolního prostředí uvolňovány zralé spory. Díky tomu, že jsou malé a lehké, mohou být unášeny vzduchem na další místa a vytvářet tak zárodky na jiných místech. Plísně a spory plísní mohou být pro člověka jak nebezpečné, tak i užitečné. Mohou způsobovat zejména alergická onemocnění a ovlivňovat řadu infekčních nemocí. Plísně navíc při svém růstu produkují těkavé organické látky, které mohou rovněž negativně působit na lidský organismus. Tyto látky poškozují zejména sliznice dýchacích cest, nosu a krku, dráždí oči, způsobují bolesti hlavy či dráždí pokožku. Ve výjimečných případech mohou plísně způsobit i velmi vážná onemocnění, např. poté, co se dostanou spory patogenních plísní vdechnutím do plic, kde mohou následně růst. Kromě toho se toho plísně podílejí na kažení potravin, dřeva a mnohé další. Plísně mohou být však i užitečné, jelikož mohou produkovat například antibiotika, organické kyseliny aj. Toho je využíváno v průmyslovém měřítku za účelem dosažení požadovaného produktu. Také v potravinářském či ve farmaceutickém průmyslu nacházejí plísně významné uplatnění. Lze zmínit např. výroby plísňových sýrů. Velmi známé je také využití plísně druhu Penicillium notatum, který produkuje hojně využívána antibiotika hubící především bakterie. Léky tohoto typu se vyrábějí již řadu let a za objevení penicilinu dostal Alexander Fleming Nobelovu cenu (1945). Zdroj:

33 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 32 b) Postup mikroskopického pozorování plísní Úkol: Pozorujte plíseň na dodaných vzorcích. Postup: Pomocí preparační jehly odeberte vzorek plísně z daného materiálu a následně jej přeneseme do kapky vody na podložním sklíčku. Poté preparát opatrně překryjte krycím sklíčkem a pozorujte pod mikroskopem při zvětšení 20x, 40x eventuálně i při zvětšení 100x. Pozorování: Plísně (mikroskopické vláknité houby) mají obvykle různé zbarvení žluté, černé či hnědo(modro)zelené nebo jsou pozorovatelné různé odstíny těchto tónů. Mnohobuněčná vlákna plísní se větví v pravidelných intervalech a jsou rozdělena přepážkami. Konidie se nacházejí v charakteristickém uspořádání na konidioforech. U rodu Aspergillus jsou konidie v jednočlenných až tříčlenných řetízcích na krátkých článcích, obklopujících paličkovitě se rozšiřující nosič (konidiofor). U rodu Penicillium se nosič štětičkovitě větví a naa koncových článcích jsou patrné řetízky konidií. c) Povídání k mikroskopu pro odlehčení tématu Kromě těchto stěžejních myšlenek obohatil Cimrman mikrobiologii i o řadu technických novinek. Jednou z nich je objev tzv. násobného mikroskopu. Myšlenka je to geniální a jednoduchá zároveň. Objekt pozorujeme mikroskopem, zde označeným jako č. 1. Obraz z prvního mikroskopu pozorujeme mikroskopem druhým, jeho obraz třetím atd. Cimrman tak již koncem minulého století dosahoval v pětinásobném mikroskopu zvětšení srovnatelných s moderními elektronovými mikroskopy! Některé prameny dokonce uvádějí, že Cimrman takto pozoroval viry. Skeptičtější autoři soudí, že to však byly pouze nečistoty na objektivu mikroskopu č. 2.

34 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 33 Pracovní list Lekce: Jsou mikroorganismy pro člověka životně důležité? 1. Pár motivačních obrázků na úvod. Zdroj: Zdroj: 2. Nyní se zamyslete, a napište dvě nejpozoruhodnější místa, kde by se podle vás mohly vyskytovat mikroorganismy. Zdroj:

35 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana Do schémat buněk níže doplňte chybějící údaje a organely. Zdroj:

36 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana Do níže uvedeného schématu doplňte místa, kde se mikroorganismy v našem těle vyskytují a případně doplňte i způsob, jak a v čem nám pomáhají. Zdroj: A dva mikrobiologické vtipy na závěr. Zdroj:

37 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 36 Zdroj: Prostor pro vlastní poznámky, postřehy a komentáře:

38 Ing. Mgr. Lukáš Dvořák, Ph.D.: Mikrobiologie I. strana 37 Pracovní list Lekce: Vliv prostředí na mikroorganismy, aneb když mají hlad či cítí chlad. 5. Bodově zapište výsledky svého pozorování. Stručně popište, co jste pozorovali pod mikroskopem. 6. Prostor pro vlastní poznámky, které budou následně využity při sumarizaci a prezentaci závěrů před ostatními spolužáky.