انتشار خلية الآجار


انتشار خلية الآجار

استخدم مكعبات الآجار للتحقق من كيفية تأثير المقاس في الانتشار.

 

  جميع الخلايا الحيوية تحتاج إلى نقل المواد عبر الغشاء البلازمي إلى داخل الخلية وخارجها. بغرس مؤشر درجة الحموضة في مكعبات الآجار ثم نقعها في الخل، يمكنك عمل نموذج لكيفية حدوث الانتشار في الخلايا. بعد ذلك، وبملاحظة المكعبات بمختلف المقاسات، يمكنك أن تكتشف لماذا قد تحتاج الخلايا الأكبر إلى مساعدة إضافية لنقل المواد.

 

الأدوات والخامات

 

  • مسحوق آجار (مادة هلامية طحلبية).
  • ميزان رقمي.
  • إسطوانة قياس.
  • ماء.
  • مخفق أو شوكة.
  • وعاء أو حاوية قابلة للاستخدام في الميكروويف يكون حجمها 500 مل على الأقل.
  • ميكروويف (غير ظاهر في الصورة).
  • قفاز فرن.
  • سطح آمن للحرارة.
  • مؤشر درجة الحموضة، مثل البروموثيمول الأزرق أو الفينول فثالين.
  • أمونيا.
  • مقلاة زجاجية صغيرة للخبز، أو قوالب ثلج سيليكون على شكل مكعبات.
  • مسطرة قياس شفافة من البلاستيك.
  • سكين حاد.
  • وعاء شفاف لنقع مكعبات الآجار.
  • خل.
  • حاسب آلي.
  • قلم وورق.
  • ملعقة.
  • ورق أو صحن أبيض.
  • مؤقتات.

التجميع

  1. قِس 1.6 جرامات آجار آجار و200 مل من الماء. اخلطهما معًا باستخدام مخفق أو شوكة في وعاء آمن للميكروويف.
  1. سخِّن المحلول في الميكروويف بدرجة حرارة عالية لمدة 30 ثانية. انقله إلى سطح آمن للحرارة مستخدمًا قفاز الفرن، وقلبه، ثم أعده إلى الميكروويف. كرر هذه العملية حتى يغلي الخليط. (راقبه جيدًا لأنه قد يفور بمنتهى السهولة) عندما تنتهي، أخرج الوعاء وضعه على حامل أو سطح آخر آمن للحرارة.
  1. اختر مؤشرًا واحدًا لدرجة الحموضة لتستخدمه (البروموثيمول الأزرق أو الفينول فثالين) ثم أضف بضع قطرات منه إلى محلول الآجار. إذا كنت تستخدم البروموثيمول الأزرق، أضف ما يكفي لتحويل الخليط إلى اللون الأزرق؛ فإذا كان لونه مائلًا إلى الأخضر أضف أمونيا قطرةً تلو الأخرى حتى يصبح المحلول أزرق اللون (انظر الصور أدناه). إذا كنت تستخدم الفينول فثالين، أضف ما يكفي لتحويل الخليط إلى اللون الوردي الفاتح؛ ثم أضف الأمونيا قطرةً تلو الأخرى حتى يصبح لون المحلول (ويبقى) ورديًّا فاقعًا (انظر الصور أدناه).

 

  

 

  1. بحرص، اسكب محلول الآجار في قوالب مكعبات الثلج السيليكون أو مقلاة الخبز الزجاجية الصغيرة. تأكد من ألا يقل عمق مكعبات الآجار عن 3 سم عندما تتجمد. إذا لم يكن لديك ما يكفي من المحلول، اصنع المزيد باستخدام نسبة 0.8 مسحوق آجار آجار إلى 100 مل من ماء.
  1. دع الآجار يبرد حتى يجمد (عادةً تكفي ساعة). أخرج مكعبات الآجار من القوالب أو اقطعها من المقلاة باستخدام سكين حاد ليصبح لديك مجموعتان من المكعبات بثلاثة مقاسات: 1*1*1 سم، 2*2*2 سم، 3*3*3 سم. إذا كنت تستخدم البروموثيمول الأزرق، يُفترض أن يكون لديك مجموعتان من المكعبات الزرقاء، وإذا كنت تستخدم الفينول فثالين، يُفترض أن يكون لديك مجموعتان من المكعبات الوردية. يجب أن تكون المجموعات متناسقة حتى يمكن مقارنة تغيُّر اللون فيما بعد.

