A Process of Modeling the Cell Membrane in Biology Teacher Training at University

Lozano, Eduardo Enrique; Adúriz-Bravo, Agustín; Bahamonde, Nora

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Ciência & Educação (Bauru)

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Sumário

ARTIGO ORIGINAL • Ciênc. educ. (Bauru) 26 • 2020 • https://doi.org/10.1590/1516-731320200027 copy

A Process of Modeling the Cell Membrane in Biology Teacher Training at University

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Abstract:

The study is contextualized in a University teacher training program of Biology, in a perspective that proposes that disciplinary training spaces in biology developed by the students should be informed and intervened by models and teaching strategies coming from training spaces in the didactics of natural sciences. Results of a cell membrane modeling process are presented based on the analysis of a scientific fact. Initial models by the students are characterized, as well as the process of intermediate modeling and the structuring of the membrane model, in particular the aspects of fluidity and self-assembly of the molecules that compose it. The analysis of the productions allows us to infer that the initial models made for the proposed situation were becoming more complex and allowed for the theoretical reconstruction of the phenomenon, anchored in the scientific reference model.

Keywords:
Biology teaching; Cell membrane; Teacher training; Higher education

Unidad Didáctica sobre membrana celular y modelo analógico: fase definitiva
Sesión 1: Formulación del problema y modelización inicial individual En un caso de fertilización in vitro, ¿por qué una micropipeta puede entrar y salir del óvulo sin producirle daños en su estructura, ya que luego deberá ser implantado en el útero de una mujer? Piense y explique mediante gráficos y textos explicativos y con todo el detalle que pueda. Toma de datos: recolección de dibujos y textos individuales
Sesión 2: Discusión de los modelos iniciales al interior de cada grupo: introducción de mediadores analógicos a. Organizados en grupo compartan las diferentes explicaciones que dieron al inicio. Observen el siguiente video que muestra imágenes de una fecundación in vitro de un óvulo a microscopio óptico. ¿Les aporta nuevos elementos a las discusiones? Toma de datos: recolección de discusiones grupales b. Con qué materiales concretos ustedes podrían ejemplificar ahora el caso del ingreso de la micropipeta al óvulo? ¿Por qué? (Se les ofrecerá a los alumnos una mesa con diferentes materiales: gelatina preparada, agua, aceite, jabón, globos, coladores, recipientes de plástico, sorbetes, pipetas de vidrio, pelotitas de telgopor) Toma de datos: fotografías de los modelos
Sesión 3: Introducción de un mediador analógico ejemplar desde la historia de la ciencia y de un mediador simbólico (molécula de lípido anfipático): inicio de la representación gráfica del fenómeno a nivel molecular a. Lean en grupos el siguiente texto (ver ^{Anexo A} Anexo A Texto que utilizaron los estudiantes al inicio de la Sesión 3 Si bien las primeras células fueron descriptas en 1665, fue recién promediando el siglo XIX, más precisamente en 1839, que los botánicos, zoólogos y anatomistas europeos que estudiaban la estructura y el funcionamiento de los organismos a nivel microscópico aceptaron que la célula era la mínima unidad constitutiva de los seres vivos. En el marco de esta nueva teoría, algunos investigadores la definían como un grumito de citoplasma con un núcleo, el cual podía o no secretar una membrana, pero afirmaban que la presencia de la membrana no era condición necesaria para su definición como célula. Otros biólogos, en cambio, sostenían que había un límite de la célula y además, que éste era de una composición química diferente de la del citoplasma. Estas diferentes posiciones teóricas generaron discusiones. En ese momento, un físico alemán, Georg Quincke, quien investigaba el comportamiento de finas películas de lípidos en agua, demostraba su interés por participar de los debates sobre la naturaleza química de la membrana celular, y en un informe de 1888 escribió: [...] la superficie plasmática consiste de una membrana fluida muy delgada que envuelve el contenido mucoso y acuoso de la célula en una superficie cerrada, así como una burbuja de jabón encierra al aire. La sustancia de esta membrana es un fluido, que forma gotas en agua y no se mezcla con el agua. Puesto que, de todas las sustancias de origen orgánico conocidas, sólo los aceites muestran esta propiedad, la superficie plasmática debe consistir de aceite graso. (KEPNER, 1979 apudHIDALGO; DEVÉS; LAGOS, 1996, p. 6). Los jabones con los que se construyen las pompas, incluidas las referenciadas por Quincke, se hace a partir de lípidos saponificables y están formadas por ácidos grasos, los cuales tienen una cabeza polar que es hidrófila, y una cadena carbonada que es hidrófoba. Los químicos acuerdan graficar estos lípidos de la siguiente manera: ) b. Simulen el fenómeno del ingreso de la micropipeta al óvulo con una pompa y un sorbete. ¿Qué ocurre? Armen varias pompas contiguas, en contacto. ¿Qué ocurre entre ellas? Coloquen pequeñas gotitas de aceite separadas entre sí en un recipiente con agua y generen corrientes suaves que las pongan en contacto ¿Qué observan cuándo están próximas? c. Ahora piensen esos fenómenos a nivel de las moléculas de lípidos anfipáticos que se encuentran en esos sistemas. Construyan gráficos a ese nivel y textos explicativos, que permitan explicar lo que han observado en cada caso. Toma de datos: recolección de gráficos y textos complementaros. Grabación de discusiones al interior de los grupos.
Sesión 4: Reflexión sobre la utilización de los modelos a. Durante el trabajo realizado hasta aquí fue frecuente la utilización de la palabra "modelo" para referirnos a las diferentes producciones que se fueron llevando a cabo. ¿Podrían tratar de definir a qué hemos llamado modelo en nuestras clases y por qué lo denominamos así? b. Leer el material que se adjunta (texto extraído de Adúriz-Bravo, 2005ADÚRIZ-BRAVO, A. Una introducción a la naturaleza de la ciencia. Buenos Aires: Fondo de Cultura Económica, 2005.) sobre analogías. ¿Qué lugar ocupa el modelo entre una hipótesis y la realidad? Vuelvan al texto de Quincke (KEPNER, 1979 apudHIDALGO; DEVÉS; LAGOS, 1996HIDALGO, C.; DEVÉS, R.; LAGOS, N. Organización molecular de las membranas biológicas. In: LATORRE, R. et al. Biofísica y fisiología celular. Sevilla: Universidad de Sevilla, 1996. p. 3-32., p. 6). ¿Qué estrategia utilizó para explicar el límite de la célula? Toma de datos: recolección de textos producidos por los estudiantes. Grabación de discusiones al interior de los grupos.

