أوبرا الصابون الخلوي

يمكن لأفلام الصابون أن تتصرف مثل الأغشية.

تحتاج كل خلية في جسمك إلى أن تمتص المغذيات، والأكسجين، والمواد الخام، بينما تخرج المخلفات وغيرها من المواد؛ إلا أن الأمر ليس مجرد زحام مروري عشوائي! فغشاء الخلية (ويسمى أيضًا الغشاء البلازمي) ينظّم ما يخرج وما يدخل. استكشف خصائص أفلام الصابون، ثم اربطها بخصائص الأغشية البلازمية، وآليات الانتقال عبر الأغشية.

ملحوظة تعليمية متعلقة بكوفيد-19: بعض الفيروسات، بما في ذلك فيروس كورونا المستجد، محاطة بنوع الغشاء نفسه الذي يحيط بالخلايا البشرية. تستخدم هذه التجربة أفلام الصابون لعمل نموذج لكيفية تصرف الأغشية. للصابون خصائص تشبه عناصر الغشاء الفيروسي، لذا يمكنه أن يعطل الغشاء الفيروسي عند التماس؛ مما يبطل فاعلية الفيروس.

الأدوات والخامات

• صابون أطباق سائل.
• ماء.
• جلسرين.
• خيط قطن.
• ماصتا شرب.
• مقص.
• وعاء شواء ألومنيوم، أو أي وعاء مماثل يكون أعرض من الماصتين.
• وعاءا أفلام أو قطعة طولها 5-10 سم من أنبوب بلاستيكي (انظر قسم التجميع أدناه).
• سكين حاد أو شفرة حلاقة أحادية الحافة (غير ظاهرة في الصورة).
• ورقة بناء سوداء، أو أي مادة سوداء أخرى.
• قلم، أو أي شيء شبيه رفيع.
• اختياري: قواطع PVC، أو منشار.

التجميع

1. لعمل محلول الفقاعات الخاص بك؛ اخلط الصابون السائل بالماء بنسبة واحد إلى عشرة، وأضف مقدار ملعقة طعام من الجلسرين لكل جالون من المحلول. اترك المحلول لفترة لا تقل عن ليلة للحصول على فقاعات تستمر طويلًا.

2. اقطع الجزء السفلي من وعاءي الأفلام. لعمل ذلك، استخدم السكين الحاد، أو شفرة الحلاقة أحادية الحافة لخرق الجانب بالقرب من قاع الوعاء، ثم اقطع القاع باستخدام مقص حاد. تأكد من عدم وجود أي حواف خشنة بعد القطع. عوضًا عن ذلك، اقطع جزءًا طوله 5-10 سم من أنبوب بلاستيكي PVC باستخدام القواطع أو المنشار.

3. املأ وعاء الشواء بمحلول الصابون لعمق لا يقل عن 2.5 سم.

4. قص قطعة من الخيط يكون طولها تقريبًا أربع مرات طول الماصة. مرر الخيط في الماصتين، ثم اربط نهايتي الخيط معًا لعمل حلقة (انظر الصورة أدناه).

5. حرّك الماصتين والخيط لعمل شكل مستطيل. هذا هو إطار الفقاعة الخاص بك (انظر الصورة أدناه). قص الخيط الفائض من نهايات العقدة. حرك الخيط خلال الماصتين لتختبئ العقدة داخل إحداهما.

6. لعمل ذراع للإطار؛ قص قطعة أخرى من الخيط يكون طولها تقريبًا ثلاث مرات طول الماصة. مرر الخيط في إحدى الماصتين، ثم اربط نهايتي الخيط معًا (انظر الصورة أدناه).

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

تأدية هذا النشاط تكون أسهل إذا أداها شخصان معًا. فيمكن لأحدهما عمل فيلم الصابون وحمل الذراع، بينما يستكشف الآخر كيف يتصرف الفيلم.

شكّل إطار الفقاعة في هيئة مستطيل. بينما تحمل الإطار باستخدام الذراع، غطّس الإطار كله في محلول الفقاعات.