 

  


 

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

ضع بضعة ملليلترات من مؤشر درجة الحموضة في وعاء صغير (البروموثيمول الأزرق أو الفينول فثالين). باستخدام قطارة أضف بضع قطرات من الخل. ماذا تلاحظ؟

لأنه حمض، لدى الخل عدد كبير من أيونات الهيدروجين؛ فعندما تتصل أيونات الهيدروجين بمؤشر درجة الحموضة يتغير لون المحلول.

املأ وعاءً شفافًا بالخل بعمق 3 سم. ضع مكعب آجار واحدًا من كل مقاس في الخل، بحيث تكون المكعبات مغمورةً. ستستخدم المكعبات غير المعالجة (واحد من كل مقاس) للمقارنة. في اعتقادك، ماذا سيحدث لكل مكعب؟

 

 

حدد مساحة سطح كل مكعب وحجمه. لمعرفة مساحة السطح، اضرب طول جانب المكعب في عرضه؛ هذا سيعطيك مساحة جانب واحد للمكعب. اضرب هذا الرقم في 6 (عدد جوانب المكعب) لتحديد إجمالي المساحة السطحية. لمعرفة الحجم، اضرب طول المكعب في عرضه في ارتفاعه. من ثم حدد نسبة المساحة السطحية إلى الحجم بقسمة مساحة سطح كل مكعب على حجمه.

كيف ستعرف إذا كانت أيونات الهيدروجين تتحرك إلى داخل المكعب؟ في اعتقادك، كم من الوقت ستستغرق أيونات الهيدروجين للانتشار تمامًا في كل مكعب؟ لماذا؟ كيف ستعرف أن الخل قد تغلغل في المكعب بالكامل؟

بعد خمس دقائق أخرج المكعبات من الخل باستخدام ملعقة بلاستيكية، وضعها على ورق أو صحن أبيض. قارن المكعبات المعالجة بتلك غير المعالجة، ولاحظ أي تغيرات في اللون.

كم من الخل امتصه كل مكعب من المكعبات المعالجة؟ إحدى الطرق لقياس هذا حساب نسبة حجم المكعب الذي تغلغل فيه الخل. (لمحة: قد يكون أسهل تقدير الحجم الذي لم يتغلغل الخل فيه، وهو الجزء الذي لم يتغير لونه.) هل تريد أن تعدِّل أيًّا من توقعاتك فيما يخص أوقات الانتشار؟ ما توقعاتك الجديدة؟

 

 

بحرصٍ، أعد جميع المكعبات المعالجة إلى الخل. استمر في فحص المكعبات المنقوعة في الخل كل خمس دقائق بإخراجها لمعرفة نسبة المكعب التي تغلغل فيها الخل. استمر في هذه العملية حتى يتغلغل الخل في المكعبات بالكامل. دوِّن وقت حدوث هذا.

ماذا تلاحظ فيما يتعلق بنسبة التغلغل لكل مكعب في الفترات الزمنية المختلفة؟ ما العلاقات التي تلاحظها بين المساحة السطحية والحجم ونسبة المساحة السطحية إلى الحجم ونسبة التغلغل؟ علامَ يدل هذا فيما يتعلق بالانتشار كلما كبر مقاس الشيء؟


 

ما الذي يحدث؟

الخلايا الحيوية يمكنها العيش فقط إذا كان باستطاعة المواد الانتقال إلى داخلها وخارجها. في هذه الوجبة الخفيفة استخدمت مكعبات الآجار لتصور تغيُّر الانتشار حسب مقاس الشيء الذي يمتص المادة.

