Διερευνώντας την εξέλιξη της αντοχής στα αντιβιοτικά: Εφαρμογή ενός διαδραστικού μοντέλου προσομοίωσης στη διδασκαλία της Βιολογίας

1. Εισαγωγή – Επιστημονικό υπόβαθρο

Η ανακάλυψη της πενικιλίνης από τον Alexander Fleming το 1928 σηματοδότησε μια επανάσταση στη θεραπευτική ιατρική, καθώς εισήγαγε τη δυνατότητα ελέγχου βακτηριακών λοιμώξεων. Ωστόσο, η ευρεία χρήση των αντιβιοτικών δημιούργησε εξελικτική πίεση στα βακτήρια, οδηγώντας στην εμφάνιση στελεχών με αντοχή. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η αντοχή στην αμπικιλλίνη, παράγωγο της πενικιλίνης που χρησιμοποιείται για ευρύ φάσμα λοιμώξεων.

Το ψηφιακό μοντέλο “Evolution of Antibiotic Resistance” (iSee Systems) επιτρέπει την προσομοίωση αυτού του φαινομένου, συνδέοντας τη φυσική επιλογή με τη γενετική ποικιλότητα και την προσαρμογή.

2. Περιγραφή του μοντέλου

Το μοντέλο προσομοιώνει την ανάπτυξη 40 βακτηριακών αποικιών, καθεμιά με αρχικό διάμετρο 1 mm. Οι αποικίες αυτές εξελίσσονται μέσα σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες, καθώς αλλάζουν οι παράμετροι αντιβιοτικού, UV ακτινοβολίας, pH και θερμοκρασίας.

Παράλληλα, το σύστημα παρακολουθεί δύο βασικά χαρακτηριστικά:
(α) την αύξηση μεγέθους (διάμετρος αποικιών) ως δείκτη πληθυσμιακής ανάπτυξης, και
(β) τη συσσώρευση μεταλλάξεων, δηλαδή την εμφάνιση γενετικών αλλαγών που προσδίδουν αντοχή στην αμπικιλλίνη.

3. Μηχανισμός προσομοίωσης

Η προσομοίωση ξεκινά με ευαίσθητα στελέχη E. coli, τα οποία σταδιακά μπορεί να εμφανίσουν τυχαίες μεταλλάξεις. Οι μεταλλάξεις αυτές είναι ανεξάρτητες μεταξύ των 40 αποικιών και προσφέρουν διαφορετικού βαθμού αντοχή σε χαμηλές συγκεντρώσεις αντιβιοτικού.

Το μοντέλο περιλαμβάνει και δύο μεταλλαγμένες εκδοχές:

• Mutant A E. coli, με ήπια αντοχή,
• Mutant B E. coli, με υψηλότερη αντοχή σε αμπικιλλίνη.

4. Παράμετροι εισόδου (Inputs)

Οι μαθητές/μαθήτριες μπορούν να πειραματιστούν με τις εξής μεταβλητές:

• Ampicillin concentration (mg/mL) – επίπεδο αντιβιοτικού στο περιβάλλον,
• UV dose (mJ/cm²) – ακτινοβολία που προκαλεί μεταλλάξεις,
• pH – χημική σύσταση του μέσου,
• Temperature (°C) – θερμοκρασία επώασης.
  Με αυτό τον τρόπο, ελέγχουν περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό εμφάνισης μεταλλάξεων και επιβίωσης.

5. Μετρήσεις και δείκτες εξόδου (Outputs)

Το μοντέλο παράγει τρία βασικά αποτελέσματα (με δυνατότητα γραφικής απεικόνισης):

1. Μέσος αριθμός μεταλλάξεων – δείχνει τον ρυθμό γενετικής ποικιλότητας στο σύνολο των αποικιών.
2. Μέσο μέγεθος αποικιών (population size) – δείκτης αναπαραγωγικής επιτυχίας.
3. Δείκτης ποικιλότητας Shannon (Entropy H) – μέτρο βιολογικής ποικιλότητας μεταξύ αποικιών με διαφορετικό αριθμό μεταλλάξεων.

6. Ο υπολογισμός της ποικιλότητας (Shannon Diversity Index)

Ο δείκτης Shannon (H) χρησιμοποιείται για να εκτιμήσει την εντροπία ενός οικοσυστήματος, δηλαδή τον βαθμό αβεβαιότητας ή πολυμορφίας. Στο συγκεκριμένο μοντέλο:

• Κατηγορίες = αριθμός μεταλλάξεων (0–8),
• Τιμές = ποσοστό αποικιών σε κάθε κατηγορία.
  Όσο πιο ομοιόμορφα κατανέμονται οι αποικίες μεταξύ των κατηγοριών, τόσο υψηλότερη η ποικιλότητα και τόσο μεγαλύτερη η εξελικτική ευελιξία του συστήματος.