ارفع الإطار باستخدام الذراع حتى يكون الجزء السفلي من الإطار خارج محلول الفقاعات قليلًا، وتكون الماصتان موازيتين لسطح المنضدة. يفترض أن يكون لديك الآن فيلم صابون مستطيل بين الماصتين. إذا لم يكن هناك صابون حاول تغطيس الإطار ورفعه مرة أخرى.

احمل فيلم الصابون أمام ورقة البناء السوداء أو أي مادة سوداء أخرى. راقب بتمعن سطح الفيلم. انفخ برفق على الفيلم وراقب ماذا يحدث.

كرر الخطوتين الأوليين إذا فرقعت الفقاعة أثناء تنفيذ الخطوات التالية.

بلل إصبعك في محلول الصابون. برفق اضغط بإصبعك على فيلم الصابون. ماذا يحدث؟ هل يمكنك تحريك إصبعك داخل الفيلم؟ الآن، بلل إصبع آخر بدون صابون في ماء فقط، ثم اضغط به على الفيلم. ماذا يحدث؟

مستخدمًا إصبعًا جافًا، حاول الضغط برفق على فيلم الصابون. ماذا يحدث الآن؟

كوّن فيلمًا جديدًا على الإطار. لف وعاء فيلم أو جزءًا من أنبوبة بلاستيك PVC في محلول الفقاعات لتغطية أسطحها. امسك وعاء الفيلم من أحد الأطراف وأخرجه من المحلول. إذا تكونت أفلام صابون عبر فتحات الوعاء، فرقعها. أدخل أحد طرفي وعاء الفيلم خلال فيلم الصابون على الإطار. إذا فرقعت الفيلم، اصنع غيره وكرر المحاولة.

عندما تنجح في إدخال وعاء فيلم مغطى بالفقاعات في فيلم الصابون، اترك الوعاء في هذا الوضع واطلب من شريكك تمرير شيء ما (قلم على سبيل المثال) خلال فتحتي الوعاء، من أحد الجانبين إلى الجانب الآخر (انظر الصورة أدناه). هل يمكنك تحريك وعاء الفيلم داخل فيلم الصابون؟

حاول أن تضع وعاء فيلم جاف داخل فيلم الصابون. ماذا تلاحظ؟

بناءً على ملاحظاتك، ما الظروف التي تسمح للأغراض بالمرور خلال فيلم الصابون دون أن تفرقعه؟ وما الظروف التي تتسبب في فرقعة الفيلم؟ هل تظن أن مرونة الفيلم تؤثر في قابليته لمقاومة الفرقعة؟ لماذا يكون ذلك أو لا يكون؟

ما الذي يحدث؟

كل من غشاء الفقاعة والغشاء البلازمي يكوّنان نوعًا من الحاجز السائل بين جانبين مميزين. وبينما يفصل غشاء الفقاعة فقط بين الجانبين الأيمن والأيسر للفقاعة، فإن الغشاء البلازمي للخلية يفصل داخل الخلية عن خارجها. وفي الحالتين فإن الأغشية شبه نفاذة، أي إنها تسمح بمرور بعض المواد عبرها بينما تمنع موادًا أخرى من ذلك. فيلم الصابون هو بمثابة «شطيرة ماء»؛ أي طبقة من الماء بين طبقتين من جزيئات الصابون. فتتجه رؤوس جزيئات الصابون المحبة للماء ناحية الداخل حيث توجد طبقة الماء، بينما تتجه ذيول جزيئات الصابون النافرة من الماء خارج الفيلم حيث تتصل بالهواء (انظر الرسم التوضيحي أدناه). مثل الفقاعة، للغشاء البلازمي تكوين ثنائي الطبقات. إلا أنه في الخلية تتكون الأغشية من جزيئات تسمى الدهون الفوسفاتية، ولها رؤوس محبة للماء على الطبقة الخارجية من الغشاء، وذيول نافرة من الماء على الطبقة الداخلية من الغشاء (كبر الرسم التوضيحي أدناه).