يحدث الانتشار عندما تتحرك الجزيئات الموجودة في مساحة ذات تركيز عالٍ إلى مساحة ذات تركيزٍ أقل. وعندما تنتقل أيونات الهيدروجين من الخل إلى مكعب الآجار يتغير لون المكعب؛ ما يسمح لك برؤية مدى انتشارها. وبينما تتسبب حركة جزيئية عشوائية في استمرار انتقال جزيئات وأيونات منفردة ذهابًا وإيابًا بين المكعب ومحلول الخل، فإن التركيزات العامة ستظل في توازن، بتساوي التركيز داخل مكعب الآجار وخارجه.

كيف وجدت نسبة المكعب الذي تغلغلت فيه أيونات الهيدروجين على الفترات الزمنية المختلفة؟ إحدى الطرق لعمل هذا؛ البدء بحجم المكعب الذي لم يحدث فيه تغلغل (أي الجزء المركزي الذي لم يتغير لونه بعد). لمعرفة حجم هذا المكعب الداخلي، قِس طوله واضربه في عرضه وارتفاعه؛ اخصم هذا من الحجم الأصلي للمكعب وستصل إلى حجم المكعب الذي حدث فيه تغلغل. بقسمة هذا الرقم على الحجم الأصلي وضربه في 100٪ يمكنك تحديد نسبة التغلغل لكل مكعب.

 

 

قد تكون لاحظت أنه كلما كبر مقاس المكعب المنقوع في الخل فإن الوقت الذي يحتاج إليه الخل لينتشر داخل المكعب يزيد أيضًا، ولكن ليس خطيًّا. بمعنى آخر، إذا تضاعفت مقاسات المكعب فإن الوقت الذي تستغرقه أيونات الهيدروجين للانتشار تمامًا يزيد على الضعف. وعندما تضاعف المقاس ثلاث مرات فإن وقت الانتشار يكون أكبر بكثير من ثلاثة أضعاف الوقت الأصلي. لماذا يحدث هذا؟

كلما زاد مقاس الشيء، زاد الحجم أيضًا، ولكن أكثر مما قد تتصور. على سبيل المثال، عندما يتضاعف المكعب من طول 1 سم إلى طول 2 سم، تزيد مساحة السطح بمعامل أربعة، من 6 سم2 (1 سم * 1سم * 6 جوانب) إلى 24 سم2 (2 سم * 2 سم * 6 جوانب)؛ ولكن الحجم يزيد بمعامل ثمانية، من 1 سم3 (1 سم * 1 سم * 1 سم) إلى 8 سم3 (2 سم * 2 سم * 2 سم).

 

 

لأن الحجم يزيد بمعامل أكبر من المساحة السطحية، فإن نسبة المساحة السطحية إلى الحجم تقل؛ فكلما زاد مقاس المكعب، قلت نسبة المساحة السطحية إلى الحجم. ويمكن للخل دخول المكعب فقط من خلال سطحه، لذلك كلما قلت النسبة فإن الوقت الذي يستغرقه الخل لحدوث الانتشار خلال الحجم كله يزيد كثيرًا.

 

طول جانب المكعب

المساحة السطحية

الحجم

نسبة المساحة السطحية إلى الحجم

1 سم

6 سم2

1 سم3

6 سم-1

2 سم

24 سم2

8 سم3

3 سم-1

3 سم

54 سم2

27 سم3

2 سم-1

 

كل ما يدخل الخلية (مثل الأكسجين والغذاء) أو يخرج منها (مثل المخلفات) يجب أن ينتقل عبر غشاء الخلية. وكلما كبرت الخلية، قلت نسبة المساحة السطحية إلى الحجم كثيرًا، مثلما الحال في مكعبات الآجار الخاصة بك. فلا يزال على الخلايا الأكبر نقل المواد عبر أغشيتها، ولكن حجمها يستلزم تغذيةً أكبر بينما مساحة سطحها أصغر نسبيًّا لتلبية ذلك.