7. Παιδαγωγική αξιοποίηση του μοντέλου

Το μοντέλο συνδυάζει προσομοίωση, επαγωγική διερεύνηση και επιστημονική μοντελοποίηση.
Οι μαθητές/μαθήτριες καλούνται να:

• διατυπώσουν υποθέσεις για το πώς η ποικιλότητα οδηγεί στη φυσική επιλογή,
• ρυθμίσουν μεταβλητές (π.χ. συγκέντρωση αμπικιλλίνης) και να προβλέψουν την εξέλιξη των αποικιών,
• συγκρίνουν τα αποτελέσματα μεταξύ διαφορετικών προσομοιώσεων,
• ερμηνεύσουν την έννοια της «ανθεκτικότητας» ως εξελικτικό πλεονέκτημα.

Η διαδικασία ενθαρρύνει σκέψη αιτίου–αποτελέσματος, ανάλυση δεδομένων και κριτική αξιολόγηση επιστημονικών μοντέλων.

8. Εκπαιδευτική εφαρμογή στη διερευνητική μάθηση

Προτεινόμενη δραστηριότητα:
Οι μαθητές/μαθήτριες εργάζονται σε ομάδες και διαμορφώνουν διαφορετικά πειραματικά σενάρια.

• Ομάδα 1: Μεταβάλλει μόνο την περιβαλλοντική θερμοκρασία.
• Ομάδα 2: Αυξάνει τη συγκέντρωση αντιβιοτικού.
• Ομάδα 3: Εξετάζει την επίδραση της UV ακτινοβολίας στις μεταλλάξεις.
  Κάθε ομάδα καταγράφει τα δεδομένα από τις καμπύλες «Colony Growth» και «Mutation Accumulation» και κατασκευάζει δικό της διάγραμμα Shannon Diversity.
  Τελικός στόχος: να εξαγάγουν από κοινού ένα μοντέλο κατανόησης της φυσικής επιλογής και να διατυπώσουν επιστημονικά συμπεράσματα.

9. Εφαρμογή στη διαφοροποιημένη διδασκαλία

Για να καλυφθούν διαφορετικά μαθησιακά προφίλ:

• Οι αναλυτικοί/λογικοί μαθητές μελετούν τον μαθηματικό τύπο του Shannon και υπολογίζουν τις τιμές ποικιλότητας.
• Οι οπτικοί δημιουργούν γραφήματα και παρουσιάσεις των προσομοιώσεων.
• Οι δημιουργικοί/λεκτικοί μαθητές συνθέτουν ένα «μικρο-σενάριο» για την εξέλιξη ενός στελέχους E. coli στο χρόνο.
• Οι κοινωνικοί μαθητές οργανώνουν μια «συνέντευξη τύπου» όπου εξηγούν πώς προκύπτει η ανθεκτικότητα και γιατί αποτελεί παγκόσμια πρόκληση υγείας.

Η διαφοροποίηση ενισχύει την ενεργή συμμετοχή και επιτρέπει την εμβάθυνση σε διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας.

10. Συμπεράσματα – Διδακτική αξία

Το συγκεκριμένο μοντέλο επιτρέπει στους μαθητές και τις μαθήτριες να βιώσουν τη φυσική επιλογή ως δυναμική διαδικασία και όχι ως αφηρημένη θεωρία. Μέσα από τη χρήση ΤΠΕ, την επεξεργασία πραγματικών δεδομένων και τη διερεύνηση υποθέσεων, καλλιεργούνται δεξιότητες παρατήρησης, αναπαράστασης, αιτιολόγησης και επιστημονικής επιχειρηματολογίας.
Επιπλέον, συνδέει τη σχολική Βιολογία με επίκαιρα κοινωνικά ζητήματα, όπως η αντοχή στα αντιβιοτικά, προσφέροντας έδαφος για ηθικές και κοινωνικές συζητήσεις.

Το μοντέλο συμβάλλει στην οικοδόμηση επιστημονικού γραμματισμού, προετοιμάζοντας τους νέους πολίτες να κατανοούν και να συμμετέχουν κριτικά σε σύγχρονες βιοϊατρικές προκλήσεις.

Προτεινόμενη διερευνητική δεξιότητα

Διατύπωση και έλεγχος υποθέσεων μέσα από ανάλυση προσομοιωμένων δεδομένων.