Categorías	Ejemplos de modelos individuales
Sustancias: 20 menciones, de las cuales 12 hacen referencia a la gelatina, 4 al agua, 1 al aceite y 3 a lípidos de membrana
Estructura porosa: 10 menciones
Propiedades de la micropipeta: 9 menciones

Modelos iniciales de los estudiantes en cada grupo de la muestra	Modelos que implican la utilización de sustancias lipídicas anfipáticas
Grupo 3: sustancias / propiedad micropipeta Grupo 6: sustancias / propiedad micropipeta Grupo 9: sustancias / estructura porosa	Modelos que implican la utilización de sustancias lipídicas anfipáticas Versión (a) 'Aceite y agua'
Grupo 2: sustancias/estructura porosa/propiedad micropipeta Grupo 5: estructura porosa/sustancias	Versión b: 'Pompas de jabón'
Grupo 8: estructura porosas / sustancias Grupo 15: sustancias / estructura porosa / propiedad micropipeta	Modelo que utiliza otro tipo de sustancia, pelotitas de telgopor, no implicada en la estructura de la membrana celular

Grupos	Textos explicativos sobre el comportamiento de la pompa de jabón
G 5	Creemos que está formada por lípidos lo que hace que esto sea flexible, que mantenga su forma y que sea estable aunque ingrese la pipeta
G 8	Se puede observar en tres dimensiones, el detergente junto con el agua hace que la estructura sea elástica y permeable, permitiendo el ingreso de la micropipeta
G 15	La pompa permite que al introducir un sorbete no se rompa. La pared de la pompa es elástica, flexible y permite que al entrar el sorbete no se rompa

Grupos	Modelos de autoensamblaje utilizando el mediador simbólico
G 3
G 8

Grupos	Textos explicativos que incorporan el mediador simbólico
G 5	Las moléculas que componen las dos gotas se reorganizan para formar una sola, ya que las fuerzas de atracción entre ellas son débiles
G 8	Hay movimiento. Se pueden mover para sumar otras. La fuerza de atracción de las colitas hidrofóbicas no es fuerte, esto se mueven permitiendo el ingreso de la micropipeta. Cuando esta sale se vuelven a organizar
G 15	Al mover el agua se unen las gotas de aceite porque sus enlaces son débiles y al abrirse pueden incorporar más moléculas de aceite formando otro círculo más por las fuerzas de atracción y debe haber movimiento.

Modelización inicial. Etapa de trabajo individual			Modelización intermedia. Etapa de trabajo grupal		Modelos de arribo
Analogías con sustancias	Referencia a estructuras (poros)	Otras explicaciones vinculadas a propiedades de la micropipeta	Modelos que implican la utilización de sustancias lipídicas anfipáticas	Modelo que utiliza otro tipo de sustancia, no implicada en la estructura de la membrana celular	Modelizaciones gráficas y análogos concretos que explican la fluidez y el autoensamblaje en función del problema planteado
51% de las menciones	25% de las menciones	24 % de las menciones	5 grupos	2 grupos	7 grupos

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[1] Autor correspondiente: elozano@unrn.edu.ar