عندما يكون الإصبع، أو وعاء الفيلم، أو أي غرض آخر مغطى بالماء أو محلول الفقاعات، ومن ثم يُدخَل في فيلم الصابون، يبقى الفيلم على اتصال بمحلول «مشابه» فلا يتفرقع. على عكس ذلك، يخرق الفيلم أي جسم جاف أو ذي تركيبة كيميائية مختلفة. مثل غشاء الفقاعة، يسمح غشاء الخلية البلازمي للجزيئات ذات التركيب الكيميائي المشابه بالدخول عبر الغشاء والمرور من خلاله. بالنسبة للخلايا، يشمل ذلك الجزيئات النافرة من الماء، مثل معظم الغشاء. كذلك يمكن لبعض الجزيئات القطبية المشحونة جزئيًّا المرور عبر الغشاء، ولكن حجمها الصغير هو الذي يمكِّنها من فعل ذلك؛ إذ تمر من خلال المسافات بين الدهون الفوسفاتية.

ولكن الجزيئات القطبية الكبيرة -مثل الجلوكوز- والأيونات المشحونة تمامًا (مثل أيونات الهيدروجين +H والصوديوم +Na والبوتاسيوم +K) تحتاج لعمليات نقل خاصة لعبور الغشاء. وتمثل «قناة» وعاء الفيلم في نماذج غشاء الفقاعة هذا النوع من الحركة، مما يسمح للمواد غير المشابهة للغشاء بالعبور من خلاله. في الخلايا، تتكون القنوات من البروتينات المغروسة في الغشاء. ولكن قنوات البروتين في الغشاء البلازمي ليست أنفاقًا بسيطة؛ فتمر بتغيرات شكلية معقدة، وكثيرًا ما تحتاج طاقة لنقل الجزيئات عبر الغشاء. مثل الفيلم، فإن قنوات البروتين ليست ثابتة، فيمكنها التحرك في الغشاء. هذا الغشاء المرن ثنائي الطبقات ذو القنوات المتحركة يسمى «نموذج فسيفساء المائع».

المضي قدمًا

غطِّ إصبعك بنوع آخر من المواد (زيت نباتي أو كحول مسح على سبيل المثال)، وانظر ما إذا ستستطيع اختراق الفيلم دون أن تفرقعه. جرّب ذلك عدة مرات باستخدام سوائل مختلفة. في ظنك، ما الذي يجمع بين السوائل التي تنجح معها تجربة الاختراق؟

نصائح للمعلمين

قبل أن يبدأ الطلاب في هذا النشاط، يكون من المفيد لهم أن يدركوا ما تحتاج إليه خلايا كائن ما للتحرك إلى داخلها أو إلى خارجها، وكيف تتحرك الجزيئات عبر الأغشية حسب تدرجات التركيز. تساعد تجربة البيضة العارية الطلاب على ملاحظة حركة الجزيئات على مقياس كبير عبر غشاء ما، قبل أن يتطرقوا للمكونات البنائية لأغشية الخلية في تجربة أوبرا الصابون الخلوي، كما تمنحهم سياقًا للتعلم. بالجمع بين تلك الأنواع من الأنشطة بتسلسل، يمكن للطلاب صياغة نموذج قابل للمراجعة حول كيفية حدوث التناضح والانتشار، وما قد يمنع الجزيئات أو يسمح لها بالتحرك عبر الأغشية.

كذلك أدمج بعض المعلمين الممارسات الهندسية بجعل الطلاب يصممون قنوات تسمح بمرور أنواع معينة من الجزيئات، بينما تمنع أخرى من المرور، مثلما تفعل القنوات في الغشاء البلازمي.

وعند استخدام هذا النوع من النماذج مع الطلاب، من المهم أن يدركوا كلًّا من التشابهات مع الغشاء البلازمي ومحدوديات النموذج. وعند الجمع مع نماذج أخرى (مثل ذلك النموذج في تجربة البيضة العارية)، يمكن للطلاب فهم أيٍّ من أجزاء النموذج تتطابق مع أي أوجه نفهمها حول انتقال الجزيئات عبر الأغشية الخلوية.

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©