الخلايا البكتيرية صغيرة إلى حدٍ ما، ولها نسبة مساحة سطحية إلى حجم أكبر بالمقارنة. في حين أن الخلايا حقيقية النواة، مثل تلك الموجودة في النباتات والحيوانات، أكبر كثيرًا؛ ولكن لديها هياكل إضافية تساعدها في إجراء الكمية اللازمة من النقل عبر الأغشية. فتوفر سلسلة من الهياكل المرتبطة بالغشاء المستمرة مع الغشاء البلازمي، مثل الشبكة الإندوبلازمية، مساحة سطحية إضافية داخل الخلية؛ ما يسمح بحدوث ما يكفي من التنقل. ولكن حتى في وجود هذه الإستراتيجيات هناك حدود عليا لمقاس الخلية.


 

المضي قُدمًا

بينما تحقق هذه الوجبة الخفيفة في كيفية تأثير مقاس مكعب آجار في الانتشار، فإن شكل كل مكعب يبقى ثابتًا؛ ولكن الخلايا البيولوجية تأتي في أشكال مختلفة. لترى كيف تؤثر أشكال «الخلايا» المختلفة في معدلات الانتشار، جرب أشكالًا متنوعة من مجسمات الآجار. فيمكن أن تجد قوالب ثلج مكورة أو في شكل عصي، إلى جانب المكعبات. كيف يؤثر الشكل في نسبة المساحة السطحية إلى الحجم؟


 

نصائح للمعلمين

هذه الوجبة الخفيفة تناسب جدًّا سلسلة تحقيقات حول التناضح والانتشار. فتسمح وجبة «البيضة العارية» الخفيفة للطلاب باستكشاف كيف تدفع تدرجات التركيز حركة المواد إلى داخل الخلية وخارجها. وتساعد وجبة «أوبرا الصابون الخلوي» الخفيفة الطلاب في التفكير في أنواع المواد التي تتحرك خلال أغشية الخلية.

لمساعدة الطلاب في فهم مفاهيم المساحة السطحية، والحجم، ونسبة المساحة السطحية إلى الحجم، اجعلهم يبنون النماذج باستخدام مكعبات سنتيمترية بلاستيكية. فمن شأن النماذج المادية المساعدة في ترسيخ هذه الأفكار؛ كما يمكن للطلاب وضع رسمٍ بياني لبيانات الفصل لفهم أفضل للعلاقات الرياضية في الأمر.

إذا لم يتوفر الوقت الكافي في الحصة الدراسية ليكتمل تغلغل أيونات الهيدروجين الموجودة في الخل في المكعبات الأكبر، يمكن للطلاب تدوين نسبة المكعب الذي تغلغل فيه الخل، واستخدام هذه البيانات لاستخراج نتيجة. أو يمكن للطلاب في الحصة التالية تدوين الوقت للفصل السابق.

يأتي الآجار آجار في هيئة مسحوق، ويمكن شراؤه عن طريق الإنترنت أو من الأسواق التي تبيع الأغذية الآسيوية. ويمكن استخدام الجيلاتين الخالي من النكهة بديلًا، إلا أنه أصعب في التعامل. لعمل مكعبات من الجيلاتين، أضف ماءً مغليًّا (25٪ أقل من الكمية الموصى بها على العبوة) إلى مسحوق الجيلاتين، وقلِّبه، ثم اتركه في الثلاجة على مدار الليل. قد تحتاج إلى تجربة نسبة الماء إلى الجيلاتين لتحقيق التناسق الأمثل.

يمكن استخدام عصير الكرنب بديلًا غيرَ مكلِّفٍ لمؤشر درجة الحموضة التجاري. لعمل مؤشر عصير الكرنب، اسكب الماء المغلي على كرنبة حمراء مقطعة، واتركها عشر دقائق. صَفِّ الكرنب واستخدم ما يتبقى من الماء البنفسجي لخلط مسحوق الآجار.


 

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©